CN104498782A - 一种汽车发电机端盖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种汽车发电机端盖及其制备方法，属于合金材料技术领域。所述发电机端盖的组成元素及质量百分比为：Mg0.10-0.40％、Cu3.20-3.80％、Zn0.20-0.60％、Fe0.40-0.75％、Mn0.25-0.45％、Sr0.01-0.03％、Si6.00-7.00％、Ti0.10-0.20％、Ni0.10-0.25％、余量为铝及不可避免的杂质。本发明还提供了制备上述汽车发电机端盖的方法，其制备方法包括如下步骤：配料与熔炼、除渣和精炼、压铸及热处理得到成品。本发明汽车发电机端盖的制备方法简单可行，得到的汽车发电机端盖的硬度、强度等综合性能好、散热性能好。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车发电机，具体涉及一种汽车发电机端盖及其制备方法，属于合金材料技术领域。
背景技术
汽车发电机是汽车的主要能源，其主要功能是在发动机正常工作时，向除了发动机以外所有的用电设备供电，并向蓄电池充电。汽车发电机一般安装在发动机的附近，其能否正常、安全的运作直接关系到汽车能否正常的运行。
汽车发电机主要包括由转子、定子、整流器和端盖四部分组成，发电机端盖不仅起固定转子、定子、整流器和电刷组件的作用，而且其性能也直接影响到汽车发电机的运作和使用寿命。因此这就要求汽车发电机端盖具有良好的机械性能和力学性能，且散热性好。现有的汽车发电机端盖普遍存在强度较低、表面硬度较低、散热性不是很好等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种表面硬度高、强度高、散热性好等综合性能好的汽车发电机端盖。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种汽车发电机端盖，其组成元素及质量百分比为：Mg：0.10％-0.40％、Cu：3.20％-3.80％、Zn：0.20％-0.60％、Fe：0.40％-0.75％、Mn：0.25％-0.45％、Sr：0.01％-0.03％、Si：6.00％-7.00％、Ti：0.10％-0.20％、Ni：0.10％-0.25％、余量为铝以及不可避免的杂质。
相较于现有技术，本发明以319铝合金为基础，在适当调整Mg、Cu、Zn、Fe和Mn的含量的基础上，复配加入改善合金力学性能和铸造性能等的Ti、Ni以及变质元素Sr，得到该合金的改良配方，通过配方中各元素的合理配置，得到力学性能、机械性能以及铸造性能都较好的铝合金，将其应用于汽车发电机端盖，得到的端盖的综合性能好、散热性好，延长了汽车发电机的使用寿命。
在本发明汽车发电机端盖所用的铝合金中，以纯度为99.9％的铝为主要原料，添加适量的镁、锌和铜，由于它们在铝中的固溶度较大可以使固溶体的结构复杂化，Zn能与Al、Mg、Cu产生协同作用，可以在合金中生成CuAl2、MgZn2、Al-Zn-Mg-Cu等强化相，起到明显的固溶强化作用，从而有效提高合金的强度、屈服硬度以及抗腐蚀性等。特别的，Zn可以提高Cu在合金中的溶解速度和溶解度，有效提高合金的塑性。但是尽管Zn在铝合金中的作用突出，其用量过多容易导致合金的应力腐蚀开裂倾向增加，所以本发明将Zn用量控制在0.20％-0.60％。
对于铝合金而言，为了降低其粘膜倾向，合金中应该存在一定量的铁元素。但是Fe的存在也会产生有害影响，因为其通过金属化合物的形态以针状或者片状的形式存在于铝合金中，对基体产生割裂作用，产生应力集中现象，从而大大降低铝合金的机械性能，并增大其热裂倾向。为了有效降低Fe的有害影响，本发明在铝合金中加入适量的Mn和Sr用于中和作用，改善铝合金的机械性能等。通过实验发现，在0.25％-0.45％的Mn的基础上添加0.01％-0.03％的Sr，通过它们产生的协同作用，不仅可以将富含Fe的片状或者针状组织变成汉字状、鱼骨状、花卉状等细密的晶体组织，从而减小Fe的有害作用；而且可以使合金中的共晶硅相的形态由针状变为纤维状，从而使得制得的铝合金具有更好的力学性能和机械性能。但是Sr的用量不宜过多，因为铝合金在长时间保存的过程中，Sr容易出现烧损，因为本发明将Sr的用量控制在合适的范围0.01％-0.03％。
