CN106119639A - 一种替代qt500传动轴的铝合金材料及其挤压成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种替代QT500传动轴的铝合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比计：锰Mn:≤2%，镉Cd:0.05%～0.5%，铜Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%，镁Mg：1.5～2%；路易斯酸碱对总量1%×10^‑4～2.0%，使合金平均晶粒度＜120微米，余量为铝Al。

Description

一种替代QT500传动轴的铝合金材料及其挤压成型方法

技术领域

本发明涉及一种替代QT500传动轴的铝合金材料及其制备方法。

背景技术

球墨铸铁（简称球铁）被广泛用于制造传动箱体、泵壳、缸体、活塞、轮毂、传动件、转向件等强度高耐磨性好的零件；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。见表1。

表1 GB/T 1348确定的球墨铸铁牌号对应的力学性能及组织

球铁的机械性能指标及其分类，可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。实现以轻强结构替代重强结构。

从自然特性和经验积累的角度来看，铝合金较球铁具有多种优点：

①铝材料具有极好的低温性能，在低温环境作为结构材料具有独特优势，而球铁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，其耐冲击急剧下降，甚至发生“低温脆断”。

②铝合金比强度高，具有良好的断裂韧性（衡量金属材料对裂纹突然扩张的抗力），而球铁对应力集中敏感性强，会造成突然断裂。

③由于铝及铝合金是非磁性材料故抗电磁干扰性能好，而球铁在生物生存的温度范围内都是良好的磁性材料，容易受电磁干扰。

④铝合金本身的抗腐蚀性远远高于钢铁且更适宜于进行高技术表面防腐和装饰一体化处理。

⑤铝合金对水的润湿性远远低于钢铁，因而低温雨雪天气铝表面不会象钢铁表面那样容易发生冻雨冰附增重现象。

⑥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，而球铁合金化温度超过1400℃，热处理温度则在500～1000℃，消耗和排放是铝材料几倍乃至十多倍。

⑦从加工工艺来比较，铝材料可以很容易地获得复杂形状或断面的零件，而用球铁加工这种复杂的零件需要更多的工序和装备会消耗比铝材料更高的功率。

⑧铝合金比球铁惯性小，在启停频繁的装备上更具优势。

前述这些钢材欠缺而铝材料独具的优异品质，为“以铝代钢”的显著进步性提供了人类社会文明进步追求的现实基础。

在“以铝代钢”的技术升级中，为了充分发挥铝合金以“轻”为代表的优越特性，必须使其在“强”的方面有长足发展，才能大大拓展其使用领域。这就要求必须在铝合金新材料设计上首先取得突破。

从材料制备的方法审视，材料特性由功能性微观物相组合得到，需要获得良好的功能性物相组合，例如高强度、高塑性、高硬度、耐腐蚀等，是各种制备方法追求的最终结果，因此铝合金的化学成分设计与其制备技术存在紧密的内在统一性，是一种原子如何结合成所需的“物相分子”的关系。铝合金各配方元素通过熔炼混合是形成材料物相分子组合结构的主要决定性环节，凝固过程后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。

在工程应用上，铝合金晶粒大小和形状及晶界上金属化合物的大小形状，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，目前常规变质手段和细化晶粒的手段，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，这是合金力学性能进一步提高的重要瓶颈问题。为使铝合金获得强度和韧性同时提高，只有进行晶粒的细化和圆整化，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。

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，合金的强度体现于界面或位错滑移受到质点的阻碍，阻碍越强强度越大，绕过质点留下位错环而继续滑移的阻碍最强。对于铝铜锰系(Al-Cu-Mn)合金，GP区的Al-Cu二元相是合金主要强化因素，随着θ＂、θ＇或者其它盘片状的二元Al-Cu亚稳相长大，当盘片大到一定程度(直径超过150nm而厚度只有1～3nm)，发挥最大阻碍位错滑移能力，对基体的延伸率保持较大的贡献。

如前所述，传统用球铁（QT500）制作的传动轴，在实际制造、使用过程中存在以下缺陷：

①因球铁延伸率较低，对应力集中的敏感性明显增加，表现为屈服以后变形

量较小易断裂，造成事故。

②球铁热处理工艺过程复杂、装备技术要求高，而且消耗和排放也很大。

③沿着零部件应用的整个寿命周期，球铁因其惯性大、笨重、易腐蚀、易脆断等缺陷，其物耗、能耗和维护成本很高于，其循环利用的价值较低。

铝合金传动轴在国内未见相关研究，因为普通铝合金基础材料的局限性，其力学性能较低，尤其是高温耐热性能，承受的温度小于300℃，严重影响寿命，甚至增加了安全风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种替代QT500传动轴的铝合金材料及其制备方法，其中添加路易斯酸碱对，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500MPa及更高的强度等级，从而达到生产替代QT500传动轴的铝合金制品。

