CN106319305A - 6061材料商用车铝合金轴头液态模锻工艺法 - Google Patents

6061材料商用车铝合金轴头液态模锻工艺法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种6061材料商用车铝合金轴头液态模锻工艺法,主要包括如下步骤:合金成分优化—熔炼—熔体净化—液态模锻成型—脱模、修边、出孔—热处理强化—机械加工—表面处理。本发明首先通过优化6061合金中各元素的成分,再配合添加适量的稀土元素Gd、Sm,以及元素Hf,再结合液态模锻工艺制备出车用轴头,通过优化合金的化学成分和熔体净化技术,改善了合金的金相结构,极大的消除了产品中的缩孔、疏松、气孔、裂纹等内部缺陷。轴头产品外观质量明显改善,内部缺陷明显减少,生产效率高,流程短,工艺成本低、节能、环境污染少,经济效益和社会效益明显。

Description

6061材料商用车铝合金轴头液态模锻工艺法
技术领域
[0001] 本发明属于液态模锻领域,具体涉及一种6061材料商用车铝合金轴头液态模锻工 艺法。
背景技术
[0002] 轴头是汽车上最重要的安全零件之一,轴头承受着汽车和载物质量作用的压力, 受到车辆在起动、制动时动态扭矩的作用,还承受汽车在行驶过程中转弯、凹凸路面、路面 障碍物冲击等来自不同凡响动态载荷产生的不规则交变受力。轴头的质量和可靠性不但关 系到车辆和车上人员物资的安全性,还影响到车辆在行驶中的平稳性、操纵性、舒适性等性 能,这就要求轴头动平衡好、疲劳强度高、有好的刚度和弹性、尺寸和形状精度高、质量轻 等,铝轴头以其良好的综合性能满足了上述要求,在安全性、舒适性和轻量化等方面表现突 出,博得了市场青睐。
[0003] 现有汽车轴头从材料上区分,分为钢制轴头和铝合金轴头。成型工艺主要分为钢 制热挤压成型以及铝合金低压铸造工艺。钢制轴头重量大,一般接近铝合金轴头的两倍。铝 合金轴头以质量轻、散热快、美观逐渐受到市场青睐,也是未来发展方向。低压铸造生产的 铝合金轴头是铸件在一定的压力下结晶,受工艺条件限制,产品机械性能一般,不能满足大 载荷要求。低压铸造因自身工艺约束,产品容易形成缩孔与缩松缺陷,气孔缺陷,表面粗糙, 由于汽车件对安全性能要求较高,低压铸造工艺生产的轴头,其机械性能只能满足一般要 求,并且提升空间小,已不能满足大承载力汽车要求,某些高端应用领域受到限制。
[0004]液态模锻,是一种既具有铸造特点,又类似固态模锻的新兴金属成形工艺。它是将 一定量的被铸金属液直接浇注入涂有润滑剂的型腔中,并持续施加机械静压力,利用金属 铸造凝固成形时易流动和锻造技术使已凝固的硬壳产生塑性变形,使金属在压力下结晶凝 固并强制消除因凝固收缩形成的缩孔缩松,以获得无铸造缺陷的液态模锻制件。
[0005] 公开号为CN 102689159A的中国专利公开了6061铝合金异截面大型环件的液态模 锻乳制复合成形方法,该方法虽然在一定程度上满足生产流程短,但是其公开的技术方案 中没有对铝合金成分进行优化,按照其公开的技术方案制造汽车轴头仍然不能满足综合的 力学性能。
[0006] 公开号为CN 104131202A的中国专利公开了6061铝合金模锻件的短流程制备方 法,通过优化合金的化学成分和熔体净化技术,改善了合金的金相结构,不仅改善了产品的 外观质量,还极大的消除了产品中的缩孔、疏松、气孔、裂纹等内部缺陷;但是通过研究发现 其仍有一定的缺陷,比如其高温高蠕变性能不好,产品仍然有裂纹源等,生产出来的汽车轴 头在性能上仍有所不足。
[0007] 稀土元素被认为是可以显著改善铝合金的金相组织,细化晶粒,去除铝合金中气 体和有害杂质和有害气体,减少铝合金的裂纹源,从而提高铝合金的强度,改善加工性能, 还能改善铝合金的耐热性、可塑性及可锻性,提高硬度、增加强度和韧性。
[0008] 但是现有技术中还没有将稀土元素应用于铝合金的液态模锻领域。
发明内容
[0009] 有鉴于此,本发明的目的在于在现有液态模锻工艺的基础上,研究出一种应用于 商用车轴头的6061铝合金的液态模锻工艺法。通过稀土元素优化化学成分和优化熔体净化 技术、改善合金金相结构;改变锻压、热处理强化的温度场和流场,对铝合金的形变温度、形 变速度和形变程度进行综合分析和调控,建立短流程、铸锻一体化的连续液态模锻过程的 数学模型,开发出大尺寸、结构相对复杂的铝合金轴头的新技术。
