低碳铝合金加入比例对锻造轮毂用铸棒材料的纯净度及力学性能的影响

杨海军1.2.3、尚颖1.2.3、王宏峰1.2.3、张利旭1.2.3、刘志国1.2.3、李松1.2.3、李丰华1.2.3

2.河北省车轮新材料与测试技术创新中心 河北省秦皇岛市 066000

3. 中央引导地方科技发展资金项目(锻造车轮用低碳铝合金材料研发及产业化项目) 河北省秦皇岛市 066000

摘要：通过成分检测、微观组织、纯净度、力学性能检测、弯曲疲劳检测、锻造轮毂台架实验检测等分析，研究了低碳铝合金加入比例对固锻轮毂用高端铝合金棒材料的组织及力学性能的影响。结果表明，按照优化后的低碳铝合金生产工艺，加入0%、30%、60%比例低碳铝合金棒的检测指标及固锻轮毂的检测指标均达到传统铸造工艺所生产的产品的要求及客户要求。

关键词：再生铝合金；加入比例；固锻轮毂；弯曲疲劳；纯净度。

Effect of Low Carbon Aluminum Alloy Addition Ratio on the Microstructure and Mechanical Properties of Cast Rod Materials for Forged Wheel Hub

Abstract: The influence of low-carbon aluminum alloy addition ratio on the microstructure and mechanical properties of high-end aluminum alloy rod materials for solid forging wheel hubs was studied through analysis of composition testing, microstructure, cleanliness, mechanical properties testing, hardness testing, bending fatigue testing, and forging wheel hub bench testing. The results show that according to the optimized low-carbon aluminum alloy production process, the detection indicators of adding 0%, 30%, and 60% low-carbon aluminum alloy rods and the detection indicators of solid forging wheels meet the requirements of products produced by traditional casting processes and customer requirements.

Keywords: low-carbon aluminum alloy; Addition ratio; Solid forged wheel hub; Bending fatigue; Microstructure.

固锻轮毂的各项力学性能比铸造车轮的都高，采用锻造车轮有助于提高车的安全性与改善其他各项性能且性价比高于铸造车轮，因此，用于高端汽车、跑车、客车、重卡及军用产品，对于所使用的原材料在质量控制方面要求较高，尤其对原材料的内部质量。因此，所使用的原材料为电解铝及所需添加的微量元素合金构成。而原铝属于“高污染、高耗能和资源性”产品。同时，这些铸棒锻造轮毂后，经车销、钻孔等加工后，材料利用率约 60%，40%的余料及市场上报废的轮毂由于不能直接应用或只加入少量，（原因是净化不充分的合金中会有大量气孔和氧化物夹渣，受力时易产生应力集中，导致合金性能下[1,2]）生产锻造铝合金轮毂所用的铸棒材料，造成浪费。尤其目前，锻造车轮毂使用再生铝合金铸棒为原材料，国内还是较少，因此，研究锻造车轮用低碳铝合金材料研发及产业化，能够节省电解铝的使用，减少二氧化碳气体的排放，具有节能、环保的现实意义，符合国家产业发展方向，同时，将降低锻造车轮毂的制造成本，推动锻造车轮毂废料的原级利用及产业发展。

该研究主要是深入研究高端锻造铝合金轮毂用高质量低碳铝合金铸棒生产工艺的创新及加入符合高端锻造轮毂指标要求的低碳铝合金比例的研究。利用低碳铝合金的优点和改善其缺点，研究其加入比例，以更好的满足甚至超越高端锻造铝合金轮毂的使用要求，为其应用提供参考。

1、实验方法

实验用工艺废料（原级利用）、市场回收的再生轮毂（原级利用）及电解铝，工艺废料（如铝屑）经过甩干、磁选等预处理操作，再生铝轮毂经拆解、分拣、脱漆处理。工艺废料和再生铝轮毂经处理后，在12吨的熔炼炉分别按照0%、30%及60%的比例与电解铝及中间合金混合加入。其熔炼工艺如下（已6061铝合金铸棒为例）：