本发明的技术方案是：一种替代QT500传动轴的铝合金材料，主成分含量按重量百分比计：锰Mn:≤2%，镉Cd:0.05%～0.5%，铜Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%，镁Mg：1.5～2%；路易斯酸碱对总量1%×10^-4～2.0%，使合金平均晶粒度＜120微米，余量为铝Al。

合金晶粒为等轴晶。

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卤合物、过渡族类元素中的一种或一种以上混合。

所述的金属卤合物：包括四氯合钴负离子体[CoCl₄]^2－。

所述的过渡族类元素，包括钛Ti。

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：0.4%＜Si＜1.6%，Ti＜0.1%， W＜0.1%，[CoCl₄]^2－＜0.1%。

一种替代QT500传动轴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，镁Mg搅拌，加入选定的路易斯酸碱对，或者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)热顶铸造：合金液铸造成圆棒；

(7)挤压成型：圆棒经挤压成轴。

所述热顶铸造，步骤如下：

(1)将溜槽和分流盘预热到合适温度；

(2)熔体从保温炉经溜槽转入分流盘；

(3)开启冷却水，启动铸机，引锭头向下移动；

(4)调整铸造速度80-140 mm/min，引锭头沿着竖井向下移动，熔体通过溜槽和分流盘流入结晶器并凝固成型；

(5)铸造完成后停止铸机，关闭冷却水；

(6)翻起分流盘吊出铝棒，并入炉均质。

所述挤压成型，步骤如下

(1)将模具和挤压工具预热到合适温度；

(2)加热铝棒≥400℃，并放入挤压筒内；

(3)通过压力把铝棒从模具挤出后冷却；

(4)外观质量检测：尺寸、裂纹

(5)固溶处理：将挤压件送入固溶炉，进行550℃以下固溶处理，保温完成后立刻入水淬火；

(6)时效强化：将完成固溶处理的制品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；

(7)取样分析测试验证；

(8)实用性能验证。

本发明的有益效果：通过运用路易斯酸碱理论，使路易斯酸碱对在铝合金熔体环境发生解体和转化，以提供熔体超精细微区内(0.1nm～10nm尺度范围)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，形状更加圆整；同时优化微细区域(微米级:尺度1～30μm左右)和精微区域(亚纳米级或次微米级质点:尺度10nm～＜1μm)的物相分子组合结构，增加(T+θH)组合相在合金基体中的含量，使铝合金基体强度获得大的提升，在屈服强度在400～600MPa之间得到良好控制，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。

正离子体和负离子体作为路易斯“酸碱对”，在铝合金熔体的高温环境中发生分解，生成路易斯酸和路易斯碱，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，造成熔体超精微区内原子能量起伏、结构起伏和浓度起伏，促使邻近的更多原子跨越结晶势垒，形成大量临界晶核，优于普通变质剂如铝钛硼的作用；同时正、负离子体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扩散速度，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，可防止钛Ti和稀土相的粗化；④配体气泡发生次生反应后，经过一系列变化净化气体排出熔体或进入熔渣，其净化作用比常规的气体净化方式效果更好。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。

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，根据电负性大小， 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。

铝合金熔体整体作为一个高温富电子体系，对于电负性高于它的金属元素，是给电子体，而对于电负性低于它的活泼金属元素，又是电子受体，可见铝合金熔体也具有路易斯酸碱的一般共性，它本身与添加到它之中的元素，也会形成广义的“路易斯酸碱对”，因此，可以把调整熔体化学活性的各种元素，统一视为铝合金的“路易斯酸”或“路易斯碱”，当使用本发明给出的过渡族类元素如Fe、内过渡类元素如Ce时，为了简化描述，同时也为了突出对铝合金熔体的优化作用，把单个元素也简称为“路易斯酸碱对”。

对铝合金熔体来说，金属的卤合物如[CoCl₄]^2-，其原子间以共价键结合，有路易斯酸碱对的特征，这些在标准状态下十分稳定且耐热性特别好的物质，当以纳米态粉末分散地吹送入熔体之后，由于高温、富电子和非常大的比表面积，产生的界面能足以引起物质分子发生极化变形乃至歧化分解，也会在纳米范围引起扰动和激活效应，也可以归于“路易斯酸碱对”。

