CN104928542A - 一种汽车控制臂用6x82基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝基复合材料，特指一种汽车控制臂用高性能铝基复合材料的制备方法。其特征是首先将增强体反应物的“螺旋磁场约束控制”和“高能超声分散”相结合制备多元多尺度纳米复合强化剂，然后根据性能成分设计将适量的纳米复合强化剂直接加入至净化处理后的6X82合金熔体中并均匀化，最后通过优化改进的气模铸造系统规模化制备6X82基复合材料棒材。本发明具有多元多尺度纳米增强体反应生成效率高，复合材料中纳米增强体分布均匀，复合材料性能稳定的特点，适合规模化制备汽车控制臂用6X82基复合材料。

Description

一种汽车控制臂用6X82基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料，特指一种汽车控制臂用高性能铝基复合材料的制备方法。

背景技术

随着对汽车节能环保、轻量化和高机动性的要求，汽车控制臂等部分铁制、钢制构件逐渐被铝合金所替代；出于对强塑性和安全性的考虑，目前国际上大多采用6082铝合金（Al-Mg-Si-Cu系）的锻造件作为轻型汽车控制臂，虽然这些材料经过气模铸造、两次挤压和锻造后抗拉强度Rm可达340MPa，屈服强度Rp0.2可达310MPa，延伸率A可达12%，刚度可达5.0KN/mm，但在长期的使用过程中仍然会出现小幅度变形（强度、刚度不足），以及疲劳断裂（强韧性不足），给汽车的轻量化和安全性带来威胁。

对现有的技术文献和综述文献调研表明，目前主要通过对合金的成分进行优化调控并结合苛刻的热处理工艺来进一步提高铝制控制臂的综合性能（如：专利CN103173664）；然而，上述苛刻的工艺技术依然存在着以下的缺点和不足（1）强塑性提升不显著（一般低于10%），主要依靠传统的合金强化和析出强韧化，难以摆脱强塑性倒置关系，通常以牺牲塑性的方法提高强度；（2）合金化不能有效提高材料的模量，从而不能从根本上提高材料的刚度，轻量化效益不明显。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有技术的不足，在优化合金组分及热处理工艺的基础上，在净化的合金熔体中加入富含纳米AlN晶须、纳米ZrB₂颗粒、亚微米TiB₂颗粒、纳米Al₂O₃颗粒、微米Al₃Ti颗粒的多元多尺度纳米复合强化剂，通过纳米纤维承载强化、纳米粒子Orowan强化、纳米增强体增韧以及细晶强韧化等机制的作用，最大限度地保持合金基体塑韧性的同时提高其强度和模量。

本发明首先将“螺旋磁场约束控制技术”和“高能超声分散技术”相结合原位高效制备多元多尺度纳米复合强化剂；然后将复合强化剂加入至经过成分优化和净化处理的6X82合金熔体中，并采用低频磁场搅拌的方法促进复合强化剂的融合与分散；最后通过优化改进的气模铸造系统获得复合材料铸棒，以备后续的热处理、变形以及控制臂构件成形。

本发明的纳米复合强化剂及其纳米复合强韧化技术，有效解决目前合金成分优化手段对材料强度提升不显著，不能提高合金的模量以及牺牲塑韧性的缺点；并有效避免直接在合金熔池中原位合成增强体时，反应物浸润困难、副产物污染合金、设备改造成本高、降低生产效率的缺点，可以在最小改造设备的基础上、低成本、无污染、高效率的规模化生产汽车控制臂用6X82基复合材料。

本发明的制备方法包括以下步骤：

（1）多元多尺度纳米复合强化剂的制备：将6X82合金加入螺旋磁场-超声场组合复合装置的坩埚中，如附图1，并升温至所需反应温度，然后将反应物通入或加入熔体中，并启动螺旋磁场和超声场发生系统，使反应物与铝熔体充分混合接触，待反应结束后从出料口获得多元多尺度纳米复合强化剂。

（2）汽车控制臂用6X82基复合材料的制备：将步骤1中制备的复合强化剂加入至汽车控制臂用6X82合金半连铸生产线中经过除气、除渣后的合金熔池中，并均匀混合，然后通过优化改进的气模浇铸系统生产复合材料棒材。

