CN106086549A - 一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料；所述铸造材料，原料包括铝镁合金、铝锰合金、稀土合金、铝钛硼；所述铝锰合金，为铝镁合金总质量的0.3～0.6‰；所述稀土合金，为铝镁合金总质量的0.1～0.4‰；所述铝钛硼，为铝镁合金总质量的0.8‑1.2‰。本发明还提供一种稀土铝镁合金轮胎模具的制备方法，选取合理的低压铸造工艺参数制备出来的轮胎模具有效地提高了硬度和机械加工性能、力学性能，最终制备出高端子午线轮胎活络模具的曲面各项指标要求，同时延长了模具使用最佳状态的寿命，是低压精密铸造轮胎模具花纹块材料及制备方法又一次历史性推动和进步。

Description

一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及稀土铝镁合金铸造材料领域的制备方法，具体涉及一种轮胎活络模稀土铝镁合金花纹块低压铸造材料及制作方法。

背景技术

在当今世界汽车产业的不断发展为轮胎产业提供了巨大的市场，子午线轮胎顺其自然的成为衡量一个国家汽车轮胎工业技术现代化水平的标准。同时对轮胎模具的需求也在不断提高。轮胎模具产业的不断进步促进了轮胎模具工艺的快速发展，并有了很大的进步。目前，三大工艺方法为铝合金精密铸造、电火花加工以及高速铣削。

其中铝合金精密铸造工艺技术已经日益成熟，该工艺适合轮胎模具批量化生产，其加工过程中模具上的钢片比其他工艺更牢固，综合经济效益更好。目前铝合金花纹块低压铸造材料主要有两大类：铝硅类合金和铝镁类合金，其中铝镁类合金铸造的花纹块机械性能等参数更优。

但是现在国内的铝镁类合金铸造的花纹块铸造质量不稳定，主要体现在铸造表面氧化物、缩松、气孔等铸造的质量问题难以控制，关键还有材料的强度和硬度等机械性能和力学性能更难提高，需要反复人工修整、焊补等，大大降低了高端子午线轮胎活络模具的曲面各项指标要求，提高了成本，而且最佳使用时期的寿命太短，这是世界公认的难题；由于高镁合金的特性决定，普通铝镁类合金（例如：ZL302，AC7A，A514.2等各国牌号）铸造的轮胎模具的相关机械性能和力学性能基本范围在：硬度达58HB，抗拉强度达180MPa，屈服强度达78MPa，延伸率达11%，铝模表面光洁及整个胎面精度因材料所限，短时间内就会失去精度（因为轮胎模具在使用过程中要进行干冰清理或喷砂处理，模具损耗很大）。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料及其制备方法，在现有的铝镁合金中添加稀土金属来改善合金中凝固的梯度、结晶组织的枝晶的生长速度以及相关元素的偏析，从而影响铝镁合金力学性能等进行深度的研究与实验，以实现以下发明目的：

（1）本发明制备的模具，力学性能好，硬度为≥67HB，抗拉强度为≥210MPa，屈服强度为≥95MPa，延伸率为≥14.8%，铝模表面光洁，整个胎面加工精度达到：0.01～0.03mm，组装后模具整体圆跳动小于0.06mm；

（2）本发明制备的模具，铸造表面氧化物减少达60%以上；气孔减少达80%以上；模具使用寿命提高达20%以上；

（3）本发明所述轮胎模具，缩短轮胎的硫化时间，提高生产效率，减低成本，节约能源，生产出来的轮胎稳定性、噪音性、整体的寿命性能指标优良；

（4）本发明所述轮胎模具，使轮胎硫化中相对的配合尺寸更加稳定，整套模具的运动开合更加顺畅，满足轮胎花纹更加复杂的模具需求。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料，所述铸造材料，原料包括铝镁合金铝锰合金、稀土合金、铝钛硼。

以下是对上述技术方案的进一步改进：

所述铝锰合金，为铝镁合金总质量的0.3～0.6‰；

所述铝锰合金，优选为铝镁合金总质量的0.45～0.55‰；

所述铝锰合金，优选为铝镁合金总质量的0.5‰；

所述稀土合金，为铝镁合金总质量的0.1～0.4‰。

所述稀土合金，为铝镁合金总质量的0.25～0.35‰。

所述稀土合金，为铝镁合金总质量的0.3‰。

所述铝钛硼，为铝镁合金总质量的0.8-1.2‰；

所述铝钛硼，优选为铝镁合金总质量的1.0‰；

所述铸造材料，原料还包括覆盖剂；

所述覆盖剂，为铝镁合金总质量的1.1-1.5‰；

所述覆盖剂，优选为铝镁合金总质量的1.3‰；

一种稀土铝镁合金轮胎模具的制备方法，包括精炼除气，所述精炼除气，铝镁合金液体温度控制在780～800℃，搅拌时间为20～35分钟，取样测量密度当量为2.68g/cm³以上为合格。

