铸造铝轮毂用A356合金元素强化研究现状

刘旦 周俊 段军鹏

摘   要：对A356的合金化改进主要分为两类：一种为成分调整，即不改变原有元素种类，只调节各元素的配比，如Si、Mg、Mn等;另一种是通过添加新元素改进合金性能，这其中以La、Y、Ce、Sc等稀土元素居多。改进的途径包括细化晶粒，改善硅相组织形貌，形成新的增强相等。本文对影响A356合金机械性能的元素进行了概括分析，并提出了合金化改进A356性能的建议。

关键词：A356铝合金  铝轮毂  合金化

中图分类号：TG142                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0063-02

1  引言

制造铝制轮毂所使用的铝合金材料包括A356、6061等。其中，A356被铸造铝制轮毂大量选用。A356铝合金具有比重小，耐侵蚀性好等特点，主要由铝、硅、镁、铁、锰、锌、铜、钛等金属元素组成，是一种技术成熟的铝合金材料。A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，是一个具有优秀的综合性能的铸造铝合金。它不仅具有很好的铸造性能，可铸造薄壁和形状复杂的铸件，而且通过热处理可达到较高的强度、良好的塑性和高冲击韧性的理想综合，因此成为了汽车铸造铝轮毂的首选材质。

2  综述

2.1 固有元素

A356合金中，Si使合金具有高的流动性与低的收缩率。Mg主要提高合金的强度，尤其是在热处理以后。Ti元素有时以晶粒细化剂的形式加入合金中。Fe是主要的杂质元素。Cu能提高合金的抗拉强度与疲劳强度，但会使抗蚀性有所下降。Mn可使组织中的粗大针状含Fe相，变为尺寸较小的块状化合物，降低Fe对合金的有害作用。Sr主要用于Mg2Si相变质。

宋谋胜等[1]研究了不同Ti含量的A356合金的组织和力学性能。结果表明：随着Ti含量的增加，晶粒和一次枝晶都明显细化，硅颗粒尺寸、纵横比均有所降低，硅颗粒圆形度有所增加，硅颗粒形状得到改善。但当Ti含量大于0.1wt%时，这种影响变弱。起华荣等[2]研究了Si、Mg元素对A356合金流动性能的影响，研究结果表明，在A356合金中，Si元素和Mg元素在允许范围内适当增加添加量，分别使铝合金流动性提高29.8%和14.34%。汪长勤等[3]研究了Si、Mg含量对A356合金力学性能的影响。结果表明，在A356合金中，Si元素和Mg元素在允许范围内适当增加添加量，能使合金在铸态和T6态的力学性能都有一定程度提高;抗拉强度和伸长率达到320MPa和8.0%。

燕山大学蔡成等人[4]研究了Mn对A356合金组织和性能的影响。当Mn含量为0.08wt%时，合金中针状β-Fe相变得细小，其长度、宽度与未添加Mn元素的合金相比，分别减小了44.13%和43.89%;当Mn的添加量达到0.16wt%时，β-Fe相转变率为95.17wt%，经过热处理后A356合金中的铁相发生部分熔断。当Mn的加入量达到0.08wt%时，合金的塑性和抗拉强度达到了最大值，此后再增加锰的含量，合金的塑性和强度基本上保持不变。