[0010] 为实现上述发明目的,本发明具体提供了如下的技术方案:
[0011] 6061材料商用车铝合金轴头液态模锻工艺法,包括如下步骤:
[0012] (1)合金成分优化:优化6061铝合金中Mg/Si比和其他合金元素比例,并控制杂质 元素的质量含量,其中SiO .50-0.75份;Fe<0.25份;CuO .15-0.25份;MgO .80-1.10份; Cr0.0 4-0.25份;A195~98份,控制6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份,再加入元素Gd 0.3 ~0.5 份;
[0013] SmO. 15~0.2份;Hf 0.1~1份,用Sr及Ti作变质和细化处理;
[0014] (2)熔炼;
[0015] (3)将步骤(2)所得熔体以高效精炼剂进行炉内除气、除渣使熔体清洁无杂;
[0016] (4)液态模锻成型分为5个阶段
[0017]第一阶段:熔体浇注至轴头模具内:浇注温度为680~690°C,模具预热温度为280 ~320°C,单坯精确定量浇注;
[0018]第二阶段:快速充型:合模充型加压时间为10-20秒,压力由上模冲头刚接触到下 模中熔体面起开始变化直到140-160bar,速度I -2mm/s;
[0019] 第三阶段:保压过程:将压力以加压速度O.iUmm/s逐渐减少为〇,压力180-200bar,达到保压压力,延时10-20秒进行冷却,时间100-120秒;
[0020]第四阶段:开模:模具下模顶杆向上顶出工件,上模随压机滑块向上运动,与下模 顶杆同速度,消除产品受到上下模具撕力;
[0021 ]第五阶段:取料:采用机构夹具进行取料,放入辊道上,转入下序;
[0022] (5)修边、出孔;
[0023] (6)热处理强化:将工件加热到535 ± 5 °C恒温保持3~6h,在30-80 °C水温条件下淬 火60秒,在175±5°C温度条件下进行时效处理6-10h;
[0024] (7)机械性能检查、尺寸表面加工。
[0025]优选的,步骤(1)合金成分优化为:其中SiO. 6份;Fe<0.25份;CuO. 2份;Mgl. O份; CrO. 15份;A197份,控制6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份,再加入元素GdO. 4份; SmO. 18份;Hf 0.5份,用Sr及Ti作变质和细化处理。
[0026]进一步优选的,所述步骤(3)中还包括在线处理过程,经高效熔剂精炼净化后的熔 体再采用GBF法在线除气。
[0027]铝合金液态模锻是在压力作用下,使铝液结晶,产生一定量的塑性变形,即消除了 常规铸造过程中易产生缩孔、疏松、气孔、裂纹等质量缺陷,又获得固态锻件产品的优良机 械性能和低压铸件一次成型的高效率、高精度,合格率90%以上,投资大大低于固态锻造 法D
[0028]本发明的有益效果在于:
[0029] (1)本发明首先通过优化6061合金中各元素的成分,再配合添加适量的稀土元素 Gd、Sm,以及元素 Hf,再结合液态模锻工艺制备出车用轴头,通过优化合金的化学成分和熔 体净化技术,改善了合金的金相结构,极大的消除了产品中的缩孔、疏松、气孔、裂纹等内部 缺陷。轴头产品外观质量明显改善,内部缺陷明显减少,生产效率高,流程短,工艺成本低、 节能、环境污染少,经济效益和社会效益明显。
[0030] (2)稀土元素加入到铝合金中可起到微合金化的作用,此外,它与氢等气体和许多 非金属有较强的亲和力,能生成熔点高的化合物,故它有一定的除氢、精炼、净化作用;由于 其活性极强,它可以在长大的晶粒界面上选择性地吸附,阻碍晶粒的生长而实现细化晶粒 的作用。稀土金属元素Gd或Sm元素的加入可细化晶粒,提高合金的屈服强度,同时在合金的 晶界附近生成稳定的粒状A12Gd或A12Sm相,起到析出强化的作用,提高了合金的室温拉伸 性能和高温抗懦变性能,另外,加入Si可以提高合金的铸造性能;Hf的加入可产生延棱柱面 生长的析出相,且该析出相在300 °C具有优异的热稳定性,提高合金的抗蠕变性能,Hf和Gd 共同作用可形成大量长周期有序堆垛结构,该结构与Al基体有共格关系,能够阻碍位错的 基面滑移,强化基体,进一步提高了合金的高温抗蠕变性能。因为,某些稀土元素与合金的 某些元素会发生冲突反而影响合金的性能,所以本发明通过研究发现Gd或Sm可有效避免这 一缺陷反而具有很好的有益效果。
