CN109097642A - 适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料及其制备方法，包括以下质量百分含量的组分：Mg：6.5wt％‑7wt％；Si：1.8wt％‑2.2wt％；Mn：0.2wt％‑0.8wt％；Cu：0.2wt％‑0.5wt％；Zn：0.1wt％‑0.5wt％；Fe：0.2wt％‑0.4wt％，其余杂质控制在0.01wt％以下，余量为Al。通过高固溶度快速冷却的方法，将大量的Mg、Si、Cu等元素固溶在Al基体中，从而在高强的同时保证材料的延伸率，抗拉强度350MPa，延伸率8‑10％。

Description

适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料及制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料，具体涉及适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料制备方法。
背景技术
铝合金一直是交通运输行业的重要材料之一，它广泛用于轨道交通行业——如动车组和高铁的车厢材料、线路支架和箱内座椅等；汽车行业——如发动机外壳、高级汽车面板、汽车轮毂等；随着国家对节能减排要求不断提高，一种铝合金新的用途正在自行车行业快速发展。自行车是人类近百年前发明的重要交通工具，但是多年来，自行车材料一直是钢铁加橡胶，包括外观基本没有得到很大改变。直到近年来，人民的生活质量不断提高，长途出行靠汽车，近距游玩用放在后备箱内的多功能折叠自行车，逐渐成为某些有车一族的时尚选择，这对自行车这一传统交通工具也提出更高的要求。
为了使自行车轻便自如，生产商对自行车材质进行了轻量化改进，如车圈采用铝合金6063挤压材；轮毂由钢毂改用6061铝合金冷锻件；前叉、曲柄、折叠合页用6061或7xxx系铝合金热锻制造；车骨架用7020铝合金挤压管材焊接等。采用铝合金轻量化后，一辆比赛用车，整车减重50％以上。
随着近年来共享单车的爆发性增长，对共享单车自行车的轻量化又提出了新的要求。在保证共享单车高强度高韧性的同时，还需要保持其造型美观、整车的质量轻量化、并且造价要低。而现有技术为锻造工艺，锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。但是对于目前形状和结构越来越复杂多变，个性化极强的共享单车来说，锻造生产成本高、周期长，外形变化难度大，因此急需开发一款适用于共享单车的高强高韧铝合金材料，并且同时可以采用压铸工艺降低产品成本，但是一般压铸成型的铝合金材料，抗拉强度一般为250-280MPa，延伸率一般为4-5％。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抗拉强度可达420-450MPa，延伸率可达16-20％的适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料及制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：Mg：6.5wt％-7wt％；Si：1.8wt％-2.2wt％；Mn：0.2wt％-0.8wt％；Cu：0.2wt％-0.5wt％；Zn：0.1wt％-0.5wt％；Fe：0.2wt％-0.4wt％，其余杂质控制在0.01wt％以下，余量为Al。
进一步优选：用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料，包括以下质量百分含量的组分：Mg：6.6wt％-6.8wt％；Si：1.9wt％-2.1wt％；Mn：0.3wt％-0.6wt％；Cu：0.3wt％-0.5wt％；Zn：0.2wt％-0.4wt％；Fe：0.3wt％-0.4wt％，其余杂质控制在0.01wt％以下，余量为Al。
再进一步优选：用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料，包括以下质量百分含量的组分：Mg：6.8wt％；Si：2.0wt％；Mn：0.56wt％；Cu：0.36wt％；Zn：0.18wt％；Fe：0.25wt％，其余杂质控制在0.01wt％以下，余量为Al。
上述适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，该方法为高固溶度快速冷却的方法，具体包括以下步骤：
(1)将高纯Al元素投入加热炉，并加热至600℃纯铝完全融化，并保温15min，升温至650℃后，加入Si、Mn、Fe单质元素；