2.2 添加元素

目前对A356合金添加元素的研究主要以La、Ce、Sc、Y等稀土元素居多。改进的途径包括细化晶粒，改善硅相组织形貌，形成新的增强相等。

肖银平等人[5]发现，添加稀土（主要成分为La和Ce）量在0.15wt%～0.45wt%之间时，可以降低合金组织针孔度，但是对改善硅相形貌作用不大。唐小龙等研究了混合稀土对Ti-B-Sr联合细化变质的A356铝合金显微组织的影响。结果表明，当稀土添加量为0.1wt%～0.3wt%时，随着稀土含量的增加，初晶晶胞尺寸、硅相尺寸、二次枝晶臂间距减小，硅相圆整度提高。高士学等研究了La对A356合金的组织和硬度的影响。结果表明，稀土La对α-Al相的细化和Si相的变质都起到明显作用。随着La含量的增高，晶粒逐渐变小，加入0.4wt%La，α-Al相达到最小。加入0.2wt%La时，共晶Si相呈细小颗粒状，继续增加La含量到0.4wt%，变质作用减弱;加入0.3wt%La时，Si相硬度达到最高。段海丽等研究了金属La在不同含量、保温时间以及浇铸温度条件下对A356铝合金变质作用的影响。结果表明，稀土含量为1.0wt%变质效果最佳;La具有较长的变质失效时间;浇铸温度对其变质效果影响不大。

王俊峰等研究了稀土Er对半固态成形的A356合金组织及性能的影响。结果指出，合金中添加0.1wt%的Er可以明显的细化合金组织。同时，添加少量Er可以很好的变质细化共晶硅相，使板块状的共晶硅细化。覃铭等研究了稀土Er和Zr联合作用对A356铝合金组织与性能的影响。当Er的含量为0.2wt%和Zr的含量为0.3wt%及经过T6处理时，合金的晶粒得到细化，综合力学性能得到整体的提高。林裕涵研究了Sc对A356合金机械性能的影响，Sc含量为0.1wt%及0.25wt%时，枝晶间距分别减小30.7%及32.8%，同时延伸率及抗拉强度均有所提升。

汪长勤等研究了稀土元素Y对A356合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明：稀土Y是A356合金的一种优良变质剂，不但能使初生的α-Al晶粒变得圆整细小，二次枝晶间距减小，而且能使共晶硅由粗大的板条状转变为细小的颗粒状或纤维状。当加入0.4%Y后，A356合金的抗拉强度和伸长率分别达到了298MPa和9.5%，分别提高了29.6%和21.5%。方东等研究了Ce对高Fe含量的A356合金铸态显微组织的影响。结果表明，添加Ce能将粗大针状Fe相转变成细小短棒状Fe相，但过量的Ce会导致针状Fe相长度的增加。当Ce的加入量为0.4wt%时，针状Fe相的长度最短;Ce可以细化α-Al晶粒，当Ce的加入量为0.4wt%～0.7wt%时，可以对共晶硅起到较好的变质效果，但当Ce的加入量0.7wt%，变质效果减弱。

胡咏梅等研究了单独添加Al-5Ti-B和稀土Y以及两者复合添加时对A356铝合金半固态凝固组织的影响。研究结果表明，Al-5Ti-B和稀土Y对A356铝合金半固态初生相的形貌及尺寸均有不同程度的改善。将两者复合添加时，可显著提高合金中初生相的形貌及尺寸，得到细小、圆整且分布均匀的半固态组织，其添加量的最佳组合为0.02%的Ti与0.5%的Y。

3  结语

目前对A356合金化所选的元素主要包括：Mg、Si、Mn、Ti、Fe、Cu、La、Y、Ce、Sc、Er等，其中大部分元素在有效范围内都可以起到细化晶粒，改善微观组织、提高机械性能的作用。但是不同元素作用的机理不同，当同时调节多种合金元素时，需要考虑联合作用的效果。另外，各种元素的市场价格，以及轮毂企业的生产状况也是研究中需要综合考虑的因素。

参考文献

[1] 宋谋胜，刘忠侠，李继文.加钛方式与钛含量对A356合金组织和性能的影响[J].中国有色金属学报，2014（10）：1729-1735，2004

[2] 起华荣，杨钢，史庆南.Si、Mg对铝轮毂用A356合金流动性的影响[J].轻合金加工技术，2007，35（2）：19，22.

[3] 汪長勤，赵玉涛，张松利，等.Si、Mg含量及合金元素对A356合金力学性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2010，30（1）：88-91.

[4] 蔡成.Mn含量对A356合金组织和性能的影响[D].燕山大学，2012.

[5] 肖银平.稀土对汽车铝轮毂用合金A356性能的影响[D].江西理工大学，2012.