文/孙德勤 费有静

废铝再生与汽车轻量化进展

文/孙德勤 费有静

复合材料由于具有高比强度、高比刚度等特点在汽车轻量化中起着至关重要的作用。

铝合金材料的优势在于比强度高、可加工性好，可以保证汽车行驶的安全性；同时又可以降低汽车质量，节约燃油消耗以及减少尾气排放，有利于节能环保；而且可以多次再生利用。因此，铝及其合金被公认为是未来汽车的理想材料之一。

但是，原铝资源毕竟有限，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之一。

所谓再生铝生产，即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或铝材的工艺过程。

与原铝生产相比，废铝再生可大量节省水、电等能源，制造成本约为原铝生产的5%，而且对环境的污染也大大降低。

因此，利用废铝再生制备车用零部件，将会大大降低车辆制造成本，是绿色循环经济发展的重要组成部分。

一、铝合金材料在汽车制造业的应用越来越受到重视

铝合金、镁合金、塑料、复合材料等轻质材料的广泛应用是汽车轻量化的重要技术手段。出于材料成本、工艺性能、使用性能等综合考虑，铝合金材料的应用是发展的重点。汽车零部件的铝化率在逐年提高，广泛采用铝合金制备零部件已成为汽车制造技术能力的一种象征。

目前汽车用铝合金包括了铸造铝和变形铝。其中，铸铝主要为铝硅合金如A356、A380、ADC12、ZL101等，主要用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上零件等；变形铝合金材料有5A03、5052、2A11、3003、6061等，已经用于制造保险杠、发动机组件、制动器构件、热交换器、车身结构件以及仪表盘等装饰件。

目前家用轿车基本上都采用了压铸铝合金轮毂，与钢制品相比，其耐蚀性好、导热性优良、减震性好等优点已凸显出来，满足了现代人们对汽车外观、安全与舒适性等方面的要求。

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、传动装置、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，当时汽车的平均用铝量仅为 21kg/辆，到1984年汽车的平均用铝量已经上升到62.14kg/辆。进入21世纪，铝合金材料的应用更是突飞猛进，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1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，国内汽车制造用铝合金材料还有巨大的开发空间。

目前，原铝的生产需要经过矿石处理、电解等工艺过程，使得铝合金零部件的制造成本较高，这也是汽车上大量采用铝合金零部件的障碍之一。

解决这个问题的方法，除了开发低成本的铝合金和先进的铝合金成形工艺外，还要重点开发废杂铝再生汽车零部件的工艺技术和与之相配套的工艺设备，才能降低铝合金零部件的生产成本，实现低能耗的绿色循环发展模式。

二、我国废铝再生制备车辆零部件的技术瓶颈

由于废杂铝料的回收过程并不规范，大部分情况下废杂铝料未做任何处理即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。

仅铝合金方面，就包括以高硅（Si）合金为主的铸件、以镁（Mg）、锰（Mn）等为主要合金元素的锻件、以5XXX、6XXX等合金为主的建筑型材以及纯铝电线等。

据统计，废铝原料中可能存在有20余种元素，包括铜、镁、锰、硅、银、钛、锌、锡、镍、铯、铅、铋、铁、钴等。

另外，废铝零件往往有不少非铝合金（以钢或铜合金为主）的镶嵌件，它们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；而且废杂铝料的表面往往存在着污垢和锈蚀物，它们在熔化过程中会产生大量的夹杂物，造成再生铝的工艺性能明显下降。

因此在废铝再生过程中，非铝夹杂元素的存在是不可避免的，特别是Fe和Si的含量可以达到 1%以上。

由于大量的非铝元素带入到熔体内，凝固时会产生大量的脆性、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以及容易偏聚等现象造成了力学性能的明显下降，这样使得再生铝合金产品的使用受到很大的限制。

而人们对汽车性能的要求越来越高，包括操控性能、安全性等，致使汽车制造企业对发动机功率以及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AlFeMn相以及AlFeMnSi相等均小于100微米，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、高质量的方向发展，所以必须进一步优化工艺，形成合理的微观组织形态与析出相分布和形态控制，使铝合金材料的性能达到预期目标。

因此，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。

三、废铝再生技术研究现状

目前废铝再生工艺中，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等元素含量远远超过国家标准，使得废铝再生的产品基本属于初级铸锭，社会与经济效益并未得到很好的体现。

目前，消除Fe等非铝夹杂元素有害作用的主要方法是加强原料的分选、再生过程中排除法等以防止过多的非铝元素进入到熔炼工序。

1. 废铝原料的分选处理

为了提高废铝再生产品档次，达到代替原铝生产工艺的目标，世界各国更为关注的是废杂铝原料的预处理。

美国 3大汽车公司都成立了专业研究机构来开发汽车材料回收技术，在汽车材料的回收利用方面取得了大量的成果和专利。

目前分离Fe等夹杂元素的废杂铝分选技术主要体现在2方面：一是利用密度、磁性等物理性能的差异］，包括目前应用较为普遍的磁选、风选、浮选等 ；二是通过化学成分的在线分析，阻止Fe等夹杂元素的混入。

其中，磁分离技术主要用于分离废铝中的废钢铁等带磁性材料，在国外被广泛应用。永磁分离结构简单、磁场均匀、分离效率高，能在较高温下连续工作；涡流分离技术是利用交变磁场对不同电导率和密度的材料产生不同的洛仑磁力而导致不同的距离；浮选分离技术是选择合理的分离介质，利用密度或溶解性能等分离非铝夹杂物，其中应用最广泛的是湿式浮选，即采用水或者水溶体作为分离介质，但这种方法分离效率较低且污染较重。

