CN108715957A - 一种汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明适用铝合金技术领域，尤其涉及一种汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料及其制备工艺，所述复合材料组分比例按重量百分数计：镁为1.7‑2.7％，硅为18‑25％，锌为6.5％‑8.0％，铜为5‑6％，磷为0.1‑0.2％，钪为0.1‑5％，锆0.1‑1％，余量由铝和不可避免的杂质组成。通过直流磁溅射方式获得纯铝以及具有纳米尺寸的2.5％质量分数的Fe含量的Al‑Fe合金，使得铁溶质进入Al能够在Al(Fe)固溶体中形成具有高密度柱状晶粒；通过控制铜、镁及锌的量，解决了现有汽车变速器壳铝合金材料使用过程中强度低，容易变形等的问题，同时，通过控制硅的用量范围和尺寸，并添加锆和钪，从而进一步改善铝合金的机械加工性和耐磨性。

Description

一种汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料及其制备工艺
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，尤其涉及一种汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料及其制备工艺。
背景技术
铝是地壳中蕴藏量最多的金属元素之一，其总储量约占地壳质量的。目前，铝及铝合金的产量己在金属材料中居第二位，仅次于钢铁材料，是有色金属材料中用量最多、应用范围最广的材料。一般来说，纯铝具有高导热性、高导电性、抗腐蚀性、低密度、易于铸造、切削及加工成型等优点，但是强度低，机械性能较差。当在铝合金中加入各种合金元素以后，实现合金化以后，铝合金的机械性能得到了大幅度的提高，如，具有高的比强度、比刚度、断裂韧性和疲劳强度等，同还保持了良好的铸造性能和高的耐腐蚀性。利用铝合金代替钢铁材料可以大大减轻零构件的重量，增加结构的稳定性，其中一系合金是铸造铝合金中最重要、品种最多的一个系列。它具有流动性好、铸件致密、不易产生铸造裂纹，抗腐蚀和切削加工性能优良，是理想的铸造合金，己成为制造业中最受重视的结构材料之一，在航空、航天、汽车、机械、化工等行业领域得到了非常广泛的应用。
随着近年来汽车、船舶、航空、家电、摩托车等产业的迅速发展，铝合金，特别是铝硅一系合金以其重量轻、强度高的力学性能和优良的加工性能，已经成为铸造业中最受重视的结构材料之一。它们已被广泛用于变速器壳、制动器、操纵系统、汽缸体、轮毅、活塞等。在铸造一硅铝合金的过程中，由于容易生成粗大的针片状或板状共晶相，严重地割裂了一相，造成局部区域的应力集中，使铸造合金的力学性能和加工性能恶化，特别是塑性显著降低，切削性能变差。因此，研制经济、高效、环保的变质剂和晶粒细化材料，以及铝合金熔体物理净化材料与装置，是获得优质铝合金铸造部件的关键技术之一，具有重要的理论意义和巨大的经济价值。高强度铝合金具有优异的性能，如高机械性能，耐腐蚀性和重量轻。高强度铝合金是实现改进性能的最佳选择，其中包括高机械性能和低重量。随着全球汽车行业轻量化和高效材料需求的不断增长，高强度铝合金市场也将增长，因为铝可以将汽车零部件和整个车身的重量减轻高达50％。
汽车对变速器壳材料性能要求苛刻，如很高的强度，优良的冲击任性以及良好的耐磨性能和耐疲劳性能。目前高档桥车已都使用铝合金变速器壳，西方发达国家的铝合金变速器壳生产工艺已基本成熟，但对新的铝合金变速器壳材料的研究仍然方兴未艾。但是现有的铝合金材料在加工过程中很难达到标准要求，铝液清渣难，杂质多，成分易偏析，制造成本高，在使用过程中其强度较低，变速器壳容易变形。
发明内容
