CN107828980A - 一种轻量化汽车用拉杆球接总成及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轻量化汽车用拉杆球接总成及其制备方法，属于汽车技术领域。本发明的拉杆球接总成包括拉杆连接管以及设于拉杆连接管两端且相互对称的球接总成，所述拉杆连接管由泡沫铝合金制成，所述泡沫铝合金由铝合金和发泡剂经过熔炼、浇注制成，所述铝合金包括以下质量百分比含量的组分：0.1～0.3％Si，2.0～2.6％Cu，0.3～0.6％Mn，1.2～1.6％Mg，0～0.04％Cr，2.7～3.6％Zn，0.07～0.15％Ti，0.15～0.25Zr，0.3～0.55％Ag，0～0.25Fe，3.5～6.3％AlN，0.03～0.2％RE，余量为Al。本发明的拉杆球接总成质量轻，具有较高的强度、韧性和减震效果。

Description

一种轻量化汽车用拉杆球接总成及其制备方法
技术领域
本发明属于汽车技术领域，涉及一种轻量化汽车用拉杆球接总成及其制备方法。
背景技术
转向拉杆是汽车转向机构中的重要零件，它直接影响汽车操纵的稳定性、运行的安全性和轮胎的使用寿命。转向拉杆分为2类，即转向直拉杆与转向横拉杆。转向直拉杆承担着把转向摇臂的运动传递给转向节臂的任务；转向横拉杆则是转向梯形机构的底边，是确保左右转向轮产生正确运动关系的关键部件。目前现有的汽车转向系统用拉杆总成，其拉杆总成通常包括拉杆连接管和固定在拉杆连接管两端的球头总成，并且拉杆连接管和球头总成之间通过螺纹、焊接或铆接等方式相固定。拉杆连接管多由钢管或刚强度的铝塑管制成，但是钢管质量较重，铝塑管即使是高强度类型在强度上也稍显逊色，且在保证机械性能的前提下要再进一步减轻拉杆球接总成的重量就需要开发新的材料。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种质量轻、力学性能优良的轻量化汽车用拉杆球接总成。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种轻量化汽车用拉杆球接总成，所述拉杆球接总成包括拉杆连接管以及设于拉杆连接管两端且相互对称的球接总成，所述拉杆连接管由泡沫铝合金制成，所述泡沫铝合金由铝合金和发泡剂经过熔炼、浇注制成，所述铝合金包括以下质量百分比含量的组分：0.1～0.3％Si，2.0～2.6％Cu，0.3～0.6％Mn，1.2～1.6％Mg，0～0.04％Cr，2.7～3.6％Zn，0.07～0.15％Ti，0.15～0.25Zr，0.3～0.55％Ag，0～0.25Fe，3.5～6.3％AlN，0.03～0.2％RE，余量为Al。
本发明采用泡沫铝合金制备拉杆球接总成的拉杆连接管，大大减轻了拉杆连接管的质量，并提高了拉杆连接管的刚度和能量吸收能力，进而提高了拉杆球接总成的整体性能。本发明在7050铝合金的基础上，提高了Si、Mn、Zr和Ti的含量，降低了Mg、Zn的含量。并添加了AlN、Ag和RE，显著提高了拉杆连接管的强度、韧性和抗冲击能力。其中，本发明中适量的Si与Al可形成Al+Si共晶液相，有助于提高铝合金铸造流动性；Mg与基体Al元素生成大量Mg5Al和Mg5Al8相，通过热处理能使Mg5Al和Mg5Al8相固溶到铝合金基体α相中，从而提高铝合金的常温力学性能，但是过多的Mg5Al和Mg5Al8相难以实现全部固溶，容易聚集在基体晶界间，会降低铝合金的整体力学性能；Mg也可与Si形成Mg2Si强化相，与Zn形成强化相MgZn2，本发明通过降低Mg、Zn的含量，提高Si的含量，调节Mg、Si、Zn之间的比例，将Mg2Si相和MgZn2相的含量控制在适当的比例范围内，能够明显增强铝合金的抗拉强度和屈服强度，过多的Mg2Si相会造成铝合金的脆性并降低铝合金的韧性，过多的MgZn2相则会降低铝合金的高温流动性，从而降低铝合金的可浇注性。