CN105970051B - 一种替代qt600大功率卡车转向器的铝合金材料及其砂型铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比计：钨W:0.5～0.6％，锰Mn:≤2％，镉Cd:0.05％～0.5％，铜Cu:4.2％～8.0％且Cu≥0.8Mn+4.05％；路易斯酸碱对总量1％×10^‑4～2.0％，余量为铝Al。

Description

一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料及其砂型铸 造方法

技术领域

本发明涉及一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝在地壳中的资源量远远超过铁(铝为8.2wt％，铁为5.1wt％)，而全球每年钢铁产销量12亿吨以上，铝金属产销量只有0.55亿吨，这种巨大反差充分反映了人类社会对铝及铝材料的资源开发和利用水平远远落后于对钢铁材料的开发利用水平。

球墨铸铁(简称球铁)是钢铁产业中的主要基础材料之一，被广泛而大量地用于制造受力复杂，强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件，在汽车工业中，钢铁材料的用量占汽车用材总量的60～70％，其中的三分之二以上又是球铁类铁合金。

球铁之所以用途广泛，还在于它有着细分的标准牌号，每种牌号规定了较为严格精确的化学成分组合、热处理规范参数、力学性能和物理指标等，从而对应着细分应用品类。球铁的这种机械性能指标及其分类标准，可以作为铝合金材料创新设计、提高性能的对标基础，同时可以作为“以铝代钢”的比较通道，即：如果铝合金可以替代某牌号球铁，则进一步替代与此牌号性能接近的钢材，就足以在产业界引领一种潮流或时尚。

追求低碳、集约化、高效率(高效能)、灵活性和个性化，是制造业从传统形态向高端形态跨越的标志，以铝代钢、以轻强结构普遍替代钢铁重强结构，是实现这种跨越的主要手段。

从材料制备的方法审视，由于材料特征是由承载着该特征的功能性微观物相组合贡献出来的，因此获得良好的功能性物相组合，例如高强度、高熔点、高塑性、高硬度、耐腐蚀等，是各种制备方法追求的最终结果，从而，铝合金的化学成分设计与其制备技术存在着紧密的内在统一性，这种统一性，简言之，是一种原子如何结合成所需的“物相分子”的关系，即材料的物相可以看成是一种分子结构。配方元素的混合熔炼和铸造结晶，是熔铸法形成材料物相分子组合结构的主要决定性环节，在熔铸过程中，固溶体晶粒和晶界的金属间化合物分子物相决定了合金的晶态组合(亚微米级颗粒:尺度10～300μm左右)，后续热处理或者冷作硬化则是对晶态组合框架下微细结构(微米级颗粒:尺度1～30μm左右)乃至更加微观的精微结构(亚纳米级或次微米级质点:尺度10nm～＜1μm)进行调整和完善，这种调整和完善的程度和范围，在公知技术和传统观念中，认为主要由合金化学成分所处的合金相图区域给定的物相组合决定，但是，合金相图没有给出其它微量元素的添加和排除产生的影响，更不具备预测添加和排除其它微量元素对物相影响的指导性。借鉴合金溶液化学的理论和方法改善熔体结构，比如保护膜的覆盖，造渣剂、精炼剂或变质剂的添加，除气除渣净化等，是改善合金晶态组合、微细结构乃至更加微观的精微结构的重要技术手段，但这些手段，由于是从制备合金的过程中摸索积累得来，因此常常被看作为“制备工艺”而不是“成分设计”的一部分。

在工程应用上，铝合金固溶体晶粒的大小和状态，以及分布在晶界的金属间化合物的大小形态，对合金的力学性能有着决定性的影响。粗大的平面晶、树枝晶、柱状晶等不规则晶体和分布在晶界的粗大的脆硬性金属间化合物，能够把合金好的微细结构和精微结构对基体的强韧性贡献全部抵消掉，因为这些粗大晶粒遵从的成长规律是缘于铸造型腔的型壁生核、自外向液体内部单向延伸的生长方式，造成了合金的成分偏析、结晶粗大单向、宏观性能不均匀的缺陷，从而成为合金的一些常见缺陷，如针孔、气孔、缩孔、缩松、偏析、粗大固溶体、高硬度化合物、裂纹等的根源。目前采用的常规变质手段和细化晶粒的手段，如添加铝钛硼或铝钛碳中间合金，最好的效果只能使平均晶粒度细化到120～150微米，而枝晶的形态往往没有根本的转变，这是合金力学性能提高的一个重要瓶颈问题。因为对铝合金来说，获得强度和韧性同时提高的途径，只有晶粒的细化和圆整化；热处理工艺的调整，在晶态结构已经确定的状态下，只能使强度或韧性一个方面获得优化。因此，如何进一步细化和圆整合金的平均晶粒度，是产业界始终追求的目标。

