汽車輪轂新型鋁合金熱處理工藝優(yōu)化研究

李愛娜

（陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 陽江 529500）

引言

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，汽車作為交通工具之一，其輪轂性能質(zhì)量對(duì)汽車的舒適度、安全性能具有一定影響。在新型鋁合金材質(zhì)的生產(chǎn)下，其與傳統(tǒng)的鋼制輪轂相比，導(dǎo)熱性能和質(zhì)量均超出鋼制輪轂，同時(shí)具有良好的吸震能力，且通過熱處理工藝可有效加強(qiáng)鋁合金材料的強(qiáng)度和硬度等，可有效增強(qiáng)鋁合金輪轂的使用壽命。

1 汽車鋁合金輪轂特性概述

汽車輪轂作為一種旋轉(zhuǎn)型零件，對(duì)汽車的輪軸起到連接作用，以保證汽車可正常行駛，在技術(shù)的不斷優(yōu)化下，當(dāng)前輪轂已成為功能型零件，起到承載重量、動(dòng)力傳輸、散熱等作用。為保證汽車行駛的安全性能，輪轂作為承受部件，應(yīng)具備高強(qiáng)度、高精度和輕質(zhì)等性能，進(jìn)而提升汽車的穩(wěn)定性。在材料和技術(shù)的支持下，鋁合金材質(zhì)輪轂的出現(xiàn)，以其質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)、強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)等在部分實(shí)行領(lǐng)域中替代傳統(tǒng)的鋼制輪轂，汽車通過鋁合金輪轂的使用，可提升汽車駕駛的舒適性。

2 鋁合金輪轂熱處理工藝

鋁合金在初期鑄造過程中，其內(nèi)部應(yīng)力和穩(wěn)定性較差，未能滿足汽車的駕駛需求，需通過熱處理工藝對(duì)鋁合金進(jìn)行加工，提升鋁合金部件的力學(xué)性能，以滿足汽車不同狀態(tài)下的駕駛形態(tài)。鋁合金輪轂通過熱加工處理，可提升材質(zhì)的硬度、抗拉強(qiáng)度等，在溫度的合理控制下，保證鋁合金材質(zhì)的失塑性不受影響，進(jìn)而提升鋁合金的安全性能。同時(shí)經(jīng)過溫度的加熱可清除材質(zhì)加工過程中的多余內(nèi)應(yīng)力，并可材質(zhì)進(jìn)行均勻性受力，以保證相變過程中的產(chǎn)生的作用力與之相抵消，熱處理工藝也可對(duì)微觀粒子的特性進(jìn)行優(yōu)化，避免材質(zhì)產(chǎn)生區(qū)域性偏析組織。

3 鋁合金輪轂熱處理機(jī)理工藝探討

3.1 固溶處理

固溶處理作為鋁合金輪轂的熱處理方式之一，其是將鋁合金材料進(jìn)行加熱，直至溫度達(dá)到高溫單相區(qū)，并保持此恒溫狀態(tài)，使合金材料中包含的溶質(zhì)元素進(jìn)行溶解，對(duì)固液體進(jìn)行元素填充，使固溶狀態(tài)下材料所含有元素達(dá)到飽和狀態(tài)。合金材料在進(jìn)行加熱過程中，合金液體當(dāng)達(dá)到溫度臨界點(diǎn)時(shí)，將產(chǎn)生共晶反應(yīng)，在溫度的變化下，易產(chǎn)生晶體混合物，在恒溫控制下，可使合金內(nèi)元素充分反應(yīng)，使其均勻散布到材料中，使其生成致密晶體，進(jìn)而提升合金材料堅(jiān)固性。在進(jìn)行固溶處理時(shí)，合金材料所包含元素的溶解效率與溫度的升高呈正比，為保證一定溫度下的最高溶解度，應(yīng)依據(jù)合金材料屬性，對(duì)溫度進(jìn)行合理操控，進(jìn)而提升能源的利用率。當(dāng)鋁合金中含有硅元素和鎂元素時(shí)，其固性溫度的范圍在570～690℃之間，為避免熱處理工藝溫度過高發(fā)生燒穿的現(xiàn)象，應(yīng)將固溶溫度控制在570℃之內(nèi)。而在進(jìn)行6101 鋁合金熱處理時(shí)，可對(duì)溫度進(jìn)行提升，其在590℃時(shí)也可進(jìn)行正常工作，但在進(jìn)行短時(shí)間加工時(shí)，相對(duì)于硅鎂元素合金對(duì)熱處理工藝需求較高。

