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汽车底盘用铸造铝合金的研究进展

2021/1/7 8:42:04 人评论 次浏览 分类:技术论坛


导读:
采用铝合金代替钢材制造汽车底盘零部件有利于汽车减重,进而减少能耗与排放,这对环境和能源保护具有重要意义。在调研国内外相关文献的基础上,对汽车底盘用铸造铝合金的研究进展进行综述。在相关铸造铝合金研究中,成分变化主要以Si、Mg、Mn、Zn几种元素为主。简要介绍了汽车底盘用铸造铝合金的种类、强化机制、研究背景及压铸工艺,并详细阐述了其成分设计和热处理工艺研究现状,对后续研究开发可望提供方向性的参考意见。


着汽车轻量化发展趋势,铸造铝合金在车辆制造上的应用越加成熟。占汽车总质量30%以上的底盘系统作为汽车结构不可忽视的一部分,更是减重研究的重点。目前,转向节、控制臂等汽车底盘部件已应用铝合金材料代替钢制材料制造实现轻量化。

A356、Al-10Si-Mn-Mg、Al-5Mg-2Si-Mn等铸造铝合金是应用于汽车底盘结构件的主要铸造铝合金材料。现有各类汽车底盘常用铸造铝合金的力学性能总结见表1。


表1 不同工艺、不同状态下铸造铝合金的力学性能

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1  Al-Si系合金

1.1 A356合金

A356合金属于Al-Si-Mg系合金,主要应用于转向节、支座等非薄壁件的铸造生产中。铸态Al-Si-Mg合金的力学性能主要取决于合金元素含量和铸造工艺参数,T6热处理工艺能使铸件性能进一步提高。

通过添加微量元素来改性共晶Si和细化组织晶粒,Al-Si合金力学性能可以得到改善。目前常用的变质元素为Sr。经过Sr改性的A356合金,组织中共晶Si形貌由针状或板状向纤维状或粒状转变,共晶Si颗粒表现出更加细密的分布状态,且铝基枝晶间距减小。

在以往的研究中,细化剂Al-5Ti-1B在A356合金的应用上最为广泛。Ti与Al结合形成Al3Ti相,细小的富Ti颗粒能促进基体晶粒的异质形核并阻碍晶粒长大,从而细化晶粒;随着Ti含量的增加,富Ti颗粒粗化,细化晶粒效果受限,并且粗大的脆性颗粒作为裂纹萌生点,恶化合金力学性能。

此外,Fe往往作为杂质元素存在于Al-Si合金中。Fe在Al-Si-Mg合金中会生成针状β-Al5FeSi、板条状α-Al8Fe2Si和π-Al8Mg3FeSi6相,恶化合金组织及性能。为了抑制富Fe相的有害影响,一些微量元素被添加来改善其形貌。TUNCAY T等研究发现,将Cr和Zr添加到A356合金中,改变了富铁金属间化合物的形态。Cr的加入使板条状Al-Si-Fe金属间化合物转变为粒状Si-Fe-Cr金属间化合物;Zr的加入生成了鱼骨状和板状Si-Fe-Zr金属间化合物。Mn也常用于中和Fe的不利影响,Mn的加入能减少针状β-Al5FeSi相的存在,形成汉字状或者球状α-Al(Fe,Mn)Si相。

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(a)A356   (b)A356-0.20Fe  (c)A356-0.20Fe-0.20Mn  (d)A356-0.20Fe-0.13Mn-0.13Cr

图1 单独添加Mn或联合添加Mn、Cr,富Fe相的形貌变化


1.2 低硅铸造铝合金

在Al-Si-Mg系合金中,往往添加过量的Si以保证其良好的铸造性能。过量的Si在合金中以共晶Si的形式存在,并且共晶Si表现为脆性颗粒,其硬度远远高于基体。粗大、片状的共晶Si对合金塑性有不利影响。相比A356合金,采用降Si增Mg的方式开发性能更加优异的铸造铝合金是可行的。