本发明实施例提供一种汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料及其制备工艺，旨在解决现有汽车变速器壳铝合金材料使用过程中强度低，容易变形，不耐磨等的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料，其组分比例按重量百分数计：镁为1.7-2.7％，硅为18-25％，锌为6.5％-8.0％，铜为5-6％，铁为2.5％，磷为0.1-0.2％，钪为0.1-5％，锆0.1-1％，余量由铝和不可避免的杂质组成。
优选地，所述复合材料组分比例按重量百分数计：镁为2.2％，铁为2.5％，硅为20％，锌为7.0％，铜为5.2％，磷为0.1％，钪为0.8％，锆0.6％，余量由铝和不可避免的杂质组成。
优选地，所述复合材料包含硅相，其中所述复合材料中的硅相的尺寸为10-50μm。
优选地，90％的硅相尺寸为20-40μm。
优选地，所述铁及铝为纳米尺寸。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种用于制作上述复合材料的制备工艺，所述制备工艺包括如下步骤，按照镁为1.7-2.7％，硅为18-25％，锌为6.5％-8.0％，铜为5-6％，Fe为2.5％，磷为0.1-0.2％，钪为0.1-5％，杂质控制在小于等于0.02wt％，其余为铝的比例进行称量；
通过直流磁溅射方式获得纯铝以及具有纳米孪晶的2.5％质量分数的Fe含量的Al-Fe合金，再将Al-Fe合金、金属硅加入导电炉中制备母合金，将温度保持在700至750℃，在完全熔化和炉渣处理后进行搅拌，并将炉渣仪器在250℃下预热30分钟以防止气体混合；
再将铜、75wt％铝及镁等成分快速，准确和安全地添加，完全熔化后进行炉渣处理；
升温至840-880℃后，加入铝-铜-磷合金使初晶硅微细化，并保持30-120分钟；
同时添加锆以微粉化共晶硅，进行炉渣处理，并搅拌10-30分钟；
将钪添加到熔融铝中，将铝材料加热至500℃至650℃的温度8小时至12小时，使得至少一部分钪溶解在整个铝材料中以形成铝合金并淬火铝合金，使得钪在整个铝合金中保持溶解；
再进行炉渣处理，并搅拌10到30分钟；然后进行脱矿和矿渣处理而不搅拌熔体；
将脱模剂施加到模具的内表面；
模具在250℃下预热30分钟，并将熔体倒入模具中以制备试样。
优选地，所述铁和铝经低温球磨获得纳米尺寸。
本发明取得的有益效果：
本发明中通过直流磁溅射方式获得纯铝以及具有纳米尺寸的2.5％质量分数的Fe含量的Al-Fe合金，使得铁溶质进入Al能够在Al(Fe)固溶体中形成具有高密度柱状晶粒；通过控制铜、镁及锌的量，解决了现有汽车变速器壳铝合金材料使用过程中强度低，容易变形等的问题，同时，通过控制硅的用量范围和尺寸，并添加锆和钪，从而进一步改善铝合金的机械加工性和耐磨性。
附图说明
图1是现有技术提供的纯Al膜横截面的TEM图；
图2是本发明实施例提供的Al-2.5wt％Fe膜横截面的TEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例是这样实现的，一种汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料，优选地，其组分比例按重量百分数计：镁为1.7-2.7％，硅为18-25％，锌为6.5％-8.0％，铜为5-6％，铁为2.5％，磷为0.1-0.2％，钪为0.1-5％，锆0.1-1％，余量由铝和不可避免的杂质组成。
优选地，其包含硅相，其中所述硅相的尺寸为10至50微米。
优选地，90％的硅相尺寸为20-40μm。
优选地，所述铁及铝为纳米尺寸。
一种汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料的制备工艺，它包括如下步骤，按照镁为1.7-2.7％，硅为18-25％，锌为6.5％-8.0％，铜为5-6％，铁为2.5％，磷为0.1-0.2％，钪为0.1-5％，杂质控制在小于等于0.02wt％，其余为铝的比例进行称量，通过直流磁溅射方式获得纯铝以及具有纳米孪晶的2.5％质量分数的Fe含量的Al-Fe合金，再将Al-Fe合金、金属硅(纯度：98％)加入导电炉中制备母合金，将温度保持在700至750℃，在完全熔化和炉渣处理后进行搅拌，并将炉渣仪器在250℃下预热30分钟以防止气体混合。