廢鋁再生與汽車輕量化進展

孫德勤 費有靜

復(fù)合材料由于具有高比強度、高比剛度等特點在汽車輕量化中起著至關(guān)重要的作用。鋁合金材料的優(yōu)勢在于比強度高、可加工性好，可以保證汽車行駛的安全性；同時又可以降低汽車質(zhì)量，節(jié)約燃油消耗以及減少尾氣排放，有利于節(jié)能環(huán)保；而且可以多次再生利用。因此，鋁及其合金被公認(rèn)為是未來汽車的理想材料之一[1]。但是，原鋁資源畢竟有限，利用鋁的可回收性開展再生鋁制備零部件成為汽車制造業(yè)的熱門話題之一。所謂再生鋁生產(chǎn)，即以回收廢鋁零件等為主要原材料，通過熔煉、鑄造、變形加工等生產(chǎn)零部件或鋁材的工藝過程。與原鋁生產(chǎn)相比，廢鋁再生可大量節(jié)省水、電等能源，制造成本約為原鋁生產(chǎn)的5%，而且對環(huán)境的污染也大大降低[2]。因此，利用廢鋁再生制備車用零部件，將會大大降低車輛制造成本，是綠色循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分。

一、鋁合金材料在汽車制造業(yè)的應(yīng)用越來越受到重視

鋁合金、鎂合金、塑料、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料的廣泛應(yīng)用是汽車輕量化的重要技術(shù)手段。出于材料成本、工藝性能、使用性能等綜合考慮，鋁合金材料的應(yīng)用是發(fā)展的重點。汽車零部件的鋁化率在逐年提高，廣泛采用鋁合金制備零部件已成為汽車制造技術(shù)能力的一種象征。

目前汽車用鋁合金包括了鑄造鋁和變形鋁。其中，鑄鋁主要為鋁硅合金如A356、A380、ADC12、ZL101等，主要用于制造發(fā)動機零部件、殼體類零件和底盤上零件等；變形鋁合金材料有5A03、5052、2A11、3003、6061等，已經(jīng)用于制造保險杠、發(fā)動機組件、制動器構(gòu)件、熱交換器、車身結(jié)構(gòu)件以及儀表盤等裝飾件。目前家用轎車基本上都采用了壓鑄鋁合金輪轂，與鋼制品相比，其耐蝕性好、導(dǎo)熱性優(yōu)良、減震性好等優(yōu)點已凸顯出來，滿足了現(xiàn)代人們對汽車外觀、安全與舒適性等方面的要求[3]。

早在1896年，印度就率先采用鋁合金材料制造汽車上的曲軸箱，開辟了鋁合金材料應(yīng)用于車輛零部件制造的先河[4]。隨著時間的推移，美國等發(fā)達國家逐漸將鋁合金材料應(yīng)用于制備發(fā)動機零部件、傳動裝置、殼體等，應(yīng)用鋁合金材料制備車輛零部件也引起越來越多的重視。1973年，當(dāng)時汽車的平均用鋁量僅為21kg/輛，到1984年汽車的平均用鋁量已經(jīng)上升到62.14kg/輛。進入21世紀(jì)，鋁合金材料的應(yīng)用更是突飛猛進，2009年的汽車用鋁量上升到145kg/輛。預(yù)計到2025年，歐洲地區(qū)汽車用鋁量將有望達到300kg/輛，而北美更是可以提高到320kg/輛[4]。其中，奧迪公司于1999年采用ASF技術(shù)推出了A2全鋁轎車，為世界第1款真正意義上大批量生產(chǎn)的全鋁轎車，其車身質(zhì)量比傳統(tǒng)鋼制車身的質(zhì)量減輕約40%，其中鋁合金材料的應(yīng)用比例達到了28.8%，這個數(shù)字對世界汽車工業(yè)具有重大變革性的意義。據(jù)歐洲鋁協(xié)預(yù)測，未來汽車材料鋁化率極限可達到50%[5]。我國目前還存在較大差距，國產(chǎn)車中以紅旗用鋁量較多，約80～100kg[6]，因此，國內(nèi)汽車制造用鋁合金材料還有巨大的開發(fā)空間。

目前，原鋁的生產(chǎn)需要經(jīng)過礦石處理、電解等工藝過程，使得鋁合金零部件的制造成本較高，這也是汽車上大量采用鋁合金零部件的障礙之一。解決這個問題的方法，除了開發(fā)低成本的鋁合金和先進的鋁合金成形工藝外，還要重點開發(fā)廢雜鋁再生汽車零部件的工藝技術(shù)和與之相配套的工藝設(shè)備，才能降低鋁合金零部件的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)低能耗的綠色循環(huán)發(fā)展模式。