Si、Ti、Ni的加入，均可以起到提高铝合金的抗拉强度和抗腐蚀性等作用。其中，Ti还可以起到细化晶粒的作用，更加细化铸造组织；而Si不仅可以通过形成二元或者多元的共晶组织来提高铝合金的流动性、降低其热倾向性，而且还可以使铝合金具有更优异的综合铸造性能。因此本发明铝合金中加入6.00％-7.00％的Si可以使得铝合金在铸造的过程中呈现出更好的铸造性能。
在本发明汽车发电机端盖所用的铝合金中，在以纯度为99.9％的纯铝为主要原料的基础上，复合添加Mg、Cu、Zn、Fe、Mn、Sr、Ni等元素，通过它们的合理配置以及协同作用，使得制得的汽车发电机端盖的综合性能好、散热性好。
进一步地，所述汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比为：Mg：0.20％-0.30％、Cu：3.30％-3.60％、Zn：0.30％-0.50％、Fe：0.50％-0.70％、Mn：0.30％-0.40％、Sr：0.012％-0.02％、Si：6.20％-6.80％、Ti：0.12％-0.18％、Ni：0.15％-0.20％、余量为铝以及不可避免的杂质。
再进一步地，所述汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比为：Mg：0.25％、Cu：3.50％、Zn：0.40％、Fe：0.60％、Mn：0.35％、Sr：0.016％、Si：6.50％、Ti：0.16％、Ni：0.18％、余量为铝以及不可避免的杂质。
本发明的第二个目的还在于提供一种制备上述汽车发电机端盖的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：
S1、配料与熔炼：先按照汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比进行配料，再将原料预热至150-180℃，然后将纯铝加入到熔炼炉中于720-740℃下熔化，待纯铝完全熔化后加入镁、锌、铜以及中间合金，完全熔化成铝液并搅拌均匀；
S2、除渣和精炼：将上述熔炼后的铝液进行精炼、除渣；
S3、压铸：先将模具预热到230-280℃，再将上述精炼后的铝液在660-690℃压铸到模具型腔，并于70-85MPa下保压15-18s，成型得到汽车发电机端盖压铸件；
S4、热处理：将上述汽车发电机端盖压铸件进行强化固溶处理和时效处理，最后经过表面处理得汽车发电机端盖的成品。
在上述的汽车发电机端盖的制备方法中，步骤S 1中所述的纯铝为纯度为99.9％的铝、镁为工业纯镁、锌为纯锌、铜为电解铜，所述中间合金为铁含量为5-8％的镍铁合金、锰含量为8-10％的铝锰合金、锶含量为5-8％的铝锶合金、硅含量为15-20％的铝硅合金、钛含量为8-12％的铝钛合金。
在上述的汽车发电机端盖的制备方法中，步骤S2中所述所述旋转喷吹法中的气体是氩气或者氮气，转头转速为320-480r/min，吹气压力为0.22-0.28MPa，吹气时间为5-8min。本发明汽车发电机端盖的制备方法中，采用旋转喷吹法和过滤法相结合的方式进行精炼，可以通过两者互补对方的缺陷而达到更好的精炼效果。其中，旋转喷吹法主要通过转头的形状和高转速的转头对气泡的破碎来控制气泡的大小和分布，从而控制精炼效果。而转头的转速尤为重要，转速过高容易引起熔体的翻腾，产生吸气现象，转速过低则会使熔体的中心区域压力降低从而产生合泡现象，因此本发明汽车发电机端盖的制备方法中采用合适的转头转速。而过滤法则是让铝熔体通过中性或者活性材料制造的过滤器以去除熔体中的夹杂物，过滤材质一般为玻璃布、泡沫陶瓷等。
