CN108342630A - 镁合金、镁合金型材的制备方法及镁合金车圈的制备方法 - Google Patents

镁合金、镁合金型材的制备方法及镁合金车圈的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种镁合金、镁合金型材的制备方法及镁合金车圈的制备方法，其中，该镁合金按重量百分数计包括下述组分：Zn 5.5～6.0％、Zr 0.3～0.6％、富钇混合稀土0.5～2.0％，余量为Mg。本发明的镁合金型材的制备方法是以该镁合金为原料制备的，制备步骤为：先根据该镁合金的组分配方制备镁合金棒料，然后将该镁合金棒料与自行车车圈型材模具共同加热至300～400℃，将镁合金棒料取出放入挤压机中300～380℃下挤压得到符合自行车车圈的力学性能的镁合金型材。本发明还提供了以该镁合金型材为原料制备镁合金车圈的方法，该方法对车圈接口的连接方法进行改进，摒弃了以往直接装销、插接的连接方式，采用钻孔、焊接的方式连接，大大提高了车圈结合部位的强度，轮圈受压变形较小。

Description

镁合金、镁合金型材的制备方法及镁合金车圈的制备方法
技术领域
本发明涉及一种镁合金、镁合金型材的制备方法以及镁合金车圈的制备方法，属于自行车车圈制备领域。
背景技术
自行车传统使用钢材或者铝型材制造车圈。镁合金是最轻的金属结构材料，其密度为1.78～1.82g/cm3，是铝合金密度的2/3，钢铁材料密度的1/4；而且具有比强度和比模量高、阻尼减震性能好、资源丰富、易于回收循环使用等优点，在航天航空、汽车、轨道交通等运输行业得到广泛应用，并得到运动器材、自行车行业的青睐，一些企业尝试用镁合金设计制造自行车车架及车圈等零部件。
然而，常规标准镁合金材料力学性能特别是屈服强度较低，采用镁合金车圈型材在弯曲成型后连接部位接合强度不够，轮圈受压变形超标，不能满足自行车车圈使用要求。
发明内容
发明目的：针对现有的镁合金材料力学性能差、不能满足自行车车圈使用要求的问题，本发明的第一目的在于提供一种镁合金，第二目的在于提供一种用作自行车车圈的镁合金型材的制备方法，该镁合金型材以本发明提供的镁合金为原料；本发明的第三目的在于提供一种以该镁合金型材为原料制备镁合金车圈的方法。
技术方案：本发明所述的一种镁合金，其特征在于，按重量百分数计包括下述组分：Zn 5.5～6.0％、Zr 0.3～0.6％、富钇混合稀土0.5～2.0％，余量为Mg。
其中，富钇混合稀土由Y和其他稀土元素组成，Y的含量为25～30wt％。优选的，富钇混合稀土按重量百分数计包括下述稀土：Y 25～30％、Nd 15～20％、Gd 12～16％、Dy 10～15％和余量的其他稀土。更优选的，富钇混合稀土由如下重量百分数的原料组成：Y 25～30％、Nd 15～20％、Gd 12～16％、Dy 10～15％、La 8～12％、Ce 6～10％、Pr 3～6％、Ho 2～5％和Er 1～3％。
本发明所述的一种用作自行车车圈的镁合金型材的制备方法，包括下述步骤：
1)根据上述镁合金组分配方制备镁合金棒料；
2)将镁合金棒料和自行车车圈型材模具放入电加热炉中加热至300～400℃，然后将镁合金棒料取出、放入事先预热至300～380℃的挤压机中进行车圈型材挤压生产，得到符合车圈力学性能的镁合金型材。
具体的，步骤1)中，镁合金棒料的制备方法包括下述步骤：
(1)配料：根据镁合金棒料组分配方和熔炼重量配料，其中，Zr以Mg-5Zr中间合金形式加入，富钇混合稀土以Mg-10Re稀土中间合金形式加入；Re为富钇混合稀土的简称，为英文rare earth的缩写；
