铝合金在汽车底盘零部件制造中的应用及轻量化研究

随着汽车轻量化趋势的出现，铸造铝合金在汽车制造中的应用已日趋成熟。占汽车总重量30%以上的底盘系统是汽车结构中不可或缺的重要部分，是减重研究的重点。目前，汽车的转向节、控制臂等底盘部件已采用铝合金材料替代钢质材料，实现轻量化。

A356、Al-10Si-Mn-Mg、Al-5Mg-2Si-Mn等铸造铝合金是汽车底盘结构件主要使用的铸造铝合金材料，表1汇总了汽车底盘常用的各种铸造铝合金的力学性能。

表1 不同工艺和条件下铸造铝合金的力学性能

1 铝硅合金

1.1 A356合金

A356合金属于Al-Si-Mg合金，主要用于转向节、轴承等非薄壁件的铸造生产。铸造Al-Si-Mg合金的力学性能主要取决于合金元素含量和铸造工艺参数。T6热处理工艺可进一步提高铸件的性能。

通过添加微量元素变质共晶Si、细化晶粒尺寸可以提高Al-Si合金的力学性能，常用的变质剂为Sr。经Sr变质的A356合金中，组织中共晶Si的形态由针状或板状变为纤维状或颗粒状，共晶Si颗粒呈现更加致密的分布状态，铝基枝晶间的间距减小。

前期研究中，细化剂Al-5Ti-1B在A356合金中应用最为广泛。Ti与Al结合形成Al3Ti相，细小的富Ti粒子可以促进基体晶粒异质形核，阻碍晶粒长大，从而细化晶粒。随着Ti含量的增加，富Ti粒子发生粗化，晶粒细化效果有限，且粗大的脆性粒子作为裂纹起始点，使合金的力学性能恶化。

此外，Fe在Al-Si合金中常作为杂质元素存在。Fe会在Al-Si-Mg合金中生成针状β、板条状α和π相，使合金组织和性能恶化。为了抑制富Fe相的有害影响，可加入一些微量元素来改善其形态。T等研究发现在A356合金中添加Cr和Zr改变了富铁金属间化合物的形态。Cr的加入使板条状的Al-Si-Fe金属间化合物转变为粒状的Si-Fe-Cr金属间化合物；Zr的加入则生成鱼骨状和板片状的Si-Fe-Zr金属间化合物。Mn也常被用来中和Fe的不利影响，Mn的加入可以减少针状β相的存在，而形成汉字状或球状的α-Al(Fe,Mn)Si相。

（一）A356 （b）A356-0.20Fe （c）A356-0.20Fe-0.20Mn （d）A356-0.20Fe-0.13Mn-0.13Cr

图1 Mn单独添加及Mn和Cr同时添加时富Fe相形貌变化

1.2低硅铸造铝合金

在Al-Si-Mg合金中，为了保证良好的铸造性能，常常加入过量的Si。过量的Si以共晶Si形式存在于合金中铸造铝合金，共晶Si表现为脆性颗粒，其硬度远高于基体。粗大、片状的共晶Si对合金的塑性有不利影响。与A356合金相比，通过降低Si、增加Mg含量，开发性能更优异的铸造铝合金是可行的。

共晶Si颗粒开裂和脱粘是铸造Al-Si合金最终断裂的主要损伤机制。增加Mg含量以获得更高强度和硬度的铝基体可能会增加Si颗粒破裂的可能性，导致合金的伸长率下降。李鹏飞等对降低Si、增加Mg的配比进行了详细的研究，确定了一种强度和伸长率均高于A356合金的新型铸造铝合金的成分范围，如表2所示。曾瑞祥等。 进一步研究了Sr变质低硅铝合金的最佳含量，其铸态及T6共晶Si形貌如图2所示。可以看出，添加0.025%Sr并充分变质及热处理后，共晶Si呈现均匀分布的细小圆形颗粒，α-Al基体枝晶细小，合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到370.3 MPa、307.3 MPa和8.3%。