[0031] 另一方面,稀土元素的加入也可以改善铝合金的铸造性能,这是因为铁是铝合金 中非常有害的杂质,万分之几的铁就能形成Al+FeA13的共晶硅,大多数含铁相的结晶组织 都十分粗大,直接影响合金的机械性能,降低合金的流动性,本发明加以Gd或Sm元素则可以 改变铁相的存在形态,提尚错合金的铸造性能。
[0032] (3)本发明采用液态模锻方法制成的轴头与采用低压铸造法制造的铝合金轴头相 比,机械性能得到明显的改善。拉伸强度增加35.5%以上,屈服强度增加136.8%,布氏硬度 增加50 %。
附图说明
[0033] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图:
[0034] 图1液态模锻法制造的铝合金商用车轴头示意图。
具体实施方式
[0035]下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方 法,通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
[0036] 下面以生产商用车轴头为例进行详细介绍:
[0037] 所生产的车用轴头示意图如图1所示。
[0038] 实施例1
[0039] (1)合金成分优化:优化6061铝合金中Mg/Si比和其他合金元素比例,并控制杂质 元素的质量含量,其中SiO . 6份;Fe<0.25份;CuO . 2份;Mgl. 0份;CrO . 15份;A197份,控制 6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份,再加入元素 GdO. 4份;SmO. 18份;Hf 0.5份,用Sr及 Ti作变质和细化处理。此步骤中需严格掌握GcU Sm的加入量,因为加入过量不但不会使铝合 金的性能改善,还会影响铝合金的正常使用,甚至造成材料的报废;
[0040] (2)熔炼;
[0041] (3)将步骤(2)所得熔体以高效精炼剂进行炉内除气、除渣使熔体清洁无杂;清除 铝合金熔液内部的杂质和气体,可进一步提高合金纯度,改善合金的金相结构,消除产品中 的缩孔、疏松、气孔、裂纹等内部缺陷,同时提升工件的表面质量;
[0042] (4)液态模锻成型分为5个阶段
[0043]第一阶段:熔体浇注至轴头模具内:浇注温度为680°C,模具预热温度为290°C,单 坯精确定量浇注;
[0044]第二阶段:快速充型:合模充型加压时间为20秒,压力由上模冲头刚接触到下模中 恪体面起开始变化直到160bar,速度lmm/s;
[0045] 第三阶段:保压过程:将压力以加压速度0 • 2mm/s逐渐减少为0,压力200bar,达到 保压压力,延时20秒进行冷却,时间120秒;冷却过程压力保持不变;
[0046] 第四阶段:开模:模具下模顶杆向上顶出工件,上模随压机滑块向上运动,与下模 顶杆同速度,消除产品受到上下模具撕力;
[0047] 第五阶段:取料:采用机构夹具进行取料,放入辊道上,转入下序;
[0048]通过各参数的控制,可改善工件内部的结晶质量,保证液锻过程产生的工件具有 较强的综合力学性能;
[0049] (5)修边、出孔;
[0050] (6)热处理强化:将工件加热到535 °C恒温保持5h,在50 °C水温条件下淬火60秒,在 170°C温度条件下进行时效处理8h;即先固溶处理再人工时效,使内部组织分布更加均匀, 消除或减小淬火后工件内的微观应力及机械加工残余应力,防止变形及开裂,稳定组织;先 以精密车削获得镜面,再进行无铬钝化防护;提高工件的抗腐蚀能力;
[0051 ] (7)机械性能检查、尺寸表面加工。
[0052] 实施例2
[0053] (1)合金成分优化:优化6061铝合金中Mg/Si比和其他合金元素比例,并控制杂质 元素的质量含量,其中SiO. 5份;Fe<0.1份;CuO. 15份;MgO. 80份;CrO .04份;A195份,控制 6061铝合金中其他单个杂质小于0.04份,再加入元素GdO. 3份;SmO. 15份;Hf 0.3份,用Sr及 Ti作变质和细化处理。此步骤中需严格掌握GcU Sm的加入量,因为加入过量不但不会使铝合 金的性能改善,还会影响铝合金的正常使用,甚至造成材料的报废;
[0054] (2)熔炼;
