CN109837436B

CN109837436B - 一种车轮用压铸铝合金及其制备方法和产品

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Publication number: CN109837436B
Application number: CN201910246736.XA
Authority: CN
Inventors: 吕书林; 吴树森; 毛有武; 郭威
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN109837436A

Abstract

本发明属于金属材料及铸造领域，并具体公开了一种车轮用压铸铝合金及其制备方法和产品。该车轮用压铸铝合金包括锌6.0％～8.0％，钇2.0％～4.0％，硅2.5％～4.0％，钪0.1％～0.3％，锆0.1％～0.2％，铁≤0.25％，杂质≤0.20％，余量为铝。本发明通过Zn元素和Y元素的固溶强化作用，能够提高铝合金的抗拉强度和屈服强度，同时合理控制Si元素的添加比例，保证铝合金强度的同时能够提高铝合金的铸造性能，并且高效细化变质元素Sc和Zr的交互作用，能够显著提升铝合金的强度和韧性，此外熔炼过程中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。

Description

一种车轮用压铸铝合金及其制备方法和产品

技术领域

本发明属于金属材料及铸造领域，更具体地，涉及一种车轮用压铸铝合金及其制备方法和产品。

背景技术

轮毂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，要求轮毂具有强度高、韧性好、疲劳强度高、尺寸和形状精度高、质量轻等综合性能，而制造方法和制造材料是决定摩托车轮毂综合性能的关键因素。

目前国内外生产摩托车轮毂的主要方法有金属型重力铸造、低压铸造和压力铸造。对于金属型重力铸造，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，因此导致工艺出品率低(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。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种车轮用压铸铝合金及其制备方法和产品，其中该制备方法通过优化铝合金中各金属元素的质量百分比，并控制制备过程中的工艺条件，相应的能够提高铝合金的强度和韧性，因而尤其适用于制备摩托车轮毂之类的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种车轮用压铸铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：

锌6.0％～8.0％，钇2.0％～4.0％，硅2.5％～4.0％，钪0.1％～0.3％，锆0.1％～0.2％，铁≤0.25％，杂质≤0.20％，余量为铝。

作为进一步优选地，所述杂质包括钒、钙、铬、锑、锡、镍和铅中的一种或多种。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述车轮用压铸铝合金的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

(a)选取纯铝、纯锌和中间合金作为原材料，其中，所述中间合金包括铝钇合金、铝硅合金、铝钪合金和铝锆合金；

(b)将所述原材料混合后熔炼获得合金熔体；

(c)将所述合金熔体压铸成形获得所述车轮用压铸铝合金。

作为进一步优选地，在步骤(a)中，所述中间合金为Al-10％Y、Al-20％Si、Al-10％Sc和Al-10％Zr。

作为进一步优选地，在步骤(b)中，熔炼的温度为700℃～730℃。

作为进一步优选地，在步骤(b)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中进行熔炼。

作为进一步优选地，在步骤(b)中将所述原材料熔炼后采用旋转吹氩气的方式进行精炼处理，所述精炼处理的温度为690℃～720℃，所述精炼处理的时间为10min～15min。

作为进一步优选地，在步骤(c)中，将所述合金溶体浇注到模具中进行压铸成形，所述模具的预热温度为180℃～220℃，所述合金熔体的浇注温度为650℃～670℃。

作为进一步优选地，在步骤(c)中，采用压铸机进行压铸成形，压铸机的压射速度为4.0m/s～6.0m/s，压射压力为40MPa～80MPa。

按照本发明的又一方面，提供了一种利用上述车轮用压铸铝合金制成的铝合金产品。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过优化铝合金中各金属元素的质量百分比，保证制得的车轮用压铸铝合金兼具优异的力学性能和铸造性能，其中通过Zn元素和Y元素的固溶强化作用，能够提高铝合金的抗拉强度和屈服强度，同时合理控制Si元素的添加比例，保证铝合金强度的同时能够提高铝合金的铸造性能，并且高效细化变质元素Sc和Zr的交互作用，能够显著提升铝合金的强度和韧性，此外熔炼过程中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；

2.采用本发明提供的铝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，能够满足摩托车轮毂的综合性能要求；

3.同时，本发明提供的车轮用压铸铝合金的制备方法，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、模具的预热温度等工艺参数，能够保证制得铝合金压铸件含气量低并且力学性能优异，抗拉强度、屈服强度和伸长率高于常用的压铸铝合金。

附图说明

图1是本发明提供的车轮用压铸铝合金的制备工艺流程图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种车轮用压铸铝合金，按照质量百分比计，包括以下组分：

