CN110373586A - 一种汽车轮毂用铝合金棒料及汽车轮毂 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种汽车轮毂用铝合金棒料及汽车轮毂，该汽车轮毂用铝合金棒料包括以下质量百分含量元素组分：Cu 2.2‑3.1%、Mg 0.4‑0.7%、Mn 0.3‑0.5%、Si 0.25‑0.4%、RE 0.05‑0.15%、M_X（N,B）_Y 0.2‑1.0%、Fe＜0.5%、In≤0.005%、Be＜0.005%，余量为Al和不可避免的杂质；其中，M_X（N,B）_Y为金属氮化物、金属硼化物，M包括V、Ti、Hf，本发明通过对原料进行合理的选配，对工艺进行合理的优化，将元素均匀熔融于合金相组织内，晶粒细化度高，具有优异的力学性能，内应力和杂质裂纹问题明显减少，制得的产品合格率高达100%，且使用寿命延长了80%以上。

Description

一种汽车轮毂用铝合金棒料及汽车轮毂

技术领域

本发明涉及铝合金材料技术领域，具体涉及一种汽车轮毂用铝合金棒料及汽车轮毂。

背景技术

在世界汽车市场的激烈竞争中，各国都在向高质量、高可靠性、重量轻、节能、使用寿命长等方向发展，在材料方面表现为轻量化，用铝合金代替部分钢铁件，以达到汽车向高质量、低成本的发展要求。

轮毂是汽车的一个重要部件，它的质量好坏直接影响到汽车性能的发挥及美观程度，由于铝合金重量轻、强度高、韧性好，当前，国内外的许多汽车轮毂已采用铝合金材料制成。

汽车轮毂的生产工艺，对其轮毂材料的性能要求非常严格，生产出的轮毂，不仅要求具有较高的强度、抗腐蚀性，优良的冲击韧性、耐疲劳强度和良好的耐磨性能，而且还须具有较好光洁度，以增强汽车轮毂的美观效果。

生产轮毂过程中，为了让汽车轮毂达到较好的光洁度和美观效果，通常需要对轮毂表面进行抛光处理。但是，在抛光处理过程中，铝合金轮毂表面的一些小杂质难以去除，另外，对抛光后的轮毂采用荧光照射宏光检查时，会发现轮毂的表面(抛光面)有许多的小亮点或凹凸不平的现象，严重影响到了轮毂的外观美，甚至会造成所生产出的轮毂出现批量报废和大量次品。

铝合金轮毂表面出现杂质的主要原因，是由于生产原料—铝合金铸棒的质量不过关，铝合金铸棒生产工艺不合理而造成的。为了避免铝合金轮毂表面出现杂质，在汽车铝合金铸棒生产领域，对铝合金铸棒生产工艺的提高和改进，多年来一直是业内专家进行研究和需要攻克的技术难题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出了一种汽车轮毂用铝合金棒料及汽车轮毂，通过对原料进行合理的选配，对棒料、轮毂工艺进行合理的优化，将元素均匀熔融于合金相组织内，晶粒细化度高，具有优异的力学性能，内应力和杂质裂纹问题明显减少，制得的产品合格率高达100％，且使用寿命延长了80％以上。

为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：

一种汽车轮毂用铝合金棒料，包括以下质量百分含量元素组分：Cu 2.2-3.1％、Mg0.4-0.7％、Mn 0.3-0.5％、Si 0.25-0.4％、RE 0.05-0.15％、M_X(N,B)_Y 0.2-1.0％、Fe＜0.5％、In≤0.005％、Be＜0.005％，余量为Al和不可避免的杂质；其中，M_X(N,B)_Y为金属氮化物、金属硼化物，M包括V、Ti、Hf。

作为本发明的进一步优化，RE为Sc、Ce、Pr的混合物，三者质量占比为65wt％≥Sc≥55wt％、35wt％≥Ce≥15wt％、15wt％≥Pr≥5wt％。

作为本发明的进一步优化，M_X(N,B)_Y中金属氮化物M_XN_Y含量占比为35-45wt％，金属硼化物M_XB_Y含量占比为55-65wt％；且金属元素V含量占比＞50wt％、Ti含量占比＞35wt％。