综上，本发明所述路易斯酸碱对，可以表现为多种形态，包括金属与配体结合而成的正负离子体、金属卤合物、过渡族类元素、内过渡类元素中的一种或多种混合。

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。

本发明基于对合金微观结构极高分辨率的衬度图像和精微选区结构分析，发现了晶内存在着次微米级的(T+θH)棒叉状组合相的超精细结构。与Al-Cu各二元相比较，(T+θH)组合相有许多优点，包括：质点粒度大，抗位错滑移面大；主干部分T是高硬高稳定化合物聚合而成的棒状孪晶，能够以位错绕过方式为合金提供强度支撑；其次生θH附着相在主干上斜向或垂直于T棒轴方向而向周围基体生长同时又与基体共格，增强了主干对周围晶格点阵的收紧能力，或者换句话说，T棒轴通过附着其上向周围生长的θH次生相，把收紧作用向周围的基体空间传递和扩散，这种作用在次微米区域内对基体产生了类似建筑结构中钢筋网格在混凝土中的强化作用(可称为“类砼强化结构”)，使基体强度大大提高。这种作用，如果从单体比较，是基体中薄片状Al-Cu亚稳相(GP区、θ＂、θ＇或者其它盘片相)或者其组合都远不能相比的；但是，在常见的铝铜锰系(Al-Cu-Mn)合金中，由于各二元Al-Cu亚稳相在基体内部的分布密度远远高于(T+θH)组合相的分布密度，致使(T+θH)组合相的作用被掩盖而一直没有被发现。

(T+θH)组合相优化了铝铜锰系(Al-Cu-Mn)合金的物相分子组合结构，为基体提供了高硬质点T相的绕过强化效应和高于游离态Al-Cu亚稳相组合的切过强化效应两种作用；所以必须把材料设计关注的重点从传统单纯对Al-Cu亚稳相组合转移出来，而集中在对(T+θH)组合相的催生效果上。

本发明配方设计作为主要技术手段之一，是使合金的晶态组合实现平均晶粒度＜120微米的等轴晶前提下，还可实现合金晶粒内部(T+θH)组合相数量在1个/[μm]²以上。因此主成分设计为按重量百分比：锰Mn:≤2%，镉Cd:0.05%～0.5%，铜Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%，镁Mg：1.5～2%；路易斯酸碱对总量1%×10^-4～2.0%，使合金平均晶粒度＜120微米，余量为铝Al，增加镁可使θ＂、θ＇相扩散弥散均匀，提高沉淀强化的效果，提高基体的韧性和耐腐蚀性，尤其降低传动轴应力腐蚀开裂增强高速旋转的安全可靠性能。

通过DSC差示扫描量热分析法得到的结果可知，铝铜锰系(Al-Cu-Mn)合金的化学热效应发生的温度范围高低限之差有100℃，在Al-Cu二元各相中，平衡态的Al₂Cu(θ)相共晶的熔点最高为548℃，在DSC曲线上处于开始发生热效应的温度位置，当温度在648.5℃时热效应最大，温度更高之后就没有了化学热效应。这种情况的合理推断是与基体共格的(T+θH)组合相发生熔化(基体同时熔化)而造成的吸热现象。

(T+θH)组合相的主干T相大大提高了合金的耐热性和热强度；而(T+θH)组合相数量和分布密度的提高，则同时提升了合金的强度、硬度和延伸率。

根据金属凝固理论，从宏观角度看，临界晶核的大量形成需要给熔体中处于游离态的原子向晶格点阵有序态的“跳跃”降低势能门槛，而这种低门槛来自于两个条件：一是降低液态金属的表面张力使原始晶核容易扩散和容易吸收周围游离态的原子，一种形式就是创造尽可能多的稳态异质结晶核心。

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。

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

合金熔体准备的步骤：

(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，编制合金生产配料表，并按配料表选足各种备料；

(2)往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，加热使之完全融化并在700℃以上保温；为防止熔体吸入过多的空气，熔化过程应尽可能在短时间内和封闭环境内完成；

