CN109735751B

CN109735751B - 一种摩托车用高强高韧压铸铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN109735751B
Application number: CN201910173132.7A
Authority: CN
Inventors: 刘建平; 邓乾昆; 姚玉兰; 安博; 吕辉
Original assignee: Zhejiang Wanfeng Motorcycle Wheels Co ltd
Current assignee: Zhejiang Wanfeng Motorcycle Wheels Co ltd
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2039-03-07
Also published as: CN109735751A

Abstract

本发明公开了一种摩托车用高强高韧压铸铝合金。按照质量百分比计，该压铸铝合金包括以下组分：锌4.0％～6.0％，钇1.0％～2.0％，硅3.0％～5.0％，钪0.3％～0.4％，锆0.1％～0.2％，镁0.20.4％，铁≤0.25％，杂质≤0.20％，余量为铝。本发明还公开了该压铸铝合金制品的制备方法，其包括选取原料并进行配比，将原料混合后熔炼获得合金熔体，将合金熔体浇注入压铸机压射室压铸成铝合金制品。经测试，压铸的铝合金摩托车轮毂具有高强度和高韧性，铸态下的抗拉强度在300‑320MPa之间，伸长率在7％以上。

Description

一种摩托车用高强高韧压铸铝合金及其制备方法

技术领域：

本发明涉及金属材料及其铸造领域，具体涉及一种摩托车用高强高韧压铸铝合金及其制备方法。

背景技术：

轮毂等零部件是摩托车承载的重要安全部件，行驶过程中除受正压力外，还承受气动、制动时扭矩的交互作用以及转弯、冲击等来自各方向的不规则受力。轮毂等零部件的品质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，因此，要求轮毂等零部件具有强度高、韧性好、疲劳强度高、尺寸和形状精度高、质轻等综合性能。基于此，如何选择摩托车轮毂等零部件所用材料以及具体的制备工艺是制得综合性能优异的产品的关键。

目前，国内外生产摩托车轮毂等零部件的主要方法有金属型重力铸造、低压铸造和压力铸造。对于轮毂的金属型重力铸造，为减少缩孔、缩松缺陷，通常需要在轮辐轮缘交接的热结处及中心厚大部位设置冒口，导致工艺出品率低(40～60％)，而且该方法制造的轮毂的外部质量和内部质量均低于低压铸造和压力铸造。对于低压铸造，金属熔体在数倍大气压的作用下充型补缩，无需在轮辐上设置冒口，不仅减少了缩孔缩松，而且极大地提高了工艺出品率(90％左右)，但低压铸造生产周期长、设备投资大，生产成本比金属型重力铸造高得多。压力铸造简称压铸，是一种将液态金属在高速状态下快速填充金属型腔，并且在压力下(20～200MPa)凝固的成形方法，具有生产周期短、效率高、工艺出品率高等优点。压铸获得的零件不仅外部轮廓清晰、尺寸精度高，而且内部组织细小、力学性能优良。然而，压铸充型过程中金属液的卷气现象难以避免，最终在铸件内部产生大量气孔，导致铸件韧性下降，严重影响压铸工艺在摩托车轮毂上的应用。因此，有必要开发适合摩托车轮毂的压铸新材料和压铸新工艺，使铸件在获得高强度的同时兼具良好的韧性，以满足摩托车轮毂的使用要求。

目前已工业应用的压铸铝合金主要是Al-Si系和Al-Mg系合金。在Al-Si系合金中，Si元素是主要的合金元素，Si的加入可提高合金的流动性、抗拉强度、硬度和耐磨性，除Si外，这类合金中的其它合金元素含量较少，已应用的合金牌号有ADC1、YL101、YL102等。为进一步提高强度，在Al-Si系合金基础上发展了Al-Si-Mg和Al-Si-Cu系合金。Al-Si-Mg系主要包括ADC3、A360、YL104等，Al-Si-Cu系主要包括ADC10、ADC12、A380、YL112、YL113等合金。虽然Cu、Mg等合金元素加入后Al-Si压铸合金的强度可提高到300Mpa以上，但韧性较差，室温下的断后伸长率通常在2％以下，难以满足摩托车轮毂的使用要求。另一类压铸铝合金为Al-Mg系合金，例如ADC5，A518等。该类合金具有较高的强度和良好的韧性，一些合金的伸长率甚至可以达到10％以上。在Al-Mg系基础上，还开发了Al-Mg-Si系铝合金，例如ADC6、A516、YL302等合金。虽然Al-Mg系和Al-Mg-Si系压铸铝合金具有较高的强度和韧性，但熔炼时氧化严重，而且存在铸造性能较差、力学性能波动大、壁厚效应明显以及铸件热裂倾向大等问题，不适于制作摩托车轮毂。