(2)升温至700℃后，加入Al-Zn中间合金，并预加工为块状立方体，边长为10mm；
(3)升温至750℃后，加入Cu元素，由于Cu元素的熔点较高，采用Al-Cu中间合金，并预加工为纳米粉状，有利于其在材料中的快速均匀融化；
(4)当Cu元素全部溶解后，直接加入Mg元素，并关闭加热装置，由于Mg合金的的烧损较高，因此采用直接投入块状纯Mg材料；
(5)将得到的合金材料于700℃保温并隔绝空气，压入压铸模具中，模压成共享单车铝合金零部件，其中压入压铸模具的压射速度为4m/s，压铸模具的温度为150℃。
步骤(1)所述的Si、Mn、Fe单质元素均预加工为边长为10mm的小立方体，有助于材料快速均匀的溶解。
步骤(2)所述的Al-Zn中间合金将市售Zn锭和Al锭采用气流研磨机研磨成1-2mm颗粒，混合均匀后，在300-500Mpa压力下压制成边长为10mm的立方体，得到Al-Zn中间合金。
步骤(3)所述的Al-Cu中间合金采用直流电弧等离子蒸发法预制为Al-Cu纳米粉。预制原材料步骤为：先将原料(块状)放入反应室中作为电弧阳极，然后将整个设备的内部空间抽真空至5×10-2Pa，充入活性气体，通电起弧。调节电流和弧长以保持电弧稳定从而确保合适的蒸发速度。生成的纳米粉体最后沉积于反应室内壁上，对纳米粉体进行钝化后，即可通过收集室取出。通过该方法得到的Al-Cu中间合金呈四方晶系，表面光洁，能更好的掺入由于压铸拉长的晶粒缝隙，形成稳定的晶格形态，降低压铸稳定，提高最终合金的强度和韧性。
步骤(5)所述的压铸模具为模温机，其温度均匀保持在150℃。
通过高速、高压、高温度差的瞬间高固溶度快速冷却，从而达到将大量的Mg、Si、Cu等元素固溶在Al基体中，生产出达到高强高韧的共享单车铝合金零部件，其抗拉强度420-450MPa，延伸率可达16-20％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的高强高韧压铸铝合金，利用了Si元素和Cu元素在铝合金中高过冷度快速固溶，在铝合金中形成了过饱和固溶体。这种过饱和固溶体与普通的Mg2Si增强相及Al2Cu增强相的区别是，普通的第二相，一般分布在晶界处，对位错的滑移起着阻碍作用，在快速提升材料强度的同时，也会显著降低材料的韧性，导致材料提前的断裂。而采用过饱和固溶体增强的形式的这些材料，是在晶体内部形成了晶体畸变，从而增加材料的内应力增强，提升材料的弹性模量和屈服强度，并且同时这样的铝合金材料并没有改变其组织结构，也没有大量的第二相或硬质颗粒点，因而，其材料的韧性和延伸率均不会受到明显的影响，使得材料的综合性能得到显著的提升。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1-3
一种适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料的制备方法，该方法为高固溶度快速冷却的方法，具体包括以下步骤：
(1)将高纯Al元素投入加热炉，并加热至600℃纯铝完全融化，并保温15min，升温至650℃后，加入Si、Mn、Fe单质元素；所述的Si、Mn、Fe单质元素均预加工为边长为10mm的小立方体，有助于材料快速均匀的溶解。
(2)升温至700℃后，加入Al-Zn中间合金，并预加工为块状立方体，边长为10mm；所述的Al-Zn中间合金将市售Zn锭和Al锭采用气流研磨机研磨成1-2mm颗粒，混合均匀后，在300-500Mpa压力下压制成边长为10mm的立方体，得到Al-Zn中间合金。
(3)升温至750℃后，加入Cu元素，由于Cu元素的熔点较高，采用Al-Cu中间合金，并预加工为纳米粉状，有利于其在材料中的快速均匀融化；所述的Al-Cu中间合金采用直流电弧等离子蒸发法预制为Al-Cu纳米粉。预制原材料步骤为：先将原料(块状)放入反应室中作为电弧阳极，然后将整个设备的内部空间抽真空至5×10-2Pa，充入活性气体，通电起弧。调节电流和弧长以保持电弧稳定从而确保合适的蒸发速度。生成的纳米粉体最后沉积于反应室内壁上，对纳米粉体进行钝化后，即可通过收集室取出。通过该方法得到的Al-Cu中间合金呈四方晶系，表面光洁，能更好的掺入由于压铸拉长的晶粒缝隙，形成稳定的晶格形态，降低压铸稳定，提高最终合金的强度和韧性。
(4)当Cu元素全部溶解后，直接加入Mg元素，并关闭加热装置，由于Mg合金的的烧损较高，因此采用直接投入块状纯Mg材料；
(5)将得到的合金材料于700℃保温并隔绝空气，压入压铸模具中，模压成共享单车铝合金零部件，其中压入压铸模具的压射速度为4m/s，压铸模具的温度为150℃。所述的压铸模具为模温机，其温度均匀保持在150℃。