在强度指标上，2XXX系变形铝合金(硬铝)和7XXX变形铝合金(超硬铝)需要经过大型坯料的熔铸、热处理和复式加工环节，成本高，一般只应用于空天技术领域，基础产业领域难以接受，而且其耐热性较差。铸造铝合金中，铝硅系(Al-Si)成形性好但强度偏低，铝铜系(Al-Cu)强度可以达到很高但很不稳定且铸造成形性很差(不能用金属型铸造)。总体来说，能够同时满足铸造性能好又容易进行变形加工的高温高强铝合金，在现有国际标准牌号中很难实现。

通过中国国家标准《耐热高强韧铸件用铝合金锭》(GB/T 29434—2012)及其对应的专利ZL2009103061769介绍，211Z耐热高强韧铸造铝合金因具有“四高三好”特征(即高强、高韧、高硬、耐高温，同时铸造性能好、加工性能好、循环性能好)而进入了铝材料国际领先水平。

通过对铝铜锰系(Al-Cu-Mn)合金最高达0.08nm的极高分辨率的球差校正扫描透射电子显微镜(STEM)精微选区分析，获得了建立在原子尺度上的各种物相结构、原子分辨和化学元素分布。证实其中存在一系列强化相，包括众所周知的Al-Cu二元亚稳相(GP区、θ＂、θ＇)、新的盘片相和平衡相θ(Al₂Cu)；其中在基体晶粒内部，新发现一种棒叉状(T+θH)组合相，该组合相的主干部分T相是Al-Cu-Mn三元相，分子结构式Al₂₀Cu₂Mn₃，分子物相特征是直径约100nm、长度约600～1000nm呈棒轴状且其(010)面与铝合金基体的{010}面共格；而T相周围附着生长了尺寸较大(厚度约20nm、长约50nm)的Al-Cu二元次生相，由于该次生相与基体中其它Al-Cu亚稳相(GP区、θ＂、θ＇或者其它盘片相)比较，在结构上有很大差别，特别是厚度比其它Al-Cu亚稳相厚得多，因此本发明称之为θH相，其分子结构式Al_xCu(x可能小于2)，是一种富Cu分子。

根据合金强化理论，合金的强度是材料中界面或位错滑移受到质点的阻碍而产生的，阻碍越强，材料的强度也越大。而质点阻碍行为与材料中界面或位错滑移相互作用的结果，有两种：一种是当质点本身强硬度不够高时，位错将切过质点继续滑移，另一种是质点强度很高，位错无法切过，则只能绕过质点而继续滑移，而在质点周围留下一圈位错环。

两种结果对材料强度贡献的大小是显而易见的：绕过质点比切过质点对材料强度的贡献大；切过质点能够提供材料较好的延伸率，而绕过质点由于位错环的增强作用，将提供材料更高的屈服强度和抗拉强度。

在关于铝铜锰系(Al-Cu-Mn)合金的传统观念中，由于从来都认为Al-Cu二元相是合金强化的主要因素，因此，材料研究和设计关注的重点，就是使Al-Cu二元相各亚稳态实现在合金中的最佳组合。虽然也发现有T三元相，但都不认为T相对合金强度的贡献能够与Al-Cu二元各亚稳相的组合相比，而且认为T相容易在晶界聚集形成粗大脆性相，因此要严格控制其数量。