所述的6X82合金，为我公司根据汽车控制臂供应商客户对性能的要求，经过成分优化的专用合金。首先将Si含量和Mg含量分别由6082的1.05~1.12%和0.82~0.95%调整至0.9~1.05%和0.9~1.05%，在减少游离硅含量（由0.58%降至0.4%）的同时提高Mg₂Si的含量（由1.4%提高到1.5%），以在保证强度不变的基础上，提高合金的延展性和可锻性；同时将Cu的成分控制在0.5~0.6之间，提高合金的强度；其次将Zr作为添加元素控制在0.03%、并把Cr作为添加元素控制在0.1~0.15%范围内，通过这三个元素的复合作用，形成细小弥散的化合物，提高再结晶温度；最终与6082合金相比，在强塑性和可锻性方面获得进一步提高；所述的6X82合金的具体成分按照重量百分比计算为：Si: 0.9~1.05，Mg: 0.9~1.05，Cu: 0.5~0.6，Fe: 0.2，Cr: 0.1~0.15，Zr: 0.03，包括Pb, Sn和 Na在内的其他杂质元素单个小于0.05、合计不大于0.15，余量为Al。

所述的“螺旋磁场-超声场组合复合装置”，包括位于隔热保温层内的坩埚，坩埚上设有炉盖，其特征在于：设有双超声变幅杆组成的超声系统和螺旋搅拌磁体，双超声变幅杆穿过炉盖伸入坩埚中，沿坩埚中心轴线对称布置；螺旋搅拌磁体安装在隔热保温层表面，具体结构见附图1所示，其工艺参数特点为：螺旋搅拌磁体的旋转磁场（周向）和行波磁场（径向）可单独调节，其中电压为380V，电流50~190A可调，频率2~20Hz可调；超声功率为500~2000W，波速为1500m/s，超声频率为10~30kHz；通过两个方向磁场强度与频率的调节，可有效实现反应物与铝熔体均匀混合，并约束高能超声破碎反应物产生的细小气泡、熔盐液滴或粉体的上浮和下沉，使铝熔体与反应物充分接触，达到加速反应进行和均匀化增强体产物的目的；在最佳参数工艺的情况下，旋转磁场：电流50A，频率10Hz；行波磁场：电流90A，频率15Hz；超声：功率1500W，频率20kHz，30min即可使整个反应进行完毕（无剩余反应物），且增强体分布均匀。

所述的多元多尺度纳米复合强化剂中的增强体的成份按照重量百分比计算为：纳米AlN晶须（1~2wt.%），纳米ZrB₂颗粒（1~5wt.%），纳米Al₂O₃颗粒（0~10wt.%）和亚微米TiB₂颗粒（1~5wt.%），                          其余为6X82合金。

步骤（2）中复合强化剂的加入量为6X82合金的0.5~5wt.%。

制备增强体所述的气体反应物为N₂或NH₃，纯度不低于99.8vol.%，流量为1.5~3.5 L/min；所述的固体反应物由K₂ZrF₆和ZrO₂中的一种、K₂TiF₆和TiO₂中的一种与KBF₄和B₂O₃中的一种组成，其中固体反应物的配比则根据所述的增强体的化学计量比进配比。

所述的优化改进的气模浇铸系统如附图2所示，由于在复合强化剂熔于6X82合金熔体后，其中的纳米增强体在自由能降低的驱动力下趋于团聚，会使最终复合材料中的纳米增强体团聚不利于其强化作用的发挥；本发明采用在气模浇铸系统的熔体流入端加装四周设置有电磁搅拌磁体的矩形导流套，并在导流套中央加装高能超声器，功率500W，频率20kHz；高能超声可使熔体中团聚的纳米增强体重新分散，而导流套周围的高强度旋转磁场，电压380V，电流25A，频率20Hz；则使导流套内的熔体高速旋转并与导流套的矩形内壁碰撞促进纳米颗粒的分散和传输，当导流套内纳米增强体均匀分布的熔体进入结晶器时，迅速凝固；从而不仅保证复合材料具有细小的晶粒，纳米增强体的均匀分布，而且复合熔体在磁场和重力场作用下螺旋下降的过程中凝固，还可有效降低铸棒的表层偏析。