表2 低硅铸造铝合金元素成分(%)

（a）铸造状态 （b）T6状态

图2 完全变质后铸态和T6共晶Si的形貌

1.3压铸合金

近年来，压铸铝合金替代钢制汽车零部件的应用日益增多，对性能更优异的铝合金的追求备受关注。高压压铸（HPDC）是零件大批量生产最有效的铸造工艺之一。其双级凝固过程形成具有双峰组织的超细共晶组织，可提高铸件的塑性和韧性。

同时高压压铸工艺也存在两个问题：

（1）粘模倾向强：在铸造铝合金中，当Fe含量在0.8%以上时，熔液金属几乎没有粘模倾向。在合金中添加Fe，可以有效降低铸件粘模倾向，但Fe对合金性能有有害影响，需通过添加Mn来中和。研究表明，压铸铝合金中Fe和Mn的最佳添加范围分别为0.15%以下和0.5%～0.8%。

（2）成型铸件孔隙率大；由于铸型内湍流充型受铸件厚度和高冷却速度的限制，熔液金属中夹带的空气几乎没有时间逸出，最终以孔隙或氧化物夹杂的形式存在于铸件中。在使用过程中，这些缺陷作为裂纹萌生的应力集中点，导致铸件力学性能下降。在高温环境下，孔隙中的气体会膨胀，使铸件（特别是薄壁铸件）表面起泡，影响铸件质量。因此，高压铸件不适宜采用常规的热处理工艺，不能在高温下工作。

Al-9Si-Mg-Mn、Al-10Si-Mn-Mg合金是目前市场上汽车底盘结构件铸造中常用的两种高硅压铸铝合金。较高的Si含量可以提高合金的铸造性能，降低铸造过程中出现缺陷的概率；合金中适量的Mg可以激发时效硬化潜能，促进强化相（如Mg2Si）的析出，提高合金的强度。该类铝合金压铸件虽然不能进行常规的固溶热处理，但由于该合金的流动性好，铸件的孔隙率得到改善，因此可以通过短期低温固溶处理+时效处理来改善铸造性能，避免铸件表面出现起泡现象。

经过短时间固溶处理后，压铸件组织会发生枝晶细化、共晶Si球化及金属间化合物溶解，导致伸长率提高，但由于高温诱导的孔隙扩大及强化相溶解，导致铸件的抗拉强度和屈服强度下降。后续时效处理可弥补这部分强度损失，使合金的力学性能达到良好的匹配。

此外，Mg含量对高硅压铸铝合金的强度极限也有明显影响，张百载等研究发现，当Mg含量为0.21%时，时效铸件的屈服强度达到峰值，随着Mg含量进一步增加（>0.4%），α-Al枝晶和Mg2Si粒子粗化，导致合金的综合力学性能恶化。

2 铝镁合金

目前用于制造汽车底盘的Al-Si铸造铝合金在铸造状态下塑性不足（δ?5%），不能满足现代汽车的要求。此类合金往往需要经过热处理才能获得较高的抗拉强度和伸长率。但对于薄壁大型压铸件，固溶处理和人工时效处理工艺容易导致这些部件的尺寸变化。因此，近年来的研究工作开始致力于开发不需要热处理的新型压铸铝合金，以拓宽铸造铝合金的实际应用范围。

压铸铝镁合金是一种用于生产汽车安全部件的非热处理强化铝合金。由于Mg在铝基体中溶解度高，温度对其固溶体成分影响不大，无需热处理即可具有良好的耐腐蚀性能和较高的力学性能，在汽车副车架、门框等部件上得到了很好的应用。但在压铸过程中，由于铝镁合金的成形能力和抗氧化性能低于铝硅合金，因此获得性能优异的铝镁合金压铸件一直是一个难以攻克的难题。