GP区、θ＂、θ＇或者其它盘片状的二元Al-Cu亚稳相对合金强度的贡献特点属于位错切过质点方式，其特点是盘片长得越大，切过越困难，因此对强度的贡献也越大，但是，当盘片大到一定程度(直径超过150nm而厚度只有1～3nm)，其晶格点阵与基体晶格点阵的失配度过高，就不再能与基体保持完全共格，而逐渐显出脆性相的特征。因此，既要保持共格又有最大的失配应力场以发挥最大阻碍位错滑移能力，二元Al-Cu各亚稳相质点有一个最佳组合的问题，同时也需要它对基体的延伸率保持较大的贡献，这是以前乃至今后材料设计始终要考虑的主要问题之一。

目前大功率卡车转向器基本上都是选用球墨铸铁，原因在于现有铝合金材料的力学性能无法达到重型客车转向的性能要求，与球铁相比差距较大，但球铁材料的转向器在存在重量重、抗腐蚀性差、低温环境容易出现裂纹等问题，影响汽车的安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料及其制备方法，其中添加路易斯酸碱对，以有效催生临界晶核(得到等轴晶)，使合金在凝固之前获得最佳的分子物相组合结构((T+θH)组合相)，促使合金晶态优化，使铝合金基材实现600MPa及更高的强度等级，从而达到生产替代QT600大功率卡车转向器的铝合金制品。

本发明的技术方案是：一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料，主成分含量按重量百分比计：钨W:0.5～0.6％，锰Mn:≤2％，镉Cd:0.05％～0.5％，铜Cu:4.2％～8.0％且Cu≥0.8Mn+4.05％；路易斯酸碱对总量1％×10^-4～2.0％，余量为铝Al。

所述的合金晶粒为等轴晶。

所述的合金平均晶粒度＜120微米，合金晶粒内亚纳米(T+θH)组合相数量达到≥1个/平方微米。

所述路易斯酸碱对为金属与配体结合而成的负离子体、金属羰基配合物、氢合物、金属的氮化物、过渡类元素、内过渡类元素中的一种，或者一种以上混合。

所述的金属与配体结合而成的负离子体包含六氟合铁负离子体[FeF₆]^3－。.

所述的金属羰基配合物，包括十羰合锝Tc₂(CO)₁₀。

所述路易斯酸碱对，按元素添加量占Al基体重量百分比，范围为：Pd＜0.1％，Re＜0.1％，LiBH₄＜0.08％，GaH₃＜0.03％，WN₂＜0.02％,Tc₂(CO)₁₀ ^－＜0.03％,Sc＜0.05％，Ca＜0.1％，Ru＜0.02％，AsH₃＜0.03％，LaNi₅H₆＜0.06％,[FeF₆]^3－＜0.04％。

一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料的制备方法，包含以下步骤：

(1)在前述路易斯酸碱对、元素比例范围内，选定一组物质组合，确定重量比，根据需要配制的合金总量，推算出所需的每种物料的重量；

(2)往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热并在700℃以上保温；

(3)加入锰Mn、镉Cd、铜Cu，钨W搅拌，加入选定的路易斯酸碱对组合，搅拌均匀；

(4)然后对上述合金熔体进行炉内精炼；

(5)精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的偏差范围内；调温至650℃以上，合金液出炉，在线除气、除渣；

(6)铸造：采用砂型铸造。

所述砂型铸造，步骤如下：

①过滤后可浇注铸造；

②铸造前应将砂模预热，安装上砂芯，用压缩空气将型腔吹干净；

③采取人工浇注，用浇包从炉内舀取合金液倒入砂型模具浇口通过内浇道充满型腔；自然冷却及部分位置强冷；

④敲碎砂模取出产品，自然冷却，清理、锯切冒口、打磨飞边；

⑤外观质量检测：毛坯铸件在进行外观质量检验之前，应清理干净平整，非加工面的浇冒口应清理到铸件表面齐平；

⑥内部质量检测；

⑦固溶处理：将铸件完成粗加工和内外质量检测的毛坯送入固溶炉，进行560℃以下固溶处理，保温完成后立刻淬火，使用水冷；

⑧时效强化：将完成固溶处理的铸件送入时效炉进行时效强化处理，在230℃以下时效强化，保温后，出炉自然冷却；

⑨取样分析测试验证；

⑩实用性能验证。

本发明的有益效果：把路易斯酸碱理论所指向的、能在铝合金熔体中发生分子解体或有助于次纳米区域内(即小于1纳米的范围)物相分子结构优化的“酸碱对”物质，应用于熔体纳米尺度范围的精细结构调整，是本发明的最主要的创造性技术手段。