再将铜(纯度98％)、75wt％铝及镁(镁包裹在铝箔中并在炉盖上预热)等成分快速，准确和安全地添加，完全熔化后进行炉渣处理。升温至840-880℃后，加入铝-铜-磷合金使初晶硅微细化，并保持30-120分钟。同时添加锆以微粉化共晶硅，进行炉渣处理，并搅拌10到30分钟。将钪添加到熔融铝中，将铝材料加热至500℃至650℃的温度8小时至12小时，使得至少一部分钪溶解在整个铝材料中以形成铝合金并淬火铝合金，使得钪在整个铝合金中保持溶解。再进行炉渣处理，并搅拌10到30分钟。然后进行脱矿和矿渣处理而不搅拌熔体。将脱模剂施加到模具的内表面。模具在250℃下预热30分钟，并将熔体倒入模具中以制备试样。
优选地，所述铁和铝经低温球磨获得纳米尺寸。
在一些实施例中，通过直流磁溅射方式获得纯铝以及具有纳米尺寸的不同Fe含量的Al-Fe合金。首先通过单向压缩和纳米压痕测试了合金的力学性能同时借助TEM、SEM、分子动力学模拟等手段研究了变形前后合金显微结构变化。纯铝及2.5wt％Al-Fe合金的微结构如图1和2所示。
本发明实施例中通过直流磁溅射方式获得纯铝以及具有纳米尺寸的2.5％质量分数的Fe含量的Al-Fe合金，使得铁溶质进入Al能够在Al(Fe)固溶体中形成具有高密度柱状晶粒；通过控制铜、镁及锌的量，解决了现有汽车变速器壳铝合金材料使用过程中强度低，容易变形等的问题，同时，通过控制硅的用量范围和尺寸，并添加锆和钪，从而进一步改善铝合金的机械加工性和耐磨性。
实施例2
在本发明中，硅的用量范围为18.0-25.0wt％，如果含量低于或超过此范围，其耐磨性可能会降低。硅的尺寸被控制在10到50微米，并且90％的相被控制在20到40微米，从而改善机械加工性和耐磨性。另外，铜和镁的用量范围为5.0-6.0wt％和1.7至2.7wt％，因此其强度通过形成诸如CuAl2和Mg2Si的沉淀物而增加。如果含量低于或超过这些范围，其强度可能会降低或成本可能会增加。即使在较高的浓度下，Zn成分也难以降低挤出性，以质量％计，全部为高强度时优选为6.0％以上。但是，添加量超过8.0％时，耐应力腐蚀开裂性降低。因此，Zn成分优选为6.0～8.0％的范围。为了将Mg含量抑制得较小，优选将Zn成分抑制在6.5％以上且8.0％以下。镁组分对提高强度的效果最大。因此，Mg含量优选在1.50至2.70％的范围内。为了确保拉伸强度和达到0.2％屈服强度，Mg的下限优选为1.7％，上限为2.70％。磷的用量范围为0.1至0.2wt％，以通过微粉化并均匀分散初级硅来提高铝合金的机械加工性和耐磨性。
通过添加锆使硅组织微细化，铝合金的耐磨性提高。如果添加剂或添加剂以足够低的浓度存在于金属基体中，那么添加剂或添加剂可以分散在整个金属基体中，使得添加剂或添加剂的单个原子遍布晶体结构，或者在原生形成基质的组分或通过替换主要组分的原子。与没有弥散体的相同铝合金相比，适当浓度的弥散体可以增加铝合金的强度。
实施例3
一种汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料的制备工艺，它包括如下步骤，按照镁为2.2％，铁为2.5％，硅为20％，锌为7.0％，铜为5.2％，磷为0.1％，钪为0.8％，锆0.6％，杂质控制在小于等于0.02wt％，其余为铝的比例进行称量，通过直流磁溅射方式获得纯铝以及具有纳米孪晶的2.5％质量分数的Fe含量的Al-Fe合金，再将Al-Fe合金、金属硅(纯度：98％)加入导电炉中制备母合金，将温度保持在750℃，在完全熔化和炉渣处理后进行搅拌，并将炉渣仪器在250℃下预热30分钟以防止气体混合。再将铜(纯度98％)75wt％铝及镁(镁包裹在铝箔中并在炉盖上预热)等成分快速，准确和安全地添加，完全熔化后进行炉渣处理。升温至880℃后，加入铝-铜-磷合金使初晶硅微细化，并保持30-120分钟。同时添加锆以微粉化共晶硅，进行炉渣处理，并搅拌10到30分钟。将钪添加到熔融铝中，将铝材料加热至500℃至650℃的温度12小时，使得至少一部分钪溶解在整个铝材料中以形成铝合金并淬火铝合金，使得钪在整个铝合金中保持溶解。再进行炉渣处理，并搅拌10到30分钟。然后进行脱矿和矿渣处理而不搅拌熔体。将脱模剂施加到模具的内表面。模具在250℃下预热30分钟，并将熔体倒入模具中以制备试样。