1）投料及熔炼

该投料中，除镁锭和Al-Ti-B中间合金外，其余均一次投入到熔炼炉中升温熔化(包括再生铝轮毂-6061)。如果有铝屑加入工艺为：当炉内铝液温度达740℃±10℃时，停火，用大耙搅拌铝液5分钟。再次点火升温，当炉内铝液温度达740℃±10℃时，准备加6061铝屑，开启加铝屑搅拌装置。将其加热到350℃±20℃的转子石墨搅拌器，调整深入到铝液中。其上缘非炉内铝液面约100mm左右，转速调到150±20转/min。将预处理后的铝屑加铝屑漏斗陆续向铝液中加入6061铝屑。并观察调整铝屑速率，以铝液面基本无可见铝屑为参考。每隔0.5h经加铝屑漏斗向铝液中加精炼剂，加入量按加入到炉内铝屑量的2‰。直到将计划加入的铝屑全部加入为止。

2）熔体精炼

通过对配比比例100%电解铝重熔液、添加30%再生铝和添加60%再生铝铝液分别在熔炼炉内和保温炉内进行喷粉精炼，采用2#精炼的比例分别为1%、1.5%和2%，用喷粉机将精炼剂喷入铝液底部，并用耙在炉内搅拌5min，待铝液静置5-10min后，用耙将铝液表面浮渣扒出，其标准铝液表面无可见浮渣。扒渣后即开始除气，除气液面铝液温度735℃±5℃，氩气压力：0.25±0.05Mpa。氩气通过除气耙输入炉内铝液底部每个角落，除气结果按炉内铝液检测含气量，标准为减压密度≥2.68ml/100gAL。除气后再次扒净铝液表面浮渣。再静置25±5min即可铸造。

3）铝棒铸造

铸造温度为700±10℃（铸盘内铝液温度），水的温度控制在28±5℃，铸造速度以直径203mm的6061铝合金铸棒为例，为90±3mm/min。

4）均匀化退火

采用570±5℃，保温12个小时，冷却工艺为1个小时内，铝棒温度降到300℃以下。

5）使用ARL-3460直读光谱仪对试样进行成分检测，并用ZeissSteREO Discovery体式显微镜和Imager.A2m蔡司金相显微镜进行晶粒度检测分析，铝液过滤速度由PREFIL-Footprinter只显式金属液品质检测设备测定。旋转弯曲疲劳实验使用SHIMADZU H7疲劳试验机进行旋转弯曲疲劳实验。拉伸试验依照GB/T228.1进行，测试设备为WDW3100万能试验机。再生铝合金铸棒的内部缺陷使用SUT-310RIIA2铝合金圆铸棒超声波水浸自动探伤系统和FF35工业CT。

2、试验结果与讨论

2.1成分检测

再生铝熔炼过程中出现损耗的元素通常为化学性质活泼、易氧化的元素，熔炼结束后，需对熔体的成分进行检测，确定补充元素的含量。添加前及添加后溶融成铝液后，Mg元素的烧损较大，见表1，其它元素烧损较小。从表2可以看出，添加60%--再生铝+40%电解铝的Fe元素的含量偏上限，甚至有的炉次超标，主要由于重熔回收的6061废旧车轮常出现Fe含量超标，主要是由于未拆净的铁镶件、Fe含量高的废旧车轮和其他含Fe部件。综合运用多种除铁技术降低再生铝溶体中Fe含量，包括使用具有一定坡度的熔炼炉将大尺寸铁块沉降[3]，以及在Fe等元素含量超标时采用剥皮废铝线进行稀释。由于所采用的再生铝为6系的工艺废料或市场回收的轮毂等，因此，添加高比例的再生铝后，微量元素的增长量变化不大，远远低于客户要求的范围。表2对Na、Ca、Zr、V、Ni、P、Sn、Sb、B、Ga、Co、Cd、Li、Be、Bi、Sr、Hg、As、Pb等19个微量元素分别进行统计，其中单个元素含量最高的是Ga、和V,电解铝分别为:0.016%和0.015%，添加30%--再生铝+70%电解铝与添加60%--再生铝+40%电解铝的单个元素含量最高的分别为：0.018%和0.019%，其它元素含量＜0.007以下；元素合计添加30%--再生铝+70%电解铝与添加60%--再生铝+40%电解铝较100%电解铝稍有增加，见表2。因此，微量元素满足铸铝合金棒的成分要求。如果出现微量元素超标可采用除碱工艺，减少微量元素的含量[4]。

（试样从成品棒上切取1个式样，每个样激发3个点，取平均值）具体结果如下：

表1再生铝轮毂溶解前和溶解后的成分变化

Table 1 Composition changes of recycled aluminum wheels before and after dissolution