表1实施例1-3合金化学成分(重量百分数，wt％)
将上述各实施例进行性能测试，结果如下表所示
测试标注：按照GB/T 228.1-2010规定
测试设备：美斯特MTS CMT5105拉伸试验机
测试方法和过程：
1.制备满足国家标准的拉伸试样
2.在拉伸试样上选择合适的标距段
3.在拉伸机上装上待测样品，等待测试结束读出抗拉强度与屈服强度值
4.测试结束后测量标距段长度变化，读出延伸率值
可以看出本发明的合金材料的可实施性高，并且制备方法简单，可重复性高，适用于大规模批量应用，并且其材料的强度和韧性远远高于普通的压铸铝合金ADC12和A380材料，其抗拉强度可达420-450MPa，延伸率可达16-20％。
另外，本发明是适用于共享单车的高强韧压铸合金材料，但不局限于此范围，采用等同编号或等效替换而形成的技术方案，均落在本发明专利的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：Mg：6.5wt％-7wt％；Si：1.8wt％-2.2wt％；Mn：0.2wt％-0.8wt％；Cu：0.2wt％-0.5wt％；Zn：0.1wt％-0.5wt％；Fe：0.2wt％-0.4wt％，其余杂质控制在0.01wt％以下，余量为Al。
2.根据权利要求1所述适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：Mg：6.6wt％-6.8wt％；Si：1.9wt％-2.1wt％；Mn：0.3wt％-0.6wt％；Cu：0.3wt％-0.5wt％；Zn：0.2wt％-0.4wt％；Fe：0.3wt％-0.4wt％，其余杂质控制在0.01wt％以下，余量为Al。
3.根据权利要求1所述适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：Mg：6.8wt％；Si：2.0wt％；Mn：0.56wt％；Cu：0.36wt％；Zn：0.18wt％；Fe：0.25wt％，其余杂质控制在0.01wt％以下，余量为Al。
4.一种如权利要求1所述的适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，该方法为高固溶度快速冷却的方法，具体包括以下步骤：
(1)将高纯Al元素投入加热炉，并加热至600℃纯铝完全融化，并保温15min，升温至650℃后，加入Si、Mn、Fe单质元素；
(2)升温至700℃后，加入Al-Zn中间合金，并预加工为块状立方体，边长为10mm；
(3)升温至750℃后，加入Cu元素，由于Cu元素的熔点较高，采用Al-Cu中间合金，并预加工为纳米粉状，有利于其在材料中的快速均匀融化；
(4)当Cu元素全部溶解后，直接加入Mg元素，并关闭加热装置，由于Mg合金的的烧损较高，因此采用直接投入块状纯Mg材料；
(5)将得到的合金材料于700℃保温并隔绝空气，压入压铸模具中，模压成共享单车铝合金零部件，其中压入压铸模具的压射速度为4m/s，压铸模具的温度为150℃。
5.根据权利要求4所述的适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的Si、Mn、Fe单质元素均预加工为边长为10mm的小立方体，有助于材料快速均匀的溶解。
6.根据权利要求4所述的适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的Al-Zn中间合金将市售Zn锭和Al锭采用气流研磨机研磨成1-2mm颗粒，混合均匀后，在300-500Mpa压力下压制成边长为10mm的立方体，得到Al-Zn中间合金。
7.根据权利要求4所述的适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的Al-Cu中间合金采用直流电弧等离子蒸发法预制为Al-Cu纳米粉。
8.根据权利要求4所述的适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的压铸模具为模温机，其温度均匀保持在150℃。
9.根据权利要求4所述的适用于共享单车的高强高韧压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，所得压铸铝合金材料的抗拉强度420-450MPa，延伸率16-20％。
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