专利CN201811282229.3公开了一种压铸铝合金及其制备方法和应用，按照质量百分比计，该铝合金包括以下组分：锰0.25％～0.60％，锡0.05％～0.20％，硅8.5％～9.0％，镁0.20％～0.30％，锑0.05％～0.20％，锆0.12％～0.20％，铁≤0.20％，杂质≤0.20％，余量为铝。本发明还公开了该压铸铝合金产品的铸造方法，其包括选取原料并进行配比，将原料混合后熔炼获得合金熔体，将合金熔体浇注入压铸机高压压铸成形获得所需的产品。通过本发明，获得的铝合金力学性能好，具有高韧性和高强度，产品制造方法简单，应用于摩托车轮毂等零件的生产。虽然该发明制得的压铸铝合金的制备方法较为简单，但是其力学性能还需要进一步改善。

专利CN201811381851.X公开了一种汽车用高韧性高强度铝合金轮毂及其制造方法，所述铝合金轮毂中各成分的质量百分比为：Si：3.3～4.8％、Mg：1.2～1.7％、Mn：0.45～0.7％、V：0.2～0.6％、Ti：0.35～0.7％、Zr：0.05～0.13％、RE：0.05～0.12％、余量为Al；所述RE由Yb、Pr、Nd、Sc组成，Yb、Pr、Nd、Sc的质量比为1：0.2～0.6：0.3～0.8：0.6～1.2；其制造方法包括熔炼、精炼、浇铸、固溶处理、深冷处理、时效处理等步骤，制造得到的铝合金轮毂组织均匀、致密，韧性高、强度高，耐腐蚀性能好，尺寸稳定性高，综合性能优异，使用寿命长，具有很好的应用前景。该发明制得的铝合金虽然良好的力学性能，但是制备工艺较复杂，制备成本大大提高。

因此，具有良好综合机械性能和铸造性能的摩托车轮毂等零部件专用压铸铝合金，对于推广压铸工艺在摩托车制造领域的应用具有重要意义。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是现有技术中压铸铝合金力学性能较差，制备成本较高问题，为了解决该问题，本发明提供了一种力学性能优异且铸造性能佳的压铸铝合金，通过对压铸铝合金中各元素的种类及其用量进行优化，制得的压铸铝合金在具有高强度的同时，还具有良好的韧性，符合摩托车等零部件对结构材料的要求。且该材料制备方法简单，特别适合轮毂的压铸生产，具有良好的应用前景。

为了更好的解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种摩托车用高强高韧压铸铝合金，按照质量百分比计，包括以下组分：

锌4.0％～6.0％，钇1.0％～2.0％，硅3.0％～5.0％，钪0.3％～0.4％，锆0.1％～0.2％，镁0.2％～0.4％，铁≤0.25％，杂质≤0.2％，余量为铝。

作为上述技术方案的优选，所述杂质为钒、钙、铬、锑、锡、镍和铅中的一种或多种混合。

一种摩托车用高强高韧压铸铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)选取纯铝、纯锌、纯镁和中间合金作为制备铝合金的原材料；

(2)将步骤(1)所述的原材料混合并进行熔炼，获得合金熔体；

(3)将步骤(2)所述合金熔体浇注到压铸机的压射室中进行压铸成形，制得产品。

作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述中间合金包括Al-10％Y、Al-20％Si、Al-10％Sc和Al-10％Zr。

作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，熔炼的温度为710℃～740℃。

作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，熔炼过程中采用不含Fe的碳化硅材料坩埚、石墨材料坩埚或混合材料坩埚进行熔炼。

作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，获得合金熔体后对合金熔体采用旋转吹氩气进行精炼，达到除气除杂的目的。

