再生鋁與汽車零部件的制造

文/ 袁曉東

隨著汽車輕量化的發(fā)展，越來越多的零部件鑄造企業(yè)使用再生鋁企業(yè)供給的再生鋁合金錠做原材料，在降低零部件加工成本的同時，有可能由于材料缺陷遺傳的因素，給汽車零部件的質(zhì)量埋下一些產(chǎn)品缺陷與隱患。

零部件制造企業(yè)普遍在模具及加工方面比較專業(yè)，然而，對于再生鋁合金材料的認識還存在一定的差距。此外，加之對再生鋁的應(yīng)用在我國起步較晚，再生鋁合金材料供應(yīng)企業(yè)的技術(shù)力量和專業(yè)程度參差不齊，這類企業(yè)的技術(shù)骨干及技術(shù)工人大多數(shù)為摩托車零部件鑄造用鋁供應(yīng)企業(yè)改行而來。由于摩托車零部件的要求低，在客觀上，形成了再生鋁合金原材料粗放型的加工模式和非標準化的操作流程，工藝技術(shù)十分落后，只是完成一個將固態(tài)變液態(tài)、再由液態(tài)變固態(tài)的過程。對再生鋁合金原材料的品質(zhì)也單單依據(jù)元素成分要求來評定其是否合格，從而在根本上忽略了再生鋁合金的材料屬性。

目前，再生鋁合金原材料企業(yè)所沿用的技術(shù)標準、檢驗標準，以及工藝流程幾乎都停留在中等強度的壓鑄件上，對各種鑄造企業(yè)及零部件使用性能的要求往往知之甚少。上下游企業(yè)在材料認知與標準方面的信息完全不對稱，甚至發(fā)生嚴重錯位，其結(jié)果就會導(dǎo)致下游的零部件企業(yè)給上游材料企業(yè)提出的技術(shù)標準偏離了零部件性能對材料的要求。

筆者在長期的生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，大量的下游零部件鑄造企業(yè)對再生鋁合金材料是陌生的，在對材料的認知上，“唯成分、輕組織”的現(xiàn)象普遍存在：以成分作為再生鋁合金鑄錠的驗收標準；上游企業(yè)以成分作為交貨依據(jù)；下游企業(yè)以成分作為收貨門檻。

大家對再生鋁合金鑄錠在材料生產(chǎn)過程中的“四化”，即完全合金化，細化、均勻化、熔體凈化，以及材料的冶金性能及遺傳等方面認識不足，令壓鑄企業(yè)備感困惑的棘手問題是，再生鋁合金鑄錠的合金成分符合壓鑄企業(yè)提出的要求，合金錠斷口看起來也不錯，本企業(yè)的壓鑄工藝也沒發(fā)生改變，模具也沒改變，但壓出來的零件卻存在“發(fā)脆、裂紋、起皮起泡、零件性能試驗不合格等等缺陷”，換一批材料又好了，這究竟到底是為什么？令人百思不得其解。

近年來，筆者經(jīng)常去壓鑄企業(yè)一線實地調(diào)研，解決實際問題，洞悉上下游企業(yè)間扯皮的根源。本篇將圍繞汽車的發(fā)動機機體、缸蓋、活塞、端蓋、支架、閥體、歧管、變速器殼體，以及方向盤等典型鋁合金零部件對鋁硅系合金材料的要求進行簡述，舉一反三，旨在與業(yè)界人士和廣大讀者共同探討。

一、發(fā)動機機體

汽車發(fā)動機機體分上缸體（缸蓋）和下缸體，鑄造形式大致分為壓鑄、低壓鑄造、重力鑄造。上缸體（缸蓋）和下缸體均采用鋁合金鑄造的，以日本為代表的系列車最為常見，但也有上缸體是采用鑄鐵材質(zhì)的。

鋁合金鑄錠的使用牌號在世界各國的代碼都不盡相同，經(jīng)常使用和較為常見的主要牌號有美國的A390、390、ASM380 等；有日 本 的AC2B、AC2B、ADC10 等；有 中 國 的ZL104、ZL106 等；有 法 國 的ALSI9Cu3；有德國的ALSI8CuNiMg、ALSi12Cu 等。

汽車的鋁合金零件不是要求單一的強度或者單一的塑性，其需要的是強度與塑性相結(jié)合的綜合性能，要求有較低的熱膨脹率與較好的耐磨性。如果鋁合金零部件有后期熱處理要求，還需要對鋁合金鑄錠中鈣、鈦、合金元素含量及渣含量提出特殊要求，在技術(shù)要求中，還要明確雜質(zhì)含量和是否變質(zhì)處理，以免發(fā)生雜質(zhì)過多和因重復(fù)鍶變質(zhì)處理、覆膜砂呈堿性等外來因素所導(dǎo)致的表面色斑及氣密性不良等材料缺陷。成分不是造成零部件產(chǎn)品缺陷的唯一原因，材料的組織結(jié)構(gòu)才是關(guān)鍵。下游企業(yè)的要求不明確，對上游企業(yè)來說同樣是不公平的。為了有效地避免材料缺陷，合金錠材料應(yīng)符合以下組織結(jié)構(gòu)要求。如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5 所示。