通过运用路易斯酸碱理论，使有关路易斯酸碱对承载的微量元素的添加和排除，在铝合金熔体环境发生分子解体和转化，以提供熔体超精细微区内的充分扰动和激活效应，达到催生临界晶核大量形成，使合金晶粒度得到进一步细化，形态更加圆整；增加(T+θH)组合相在合金基体中的含量，是本发明解决的合金强化的机理问题。

正离子体和负离子体作为路易斯“酸碱对”，对合金晶粒细化具有普通物质无法实现的优异效果，这是由于：这些离子体在常温下与正常的物质分子一样能稳定存在，而在铝合金熔体这样的高温酸碱环境中发生分子解体，生成路易斯酸和路易斯碱；由于是分子解体，故而是一种次纳米范围的原子组合结构的“散架”，其配体部分以气态排放出来，释放出来的核心金属离子则重新选择结合其它原子。

这种发生在铝合金熔体中的解体和重构，与普通的物质溶解不同，因为：①高温下分解释放的气态物质形成的初始气泡只有一个分子大小(小于1nm，即次纳米级)，比表面积最大，具有极强的活性和纳米范围的扰动能力，正处于结晶临界晶核形成的尺寸范围，由此而造成的熔体超精微区内原子的能量起伏、结构起伏和浓度起伏等状态起伏都带有极强的突变特征，促使邻近的更多原子跨越结晶势垒，故而特别有利于临界晶核的大量形成，对金属间化合物生成反应的催化和合金组织晶粒细化都产生了优于普通变质剂如铝钛硼的好作用；同时正、负离子体这种在次纳米范围的超精微区内扰动和激活效应，是常规外加净化气体形成的气泡(直径大于0.5mm)无法实现的；②分解释放的金属原子或正离子具有比配体更小的体积和更大的比表面积，其对周围原子的扰动和激活效应更强，造成的超精微区状态起伏更加显著，对金属间化合物生成反应催化和合金基体组织晶粒细化作用也更强；③酸碱对在高温熔体中的分裂和重构增强了质点在微区的分散和扩散速度，不会象普通金属或添加剂那样造成团簇化，而有效地抑制了因添加剂造成的合金成分偏析以及大颗粒质点的聚集和长大，这能有效解决常规晶粒细化剂在结晶过程中粗大化的倾向，例如可防止钛Ti和稀土相的粗化；④配体气泡还可以发生次生反应，经过一系列变化后随从净化气体排出熔体(比如生成CO2、CH₄、N₂、NH₃或H₂S)或进入熔渣(比如Al₂O₃、Al(HO)₃或Al₄C₃)，这种净化作用，能够以最稳定的固态或气态物质，把溶解在熔体中的H和氧化物杂质吸收和分解，从而其净化作用比常规的气体净化方式效果更好。这就是正、负离子体作为路易斯酸碱对的添加和排除，在铝合金熔体环境发生分子解体、酸碱转化和超精微区内原子重构，以提供熔体超精微区内的充分扰动和激活效应，达到催生临界晶核大量生成和抑制晶粒长大作用，并实现更好净化效果的机理。通过这种机理，使基体结晶状态普遍成为等轴晶，晶粒度平均小于120μm，进一步的优化效果可达到晶粒度平均在50～100μm。这种效果，是单纯使用铝钛硼和铝钛碳等常规晶粒细化剂以及常规的气体净化技术所无法实现的。

复杂配体化合物作为路易斯酸碱对，对合金晶粒细化也具有普通物质无法实现的良好效果，因为它们的分子结构与正、负离子体的结构类似，都能在铝合金熔体这样的环境中发生分子的解体、酸碱转化和超精微区内原子重构，也能在分子解体时释放出气态或液态的配体，经过一系列反应后随从净化气体排出熔体(比如生成CO₂、CH₄、N₂、NH₃或H₂S)或进入熔渣(比如NaCl、KCl、Al(HO)₃、Al₂O₃或Al₄C₃)，其中释放的金属原子或离子，非金属原子或离子，都是次纳米级的超细小质点，有着最大的比表面积，能提供熔体超精微区内的充分扰动和激活效应，达到催生临界晶核大量生成和抑制晶粒长大作用的机理。通过这种机理，使基体结晶状态普遍成为等轴晶，晶粒度平均小于120μm，进一步的优化效果可达到晶粒度平均在50～100μm，这种效果，是单纯使用铝钛硼和铝钛碳等常规晶粒细化剂以及常规的气体净化技术所无法实现的。

