CN104942242A - 一种汽车铝合金轮毂的双重晶粒细化方法 - Google Patents

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吴树森
郗富河
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Abstract

本发明公开了一种汽车铝合金轮毂的双重晶粒细化方法，包括以下步骤：a.用预热的浇包从熔炼炉中取出铝合金熔体；b.当铝合金熔体的温度高于液相线温度20℃~60℃时，将超声振动头浸入铝合金熔体液面以下1~10mm进行超声处理，超声处理的频率为5kHz～30kHz，体积功率为1W/cm3～50W/cm3，时间为3秒~40秒；c.将超声处理后的铝合金熔体浇注入预热的模具进行轮毂成型制造。本发明通过对铝合金熔体施加直接接触的超声处理，利用超声波的声空化及声流效应，在铝合金熔体内强制大量生核并产生熔体对流效果，在不需要外加细化剂或变质剂的情况下，可以同时将初晶a-Al和共晶Si细化，能够满足轮毂的组织及性能要求，达到双重细化效果。

Description

一种汽车铝合金轮毂的双重晶粒细化方法
技术领域
本发明涉及轮毂制造技术领域，具体涉及一种汽车铝合金轮毂的双重晶粒细化方法。
背景技术
汽车工业高速发展，2013年中国汽车产量就已超过2000万辆，成为名副其实的汽车生产第一大国。轮毂是汽车的重要部件，铝合金轮毂以重量轻、散热性好、美观的优点，逐步取代了钢轮毂的地位；但是铝合金的力学性能比钢差，提高铝合金轮毂力学性能的一个重要方法就是晶粒细化。
传统的铝合金晶粒细化方法是添加细化剂或变质剂；铝合金轮毂通常采用的是亚共晶Al-Si合金，如ZL101A或A356铝合金，普遍是添加含Ti细化剂或Ti-B细化剂去细化初晶a-Al相，将粗大的初晶a-Al枝晶晶粒变小，加入Sr或Na盐去变质共晶Si相，将板片状的共晶Si细化为杆状或粒状。也就是说，轮毂铝合金中有两种晶粒需要细化，需要分别添加不同的细化剂，还没有一种方法或物质能够同时细化初晶a-Al相和共晶Si相；而且Ti细化剂与Sr等变质剂之间有一定的相互抵消作用，使晶粒细化的效果受到一定影响。
此外，铁是铝合金中最常见也是最有害的元素，常规铸造工艺条件下，铝合金尤其是铝硅合金中的富Fe相如β-Al5FeSi和δ-Al4FeSi2易长成粗大的针片状，使合金的力学性能恶化；铝合金中Fe的来源主要是原材料及使用的铁制工具的侵蚀，即使在纯度较高的汽车轮毂用铝合金中也有0.15%~0.2%的Fe，因此轮毂铸件中仍然可能有少量的针状β-Al5FeSi相。目前，降低铝合金中富Fe相危害的方法主要是加入中和元素，再进行快速凝固和熔体过热，其中最为常用的中和元素是Mn，Mn能有效改善富Fe相形貌，使针片状的β-Al5FeSi相转变为对性能影响较小的汉字状Al15(Fe,Mn)3Si2，通常认为，以Mn/Fe=1/2的比例向合金中加入Mn能获得较好中和Fe的效果，继续增加Mn的加入量，虽然能进一步降低β相的有害作用，但是同时会生成硬度很高的多角状初生α-Al15(Fe,Mn)3Si2，降低合金的切削加工性能，而且即使按较高的Mn/Fe比例加入Mn，也不能完全消除β-Fe的有害作用，大量加入Mn还会增加成本；而快速凝固和熔体过热存在工艺设备昂贵、成本高、工艺复杂难控制的缺陷，大大制约了其工业化应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种汽车铝合金轮毂的双重晶粒细化方法，可以解决目前还没有一种方法或物质能够同时细化初晶a-Al相和共晶Si相，而且需要添加中和元素再进行快速凝固和熔体过热，以降低铝合金中富Fe相危害，导致目前提高铝合金轮毂力学性能的成本高、难度大。
本发明通过以下技术方案实现：
一种汽车铝合金轮毂的双重晶粒细化方法，包括以下步骤：
a. 用预热的浇包从熔炼炉中取出铝合金熔体；
b. 当铝合金熔体的温度高于液相线温度20℃~60℃时，将超声振动头浸入铝合金熔体液面以下1~10mm进行超声处理，超声处理的频率为5kHz～30kHz，体积功率为1W/cm3～50W/cm3，时间为3秒~40秒；
c. 将超声处理后的铝合金熔体浇注入预热的模具进行轮毂成型制造。
本发明的进一步方案是，步骤a的浇包预热温度低于熔炼炉中铝合金熔体温度5℃～40℃。
本发明的进一步方案是，步骤c的模具预热温度为350℃～480℃。
