CN101418402A - 汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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赵玉涛
程晓农
陈刚
蒋宇梅
刘春艳
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Abstract

本发明公开了一种汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料，由铝合金基体和增强颗粒组成，铝合金基体含硅6.5～7.5wt％、镁0.30～0.45wt％，其余为铝；增强颗粒为Al2O3亚微米颗粒或者Al2O3亚微米颗粒与Al3Zr亚微米颗粒的组合，增强颗粒占整个复合材料总体积的5～8％，增强颗粒的粒径小于1微米。制备方法是按镁0.30～0.45wt％，其余为铝的比例，将铝和镁条或铝合金熔化后，然后将熔体温度升高到800℃，按增强颗粒占复合材料总体积的5～8％加入SiO2粉或者ZrO2粉中的一种，与熔体反应生成Al2O3颗粒或者Al2O3颗粒与Al3Zr颗粒的组合，得到汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料。复合材料的20～100℃的热膨胀系数降低到17×10－6℃－1以下，提高了轮毂的尺寸稳定性。

Description

汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
所属技术领域
本发明涉及一种反应合成颗粒增强铝基复合材料及其制造方法。具体地讲，本发明涉及一种汽车轮毂用反应合成亚微米颗粒增强铝基原位复合材料以及制造方法。
背景技术
铝基复合材料具有高的比强度、比刚度和优良的高温力学性能、低的热膨胀系数，优良的耐磨性，在航空、航天、汽车、电子、光学等工业领域具有十分广泛的应用前景。尤其是颗粒增强铝基复合材料(Particulate ReinforcedAluminum Matrix Composites)因具有增强体成本低、微观结构较均匀、材料性能各向同性，可采用传统的金属加工工艺进行加工等优点，成为金属基复合材料的重要发展方向之一而得到快速发展。颗粒增强铝基复合材料根据其中增强颗粒的来源可以分为外加颗粒增强铝基复合材料和颗粒增强铝基原位复合材料。外加颗粒增强铝基复合材料由于增强颗粒由外部加入，存在着颗粒尺寸大，颗粒表面有污染，界面结合差，以及易生成脆弱性副产物等一系列缺点。为此，近年来反应合成颗粒增强铝基原位复合材料得到了重视和发展。
由于颗粒增强铝基复合材料自身的优点，其应用在汽车上，可减轻汽车重量提高相关产品性能，而且可节油、减少污染和延长零部件使用寿命。美国Duralcan公司采用SiCp/Al复合材料成功地制造了汽车制动盘、刹车片、发动机活塞、驱动轴、连杆、摇臂和齿轮箱等零件，使用结果表明，其耐磨性能、降噪性能、散热性能均比原用材料有很大改善。车轮是汽车的关键零部件，而且是重要的安全件，车轮是由轮毂和轮胎组合而成，过去普遍认为车胎爆裂是轮胎质量问题。最近国内外专家研究发现：由于轮毂变形，圆整度失真，因而使轮胎受力不均，故使轮胎局部磨损严重，从而导致轮胎爆裂。解决问题的关键在于提高轮毂的强度、刚度，特别是尺寸稳定性。因此，找到合适的具有良好的尺寸稳定性的材料成了当务之急。
发明内容
为了解决现有技术存在的使用铝基合金制造的汽车轮毂的尺寸稳定性不够好的缺点，本发明提出一种汽车轮毂用颗粒增强铝基复合材料及其制备方法，制备的复合材料具有良好的刚度，制备的汽车轮毂的尺寸稳定性好。
一种汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料，由铝合金基体和增强颗粒组成，铝合金基体含硅6.5～7.5wt％、镁0.30～0.45wt％，其余为铝；增强颗粒为Al2O3亚微米颗粒或者Al2O3亚微米颗粒与Al3Zr亚微米颗粒的组合，增强颗粒占整个复合材料总体积的5～8％，增强颗粒的粒径为0.1～1微米。
所述的汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，按镁0.30～0.45wt％，其余为铝的比例，将铝和镁条或铝合金熔化后，然后将熔体温度升高到800℃，按增强颗粒占复合材料总体积的5～10％加入SiO2粉或者ZrO2粉的一种，与熔体反应生成Al2O3颗粒或者Al2O3颗粒与Al3Zr颗粒的组合，得到汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料。所述的SiO2粉、ZrO2粉，在反应前预先研磨至粒径3～5微米，并预热至200℃。
在制造轮毂时，可以在铝合金熔体中通过熔体反应方法直接生成汽车轮毂用颗粒增强铝基复合材料，然后直接用这个复合材料制造汽车轮毂；也可以通过反应合成汽车轮毂用颗粒增强铝基复合材料作为中间合金，然后根据需要将复合材料与铝合金按比例添加到铝合金熔体中稀释，然后再制造汽车轮毂。
有益效果：
1、由于反应合成亚微米颗粒增强铝基复合材料20～100℃的热膨胀系数降低到17×10-6℃-1以下，而A356合金为22.8×10-6℃-1，因此采用这类材料制造汽车轮毂，可提高了轮毂的尺寸稳定性，同时减轻了轮毂的重量。
2、反应合成颗粒增强铝基复合材料制造汽车轮毂制造方法可以在现有的铝合金轮毂低压铸造生产技术基础上适当改造实现。采用本发明提供的颗粒增强铝基复合材料制备轮毂，只要采用目前铝合金轮毂生产常用的低压铸造技术即可。在轮毂的制造过程中，仅对合金熔炼过程进行必要的改造，不需要对设备进行大的改动，成本较低。
