CN110052595A - 一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节及其制造方法，该转向节采用铝铜合金通过连续水冷铜模旋转速冷浇铸而成，然后再在同炉采用不锈钢带包套进行热等静压而一次成型而成，成型后可切割为多个坯料，且获得坯料气孔率0％‑0.2％，晶粒生长方向整体为从最外沿指向轴线中心的水平方向。本发明的转向节铝合金的、晶粒径向生长、致密性好、强度高、抗扭转、耐冲击。

Description

一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节及其制造方法

技术领域

本发明涉及车用结构件领域，尤其涉及一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节及其制造方法。

背景技术

现有技术中为了保证初始使用所需机械性能，常用锻钢或铸铁来制造转向节，这为后期防腐蚀处理带来了极大的困难，尤其是转向节就处于与底盘同一高度的车轮附近，其面临的空气、水及泥土等负面环境影响很大，因而常规技术中的钢铁制转向节易于晶间腐蚀后抗扭转能力下降而导致穿晶断裂最终失效。但无论是简易的铸铝、锻铝又或是直接采用变形铝合金进行抠制，要么是加工成本过高(铝合金加工较钢铁制件难度高，易粘刀)，要么是机械性能不足，现有技术中仅有很少一部分对使用工况要求不高的或是采用高强铝高成本成型技术的转向节在应用。

现有技术中的转向节一般都是采用棒料锻造或直接铸造而成，因而只能具备两种工艺的单方面优点特性，如锻造可以获得高的强度、细的晶粒和优良的综合机械性能，但残余应力高、材料损耗较大、工艺难度高、抗疲劳性能差是其固有缺陷，现有技术中还没有克服；铸造成型简单快速、用料节省、工艺难度低，但其材料受限、强度低、抗扭转能力差是其固有缺陷。

而目前在国内已申请的相关专利中，没有综合改善铝合金应用性能的现有技术，因而市场上需要一种铝合金的、晶粒径向生长、致密性好、强度高、抗扭转、耐冲击的转向节。

发明内容

本发明旨在提供铝合金的、晶粒径向生长、致密性好、强度高、抗扭转、耐冲击的转向节及其制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节的制造方法，包括以下步骤：

1)制造前准备

①原材料准备：准备足量设计对应铸造铝铜合金母锭；

②工装准备：准备水冷铜模旋转铸造模具，该模具由两个半模组成，分模面位于对称两侧的中线，模具实体为实心铜基体，实心铜基体采用纯铜制造，浇道中与转向节中心轴杆对应处设计为I形、与转向节冂结构对应处设计为口形，实心铜基体在口形中间区域还设置有堵块、在口形肩部还向上设置有疏气孔，实心铜基体在浇道的径向外侧靠近浇道1cm-1.2cm处设置有水冷管道；准备单节内腔尺寸较转向节设计轮廓尺寸放大3％-5％的、内表面为8层-10层0.1mm不锈钢带的、结构节数与铸造模具I形-口形循环节数数量一致、与堵块对应位置设置有支撑块的真空热等静压挤压锻造工装；

③设备准备：准备真空热等静压设备，该真空热等静压设备还内置有石墨坩埚、与石墨坩埚匹配的自动浇铸机构、分装模机械装置、炉内旋转底盘及炉内循环水冷却系统；

2)铸造

①将阶段1)步骤①准备的铸造铝铜合金母锭放入石墨坩埚中，将水冷铜模旋转铸造模具内腔喷涂分模剂后，合并组装好后再安装固定在炉内旋转底盘上与自动浇铸机构对应、且浇口处于自动浇铸机构正下方200mm-240mm的位置，将水冷铜模旋转铸造模具的水冷管道与真空热等静压设备内的炉内循环水冷却系统对接，完成准备工作；