熱處理工藝中的固溶強(qiáng)化可提升合金材質(zhì)強(qiáng)度，其是將合金元素的進(jìn)行飽和度融合，在溫度的影響下，使合金材料內(nèi)部晶格的容納性增加，通過合金元素注入到晶格中，在體積不變的情況下，使晶格的空間位置發(fā)生錯(cuò)變，晶格錯(cuò)變過程中將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力與其空間內(nèi)作用力產(chǎn)生交集，材料內(nèi)部的溶質(zhì)原子將產(chǎn)生空間作用力來防止晶格產(chǎn)生錯(cuò)變現(xiàn)象，在晶格與溶質(zhì)原子之間的作用力下，使材料內(nèi)部的性能得到增強(qiáng)。淬火處理是將固溶材料進(jìn)行相位淬火，將固溶溫度淬煉到固溶溫度基線以下，進(jìn)而使合金材料具有過飽和形態(tài)，同時(shí)應(yīng)將淬火時(shí)間控制在一定范圍內(nèi)，防止材料的析出量包含超出一定范圍的平衡相，進(jìn)而降低材料基體的飽和度，增加時(shí)效處理的難度。

3.2 時(shí)效處理

當(dāng)固液材料在恒溫條件或者室溫自然冷卻下，材料的硬度、鋼性等將逐漸增強(qiáng)，當(dāng)材料溫度與室溫相一致時(shí)，此時(shí)材料的硬度和鋼性將達(dá)到最大值，但同時(shí)材料的塑性也隨之降低，其形變量程度在冷卻到室溫條件下降將降到最低，此過程為時(shí)效強(qiáng)化過程。鋁合金材料在進(jìn)行熱處理時(shí)，其主要變現(xiàn)為固溶性材質(zhì)的飽和及分解的過程應(yīng)，一般以基體共格區(qū)、過渡相、平衡相為主，在固溶階段，合金材料內(nèi)部的晶體以球狀融合的方式，按照相位進(jìn)行生長(zhǎng)，在時(shí)間維度的作用下，晶體與材料基體形成過渡相，此時(shí)兩者以共格的方式存在于相位中。

鋁合金材質(zhì)在恒溫狀態(tài)下完成固溶材料的分解過程時(shí)，其相位狀態(tài)的轉(zhuǎn)變具有一定的邏輯性，在特定的溫度和時(shí)間維度下，鋁合金材料的溶解性具有較大差異。因此在進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理時(shí)，一般將溫度控制在90℃以下，依據(jù)溫度可分為自然時(shí)效和人工時(shí)效，自然時(shí)效，是指在室溫條件下進(jìn)行冷卻，以保證材料的屈服強(qiáng)度、硬度、鋼性等達(dá)到最大，一般情況下，自然時(shí)效的最大影響范圍以材料置于室溫條件下的3.5h 之內(nèi)效果最大。人工時(shí)效與自然時(shí)效相一致，以單級(jí)處理為主，但經(jīng)過單次處理，材料內(nèi)部組織穩(wěn)定性較低，因此依據(jù)材料特性可進(jìn)行多次時(shí)效處理，以提升鋁合金材料的性能。

4 汽車輪轂新型鋁合金熱處理工藝優(yōu)化研究

4.1 固溶熱處理工藝

A356 鋁合金是汽車輪轂常見的材料之一，其具有質(zhì)量輕、硬度高、強(qiáng)度大等特性，當(dāng)A356 鋁合金材料中加入錳元素（Mg）進(jìn)行熱處理強(qiáng)化時(shí)，通過固溶熱處理可將鋁合金材料中的硅錳元素融合到固溶材料中，在淬火冷卻過程中，使高溫狀態(tài)下固溶材料可進(jìn)行飽和溶解。為保證鋁合金固溶材料的溫度為恒定值，且需與材料的固相溫度相符，當(dāng)兩者溫度維度相重疊時(shí)，此時(shí)固溶效果最優(yōu)。但此過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度，令其低于元素的固相溫度，防止燒穿現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時(shí)為保證材料的強(qiáng)化強(qiáng)度，需對(duì)其進(jìn)行時(shí)間段內(nèi)的溫控分析，通過溫度與時(shí)間的測(cè)量，對(duì)鋁合金材料的硬度及強(qiáng)度進(jìn)行分析。本次實(shí)驗(yàn)以520℃、525℃、530℃、535℃為固溶溫度，并將固溶恒溫時(shí)間分別設(shè)置為2.5h、3.5h、4.5h、5.5h，水溫度控制在70℃～80℃。整體試樣編號(hào)如表1 所示。