现有技术仅通过优化合金成分以及制定严格的热处理制度的方法，对合金的强度提升不明显，仅提升10%左右，而且从技术文献中的工艺优选过程可以看出，强度的提升是以牺牲合金的塑韧性为代价的，最致命的是通过合金化不能从本质上提高材料的模量，从而对合金刚度的提升有限；与此同时目前的合金成分及工艺，是国内外经过多年的精心优化，从工程的角度可以认为通过合金化来提升汽车控制臂用6082合金的性能已经达到了优化升级的极限，然而疲劳断裂和长时间服役变形依然时有发生；因此通过新的技术手段在保持合金塑韧性的基础上提高其强度、模量、和疲劳性能是提高其寿命和可靠性，并大规模推广铝制汽车控制臂的重要途径。

本发明提出的多元多尺度纳米复合强化技术及其复合材料制备方法，利用纳米增强体的纳米尺度效应，在保持材料塑韧性的同时，显著提高材料的强度和模量。与传统的直接原位合成铝基复合材料相比，本发明将复合强化剂的制备和复合材料的生产分开，在最小限度改造原有生产线的基础上，可有效发挥复合强化剂生产装置的方便可控与合金连铸生产线的连续高效双重优势；解决直接反应工艺存在增强体反应物与铝熔体浸润困难、反应效率低的问题，同时避免直接将增强体反应物直接加入合金连铸生产线熔池产生的反应副产物污染熔体、降低连铸生产线效率的缺点；从而本发明可以绿色、高效、低成本、宏量化生产汽车控制臂用6X82基纳米复合材料，为汽车的节能环保、轻量化和机动性的提升提供技术保障。

附图说明

图1为本发明的螺旋磁场-超声场组合复合装置结构示意图；1、炉盖升降装置，

2、超声器，3、通气管，4.入料口，5、炉盖，6、坩埚，7、超声变幅杆，8感应

加热线圈，9、螺旋搅拌磁体，10、隔热保温层，11、支撑架，12、出料口。

图2为本发明的优化改进的气模浇注系统结构示意图；13、高能超声头，14、

矩形导流套，15、搅拌磁场，16.结晶器。

图3为本发明的优化改进的气模浇注系统结构主视图。

图4为本发明制备的(ZrB₂+AlN+TiB₂)/6X82Al强化剂组织结构图。

图5为本发明制备的(ZrB₂+AlN+TiB₂)/6X82Al复合材料组织图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施方案进一步描述：以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，如图1所示复合材料制备工艺设备工位示意图。

实施例1

以N₂气、K₂ZrF₆，K₂TiF₆和KBF₄为反应物生产(ZrB₂+AlN+TiB₂)/6X82Al复合材料，其中最终复合材料中纳米ZrB₂颗粒（0.15wt.%），纳米AlN晶须（0.05~0.1wt.%）和亚微米TiB₂颗粒（0.1wt.%），其余为6X82合金。

将经过杂质过滤、除渣、除气的500kg的6X82合金熔体，导入螺旋磁场-超声场组合复合装置并启动螺旋磁场（旋转磁场：电流50A，频率10Hz；行波磁场：电流90A，频率15Hz；超声：功率1500W，频率20kHz，然后将工业氮气，N₂≥99.8vol.%，流量为2L/min，通过底端设置有出气孔的高纯石墨通气管通入熔体内部，同时把反应物粉剂K₂ZrF₆，K₂TiF₆和KBF₄按照生成3wt.%纳米ZrB₂颗粒，2wt.%亚微米TiB₂颗粒，3wt.%微米Al₃Ti颗粒的量，通过入料口加入6X82合金熔体中；在磁场与超声的高强度搅拌、分散作用下，从石墨通气管底端进入熔体的大量N₂气泡被高能超声破碎成细小气泡，在螺旋磁场的约束搅动下，伴随熔体的复杂紊流被分散于熔体内部，并在高能的超声“空化”作用产生的高温高压下与铝熔体发生反应；而加入的反应物粉剂则熔化，迅速地被卷入熔体，并破碎成小液滴与铝熔体混合反应，反应30min后停止磁场搅拌，继续通入N₂气、开启超声10min，以净化复合强化剂熔体；如图4所示复合强化剂组织结构图，其中针状微米颗粒的为Al₃Ti颗粒，大量弥散的纳米颗粒为ZrB₂相，亚微米的颗粒为TiB₂，絮状的为复合强化剂凝固过程中团聚的纳米AlN；按6X82合金总量的5wt.%，将强化剂加入待气模浇铸的纯净化合金熔池中，并通过磁场搅拌使熔体均匀混合，最后通过气本发明优化设计的气模连铸系统浇铸成(ZrB₂+AlN+TiB₂)/6X82Al复合材料棒材；其中Al₃Ti中间相颗粒，在合金凝固过程中与铝发生包晶反应溶于合金的同时，并产生大量的大量晶核、起到细晶作用，最终是消失的，以备后续的均匀化热处理、挤压、控制臂锻造等工序；如图5所示本发明制备的(ZrB₂+AlN+TiB₂)/6X82Al复合材料组织图，从图中可以看出所制备的复合材料组织晶粒细小，增强体分布均匀。