(2)熔炼：将配制好的镁锭放入加热炉中，镁锭上表面覆盖一层镁合金熔炼覆盖剂，加热炉料至700～730℃，待镁锭全部熔化后，加入锌锭、Mg-5Zr中间合金和Mg-10Re稀土中间合金料块，搅拌、得到成分均匀的镁合金熔液；静置，清除熔池表面的熔炼覆盖剂，升温至730～750℃，加入镁合金精炼剂，充分搅拌、精炼后静置、降温至680～700℃准备浇铸；
(3)铸造：将降温至680～700℃的镁合金熔液浇铸到铸棒结晶器中，镁合金凝固、形成镁合金棒料。
本发明所述的一种镁合金车圈的制备方法，以镁合金型材为原料，包括如下步骤：
(1)将镁合金型材锯切下料、卷圈，然后裁切掉车圈接口附近多余的材料；
(2)在车圈接口处的镁合金型材内插入车圈内衬连接片、并将其完全压入车圈接口内、使车圈接头压紧连接；
(3)在车圈接口两侧钻孔，孔自车圈安装轮胎的内侧深入车圈内衬连接片中，在开孔位置处焊接、将车圈内衬与车圈固定；
(4)清理毛刺、热处理，得到镁合金车圈。
优选的，步骤(3)中，利用焊丝氩弧焊将车圈内衬与车圈焊接固定。
上述步骤(4)中，热处理是将清理毛刺后的车圈加热至200℃保温1～2h，
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的镁合金以Mg、Zn为主要合金元素，加入微量的Zr、Y、Nd、Gd、Dy等稀土元素，实现固溶强化、晶粒细化的目标，并利用Y、Nd、Gd稀土化合物的稳定性，在后续挤压加工过程中控制晶粒长大，使镁合金力学性能大幅度提高，以该镁合金为原料能够制备出符合自行车车圈力学性能的镁合金型材，制得的镁合金型材的力学性能能够达到如下指标：σb≥380MPa，屈服强度：σ0.2≥260MPa，延伸率：δ≥12％；(2)本发明的镁合金车圈的制备方法摒弃了以往直接通过装销、插接进行车圈接口连接的方式，改用钻孔焊接的方式，制成的车圈接口结合部位强度大大提高，轮圈受压变形较小，完全能够满足自行车车圈使用要求。
附图说明
图1为本发明制备的用作自行车车圈的镁合金型材的截面图；
图2为本发明的镁合金车圈制备方法中卷圈工艺的简图；
图3为本发明的镁合金车圈制备方法中裁切工艺的简图；
图4为本发明的镁合金车圈制备方法中插销工艺的简图；
图5为制得的镁合金车圈接口处的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1制备镁合金型材
(1)配料
镁合金组分为：5.5％Zn、0.3％Zr、0.5％富钇混合稀土、余量为Mg；其中，富钇混合稀土中，各组分含量为：27.2Y％、18.1Nd％、14.6Gd％、13.4Dy％、11.8La％、7.1Ce％、4.5Pr％、2.3Ho％和1.1Er％。
其中，Mg、Zn以镁锭和锌锭的形式加入，且镁锭和锌锭压成小块，Zr以Mg-5Zr中间合金形式加入，富钇混合稀土以Mg-10Re稀土中间合金形式加入；
(2)熔炼
将配制好的镁锭放入坩埚炉中，镁锭上表面覆盖一层镁合金熔炼覆盖剂，加热炉料至720℃；待镁锭全部熔化后，分别加入锌块、Mg-5Zr中间合金和Mg-10Re稀土中间合金料块，待各组分融化后，用搅拌器对镁合金熔液进行充分搅拌，使镁合金熔液成分均匀；然后静置15min，用扒渣勺清除熔池表面覆盖剂，升温至740℃后，加入镁合金精炼剂，并用搅拌器对镁合金熔液充分搅拌，对镁合金进行精炼处理，去除镁合金液内部的气体和夹杂，然后静置降温至700℃准备浇铸；
(3)铸造：将降温至700℃的镁合金熔液浇铸到特定规格的镁合金半连续铸棒结晶器中，通过控制浇铸速度和结晶器下拉速度及冷却水流量使镁合金能够顺序凝固，最终形成10～12米的镁合金半连续铸棒。