表1 固液熱處理試樣表（固溶溫度為（℃）、固溶時(shí)間為（h））

在進(jìn)行輪轂熱處理時(shí)，應(yīng)按照編號(hào)對(duì)其進(jìn)行編排，并平放在置物架上，將時(shí)間和產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行備注，同時(shí)工作人員應(yīng)依據(jù)輪轂的擺放位置，進(jìn)行信息批注，保證結(jié)果的完整性。工作人員進(jìn)行具體操作時(shí)，應(yīng)確保實(shí)驗(yàn)樣品的添加順序，且應(yīng)對(duì)溫度進(jìn)行校對(duì)，嚴(yán)格規(guī)劃好時(shí)間，使鋁合金輪轂在恒溫條件下進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)在進(jìn)行淬火時(shí)，應(yīng)注意溫度與水位的控制，使介質(zhì)可充分與材料發(fā)生反應(yīng)。在將1 號(hào)樣品放入到爐內(nèi)時(shí)，應(yīng)保證爐內(nèi)無任何雜質(zhì)，且時(shí)間顯示器為0，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，將2.3.4 號(hào)試驗(yàn)樣品依次放到恒溫區(qū)域內(nèi)，當(dāng)時(shí)間達(dá)到2 號(hào)試驗(yàn)樣品的額定時(shí)間時(shí)，將3.4 號(hào)進(jìn)入下一循環(huán)，以此類推。為保證材料內(nèi)的相液在空間維度內(nèi)呈最大值，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行淬火處理，此時(shí)將水體溫度維持在70℃，并保證材料的出爐與入水時(shí)間小于25s，同時(shí)應(yīng)在恒溫水體中放入180s，以保證此時(shí)的性能達(dá)到最大。

4.2 時(shí)效熱處理工藝

時(shí)效熱處理作為材料內(nèi)部相位的轉(zhuǎn)變過程，通過溶質(zhì)原子與晶格之間的作用力，在溶質(zhì)原子的離散型擴(kuò)散下，使材料基體可進(jìn)行高密度分散。在過渡相的作用下，通過共格狀態(tài)的形成可實(shí)現(xiàn)鋁合金材料的強(qiáng)化相，在平衡相狀態(tài)下，與外界溫度有關(guān)，此時(shí)不共格的形式使相體作用降低。由此可知，在不同工藝的時(shí)效處理下，析出相的值量也具有較大差異，對(duì)材料之間的影響較大。因此可對(duì)材料進(jìn)行時(shí)效溫度、恒溫時(shí)間等兩方面的探討，將溫度分別控制在135℃、145℃、155℃、165℃、175℃、185℃，并將保溫時(shí)間分別設(shè)定為1.5h、2.5h、3.5h、4.5h、5.5h，且每組溫度和時(shí)間試樣樣品為5 組，此時(shí)將溫度在530℃，恒溫時(shí)間為4.5h 下的鋁合金材料進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)材料進(jìn)行拉伸測(cè)試，以得出鋁合金材料的硬度和強(qiáng)度范圍。通過試驗(yàn)表明，鋁合金材料在低溫時(shí)效下，抗拉力在持續(xù)溫度下，先增強(qiáng)后減弱，且在3.5h 時(shí)達(dá)到峰值，鋁合金材料的硬度與延展率與時(shí)效時(shí)間呈反比，且在155℃溫控時(shí)間在3.5h 之內(nèi)為最佳強(qiáng)度。

5 結(jié)語

綜上所述，文章對(duì)汽車鋁合金輪轂的特性及處理工藝進(jìn)行分析，并從固溶處理和時(shí)效處理兩方面對(duì)鋁合金熱處理工藝進(jìn)行研究。以溫度和時(shí)間對(duì)鋁合金材料進(jìn)行分段試驗(yàn)，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對(duì)實(shí)際影響效果進(jìn)行比對(duì)，通過試驗(yàn)結(jié)果得出最佳處理節(jié)點(diǎn)，以保證鋁合金輪轂性能達(dá)到最大化。