适量的Mn可在铝合金中形成硬质点相，从而提高铝合金的耐磨性能，降低摩擦系数，提高基体的热强性，但是过多的Mn容易与其它元素形成过大硬质点，降低铝合金的力学性能和导热性。本发明提高了Zr和Ti的含量，Zr与Ti协同作用能够阻碍铝合金的Mg2Si和MgZn2的再结晶晶粒长大，防止二者形成粗大的晶粒对基体造成撕裂作用。Cr在Al中易形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al13等金属间化合物，能够细化晶粒，阻碍再结晶的形核和长大，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但Cr含量过高时，会增加铝合金的淬火敏感性，还会降低铝合金强度和硬度。本发明中适量的Ag能够在形成晶间化合物和晶内化合物，提高铝合金的韧性，加快时效硬化，改善合金的耐腐蚀性能，但是过多的Ag会降低铝合金的过饱和度及强度。本发明在铝合金中添加适量的AlN，AlN与铝合金基体的润湿性好，与铝合金具有较好的相容性，在拉伸过程中会产生微量变形，松弛部分界面应力，从而提高铝合金的强度和抗冲击性能。
本发明中添加的适量稀土元素能够有效细化晶粒，改善铝合金的微观组织形态，提高铝合金的铸造流动性、强度和塑性。
作为优选，所述AlN的粒径为130～320nm。
本发明中AlN的粒径过小，其刚性质点的特性显著增强，在铝合金拉伸过程中难以产生变形，不利于铝合金抗冲击性能的提高，粒径过大容易在铝合金晶粒间对铝合金晶粒产生挤压作用，造成铝合金晶粒畸形，从而降低铝合金的力学性能。
作为优选，所述RE为Nd、Tb、Dy、Ho中的一种或多种混合的纳米粉体。
作为优选，所述RE为Nd、Tb、Dy、Ho中的一种或多种混合的纳米粉体。
本发明的Mg2Si和MgZn2硬质相存在于合金钢中能提高合金钢的硬度和耐磨性，但是该硬质相过多会降低合金钢的强度和抗冲击韧性，并且未经细化的硬质相尺寸粗大，分布不均匀。本发明中稀土元素Nd和Dy的添加能够有效改善铝合金中Mg2Si和MgZn2硬质相的大小和形状，改善其分布均匀性，进而提高合金钢的强韧性和耐磨性。Tb和Ho的添加能够有效减少A1FeSi等脆性相的生成，减少Fe元素和Si元素对铝合金性能的损害。
作为优选，所述纳米粉体的粒径为50～80nm。
本发明将RE元素的粒径控制在上述范围内，能够显著提高铝合金的塑性和断裂韧性，并能降低铝合金的烧结温度，提高烧结速度。
作为优选，所述发泡剂包括TiH2内芯和包裹在至少部分包裹在TiH2内芯表面的缓释层，所述缓释层的组分为AlN和Ti3N4。
本发明通过在TiH2表面包裹缓释层，有效将氢气释放时间推迟80～200s，缓释层的组分AlN和Ti3N4熔点不同，在发泡过程中被熔离TiH2内芯的时间不同，保证了氢气释放的均匀性，同时AlN和Ti3N4相间包裹在TiH2内芯表面，也使得不会形成较大的AlN碎片或Ti3N4碎片而影响泡沫铝合金的性能。并且AlN和Ti3N4与铝合金基体具有较好的相容性，在氢气释放完后存在于铝合金基体中，对铝合金具有一定的增强作用。
作为优选，所述发泡剂包括发泡剂Ⅰ、发泡剂Ⅱ和发泡剂Ⅲ，所述发泡剂Ⅰ缓释层的厚度为10～30nm，所述发泡剂Ⅱ缓释层的厚度为50～80nm，所述发泡剂Ⅲ缓释层的厚度为90～110nm。
作为优选，所述发泡剂Ⅰ、发泡剂Ⅱ和发泡剂Ⅲ的质量比为10:(35～67):(23～35)。
