【技术帖】再生铝制备汽车零部件技术的应用与发展

摘要：铝合金材料在汽车上的应用越来越广泛。采用再生铝制备汽车零部件的主要难题在于非铝夹杂元素含量较高，影响铝合金材料的工艺性能与使用性能。目前，通过原料分拣和从熔体中排除非铝夹杂元素的技术，可以部分分离非铝元素，但仍有大量非铝夹杂元素混入。改善非铝夹杂元素的析出相及其析出形态，是提高废铝再生质量的有效手段，可以促进再生铝在汽车零部件制造领域的广泛应用。

关键词：废铝再生;汽车零部件;非铝夹杂元素;析出形态

实现汽车轻量化的重要技术手段之一是轻质材料的广 泛应用。铝的密度2.7g/cm3，仅为钢铁材料的1/3，同时具有良好的力学性能与成形加工性，并且可以重复回收利用等优点，因此,铝合金被公认为是未来汽车的理想材料之一，对降低汽车行驶过程中的燃油消耗、减少尾气排放等有显著的作用。但原铝资源毕竟是有限的,利用铝的可回收性开展再生铝制备零部件。成为汽车制造业的热门话题。再生铝以回收废铝零件等为主要原材料,通过熔炼、铸造、变形加工等生产零部件,无需矿石开采与处理,简化了制造工艺过程,制造成本以及对环境的污染大大降低。因此,利用废铝再生制备车用零部件，是绿色循环经济发 展的重要组成部分。

1、提高汽车零部件的铝化率是汽车制造技术提升的重要组成部分

目前，用于制备汽车零部件的铝合金材料也获得了快速的发展，包括了铸造铝合金和变形合金铝。其中，铸铝件主要采用铝硅合金如A356、A380、ADC12、ZL101等，用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上零件等几十种零件;变形铝合金材料包含了2XXX、3XXX、5XXX、6XXX等系列合金，已经用于制造保险杠、发动机罩、车门及车身板、车轮的轮辐、消声罩、制动系统、热交换器、车身构架、座位等结构件，以及仪表板等装饰件。目前，家用轿车基本上全部采用了压铸铝合金轮毂，其散热快、减震性好、抗腐蚀性强、经久耐用等优点，能显著提高汽车的舒适性和安全性。

其实，早在1896年印度就率先采用铝合金材料制造汽车上的曲轴箱,开辟了铝合金材料应用于车辆零部件制造的先河。随着时间的推移,美国等发达国家逐渐将铝合金材料应用于制备发动机零部件、散热装置、壳体等，应用铝合金材料制备车辆零部件也引起越来越多的重视。1973年时汽车的平 均用铝量仅为21kg/辆,到1984年的时候汽车平均每辆用铝量已经上升62.14kg/辆。进入20世纪,铝合金材料的应用更是取得了突飞K猛进a 2009年的汽车用铝量上升到145kg/辆。预计到2025年，欧洲地区汽车用铝量将有望达到300kg/辆,而北美更是可以提高到320kg/辆。其中,奥迪公司于1999年采用ASF技术推出了A2全铝轿车，为世界第一款真正意义上大批量生产的全铝轿车，其车 身质量比传统钢制车身的质量减轻约40% , 其中铝合金材料的应用比例达到了28.8% ,这个数字对世界汽车工业具有重大变革性的意义。据欧洲铝协预测,未来汽车材料铝化率极限可达到50%。我国目前还存在较大差距,国产车中以红旗用铝量较多，约80~ 100kg ,因此,还有巨大空间来开发汽车用铝合金材料。

目前，制约铝合金在汽车上大量应用的原因之一是铝的冶炼成本本来就比较高，再加上其矿产资源越来越匮乏，原铝制造成本进一步增加，造成了铝合金零部件的制造成本远比钢铁材料高。