(3)按配方比例加入锰Mn、镉Cd、铜Cu、镁Mg，搅拌均匀后，加入选定的路易斯酸碱对，或者加入选定的路易斯酸碱对组合，搅拌均匀；

所述路易斯酸碱对或者组合如果呈固体块状，可直接加入熔体或者以按压辅助方式加入熔体；

所述路易斯酸碱对或者组合如果呈固体丝线状，可以在线自动送丝方式，在铸造时连续加入，或者切成合适小段，在每次铸造前加入浇包或舀瓢；

所述路易斯酸碱对，活泼金属元素选择以保护形态加入熔体，高熔点难溶金属元素选择配合物形态，易溶重金属选择单质状态；

所述路易斯酸碱对或者组合，化合物或配合物选择预先制成固体粉末形态；

所述路易斯酸碱对或者组合，选择于合金主元素熔炼完成后加入熔体，或者在熔体精炼时加入熔体，或者在精炼净化后加入熔体，或者在铸造成形之前再加入熔体；

(4)然后对上述合金熔体进行炉内精炼，所述精炼选择在封闭环境中操作，所述封闭环境选择以抽风方式连续排除精炼产生的废气；

(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；

所述调整化学成分选择以加入路易斯酸碱对或者组合的方式进行调整；

调温至650℃以上，合金液出炉，在线除气、除渣；

所述除气可以选择石墨管空心转子搅动吹入净化气体；

所述净化气体可以选择氮气、氩气、氯气或者它们的混合物；

所述除渣可以选择表面除去浮渣或者选择过滤法除去熔体内粗大质点或者熔体底部的沉渣；

所述过滤法可以选择陶瓷过滤板或者玻璃纤维或者滤布作为过滤介质；

所述过滤可以进行单级过滤或者双级过滤或者多级过滤；

所述粗大质点可以是颗粒度不小于10微米的质点；

(6)热顶铸造：圆棒铸造是指合金液注入结晶器内连续结晶凝固；

所述结晶器是铸造固定形状金属模；

铸件可以肉眼或用低倍放大镜或其它试验方法检验外观质量，所述铸件外观质量是指包括表面粗糙度、表面缺陷或尺寸精度；允许铸件有分型、顶杆及排气塞等痕迹，允许有挤压加工可消除的缺陷，不许裂纹；

制品挤压成型步骤：

(1)将模具和挤压筒预热到合适温度≥400℃；

(2)加热铝棒≥400℃，并放入挤压筒内；

所述预热需要专用的加热装置，需要有保温；

(3)通过压力把铝棒从模具挤出后冷却；

所述挤压需要专用的机械装备，压力大于800吨；

(4)外观质量检测：尺寸、裂纹；

(5)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；

所述剖面着色探伤检测，可每炉批的制品随机抽查一件或数件进行解剖，检查制品主要热节部位或壁厚较大部位的内部质量；

所述剖面，可锯开最易产生气孔、砂眼的铸造部位如壳体安装脚、阀体安装孔、侧盖安装孔或主缸尾部等的厚大部位，用着色剂检测，目测是否有气孔、砂眼等缺陷；

所述X光检测是制品经X光透射以检测其内部冶金质量，观察有无针孔、气孔、缩孔、疏松、缩松、偏析、粗大相颗粒、夹杂、夹渣、冷隔、冷豆或裂纹；

(5)固溶处理：将挤压件送入固溶炉，进行550℃以下固溶处理，保温完成后立刻入水淬火；

(7)时效强化：将完成固溶处理的制品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；

(8)取样分析测试验证：从经过热处理以后的制品上切取试棒，取样部位选在毛坯本体有加工余量的适当位置、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；

可对样品进行力学性能测试分析、金相分析、二次密度法固溶及时效程度检测或深层次的微观结构分析；

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500±50Mpa、屈服强度450±50Mpa、延伸率5±2%、硬度140±10HBS；

所述金相分析包括晶粒形貌、晶粒度、粗大脆性相或显著缺陷，晶粒形貌应该为等轴晶，晶粒度平均≤120μm，粗大脆性相颗粒度≤25μm，不存在超过15μm的孔洞或晶界无析出带显著缺陷；

所述二次密度法检测固溶及时效程度完成率不小于80%；

（11）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

1.一种替代QT500的铝合金传动轴材料组分重量百分比为：Mn:0.6%，Cd:0.08%，Cu:6.5%，Si：1.5%，Mg：1.6%，Ti：0.01%，W：0.07%，[CoCl₄]^2-：0.02%，余量为铝Al；