作为上述技术方案的优选，旋转吹气过程中，合金熔体的温度为700～730℃。

作为上述技术方案的优选，压铸成形前，首先将模具预热至180～220℃，合金熔体的浇注温度为600～680℃。

作为上述技术方案的优选，压铸成形时压铸机的压射速度为4.0～6.0m/s，压射压力为40MPa～80MPa。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过有效调节铝合金中各元素的质量百分比，使得制得的压铸铝合金兼具有优异的力学性能以及良好的铸造性能，主要由于合金元素Zn和Y的强化作用，合金元素Si的最佳添加范围，高效细化变质元素Sc和Zr的交互作用，以及熔炼过程中通过采用非铸铁坩埚来严格控制Fe含量，使该铝合金获得高强度的同时具有良好的韧性。而且该合金无需通过固溶热处理仅在铸态下就能获得高的抗拉强度、屈服强度和伸长率，满足摩托车轮毂的综合性能要求。

本发明提供的铝合金产品的制备方法，利用现有的压铸机及常规的压铸成形方法，通过控制压射速度、压射压力、压铸模具的预热温度等工艺参数，就可获得含气量低、力学性能优异的铝合金压铸件，制备过程简单，操作方便，制备成本低。

具体实施方式：

为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。

本发明公开了一种摩托车用压铸铝合金，该压铸铝合金按照质量百分比计，包括以下组分，锌4.0％～6.0％，钇1.0％～2.0％，硅3.0％～5.0％，钪0.3％～0.4％，锆0.1％～0.2％，镁0.2％～0.4％，铁≤0.25％，杂质≤0.2％，余量为铝。

所述不可避免的杂质含有：钒、钙、铬、锑、锡、镍和铅。

所述铝合金材料可以为(质量百分数)：锌：5.0％、钇：2.0％，硅：5.0％、钪0.35％、镁0.3％，锆0.12％、铁：≤0.25％，杂质≤0.20％，余量为铝。

所述铝合金材料可以为(质量百分数)：锌：6.0％、钇：1.5％，硅：4.5％、钪0.4％、镁0.4％，锆0.15％、铁：≤0.25％，杂质≤0.20％，余量为铝。

所述铝合金材料可以为(质量百分数)：锌：4.5％、钇：1.0％，硅：5.0％、钪0.3％、锆0.10％、镁0.2％，铁：≤0.25％，杂质≤0.20％，余量为铝。

本发明对摩托车用压铸铝合金的配方进行优化，加入钇作为稀土元素，其可以有效净化铝液，改善合金的流动冲型能力，从而提高铸件的力学性能。钇还可以起到良好的固溶强化作用，当钇含量较高时，会偏聚在相界、晶界和枝晶晶界处而形成稳定的Al₃Y相，对基体起到很好的钉扎强化作用，从而提高材料的抗拉强度和屈服强度。

根据本公开，本发明在压铸铝合金中加入锌元素，锌元素在铝中具有很大的溶解度，在铸造冷却凝固过程中不发生分解，可获得显著的固溶强化效果，因此在铸造条件下，锌元素和镁元素的加入对铝合金有自然时效作用，即“自行淬火”，不经热处理就可使铸件获得较高的强度。但锌加入量过大时容易使铸件产生热裂纹，通常配以适量的硅元素减小热裂倾向。

根据本公开，本发明在压铸铝合金中加入硅元素，硅在铝中的溶解度很小，通常在铝合金中形成细小的共晶Si相，能有效阻碍基体的位错运动，从而提高材料的抗拉强度和屈服强度，由于Si相是脆性相，当含量较高时，又会降低合金的伸长率，因此，要根据材料的使用性能要求合理控制硅含量。在压铸合金中添加硅元素的另一个重要作用就是提高合金的铸造性能，如提高流动性、降低热裂倾向等。这也是本发明添加硅元素的原因，为保证熔体铸件良好的韧性，硅含量控制在3.0％～5.0％。硅元素与锌元素相互协同，有效改善了铝合金的力学性能。

根据本公开，本发明在压铸铝合金中加入微量的钪和锆，可显著提升合金的强度和韧性。主要原因为：钪能与铝反应形成Al₃Sc相，它与基体铝的晶格常数极为相似，是理想的异质晶核。在加入钪的同时加入微量的锆，可促进Al₃Sc相质点的大量析出，从而减少Sc的加入量，并达到大幅细化铝基体晶粒的目的。而且细小弥散的Al₃Sc相对位错和晶界有强烈的钉扎作用，起到强化合金的目的。