锌6.0％～8.0％，钇2.0％～4.0％，硅2.5％～4.0％，钪0.1％～0.3％，锆0.10％～0.2％，铁≤0.25％，杂质≤0.20％，余量为铝，其中不可避免的杂质包括钒、钙、铬、锑、锡、镍和铅中的一种或多种。

上述车轮用压铸铝合金的制备方法包括如下步骤：

(a)选取纯铝、纯锌和中间合金作为原材料，并根据设计的合金成分比例准备原材料，其中，中间合金包括铝钇合金、铝硅合金、铝钪合金和铝锆合金；

(b)将原材料混合并放入熔炼炉中，在700℃～730℃下进行熔炼，原材料熔炼完成后，调节熔炼炉的温度至690℃～720℃，然后采用旋转吹氩气的方式进行精炼处理用于除气除杂，精炼10min～15min后静置5min，扒渣后获得合金熔体；

(c)将650℃～670℃的合金熔体浇注到预热温度为180℃～220℃的模具中，进行压铸成形获得车轮用压铸铝合金。

进一步，在步骤(a)中，中金合金优选为Al-10％Y、Al-20％Si、Al-10％Sc和Al-10％Zr。

进一步，在步骤(b)中，熔炼炉中的坩埚采用不含Fe的碳化硅材料坩埚、石墨材料坩埚或混合材料坩埚。

进一步，在步骤(c)中，采用压铸机进行压铸成形，压铸机的压射速度为4.0m/s～6.0m/s，压射压力为40MPa～80MPa。

铝合金中的成分变化对材料的力学性能有着重要的影响：

锌在铝中有很大的溶解度，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，锌元素对铝合金有淬火作用，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，可配以适量的硅元素减小热裂倾向；

钇作为稀土元素可净化铝液，改善合金的流动充型能力，提高铸件的力学性能，同时钇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；

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，又会降低合金伸长率，因此要根据材料的使用性能要求合理控制硅含量，同时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，本发明为保证熔体铸件具有良好的韧性，硅含量控制在2.5％～4.0％；

在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，主要是钪能与铝反应形成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；

同时，本发明的合金含Fe量要严格控制在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，制备过程中保障Fe含量在0.25％以下的方法一是控制原材料中的Fe含量，二是熔炼过程采用无Fe的坩埚如碳化硅材料坩埚、石墨材料坩埚或混合材料坩埚；

其它杂质元素如钒、钙、铬、锑、锡、镍和铅等均为杂质，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，上述杂质元素的总含量控制在0.20％以下。

下面结合具体的实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

(a)选取纯铝、纯锌和中间合金作为原材料，并按照表1中7组车轮用压铸铝合金的成分比例准备原材料；

(b)将原材料混合并放入熔炼炉中，在700℃下进行熔炼，原材料熔炼完成后，调节熔炼炉的温度至690℃，然后采用旋转吹氩气的方式进行精炼处理用于除气除杂，精炼15min后静置5min，扒渣后获得合金熔体；

(c)将合金熔体浇注到压铸机的压射室内进行压铸成形获得车轮用压铸铝合金，其中压射室的预热温度为200℃，合金溶体的浇注温度为650℃，压铸机的压射速度为4.0m/s，压射压力为40MPa。

表1不同成分配比的车轮用压铸铝合金的材料成分及其力学性能

按照上述工艺参数制备表1中的7组车轮用压铸铝合金，并对壁厚4mm左右的轮毂本体取样试验，测得7组车轮用压铸合金的力学性能(抗拉强度、屈服强度、伸长率)如表1所示。

表2本发明提供的车轮用压铸铝合金与普通压铸铝合金的力学性能对比

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系压铸铝合金AlSi10MgFe进行对比实验，结果如表2所示。结果表明本发明提供的车轮用压铸铝合金的抗拉强度和屈服强度高于ADC6铝合金，伸长率高于ADC12铝合金和AlSi10MgFe铝合金，因此本发明提供的车轮用压铸铝合金具有较高的强度和良好的韧性。

实施例2

(a)选取纯铝、纯锌和中间合金作为原材料，并按照表3中5组车轮用压铸铝合金的成分比例准备原材料，仅改变Zn元素的含量；

(b)将原材料混合并放入熔炼炉中，在730℃下进行熔炼，原材料熔炼完成后，调节熔炼炉的温度至720℃，然后采用旋转吹氩气的方式进行精炼处理用于除气除杂，精炼10min后静置5min，扒渣后获得合金熔体；

(c)将合金熔体浇注到压铸机的压射室内进行压铸成形获得车轮用压铸铝合金，其中压射室的预热温度为180℃，合金溶体的浇注温度为670℃，压铸机的压射速度为5.0m/s，压射压力为60MPa。