出于安全性与操控性能的要求越来越高,汽车零部件对力学性能的要求很高,因此汽车零部件一般使用原铝生产,即使添加废铝,添加比例也不超过30%。但增加废杂铝的使用比例,或者100%代替原铝产品，加速废铝的回收循环利用,实现废杂铝原级利用,是绿色工业发展的必然要求,也是我国再生铝行业的发展目标。与原铝生产相比,每吨再生铝可节省能源达95% , CO2等有害排放物大大减少,不仅能节约资源、净化环境，而且还可以大大降低铝合金制品的生产成本，具有良好的社会效益和经济效益。全世界每年近1200万t的各种废杂铝通过加工而成为再生铝合金,约占全球铝市场总需求量的45%。伴随着大量铝制品报废期已经到来,我国废杂铝资源正以每年20%以上的速度增长，巨大的废铝资源等待再生利用,为我国再生铝的快速发展提供了材料基础。而我国汽车行业发展迅速，2015年的汽车产销量均超过2450万辆，连续7年位居世界第一。因此，研究与开发利用废杂铝优质再生汽车零部件的工艺技术和与之相配套的工艺设备,降低铝合金零部件的制造成本,对于汽车制造业无疑是一大利好。

实际上，汽车零部件中很多产品的使用条件和性能要求还是很适合采用废铝再生的形式来制备，特别是铸造铝合金制品。如汽车发动机中的缸盖和缸体、变速器壳体、支架、阀体、歧管等，大都需要具有较高的强度与韧性以及良好的耐热性、耐磨性、耐冲击性等综合性能，而废铝原料中丰富的合金元素也为废铝再生高性能汽车零部件提供了基础条件。为了保证其微观组织与性能要求，很多铸造铝合金零部件均采用压力铸造等，对于Fe等传统的有害元素的要求不再那么严格，而且会增加含Fe量来改善其黏膜现象。同时含Fe量的提高也有利于提高其耐热、耐磨等性能，因此采用废铝再生手段制备汽车零部件具备一定的技术基础。

当前，我国废铝原料的来源主要有从国外进口与国内回收两种形式，但无论哪种形式,废杂铝料的混杂程度都比较高;大部分情况下，废铝铸件、废铝锻件、型材、废电缆线等混杂在一起，有时甚至混杂入一-些非铝合金的废零件(如Fe、Cu合金等) , 这些原料往往并未经过区分就直接打包送往铝加工企业,因此,进入到熔炼工序的废铝原料中存在着各种不同种类的金属，以及不同成分的铝合金材料。据相关资料统计y再生铝中可能存在的元素有20余种(Cu、Mg、Mn、Si、 Ag、Ti、 Zn、Sn、 Ni、 Cr、Pb、Bi、 Fe、Co等)。另外，废铝零件往往有不少镶嵌件,这些镶嵌件中大部分以钢或铜合金为主,非常容易进入到再生铝中而成为危害材料性能的夹杂元素。

由于大量的非铝元素带入到熔体内，在凝固过程中会产生脆性、呈粗大片状形态、容易偏聚的析出相，这些析出相的产生一方面会影响铝基体的结晶行为，如晶粒形状异常、晶界弱化等，造成成分偏析、热裂等缺陷，同时不良的析出相形态与分布割裂了铝合金的基体，降低了合金的力学性能，尤其是韧性，并且使零件加工难度增加等，这样使得再生铝合金产品的使用受到很大的限制。同时，废杂铝料的表面往往存在着污垢和锈蚀物，它们在熔化过程中形成氧化夹杂或产生有害气体，严重损坏再生铝的冶金质量。

而人们对汽车性能的要求越来越高，汽车制造企业对汽车零部件的使用性能要求也相应提高;如许多车用铝合金零件强度与韧性相结合的综合性能，同时又需要具备较低的热膨胀率、良好的耐磨性和耐冲击性以及足够的疲劳强度等，因此很多铝合金零部件中要求富铁相如Al Fe Mn相以及Al Fe Mn Si相等均小于100μm，针孔度小于2级;同时出于设计的需要，汽车对铝铸件的要求向薄壁、形状复杂、高强度的方向发展，所以对于废铝再生工艺来讲，能否获得性能较高的汽车零部件产品，其关键在于如何消除Fe、Si等非铝夹杂元素的有害作用，以形成合理的微观组织形态与析出相形态控制，满足汽车零部件的性能目标。