六氟合铁负离子体[FeF₆]^3-与十羰合锝Tc₂(CO)₁₀加入铝中形成的FeAl₃有细化再结晶晶粒的作用，但对抗蚀性能影响较大。当有锰存在时，Fe可溶入Al₆Mn中形成Al₆(FeMn)，与铝之间的电位差减小到可以忽略不计的程度。Fe还会与Cu和Al形成金属间化合物Al₇Cu₂Fe。；配体还可以发生次生反应生成CO₂，经过一系列变化后随从净化气体排出熔体，这种净化作用能够以最稳定的气态把溶解在熔体中的H和氧化物杂质吸收和分解，从而其净化作用比常规的气体净化方式效果更好。因此，主成分设计为按重量百分比：钨W:0.5～0.6％,锰Mn:≤2％，镉Cd:0.05～0.5％，铜Cu:4.2～8.0％且Cu≥0.8Mn+4.05％路易斯酸碱对总量1％×10-4～2.0％，余量为铝Al。添加钨W作为复杂合金化的微量元素，在合金中形成Al₁₂W、Al₆W、Al₄W等3种弥散性高温强化相，提高合金的高温强度。使(T+θH)组合相在合金基体中的含量≥1个/平方微米。

由于(T+θH)组合相的发现，在铝合金强化设计时，就可以通过增加(T+θH)组合相，使铝合金材料的基体强度获得大的提升，稳定性得到良好控制，这是本发明要解决的工程应用问题，即替代系列球铁材料和制品。

在合金熔体中，不同金属原子或离子的接近，它们之间也会产生能级分裂发生热化学反应(不发生电子转移)而形成金属间化合物的模式，由于形成了不同于基体晶态的分子结构，具有较好的热稳定性，故而也适用路易斯酸碱理论。比如在金属间化合物分子Al_xCu和Al₂₀Cu₂Mn₃中，根据电负性大小，可知Al比Cu、Mn更容易失去电子，因此，Al是路易斯碱，Cu、Mn是路易斯酸，Al_xCu和Al₂₀Cu₂Mn₃都可以看成路易斯“酸碱对”。当加入熔体中的外来路易斯酸碱对分解时，与基体存在界面能差的金属间化合物前驱体显然也受到扰动和激活而发生结构起伏，产生更多的临界晶核，使(T+θH)组合相在合金中的浓度和平均分布密度，使之达到1个/[μm]²以上，这就是路易斯酸碱对在纳米尺度的扰动和激活效应能够增加亚纳米级质点(T+θH)组合相和纳米级质点GP区、θ＂、θ＇系列强化相的机理。

另外，由于路易斯酸碱对能够提供给合金熔体更大的异类物质浓度，因此增大了熔体结晶过程的成分过冷度，导致晶核在更强结晶动力下快速越过临界尺寸，而在过冷的液体中自由成核和生长，形成具有各向同性和形状更接近于球形的等轴晶粒；由于等轴晶的这种缘于液体内部自由生长的内生机制，改变了平面晶、树枝晶、柱状晶等不规则晶体缘于铸造型腔的型壁生核、自外向液体内部单向延伸的生长方式，因此避免或减轻了合金的成分偏析、结晶粗大单向、宏观性能不均匀的缺陷，从而有效避免或减轻了合金的一些常见缺陷，如针孔、气孔、缩孔、缩松、偏析、粗大固溶体、高硬度化合物、裂纹等。