根据本公开，本发明在压铸铝合金中加入铁元素，并严格控制铁元素的含量在0.25％以下。少量Fe可以降低压铸件的粘模倾向，但Fe含量过高会在合金中生成大量的针状富铁化合物，从而降低材料的力学性能，特别是韧性下降明显。控制铝合金中铁含量的主要方法为：一是控制原材料中的Fe含量，二是熔炼过程采用无Fe的坩埚。

根据本公开，压铸铝合金中的杂质元素如钒、钙、铬、锑、锡、镍和铅等，应严格控制其含量，否则会严重降低合金的力学性能，特别是伸长率。为了提高压铸铝合金的机械性能和铸造性能，本发明将压铸铝合金中的杂质元素总含量控制在0.20％以下。

本发明公开的摩托车用高强高韧压铸铝合金产品的制备方法具体包括以下步骤：

第一步：备料和坩埚清理。根据设计的合金成分比例准备原料及配料，备料完毕后清理熔炼坩埚。合金元素以纯金属或中间合金的方式加入，原材料分别为纯铝、纯锌、纯镁以及Al-10％Y、Al-20％Si、Al-10％Sc和Al-10％Zr中间合金。

第二步：对合金原料进行熔炼。将准备好的原料放入熔炼炉中进行熔炼，采用不含Fe的碳化硅材料坩埚或石墨材料坩埚或混合材料坩埚熔炼。熔炼温度为710℃～740℃。原料熔炼完成后，调节熔体温度至700℃～730℃，然后采用旋转吹氩气的方式对合金熔体进行精炼处理，精炼10min～15min，随后静置5min并拔渣。

第三步：压铸成形。将合金熔体浇注入压铸机的压射室内，压铸成形得到摩托车轮毂等零件。压铸模具的预热温度为180℃～220℃，熔体浇注温度控制在660℃～680℃。压铸机压射速度为4.0m/s～6.0m/s，压射压力为40MPa～80MPa。

下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。

实施例1至实施例5的压铸铝合金的配方如表1所述：

表1

上述压铸铝合金的制备方法具体为：将表1所述配比的原材料放入不含Fe的坩埚熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为710℃～740℃。原料熔炼完成后，调节熔体温度至700℃～730℃，然后采用旋转吹氩气的方式对合金熔体进行除气除杂的精炼处理，精炼10min～15min，得到铝合金熔体。将合金熔体浇注入压铸机的压室内，立即压铸成形得到零件。浇注温度控制在660℃～680℃。压铸机压射速度为4.0m/s～6.0m/s，压射压力为40MPa～80MPa，压铸模具的预热温度为180℃～220℃。按照上述熔炼工艺及压铸工艺参数，对于壁厚4mm左右的摩轮本体取样试样，测得5组不同成分的材料的力学性能，如表2所示。

表2

	抗拉强度，MPa	屈服强度，MPa	伸长率，％	硬度，HB
					实施例1	313.4	192.3	7.67	81
实施例2	318.1	194.7	7.15	82
					实施例3	312.5	191.6	7.28	82
实施例4	301.2	187.6	8.25	80
					实施例5	306.8	189.4	8.33	80

此外，针对常用的Al-Mg-Si系压铸铝合金ADC6；Al-Si-Cu系压铸铝合金ADC12；Al-Si-Mg系AlSi10MgFe压铸铝合金和本发明制得的压铸铝合金的性能进行了对比试验，结果如表3、表4所示。

表3本发明压铸铝合金和普通压铸合金的具体配方

表4本发明压铸铝合金和普通压铸合金的性能测试

	抗拉强度，MPa	屈服强度，MPa	伸长率，％	硬度，HB
					ADC6	278.7	151.1	10.7	71
ADC12	322.1	165.3	2.3	83
					AlSi10MgFe	273.4	149.7	3.3	80
本发明	315.3	193.7	7.52	81

从上述测试结果来看，本发明提供的铝合金材料抗拉强度和屈服强度高于ADC6铝合金；伸长率高于ADC12和AlSi10MgFe铝合金。由此可见，本发明提供的铝合金材料兼具有较高的强度与良好的韧性。