二、我國廢鋁再生制備車輛零部件的技術(shù)瓶頸

由于廢雜鋁料的回收過程并不規(guī)范，大部分情況下廢雜鋁料未做任何處理即打包送往鋁加工企業(yè)，因此，進入到熔煉工序的廢鋁原料中存在著各種不同種類的金屬以及不同成分的鋁合金材料。僅鋁合金方面，就包括以高硅（Si）合金為主的鑄件、以鎂（Mg）、錳（Mn）等為主要合金元素的鍛件、以5XXX、6XXX等合金為主的建筑型材以及純鋁電線等。據(jù)統(tǒng)計，廢鋁原料中可能存在有20余種元素，包括銅（Cu）、Mg、Mn、Si、銀、鈦、鋅、錫、鎳、銫、鉛、鉍、鐵（Fe）、鈷等。另外，廢鋁零件往往有不少非鋁合金（以鋼或銅合金為主）的鑲嵌件，它們非常容易進入到再生鋁中而成為危害材料性能的夾雜元素；而且廢雜鋁料的表面往往存在著污垢和銹蝕物，它們在熔化過程中會產(chǎn)生大量的夾雜物，造成再生鋁的工藝性能明顯下降[7]。

因此在廢鋁再生過程中，非鋁夾雜元素的存在是不可避免的，特別是Fe和Si的含量可以達到1%以上。由于大量的非鋁元素帶入到熔體內(nèi)，凝固時會產(chǎn)生大量的脆性、呈粗大片狀形態(tài)、容易偏聚的析出相，這些析出相的產(chǎn)生一方面會影響鋁基體的結(jié)晶行為，如晶粒形狀異常、晶界弱化等，造成成分偏析、熱裂等缺陷，同時不良的析出相形態(tài)以及容易偏聚等現(xiàn)象造成了力學(xué)性能的明顯下降[8]，這樣使得再生鋁合金產(chǎn)品的使用受到很大的限制。

而人們對汽車性能的要求越來越高，包括操控性能、安全性等，致使汽車制造企業(yè)對發(fā)動機功率以及汽車零部件的使用性能要求也相應(yīng)提高；如許多車用鋁合金零件強度與韌性相結(jié)合的綜合性能，同時又需要具備較低的熱膨脹率、良好的耐磨性和耐沖擊性以及足夠的疲勞強度等，因此很多鋁合金零部件中要求富鐵相如AlFeMn相以及AlFeMnSi相等均小于100μm，針孔度小于2級；同時出于設(shè)計的需要，汽車對鋁鑄件的要求向薄壁、形狀復(fù)雜、高強度、高質(zhì)量的方向發(fā)展，所以必須進一步優(yōu)化工藝，形成合理的微觀組織形態(tài)與析出相分布和形態(tài)控制，使鋁合金材料的性能達到預(yù)期目標(biāo)。因此，對于廢鋁再生工藝來講，能否獲得性能較高的汽車零部件產(chǎn)品，其關(guān)鍵在于如何消除Fe、Si等非鋁夾雜元素的有害作用。

三、廢鋁再生技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前廢鋁再生工藝中，由于非鋁元素被大量帶入，特別是被認(rèn)定為有害元素的Fe、Si等元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，使得廢鋁再生的產(chǎn)品基本屬于初級鑄錠，社會與經(jīng)濟效益并未得到很好的體現(xiàn)。目前，消除Fe等非鋁夾雜元素有害作用的主要方法是加強原料的分選、再生過程中排除法等以防止過多的非鋁元素進入到熔煉工序。