本发明与现有技术相比的优点在于：
一、通过对铝合金熔体施加直接接触的超声处理，利用超声波的声空化及声流效应，在铝合金熔体内强制大量生核并产生熔体对流效果，在不需要外加细化剂或变质剂的情况下，可以同时将初晶a-Al晶粒细化到50mm~80mm，将共晶Si细化到2mm~10mm，能够满足轮毂的组织及性能要求，达到双重细化效果；
二、还可以消除针片状富Fe相或粗大Al3Ti等有害化合物相，起到了一举三得的效果；
三、在浇包内处理因而流程短，所需设备和工艺操作简单，时间短，易和传统成形工艺设备相结合，提高了生产效率，降低了成本。
附图说明
图1为超声振动0秒的汽车轮毂铝硅合金金相组织图。
图2为超声振动10秒的汽车轮毂铝硅合金金相组织图。
具体实施方式
实施例1
一种汽车Al-7Si-0.3Mg-0.16Fe-0.1Ti铝硅合金轮毂的双重晶粒细化方法，Al-7Si-0.3Mg-0.16Fe-0.1Ti铝硅合金熔体凝固组织主要是a-Al和共晶Si两相组织，各元素的质量百分比为：Si 5~10%，Mg 0.2~0.5%，Fe <0.4%，以及不可避免的少于0.2%的其他杂质，其余为Al；Al-7Si-0.3Mg-0.16Fe-0.1Ti铝硅合金的液相线温度为615℃左右，固相线温度为558℃左右，将配置好的铝合金在熔炼炉内熔化并升温至740℃，精炼、除气后备用，然后进行以下步骤：
a. 利用温度控制装置将铝合金熔体温度保持在660℃左右，用预热温度低于熔炼炉中铝合金熔体温度620℃的浇包从熔炼炉中取出适量的铝合金熔体，浇包由耐热钢或陶瓷等耐热材料制成；
b. 当铝合金熔体的温度为640℃~650℃时，将超声振动头浸入铝合金熔体液面以下10mm处进行超声处理，超声处理的频率为20kHz，体积功率为20W/cm3，时间为10秒，超声振动头通过换能器与超声发生控制器电气连接，超声振动头位于浇包中轴线上，超声振动头由钢、钛合金或其它材料制成，其端部是平底或半球形，换能器为压电式或磁致伸缩式；
c. 将超声处理后的铝合金熔体浇注入预热到400℃的模具进行轮毂成型制造。
超声处理前的660℃铝合金熔体试样组织如图2所示，铝合金轮毂的试样组织如图2所示，可见经超声处理后，合金中初晶a-Al相和共晶Si相都被细化，同时看不到明显的化合物相。
实施例2
进行以下步骤：
a. 利用温度控制装置将铝合金熔体温度保持在645℃左右，用预热温度640℃的浇包从熔炼炉中取出适量的铝合金熔体，浇包由耐热钢或陶瓷等耐热材料制成；
b. 当铝合金熔体的温度为635℃~645℃时，将超声振动头浸入铝合金熔体液面以下1mm处进行超声处理，超声处理的频率为30kHz，体积功率为1W/cm3，时间为40秒；
c. 将超声处理后的铝合金熔体浇注入预热到480℃的模具进行轮毂成型制造。
其余实施如实施例1。
处理后的合金中，初晶a-Al相和共晶Si相细化，看不到针状β-Al5FeSi相或Al3Ti相，T6热处理后其抗拉强度为260MPa，比未经超声处理提高15%。
实施例3
进行以下步骤：
a. 利用温度控制装置将铝合金熔体温度保持在675℃左右，用预热温度低于熔炼炉中铝合金熔体温度650℃的浇包从熔炼炉中取出适量的铝合金熔体，浇包由耐热钢或陶瓷等耐热材料制成；
b. 当铝合金熔体的温度为660℃~670℃时，将超声振动头浸入铝合金熔体液面以下6mm处进行超声处理，超声处理的频率为5kHz，体积功率为50W/cm3，时间为3秒；
c. 将超声处理后的铝合金熔体浇注入预热到350℃的模具进行轮毂成型制造。
其余实施如实施例1。

Claims (3)

1. 一种汽车铝合金轮毂的双重晶粒细化方法，其特征在于包括以下步骤：
a. 用预热的浇包从熔炼炉中取出铝合金熔体；
b. 当铝合金熔体的温度高于液相线温度20℃~60℃时，将超声振动头浸入铝合金熔体液面以下1~10mm进行超声处理，超声处理的频率为5kHz～30kHz，体积功率为1W/cm3～50W/cm3，时间为3秒~40秒；
c. 将超声处理后的铝合金熔体浇注入预热的模具进行轮毂成型制造。
2. 如权利要求1所述的一种汽车铝合金轮毂的双重晶粒细化方法，其特征在于：步骤a的浇包预热温度低于熔炼炉中铝合金熔体温度5℃～40℃。
3. 如权利要求1所述的一种汽车铝合金轮毂的双重晶粒细化方法，其特征在于：步骤c的模具预热温度为350℃～480℃。
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