本发明根据发泡剂的特点和泡沫铝合金的发泡过程，将发泡剂的缓释层厚度控制在三个特定的范围内，并控制三种发泡剂的比例含量，进一步控制发泡的速度，使放气以适当的速度缓慢进行，气泡生长均匀，以形成均匀、大小适当的气孔。
本发明的另一目的在于提供一种轻量化汽车用拉杆球接总成的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤，
S1、采用磁控溅射的方法在TiH2颗粒表面镀缓释层；
S2、将铝合金加热至730～750℃熔炼为金属熔液，然后降温至660～690℃，加入金属熔液质量1.5～2.5％的发泡剂，搅拌均匀后进行浇注，冷却，获得拉杆连接管预制品；
S3、对拉杆连接管预制品进行加热保温发泡，然后冷却，即得拉杆连接管，在拉杆连接管的两端装配上球接总成即为拉杆球接总成。
本发明采用磁控溅射的方法在TiH2颗粒表面镀缓释层，能够在低温下进行，防止TiH2在高温作用下分解，降低发泡效率。
本发明将发泡剂的用量控制在上述范围内，随着发泡剂用量的增加，使孔隙率提高；但是当发泡剂的用量增加到一定程度后，再增加发泡剂添加量，释放的气体量增加，气泡合并严重产生大的缩孔缺陷，此时孔隙率停止增加，并且泡沫铝内部产生缺陷。
作为优选，所述步骤S2中搅拌的速度为500～600rmp，时间为3.5～5.5min。
搅拌时间过短，速度过低时，发泡剂在金属熔液中的弥散均匀度低，制成的泡沫铝内部孔结构不均匀，孔洞较为集中，并且有严重的连接合并现象。搅拌时间过长，会使一部分发泡剂发生分解，从而降低发泡效率，造成泡沫铝中孔隙率较低。
作为优选，所述步骤S3中加热保温发泡的过程为，先升温至430～460℃，保温5～8min，然后升温至520～580℃，保温8～12min，再升温至630～660℃，保温3～6min。
本发明采用分段法发泡的过程，通过三个阶段的协同作用，使发泡过程缓慢均匀进行，从而形成孔洞分布均匀，大小适当的孔结构。其中，430～460℃的发泡过程主要针对缓释层较薄的发泡剂Ⅰ，保温5～8min后，发泡剂Ⅰ基本释放完全，发泡剂Ⅱ的缓释层开始慢慢熔离，升温至520～580℃时，发泡剂Ⅱ开始主要释放氢气，保温8～12min后，发泡剂Ⅱ基本释放完全，发泡剂Ⅲ的缓释层开始慢慢熔离，升温至630～660℃时，发泡剂Ⅲ开始主要释放氢气，保温3～6min后，发泡剂Ⅲ释放完全，整个发泡过程结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
采用泡沫铝合金制备拉杆球接总成的拉杆连接管，大大减轻了拉杆连接管及拉杆球接总成的质量，并提高了拉杆连接管的刚度和能量吸收能力；通过合理配伍铝合金的组分；显著提高了拉杆连接管的强度、韧性和减震效果；通过对传统发泡剂进行预处理，并合理优化制备工艺，提高了制备拉杆连接管的泡沫铝合金的孔洞均匀度，从而获得性能优良的拉杆连接管。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1～5
实施例1～5的轻量化汽车用拉杆球接总成，所述拉杆球接总成包括拉杆连接管以及设于拉杆连接管两端且相互对称的球接总成，所述拉杆连接管由泡沫铝合金制成，所述泡沫铝合金由铝合金和发泡剂经过熔炼、浇注制成，所述铝合金包括以下质量百分比含量的组分：0.1～0.3％Si，2.0～2.6％Cu，0.3～0.6％Mn，1.2～1.6％Mg，0～0.04％Cr，2.7～3.6％Zn，0.07～0.15％Ti，0.15～0.25Zr，0.3～0.55％Ag，0～0.25Fe，3.5～6.3％AlN，0.03～0.2％RE，余量为Al。
AlN的粒径为130～320nm。
RE为Nd、Tb、Dy、Ho中的一种或多种混合的粒径为50～80nm的纳米粉体。