1.廢鋁原料的分選處理

為了提高廢鋁再生產(chǎn)品檔次，達到代替原鋁生產(chǎn)工藝的目標(biāo)，世界各國更為關(guān)注的是廢雜鋁原料的預(yù)處理。美國3大汽車公司都成立了專業(yè)研究機構(gòu)來開發(fā)汽車材料回收技術(shù)，在汽車材料的回收利用方面取得了大量的成果和專利[9]。目前分離Fe等夾雜元素的廢雜鋁分選技術(shù)主要體現(xiàn)在2方面：一是利用密度、磁性等物理性能的差異[10]，包括目前應(yīng)用較為普遍的磁選、風(fēng)選、浮選等；二是通過化學(xué)成分的在線分析，阻止Fe等夾雜元素的混入。其中，磁分離技術(shù)主要用于分離廢鋁中的廢鋼鐵等帶磁性材料，在國外被廣泛應(yīng)用。永磁分離結(jié)構(gòu)簡單、磁場均勻、分離效率高，能在較高溫下連續(xù)工作；渦流分離技術(shù)是利用交變磁場對不同電導(dǎo)率和密度的材料產(chǎn)生不同的洛侖磁力而導(dǎo)致不同的距離；浮選分離技術(shù)是選擇合理的分離介質(zhì)，利用密度或溶解性能等分離非鋁夾雜物，其中應(yīng)用最廣泛的是濕式浮選，即采用水或者水溶體作為分離介質(zhì)，但這種方法分離效率較低且污染較重。干式浮選法是采用干砂為介質(zhì)，但合適的流化介質(zhì)及自動地完成分離的辦法還處于研究階段；利用對不同成分的合金腐蝕后呈現(xiàn)出來的顏色不同也可以用來分離Fe等夾雜元素，它不受顆粒的形狀和大小的影響，分離效率很高。但該技術(shù)受溫度、表面粗糙度、腐蝕的時間影響較大。

目前國外一些企業(yè)引入了化學(xué)成分在線分析[11]，可以更為有效地分離Fe等夾雜元素，同時可以將不同牌號的鋁合金原料區(qū)分開來。主要包括：①X射線熒光分析技術(shù)（XRF）是采用X射線照射到金屬材料表面產(chǎn)生熒光，通過熒光進行光譜分析來區(qū)分各種材料。②光發(fā)射光譜分析技術(shù)（OES）通過電弧、火花照射到顆粒的表面，激發(fā)原子釋放出光譜，通過光譜分析確定顆粒的成分。③激光誘發(fā)擊穿光譜分析技術(shù)（LIBS）是將脈沖激光照射到原料顆粒的表面，轟擊出原子發(fā)射光譜，獲得金屬的化學(xué)成分。然后觸發(fā)機械裝置將顆粒移動到相應(yīng)的分類箱里。元素分析技術(shù)法共同的弱點是設(shè)備復(fù)雜，價格昂貴，廢鋁材料表面必須潔凈。

2.非鋁元素的熔體排除工藝

目前再生工藝過程中消除Fe、Si等非鋁夾雜元素的有害作用主要有以下2種思路[12]：①改善非鋁夾雜元素在鋁合金中的存在形貌，盡量減少有害的針狀或片狀的粗大析出相；②降低鋁熔體中Fe元素的含量。其中改變析出相形貌主要采取中和法，如加入一定量的中和元素Mn能使粗大片狀β鐵相的數(shù)量大大減少；加入鉻（Cr）可使片狀鐵析出相改變成較為規(guī)則的漢字狀或星狀。但研究證明，Mn和Cr等元素的加入并不能完全消除Fe相的有害作用[13]。而且如果Mn和Fe總量過高（≥0.8%），反而會使切削加工性能顯著下降。

目前降低鋁熔體內(nèi)非鋁夾雜元素的相關(guān)研究還是較為有限的，主要利用其物理性能的差異使其浮出或沉淀于局部區(qū)域而排出鋁合金熔體。

①稀釋法，即向鋁熔體大量加入純鋁，使原鋁合金的非鋁夾雜元素含量降低。

②離心法是將熔體置于在離心力作用下，使密度大的鐵相移向外緣，達到與鋁熔體分離的效果[14]。但該方法工藝實施較為困難，而且易造成浪費。

③電磁法利用了Fe析出相與鋁熔體的磁性差別造成受到的電磁力而將Fe析出相聚集到特定區(qū)域而分離。采用電磁分離方法可以使高Fe含量鋁合金熔體中大于10μm的初生富Fe相全部去除。但在Fe、Si含量均小于0.50%時其作用非常有限[15]。

④化學(xué)法，即向含量較高的鋁合金熔體內(nèi)加入特定成分的熔劑，這些熔劑組元能夠與熔體中的非鋁元素發(fā)生反應(yīng)生成密度不同的富Fe析出相或化合物，并采取一定工藝措施使其偏聚而從熔體中分離出去。研究較多的采用硼化物熔劑凈化處理鋁液[16]，F(xiàn)e去除率可以達到45%。