[0055] (3)将步骤(2)所得熔体以高效精炼剂进行炉内除气、除渣使熔体清洁无杂;清除 铝合金熔液内部的杂质和气体,可进一步提高合金纯度,改善合金的金相结构,消除产品中 的缩孔、疏松、气孔、裂纹等内部缺陷,同时提升工件的表面质量;
[0056] (4)液态模锻成型分为5个阶段
[0057]第一阶段:熔体浇注至轴头模具内:浇注温度为685°C,模具预热温度为300°C,单 坯精确定量浇注;
[0058]第二阶段:快速充型:合模充型加压时间为20秒,压力由上模冲头刚接触到下模中 恪体面起开始变化直到150bar,速度2mm/s;
[0059] 第三阶段:保压过程:将压力以加压速度0 • 2mm/s逐渐减少为0,压力200bar,达到 保压压力,延时20秒进行冷却,时间120秒;冷却过程压力保持不变;
[0060]第四阶段:开模:模具下模顶杆向上顶出工件,上模随压机滑块向上运动,与下模 顶杆同速度,消除产品受到上下模具撕力;
[0061 ]第五阶段:取料:采用机构夹具进行取料,放入辊道上,转入下序;
[0062] 通过各参数的控制,可改善工件内部的结晶质量,保证液锻过程产生的工件具有 较强的综合力学性能;
[0063] (5)修边、出孔;
[0064] (6)热处理强化:将工件加热到540°C恒温保持3h,在30°C水温条件下淬火60秒,在 175°C温度条件下进行时效处理6h;即先固溶处理再人工时效,使内部组织分布更加均匀, [0065]消除或减小淬火后工件内的微观应力及机械加工残余应力,防止变形及开裂,稳 定组织;先以精密车削获得镜面,再进行无铬钝化防护;提高工件的抗腐蚀能力;
[0066] (7)机械性能检查、尺寸表面加工。
[0067] 实施例3
[0068] (1)合金成分优化:优化6061铝合金中Mg/Si比和其他合金元素比例,并控制杂质 元素的质量含量,其中SiO. 75份;Fe<0.1份;CuO. 25份;Mgl. 10份;CrO. 25份;A198份,控制 6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份,再加入元素GdO. 5份;SmO. 2份;Hfl份,用Sr及Ti作 变质和细化处理。此步骤中需严格掌握Gd、Sm的加入量,因为加入过量不但不会使铝合金的 性能改善,还会影响铝合金的正常使用,甚至造成材料的报废;
[0069] (2)熔炼;
[0070] (3)将步骤(2)所得熔体以高效精炼剂进行炉内除气、除渣使熔体清洁无杂;清除 铝合金熔液内部的杂质和气体,可进一步提高合金纯度,改善合金的金相结构,消除产品中 的缩孔、疏松、气孔、裂纹等内部缺陷,同时提升工件的表面质量;
[0071] (4)液态模锻成型分为5个阶段
[0072]第一阶段:熔体浇注至轴头模具内:浇注温度为690°C,模具预热温度为3HTC,单 坯精确定量浇注;
[0073]第二阶段:快速充型:合模充型加压时间为15秒,压力由上模冲头刚接触到下模中 恪体面起开始变化直到150bar,速度2mm/s;
[0074] 第三阶段:保压过程:将压力以加压速度0.2mm/s逐渐减少为0,压力190bar达到保 压压力,延时15秒进行冷却,时间110秒;冷却过程压力保持不变;
[0075] 第四阶段:开模:模具下模顶杆向上顶出工件,上模随压机滑块向上运动,与下模 顶杆同速度,消除产品受到上下模具撕力;
[0076] 第五阶段:取料:采用机构夹具进行取料,放入辊道上,转入下序;
[0077] 通过各参数的控制,可改善工件内部的结晶质量,保证液锻过程产生的工件具有 较强的综合力学性能;
[0078] (5)修边、出孔;
[0079] (6)热处理强化:将工件加热到540 °C恒温保持5h,在80 °C水温条件下淬火60秒,在 180°C温度条件下进行时效处理IOh;即先固溶处理再人工时效,使内部组织分布更加均匀,
[0080]消除或减小淬火后工件内的微观应力及机械加工残余应力,防止变形及开裂,稳 定组织;先以精密车削获得镜面,再进行无铬钝化防护;提高工件的抗腐蚀能力;
[00811 (7)机械性能检查、尺寸表面加工。
[0082]对比实施例1
[0083] 使用A356.2的合金牌号,其中化学元素含量为Si6.8-7.2% ;Fe彡0.12% ;Cu彡 0.1% ;
[0084] MgO • 35-0 • 45% ; SrO • 01-0 • 02% ; TiO • 1-0 • 2%其他单个杂质彡0 • 05%,以Sr及Ti 作变质和细化处理;采用低压铸造工艺进行铸造。