②设备升温至铸造铝铜合金母锭完全熔化，采用石墨搅拌器搅拌除气12min-15min，然后开始浇铸，以水冷铜模旋转铸造模具体积V计1.2％V/s-1.3％V/s的浇铸速率连续浇铸，浇铸期间炉内旋转底盘以5rpm/min-6rpm/min的速率旋转，浇至离冒口顶端10mm-15mm时浇铸完成；浇铸完成后炉内旋转底盘以12rpm/min-15rpm/min的速率旋转，持续20s-25s后停止加热并保持旋转，同时开始通入室温状态的循环冷却水，按时间计以5rpm/min²-6rpm/min²的升速逐渐提升旋转速率直至金属液冷却至180℃-220℃，自动分模，获得铸造坯；

3)锻造

①将阶段2)获得的铸造坯采用真空热等静压挤压锻造工装采用分装模机械装置组装包套，再升温至360℃-400℃，然后以50MPa-60MPa的机械压力、在真空度1×10^-2Pa-1×10^-3Pa的真空环境内挤压成型，然后保压8s-10s，获得锻造坯；

4)成品

①将阶段3)获得的锻造坯沿每节口形底部与I形顶部交界线处切断后获得单件锻造坯，将每个单件锻造坯采用机械加工方式将阶段3)获得的锻造坯加工至设计尺寸，即获得所需转向节。

一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节，该转向节气孔率0％-0.2％，晶粒生长方向整体为从最外沿指向轴线中心的水平方向，所用材料为铸造铝铜合金。

上述的一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节，其中所述铸造铝铜合金具体为ZL202。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：(1)转向节就处于与底盘同一高度的车轮附近，其面临的空气、水及泥土等负面环境影响很大，因而常规技术中的钢铁制转向节易于晶间腐蚀后抗扭转能力下降而导致穿晶断裂最终失效，而本发明的铝制转向节很好地从根本上避免了这个问题。(2)本发明的核心优势之一在于综合了锻造和铸造的优点，同时摒弃和减少了它们各自的缺陷，在铸造成型简单快速、用料节省、工艺难度低的同时保证了成品的高致密度、高强度、细晶粒和优良的综合机械性能。(3)本发明的核心优势之一在于专门针对于转向节的工作实况(受不规则循环冲击的圆周方向的力，即静扭转和动冲击结合，循环不定期进行，亦即是说受到三个方面性能的考验——扭转、冲击和疲劳)，将现有技术中的固有问题——晶粒是主要沿轴向生长，整体等轴生长(无论是直接铸造或采用棒状坯料，其原料都从底部和顶部开始凝固)，而轴杆加工时也仍是与原棒料轴向平行的，这就注定了其抗轴向拉伸挤压的能力强而抗圆周扭转或径向冲击的能力差，只有通过后期热处理或锻造进行一定程度的改善，而本发明通过循环水快速降低外沿的温度，造成温度梯度差，配合凝固过程中越来越快的旋转，获得从外沿向轴线中心生长的柱状晶，配合后期的热等静压，获得了径向性能优异的原材料，更可贵的是，本发明的原材料在完成铸造和锻造后仍可应用热处理手段或二次锻造手段再次改性提升性能。(4)本发明一次可以成型多个转向节，如同糖葫芦一样的串形结构一方面利于金属液流通，一方面方便后期切割分享，同时还可以一次性完成等静压锻造，通过单次成型数量的优势和极高的生产效率摊低热等静压的成本，在较大地提升使用性能时成本仍然可控，适宜大规模工业生产。(5)高的致密度和径向的晶向很好地提升了本发明的综合机械性能及应对径向圆周作用力的抗扭转、耐冲击、抗疲劳性能。因此本发明的转向节具有铝合金的、晶粒径向生长、致密性好、强度高、抗扭转、耐冲击的特性。

附图说明

图1是本发明铸造工装的结构示意图；

图2是本发明长坯局部晶粒生长方向的示意图；

图3是本发明水冷管道整体结构的俯视示意图；

图中：实心铜基体1、浇道2、水冷管道3、疏气孔4、堵块5、分模面6。

具体实施方式

实施例1：

一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节，该转向节气孔率0％-0.2％，晶粒生长方向整体为从最外沿指向轴线中心的水平方向，所用材料为ZL203；