汽车轮毂用铝合金棒料，制备方法为：

1)按比例取料，将原料置于惰性气氛下热处理1-2h，然后按Al、1/2Mg、Mn、Si、Cu、Fe、1/3RE的顺序依次将原料投入熔炼，熔融后，再按1/2Mg、M_X(N,B)_Y、Be、In、1/3RE的顺序向其中投入原料，继续加热至熔融；

2)先向熔融金属液中通入气体，进行一次除气精炼5-20min，再向其中加入精炼剂、剩余1/3RE和覆盖剂，进行二次除气、除杂精炼5-20min；

3)将精炼后的熔融液置于静置炉内，静置至温度降为720±5℃，然后通过热顶铸造得到铝合金棒料坯体；

4)将铝合金棒料坯体进行固溶时效热处理，即得铝合金棒料。

作为本发明的进一步优化，步骤1)中惰性气氛为N₂、Ar中的一种或两者混合气，混合气中两者体积比为1:1；熔炼温度为760-800℃。

作为本发明的进一步优化，步骤2)中气体为N₂、Cl₂、AlCl₃、C₂Cl₆中一种或多种混合气，按100L熔融金属液计算，气体通入量为2-5L/h；精炼剂选用铝钛中间合金、铝锶中间合金、铝钛硼丝中的一种或多种组合物，添加量为炉料总质量的0.05-0.2％；覆盖剂添加量为炉料总质量的0.1-0.2％。

作为本发明的进一步优化，步骤4)中固溶时效热处理具体为：

固溶处理，先在480℃保温处理1-3h，然后以100℃/h的速率升温，且每升温20℃保温1-3h，至最终温度为530-550℃；

时效处理，调节温度为200-220℃，保温处理10-15h。

一种铝合金轮毂，由上述的汽车轮毂用铝合金棒料制成。

铝合金轮毂，制备方法为：取汽车轮毂用铝合金棒料，加热至熔融，采用吹氩-氟硅酸盐联合精炼5-20min，除渣后浇铸至相应的模具中成型，并进行固溶时效处理，即得。

作为本发明的进一步优化，所述氟硅酸盐采用Na、K、Ba、Cu、Mg中的一种或多种组合物，氟硅酸盐用量为炉料总质量的0.2-0.5％，氩气通入流量为炉料总体积的5vt％；固溶时效热处理具体为：

固溶处理，在460℃、480℃、500℃三个梯度温度上分别保温处理2h；

时效处理，在200±5℃条件下保温处理12-16h。

由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过对原料进行合理的选配，对棒料、轮毂工艺进行合理的优化，将元素均匀熔融于合金相组织内，晶粒细化度高，具有优异的力学性能，内应力和杂质裂纹问题明显减少，制得的产品合格率高达100％，且使用寿命延长了80％以上。

本发明铝合金基体以Cu-Mg-Al为主，合理调控Cu、Mg、Mn、Si的含量，在保证有效力学性能的基础上，有效提高了铝合金的的切削、塑性和可加工性，且内应裂纹和热脆性显著降低。原料在制备过程中分两步添加熔炼，后期加入的M_X(N,B)_Y、Be、In等元素及超微粉，除了对组织中间体成核具有促进效果，同时大大提高了结构的力学稳定性，且对前期添加Mn、Si、Cu具有一定的吸附效果，有效避免了过量元素残留析出，且对氧化夹杂以及含氢释放具有良好的改善效果，随着稀土加强细化变质，晶粒限制成型，细化度高，气孔量少且内壁圆滑，金相结构均质稳定性好，有利于后期热处理性能稳定。另外，在合金棒料熔炼过程中，Mg元素与RE元素分多次加入，有效保证了大量弥散金属间化合物离子的可析出性，铝合金的的再结晶温度被显著提高，大量的位错运动受阻，组织热处理细化度高，均质性强，对合金材料的强硬度、韧性、抗拉强度等性能具有显著的提高。

该铝合金棒料在制备合金轮毂再次进行联合精炼，一方面是为了保证基材性能的稳定，另一方面有利于改善强化相的分布，进一步提高对熔体的净化性，制得的铝合金轮毂加工性能增强，致密度提高了20％以上。