式样	Si	Fe	Mg	Ti	Zn	Cu	Mn	Cr	Pb
溶解前	0.7476	0.2214	0.9786	0.0229	0.0316	0.2392	0.0724	0.1669	0.0019
溶解后	0.7200	0.2164	0.6553	0.0225	0.0300	0.2306	0.0720	0.1663	0.0016

表2不同比例再生铝与电解铝铸造的6061铝合金铸棒化学成分对比

Table 1 Comparison of Chemical Composition of 6061 Aluminum Alloy Castings with Different Proportions of Regenerated Aluminum and Electrolytic Aluminum Casting

试样号	控制标准	100%电解铝	添加30%--再生铝+70%电解铝	添加60%--再生铝+40%电解铝
Fe（调整前）	0.20-0.25	-	0.2212	0.2458
微量元素	单个（＜0.05） 合计（＜0.15）	单个（＜0.016） 合计（＜0.042）	单个（＜0.018） 合计（＜0.048）	单个（＜0.019） 合计（＜0.052）

2.2晶粒度检测

2.2.1宏观晶粒组织

采用体式显微镜对不同添加比例的再生铝合金铸棒的试片使用75%HCL+25%HNO3+5%HF进行腐蚀，采用30倍的体式显微镜一个区域内选择50个晶粒进行面积测量，测量方法如图1所示，从图1实施例1-3制备的6061铝合金铸棒成品晶粒度检测结果可以看出，制备的成品晶粒度均优于一级。晶粒的平均面积分别为：0.019mm2、0.021mm2、0.018mm2，均小于标准要求的0.026 mm2，因此，添加到60%--再生铝+40电解铝未对晶粒度造成影响。

 

100%电解铝                   30%-再生铝+70%电解铝         60%--再生铝+40电解铝

图 1    30X

表2 不同比例再生铝与电解铝铸造6061铝合金铸棒晶粒度（检测50个晶粒）

Table 2 Grain size of 6061 aluminum alloy cast rod with different proportions of recycled aluminum and electrolytic aluminum casting（Detect 50 grains）

式样	晶粒面积	晶粒等级
国标及客户要求	0.026mm2	1级
100%电解铝	0.019	1级
添加30%-再生铝+70%电解铝	0.021	1级
添加60%--再生铝+40电解铝	0.018	1级

2.2.2显微晶粒度检测

100%电解铝-重熔液-4.9	添加30%--碎铝屑-4.8	添加60%--碎铝屑-4.9
图2显微晶粒度检测

对不同添加比例的再生铝合金铸棒的式样进行抛光后，采用0.5%HF进行腐蚀，使用Axio Imager.A2m 蔡司显微镜在100倍下采用截距法进行测量。

从图2可以看出，分别添加100%电解铝、30%碎铝屑和60%碎铝屑，显微晶粒度分别为4.9级、4.8级和4.9级，满足客户4级以上需求。

2.3力学性能检测

对不同添加比例的再生铝合金铸棒的式样加工成φ6mm的拉力试棒，采用WDW100微控电子万能试验机进行测试，从表二可以看出，分别添加100%电解铝、30%再生铝和60%再生铝，力学性能无明显变化，符合客户要求（客户要求抗拉强度≥140Mpa、拉伸率≥22%。从力学性能角度分析，添加添加60%--再生铝+40%电解铝未影响材料力学性能，满足铸造铝合金棒力学性能的要求。

表3再生铝与电解铝铸造的6061铝合金铸棒力学性能

 Table 2 Mechanical properties of 6061 aluminum alloy cast rods for recycled aluminum and electrolytic aluminum casting

式样	抗拉强度（Mpa）	屈服（Mpa）	伸长率（%）
客户要求	140.0	-	22.0
100%电解铝	142.71	60	23.10
添加30%--再生铝+70%电解铝	143.72	59	22.74
添加60%--再生铝+40%电解铝	143.63	62	22.27

2.4 内部洁净度检测

2.4.1铝熔体渣含量检测（第三方ABB渣含量检测仪）

通过对配比比例100%电解铝重熔液、添加30%再生铝和添加60%再生铝铝液分别在熔炼炉内和保温炉内进行喷粉精炼，采用2#精炼的比例分别为0.1%、0.15%和0.2%，同时，分别在保温炉内进行气体精炼1小时后，静置15分钟，分别取2kg铝液通过ABB渣含量检测仪进行铝熔体含渣量检测，检测结果见图6，从图6可以看出，配比比例100%电解铝重熔液、添加30%再生铝和添加60%再生铝铝液，150s内铝过滤量分别为0.988kg、0.978kg和0.982kg，从数值上看三者变化不大。因此，经过精炼处理后的铝合金液，铝熔体的过滤量与100%的电解铝的过滤量变化不大，说明，铝熔体渣含量与之相仿。