上述抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节的制造方法，包括以下步骤：

1)制造前准备

①原材料准备：准备足量设计对应铸造铝铜合金母锭；

②工装准备：准备水冷铜模旋转铸造模具，该模具由两个半模组成，分模面6位于对称两侧的中线，模具实体为实心铜基体1，实心铜基体1采用纯铜制造，浇道2中与转向节中心轴杆对应处设计为I形、与转向节冂结构对应处设计为口形，实心铜基体1在口形中间区域还设置有堵块5、在口形肩部还向上设置有疏气孔4，实心铜基体1在浇道2的径向外侧靠近浇道1cm处设置有水冷管道3；准备单节内腔尺寸较转向节设计轮廓尺寸放大5％的、内表面为8层0.1mm不锈钢带的、结构节数与铸造模具I形-口形循环节数数量一致、与堵块5对应位置设置有支撑块的真空热等静压挤压锻造工装；

③设备准备：准备真空热等静压设备，该真空热等静压设备还内置有石墨坩埚、与石墨坩埚匹配的自动浇铸机构、分装模机械装置、炉内旋转底盘及炉内循环水冷却系统；

2)铸造

①将阶段1)步骤①准备的铸造铝铜合金母锭放入石墨坩埚中，将水冷铜模旋转铸造模具内腔喷涂分模剂后，合并组装好后再安装固定在炉内旋转底盘上与自动浇铸机构对应、且浇口处于自动浇铸机构正下方200mm的位置，将水冷铜模旋转铸造模具的水冷管道3与真空热等静压设备内的炉内循环水冷却系统对接，完成准备工作；

②设备升温至铸造铝铜合金母锭完全熔化，采用石墨搅拌器搅拌除气12min，然后开始浇铸，以水冷铜模旋转铸造模具体积V计1.2％V/s的浇铸速率连续浇铸，浇铸期间炉内旋转底盘以6rpm/min的速率旋转，浇至离冒口顶端15mm时浇铸完成；浇铸完成后炉内旋转底盘以15rpm/min的速率旋转，持续25s后停止加热并保持旋转，同时开始通入室温状态的循环冷却水，按时间计以6rpm/min²的升速逐渐提升旋转速率直至金属液冷却至220℃，自动分模，获得铸造坯；

3)锻造

①将阶段2)获得的铸造坯采用真空热等静压挤压锻造工装采用分装模机械装置组装包套，再升温至400℃，然后以60MPa的机械压力、在真空度1×10^-2Pa-1×10^-3Pa的真空环境内挤压成型，然后保压10s，获得锻造坯；

4)成品

①将阶段3)获得的锻造坯沿每节口形底部与I形顶部交界线处切断后获得单件锻造坯，将每个单件锻造坯采用机械加工方式将阶段3)获得的锻造坯加工至设计尺寸，即获得所需转向节。

实施例2：

整体与实施例1一致，差异之处在于：

该转向节所用材料为ZL202；

上述抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节的制造方法，包括以下步骤：

1)制造前准备

②工装准备：实心铜基体1在浇道2的径向外侧靠近浇道1.2cm处设置有水冷管道3；准备单节内腔尺寸较转向节设计轮廓尺寸放大3％的、内表面为10层0.1mm不锈钢带的；

2)铸造

①将水冷铜模旋转铸造模具内腔喷涂分模剂后，合并组装好后再安装固定在炉内旋转底盘上与自动浇铸机构对应、且浇口处于自动浇铸机构正下方240mm的位置；

②设备升温至铸造铝铜合金母锭完全熔化，采用石墨搅拌器搅拌除气15min，然后开始浇铸，以水冷铜模旋转铸造模具体积V计1.3％V/s的浇铸速率连续浇铸，浇铸期间炉内旋转底盘以5rpm/min的速率旋转，浇至离冒口顶端10mm时浇铸完成；浇铸完成后炉内旋转底盘以12rpm/min的速率旋转，持续20s后停止加热并保持旋转，同时开始通入室温状态的循环冷却水，按时间计以5rpm/min²的升速逐渐提升旋转速率直至金属液冷却至180℃，自动分模，获得铸造坯；