附图说明

图1为本发明轮毂示意图(含表面强化层)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种汽车轮毂用铝合金棒料，包括以下质量百分含量元素组分：Cu 2.7％、Mg0.5％、Mn 0.5％、Si 0.6％、RE 0.1％、M_X(N,B)_Y 0.6％、Fe＜0.5％、In≤0.005％、Be＜0.005％，余量为Al和不可避免的杂质；其中，M_X(N,B)_Y为金属氮化物、金属硼化物，M包括V、Ti、Hf。

其中，

RE为Sc、Ce、Pr的混合物，三者质量占比为Sc 60wt％、Ce 30wt％、Pr 10wt％；

M_X(N,B)_Y中金属氮化物M_XN_Y含量占比为40wt％，金属硼化物M_XB_Y含量占比为60wt％；且金属元素V含量占比＞50wt％、Ti含量占比＞35wt％。

汽车轮毂用铝合金棒料，制备方法为：

1)按比例取料，将原料置于惰性气氛下热处理1-2h，然后按Al、1/2Mg、Mn、Si、Cu、Fe、1/3RE的顺序依次将原料投入熔炼(760-790℃)，熔融后，再按1/2Mg、M_X(N,B)_Y、Be、In、1/3RE的顺序向其中投入原料，继续加热至熔融(770-800℃)；

2)先向熔融金属液中通入气体，进行一次除气精炼5-20min，再向其中加入精炼剂、剩余1/3RE和覆盖剂，进行二次除气、除杂精炼5-20min；

3)将精炼后的熔融液置于静置炉内，静置至温度降为730±5℃，然后通过热顶铸造得到铝合金棒料坯体；

4)将铝合金棒料坯体进行固溶时效热处理，即得铝合金棒料。

步骤1)中惰性气氛为N₂、Ar两者混合气，混合气中两者体积比为1:1

步骤2)中气体为N₂、Cl₂、AlCl₃混合气，按100L熔融金属液计算，气体通入量为4.2L/h；精炼剂选用铝锶中间合金，添加量为炉料总质量的0.05％；覆盖剂添加量为炉料总质量的0.1％

步骤4)中固溶处理为先在480℃保温处理2h，然后以100℃/h的速率升温，且每升温20℃保温2h，至最终温度为530℃；时效处理为调节温度为200℃，保温处理15h。

实施例2：

一种汽车轮毂用铝合金棒料，包括以下质量百分含量元素组分：Cu 2.7％、Mg0.7％、Mn 0.3％、Si 0.35％、RE 0.15％、M_X(N,B)_Y 0.8％、Fe＜0.5％、In≤0.005％、Be＜0.005％，余量为Al和不可避免的杂质；其中，M_X(N,B)_Y为金属氮化物、金属硼化物，M包括V、Ti、Hf。

其中，

RE为Sc、Ce、Pr的混合物，三者质量占比为Sc 65wt％、Ce 20wt％、Pr 15wt％；

M_X(N,B)_Y中金属氮化物M_XN_Y含量占比为45wt％，金属硼化物M_XB_Y含量占比为55wt％；且金属元素V含量占比＞50wt％、Ti含量占比＞35wt％。

汽车轮毂用铝合金棒料，制备方法同实施例1，其具体参数调整如下：

步骤1)中惰性气氛为N₂、Ar两者混合气，混合气中两者体积比为1:1

步骤2)中气体为N₂、C₂Cl₆中一种或多种混合气，按100L熔融金属液计算，气体通入量为4L/h；精炼剂选用铝锶中间合金、铝钛硼丝中的组合物，添加量为炉料总质量的0.12％；覆盖剂添加量为炉料总质量的0.15％

步骤4)中固溶处理为先在480℃保温处理2h，然后以100℃/h的速率升温，且每升温20℃保温2h，至最终温度为550℃；时效处理为调节温度为200℃，保温处理15h。

实施例3：

一种汽车轮毂用铝合金棒料，包括以下质量百分含量元素组分：Cu 3.0％、Mg0.4％、Mn 0.5％、Si 0.4％、RE 0.15％、M_X(N,B)_Y 0.5％、Fe＜0.5％、In≤0.005％、Be＜0.005％，余量为Al和不可避免的杂质；其中，M_X(N,B)_Y为金属氮化物、金属硼化物，M包括V、Ti、Hf。