(4)将镁合金铸棒和自行车车圈型材模具放入电阻加热炉中加热至300℃，将镁合金棒料从加热炉中取出放入事先预热至320℃的挤压机中进行车圈型材挤压生产，制得镁合金型材1，其截面如图1。
实施例2制备镁合金型材
(1)配料
镁合金组分为：6.0％Zn、0.6％Zr、2.0％富钇混合稀土、余量为Mg；其中，富钇混合稀土中，各组分含量为：26.1％Y、16.2％Nd、15.8％Gd、14.7％Dy、11.5％La、6.6％Ce、4.3％Pr、3.2％Ho和1.6％Er。
其中，Mg、Zn以镁锭和锌锭的形式加入，且镁锭和锌锭压成小块，Zr以Mg-5Zr中间合金形式加入，富钇混合稀土以Mg-10Re稀土中间合金形式加入；
(2)熔炼
将配制好的镁锭放入坩埚炉中，镁锭上表面覆盖一层镁合金熔炼覆盖剂，加热炉料至730℃；待镁锭全部熔化后，分别加入锌块、Mg-5Zr中间合金和Mg-10Re稀土中间合金料块，待各组分融化后，用搅拌器对镁合金熔液进行充分搅拌，使镁合金熔液成分均匀；然后静置15min，用扒渣勺清除熔池表面覆盖剂，升温至750℃后，加入镁合金精炼剂，并用搅拌器对镁合金熔液充分搅拌，对镁合金进行精炼处理，去除镁合金液内部的气体和夹杂，然后静置降温至680℃准备浇铸；
(3)铸造：将680℃的镁合金熔液浇铸到特定规格的镁合金半连续铸棒结晶器中，通过控制浇铸速度和结晶器下拉速度及冷却速度使镁合金能够顺序凝固，最终形成10～12米的镁合金半连续铸棒。
(4)将镁合金铸棒和自行车车圈型材模具放入电阻加热炉中加热至400℃，将镁合金棒料从加热炉中取出放入事先预热至380℃的挤压机中进行车圈型材挤压生产，制备出符合车圈力学性能的镁合金型材。
实施例3制备镁合金型材
(1)配料
镁合金组分为：5.8％Zn、0.5％Zr、1.2％富钇混合稀土、余量Mg；其中，富钇混合稀土中，各组分含量为：27.9％Y、17.8Nd％、14.7Gd％、13.3Dy％、10.6La％、6.1Ce％、4.2Pr％、3.1Ho％和2.3Er％。
其中，Mg、Zn以镁锭和锌锭的形式加入，且镁锭和锌锭压成小块，Zr以Mg-5Zr中间合金形式加入，富钇混合稀土以Mg-10Re稀土中间合金形式加入；
(2)熔炼
将配制好的镁锭放入电阻坩埚炉中，镁锭上表面覆盖一层镁合金熔炼覆盖剂，通电加热炉料至730℃；待镁锭全部熔化后，分别加入锌块、Mg-5Zr中间合金和Mg-10Re稀土中间合金料块，待各组分融化后，用搅拌器对镁合金熔液进行充分搅拌，使镁合金熔液成分均匀；然后静置15min，用扒渣勺清除熔池表面覆盖剂，升温至730℃，加入镁合金精炼剂，并用搅拌器对镁合金熔液充分搅拌，对镁合金进行精炼处理，去除镁合金液内部的气体和夹杂，然后静置降温至690℃准备浇铸；
(3)铸造：将690℃的镁合金熔液浇铸到特定规格的镁合金半连续铸棒结晶器中，通过控制浇铸速度和结晶器下拉速度及冷却速度使镁合金能够顺序凝固，最终形成10～12米的镁合金半连续铸棒。
(4)将镁合金铸棒和自行车车圈型材模具放入电阻加热炉中加热至350℃，将镁合金棒料从加热炉中取出放入事先预热至360℃的挤压机中进行车圈型材挤压生产，制备出符合车圈力学性能的镁合金型材。
实施例4制备镁合金型材
(1)配料
镁合金组分为：5.8％Zn、0.5％Zr、1.5％富钇混合稀土、余量Mg；其中，富钇混合稀土中，各组分含量为：29.8％Y、19.7％Nd、12.1％Gd、10.1％Dy、8.0％La、9.8％Ce、3.1％Pr、4.6％Ho和2.8％Er。