2.1 Al-Mg-Si-Mn合金

Al-Mg-Si-Mn合金压铸件具有良好的强度和塑性，在汽车薄壁安全部件的批量生产中有着广阔的前景。Al-Mg-Si-Mn压铸合金中Mg含量越高，β″相形成的量越少，组织中观察到的β′和β析出相越粗大，合金中粗大的脆性粒子易引起应力集中和裂纹的产生，降低合金的力学性能。另外，有研究指出，当Al-xMg-2Si-Mn合金中Mg含量超过4.7%时，β-Al3Mg相沿晶界析出，消耗基体中的Mg原子并降低晶界强度，对合金的耐腐蚀性能和力学性能产生不利影响(见图3a)。胡祖奇等研究了Mg含量对Al-xMg-2Si-Mn合金疲劳和力学性能的影响。 结果表明：当Mg含量由5.7%增加到7.2%时，合金的屈服强度和硬度分别提高了11%和9%，但伸长率却显著下降，由8.31%降至4.52%。更多的Mg原子固溶到Al基体和组织中，Mg2Si粒子增多，有利于合金的抗疲劳性能，这是因为基体中的粒子使位错弥散，疲劳变形在合金中分布更均匀。随着Mg含量的增加，合金的疲劳极限和疲劳寿命都会增加。

（a）Al-2.6Si-0.7Mn 横截面上的 Al-Mg-Si-Mn 体系 （b）Al-5.7Mg-2.6Si-0.7Mn 横截面上的 Al-Mg-Si-Mn-Zn 体系

图3 Al-2.6Si-0.7Mn和Al-5.7Mg-2.6Si-0.7Mn横截面上的Al-Mg-Si-Mn-Zn体系

采用合适的时效处理工艺，可以溶解β-Al3Mg相，提高合金性能。据报道，经250 ℃×1 h时效处理后，Al-5Mg-2Si-Mn合金的拉伸强度和屈服强度分别提高了14%和29%；当时效时间延长至3 h时，强度增加趋势降低，伸长率又回到略小于时效前的伸长率。添加适量的Zn也可以抑制β-Al3Mg相的析出。O等研究发现，在Al-5.7Mg-2.6Si-0.7Mn合金中添加0.79%的Zn，可以完全消除β-Al3Mg相(见图3b)，形成GP-I区，增强沉淀硬化效果。CHI SQ等也报道，在Al-Mg-Si合金中添加0.2%的Zn，导致晶间腐蚀减少。 Zn的加入也会导致T相的形成，Zn含量越高，T相的体积分数越高，与α-Al和共晶相相比，T相具有相对较高的硬度值，这对合金的强度有利，但会引起塑性的下降。

Cr、Zr、Sc常用作铝合金细化剂，也是改善Al-Mg-Si-Mn合金组织的三种常用元素。但由于高压压铸的特点，它们对压铸基体的晶粒细化作用有限。添加微量（0.1%~0.3%）的Sc、Cr和Zr可为α-Al基体提供固溶强化，未溶解于α-Al中的过剩合金元素形成Al3Zr、Al7Cr和Al3Sc相。Cr和Mn同时存在会形成稳定的α-Alx(Fe,Mn,Cr)ySiz金属间化合物，而Zr和Sc不会改变含Mn相的化学成分。Zr常与Sc复合使用，形成强化的Al3(Sc,Zr)沉淀物。

2.2 Al-Mg-Mn合金

良好的力学性能和耐腐蚀性能是汽车底盘结构件的基本要求，铝镁合金不仅能完美地满足这两点要求，而且其热处理时的力学性能也能满足部件的要求。但由于大量Mg的存在，铝镁合金的抗氧化性能较差。为了提高其抗氧化性能，减少氧化物夹杂的形成，可在合金中添加微量稀土元素（≤0.1%）。