其中，

RE为Sc、Ce、Pr的混合物，三者质量占比为Sc 55wt％、Ce 30wt％、Pr 15wt％；

M_X(N,B)_Y中金属氮化物M_XN_Y含量占比为45wt％，金属硼化物M_XB_Y含量占比为55wt％；且金属元素V含量占比＞50wt％、Ti含量占比＞35wt％。

汽车轮毂用铝合金棒料，制备方法同实施例1，其具体参数调整如下：

步骤1)中惰性气氛为Ar。

步骤2)中气体为N₂、Cl₂混合气，按100L熔融金属液计算，气体通入量为3.5L/h；精炼剂选用铝钛中间合金、铝钛硼丝中的一种或多种组合物，添加量为炉料总质量的0.2％；覆盖剂添加量为炉料总质量的0.2％

步骤4)中固溶处理为先在480℃保温处理3h，然后以100℃/h的速率升温，且每升温20℃保温2h，至最终温度为530℃；时效处理为调节温度为210℃，保温处理10h。

实施例4：

一种汽车轮毂用铝合金棒料，包括以下质量百分含量元素组分：Cu 2.2％、Mg0.5％、Mn 0.3％、Si 0.25％、RE 0.1％、M_X(N,B)_Y 0.4％、Fe＜0.5％、In≤0.005％、Be＜0.005％，余量为Al和不可避免的杂质；其中，M_X(N,B)_Y为金属氮化物、金属硼化物，M包括V、Ti、Hf。

其中，

RE为Sc、Ce、Pr的混合物，三者质量占比为Sc 65wt％、Ce 30wt％、Pr 5wt％；

M_X(N,B)_Y中金属氮化物M_XN_Y含量占比为35wt％，金属硼化物M_XB_Y含量占比为65wt％；且金属元素V含量占比＞50wt％、Ti含量占比＞35wt％。

汽车轮毂用铝合金棒料，制备方法同实施例1，其具体参数调整如下：

步骤1)中惰性气氛为N₂。

步骤2)中气体为N₂，按100L熔融金属液计算，气体通入量为2-5L/h；精炼剂选用铝锶中间合金、铝钛硼丝中的组合物，添加量为炉料总质量的0.1％；覆盖剂添加量为炉料总质量的0.15％

步骤4)中固溶处理为先在480℃保温处理1h，然后以100℃/h的速率升温，且每升温20℃保温2h，至最终温度为550℃；时效处理为调节温度为220℃，保温处理10h。

实施例5：

一种铝合金轮毂，采用实施例1-4所述的铝合金棒料制备，制备方法如下：

取汽车轮毂用铝合金棒料，加热至熔融，采用吹氩-氟硅酸盐联合精炼5-20min，除渣后浇铸至相应的模具中成型，并进行固溶时效处理，即得。

其中，氟硅酸盐采用Na、K、Ba、Cu、Mg中的一种或多种组合物，氟硅酸盐用量为炉料总质量的0.2-0.5％(优选K、Ba，用量为0.33±0.05％)，氩气通入流量为炉料总体积的5vt％；固溶时效热处理具体为：

固溶处理，在460℃、480℃、500℃三个梯度温度上分别保温处理2h；

时效处理，在200±5℃条件下保温处理12-16h。

实施例6：

基于实施例5制得的铝合金轮毂，在轮毂表面开设有强化槽，强化槽内通过喷镀填充强化合金粉。

强化槽包括以铝合金轮毂中心为圆心环形阵列的若干纵向条形槽(至少4条，且条形槽槽口宽度由中心向外侧加宽)，条形槽两端口宽度分别为内圆(条形槽窄处端口边沿延伸构成的圆)、外圆(条形槽宽处端口边沿延伸构成的圆)周长的5-15％；