共晶Si颗粒开裂和脱粘是铸态Al-Si合金最终断裂的主要损伤机制。增加Mg含量得到强度和硬度更高的铝基体可能会增加Si颗粒破裂的可能性,导致合金伸长率的降低。李鹏飞等对降Si增Mg的比例进行了细致的研究,确定了强度和伸长率均高于A356合金的新型铸造铝合金的成分范围,见表2。曾瑞祥等进一步研究了Sr改性低硅铝合金的最佳含量,其铸态和T6态共晶Si形貌见图2。可以看出,添加0.025%的Sr充分变质后经过热处理,共晶Si呈现分布均匀的细小圆粒状,α-Al基体枝晶细密,合金抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到370.3 MPa、307.3 MPa和8.3%。


表2 低硅铸造铝合金的元素组成              %

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(a)铸态               (b)T6态

图2 充分改性后铸态和T6态共晶Si形貌


1.3 压铸合金

近年来,压铸铝合金代替钢制汽车零件的应用不断增加,追求更好性能铝合金的研究备受关注。高压压铸(HPDC)是大规模生产部件的最有效的铸造工艺之一,其两阶段凝固过程形成的具有双峰结构的超细共晶组织可以改善铸件塑性和韧性。

同时,高压压铸工艺也存在两个问题:

(1)粘模倾向大;在铸造铝合金中,Fe含量在0.8%以上,熔融金属几乎没有和模具钢粘连的倾向。在合金中添加Fe可以有效降低铸件粘模倾向,但Fe对合金性能存在有害影响,需要添加Mn进行中和。研究表明,压铸铝合金中Fe和Mn的最佳添加范围分别为0.15%以下和0.5%~0.8%。

(2)成型铸件气孔率较高;由于模具中的湍流填充会受到铸件厚度的限制和较高的冷却速度,滞留金属液中的空气几乎没有时间逸出,最终在铸件中以孔隙或氧化夹杂物的形式存在。在服役过程中,这些缺陷作为裂纹萌生的应力集中点,导致铸件的力学性能降低。在高温环境下,孔隙中的气体会膨胀,从而导致铸件(尤其是薄壁铸件)表面起泡,影响铸件质量。因此,高压铸件不适用常规的热处理工艺,也不能在高温下工作。

Al-9Si-Mg-Mn和Al-10Si-Mn-Mg合金是目前市场上铸造汽车底盘结构件常用的两种高硅压铸铝合金。较高的Si含量可以提高合金铸造性能,降低铸造过程中产生缺陷的几率;合金中适量的Mg可以激发时效硬化潜力,促进强化相(如Mg2Si)的析出,增强合金强度。该类铝合金压铸件虽然不能进行常规的固溶热处理,但由于合金流动性较好,铸件气孔率有所改善,可以经过短时低温的固溶处理+时效处理来提升铸件性能,同时避免铸件表面起泡。

经过短时固溶处理,压铸件组织会发生枝晶细化,共晶Si球化和金属间化合物溶解,导致伸长率增加,但由于高温诱导气孔膨胀和强化相的溶解,铸件抗拉强度、屈服强度出现下降。随后的时效处理用于弥补这部分强度损失,使合金力学性能达到良好配合。

此外,Mg含量对高硅压铸铝合金强度极限也有显著影响。张百在等发现经过时效处理的AlSi10MnMg铸件的屈服强度在Mg含量为0.21%时达到峰值。随着Mg含量(>0.4%)的进一步增加,α-Al枝晶和Mg2Si颗粒粗化,导致合金综合力学性能恶化。


2 Al-Mg系合金

目前用于制造汽车底盘的Al-Si系铸造铝合金在铸态条件下没有足够的塑性(δ˂5%),不能满足现代汽车的要求。这类合金往往需要经过热处理,以获得较高的抗拉强度和伸长率。然而,对于薄壁大型压铸构件,固溶处理和人工时效处理技术容易导致这些部件的尺寸变化。因此,近年的研究工作开始致力于开发无需热处理的新型压铸铝合金以拓宽铸造铝合金的实际应用。

压铸Al-Mg合金是用于生产汽车安全部件的不可热处理强化铝合金,由于Mg在铝基中具有较高的溶解度,温度对其固溶体成分的影响较小,无需热处理就能具有良好的耐腐蚀性能和较高的力学性能,在汽车的副车架和门架上已有良好的运用。然而,在压铸过程中,由于Al-Mg合金的成形能力和抗氧化能力低于Al-Si合金,获得性能优异的Al-Mg合金的压铸件一直是一个颇有难度的挑战。