在上述的汽车发电机端盖的制备方法中，步骤S3中所述的压铸工艺为先在72-78MPa下以0.32-0.38m/s的速度将铝液压射到模具型腔中，待充型率超过30％后减小压射速度至0.22-0.28m/s进行压射，待充型率超过60％后，于82-88MPa下以2.5-3.2m/s的速度进行快压射直到铝液充满模具型腔。在压铸工艺中，压铸速度和压铸压力是影响最终压铸件质量的关键因素。其中压射速度大小由模具型腔中的充型率而定，刚开始采用低速压射是为了防止铝液从加料口溅出，同时可以让压室内的空气有比较充分的时间逸出；而随后的快速压射则是为了让铝液在凝固前可以迅速填充到模具型腔中，但是为了得到表面光洁、轮廓清晰的高质量的压铸件，要控制好快速压射的速度。快压射速度过快，易使压铸件产生气孔等缺陷，过慢则会导致压铸件轮廓不清晰等。
在上述的汽车发电机端盖的制备方法中，采用T6热处理，即采用固溶处理和时效处理结合的热处理方式，以提高铝合金的综合性能。其中，步骤S4中所述的固溶处理为为先将压铸件加热到510-520℃，保温5-6h，再以2-3℃/s的速度升温至530-540℃，保温4-5h，然后水冷却6-10min，其中水冷却温度为60-90℃。本发明汽车发电机端盖的制备方法中采用分阶段的强化固溶工艺，可以使溶质原子最大限度地固溶到固溶体中，同时又不会使合金发生熔化，从而为后续的时效处理做好良好的准备。
时效处理中时效温度和时间起关键作用，本发明为了保证强化效果，将时效处理的温度设定为150-165℃，保温时间为8-10h。而时效处理的实质是溶质原子偏聚形成硬化区的结果，一方面可以消除合金经过淬火后的残余应力，以起到更好的强化效果，另一方面可以有效防止合金发生变形、开裂等不良现象。此外，步骤S4中所述的表面处理过程采用本领域普通的表面处理工艺。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明汽车发电机端盖所用的铝合金以319铝合金为基础，在适当调整Mg、Cu、Zn、Fe和Mn的含量的基础上，复配加入Ti、Ni以及变质元素Sr，通过它们的合理配置以及协同作用，使得制得的铝合金具有硬度高、抗拉强度高、屈服强度高、韧性好、抗腐蚀性好、散热性好等优点，将其应用到汽车发电机端盖上提高了端盖的综合性能。
2)本发明汽车发电机端盖的制备方法简单可行，通过各个加工过程中参数的合理设定，得到的汽车发电机端盖的综合性能好，将其应用到汽车发电机上延长了其使用寿命。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
表1：实施例1-5用于制备汽车发电机端盖的组成成分及质量百分比
实施例1
配料与熔炼：先按照表1实施例1中所述汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比进行配料，再将原料预热至150℃，然后将纯度为99.9％的铝加入到熔炼炉中于720℃下熔化，待纯铝完全熔化后加入工业纯镁、纯锌、电解铜以及中间合金，完全熔化成铝液并搅拌均匀；其中中间合金为铁含量为5-8％的镍铁合金、锰含量为8-10％的铝锰合金、锶含量为5-8％的铝锶合金、硅含量为15-20％的铝硅合金、钛含量为8-12％的铝钛合金。
除渣和精炼：将上述熔炼后的铝液采用旋转喷吹法和过滤法相结合的方法于710℃精炼12min，再除渣；其中旋转喷吹法是在氩气下进行，转头转速为320r/min，吹气压力为0.22MPa，吹气时间为5min；过滤法中的过滤材质为玻璃布。
压铸：先将模具预热到230℃，再将精炼后的铝液于660℃压铸到模具型腔，即先在72MPa下以0.32m/s的速度将铝液压射到模具型腔中，待充型率超过30％后减小压射速度至0.22m/s进行压射，待充型率超过60％后，于82MPa下以2.5m/s的速度进行快压射直到铝液充满模具型腔，最后于70MPa下保压15s，成型得到汽车发电机端盖压铸件。