2、制备方法：熔体→热顶铸造→圆棒均质→挤压→固溶→矫正→时效

(1)熔体温度≥730℃；

(2)溜槽预热温度≥750℃；

(3)热顶铸造温度≥700℃；

(4)铸造速度80-140 mm/min；

(5)均质温度≥510℃，保温≥1小时；

(6)挤压模具预热温度≥500℃；

(7)挤压筒预热温度≥420℃，铝棒加热温度≥500℃；

(8)热处理状态：T8－固溶后冷加工再人工时效；

3、制品微观结构指标：金相组织为等轴晶，平均晶粒度105μm，晶粒内(T+θH)组合相数量10个/[μm]²；

4、制品机械性能：:抗拉强度560Mpa，屈服强度470 Mpa，断后延伸率10%，布氏硬度145。

实施例2

1.一种替代QT500的铝合金传动轴材料组分重量百分比为：Mn:0.65%，Cd:0.08%，Cu:6.8%，Si：1.4%，Mg:1.8%，Ti：0.01%，W：0.08%，[CoCl₄]^2-：0.03%，余量为铝Al；

2、制备方法：同实施例1；

3、制品微观结构指标：金相组织为等轴晶，平均晶粒度100μm，晶粒内(T+θH)组合相数量9个/[μm]²；

4、制品机械性能：:抗拉强度545Mpa，屈服强度400Mpa，断后延伸率8%，布氏硬度140。

实施例3

1.一种替代QT500的铝合金传动轴材料组分重量百分比为：Mn:0.65%，Cd:0.08%，Cu:5.8%，Mg:2.0%，[CoCl₄]^2-：0.05%，余量为铝Al；

2、制备方法：同实施例1；

3、制品微观结构指标：金相组织为等轴晶，平均晶粒度100μm，晶粒内(T+θH)组合相数量7个/[μm]²；

4、制品机械性能：:抗拉强度525Mpa，屈服强度380Mpa，断后延伸率8%，布氏硬度135。

Claims (10)

1.一种替代QT500传动轴的铝合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比计：锰Mn:≤2%，镉Cd:0.05%～0.5%，铜Cu:4.2%～8.0%且Cu≥0.8Mn+4.05%，镁Mg：1.5～2%；路易斯酸碱对总量1%×10^-4～2.0%，使合金平均晶粒度＜120微米，余量为铝Al。

2.根据权利要求1所述的一种替代QT500传动轴的铝合金材料，其特征在于：合金晶粒为等轴晶。

3.根据权利要求1所述的一种替代QT500传动轴的铝合金材料，其特征在于：合金晶粒内亚纳米(T+θH)组合相数量达到≥1个/平方微米。

4.根据权利要求1所述的一种替代QT500传动轴的铝合金材料，其特征在于：所述路易斯酸碱对为金属卤合物、过渡族类元素中的一种或一种以上混合。

5.根据权利要求4所述的一种替代QT500传动轴的铝合金材料，其特征在于：所述的金属卤合物：包括四氯合钴负离子体[CoCl₄]^2－。

6.根据权利要求4所述的一种替代QT500传动轴的铝合金材料，其特征在于：所述的过渡族类元素，包括钛Ti。

7.根据权利要求1-6之一所述的一种替代QT500传动轴的铝合金材料，其特征在于：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：0.4%＜Si＜1.6%，Ti＜0.1%，W＜0.1%，[CoCl₄]^2－＜0.1%。

8.如权利要求7所述的一种替代QT500传动轴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，镁Mg搅拌，加入选定的路易斯酸碱对，或者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)热顶铸造：合金液铸造成圆棒；

(7)挤压成型：圆棒经挤压成轴。

9.根据权利要求8所述的一种替代QT500传动轴的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述热顶铸造，步骤如下：

(1)将溜槽和分流盘预热到合适温度；

(2)熔体从保温炉经溜槽转入分流盘；

(3)开启冷却水，启动铸机，引锭头向下移动；

(4)调整铸造速度80-140 mm/min，引锭头沿着竖井向下移动，熔体通过溜槽和分流盘流入结晶器并凝固成型；

(5)铸造完成后停止铸机，关闭冷却水；

(6)翻起分流盘吊出铝棒，并入炉均质。

10.根据权利要求8所述的一种替代QT500传动轴的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述挤压成型，步骤如下

(1)将模具和挤压工具预热到合适温度；

(2)加热铝棒≥400℃，并放入挤压筒内；

(3)通过压力把铝棒从模具挤出后冷却；

(4)外观质量检测：尺寸、裂纹

(5)固溶处理：将挤压件送入固溶炉，进行550℃以下固溶处理，保温完成后立刻入水淬火；

(6)时效强化：将完成固溶处理的制品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；

(7)取样分析测试验证；

(8)实用性能验证。