由于(T+θH)组合相与各级Al-Cu二元弥散相θ′、θ″、GPI区依次分别具有次微米级、亚纳米级和纳米级的晶格畸变作用，只要如本发明技术方案把基体中(T+θH)组合相的数量和分布密度提高，就能实现与Al-Cu二元弥散相在大小、数量和分布状态方面搭配相对均匀、结构紧凑，则其相互之间就会产生最强晶格畸变应力场(最大点阵失配度)，同时又与基体整体完全共格或半共格，因此在整个晶粒三维空间中形成了一个立体弹塑性网阵，在整个晶粒内部产生了类似“钢筋混凝土”对建筑物结构增强作用的层级式强化结构(以下简称“类砼强化结构”)，大大改善了合金的力学性能；这种在晶粒尺度范围内均匀分布的超弹塑性张力结构具有能够有效调动尽可能多的质点共同参与抵抗、分摊和吸收外部冲击动量(动静载荷)的能力，从而微观上具有强大的抗疲劳特性，在宏观上具有高强、高韧、高硬“三高统一”的特征，这种“类砼强化结构”与钢铁材料类的球墨铸铁中只有球状石墨与铁基体两种平行结构、且晶粒度须从15～500μm之间变化以获得强硬度与韧性不可共同提高(一方的提高以降低另一方为前提)的基体特性相比较，显然具有更高的工程应用价值。

根据路易斯酸碱理论，铝熔体是一个富电子高温体系，即属于强的路易斯碱，当过量的铜锰加入以后，由于铜锰的电负性较强，吸聚了较多的电子云，使形成的合金熔体的碱性降低，表面张力增加，不利于临界晶核的产生；加入富电子物质后，平衡了铜锰的酸性效应，原始晶核面临的界面张力降低，因而促进了(T+θH)组合相的主干T相的原始晶核成长为临界晶核，从而决定了(T+θH)组合相在合金中数量和分布密度显著提高。

本文涉及的铝合金材料能很好的综合铝硅系与常规铝铜系材料的力学与铸造性能；该铝合金材料的力学性能达到QT400材料的指标，铸造性能突出，产品成品率高(能使用金属性铸造)。

本文涉及的铝合金材料汽车转向器较球铁材料的转向器具有以下几种优点：

①铝合金材料的汽车转向器具有极好的低温性能，其力学性能随温度降低而提高，在寒冷季节和低温环境中，汽车转向的安全性得到很好的保障，而球铁材料的转向器则随温度降低逐渐发生由韧性向脆性的转变，尤其在脆性转变温度以下，其冲击值急剧下降，甚至发生“低温脆断”，影响汽车的行车安全。

②铝材料转向器比强度高，具有良好的断裂韧性，球铁材料转向器随屈服强度提高而延伸率下降，对应力集中的敏感性明显增加，表现为屈服以后变形量较小即断裂，这种“疲劳脆断”本性往往是在汽车在极限转向时无征兆突然整体崩溃式的潜在硬伤。

④铝材料转向器较球铁材料自身重量减轻约2/3，能耗及维护成本低，尾气排放量更少。

⑤铝材料回收利用价值高且再生性好(工业废铝回收再加工利用的成本只有电解铝的5％)，优于球铁。

⑥铝材料本身的抗氧化腐蚀性远远高于球铁且更适宜于进行高技术表面防腐和装饰一体化处理。

⑦铝材料合金化和热处理工艺较球铁和钢材简单，铝的合金化温度一般低于750℃，热处理温度在150～600℃之间，按作用划分也只有固溶、时效、均匀化退火几种简单工艺，而球铁和钢的合金化温度超过1400℃，热处理温度则在500～1000℃，按作用划分为消应力退火、高温石墨化退火、正火、淬火及回火、多温淬火、表面淬火、化学热处理等一系列复杂工艺，不但过程复杂、装备技术要求高，而且消耗和排放也是铝材料几倍乃至十多倍。

⑧从机械(压力)加工工艺和装备来比较，铝材料可以很容易地采用铸、轧、挤、锻、锯、铣、焊、冲压等工艺，而球铁和钢材不能挤压加工，其它的加工方法也需要采用比铝材料的规格和功率大得多的加工设备和工装，到成品件的制作过程，几乎每一道工序环节球铁和钢材都要消耗比铝材料更高的功率。