发泡剂为表面包裹有缓释层的TiH2，缓释层的组分为AlN和Ti3N4。发泡剂包括发泡剂Ⅰ、发泡剂Ⅱ和发泡剂Ⅲ，发泡剂Ⅰ缓释层的厚度为10～30nm，所述发泡剂Ⅱ缓释层的厚度为50～80nm，所述发泡剂Ⅲ缓释层的厚度为90～110nm。发泡剂Ⅰ、发泡剂Ⅱ和发泡剂Ⅲ的质量比为10:(35～67):(23～35)。
实施例1～5中铝合金和发泡剂的组分及其他参数如表1和表2所示。
表1：实施例1～5中铝合金的组分及其质量百分比
表2：实施例1～5中铝合金中AlN、RE及发泡剂参数
实施例6
本实施例中轻量化汽车用拉杆球接总成的制备方法包括以下步骤，
(1)、按照实施例3中的原料及配比准备原材料，采用磁控溅射的方法在TiH2颗粒表面镀缓释层；
(2)、将铝合金加热至730℃熔炼为金属熔液，然后降温至660℃，加入金属熔液质量1.5％的发泡剂，在500rmp转速下搅拌5.5min后进行浇注，冷却，获得拉杆连接管预制品；
(3)、对拉杆连接管预制品进行加热保温发泡，先升温至430℃，保温8min，然后升温至520℃，保温12min，再升温至630℃，保温3min，加热保温发泡的过程中对拉杆连接管预制品施加一个逐渐减小的0～250MPa的压力，发泡完成后冷却，即得拉杆连接管，在拉杆连接管的两端装配上球接总成即为拉杆球接总成。
实施例7
本实施例中轻量化汽车用拉杆球接总成的制备方法包括以下步骤，
(1)、按照实施例3中的原料及配比准备原材料，采用磁控溅射的方法在TiH2颗粒表面镀缓释层；
(2)、将铝合金加热至735℃熔炼为金属熔液，然后降温至670℃，加入金属熔液质量2.0％的发泡剂，在550rmp转速下搅拌4min后进行浇注，冷却，获得拉杆连接管预制品；
(3)、对拉杆连接管预制品进行加热保温发泡，先升温至440℃，保温7min，然后升温至540℃，保温10min，再升温至640℃，保温4min，加热保温发泡的过程中对拉杆连接管预制品施加一个逐渐减小的0～250MPa的压力，发泡完成后冷却，即得拉杆连接管，在拉杆连接管的两端装配上球接总成即为拉杆球接总成。
实施例8
本实施例中轻量化汽车用拉杆球接总成的制备方法包括以下步骤，
(1)、按照实施例3中的原料及配比准备原材料，采用磁控溅射的方法在TiH2颗粒表面镀缓释层；
(2)、将铝合金加热至743℃熔炼为金属熔液，然后降温至680℃，加入金属熔液质量2.0％的发泡剂，在560rmp转速下搅拌4.5min后进行浇注，冷却，获得拉杆连接管预制品；
(3)、对拉杆连接管预制品进行加热保温发泡，先升温至450℃，保温6min，然后升温至560℃，保温9min，再升温至650℃，保温4min，加热保温发泡的过程中对拉杆连接管预制品施加一个逐渐减小的0～250MPa的压力，发泡完成后冷却，即得拉杆连接管，在拉杆连接管的两端装配上球接总成即为拉杆球接总成。
实施例9
本实施例中轻量化汽车用拉杆球接总成的制备方法包括以下步骤，
(1)、按照实施例3中的原料及配比准备原材料，采用磁控溅射的方法在TiH2颗粒表面镀缓释层；
(2)、将铝合金加热至750℃熔炼为金属熔液，然后降温至690℃，加入金属熔液质量2.5％的发泡剂，在600rmp转速下搅拌3.5min后进行浇注，冷却，获得拉杆连接管预制品；
(3)、对拉杆连接管预制品进行加热保温发泡，先升温至460℃，保温5min，然后升温至580℃，保温8min，再升温至660℃，保温3min，加热保温发泡的过程中对拉杆连接管预制品施加一个逐渐减小的0～250MPa的压力，发泡完成后冷却，即得拉杆连接管，在拉杆连接管的两端装配上球接总成即为拉杆球接总成。
实施例10～13
分别按照实施例1、2、4、5的原料及配比准备原材料，按照实施例7的制备方法进行拉杆球接总成的制备。
对比例1
