CN106636798A - 6061材料商用车铝合金轮毂液态模锻工艺法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种6061材料商用车铝合金轮毂液态模锻工艺法，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轮毂，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。轮毂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材料商用车铝合金轮毂液态模锻工艺法
技术领域
本发明属于液态模锻领域，具体涉及一种6061材料商用车铝合金轮毂液态模锻工艺法。
背景技术
轮毂是汽车上最重要的安全零件之一，轮毂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方向动态载荷产生的不规则交变受力。轮毂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，这就要求轮毂动平衡好、疲劳强度高、有好的刚性和弹性、尺寸和形状精度高、质量轻等，铝轮毂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。
现有汽车铝轮毂的成型工艺主要分为低压铸造、锻造工艺。低压铸造具有生产效率高、铸件组织致密、自动化程度高等特点，可满足汽车铝轮毂的需求，成为了近年来国际上的主流工艺。国内汽车铝轮毂成形技术中，总产量的85％以上是采用低压铸造生产工艺，其余采用金属型重力铸造、挤压铸造和固态模锻工艺技术生产。
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轮毂，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，主要应用在乘用车(轿车)领域，某些高端应用领域受到限制。
固态模锻生产铝合金轮毂，产品性能方面优越，但是工艺复杂，相对生产流程长，工艺不易控制，产品合格率不高；需要的锻造机械庞大，还需有配套加热设备，能耗高，污染大，投资大。因上述原因，固态模锻法生产的汽车轮毂成本高，市场接受困难，面临推广难的现状。固态模锻工艺不易控制，容易出现缺陷，经常在锻造表层发生，出现在纤维伸出的地方。纤维伸出的地方，在微观上就是一个缺陷，很容易成为应力集中处，在变载荷作用下极易出现疲劳源，产生裂纹。另一个主要产生缺陷的原因是铝合金可锻温度范围窄，其锻造加热温度，尤其是淬火温度很接近合金的共晶熔化温度，锻件极易发生过烧。坯料过烧后，表面发暗，易有气泡，再次锻压容易产生裂纹。
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。
公开号为CN 102689159 A的中国专利公开了6061铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，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轮毂仍然不能满足综合的力学性能。
公开号为CN 104131202 A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，生产出来的汽车轮毂在性能上仍有所不足。
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。
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
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轮毂的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轮毂的新技术。
为实现上述发明目的，本发明具体提供了如下的技术方案：
6061材料商用车铝合金轮毂液态模锻工艺法，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Si0.50-0.75份；Fe＜0.25份；Cu0.15-0.25份；Mg0.80-1.10份；Cr0.04-0.25份；Al95～98份，控制6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份，再加入元素Gd0.3～0.5份；
Sm0.15～0.2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：熔体浇注至轮毂模具内：浇注温度为680～690℃，模具预热温度为280～320℃，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20-30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160-180bar，速度1-2mm/s；
第三阶段：保压过程：将压力以加压速度0.1-0.3mm/s逐渐减少为0，压力200-210bar，达到保压压力，延时10-20秒进行冷却，时间120～140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℃恒温保持3～6h，在30-80℃水温条件下淬火60秒，在175±5℃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。
优选的，步骤(1)合金成分优化为：其中Si0.6份；Fe＜0.25份；Cu0.2份；Mg1.0份；Cr0.15份；Al97份，控制6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份，再加入元素Gd0.4份；Sm0.18份；Hf 0.5份，用Sr及Ti作变质和细化处理。
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。
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。
本发明的有益效果在于：
(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轮毂，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。轮毂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。
(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Al2Gd或Al2Sm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蠕变性能，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℃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。
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+FeAl3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，提高铝合金的铸造性能。
(3)本发明采用液态模锻方法制成的轮毂与采用低压铸造法制造的铝合金轮毂相比，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
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：
图1液态模锻法制造的铝合金商用车轮毂示意图。
具体实施方式
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。
下面以生产商用车轮毂为例进行详细介绍：
所生产的车用轮毂示意图如图1所示。
实施例1
(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Si0.6份；Fe＜0.25份；Cu0.2份；Mg1.0份；Cr0.15份；Al97份，控制6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份，再加入元素Gd0.4份；Sm0.18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；
(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；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；