热处理：将上述汽车发电机端盖压铸件进行强化固溶处理和时效处理，最后经过表面处理得汽车发电机端盖的成品；其中固溶处理为先将压铸件加热到510℃，保温5h，再以2℃/s的速度升温至530℃，保温4h，然后于水温为60℃的冷却水中冷却6min；时效处理的温度为150℃，保温时间为8h。
实施例2
配料与熔炼：先按照表1实施例2中所述汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比进行配料，再将原料预热至160℃，然后将纯度为99.9％的铝加入到熔炼炉中于725℃下熔化，待纯铝完全熔化后加入工业纯镁、纯锌、电解铜以及中间合金，完全熔化成铝液并搅拌均匀；其中中间合金为铁含量为5-8％的镍铁合金、锰含量为8-10％的铝锰合金、锶含量为5-8％的铝锶合金、硅含量为15-20％的铝硅合金、钛含量为8-12％的铝钛合金。
除渣和精炼：将上述熔炼后的铝液采用旋转喷吹法和过滤法相结合的方法于715℃精炼13min，再除渣；其中旋转喷吹法是在氮气下进行，转头转速为360r/min，吹气压力为0.23MPa，吹气时间为6min；过滤法中的过滤材质为泡沫陶瓷。
压铸：先将模具预热到240℃，再将精炼后的铝液于670℃压铸到模具型腔，即先在74MPa下以0.34m/s的速度将铝液压射到模具型腔中，待充型率超过30％后减小压射速度至0.24m/s进行压射，待充型率超过60％后，于84MPa下以2.7m/s的速度进行快压射直到铝液充满模具型腔，最后于73MPa下保压16s，成型得到汽车发电机端盖压铸件。
热处理：将上述汽车发电机端盖压铸件进行强化固溶处理和时效处理，最后经过表面处理得汽车发电机端盖的成品；其中固溶处理为先将压铸件加热到512℃，保温5h，再以2℃/s的速度升温至532℃，保温4.2h，然后于水温为68℃的冷却水中冷却7min；时效处理的温度为155℃，保温时间为8.5h。
实施例3
配料与熔炼：先按照表1实施例3中所述汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比进行配料，再将原料预热至170℃，然后将纯度为99.9％的铝加入到熔炼炉中于730℃下熔化，待纯铝完全熔化后加入工业纯镁、纯锌、电解铜以及中间合金，完全熔化成铝液并搅拌均匀；其中中间合金为铁含量为5-8％的镍铁合金、锰含量为8-10％的铝锰合金、锶含量为5-8％的铝锶合金、硅含量为15-20％的铝硅合金、钛含量为8-12％的铝钛合金。
除渣和精炼：将上述熔炼后的铝液采用旋转喷吹法和过滤法相结合的方法于720℃精炼14min，再除渣；其中旋转喷吹法是在氩气下进行，转头转速为400r/min，吹气压力为0.27MPa，吹气时间为7min；过滤法中的过滤材质泡沫陶瓷。
压铸：先将模具预热到260℃，再将精炼后的铝液于680℃压铸到模具型腔，即先在75MPa下以0.36m/s的速度将铝液压射到模具型腔中，待充型率超过30％后减小压射速度至0.26m/s进行压射，待充型率超过60％后，于82-88MPa下以3.0m/s的速度进行快压射直到铝液充满模具型腔，最后于80MPa下保压17s，成型得到汽车发电机端盖压铸件。
热处理：将上述汽车发电机端盖压铸件进行强化固溶处理和时效处理，最后经过表面处理得汽车发电机端盖的成品；其中固溶处理为先将压铸件加热到515℃，保温6h，再以2.5℃/s的速度升温至535℃，保温5h，然后于水温为80℃的冷却水中冷却8min；时效处理的温度为160℃，保温时间为9h。
实施例4
配料与熔炼：先按照表1实施例4中所述汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比进行配料，再将原料预热至165℃，然后将纯度为99.9％的铝加入到熔炼炉中于730℃下熔化，待纯铝完全熔化后加入工业纯镁、纯锌、电解铜以及中间合金，完全熔化成铝液并搅拌均匀；其中中间合金为铁含量为5-8％的镍铁合金、锰含量为8-10％的铝锰合金、锶含量为5-8％的铝锶合金、硅含量为15-20％的铝硅合金、钛含量为8-12％的铝钛合金。