2.1 Al-Mg-Si-Mn合金

Al-Mg-Si-Mn合金压铸件具有良好的强度和塑性,对汽车薄壁安全部件的批量生产具有广阔的前景。Al-Mg-Si-Mn系压铸合金中Mg含量越高,形成的β″相越少,在组织中观察到的β′和β沉淀越粗。合金中粗大的脆性颗粒易造成应力集中和裂纹,降低合金的力学性能。此外,有研究指出,当Al-xMg-2Si-Mn合金中Mg含量超过4.7%时,β-Al3Mg相沿晶界析出,消耗了基体中的Mg原子并且降低了晶界强度,对合金的耐腐蚀性能和力学性能造成不利影响 (见图3a)。胡祖麒等研究了Mg含量对Al-xMg-2Si-Mn合金疲劳和力学性能的影响。结果表明,当Mg含量从5.7%提高到7.2%时,合金屈服强度和硬度分别提高了11%和9%,但伸长率从8.31%显著下降到4.52%。更多的Mg原子溶解到Al基体和组织中,更多的Mg2Si颗粒对合金的抗疲劳性能是有益的,因为位错被基体中的颗粒分散,疲劳变形更均匀地分布在合金中。随着Mg含量的增加,合金疲劳极限和疲劳寿命会有所增加。

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(a)Al-2.6Si-0.7Mn截面上的Al-Mg-Si-Mn系统    (b)Al-5.7Mg-2.6Si-0.7Mn截面上的Al-Mg-Si-Mn-Zn系统

图3 Al-2.6Si-0.7Mn截面和Al-5.7Mg-2.6Si-0.7Mn截面上的Al-Mg-Si-Mn-Zn系统


采用合适的时效处理工艺能溶解β-Al3Mg相,改善合金性能。据报道,经过250 ℃×1 h时效处理后,Al-5Mg-2Si-Mn合金的抗拉强度和屈服强度分别提高了14%和29%;时效时间延长至3 h,强度增加的趋势下降,伸长率回升至略小于时效前的伸长率。通过添加适量的Zn也能抑制β-Al3Mg相的析出。TRUDONOSHYN O等研究发现,在Al-5.7Mg-2.6Si-0.7Mn合金中添加0.79%的Zn可完全消除β-Al3Mg相(见图3b),并形成GP-I 区,增强沉淀硬化效果。CHI S Q等也报道了在Al-Mg-Si合金中加入0.2%的Zn导致晶间腐蚀的减少。Zn的加入还导致了T-AlMgZn相的形成,Zn含量越高,T-AlMgZn相的体积分数越高,与α-Al和共晶相相比,T相具有相对较高的硬度值,有利于合金强度,但会造成塑性的降低。

Cr、Zr和Sc常用作铝合金细化剂,也是改善Al-Mg-Si-Mn系合金组织结构常用的3种元素,但由于高压压铸的特性,它们对压铸件基体晶粒的细化作用有限。添加微量(0.1%~0.3%)的Sc、Cr和Zr能为α-Al基体提供固溶强化作用,未溶解在α-Al中的过量合金元素形成Al3Zr、Al7Cr和Al3Sc相。Cr与Mn的同时存在,会形成稳定的α-Alx(Fe,Mn,Cr)ySiz金属间化合物,而Zr和Sc不会改变含Mn相的化学组成。Zr常与Sc结合使用,形成强化Al3(Sc,Zr)沉淀。


2.2 Al-Mg-Mn合金

良好的力学性能和耐腐蚀性是汽车底盘结构件的基本要求。Al-Mg合金不仅完美契合了这两点要求,而且它在热处理时力学性能也可以满足对部件的要求。但由于大量Mg的存在,Al-Mg合金的抗氧化性能较差。为提高其抗氧化性能,减少氧化物夹杂物的生成,可以在合金中加入微量的稀土元素(≤0.1%)。