实施例4
在一些实施例中，与不含弥散质钪的相同铝合金相比，低弥散质钪的浓度可足以增加Al合金的强度。
将钪添加到上述熔融铝中，将铝材料加热至500℃至650℃的温度9小时，使得至少一部分钪溶解在整个铝材料中以形成铝合金并淬火铝合金，使得钪在整个铝合金中保持溶解。再进行炉渣处理，并搅拌30分钟。然后进行脱矿和矿渣处理而不搅拌熔体。将脱模剂施加到模具的内表面。模具在250℃下预热30分钟，并将熔体倒入模具中以制备试样。
本次铝合金的力学性能表征主要选择测试成品的压缩性能。通过使用万能材料试验机(WD-5A)，加载速率为5mm/min。记录样品的应力-形变图，取应力-形变曲线中K值为2％时的应力，将其除以样品的横截面积，即可求得压缩强度。
所有力学性能的测试均参照ISO 5833国际标准进行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料，其特征在于：所述复合材料组分比例按重量百分数计：镁为1.7-2.7％，铁为2.5％，硅为18-25％，锌为6.5％-8.0％，铜为5-6％，磷为0.1-0.2％，钪为0.1-5％，锆0.1-1％，余量由铝和不可避免的杂质组成。
2.根据权利要求1所述的铝合金复合材料，其特征在于，所述复合材料组分比例按重量百分数计：镁为2.2％，铁为2.5％，硅为20％，锌为7.0％，铜为5.2％，磷为0.1％，钪为0.8％，锆0.6％，余量由铝和不可避免的杂质组成。
3.根据权利要求1所述的汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料，其特征在于，所述复合材料包含硅相，其中所述复合材料中的硅相的尺寸为10-50μm。
4.根据权利要求3所述的汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料，其特征在于，90％的硅相尺寸为20-40μm。
5.根据权利要求1所述的汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料，其特征在于，铁及铝为纳米尺寸。
6.一种用于制备权利要求1～5任一项所述的汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料的制备工艺，其特征在于：所述制备工艺包括如下步骤，按照镁为1.7-2.7％，硅为18-25％，锌为6.5％-8.0％，铜为5-6％，Fe为2.5％，磷为0.1-0.2％，钪为0.1-5％，杂质控制在小于等于0.02wt％，其余为铝的比例进行称量；
通过直流磁溅射方式获得纯铝以及具有纳米孪晶的2.5％质量分数的Fe含量的Al-Fe合金，再将Al-Fe合金、金属硅加入导电炉中制备母合金，将温度保持在700至750℃，在完全熔化和炉渣处理后进行搅拌，并将炉渣仪器在250℃下预热30分钟以防止气体混合；
再将铜、75wt％铝及镁等成分快速地添加，完全熔化后进行炉渣处理；
升温至840-880℃后，加入铝-铜-磷合金使初晶硅微细化，并保持30-120分钟；
同时添加锆以微粉化共晶硅，进行炉渣处理，并搅拌10-30分钟；
将钪添加到熔融铝中，将铝材料加热至500℃至650℃的温度8小时至12小时，使得至少一部分钪溶解在整个铝材料中以形成铝合金并淬火铝合金，使得钪在整个铝合金中保持溶解；
再进行炉渣处理，并搅拌10到30分钟；然后进行脱矿和矿渣处理而不搅拌熔体；
将脱模剂施加到模具的内表面；
模具在250℃下预热30分钟，并将熔体倒入模具中以制备试样。
7.根据权利要求6所示的汽车变速器壳用高强度铝合金复合材料的制备工艺，其特征在于，所述复合材料中的铁和铝经低温球磨获得纳米尺寸。
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