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        稀土在車用鋁合金中的作用最新研究進(jìn)展

        2020-06-29 06:16:50馮艷飛
        熱處理技術(shù)與裝備 2020年2期
        關(guān)鍵詞:汽車研究

        馮艷飛,孫 巍,楊 路,張 宇,吳 楠

        (遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽 111003)

        近年來,隨著我國汽車行業(yè)的不斷迅速發(fā)展,汽車輕量化發(fā)展及應(yīng)用得到了越來越多的廣泛關(guān)注。鋁合金的密度僅有鋼鐵的1/3,是汽車輕量化的首先材料[1]。在我國,越來越多的高強(qiáng)度、高韌性、高耐應(yīng)力腐蝕、高耐熱性等優(yōu)良性能的鋁合金不斷被開發(fā)出來,并廣泛應(yīng)用于民用工業(yè)、航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域[2]。為了滿足工業(yè)對鋁合金更高性能的要求,在鋁合金中添加微量稀土被證明是有效的途徑之一[3]。稀土是新材料的寶庫,是21世紀(jì)的戰(zhàn)略資源,備受國內(nèi)外科學(xué)界、技術(shù)界的重點(diǎn)關(guān)注[4-5]。而我國擁有豐厚的鋁礦和稀土礦資源,在Al-Re合金研究與開發(fā)方面具有一定資源優(yōu)勢。本文綜述了稀土在鋁合金中的重要作用機(jī)理以及稀土鋁合金及車用鋁合金的最新研究現(xiàn)狀,并結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題,展望了稀土在今后車用鋁合金發(fā)展趨勢。

        1 稀土在鋁及鋁合金中的作用

        1.1 稀土的變質(zhì)作用

        在鋁及鋁合金中加入適量的稀土元素,用以改變合金的結(jié)晶條件,使其組織和性能得到明顯改善[6]。絕大部分稀土(除稀土元素Er和Y)對鑄造的鋁合金均有變質(zhì)作用,但變質(zhì)作用有強(qiáng)弱差異。在鋁及鋁合金中添加微量的稀土元素,可有效地改善鑄錠內(nèi)晶粒內(nèi)偏析、縮松和夾雜物等缺陷,并且能夠減小鋁合金的枝晶及枝晶臂間距,提高形核率,細(xì)化鑄態(tài)晶粒,使鋁合金綜合性能得到顯著提高。張啟明等[7]研究了不同稀土元素對Al-Si合金的變質(zhì)能力,如表1所示。發(fā)現(xiàn)稀土元素中Eu變質(zhì)能力最強(qiáng),其次是La,而混合稀土和Pr、Ce、Nd具有中等變質(zhì)能力,其他稀土變質(zhì)較弱,而稀土元素Er和Y無變質(zhì)作用,還驗證了稀土元素可以成為一種長效可遺傳的變質(zhì)劑。

        表1 稀土元素對Al-Si共晶合金的變質(zhì)作用

        1.2 稀土的凈化作用

        稀土元素有較強(qiáng)的除氣、除雜作用。稀土元素加入量低于0.3ω%時,除氣效果最明顯。這是因為稀土元素具有較高的化學(xué)活性和親和力,在鋁合金熔鑄過程中,容易與H、O、Fe、S等雜質(zhì)元素發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng),生成難溶、穩(wěn)定的高熔點(diǎn)化合物,起到除渣作用[8]。而熔體剩余的夾雜物重新組成球化化合物,可凈化晶界,從而顯著提高鋁合金塑性加工性能。有研究認(rèn)為稀土去氫效果為Y>La>單一稀土[9]。另外,γ-AlO3是鋁合金中主要的氧化夾雜。稀土去除夾雜作用主要體現(xiàn)在去除鋁合金基體及晶界中各類化合物,且改變這些化合物的組成、相貌、分布及數(shù)量,能重新組合稀土化合物,進(jìn)而起到球化和凈化晶界的作用,提高鋁合金力學(xué)性能。

        1.3 稀土的微合金化作用

        稀土的微合金化作用是指稀土在鋁合金的強(qiáng)化作用,包括有限固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和稀土化合物的第二相強(qiáng)化。在鋁合金添加適量的稀土元素,稀土元素會固溶于基體α(Al)中,偏聚在相界、晶界和枝晶界,或以化合物等形式存在。當(dāng)添加稀土元素含量小于0.1ω%時,以固溶和偏聚兩種形式存在鋁合金中。當(dāng)添加稀土元素大于1ω%時,在鋁合金中以稀土化合物形式占主導(dǎo)作用。稀土還可以促使鋁合金第二相的球化和細(xì)化,且彌散分布在鋁基體中,起到彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用。稀土元素在鋁中的固溶度變化特點(diǎn),可以評定稀土元素是否通過失效硬化或固溶強(qiáng)化來提高鋁合金的強(qiáng)度[10],見表2所示。