Al-Mg合金的强度主要依靠固溶强化和沉淀强化，微量元素（如Mn、Zn等）的加入，会促使少量第二相质点的析出，提高合金的力学性能。

Al-(4.5~5.5)Mg-Mn作为一种新型压铸合金，具有较高的强度和延展性，适用于安全结构件。在Al-Mg合金中添加Mn形成的相粒子可以作为晶粒的异质形核中心，起到细化晶粒、产生弥散强化的作用。据报道Zn对Al-Mg合金的强度也有良好的影响，Zn可以固溶在α-Al基体中提供固溶强化，也可以在Al-Mg合金中生成η-MgZn2相，产生弥散强化作用。但关于Zn对合金耐腐蚀性能的影响，存在一些矛盾的报道，RE等的研究表明，增加Zn含量(0.4%~1.5%)会导致更严重的腐蚀损伤。

3 铝锌合金

7×××系列锻造合金（Al-Zn-Mg-Cu）具有比强度高、塑性好、耐腐蚀性能优良等特点，广泛应用于高载荷结构件的制造。适当改变合金成分，改善其铸造性能，降低热裂倾向，是开发适用于汽车结构材料的铸造合金的研究方向之一。

Zn是7×××系列合金的主要合金元素，合金的强度随Zn含量的增加而提高。Zn在铝合金中以富锌相（η相）和固溶体形式存在，有利于弥散强化和固溶强化，但η相的腐蚀电位低于α-Al基体的腐蚀电位，不利于合金的耐腐蚀性能。当Zn含量增加到一定水平以上时，由于脆性质点的粗化，合金的延展性、铸造性能和抗应力腐蚀性能将显著降低。

7×××系列铝合金中，Mg含量主要决定合金的强度和延伸率，较高的Mg：Zn质量比也有利于合金的抗热裂性能。

铝合金中添加Cu有利于提高强度，但会降低合金的铸造性能、延展性和耐腐蚀性，因此汽车底盘部件用的铸造铝合金中一般不添加Cu元素。

SHIN J等研究开发了一种可用于铸造生产的新型7×××系列铝合金，其成分如表3所示。降低Mg含量、去除Cu，保证了合金的延展性，提高了铸造性能和耐蚀性；加入Zr、Ti进行微合金化，促进组织细化，改善铸造性能，弥补Cu、Mg含量降低造成的强度不足。

表3 新型7×××系列铝合金%

与商用A356合金性能相比，Al-6Zn-（1.3~1.5）Mg-0.1Zr-（0.1~0.2）Ti合金在厚壁处的流动性稍差（约为A356的60%~80%），在薄壁处的流动性较好（约为A356的70%~100%），但T6状态（480 ℃×1 h固溶+水淬+150 ℃×3 h时效）合金的抗拉强度（370~390 MPa）和伸长率（10%~12%）均明显高于A356合金。

4 总结与展望

压铸工艺在汽车底盘生产制造中具有明显的优势，目前的压铸铝合金在铸态下已表现出良好的压铸特性和良好的力学性能，对不同Si含量的Al-Mg压铸合金的合理热处理研究也取得了较好的进展，但在合金元素设计、热处理工艺优化等方面仍有很大研究和改进空间。

低硅铸造铝合金中添加Cu可弥补低硅造成的强度不足，但Cu对合金的耐蚀性和塑性有显著的负面影响，可考虑替代其他元素（如Mn）进行进一步研究。铸造Al-5Mg-2Si-Mn合金表现出优异的力学性能，但在其研究中，Si含量、Mg与Si的质量比及时效温度的变化范围比较有限。低硅铸造铝合金的开发成功，可进一步提高其Mg含量以与Si形成一定比例，或调整各元素含量，或开发新的不可热处理的铸造铝合金。压铸件的性能对高温较为敏感，针对不同的性能要求，合理的时效温度也需进一步探索。添加Zn可提高Al-Mg基合金的强度，但Zn含量对合金耐蚀性的影响尚存在矛盾的报道。 影响合金腐蚀性能的η-MgZn2相与Zn、Mg的含量及配比密切相关，可以从优化Mg、Zn的质量配比方向考虑进一步研究。可用于铸造生产的新型7×××系列铝合金具有优异的铸造性能和力学性能，但其耐腐蚀性能和抗疲劳性能有待进一步研究和改进。

来源：2020第40卷第10期钱冬玲汽车底盘铸造铝合金研究进展