⑨沿着零部件应用的整个寿命周期，球铁和钢铁因其惯性大、笨重、易腐蚀、易脆断等缺陷，其物耗、能耗和维护成本远远高于铝材料，其循环利用的价值也远低于铝材料。

具体实施方式

本发明具体实施方式包括2个部分，第一部分为提示和说明，第二部分为具体实施例。

第一部分：提示和说明

一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料的制备方法，包含以下步骤：

(1)在前述路易斯酸碱对、元素比例范围内，选定一组物质组合，确定重量比，根据需要配制的合金总量，推算出所需的每种物料的重量；

(2)往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热并在700℃以上保温；

(3)加入锰Mn、镉Cd、铜Cu，钨W搅拌，加入选定的路易斯酸碱对组合，搅拌均匀；

(4)然后对上述合金熔体进行炉内精炼；

(5)精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的偏差范围内；调温至650℃以上，合金液出炉，在线除气、除渣；

(6)铸造：采用砂型铸造。

所述砂型铸造，步骤如下：

①熔体过滤后可浇注铸造，铸造温度控制可在690～710℃；

②铸造前应将砂模预热到300℃左右，安装上型芯合模，用压缩空气将模具型腔吹干净，防止夹杂物进入合金造成废品；

③采取人工浇注，用浇包从炉内舀取适量合金液从浇口处缓慢倒入，合金液经过浇道直至充满型腔；自然冷却；

④开模取出产品，自然冷却，清理砂芯、锯切冒口、打磨飞边；

⑤外观质量检测。毛坯铸件在进行外观质量检验之前，应清理干净平整，非加工面的浇冒口应清理到铸件表面齐平；

⑥内部质量检测。剖面着色探伤检测或者整体荧光或X光检测；

⑦固溶处理。将铸件完成粗加工和内外质量检测的毛坯送入固溶炉，进行560℃以下的固溶处理，保温后立刻淬火，水冷；

⑧时效强化。将完成固溶处理的铸件送入时效炉进行时效强化处理，时效强化工艺150～230℃，保温后，出炉自然冷却；铸件表面可进行抛丸清理。

⑨取样分析测试验证。从经过热处理以后的铸件上切取试棒，取样部位选在毛坯本体有加工余量的适当位置、铸件本体受载荷均匀或集中的部位，每个取样部位应切取三根试棒；

所述力学性能分析包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度，数值指标为：抗拉强度600±30Mpa、屈服强度550±30Mpa、延伸率5±2％、硬度165±10HBS；

⑩实用性能验证。通过机械加工、表面处理和装配后，进行模拟使用工况的实用性能检测试验，包括选择疲劳试验、磨损试验、逆向超载试验或超压试验。

第二部分：具体实施例

实施例1

一种汽车Z系铝合金转向器及其砂型铸造方法

1、转向器参数：

2、生产流程：制作型砂→烘干→合箱→熔炼→浇注→冷却→开箱取件→清理、锯切→固溶→时效

3、合金配方 重量百分比(％)

4、制型：加工余量0.5～3mm，起模斜度：1～3°，铸造圆角R2～R8；

5、砂型预热温度200～320℃(保温1～3小时)，空冷降至室温后进行浇注；

6、浇注温度：680～720℃，充型时间：10～15s；

7、冷却时间：8～15min；

8、固溶温度520～530℃，保温6小时，快速入水冷却＜10s，水温50～60℃；

9、人工时效温度150-170℃，保温10小时，空冷；

10、铸件微观结构指标：金相组织为等轴晶，平均晶粒度70～80μm，晶粒内(T+θH)组合相数量2～3个/[μm]²；

11、铸件机械性能

实施例2

一种汽车W系铝合金转向器及其砂型铸造方法

1、转向器参数：

2、生产流程：制作型砂→烘干→合箱→熔炼→浇注→冷却→开箱取件→清理、锯切→固溶→时效

3、合金配方 重量百分比(％)

4、制型：加工余量0.5～3mm，起模斜度：1～3°，铸造圆角R2～R8；

5、砂型预热温度200～320℃(保温1～3小时)，空冷降至室温后进行浇注；

6、浇注温度：690～710℃，充型时间：15～20s；

7、冷却时间：20～25min；

8、固溶温度520～530℃，保温6小时，快速入水冷却＜10s，水温50～60℃；

9、人工时效温度150-170℃，保温10小时，空冷；

10、铸件微观结构指标：金相组织为等轴晶，平均晶粒度90μm，晶粒内(T+θH)组合相数量2～3个/[μm]²；

11、铸件机械性能。

实施例3

一种汽车Z系铝合金转向器及其砂型铸造方法

1、转向器参数：

2、生产流程：制作型砂→烘干→合箱→熔炼→浇注→冷却→开箱取件→清理、锯切→固溶→时效

3、合金配方 重量百分比(％)