下面对本发明压铸铝合金中各主要元素的添加量对合金性能的影响进行了研究。

1、Zn元素含量对压铸铝合金性能的影响

将按照表5配方的原材料按照上述熔炼工艺以及压铸工艺参数，对于壁厚4mm左右的摩轮本体试样，测得的不同Zn含量的铝合金的力学性能，测试结果如表6所示。

表5

表6

序号	抗拉强度，MPa	屈服强度，MPa	伸长率，％	硬度，HB
					1	267.3	163.2	9.24	78
2	304.6	183.9	8.21	80
					3	313.7	190.2	7.95	81
4	315.4	193.7	7.31	82
					5	295.3	195.2	4.87	83

从表6测试结果来看，Zn的含量低于4.0％时，固溶强化效果不佳，“自行淬火”作用不明显；但高于6.0％时，虽然硬度较高，由于铸件热裂明显，抗拉强度及伸长率等明显降低，所以Zn的合适加入量为4.0％～6.0％。

2、Y元素含量对压铸铝合金性能的影响

将按照表7配方的原材料按照上述熔炼工艺以及压铸工艺参数，对于壁厚4mm左右的摩轮本体试样，测得的不同Y含量的铝合金的力学性能，测试结果如表8所示。

表7

表8

序号	抗拉强度，MPa	屈服强度，MPa	伸长率，％	硬度，HB
					1	273.6	164.2	7.37	78
2	290.3	175.8	8.12	81
					3	313.7	190.2	7.95	81
4	314.6	193.1	7.44	82
					5	281.3	188.5	4.23	82

从表8测试结果来看，Y的含量低于1.0％时，对合金的强化作用有限，铝合金的强度偏低，但韧性较高；而高于2.0％时，材料的硬度无太大变化，但强度和伸长率都下降，所以Y的合适加入量为1.0％～2.0％。

3、Si元素含量对压铸铝合金性能的影响

将按照表9配方的原材料按照上述熔炼工艺以及压铸工艺参数，对于壁厚4mm左右的摩轮本体试样，测得的不同Si含量的铝合金的力学性能，测试结果如表10所示。

表9

表10

序号	抗拉强度，MPa	屈服强度，MPa	伸长率，％	硬度，HB
					1	278.4	171.2	8.67	79
2	302.3	186.5	8.33	80
					3	313.7	190.2	7.95	81
4	315.2	191.4	7.43	81
					5	287.6	193.1	4.35	82

从表10测试结果来看，当Si的含量低于3.0％时，合金的强度和韧性都偏低；当Si的含量高于5.0％时，材料的强度提高而韧性变差，其伸长率低于5％，因而最佳的Si含量控制在3.0％～5.0％。

虽然已经对本发明的具体实施方案进行了描述，但是本发明的许多其他形式和改变对本领域技术人员而言是显而易见的。应理解所附权利要求和本发明通常涵盖本发明真实精神和范围内的所有这些明显的形式和改变。

Claims

1.一种摩托车用高强高韧压铸铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：

余量为铝；

所述杂质为钒、钙、铬、锑、锡、镍和铅中的一种或多种混合。

2.根据权利要求1所述的一种摩托车用高强高韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(2)将步骤(1)所述的原材料混合并进行熔炼，获得合金熔体；

3.根据权利要求2所述的一种摩托车用高强高韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述中间合金包括Al-10％Y、Al-20％Si、Al-10％Sc和Al-10％Zr。

4.根据权利要求2所述的一种摩托车用高强高韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，熔炼的温度为710℃～740℃。

5.根据权利要求2所述的一种摩托车用高强高韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，熔炼过程中采用不含Fe的碳化硅材料坩埚或不含Fe的石墨材料坩埚。

6.根据权利要求2所述的一种摩托车用高强高韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，获得合金熔体后对合金熔体采用旋转吹氩气进行精炼。

7.根据权利要求6所述的一种摩托车用高强高韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，旋转吹氩气过程中，合金熔体的温度为700～730℃。

8.根据权利要求2所述的一种摩托车用高强高韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，压铸成形前，首先将模具预热至180～220℃，合金熔体的浇注温度为600～680℃。

9.根据权利要求2所述的一种摩托车用高强高韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，压铸成形时压铸机的压射速度为4.0～6.0m/s，压射压力为40MPa～80MPa。