所述方法，还包括铝镁合金液体静置；所述铝镁合金液体静置，静置时间为60-130min。

所述静置时间优选为80-110min；

所述静置时间优选为85-100min；

所述静置时间优选为90min；

所述方法，还包括充型后冷却；所述充型后冷却，风量为55-75m³/min。

所述充型后冷却，第一阶段充型速度为0.81-1.41Kpa/s；第二阶段充型速度为0.45-1.05Kpa/s。

所述充型后冷却，第三阶段补压时间为94.5-96.5s；第四阶段补压时间为102-114s。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明制备的模具，力学性能好，硬度为≥67HB，抗拉强度为≥210MPa，屈服强度为≥95MPa，延伸率为≥14.8%，铝模表面光洁，整个胎面加工精度达到：0.01～0.03mm，精度保持时间长，组装后模具整体圆跳动小于0.06mm；

（2）本发明制备的模具，铸造表面氧化物减少60%以上；气孔减少80%以上；模具使用寿命提高20%以上；

（3）本发明所述轮胎模具，能缩短轮胎的实际硫化时间，提高生产效率，减低成本，节约能源，使生产出来的轮胎稳定性、噪音性、整体的寿命等等性能得以保证；

（4）本发明所述轮胎模具，使轮胎硫化中相对的配合尺寸更加稳定，铝材力学性能的提高恰恰又使整套模具的运动开合更加顺畅，还能满足轮胎花纹更加复杂的模具需求。

具体实施方式

以下通过具体实施例说明本发明，但本发明并不仅仅限定于这些实施例。

对比实施例1 一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料

所述铸造材料，包括以下原料组分：

铝镁合金 200kg、铝锰合金20g、稀土合金10g、铝钛硼200g、打渣剂（覆盖剂）260g；

所述铝镁合金、铝钛硼、铝锰合金、稀土合金的化学组成见表1-4；

所述覆盖剂，型号为福士科铸造材料（Foseco）GR6512。

表1 铝镁合金化学成分（质量分数,%）

表2铝钛硼化学组成（主要配比元素质量百分比）

表3铝锰合金化学组成（质量百分比）

表4稀土合金化学组成（质量百分比）

实施例2 一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料

原料的化学组成同对比实施例1，只改变各原料的配比，改变为：

所述模具铸造材料，包括以下原料组成：

铝镁合金 200kg、铝锰合金50g、稀土合金30g、铝钛硼200g、打渣剂（覆盖剂）260g。

实施例3 一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料

原料的化学组成同对比实施例1，只改变各原料的配比，改变为：

所述模具铸造材料，包括以下原料组成：

铝镁合金 200kg、铝锰合金100g、稀土合金60g、铝钛硼200g、打渣剂（覆盖剂）260g。

实施例4 一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料

原料的化学组成同对比实施例1，只改变各原料的配比，改变为：

所述模具铸造材料，包括以下原料组成：

铝镁合金 200kg、铝锰合金150g、稀土合金100g、铝钛硼200g、打渣剂（覆盖剂）260g。

实施例5 一种稀土铝镁合金轮胎模具的制备方法

包括以下步骤：

（1）铸造工装的准备

铸造工装与铝镁合金液体接触的部位全部采用专用涂料喷涂，这里重点强调的是铸造腔内的金属模部分的涂料喷涂厚度以及涂层的结构，在铸造工装的上中下部分喷涂涂层，上部涂层厚度工艺要求为60～90μm，中部涂层厚度工艺要求为120～160μm，下部涂层厚度工艺要求为100～140μm；其余辅助工具涂层没有具体要求，涂层的目的是避免铸造工装直接与铝镁合金液体接触，防止被铝镁合金液体侵蚀混入铝镁合金液体中改变铝镁合金液体的成分精度。

（2）相关铸造原材料的称量

按照配方比例称量稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料的各原料组分。

（3）熔化铝镁合金原材料

使用电阻熔解炉对铝镁合金原材料进行熔化时，要在铝镁合金液体上方加覆盖剂来降低氧化面的加剧和氢气的侵入；同时在铝镁合金液体的上方通入惰性气体（通常使用氮气或氩气）加以氛围保护。

（4）精炼除气

精炼除气过程，利用纯度为99.99%高纯度氩气通入铝镁合金液体中，按照先后顺序添加：加入铝锰合金（AL-Mn₅）；再加入稀土合金；最后加入铝钛硼（ALTi₅B₁）；铝镁合金液体温度控制在780～800℃（可根据充型铝量适当调整），搅拌时间为20～35分钟，取样测量密度当量为2.68g/cm³以上为合格，可延长搅拌时间或进行二次处理，直至密度当量合格。

（5）铝镁合金液体静置

由于铝钛硼和稀土合金在铝镁合金液体中有自然衰退的时间，根据实验及经验，总结分析出合理的静置时间为60-130min，优选80-110min，优选85-100min，优选90min。