        表2 稀土元素在基體鋁中的平衡和擴(kuò)散固溶度

        2 稀土鋁合金最新研究現(xiàn)狀

        目前,國內(nèi)稀土在鋁合金中的應(yīng)用研究發(fā)展迅速,研究與應(yīng)用較廣的稀土鋁合金有純Al、Al-Mg-Si鋁合金、Al-Si鋁合金和Al-Zn-Mg-(Cu)鋁合金等。王正軍等[11]研究發(fā)現(xiàn)稀土可以改變純Al中雜質(zhì)Fe的存在形態(tài),進(jìn)而提高了純鋁的力學(xué)性能。在Al-Mg-Si合金中添加微量稀土元素變質(zhì)處理金屬熔體,可以促進(jìn)Mg2Si相形核,增加形核數(shù)目,抑制晶粒長大,從而細(xì)化晶粒改善顆粒分布狀態(tài)[12]。李赤楓等[13]在Al-Mg-Si合金添加稀土元素,Mg2Si增強(qiáng)相形態(tài)為細(xì)小的短棒狀,且數(shù)目明顯增多。王寧等[14]研究了添加Sr在鋁合金中,發(fā)現(xiàn)隨著Sr含量的增加,變質(zhì)保溫延長,組織明顯均勻細(xì)化。Al-Zn-Mg-(Cu)合金中添加稀土元素可以優(yōu)化合金元素,降低合金雜質(zhì),改善抗腐蝕性等性能。趙鴻金等[15-16]將La添加7055鋁合金中組織均勻細(xì)化。ZHANG H.等[17]研究發(fā)現(xiàn)適量的Er明顯改善Al-Zn-Mg-(Cu)鋁合金耐蝕性和斷裂性能。

        3 稀土在車用鋁合金研究現(xiàn)狀

        汽車輕量化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的必然趨勢,鋁合金是成為汽車輕量化發(fā)展的主要材料。目前車用鋁合金量較大,其中壓鑄鋁合金件用量占整體的80%以上,可用于各種車用發(fā)動機(jī)零部件、車輪、殼體類零件、底盤類零件。擠壓和壓延鋁合金件各占整體的10%左右,而變形鋁合金主要用于汽車板材、面板、電池包、車身框架、座駕、門梁、發(fā)動機(jī)蓋、保險杠、車廂板、車身骨架、發(fā)動機(jī)罩蓋、覆蓋件外板、前縱梁、防撞梁等骨架或零部件。按元素可分為2xxx系的Al-Mg-Cu(如2A01、2A16、2024)、5xxx系的Al-Mg(如5083、8754)、6xxx系A(chǔ)l-Mg-Si(如6061、AA6111)以及7xxx系的Al-Zn-Mg-Cu(如7075)等合金。而通過熱處理強(qiáng)化的2xxx、6xxx和7xxx系鋁合金,是當(dāng)前車用鋁合金的一個新亮點(diǎn)。

        然而,目前車用鋁合金應(yīng)用較多是6xxx系鋁合金,這是因為該系列合金具有超高的成型性,且耐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。而7xxx系鋁合金雖具有更高的硬度和強(qiáng)度,但其疲勞強(qiáng)度低于6xxx系鋁合金,目前還有待深入研究[18]。

        鋁合金汽車板材是目前鋁合金研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一,隨著在轎車的應(yīng)用比重不斷上升,尤其是熱處理后的6xxx系鋁合金板材,能夠很好地滿足汽車對殼體的要求[19]。目前,AudiA8的車身鈑金件,采用6xxx系鋁合金,其合金的純度和工藝穩(wěn)定性要求非常高。據(jù)報道,最新開發(fā)出的6005A合金,其性能也較為理想[20]。2016年底,忠旺集團(tuán)參與設(shè)計制造奇瑞新能源純電動車小螞蟻eQ1,首次實現(xiàn)全鋁車身化車型。2018年還與前途汽車攜手打造國內(nèi)首款全鋁純電動跑車前途K50。此外,車用鋁合金特別重視6xxx系鋁合金“口”、“日”、“目”、“田”、“品”等形狀的薄壁和中空擠壓型材。高性能的汽車用鋁板和增強(qiáng)緩沖的鋁擠壓型材,已在汽車上廣泛應(yīng)用[21-22]。

        4 稀土元素在鋁中特性

        在多數(shù)鋁合金中,稀土元素對合金的力學(xué)性能影響具有相似性,見圖1,稀土元素可以明顯提高鋁合金力學(xué)性能,但存在一個最佳的成分范圍,一般認(rèn)為鋁合金中稀土添加量在0.1%~0.4%為宜[23]。

        表3為稀土元素的性質(zhì)及其在鋁中的特性,從表中可以看出,Al-Er和Al-Sc合金的共晶溫度比較高,與純鋁的熔點(diǎn)僅差5 ℃,而Sc共晶點(diǎn)成分最低,Sc原子半徑相對最小。

        圖1 稀土含量對鋁合金力學(xué)性能的影響

        表3 主要稀土元素的性質(zhì)及其在鋁中的特性

        5 展望與建議

        稀土元素在車用鋁合金中應(yīng)用前景廣大,今后稀土鋁合金開發(fā)與應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

        1)科學(xué)控制稀土元素的添加量及添加方式。稀土的過度加入會造成鋁材報廢,添加方式不妥會造成鋁材燒損和偏析。

        2)稀土元素添加過程中,不應(yīng)該預(yù)脫氧、脫硫。應(yīng)該待鋁合金熔體脫氧、脫硫之后,再加入稀土,才能有效地控制夾雜物的形態(tài)及大小。

        3)稀土鋁合金在擠壓變形過程中應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)擠壓工藝,進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié),以防止擠壓變形產(chǎn)生缺陷,還需深入研究擠壓工藝對稀土車用鋁合金性能的影響。

        4)避免在鋁合金中稀土與其他微合金元素發(fā)生沖突,影響合金的綜合性能。

        5)目前國內(nèi)外關(guān)于富鋁稀土相的特性、形式及演變規(guī)律還需進(jìn)一步研究。

        6)需結(jié)合傳統(tǒng)熱處理工藝,開發(fā)新的稀土鋁合金熱處理工藝,以滿足更高車用鋁合金性能的要求。

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