表3不同Zn含量的车轮用压铸铝合金的材料成分及其力学性能

按照上述工艺参数制备表3中的车轮用压铸铝合金，并对壁厚4mm左右的轮毂本体取样试验，测得不同Zn含量的车轮用压铸铝合金的力学性能(抗拉强度、屈服强度、伸长率)如表3所示。结果表明，Zn的含量低于6.0％时，固溶强化效果不佳，“自行淬火”作用效果不明显；而Zn的含量高于8.0％时，虽然硬度最高，由于铸件热裂明显，抗拉强度及伸长率等急剧降低，因此Zn的优选比例为6.0％～8.0％。

实施例3

(a)选取纯铝、纯锌和中间合金作为原材料，并按照表4中5组车轮用压铸铝合金的成分比例准备原材料，仅改变Y元素的含量；

(b)将原材料混合并放入熔炼炉中，在710℃下进行熔炼，原材料熔炼完成后，调节熔炼炉的温度至700℃，然后采用旋转吹氩气的方式进行精炼处理用于除气除杂，精炼12min后静置5min，扒渣后获得合金熔体；

(c)将合金熔体浇注到压铸机的压射室内进行压铸成形获得车轮用压铸铝合金，其中压射室的预热温度为220℃，合金溶体的浇注温度为660℃，压铸机的压射速度为6.0m/s，压射压力为80MPa。

表4不同Y含量的车轮用压铸铝合金的材料成分及其力学性能

按照上述工艺参数制备表4中的车轮用压铸铝合金，并对壁厚4mm左右的轮毂本体取样试验，测得不同Y含量的车轮用压铸铝合金的力学性能(抗拉强度、屈服强度、伸长率)如表3所示。结果表明，Y的含量低于2.0％时，对合金的强化作用有限，制得的压铸铝合金的强度偏低，但韧性较高；而Y的含量高于4.0％时，材料的硬度无太大变化，但强度和伸长率都有下降，因此Y的优选比例为2.0％～4.0％。

实施例4

(a)选取纯铝、纯锌和中间合金作为原材料，并按照表5中5组车轮用压铸铝合金的成分比例准备原材料，仅改变Si元素的含量；

表5不同Si含量的车轮用压铸铝合金的材料成分及其力学性能

按照上述工艺参数制备表5中的车轮用压铸铝合金，并对壁厚4mm左右的轮毂本体取样试验，测得不同Si含量的车轮用压铸铝合金的力学性能(抗拉强度、屈服强度、伸长率)如表5所示。结果表明，Si的含量低于2.5％时，制得的压铸铝合金的强度和韧性都偏低，而当Si的含量高于4.0％时，材料的强度提高而韧性变差，伸长率低于4％，因此Si的优选比例为2.5％～4.0％。

本领域的技术人员容易理解，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

1.一种车轮用压铸铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：

锌6.0％～8.0％，钇2.0%～4.0%，硅2.5 %～4.0%，钪0.1%～0.3%，锆0.1%～0.2%，铁≤0.25％，杂质≤0.20％，余量为铝，所述杂质包括钒、钙、铬、锑、锡、镍和铅中的一种或多种。

2.一种如权利要求1所述的车轮用压铸铝合金的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

（a）选取纯铝、纯锌和中间合金作为原材料，其中，所述中间合金包括铝钇合金、铝硅合金、铝钪合金和铝锆合金；

（b）将所述原材料混合后熔炼获得合金熔体；

（c）将所述合金熔体压铸成形获得所述车轮用压铸铝合金。

3.如权利要求2所述的车轮用压铸铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤（a）中，所述中间合金为Al-10%Y、Al-20%Si、Al-10%Sc和Al-10%Zr。

4.如权利要求2所述的车轮用压铸铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤（b）中，熔炼的温度为700℃～730℃。

5.如权利要求2～4任一项所述的车轮用压铸铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤（b）中，采用不含Fe的碳化硅材料坩埚或石墨材料坩埚进行熔炼。

6.如权利要求2所述的车轮用压铸铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤（b）中将所述原材料熔炼后采用旋转吹氩气的方式进行精炼处理，所述精炼处理的温度为690℃～720℃，所述精炼处理的时间为10min～15min。

7.如权利要求2所述的车轮用压铸铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤（c）中，将所述合金熔体浇注到模具中进行压铸成形，所述模具的预热温度为180℃～220℃，所述合金熔体的浇注温度为650℃～670℃。

8.如权利要求7所述的车轮用压铸铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤（c）中，采用压铸机进行压铸成形，压铸机的压射速度为4.0m/s～6.0m/s，压射压力为40MPa～80MPa。

9.一种利用如权利要求1所述的车轮用压铸铝合金制成的铝合金产品。