干式浮选法是采用干砂为介质，但合适的流化介质及自动地完成分离的办法还处于研究阶段；利用对不同成分的合金腐蚀后呈现出来的颜色不同也可以用来分离Fe等夹杂元素，它不受颗粒的形状和大小的影响，分离效率很高。但该技术受温度、表面粗糙度、腐蚀的时间影响较大。

目前国外一些企业引入了化学成分在线分析，可以更为有效地分离Fe等夹杂元素，同时可以将不同牌号的铝合金原料区分开来。主要包括：

1）X射线荧光分析技术（XRF）是采用X射线照射到金属材料表面产生荧光，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。

2. 非铝元素的熔体排除工艺

目前再生工艺过程中消除Fe、Si等非铝夹杂元素的有害作用主要有以下 2种思路：

1）改善非铝夹杂元素在铝合金中的存在形貌，尽量减少有害的针状或片状的粗大析出相；

2）降低铝熔体中Fe元素的含量。其中改变析出相形貌主要采取中和法，如加入一定量的中和元素Mn能使粗大片状β铁相的数量大大减少；加入铬（Cr）可使片状铁析出相改变成较为规则的汉字状或星状。

但研究证明，Mn和Cr等元素的加入并不能完全消除Fe相的有害作用。而且如果Mn和Fe总量过高（≥0.8%），反而会使切削加工性能显著下降。

目前降低铝熔体内非铝夹杂元素的相关研究还是较为有限的，主要利用其物理性能的差异使其浮出或沉淀于局部区域而排出铝合金熔体。

稀释法。即向铝熔体大量加入纯铝，使原铝合金的非铝夹杂元素含量降低。

离心法。是将熔体置于在离心力作用下，使密度大的铁相移向外缘，达到与铝熔体分离的效果。但该方法工艺实施较为困难，而且易造成浪费。

电磁法。利用了Fe析出相与铝熔体的磁性差别造成受到的电磁力而将Fe析出相聚集到特定区域而分离。采用电磁分离方法可以使高Fe含量铝合金熔体中大于10微米的初生富Fe相全部去除。但在Fe、Si含量均小于0.50%时其作用非常有限。

化学法。即向含量较高的铝合金熔体内加入特定成分的熔剂，这些熔剂组元能够与熔体中的非铝元素发生反应生成密度不同的富Fe析出相或化合物，并采取一定工艺措施使其偏聚而从熔体中分离出去。

研究较多的采用硼化物熔剂净化处理铝液，Fe去除率可以达到 45%。但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。

目前工业上除硅的主要方法是偏析法和三层液电解法。

其中偏析法工艺是利用杂质元素的平衡分配系数差异产生的析出固相与原铝液中的含量差别，分配系数与1的差距越大，凝固时固相中的浓度偏离原成分越明显；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。

电解法是将原料置于电解槽中，熔体中的铝进行电解反应在阴极上生成金属铝，而合金中的Cu、Si、Fe等元素则不溶解，这样在阴极就获得了高纯度的铝。该工艺主要应用于精铝提纯，如果将之用来净化铝废料的硅元素，在经济性方面显然无法达到节能降耗的目标要求。

四、实现废铝再生汽车零部件的关键

从原料分拣、熔体内排除夹杂元素等消除非铝元素的工程实践来看，原料预处理的材料分拣效率并没有取得很好的效果，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，这种工艺的除铁、硅元素效果非常有限。

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。

从提高材料使用性能的各种手段来分析，包括细晶强化、固溶强化、相变强化、弥散强化以及材料复合技术等，应当研究改善非铝元素的析出状态等技术，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，该析出相能够颗粒细小、均匀分布，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。

实际上，通过添加Mn等中和元素改善Fe析出相形态的相关研究已经为此技术的研究与开发做了很好的铺垫，因此，研究改善非铝元素的析出状态等技术的研究具有一定的可行性。

通过改进非铝夹杂元素的析出行为与分布状态，可以有效改善再生铝制品的工艺性能与使用性能，其应用领域是非常广泛的。

首先，对于车轮轮毂等铸造产品来讲，由于Fe、Si等元素的含量增加对材料强度的提高是有利的，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，相当于形成了富Fe、Si等元素的析出相强化的铝基复合材料，不仅大大提高强度和硬度，同时消除了粗大片状析出相对基体的割裂作用，对改善材料的韧性也非常有利。

此外，细小颗粒的均匀分布也会改善其加工性能，所以可以大大提高铝合金车轮的使用性能，再加上铝合金车轮具有良好的散热、承载能力、耐腐蚀、耐老化、可加工性等，替代钢制车轮成为汽车车轮的主体指日可待。

另外，对于铝合金零部件使用性能要求越来越高的情况下，该技术的开发与应用也就凸显出更为重要的意义。

同样，对于铝合金车身、覆盖件等需要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，使之颗粒细小、分布均匀，可以达到弥散析出的效果，强韧性在得到明显提高的同时，其塑性降低并不明显，因此非常有利于促进废铝再生高强变形铝合金的开发与研究。

五、结语

如何有效地降低非铝夹杂元素对铝合金基体的有害作用对废铝再生产品的质量提升至关重要。如果将废铝原料的回收管理与分类、废铝原料的分拣技术有效地结合起来，同时重点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，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。

基于废铝再生的工艺成本较低，可以预测废铝再生铝合金材料在汽车轻量化的过程中将发挥越来越重要的作用，同时废铝再生铝合金材料可以向那些对强度、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拓展。

Development of waste Aluminum recycling and lightweight automobile