[0085] 对比实施例2
[0086] 按照DIN/EN573GB/T3190,使用T6状态下的6061铝合金进行固态模锻工艺制备轴 头。
[0087]对比实施例3
[0088]与实施例1的区别在于:不加入元素6(1、5!11、批,其他与实施例1所述的一致。
[0089] 对比实施例4
[0090]与实施例1的区别在于,加入元素Gd5质量份、Sm 5质量份、Hf5质量份,其它与实施 例1所述的一致。
[0091]将实施例1~3及对比实施例1~4所生产的铝合金轴头进行性能对比,得到如表1 所示的数据:
[0092] 表1铝合金轴头性能对比表
[0093]
Figure CN106319305AD00081
[0094]
Figure CN106319305AD00091
[0095] 由表1可看出,本发明首先通过优化A357合金中各元素的成分,再配合添加适量的 稀土元素GcUSm,以及元素Hf,再结合液态模锻工艺制备出车用轴头,通过优化合金的化学 成分和熔体净化技术,改善了合金的金相结构,极大的消除了产品中的缩孔、疏松、气孔、裂 纹等内部缺陷。本发明采用液态模锻方法制成的轴头与采用低压铸造法制造的铝合金轴头 相比,机械性能得到明显的改善,拉伸强度增加35.5%以上,屈服强度增加128.8%,布氏硬 度增加76%,所制备的车用轴头机械性能指标接近或等同于固态模锻法制造的铝合金轴 头。并且从表1也体现出了加入稀土元素对于合金性能的促进作用,通过对比实施例4也验 证了控制稀土元素的加入量对本工艺是至关重要的。
[0096]最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.6061材料商用车铝合金轴头液态模锻工艺法,其特征在于包括如下步骤: (1) 合金成分优化:优化6061铝合金中Mg/Si比和其他合金元素比例,并控制杂质元素 的质量含量,其中SiO · 50-0 · 75份;Fe<0 · 25份;CuO · 15-0 · 25份;MgO · 80-1 · 10份;CrO · 04- 0.25份;A195~98份,控制6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份,再加入元素 Gd 0.3~ 0.5份;SmO. 15~0.2份;Hf 0.1~1份,用Sr及Ti作变质和细化处理; (2) 熔炼; (3) 将步骤(2)所得熔体以高效精炼剂进行炉内除气、除渣使熔体清洁无杂; (4) 液态模锻成型分为5个阶段 第一阶段:熔体浇注至轴头模具内:浇注温度为680~690°C,模具预热温度为280~320 °C,单坯精确定量浇注; 第二阶段:快速充型:合模充型加压时间为10-20秒,压力由上模冲头刚接触到下模中 恪体面起开始变化直到140-160bar,速度1 -2mm/s; 第三阶段:保压过程:将压力以加压速度〇 · 1-0 · 3mm/s逐渐减少为0,压力180-200bar, 达到保压压力,延时10-20秒进行冷却,时间100-120秒; 第四阶段:开模:模具下模顶杆向上顶出工件,上模随压机滑块向上运动,与下模顶杆 同速度,消除产品受到上下模具撕力; 第五阶段:取料:采用机构夹具进行取料,放入辊道上,转入下序; (5) 修边、出孔; (6) 热处理强化:将工件加热到535 ± 5 °C恒温保持3~6h,在30-80 °C水温条件下淬火60 秒,在175 ± 5°C温度条件下进行时效处理6-10h; (7) 机械性能检查、尺寸表面加工。
2. 根据权利要求1所述6061材料商用车铝合金轴头液态模锻工艺法,其特征在于,步骤 (1)合金成分优化为:其中SiO. 6份;Fe<0.25份;CuO. 2份;Mgl. 0份;CrO. 15份;A197份,控制 6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份,再加入元素 GdO. 4份;SmO. 18份;Hf 0.5份,用Sr及 Ti作变质和细化处理。
3. 根据权利要求1所述6061材料商用车铝合金轴头液态模锻工艺法,其特征在于,所述 步骤(3)中还包括在线处理过程,经高效熔剂精炼净化后的熔体再采用GBF法在线除气。
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