铝合金为7050铝合金，其它与实施例7相同。
对比例2
铝合金中添加的AlN粒径大于320nm，其它与实施例7相同。
对比例3
铝合金中添加的RE粒径大于80nm，其它与实施例7相同。
对比例4
采用常规加热保温发泡的方式进行发泡，其它与实施例7相同。
将本发明实施例6～13、对比例1～4中制得的拉杆连接管的性能进行比较，比较结果如表3所示。
表3：实施例6～13、对比例1～4中的拉杆连接管的性能
综上所述，本发明通过合理配伍铝合金的原料组分，对发泡剂进行预处理，并优化制备工艺及其参数，制得质量轻，力学性能优良的拉杆球接总成。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种轻量化汽车用拉杆球接总成，其特征在于，所述拉杆球接总成包括拉杆连接管及设于拉杆连接管两端且相互对称的球接总成，所述拉杆连接管由泡沫铝合金制成，所述泡沫铝合金由铝合金和发泡剂经过熔炼、浇注制成，所述铝合金包括以下质量百分比含量的组分：0.1～0.3％Si，2.0～2.6％Cu，0.3～0.6％Mn，1.2～1.6％Mg，0～0.04％Cr，2.7～3.6％Zn，0.07～0.15％Ti，0.15～0.25Zr，0.3～0.55％Ag，0～0.25Fe，3.5～6.3％AlN，0.03～0.2％RE，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的轻量化汽车用拉杆球接总成，其特征在于，所述AlN的粒径为130～320nm。
3.根据权利要求1所述的轻量化汽车用拉杆球接总成，其特征在于，所述RE为Nd、Tb、Dy、Ho中的一种或多种混合的纳米粉体。
4.根据权利要求3所述的轻量化汽车用拉杆球接总成，其特征在于，所述纳米粉体的粒径为50～80nm。
5.根据权利要求1所述的轻量化汽车用拉杆球接总成，其特征在于，所述发泡剂包括TiH2内芯和包裹在至少部分包裹TiH2在内芯表面的缓释层，所述缓释层的组分为AlN和Ti3N4。
6.根据权利要求5所述的轻量化汽车用拉杆球接总成，其特征在于，所述发泡剂包括发泡剂Ⅰ、发泡剂Ⅱ和发泡剂Ⅲ，所述发泡剂Ⅰ缓释层的厚度为10～30nm，所述发泡剂Ⅱ缓释层的厚度为50～80nm，所述发泡剂Ⅲ缓释层的厚度为90～110nm。
7.根据权利要求6所述的轻量化汽车用拉杆球接总成，其特征在于，所述发泡剂Ⅰ、发泡剂Ⅱ和发泡剂Ⅲ的质量比为10:(35～67):(23～35)。
8.一种如权利要求1～7任一权利要求所述轻量化汽车用拉杆球接总成的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤，
S1、采用磁控溅射的方法在TiH2颗粒表面镀缓释层；
S2、将铝合金加热至730～750℃熔炼为金属熔液，然后降温至660～690℃，加入金属熔液质量1.5～2.5％的发泡剂，搅拌均匀后进行浇注，冷却，获得拉杆连接管预制品；
S3、对拉杆连接管预制品进行加热保温发泡，然后冷却，即得拉杆连接管，在拉杆连接管的两端装配上球接总成即为拉杆球接总成。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中搅拌的速度为500～600rmp，时间为3.5～5.5min。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中加热保温发泡的过程为，先升温至430～460℃，保温5～8min，然后升温至520～580℃，保温8～12min，再升温至630～660℃，保温3～6min。
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