力学性能取样测试表明，锻造后的该复合材料控制臂抗拉强度为440MPa，屈服强度为380MPa，延伸率为14.3%，模量为75GPa，相对6X82合金基体分别提升了29.4%，22.5%，19.1%和11.4%。

实施例2

以NH₃气、ZrO₂、TiO₂和B₂O₃为反应物生产(ZrB₂+AlN+Al₂O₃+TiB₂)/6X82Al复合材料，其中最终复合材料中纳米ZrB₂颗粒0.08wt.%，纳米Al₂O₃颗粒0.248wt.%，纳米AlN晶须0.05~0.1wt.%和亚微米TiB₂颗粒0.04wt.%，其余为6X82合金。

增强体反应物选择NH₃，ZrO₂、TiO₂和B₂O₃，旋转磁场：电流50A，频率10Hz；行波磁场：电流90A，频率15Hz；超声：功率1500W，频率20kHz；工业氨气，NH₃≥99.8vol.%，流量为3L/min，反应物粉剂ZrO₂、TiO₂和B₂O₃按照生成2wt.%纳米ZrB₂颗粒，1wt.%亚微米TiB₂颗粒，2wt.%微米Al₃Ti颗粒的量加入，则复合强化剂熔体中生成纳米Al₂O₃的理论量为6.2wt.%，按6X82合金总量的4wt.%，将强化剂加入待气模浇铸的纯净化合金熔池中，具体步骤与实施例1相同，最终生产获得(ZrB₂+AlN+Al₂O₃+TiB₂)/6X82Al复合材料。

力学性能取样测试表明，锻造后的该复合材料控制臂抗拉强度为442MPa，屈服强度为390MPa，延伸率为13.5%，模量为78GPa。

实施例3

以N₂气、K₂ZrF、K₂TiF₆和B₂O₃为反应物生产(ZrB₂+AlN+Al₂O₃+TiB₂)/6X82Al复合材料，其中最终复合材料中纳米ZrB₂颗粒0.12wt.%，纳米Al₂O₃颗粒0.183wt.%，纳米AlN晶须0.05~0.1wt.%和亚微米TiB₂颗粒0.12wt.%，其余为6X82合金。

制备增强体所述的气体反应物为N₂，K₂ZrF₆、K₂TiF₆和B₂O₃，旋转磁场：电流50A，频率10Hz；行波磁场：电流90A，频率15Hz；超声：功率1500W，频率20kHz，工业N₂气纯度不低于99.8vol.%，流量为1.5~3.5 L/min；所述的固体反应物由K₂ZrF₆、K₂TiF₆和B₂O₃组成，按照生成4wt.%纳米ZrB₂颗粒，4wt.%亚微米TiB₂颗粒，5wt.%微米Al₃Ti颗粒的量加入，则复合强化剂熔体中生成纳米Al₂O₃的理论量为6.3wt.%，按6X82合金总量的3wt.%，将强化剂熔体导入待气模浇铸的纯净化合金熔池中，具体步骤与实施例1相同，最终生产获得(ZrB₂+AlN+Al₂O₃+TiB₂)/6X82Al复合材料。

力学性能取样测试表明，锻造后的该复合材料控制臂抗拉强度为455MPa，屈服强度为394MPa，延伸率为12.8%，模量为79GPa。

Claims (8)