Al-Mg系合金的强度主要依赖于固溶强化和沉淀强化。微量元素(如Mn、Zn)的添加会促进少量第二相粒子的析出,改善合金的力学性能。

Al-(4.5~5.5)Mg-Mn作为一种新型压铸合金,由于其高强度和高延展性,适用于安全结构件。在Al-Mg合金中添加Mn形成的AlMnFe相粒子可以作为晶粒的异质形核中心细化晶粒并产生弥散强化作用。有报道称,Zn对Al-Mg合金的强度同样表现出有利的影响。Zn可以溶解在α-Al基体中提供固溶强化的作用,也可以在Al-Mg合金中可以产生η-MgZn2相,产生弥散强化效果。但Zn对合金耐腐蚀性能的影响存在一些矛盾的报道。SANDER R E等研究表明,增加Zn含量(0.4%~1.5%)会导致更严重的腐蚀损害。


3 Al-Zn系合金

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7×××系列锻造合金(Al-Zn-Mg-Cu)因其高比强度、良好的延展性和优异的耐腐蚀性能广泛应用于制造高负荷结构件。适当改变合金成分以提高其铸造性能并降低热裂倾向是开发适用于汽车结构材料的铸造合金的研究方向之一。

Zn是7×××系列合金的主要合金元素,合金的强度随着Zn含量增加而提高。Zn在铝合金中以富锌相(η相)和固溶的形式存在,有利于弥散强化和固溶强化,但η相的腐蚀电位低于α-Al基体,不利于合金的耐腐蚀性能。当Zn含量增加到高于一定水平,由于脆性颗粒的粗化,合金的延展性、铸造性能和抗应力腐蚀能力会出现显著降低。

在7×××系列铝合金中,Mg含量主要决定合金的强度和伸长率。较高Mg、Zn质量比也有利于合金的抗热裂性能。

铝合金中Cu的添加有利于强度,但降低了合金铸造性能、延展性和耐腐蚀性能。因此,汽车底盘构件所用的铸造铝合金中一般不添加Cu元素。

SHIN J等研究开发了一种可用于铸造生产的新型7×××系铝合金,其成分见表3。Mg含量的降低和Cu的去除保证合金的延展性,并提高铸造性能和耐腐蚀性能。添加Zr和Ti微合金化,以促进组织细化和改善铸造性能,弥补Cu和Mg含量的降低而导致的强度不足。


表3 新型7×××系铝合金                           %

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与商用A356合金的性能相比,Al-6Zn-(1.3~1.5)Mg-0.1Zr-(0.1~0.2)Ti合金中厚壁流动性稍差(约为A356的60%~80%),薄壁流动性较好(约为A356的70%~100%),但T6态(480 ℃×1 h固溶+水淬+150 ℃×3 h时效)合金抗拉强度(370~390 MPa)、伸长率(10%~12%)都显著高于A356合金。


4 总结与展望

压铸工艺在汽车底盘的生产制造中优势明显,目前的压铸铝合金已经表现出很好的压铸特性和铸态下良好的力学性能。针对不同Si含量的Al-Mg压铸合金合理的热处理研究也取得不错进展,但在合金元素设计及热处理工艺优化方面仍存在较大的研究提升空间。

  1. 低硅铸造铝合金中添加了Cu元素以弥补其低硅带来的强度不足,但Cu对合金耐腐蚀性能和塑性有较大的负面影响,可考虑替换其他元素(如Mn)进一步研究。

  2. 铸态Al-5Mg-2Si-Mn合金表现出优异的力学性能,但对其的研究中,Si含量,Mg、Si的质量比和时效温度的变化范围较为局限。

    低硅铸造铝合金的成功开发,可再进一步提高其Mg含量与Si形成一定比例,调整各类元素含量,或可开发出新的不可热处理铸造铝合金。

    压铸件性能对高温较为敏感,对于不同的性能需求,合理时效温度也需要进一步探讨。

  3. 添加Zn能提高Al-Mg基合金的强度,但Zn含量对合金耐腐蚀性能的影响存在相互矛盾的报道,影响合金腐蚀性能的η-MgZn2相与Zn和Mg的含量及比例都密切相关,可考虑从优化Mg、Zn质量比的方向开展进一步研究。

  4. 可用于铸造生产的新型7×××系铝合金铸造性能和力学性能俱佳,但其耐腐蚀性能和抗疲劳性能有待进一步研究、提升。

来源:2020年40卷第10期 钱东伶 汽车底盘用铸造铝合金的研究进展


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