由于非铝元素被大量带入，特别是被认定为有害元素的Fe、Si等元素含量超过国家标准，使得废铝再生的产品基本上为初级铸锭，社会与经济效益并未得到很好的体现。建立和完善废铝原料的回收体系不仅关乎到我国铝加工行业的可持续发展，而且也是实现废铝原料的高效利用，获得高性能再生产品的基本保障。

( 1 )加强原料的分类收集与管理是解决原料混杂程度高的首道工序。首先，规范目前废旧金属回收渠道和管理体系,建立先进的回收、运输、处理、加工等互为一-体的系统性工程，提升原料回收企业的技术水平和加工能力,并促进其向最终产品深加工方向延伸。加强对废铝回收体系进行有效的规范化管理,对废铝进行初级分类并分别堆放↓如纯铝类、变形铝合金、铸造铝合金、混合料等，保证废铝原料的相对纯净减小元素的混杂程度 ;结合废铝再生企业的分布特点以及废铝原料的消费结构等元实行分类回收的形式。如建筑用铝材、铝线材、车辆用铝合金。包装用铝合金、铸铝等，分别由不同的回收单位完成收购工作,送到相应的汽车零部件制造企业进行加工与利用。其次,建立完善的废铝原料再处理体系，如废铝制品的拆解与分拣、轻薄松散废铝件的破碎与压块,塑料、橡胶等非铝物质的分选,废铝制品表面的油污、漆膜等有机物的清洗,最大限度地去除金属杂质和非金属杂质,使废铝中的合金成分得到有效利用。

如何将不同类型或不同牌号的铝合金进行分选，是当前废铝原料预处理中的难题之一。利用铸造铝合金与变形铝合金在塑性方面的差异，可以考虑采用压力破碎的物理分选方法，铸造铝合金在压力作用下可以破碎成更小的块状，而变形铝合金则在压力作用下则会被延长或压扁而表面尺寸变大，这样即可通过筛选实现不同类型铝合金的回收。

目前，国外一些企业引入了化学成分在线分析法，主要包括：①X射线荧光分析技术(XRF)是采用X射线照射到金属材料表面会产生荧光，通过荧光进行光谱分析来区分各种材料;②光发射光谱分析技术(OES)通过电弧、火花照射到颗粒的表面，激发原子释放出光谱，通过光谱分析确定颗粒的成分;③激光诱发击穿光谱分析技术(LIBS)是将脉冲激光照射到原料颗粒的表面，轰击出原子发射光谱，获得金属的化学成分。然后触发机械装置将颗粒移动到相应的分类箱里。元素分析技术法共同的弱点是设备复杂，价格昂贵，废铝材料表面必须洁净。

以降低铝熔体内非铝夹杂元素含量为目的，国内外已尝试的方法主要有稀释法、沉淀法、过滤法、溶解度法、离心去除法、电磁去除法等。①稀释法，即在含铁量较高的铝熔体中加入纯铝，可降低原铝合金的非铝夹杂元素含量。②离心法是将加入合金元素的熔体，在离心力作用下利用密度的差异使密度较大的析出相移向外缘,与铝熔体分离。但该方法工艺实施较为困难，而且易造成浪费;③电磁法利用非铝元素析出相与铝的磁选差异，使析出相从铝熔体中分离出去。采用电磁分离方法可以使高Fe含量铝合金熔体中大于10μm的初生富Fe相全部去除。④化学沉淀法，即向含量较高的铝合金熔体内加入熔剂，使其与非铝元素反应生成新的密度较大的化合物析出相，通过使其下沉而分离出去。研究较多的采用硼化物熔剂净化处理铝液，Fe去除率达到45%。