1.一种汽车控制臂用6X82基复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

将6X82合金加入螺旋磁场-超声场组合复合装置的坩埚中，并升温至所需反应温度，然后将反应物通入或加入熔体中，并启动螺旋磁场和超声场发生系统，使反应物与铝熔体充分混合接触，待反应结束后从出料口获得多元多尺度纳米复合强化剂；将复合强化剂加入至汽车控制臂用6X82合金半连铸生产线中经过除气、除渣后的合金熔池中，并均匀混合，然后通过气模浇铸系统生产复合材料棒材。

2.如权利要求1所述的一种汽车控制臂用6X82基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的6X82合金的具体成分按照重量百分比计算为：Si: 0.9~1.05，Mg: 0.9~1.05，Cu: 0.5~0.6，Fe: 0.2，Cr: 0.1~0.15，Zr: 0.03，包括Pb, Sn和 Na在内的其他杂质元素单个小于0.05、合计不大于0.15，余量为Al。

3.如权利要求1所述的一种汽车控制臂用6X82基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的螺旋磁场-超声场组合复合装置，包括位于隔热保温层内的坩埚，坩埚上设有炉盖，设有双超声变幅杆组成的超声系统和螺旋搅拌磁体，双超声变幅杆穿过炉盖伸入坩埚中，沿坩埚中心轴线对称布置；螺旋搅拌磁体安装在隔热保温层表面，螺旋搅拌磁体的周向旋转磁场和径向行波磁场能够单独调节，其中电压为380V，电流50~190A可调，频率2~20Hz可调；超声功率为500~2000W，波速为1500m/s，超声频率为10~30kHz；通过两个方向磁场强度与频率的调节，有效实现反应物与铝熔体均匀混合，并约束高能超声破碎反应物产生的细小气泡、熔盐液滴或粉体的上浮和下沉，使铝熔体与反应物充分接触，达到加速反应进行和均匀化增强体产物的目的。

4.如权利要求1所述的一种汽车控制臂用6X82基复合材料的制备方法，其特征在于：周向旋转磁场：电流50A，频率10Hz；径向行波磁场：电流90A，频率15Hz；超声：功率1500W，频率20kHz；30min整个反应进行完毕，无剩余反应物，且增强体分布均匀。

5.如权利要求1所述的一种汽车控制臂用6X82基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的多元多尺度纳米复合强化剂中的增强体的成份按照重量百分比计算为：纳米AlN晶须1~2wt%，纳米ZrB₂颗粒1~5wt%，纳米Al₂O₃颗粒0~10wt%和亚微米TiB₂颗粒1~5wt%，      其余为6X82合金。

6.如权利要求1所述的一种汽车控制臂用6X82基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的多元多尺度纳米复合强化剂的加入量为6X82合金的0.5~5wt.%。

7.如权利要求1所述的一种汽车控制臂用6X82基复合材料的制备方法，其特征在于：制备增强体的反应物中的气体反应物为N₂或NH₃，纯度不低于99.8vol.%，流量为1.5~3.5 L/min；反应物中的固体反应物由K₂ZrF₆和ZrO₂中的一种、K₂TiF₆和TiO₂中的一种与KBF₄和B₂O₃中的一种组成，其中固体反应物的配比则根据所述的增强体的化学计量比进行配比。

8.如权利要求1所述的一种汽车控制臂用6X82基复合材料的制备方法，其特征在于：所述气模浇铸系统的熔体流入端加装四周设置有电磁搅拌磁体的矩形导流套，并在导流套中央加装高能超声器，功率500W，频率20kHz；高能超声可使熔体中团聚的纳米增强体重新分散，而导流套周围的高强度旋转磁场，电压380V，电流25A，频率20Hz；则使导流套内的熔体高速旋转并与导流套的矩形内壁碰撞促进纳米颗粒的分散和传输，当导流套内纳米增强体均匀分布的熔体进入结晶器时，迅速凝固；从而不仅保证复合材料具有细小的晶粒，纳米增强体的均匀分布，而且复合熔体在磁场和重力场作用下螺旋下降的过程中凝固，还可有效降低铸棒的表层偏析。