A合金是目前应用最广的汽车轮毂用铝合金，但由于其强度不高，无法满足现代轮毂进一步轻量化的要求。而基于该合金对其成分进一步优化、改进甚至开发出新型高强铸造铝合金无疑是提高力学性能并进一步实现汽车轮毂轻量化最有效的方法之一。回顾了国内外在A合金微合金化方面的研究进展，并详细阐述了合金元素对其微观组织和力学性能的作用规律，同时对现代轮毂用新型高强韧铸造铝合金的研发方向进行了展望。轮毂作为汽车当中的一个重要部件，不仅影响着汽车的安全性和操控性，而且对汽车的节能与轻量化程度也具有重要的影响。近年来，汽车轮毂趋于选用质量轻、综合性能好、表面质量高、可回收利用以及成本低的材料制造。因此，铝合金汽车轮毂应用优势逐渐越发明显，在汽车制造、生产中得到广泛应用。A合金是可热处理强化的铸造铝合金，具有良好的铸造性能，广泛应用于各种汽车铸件，是世界各国广泛采用的汽车车轮材料。但是该合金强度不高，在T5状态下其抗拉强度仅为MPa，无法满足现代汽车轮毂进一步轻量化的要求。为了在不降低其他性能的前提下进一步提高该合金的强度，使该合金能够满足日益增长的汽车轻量化需求，研究人员从以下四个方面开展了相关研究：（1）合金化：目前研究的合金化元素主要包括Si、Mg、Cu、Mn等，合金元素主要起强化合金基体，改善合金组织形貌作用；（2）选择更佳的细化剂与变质剂：A合金细化剂与变质剂种类繁多，目前研究热点是使用稀土元素作为变质剂，工业上使用最广泛的细化剂与变质剂为Al-Ti-B与Sr，细化剂与变质剂的加入可以显著细化基体铝组织，变质共晶硅形貌，改善合金力学性能；（3）铸造工艺优化：汽车轮毂成形主要有铸造法与锻造法，其中低压铸造法应用最广，随着科技的发展，半固态成形技术也应用于铝合金制造，适当的铸造工艺可以获得更优的轮毂并减小生产成本；（4）热处理工艺优化：A合金轮毂使用最广泛的热处理工艺为T6热处理（固溶+人工时效），目前也研究了间断时效、双级时效等热处理工艺的影响，优化热处理工艺可以优化共晶硅形态与尺寸，并改善合金金属间相的形态与分布，以获得更佳的力学性能。需要指出的是，现有A合金基本上已经达到了该合金的强度极限。为了进一步提高车轮材料的强度和韧性，开发新一代高强汽车轮毂用铸造铝合金无疑是最佳选择。系统总结了国内外在合金元素对A合金微观组织和力学性能影响领域最新的研究成果，同时也对该方向的研究趋势予以了展望。

01

合金元素对A合金的影响

1.1Si元素的影响

图1为Al-Si合金二元相图。由相图可以看出，Al-Si合金的共晶点温度为℃，共晶点处Si元素含量为11.7%，共晶反应为L→α+Si，其中α为铝基固溶体，Si为共晶硅组织。而硅元素在铝中的最大溶解度为1.65%，溶解度随着温度降低而减小，室温下仅为0.05%。A合金中硅元素含量在6.5%～7.5%之间，在该范围内，合金的凝固收缩率小，铝液流动性好，而Si元素过多会增加Si元素的偏析率，造成难以消除的Si偏析现象。

图1Al-Si合金二元相图

1.2Mg元素的影响A合金中Mg元素的含量在0.25%~0.45%之间，其在合金中的固溶度较低，同时会降低Al-Si的共晶温度。Mg元素的含量对合金显微组织及力学性能均有显著影响。表1为不同Mg含量的Al-7Si-xMg合金对应的硬度以及力学性能。从表中可以看出，随着Mg含量的增加，合金的抗拉强度也增加，当Mg含量由0.43%提升到0.86%后，合金抗拉强度提高了31MPa，原因为时效处理后，β（Mg2Si）相体积分数随着Mg含量的增加而增加，进一步阻碍基体中位错的运动，提高该合金的强度。但是随着Mg含量的增加，伸长率不断下降，当Mg含量由0.43%提升到0.86%后，合金伸长率下降了5.27%，可能与合金中富镁相的形成以及富铁相的形成、形态的改变有关。表1Al-7Si-xMg合金硬度及力学性能1.3Cu元素的影响铜含量的增加会降低A合金共晶温度，增加凝固过程中的体积收缩和试样的气孔率。其次随着Cu含量的增加，会使氢元素的活度系数和溶解度降低，会促进凝固过程中气孔的形成。同时Cu的加入能减小α-Al的二次枝晶臂间距（SDAS）。由于Cu在Al-Si-Mg系合金固溶体中的扩散速度比Mg和Si慢，因此较低的固溶温度会使富Cu相无法完全回溶，而过高的固溶温度有可能导致过烧现象的出现。图2所示为Maria等人研究的不同Cu含量下的T6态合金析出物的透射电镜图。其中图2a、b和c分别是Cu含量分别为0、0.5%和1.0%条件下的微观组织图片，可以发现当Cu含量为0时，析出相主要为β相，而Cu含量为0.5%或者1%时，析出相主要为β、Q和C相。