其中，Mg、Zn以镁锭和锌锭的形式加入，且镁锭和锌锭压成小块，Zr以Mg-5Zr中间合金形式加入，富钇混合稀土以Mg-10Re稀土中间合金形式加入；
(2)熔炼
将配制好的镁锭放入电阻坩埚炉中，镁锭上表面覆盖一层镁合金熔炼覆盖剂，通电加热炉料至700℃；待镁锭全部熔化后，分别加入锌块、Mg-5Zr中间合金和Mg-10Re稀土中间合金料块，待各组分融化后，用搅拌器对镁合金熔液进行充分搅拌，使镁合金熔液成分均匀；然后静置15min，用扒渣勺清除熔池表面覆盖剂，升温至740℃，加入镁合金精炼剂，并用搅拌器对镁合金熔液充分搅拌，对镁合金进行精炼处理，去除镁合金液内部的气体和夹杂，然后静置降温至690℃准备浇铸；
(3)铸造：将690℃的镁合金熔液浇铸到特定规格的镁合金半连续铸棒结晶器中，通过控制浇铸速度和结晶器下拉速度及冷却速度使镁合金能够顺序凝固，最终形成10～12米的镁合金半连续铸棒。
(4)将镁合金铸棒和自行车车圈型材模具放入电阻加热炉中加热至300℃，将镁合金棒料从加热炉中取出放入事先预热至300℃的挤压机中进行车圈型材挤压生产，制备出符合车圈力学性能的镁合金型材。
对实施例1～4制得的镁合金型材的力学性能进行测试，所得结果如下表1：
表1实施例1～3制得的镁合金型材的力学性能
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
抗拉强度 405Mpa 397MPa 393MPa 409MPa
屈服强度 296MPa 287MPa 295MPa 302MPa
延伸率 12.9％ 18.7％ 16.8％ 15.2％
实施例5制备镁合金车圈
以实施例3制得的镁合金型材为原料，制备镁合金车圈，步骤如下：
①下料：根据车圈直径尺寸确定所需要的镁合金型材长度，锯切下料；
②卷圈：如图2，将镁合金型材1放入卷圈设备轨道上，按照车圈直径调整设备参数卷圈；
③裁切：将卷好的车圈2放置在专用裁切设备4上，裁切掉车圈接口3附近多余的材料，如图3；
④插销：如图4，将车圈内衬连接片5插入车圈接口3处的镁合金型材内，然后将车圈放置在专用插销机上，利用插销机将车圈内衬连接片5完全压入车圈接口3内、使接头内压紧连接；
⑤钻孔：将连接好的车圈放置在车圈钻孔平台上固定好，自动钻辐条孔；
⑥焊接：在车圈安装轮胎的内侧接口两边15毫米处各钻一个5毫米直径的圆孔6，然后利用焊丝氩弧焊将车圈内衬连接片5与车圈2焊接固定，车圈接口处的结构如图5；
⑦清理毛刺：车圈焊接完成后，清理钻孔处及其它部位毛刺、倒角，完成车圈加工；
⑧热处理：将加工好的车圈放入热处理炉中，加热至200摄氏度保温2小时后出炉。
对比例
以实施例3制得的镁合金型材为原料，采用现有技术中的常规方法制备镁合金车圈，步骤如下：
①下料：根据车圈直径尺寸确定所需要的镁合金型材长度，锯切下料；
②卷圈：如图2，将镁合金型材放入卷圈设备轨道上，按照车圈直径调整设备参数卷圈；
③裁切：将卷好的车圈放置在专用裁切设备上，裁切掉车圈接口附近多余的材料，如图3；
④插销：如图4，将车圈内衬连接片涂胶后插入车圈接口处的镁合金型材内，然后将车圈放置在专用插销机上，利用插销机将车圈内衬连接片完全压入车圈接口内、使接头内压紧连接；
⑤清理毛刺：车圈焊接完成后，清理钻孔处及其它部位毛刺、倒角，完成车圈加工；
⑥热处理：将加工好的车圈放入热处理炉中，加热至200摄氏度保温1～2小时后出炉。
对实施例5和对比例制得的自行车车圈进行轮圈受压变形测试，检测标准为车圈在荷重500N下持压2min的变形量小于1mm；测试结果如表2，可以看到，实施例5制得的自行车车圈的变形量小于1mm，说明其满足自行车车圈使用要求；而对比例制得的自行车车圈的变形量大于1mm，显然，其轮圈受压变形超标。