但對于化學(xué)特性并不活潑的Si等元素，理論研究以及應(yīng)用技術(shù)研究相對較少[17]。目前工業(yè)上除硅的主要方法是偏析法和三層液電解法。其中偏析法工藝是利用雜質(zhì)元素的平衡分配系數(shù)差異產(chǎn)生的析出固相與原鋁液中的含量差別，分配系數(shù)與1的差距越大，凝固時固相中的濃度偏離原成分越明顯；Si的平衡分配系數(shù)為0.14，因此通過偏析法提純時去除效率較高。但是偏析法效率低、成本高，在廢鋁再生過程中無實用價值。電解法是將原料置于電解槽中，熔體中的鋁進行電解反應(yīng)在陰極上生成金屬鋁，而合金中的Cu、Si、Fe等元素則不溶解，這樣在陰極就獲得了高純度的鋁。該工藝主要應(yīng)用于精鋁提純，如果將之用來凈化鋁廢料的硅元素，在經(jīng)濟性方面顯然無法達到節(jié)能降耗的目標(biāo)要求。

四、實現(xiàn)廢鋁再生汽車零部件的關(guān)鍵

從原料分揀、熔體內(nèi)排除夾雜元素等消除非鋁元素的工程實踐來看，原料預(yù)處理的材料分揀效率并沒有取得很好的效果，仍有大量的非鋁元素帶入到熔煉工序；熔體中除鐵、硅元素的試驗證明，這種工藝的除鐵、硅元素效果非常有限。如何消除非鋁夾雜元素的大量混入對廢鋁再生過程中的工藝性能與再生產(chǎn)品使用性能的不利影響已經(jīng)成為廢鋁再生行業(yè)快速發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。從提高材料使用性能的各種手段來分析，包括細(xì)晶強化、固溶強化、相變強化、彌散強化以及材料復(fù)合技術(shù)等，應(yīng)當(dāng)研究改善非鋁元素的析出狀態(tài)等技術(shù)，即通過加入元素或化合物與非鋁元素發(fā)生冶金反應(yīng)形成高熔點的析出相，該析出相能夠顆粒細(xì)小、均勻分布，使本來降低材料性能的非鋁元素析出相轉(zhuǎn)化為可以改善材料性能的強化相。實際上，通過添加Mn等中和元素改善Fe析出相形態(tài)的相關(guān)研究已經(jīng)為此技術(shù)的研究與開發(fā)做了很好的鋪墊，因此，研究改善非鋁元素的析出狀態(tài)等技術(shù)的研究具有一定的可行性。

通過改進非鋁夾雜元素的析出行為與分布狀態(tài)，可以有效改善再生鋁制品的工藝性能與使用性能，其應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的。首先，對于車輪輪轂等鑄造產(chǎn)品來講，由于Fe、Si等元素的含量增加對材料強度的提高是有利的，而改善其析出相的形態(tài)與分布狀態(tài)，實現(xiàn)顆粒細(xì)小、形狀規(guī)則、分布均勻等，在鋁合金基體上分布了彌散分布的強化相，相當(dāng)于形成了富Fe、Si等元素的析出相強化的鋁基復(fù)合材料，不僅大大提高強度和硬度，同時消除了粗大片狀析出相對基體的割裂作用，對改善材料的韌性也非常有利；此外，細(xì)小顆粒的均勻分布也會改善其加工性能，所以可以大大提高鋁合金車輪的使用性能，再加上鋁合金車輪具有良好的散熱、承載能力、耐腐蝕、耐老化、可加工性等，替代鋼制車輪成為汽車車輪的主體指日可待。另外，對于鋁合金零部件使用性能要求越來越高的情況下，該技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用也就凸顯出更為重要的意義；同樣，對于鋁合金車身、覆蓋件等需要強韌性高同時具有良好加工性能的材料來講，改善非鋁元素的析出相析出形態(tài)，使之顆粒細(xì)小、分布均勻，可以達到彌散析出的效果，強韌性在得到明顯提高的同時，其塑性降低并不明顯，因此非常有利于促進廢鋁再生高強變形鋁合金的開發(fā)與研究。

五、結(jié)語

如何有效地降低非鋁夾雜元素對鋁合金基體的有害作用對廢鋁再生產(chǎn)品的質(zhì)量提升至關(guān)重要。如果將廢鋁原料的回收管理與分類、廢鋁原料的分揀技術(shù)有效地結(jié)合起來，同時重點開展改善廢鋁元素析出形態(tài)、實現(xiàn)彌散強化作用等相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)，相信廢鋁再生產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量與使用性能將會得到大的提升?；趶U鋁再生的工藝成本較低，可以預(yù)測廢鋁再生鋁合金材料在汽車輕量化的過程中將發(fā)揮越來越重要的作用，同時廢鋁再生鋁合金材料可以向那些對強度、韌性等要求較高的領(lǐng)域，如機械設(shè)備、鋁合金結(jié)構(gòu)、建筑、民用鋁制品等領(lǐng)域進行拓展。

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