(4)液态模锻成型分为5个阶段
第一阶段：熔体浇注至轮毂模具内：浇注温度为680℃，模具预热温度为290℃，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25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170bar，速度1mm/s；
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；
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；
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；
(5)修边、出孔；
(6)热处理强化：将工件加热到535℃恒温保持5h，在50℃水温条件下淬火60秒，在170℃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；
(7)机械性能检查、尺寸表面加工。
实施例2
(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Si0.5份；Fe＜0.1份；Cu0.15份；Mg0.80份；Cr0.04份；Al95份，控制6061铝合金中其他单个杂质小于0.04份，再加入元素Gd0.3份；Sm0.15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；
(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；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；
(4)液态模锻成型分为5个阶段
第一阶段：熔体浇注至轮毂模具内：浇注温度为685℃，模具预热温度为300℃，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160bar，速度1mm/s；
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；
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；
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；
(5)修边、出孔；
(6)热处理强化：将工件加热到540℃恒温保持3h，在30℃水温条件下淬火60秒，在175℃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，
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；
(7)机械性能检查、尺寸表面加工。
实施例3
(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Si0.75份；Fe＜0.1份；Cu0.25份；Mg1.10份；Cr0.25份；Al98份，控制6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份，再加入元素Gd0.5份；Sm0.2份；Hf1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；
(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；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；
(4)液态模锻成型分为5个阶段
第一阶段：熔体浇注至轮毂模具内：浇注温度为690℃，模具预热温度为320℃，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25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180bar，速度2mm/s；
第三阶段：保压过程：将压力以加压速度0.3mm/s逐渐减少为0，压力210bar达到保压压力，延时20秒进行冷却，时间140秒；冷却过程压力保持不变；
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；
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；
(5)修边、出孔；
(6)热处理强化：将工件加热到540℃恒温保持5h，在80℃水温条件下淬火60秒，在180℃温度条件下进行时效处理10h；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；
(7)机械性能检查、尺寸表面加工。
对比实施例1
使用A356.2的合金牌号，其中化学元素含量为Si6.8-7.2％；Fe≤0.12％；Cu≤0.1％；Mg0.35-0.45％；Sr0.01-0.02％；Ti0.1-0.2％其他单个杂质≤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。
对比实施例2
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轮毂。
对比实施例3
与实施例1的区别在于：不加入元素Gd、Sm、Hf，其他与实施例1所述的一致。
对比实施例4
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。
将实施例1～3及对比实施例1～4所生产的铝合金轮毂进行性能对比，得到如表1所示的数据：
表1铝合金轮毂性能对比表
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Gd、Sm，以及元素Hf，再结合液态模锻工艺制备出车用轮毂，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轮毂与采用低压铸造法制造的铝合金轮毂相比，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128.9％，布氏硬度增加76.6％，所制备的车用轮毂机械性能指标接近或等同于固态模锻法制造的铝合金轮毂。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。
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材料商用车铝合金轮毂液态模锻工艺法，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Si0.50-0.75份；Fe＜0.25份；Cu0.15-0.25份；Mg0.80-1.10份；Cr0.04-0.25份；Al95～98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；Sm0.15～0.2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：熔体浇注至轮毂模具内：浇注温度为680～690℃，模具预热温度为280～320℃，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20-30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160-180bar，速度1-2mm/s；
第三阶段：保压过程：将压力以加压速度0.1-0.3mm/s逐渐减少为0，压力200-210bar，达到保压压力，延时10-20秒进行冷却，时间120～140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℃恒温保持3～6h，在30-80℃水温条件下淬火60秒，在175±5℃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材料商用车铝合金轮毂液态模锻工艺法，其特征在于，步骤(1)合金成分优化为：其中Si0.6份；Fe＜0.25份；Cu0.2份；Mg1.0份；Cr0.15份；Al97份，控制6061铝合金中其他单个杂质小于0.05份，再加入元素Gd0.4份；Sm0.18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材料商用车铝合金轮毂液态模锻工艺法，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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