以及以铝合金轮毂中心为圆心的1道或2道环形槽(图中为1道)，且环形槽沿周向设有若干突出的半弧面槽。

条形槽、环形槽、半弧面槽槽深1-3mm。

强化合金粉为M_X(C，N,B)_Y，其中M选自Si、Ni、Mg中的一种或多种。

将本发明实施例1-6制得的铝合金轮毂进行性能测试，数据如下：

每个实施例样品数至少为50件，取测试均值。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种汽车轮毂用铝合金棒料，其特征在于，包括以下质量百分含量元素组分：Cu2.2-3.1％、Mg 0.4-0.7％、Mn 0.3-0.5％、Si 0.25-0.4％、RE 0.05-0.15％、M_X(N,B)_Y 0.2-1.0％、Fe＜0.5％、In≤0.005％、Be＜0.005％，余量为Al和不可避免的杂质；其中，M_X(N,B)_Y为金属氮化物、金属硼化物，M包括V、Ti、Hf。

2.根据权利要求1所述的汽车轮毂用铝合金棒料，其特征在于：RE为Sc、Ce、Pr的混合物，三者质量占比为65wt％≥Sc≥55wt％、35wt％≥Ce≥15wt％、15wt％≥Pr≥5wt％。

3.根据权利要求1所述的汽车轮毂用铝合金棒料，其特征在于：M_X(N,B)_Y中金属氮化物M_XN_Y含量占比为35-45wt％，金属硼化物M_XB_Y含量占比为55-65wt％；且金属元素V含量占比＞50wt％、Ti含量占比＞35wt％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的汽车轮毂用铝合金棒料，其特征在于，制备方法为：

1)按比例取料，将原料置于惰性气氛下热处理1-2h，然后按Al、1/2Mg、Mn、Si、Cu、Fe、1/3RE的顺序依次将原料投入熔炼，熔融后，再按1/2Mg、M_X(N,B)_Y、Be、In、1/3RE的顺序向其中投入原料，继续加热至熔融；

2)先向熔融金属液中通入气体，进行一次除气精炼5-20min，再向其中加入精炼剂、剩余1/3RE和覆盖剂，进行二次除气、除杂精炼5-20min；

3)将精炼后的熔融液置于静置炉内，静置至温度降为730±5℃，然后通过热顶铸造得到铝合金棒料坯体；

4)将铝合金棒料坯体进行固溶时效热处理，即得铝合金棒料。

5.根据权利要求4所述的汽车轮毂用铝合金棒料，其特征在于：步骤1)中惰性气氛为N₂、Ar中的一种或两者混合气，混合气中两者体积比为1:1；熔炼温度为760-800℃。

6.根据权利要求4所述的汽车轮毂用铝合金棒料，其特征在于：步骤2)中气体为N₂、Cl₂、AlCl₃、C₂Cl₆中一种或多种混合气，按100L熔融金属液计算，气体通入量为2-5L/h；精炼剂选用铝钛中间合金、铝锶中间合金、铝钛硼丝中的一种或多种组合物，添加量为炉料总质量的0.05-0.2％；覆盖剂添加量为炉料总质量的0.1-0.2％。

7.根据权利要求4所述的汽车轮毂用铝合金棒料，其特征在于：步骤4)中固溶时效热处理具体为：

固溶处理，先在480℃保温处理1-3h，然后以100℃/h的速率升温，且每升温20℃保温1-3h，至最终温度为530-550℃；

时效处理，调节温度为200-220℃，保温处理10-15h。

8.一种铝合金轮毂，由权利要求5-7任一项所述的汽车轮毂用铝合金棒料制成。

9.根据权利要求8所述的铝合金轮毂，其特征在于，制备方法为：取汽车轮毂用铝合金棒料，加热至熔融，采用吹氩-氟硅酸盐联合精炼5-20min，除渣后浇铸至相应的模具中成型，并进行固溶时效处理，即得。

10.根据权利要求9所述的铝合金轮毂，其特征在于：所述氟硅酸盐采用Na、K、Ba、Cu、Mg中的一种或多种组合物，氟硅酸盐用量为炉料总质量的0.2-0.5％，氩气通入流量为炉料总体积的5vt％；固溶时效热处理具体为：

固溶处理，在460℃、480℃、500℃三个梯度温度上分别保温处理2h；

时效处理，在200±5℃条件下保温处理12-16h。