4、制型：加工余量0.5～3mm，起模斜度：1～3°，铸造圆角R2～R8；

5、砂型预热温度200～320℃(保温1～3小时)，空冷降至室温后进行浇注；

6、浇注温度：680～720℃，充型时间：10～15s；

7、冷却时间：8～15min；

8、固溶温度520～530℃，保温6小时，快速入水冷却＜10s，水温50～60℃；

9、人工时效温度150-170℃，保温10小时，空冷；

10、铸件微观结构指标：金相组织为等轴晶，平均晶粒度70～80μm，晶粒内(T+θH)组合相数量2～3个/[μm]²；

11、铸件机械性能

Claims (5)

1.一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比计：钨W:0.5～0.6%，锰Mn:≤2%，镉Cd:0.05%～0.5%，铜Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%；余量为铝Al；添加剂总量1%×10^-4～2.0%，合金平均晶粒度＜120微米，合金晶粒内亚纳米(T+θH)组合相数量达到≥1个/平方微米；合金晶粒内亚纳米(T+θH)组合相的分子结构式为(Al₂₀Cu₂Mn₃+Al_xCu)；其中x小于2，θH相的厚度为20nm、长为50nm；所述添加剂为金属与配体结合而成的负离子体、金属羰基配合物、氢合物、WN₂中的一种，或者一种以上混合，或过渡族类元素、内过渡类元素中的一种与前述化合物中的一种以上混合；所述的金属与配体结合而成的负离子体包含六氟合铁负离子体[FeF₆]^3－；所述的金属羰基配合物包括十羰合锝Tc₂(CO)₁₀ 。

2.根据权利要求1所述的一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料，其特征在于：合金晶粒为等轴晶。

3.根据权利要求1-2之一所述的一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料，其特征在于：所述添加剂，按元素添加量占Al基体重量百分比，范围为：Re＜0.1%，LiBH₄＜0.08%，GaH₃＜0.03%，WN₂＜0.02%, Tc₂(CO)₁₀ ^－＜0.03%, Sc ＜0.05%，Ru＜0.02%，AsH₃＜0.03%，LaNi₅H₆＜0.06%, [FeF₆]^3－＜0.04%。

4.如权利要求3所述的一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：(1)在前述添加剂、元素比例范围内，选定一组物质组合，确定重量比，根据需要配制的合金总量，推算出所需的每种物料的重量；(2)往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热并在700℃以上保温；(3)加入锰Mn、镉Cd、铜Cu，钨W搅拌，加入选定的添加剂组合，搅拌均匀；(4)然后对上述合金熔体进行炉内精炼；(5)精炼后除渣、静置、取样分析合金化学成分，根据分析结果调整化学成分至规定的偏差范围内；调温至650℃以上，合金液出炉，在线除气、除渣；(6)铸造：采用砂型铸造。

5.根据权利要求4所述的一种替代QT600大功率卡车转向器的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述砂型铸造，步骤如下：①过滤后可浇注铸造；②铸造前应将砂模预热，安装上砂芯，用压缩空气将型腔吹干净；③采取人工浇注，用浇包从炉内舀取合金液倒入砂型模具浇口通过内浇道充满型腔；自然冷却及部分位置强冷；④敲碎砂模取出产品，自然冷却，清理、锯切冒口、打磨飞边；⑤外观质量检测：毛坯铸件在进行外观质量检验之前，应清理干净平整，非加工面的浇冒口应清理到铸件表面齐平；⑥内部质量检测；⑦固溶处理：将铸件完成粗加工和内外质量检测的毛坯送入固溶炉，进行560℃以下固溶处理，保温完成后立刻淬火，使用水冷；⑧时效强化：将完成固溶处理的铸件送入时效炉进行时效强化处理，在230℃以下时效强化，保温后，出炉自然冷却； ⑨取样分析测试验证；⑩实用性能验证。