图2不同Cu含量的合金析出物透射电镜图

Cu对合金的力学性能有两种作用，一种是产生气孔，从而降低合金强度。图3为Cu含量对合金气孔率的影响，由图可知，无论在哪种凝固条件下铸造A合金，随着Cu含量的增加，合金孔隙率增加，降低合金的力学性能。

图3在不同凝固条件下合金孔隙率随Cu含量的变化

另外一种是在时效处理后析出第二相富铜相，阻碍位错运动，产生析出强化作用，同时降低合金伸长率。图4展示了Kori等人研究的Cu含量对A合金硬度以及拉伸性能的影响规律。由图4可知，随着Cu含量的增加，合金硬度、屈服强度以及抗拉强度、断后伸长率均有所增加，当Cu含量由0增加到0.5%时，合金抗拉强度、断后伸长率、硬度分别增加了43.2MPa、2.06%、HV15.76。

图4Cu含量对A.2合金力学性能的影响

1.4Mn元素与Cr元素的影响A合金不可避免的杂质元素，Fe元素在合金中通常以对合金的力学性能危害较大的富铁金属间化合物析出，常见的有汉字状或鱼骨状的α-Fe以及针状或者板状的β-Fe两种。其中，β-Fe对合金力学性能的危害较大。这些富铁相的大小和形状很大程度上取决于铸造时的冷却速度和合金化学成分尤其是熔体中Fe元素的含量。目前，普遍采用Mn元素改变合金中β-Fe的形态与数量，减少其对合金力学性能的危害。当向合金中加入Mn元素且其含量达到一定值时，铁相晶体开始由原先的沿单一方向生长变为向其他方向同时生长，针片状的富铁相逐渐被汉字状（或者骨骼别为.4MPa、20.08%和33.3%。与未添加Mn的合金相比，分别增加了20.7%、.2%和.9%。随着Mn含量的继续增加，铸锭的抗拉强度、伸长率及断面收缩率趋于平稳，如图5所示。

图5合金的显微结构

相同的铸造工艺条件下，当Mn含量小于0.08%时，添加的Mn元素可以有效地阻止针状的β-Fe相的长大，转而形成汉字状（或鱼骨状）的α-Fe，减少针状富铁相的有害作用，使合金的抗拉强度、伸长率及断面收缩率大幅上升。当Mn含量大于0.08%时，针状富铁相的形貌变得较为细小，割裂作用不再明显，铸锭的抗拉强度、伸长率及断面收缩率不再增加，趋于平稳，如图6所示。图6Mn含量对A合金力学性能的影响1.5稀土元素的影响在实际生产中，目前广泛使用的Al-Sr合金变质剂加入铝合金熔体中容易烧损，产生杂质，过量添加还导致铝合金熔体表面氧化膜被破坏，使得铝合金熔体析氢现象严重，直接导致铝合金熔体铸件产生夹杂、气孔、针孔等缺陷，这些都制约了铸件质量的提升。目前，使用稀土元素作为变质剂对A合金进行变质处理是研究热点。目前，关于共晶硅的变质机理尚无明确结论，人们普遍认可的机理是杂质诱发硅相产生孪晶：变质剂原子可吸附在共晶硅表面，与硅晶体的内在台阶相互作用，产生大量孪晶，使硅按孪晶凹谷机制（TPRE）生长，阻止硅相的各向异性生长，使其成各向同性生长，从而长成短棒状或球状甚至是分叉较多的纤维状。同时，TPRE机制也被广泛接受：共晶生长中硅的结晶生长前沿往往是孪晶凹谷。变质后，铝液中变质原子选择性地富集在孪晶凹谷处，阻碍了硅原子向孪晶凹谷处长大的速度，使生长受到抑制，被迫改变生长方向，同时也促使硅晶体发生高度分歧最终生长为纤维状。1.6其他合金元素的影响目前，除了研究了上述合金元素对A合金的影响外，研究人员也研究了Ca、Sn、Mo等合金元素对A合金的影响。

02

展望

随着科学技术的不断发展进步，汽车轮毂必将实现轻量化以满足现代节能环保的社会主题。A.2合金由于其良好的综合性能以及适当的生产成本目前依然被广泛应用于铝合金轮毂制造业，但其强度不高难以满足轻量化的要求，目前研究员们也研发出了具有更佳力学性能的变形铝合金锻造轮毂。然而，限于成本要求，今后相当长时间以内，低压铸造铝合金仍然将是轮毂制造业的主流。未来的发展也将集中于现有A合金的合金化改性和A合金低压铸造和先进热处理工艺优化。

特别指出的是，微合金化必将在新型高强韧铸造铝合金的开发上显示明显的优势。系统总结和理解微合金化元素对于A基合金的微观组织与力学性能的影响规律，包括研发更新一代的晶粒细化剂和变质剂等，都将在未来的研究中获得高度重视。伴随着新一代高强韧铸造铝合金的研发，轮毂的轻量化发展趋势将越来越明显。目前，材料基因工程（MGE）在新材料的研发和应用中的作用越来越显著，同样伴随着计算机、大数据、人工智能等领域的快速发展，都将为铝合金轮毂用合金材料的设计及其制造起到积极促进作用，从而带动汽车等行业的整体快速发展和技术进步。来源：转自《铸造工程》节选大亚车轮制造有限公司何芳等《汽车轮毂用A铝合金合金化的研究进展》。

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