表2车圈受压变形检测结果
实施例5 对比例
车圈受压变形量 0.425mm 2.351mm
结果判定 合格 不合格

Claims (9)

1.一种镁合金，其特征在于，按重量百分数计包括下述组分：Zn 5.5～6.0％、Zr 0.3～0.6％、富钇混合稀土0.5～2.0％，余量为Mg。
2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于，所述富钇混合稀土由Y和其他稀土元素组成，其中，Y的含量为25～30wt％。
3.根据权利要求2所述的镁合金，其特征在于，所述富钇混合稀土按重量百分数计包括下述稀土：Y 25～30％、Nd 15～20％、Gd 12～16％、Dy 10～15％和余量的其他稀土。
4.根据权利要求3所述的镁合金，其特征在于，所述富钇混合稀土由如下重量百分数的原料组成：Y 25～30％、Nd 15～20％、Gd 12～16％、Dy 10～15％、La 8～12％、Ce 6～10％、Pr 3～6％、Ho 2～5％和Er 1～3％。
5.一种用作自行车车圈的镁合金型材的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)根据权利要求1的镁合金的组分配方制备镁合金棒料；
2)将镁合金棒料和自行车车圈型材模具放入加热炉中加热至300～400℃，然后将镁合金棒料取出、放入事先预热至300～380℃的挤压机中进行车圈型材挤压生产，得到符合车圈力学性能的镁合金型材。
6.根据权利要求5所述的用作自行车车圈的镁合金型材的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述镁合金棒料的制备方法包括下述步骤：
(1)配料：根据镁合金棒料组分配方和熔炼重量配料，其中，Zr以Mg-5Zr中间合金形式加入，富钇混合稀土以Mg-10Re稀土中间合金形式加入；
(2)熔炼：将配制好的镁锭放入坩埚加热炉中，镁锭上表面覆盖一层镁合金熔炼覆盖剂，加热炉料至700～730℃，待镁锭全部熔化后，加入锌锭、Mg-5Zr中间合金和Mg-10Re稀土中间合金料块，搅拌、得到成分均匀的镁合金熔液；静置，清除熔池表面的熔炼覆盖剂，升温至730～750℃，加入镁合金精炼剂，充分搅拌、精炼后静置、降温至680～700℃准备浇铸；
(3)铸造：将降温至680～700℃的镁合金熔液浇铸到铸棒结晶器中，镁合金凝固、形成镁合金棒料。
7.一种镁合金车圈的制备方法，其特征在于，以权利要求5制备的镁合金型材为原料，该方法包括如下步骤：
(1)将所述镁合金型材锯切下料、卷圈，然后裁切掉车圈接口附近多余的材料；
(2)在车圈接口处的镁合金型材内插入车圈内衬连接片、并将其完全压入车圈接口内、使车圈接头压紧连接；
(3)在车圈接口两侧钻孔，孔自车圈安装轮胎的内侧深入车圈内衬连接片中，在开孔位置处焊接、将车圈内衬与车圈固定；
(4)清理毛刺、热处理，得到镁合金车圈。
8.根据权利要求7所述的制备镁合金车圈的方法，其特征在于，步骤(3)中，利用焊丝氩弧焊将车圈内衬与车圈焊接固定。
9.根据权利要求7所述的制备镁合金车圈的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述热处理是将清理毛刺后的车圈加热至200℃保温1～2h。
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