（6）充型后冷却

利用较为安全的压缩空气进行风冷，风量为55-75m³/min；冷却环节很重要，不容忽视的，冷却的质量与速度将直接关系到铸件的结晶组织，冷却效果越好结晶组织越紧密，铸件的表面品质和机械性能就会更好。

模具充型压力曲线：以铝量总量420Kg为例：设计充型的压力曲线分为四个阶段：分别为下金属型和上金属型充型以及两次补压，共计四个阶段。

第一阶段充型压力升至17.7Kpa，充型时间16s，充型速度1.11Kpa/s；第二阶段（充型压力升至37.9Kpa，充型时间达66.5s，充型速度0.75Kpa/s；第三阶段的压力升至57.1Kpa，补压时间为90.5s；第四阶段压力升至73.1Kpa，补压时间为108s。

补压结束后，保压的压力会持续保持为73.1Kpa，持续时间为3200s，等待铝镁合金液体凝固，且确保凝固过程中的补缩，得到轮胎模具。

使用本发明稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料铸造出来的高端轮胎精密模具的力学性能见表5。

表5 本发明稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料铸造的高端轮胎精密模具的力学性能

实施例3是优选实施例。

使用本发明稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料铸造出来的高端轮胎精密模具，铝模表面光洁，整个胎面加工精度达到：0.01～0.03mm，精度保持时间长；组装后模具整体圆跳动小于0.06mm。

通过本发明的配方有效的改善了精炼、GBF除气处理后的铝镁合金液体质量和铸造品质，提高了高端子午线轮胎活络模具的曲面各项指标要求，使轮胎硫化中相对的配合尺寸更加稳定，铝材力学性能的提高恰恰又使整套模具的运动开合更加顺畅，还能满足轮胎花纹更加复杂的模具需求，并能适当的缩短轮胎的实际硫化时间，提高生产效率，减低成本，节约能源。使生产出来的轮胎稳定性、噪音性、整体的寿命等等性能得以保证。

本发明的相关理论根据：

1、稀土的除氧化夹杂作用，铝合金铸造件中主要氧化夹杂物就是Al₂O₃，从热力学上讲，在标准状态下稀土元素均能将Al₂O₃中的Al还原出来，使Al₂O₃夹杂物明显降低。

2、稀土的净化与除气作用，它能明显的减少铝镁合金液体中的含氢量，与氢有很大的亲和力，能大量吸附和熔解氢，稀土与氢生成的化合物熔点较高，不会聚集成气泡，有效的来降低铸件的针孔率和孔隙度，最后稀土与氮生成较为难熔化合物，在熔炼过程中大部分以渣的形式排除。

3、稀土对铝合金的组织性能的作用，其中有变质的作用、晶粒细化作用、共晶体变质作用、改善合金中有害元素铁的作用。

除非特殊说明，本发明所述比例，均为质量比例，所述百分比，均为质量百分比。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料，其特征在于：所述铸造材料，原料包括铝镁合金、铝锰合金、稀土合金、铝钛硼。

2.根据权利要求1所述的一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料，其特征在于：所述铝锰合金，为铝镁合金总质量的0.3～0.6‰。

3.根据权利要求1所述的一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料，其特征在于：所述稀土合金，为铝镁合金总质量的0.1～0.4‰。

4.根据权利要求1所述的一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料，其特征在于：所述铝钛硼，为铝镁合金总质量的0.8-1.2‰。

5.根据权利要求1所述的一种稀土铝镁合金轮胎模具铸造材料，其特征在于：所述铸造材料，原料还包括覆盖剂；所述覆盖剂，为铝镁合金总质量的1.1-1.5‰。

6.一种稀土铝镁合金轮胎模具的制备方法，其特征在于：包括精炼除气，所述精炼除气，铝镁合金液体温度控制在780～800℃，搅拌时间为20～35分钟，取样测量密度当量为2.68g/cm³以上为合格。

7.根据权利要求6所述的一种稀土铝镁合金轮胎模具的制备方法，其特征在于：还包括铝镁合金液体静置；所述铝镁合金液体静置，静置时间为60-130min。

8.根据权利要求6所述的一种稀土铝镁合金轮胎模具的制备方法，其特征在于：还包括充型后冷却；所述充型后冷却，风量为55-75m³/min。

9.根据权利要求8所述的一种稀土铝镁合金轮胎模具的制备方法，其特征在于：所述充型后冷却，第一阶段充型充型速度为0.81-1.41Kpa/s；第二阶段充型速度为0.45-1.05Kpa/s。

10.根据权利要求8所述的一种稀土铝镁合金轮胎模具的制备方法，其特征在于：所述充型后冷却，第三阶段补压时间为94.5-96.5s；第四阶段补压时间为102-114s。