 

图3  铝熔体渣含量检测

2.4.2超声波检测（自动水浸超声波探伤）

对不同添加比例的再生铝合金铸棒分别选取22根，使用SUT-310RIIA2铝合金圆铸棒超声波水浸自动探伤系统，采用GB/T6519-2013要求A级标准进行探伤。从表4中可以看出，通过添加100%电解铝、添加30%--再生铝+70%电解铝、添加60%--再生铝+40%电解铝，经过超声波采用GB/T6519-2013标准检测等级为A级，通过检测，88根铝棒内部未发现超过客户要求的A级探伤缺陷。说明，添加到60%--

再生铝+40%电解铝为影响铝合金铸棒的内部质量。

表4再生铝与电解铝铸造的6061铝合金铸棒超声波探伤结果

Table 2 Ultrasonic Testing Results of 6061 Aluminum Alloy Cast Rod for Regenerated Aluminum and Electrolytic Aluminum Casting

式样	根数	A级检测缺陷数（个）
100%电解铝	22根	0
添加30%--再生铝+70%电解铝	22根	0
添加60%--再生铝+40%电解铝	22根	0

2.4.3CT检测

对不同添加比例的再生铝合金铸棒试片，切取圆周的1/4，采用FF35工业CT进行检测（检测灵敏度0.5mm），从图3可以看出，添加30%、60%的两个试样均未发现超过0.5mm缺陷，且内部缺陷情况与100%电解铝基本相同 。

100%电解铝-再生铝	添加30%--再生铝	添加60%--再生铝
图4  CT检测

2.5分别取不同比例6061再生铝铸棒的弯曲疲劳检测（对比分析）T6状态。

对不同添加比例的再生铝合金铸棒抽取3组式样，加工成如图 5 试棒，试棒经过强化工艺处理，在加载应力为140Mpa时， 100%电解铝-铝合金棒疲劳寿命为：3.298x105、添加30%-再生铝合金棒疲劳寿命为：3.320x105、添加60%-再生铝合金棒疲劳寿命为：3.320x105，式样的疲劳寿命相差不大（见表5）。

 

                         图5   弯曲疲劳检测试棒

表 5 140MPa应力水平条件下各式样的旋转疲劳性能

Table 6 Rotational fatigue performance of various styles under stress level conditions of 140MPa

式样	应力/MPa	砝码/N	转速	疲劳寿命/x105
100%电解铝	140	70	2700	3.298
添加30%--再生铝+70%电解铝	140	70	2700	3.320
添加60%--再生铝+40%电解铝	140	70	2700	3.299

从表5中可以看出，通过添加100%电解铝、30%碎铝屑和60%碎铝屑，弯曲疲劳寿命变化不大，符合客户要求的10万转。

3、结论

综合运用重力沉降法和废铝线稀释法形成一套高效的再生铝降铁工艺，并针对易损耗元素进行成分调整，采用除碱工艺技术，减低微量元素的含量，使再生6061铝合金铸棒的化学成分达到客户标准要求。优选出针对再生6061铝合金铸棒的精炼除渣除气工艺，添加量为0.2%，精炼温度为710-735℃，处理后的溶体夹杂物和气渣含量明显降低，通过无损检测，均能满足客户要求，经溶体强化工艺处理的再生6061铝合金铸棒的铸造性能及均匀化退火后的力学性能基本达到了电解铝铸造的6061铝合金产品性能水平。

参考文献

[1]肖亚庆.铝加工技术实用手册[M].北京：冶金工业出版社，2004.

[2]徐建国，LIU H W.铝合金疲劳裂纹扩展过程中夹杂物影响的量化分析[J].浙江大学学报（自然科学版），1993（4）：521-530.

[3]臧立中.再生铝自动熔化铝铁分离工艺.中国专利：ZL201210590847. [P].2016-08-24.

[4]黄其.常用的几种铝合金溶体除碱技术简介.有色金属加工.第45卷、第4期，文章编号：1671-6795（2016）-04-0037-03