对于化学特性并不活泼的Si等元素，理论研究以及应用技术研究相对较少。目前主要方法是偏析法和三层液电解法。其中偏析法的效果取决于杂质元素的平衡分配系数，分配系数与1的差距越大，说明凝固时该元素在液相中的浓度与其在固相中的浓度差异越大，Si的平衡分配系数为0.14，因此通过偏析法提纯时去除效率较高。但是偏析法效率低、成本高，在废铝再生过程中无实用价值。电解法的基本原理是利用熔盐电解，在电解槽里，精铝、电解质和阳极合金会因密度差形成三层液体分层，熔体中的铝进行电解反应在阴极上生成金属铝，而Cu、Si、Fe等非铝元素则不溶解，这样在阴极就获得了纯度达99.99%的铝。该工艺主要用于精铝的提纯，但同样不适用于废铝废料的净化除硅。

5、研究非铝元素成为内生弥散强化析出相技术

通过大量的工程实践来看，原料预处理的材料分拣效率受到设备能力、工艺成本以及材料颗粒均匀性等工艺条件的限制，仍有大量的非铝元素带入到熔炼工序;熔体中除铁、硅元素的试验证明了，这种工艺的除铁、硅元素效果是非常有限的。如何消除非铝夹杂元素的大量混入，对废铝再生过程中的工艺性能与再生产品使用性能的不利影响，已经成为废铝再生行业快速发展的技术瓶颈之一。借鉴细晶强化、固溶强化、相变强化、弥散强化，以及材料复合技术等提高材料使用性能的技术手段，研究改善非铝元素的析出行为，包括析出相的化学成分、形貌特征，以及分布状态等，即通过加入元素或化合物与非铝元素发生冶金反应形成高熔点的析出相，该析出相在铝基体中颗粒细小、均匀分布，能够起到弥散强化作用，使本来降低材料性能的非铝元素析出相转化为可以改善材料性能的强化相。

对于目前汽车零部件使用性能要求越来越高的现实,研究改善非铝元素的析出状态等技术的研究,也就凸显出更为重要的意义。与废铝再生的常规工艺过程相比,开展改进非铝夹杂元素析出行为与分布状态的技术研究,可以有效改善铝合金的微观组织形态,并通过内生颗粒的弥散强化作用，明显提高再生铝制品的工艺性能与使用性能,因此可以拓展废铝再生产品的应用领域。以车轮轮毂等铸造产品为例，还是希望增加Fe、Si等元素的含量来提高材料的强度,但由于担心Fe元素含量过高造成大量的粗大片状析出相产生，反而会使力学性能下降,因此该类产品的Fe元素含量受到较大限制;而改善其析出相的形态与分布状态,实现颗粒细小、形状规则、分布均匀等，在铝合金基体上分布了弥散分布的强化相,相当于形成了非铝元素析出相强化的铝基复合材料;不仅大大提高强度和硬度,细小颗粒的均匀分布对改善材料的韧性也非常有利，同时也会改善其加工性能,再加上铝合金材料具有良好的散热、耐腐蚀、耐老化等性能,替代钢制车轮成为汽车车轮的主体指日可待。同样,对于铝合金车身、覆盖件等需要良好强韧性高、同时具有良好加工性能的材料来讲,改善非铝元素的析出相析出形态,达到弥散析出的效果,在强韧性得到明显提高的同时,对塑性的影响并不明显,因此将是废铝再生制备高强变形铝合金关键技术研究的热点之一。

废铝再生高性能产品的主要技术难题在于原料混杂严重，有大量的非铝夹杂元素被带入熔铸及后续加工工序中，造成组织形态与性能难以达到目标要求。基于废铝再生过程在工艺成本与节能环保等方面的优势，开展改善废铝元素析出形态、实现弥散强化作用等相关技术的研究与开发，同时与废铝原料的回收管理与分类、废铝原料的分拣技术有效的结合起来，相信废铝再生产品的内部质量与使用性能将会得到大的提升。因此可以预测，废铝再生铝合金材料在汽车零部件制造领域的应用将会越来越广泛，再生铝对汽车轻量化工程将发挥越来越重要的作用，同时可以向那些对强度、韧性等要求较高的领域，如机械设备、铝合金结构、建筑、民用铝制品等领域进行。