圖1 ALFeMn 相小于200微米

圖2 ALFeMnSi 相小于200微米

圖3 硅銅結(jié)塊小于50微米

圖4 大面積含氣缺陷，針孔度小于2 級

圖5 銅結(jié)塊小于50微米

需要說明的是，為了避免圖1ALFeMn 相缺陷的發(fā)生，要求熔煉企業(yè)嚴格控制元素成分中鐵含量以及在合金化中二相鐵的產(chǎn)生；為了避免圖2 ALFeMnSi 相缺陷的發(fā)生，要求熔煉企業(yè)在熔煉中做到合適的熔硅溫度，避免初生硅較多且尺寸大的材料缺陷，同時又要避免合金晶粒粗大而不能滿足的材料物理性能，除此以外，原料使用方應(yīng)提出該合金牌號中元素合理的錳鐵比，以免重熔中出現(xiàn)沙狀錳鐵化合物，最終導(dǎo)致零部件“亞健康”。

為了避免圖3 中的硅銅結(jié)塊缺陷，要求熔煉企業(yè)的熔煉工藝以“沖淡”為主，杜絕合金化后的補硅，補銅等熔點較高金屬的“補料”行為，影響材料的合金化與均勻化。圖5 為典型的熔煉中“補銅”缺陷。

為避免圖3 中材料大面積含氣或者渣氣共生缺陷，要求熔煉企業(yè)加強爐內(nèi)除氣和在線過濾，保證熔體的凈化，以最后保證零部件的綜合性能。

二、缸蓋

汽缸蓋是發(fā)動機零部件的第二大件，零件比較復(fù)雜，技術(shù)要求較高，普遍采用重力鑄造或低壓鑄造，主要使用牌號有A356、AC2A、ALSi6Cu4、ALSi7Mg、ZL106、ZL107 等等。要求零件具有較高的耐熱性，耐沖擊性和疲勞強度等綜合性能，對合金鑄錠材料要求具有良好的抗拉強度及屈服強度等綜合物理性能，對材料針孔度，晶粒度及變質(zhì)處理方面有較高的要求，當然、任何材料的組織結(jié)構(gòu)都或多或少地存在著一些缺陷，只是應(yīng)根據(jù)零部件的要求將材料的缺陷控制在相應(yīng)的范圍以內(nèi)，使其滿足零部件性能要求。這些為限制材料組織缺陷的圖，如上頁圖6、圖7、圖8、圖9 所示。

圖6 初生硅尺寸小于50微米小于90微米

圖7 鋁硅鐵相，針狀鐵小于90微米

圖8 平均晶粒度大于7級

圖9 針孔度小于2級

三、活塞

根據(jù)材料的冶金性能和加工性，一般共晶合金材料較多，但也有要求膨脹系數(shù)小的產(chǎn)品使用過共晶合金材料的。活塞零件的鑄錠牌號主要有ALSi12CuMgNi、ZL109、ALSiCu1、AC8A 等，對活塞零件有高強度和韌性、耐熱和耐沖擊性等綜合性能要求，合金元素的主要特點是含鎳，一般大于1%。應(yīng)限制缺陷如圖10、圖11 所示。

圖10 鑄錠含渣量小于2%

圖11 初生硅尺寸小于50 微米

四、端蓋、支架、閥體、歧管

端蓋、支架、閥體、歧管等鋁合金零部件，主要使用的材料牌號有ADC12、ADC10、ALSi12Cu、ZL102、ZLD101 等，這類零部件要求鋁合金鑄錠材料具有強度與韌性相結(jié)合的綜合性能。組織缺陷應(yīng)限制如圖12、圖13 所示。

圖12 含渣量小于1.5%

圖13 鑄錠縮孔小于橫斷面三分之一

五、變速器殼體

變速器殼體主要使用的鋁合金鑄錠材料的牌號有：ADC12、ADC10、390、ZL102、G-ALSi10、1016 等。

以下為含氣，含渣缺陷圖例，如圖14、圖15 所示。

圖14 產(chǎn)品中含氣缺陷

圖15 鋁錠中大量含渣

六、方向盤

方向盤一般使用鋁鎂系的鋁合金鑄錠材料，其牌號有；ADT6、ALMg2Mn 等，對于方向盤的性能要求有好的耐沖擊性和強度以及耐腐蝕性，這類鋁合金材料一般為固溶強化。

以上只是部分典型缺陷材料的金相圖片，各企業(yè)應(yīng)根據(jù)自己產(chǎn)品的用途要求，就材料組織、密度、使用性能等方面合理地提出符合自己產(chǎn)品綜合性能的組織結(jié)構(gòu)要求，以便再生鋁合金鑄錠能更好的滿足零部件的使用功能。如果再生鋁合金鑄錠材料符合零部件產(chǎn)品的性能要求，那么零部件產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題就需要從自身尋找原因，比如回頭料控制比例問題，壓鑄前集中熔煉爐還是坩堝爐？它們的熔體凈化是否到位問題等等。解決了唯成分、輕組織的問題，也就解決上下游企業(yè)間為零部件產(chǎn)品質(zhì)量而互相推諉的矛盾，使企業(yè)能節(jié)省“諸如返工、退貨等多出來的”的成本。

五、小結(jié)

一個國家工業(yè)的競爭，很大程度上就是材料的競爭，從材料的電子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)到冶金性能，材料每一個環(huán)節(jié)的創(chuàng)新都有可能成為一個國家綜合實力競爭中的增長點。如何由一個制造大國向制造強國轉(zhuǎn)換，民族制造業(yè)還有很多觀念需更新和轉(zhuǎn)變。國產(chǎn)乘用車輕量化之路，實際上歸根結(jié)底是其零部件制造上的技術(shù)革新，只有在技術(shù)上邁上一個個臺階，才能開拓出一條健康的、輕量化發(fā)展之路。