除渣和精炼：将上述熔炼后的铝液采用旋转喷吹法和过滤法相结合的方法于730℃精炼15min，再除渣；其中旋转喷吹法是在氩气下进行，转头转速为420r/min，吹气压力为0.28MPa，吹气时间为8min；过滤法中的过滤材质为玻璃布。
压铸：先将模具预热到270℃，再将精炼后的铝液于685℃压铸到模具型腔，即先在74MPa下以0.35m/s的速度将铝液压射到模具型腔中，待充型率超过30％后减小压射速度至0.25m/s进行压射，待充型率超过60％后，于88MPa下以3.0m/s的速度进行快压射直到铝液充满模具型腔，最后于85MPa下保压18s，成型得到汽车发电机端盖压铸件。
热处理：将上述汽车发电机端盖压铸件进行强化固溶处理和时效处理，最后经过表面处理得汽车发电机端盖的成品；其中固溶处理为先将压铸件加热到520℃，保温5.5h，再以3℃/s的速度升温至540℃，保温5h，然后于水温为90℃的冷却水中冷却10min；时效处理的温度为165℃，保温时间为10h。
实施例5
配料与熔炼：先按照表1实施例5中所述汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比进行配料，再将原料预热至180℃，然后将纯度为99.9％的铝加入到熔炼炉中于740℃下熔化，待纯铝完全熔化后加入工业纯镁、纯锌、电解铜以及中间合金，完全熔化成铝液并搅拌均匀；其中中间合金为铁含量为5-8％的镍铁合金、锰含量为8-10％的铝锰合金、锶含量为5-8％的铝锶合金、硅含量为15-20％的铝硅合金、钛含量为8-12％的铝钛合金。
除渣和精炼：将上述熔炼后的铝液采用旋转喷吹法和过滤法相结合的方法于725℃精炼16min，再除渣；其中旋转喷吹法是在氮气下进行，转头转速为480r/min，吹气压力为0.28MPa，吹气时间为8min；过滤法中的过滤材质为玻璃布。
压铸：先将模具预热到280℃，再将精炼后的铝液于660-690℃压铸到模具型腔，即先在78MPa下以0.38m/s的速度将铝液压射到模具型腔中，待充型率超过30％后减小压射速度至0.22-0.28m/s进行压射，待充型率超过60％后，于88MPa下以3.2m/s的速度进行快压射直到铝液充满模具型腔，最后于80MPa下保压15s，成型得到汽车发电机端盖压铸件。
热处理：将上述汽车发电机端盖压铸件进行强化固溶处理和时效处理，最后经过表面处理得汽车发电机端盖的成品；其中固溶处理为先将压铸件加热到515℃，保温6h，再以3℃/s的速度升温至535℃，保温5h，然后于水温为90℃的冷却水中冷却9min；时效处理的温度为160℃，保温时间为10h。
将实施例1-5中制得的汽车发电机端盖进行性能测试，测试结果如表2所示。
表2：本发明实施例1-5制得的汽车发电机端盖与普通的汽车发电机端盖的性能比较结果
对比例为市面上普通的汽车发电机端盖。
综上所述，本发明汽车发电机端盖采用化学成分组成配伍合理的铝合金制造，其制备方法简单可行，制得的汽车发电机端盖的抗拉强度、屈服强度、硬度以及散热性能等得到明显改善，综合性能好，将其应用到汽车发电机上延长了其使用寿命。