3、反应合成颗粒增强铝基复合材料可以以中间合金的形式加入到铝合金熔体中，也可以在铝合金熔体中通过熔体直接反应方法生成，工艺适应性强。
4、由于采用了低成本原料和减轻了轮毂设计重量，轮毂生产的成本可以适当降低。
附图说明
图1本发明制备的亚微米颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
一种汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料，由铝合金基体和增强颗粒组成，铝合金基体含硅6.5～7.5wt％、镁0.30～0.45wt％，其余为铝；增强颗粒为Al2O3亚微米颗粒或者Al2O3亚微米颗粒与Al3Zr亚微米颗粒的组合，增强颗粒占整个复合材料总体积的5～8％，增强颗粒的粒径为0.1～1微米。其中，铝合金基体含硅可以选择6.5、7.0、7.5wt％，镁可以选择0.30、0.40、0.45wt％，亚微米颗粒的体积分数可以选择5、6.5、8％。
所述的汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，按镁0.30～0.45wt％，其余为铝的比例，将铝和镁条或铝合金熔化后，然后将熔体温度升高到800℃，按增强颗粒占复合材料总体积的5～8％加入SiO2粉或者ZrO2粉的一种，与熔体反应生成Al2O3颗粒或者Al2O3颗粒与Al3Zr颗粒的组合，得到汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料。所述的SiO2粉、ZrO2粉，在反应前预先研磨至粒径3～5微米，并预热至200℃。
实施例1
按Al-3％Si的成分配制铝合金4T，将纯铝、A356合金按4：3的质量比一起熔化，待铝合金完全熔化后，加入12Kg纯镁并搅拌均匀，然后将温度升高到800℃，通过喷粉精炼装置分两批往熔体中添加质量分数5％的SiO2粉，SiO2粉平均粒径3μm，并预先研磨，在200℃预热2h。喷粉结束后，静止20min，使熔体反应充分。炉前取样分析化学成分，根据取样分析结果，加入5Kg纯镁调整基体合金的化学成分，最终形成含亚微米Al2O3颗粒的体积分数为5.5％的铝基复合材料。在生产汽车轮毂时，直接采用目前铝合金轮毂生产常用的低压铸造技术直接生产颗粒增强铝基原位复合材料轮毂。所制备的亚微米颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜(SEM)照片如图1所示，其中白色颗粒相为反应合成的Al2O3颗粒。该亚微米颗粒增强铝基复合材料20～100℃的热膨胀系数为16.3×10-6℃-1，而目前汽车轮毂生产采用的A356合金则为22.8×10-6℃-1，因此使轮毂的尺寸稳定性得到了显著提高。
实施例2
准备A356合金4吨，待铝合金完全熔化后，将温度升高到800℃，通过喷粉精炼装置分两批往熔体中添加质量分数为5.5％的经预先研磨的平均粒径5μm的ZrO2粉，加入前ZrO2粉经200℃预热2h。喷粉结束后，静止20min，使熔体反应充分。炉前取样分析化学成分，根据取样分析结果，加入3Kg纯镁和220Kg纯铝调整基体合金的化学成分，最终形成含亚微米(Al3Zr+Al2O3)颗粒体积分数8％的铝基复合材料，其中亚微米颗粒的粒径为0.1微米。该反应合成颗粒增强铝基复合材料20～100℃的热膨胀系数为15.2×10-6℃-1，而目前汽车轮毂生产采用的A356合金则为22.8×10-6℃-1，轮毂的尺寸稳定性得到了显著提高。
实施例3
按A356合金2T直接熔化，待铝合金完全熔化后，将温度升高到750℃，将通过反应合成方法制备的含(Al3Zr+Al2O3)颗粒10％(体积分数)、(Al3Zr+Al2O3)颗粒的粒径为1微米，基体为A356合金的颗粒增强铝基原位复合材料2T分3批加入熔体中，通过喷粉精炼装置的喷枪以氮气实现熔体搅拌，形成含(Al3Zr+Al2O3)颗粒体积分数为5％的颗粒增强铝基复合材料熔体。在生产汽车轮毂时，采用目前铝合金轮毂生产常用的低压铸造技术由上述铝基复合材料熔体直接生产颗粒增强铝基复合材料轮毂。该反应合成颗粒增强铝基复合材料20～100℃的热膨胀系数为16.6×10-6℃-1，而目前汽车轮毂生产采用的A356合金则为22.8×10-6℃-1，轮毂的尺寸稳定性得到了显著提高。

Claims (3)

1、一种汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料，其特征在于：由铝合金基体和增强颗粒组成，铝合金基体含硅6.5～7.5wt％、镁0.30～0.45wt％、其余为铝；增强颗粒为Al2O3亚微米颗粒或者Al2O3亚微米颗粒与Al3Zr亚微米颗粒的组合，增强颗粒占整个复合材料总体积的5～8％，增强颗粒的粒径为0.1～1微米。
2、如权利要求1所述的汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，按镁0.30～0.45wt％，其余为铝的比例，将铝和镁条或铝合金熔化后，然后将熔体温度升高到800℃，按增强颗粒占复合材料总体积的5～8％加入SiO2粉或者ZrO2粉中的一种，与熔体反应生成Al2O3颗粒或者Al2O3颗粒与Al3Zr颗粒的组合，得到汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料。
3、如权利要求2所述的汽车轮毂用亚微米颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的SiO2粉、ZrO2粉，在反应前预先研磨至粒径3～5微米，并预热至200℃。
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