3)锻造

①将阶段2)获得的铸造坯采用真空热等静压挤压锻造工装采用分装模机械装置组装包套，再升温至360℃，然后以50MPa的机械压力，然后保压8s，获得锻造坯；

对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1)制造前准备

①原材料准备：准备足量设计对应铸造铝铜合金母锭；

②专用工装准备：准备水冷铜模旋转铸造模具，该模具由两个半模组成，分模面(6)位于对称两侧的中线，模具实体为实心铜基体(1)，实心铜基体(1)采用纯铜制造，浇道(2)中与转向节中心轴杆对应处设计为I形、与转向节冂结构对应处设计为口形，实心铜基体(1)在口形中间区域还设置有堵块(5)、在口形肩部还向上设置有疏气孔(4)，实心铜基体(1)在浇道(2)的径向外侧靠近浇道1cm-1.2cm处设置有水冷管道(3)；准备单节内腔尺寸较转向节设计轮廓尺寸放大3％-5％的、内表面为8层-10层0.1mm不锈钢带的、结构节数与铸造模具I形-口形循环节数数量一致、与堵块(5)对应位置设置有支撑块的真空热等静压挤压锻造工装；

③设备准备：准备真空热等静压设备，该真空热等静压设备还内置有石墨坩埚、与石墨坩埚匹配的自动浇铸机构、分装模机械装置、炉内旋转底盘及炉内循环水冷却系统；

2)铸造

①将阶段1)步骤①准备的铸造铝铜合金母锭放入石墨坩埚中，将水冷铜模旋转铸造模具内腔喷涂分模剂后，合并组装好后再安装固定在炉内旋转底盘上与自动浇铸机构对应、且浇口处于自动浇铸机构正下方200mm-240mm的位置，将水冷铜模旋转铸造模具的水冷管道(3)与真空热等静压设备内的炉内循环水冷却系统对接，完成准备工作；

②设备升温至铸造铝铜合金母锭完全熔化，采用石墨搅拌器搅拌除气12min-15min，然后开始浇铸，以水冷铜模旋转铸造模具体积V计1.2％V/s-1.3％V/s的浇铸速率连续浇铸，浇铸期间炉内旋转底盘以5rpm/min-6rpm/min的速率旋转，浇至离冒口顶端10mm-15mm时浇铸完成；浇铸完成后炉内旋转底盘以12rpm/min-15rpm/min的速率旋转，持续20s-25s后停止加热并保持旋转，同时开始通入室温状态的循环冷却水，按时间计以5rpm/min²-6rpm/min²的升速逐渐提升旋转速率直至金属液冷却至180℃-220℃，自动分模，获得铸造坯；

3)锻造

①将阶段2)获得的铸造坯采用真空热等静压挤压锻造工装采用分装模机械装置组装包套，再升温至360℃-400℃，然后以50MPa-60MPa的机械压力、在真空度1×10^-2Pa-1×10^{- 3}Pa的真空环境内挤压成型，然后保压8s-10s，获得锻造坯；

4)成品

①将阶段3)获得的锻造坯沿每节口形底部与I形顶部交界线处切断后获得单件锻造坯，将每个单件锻造坯采用机械加工方式将阶段3)获得的锻造坯加工至设计尺寸，即获得所需转向节。

2.一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节，其特征在于：该转向节气孔率0％-0.2％，晶粒生长方向整体为从最外沿指向轴线中心的水平方向，所用材料为铸造铝铜合金。

3.根据权利要求2所述的一种抗穿晶断裂失效模式的汽车转向节，其特征在于：所述铸造铝铜合金具体为ZL202。