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种汽车发电机端盖，其特征在于，所述汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比为：Mg：0.10％-0.40％、Cu：3.20％-3.80％、Zn：0.20％-0.60％、Fe：0.40％-0.75％、Mn：0.25％-0.45％、Sr：0.01％-0.03％、Si：6.00％-7.00％、Ti：0.10％-0.20％、Ni：0.10％-0.25％、余量为铝以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的汽车发电机端盖，其特征在于，所述汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比为：Mg：0.20％-0.30％、Cu：3.30％-3.60％、Zn：0.30％-0.50％、Fe：0.50％-0.70％、Mn：0.30％-0.40％、Sr：0.012％-0.02％、Si：6.20％-6.80％、Ti：0.12％-0.18％、Ni：0.15％-0.20％、余量为铝以及不可避免的杂质。
3.一种如权利要求1所述的汽车发电机端盖的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：
S1、配料与熔炼：先按照权利要求1中所述汽车发电机端盖的组成元素及质量百分比进行配料，再将原料预热至150-180℃，然后将纯铝加入到熔炼炉中于720-740℃下熔化，待纯铝完全熔化后加入镁、锌、铜以及中间合金，完全熔化成铝液并搅拌均匀；
S2、除渣和精炼：将上述熔炼后的铝液进行精炼、除渣；
S3、压铸：先将模具预热到230-280℃，再将上述精炼后的铝液在660-690℃压铸到模具型腔，并于70-85MPa下保压15-18s，成型得到汽车发电机端盖压铸件；
S4、热处理：将上述汽车发电机端盖压铸件进行强化固溶处理和时效处理，最后经过表面处理得汽车发电机端盖的成品。
4.根据权利要求3所述的汽车发电机端盖的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述纯铝为纯度为99.9％的铝、镁为工业纯镁、锌为纯锌、铜为电解铜，所述中间合金为铁含量为5-8％的镍铁合金、锰含量为8-10％的铝锰合金、锶含量为5-8％的铝锶合金、硅含量为15-20％的铝硅合金、钛含量为8-12％的铝钛合金。
5.根据权利要求3所述的汽车发电机端盖的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述精炼采用旋转喷吹法和过滤法相结合，精炼温度为710-730℃，精炼时间为12-16min。
6.根据权利要求3或5所述的汽车发电机端盖的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述旋转喷吹法是在氩气或者氮气下进行，转头转速为320-480r/min，吹气压力为0.22-0.28MPa，吹气时间为5-8min。
7.根据权利要求3所述的汽车发电机端盖的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述的压铸工艺为先在72-78MPa下以0.32-0.38m/s的速度将铝液压射到模具型腔中，待充型率超过30％后减小压射速度至0.22-0.28m/s进行压射，待充型率超过60％后，于82-88MPa下以2.5-3.2m/s的速度进行快压射直到铝液充满模具型腔。
8.根据权利要求3所述的汽车发电机端盖的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述的固溶处理为先将压铸件加热到510-520℃，保温5-6h，再以2-3℃/s的速度升温至530-540℃，保温4-5h，然后水冷却6-10min。
9.根据权利要求8所述的汽车发电机端盖的制备方法，其特征在于，固溶处理中所述水冷却的水温为60-90℃。
10.根据权利要求3所述的汽车发电机端盖的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述时效处理的温度为150-165℃，保温时间为8-10h。
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