CN111283173B - 一种大尺寸汽车铝合金轮毂的制造方法 - Google Patents

一种大尺寸汽车铝合金轮毂的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸汽车铝合金轮毂的制造方法，针对大尺寸汽车铝合金轮毂的轮辐和轮辋部位采用分步铸造成型。轮毂的轮辐部分采用重力金属型铸造对其进行铸造成型，成型后对其进行水冷并将去除毛刺，然后将成型好的轮辐放入低压铸造模具中进行轮辋的低压铸造成型，最后对分步铸造成型的轮毂进行后续热处理、精加工和涂装等常规工序。本发明对轮辐和轮辋采用分步铸造不仅降低了轮辐下表面及内部的气孔和裂纹，使轮辐的抗拉强度提高；而且减少了轮辋的缩孔、缩松等问题，提高了轮辋质量；实现了轮辐轮辋顺序凝固，使轮毂铸件组织均匀致密，同时缩短了大尺寸汽车铝合金轮毂的生产周期，提高了轮毂的生产效率，降低了生产成本。

Description

一种大尺寸汽车铝合金轮毂的制造方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金熔炼铸造工艺，特别涉及一种大尺寸汽车铝合金轮毂的制造方法，属于汽车铝合金轮毂铸造技术领域。
背景技术
随着材料研究的深入发展，铝合金已被公认为是实现汽车轻量化路线最有效的材料。汽车的车轮作为汽车的重要零部件，对汽车的减重显得尤为重要。目前大型车多采用钢制轮毂或者锻造铝轮毂，钢轮毂不利于节能减排，锻造铝轮毂成本较高。而铸造铝合金轮毂在性能上又低于锻造铝合金轮毂，但是通过对合金成分的优化以及对铸造工艺的合理改进，最大限度的发挥铸造铝合金轮毂的潜力，从而获得更高力学性能的汽车用大尺寸铝合金轮毂，己逐渐成为国内外生产大尺寸铝合金轮毂的优选。由于铝合金轮毂比钢轮毂有着更多的优异性能，近年来铸造铝合金汽车轮毂的使用量逐年升高。特别是随着经济技术的快速发展，目前，轮毂制造行业有两个主要新兴趋势，首先是增加使用铝合金轮毂，其次针对直径较大的轮毂的需求逐渐增加。因此，大尺寸汽车用铝合金轮毂对新型铸造技术及传统铸造技术提出了挑战。
轮毂生产方式主要有重力铸造、低压铸造、锻造及半固态模锻等。目前市场上销售的大型铝合金轮毂多为锻造，虽然锻造出的轮毂各部分的性能都已经达到要求，但是成本相对较高，且轮毂的外观比较简单，对于造型复杂的轮毂若采用锻造的方法，生产工序会变得复杂，生产率和金属利用率降低，生产成本增加。整体重力铸造可以生产成型复杂形状轮毂，但其内部气孔、疏松等缺陷多，因轮辋部位为最后充填区域，故轮辋部位气孔、疏松等缺陷更多，不但强度不高，而且因加工后表面有气孔，安装轮胎密封不严，气密性差。整体式低压铸造铝合金轮毂制造方便，铸件质量好，金属利用率高，生产效率也高于锻造，但由于大型铝合金轮毂的大尺寸、壁厚不均匀等特点，低压铸造过程中很难同时保证轮辋、轮辐凝固的顺序与速度、缩松等缺陷以及粗大的凝固组织难以避免，同时模具温度场不稳定，导致铸造轮毂合格率偏低。由于低压铸造时轮辋最先充填并凝固，其质量和性能较好，但轮辐及轮芯部位最后充填和凝固，气孔、疏松等缺陷多，特别是轮辐及轮芯下表面附近孔隙多，机加工后，孔隙裸露，表面涂装后外观不平整，涂装质量差，美观性不够，降低了轮毂品质和成品率。不管是整体重力铸造还是整体低压铸造，大尺寸汽车铝合金轮毂中轮辐和轮辋处的力学性能不能同时满足轮毂对其不同部位不同的性能要求，整体重力铸造时轮辋性能低，整体低压铸造轮辐质量差。
发明内容
本发明是为了避免上述现有轮毂铸造成型技术所存在的不足之处，针对特殊场合下使用的大尺寸汽车铝合金轮毂，提供一种大尺寸汽车铝合金轮毂的制造方法。该方法可以满足大尺寸(≥32寸)汽车铝合金轮毂对轮辋和轮辐部位不同的性能和组织要求，保证铸件整体质量，并能缩短生产周期，提高生产效率，减少废品率，降低成本。
本发明大尺寸汽车铝合金轮毂的制造方法，首先采用重力金属型铸造方法对大尺寸汽车用铝合金轮毂的轮辐进行重力铸造成型；然后将成型好的轮辐放入低压铸造模具中进行轮辋的低压铸造成型，完成整个轮毂的铸造成型；最后对分步铸造成型的轮毂进行后续的热处理、精加工和涂装等常规工序，完成大尺寸汽车用铝合金轮毂的分步铸造成型加工生产。具体包括如下步骤：
步骤1：采用牌号为ZL101A的国产铝合金作为轮毂材料，首先将铝合金熔化成铝液，铝液温度控制在710～750℃，通入99.99％的高纯N2和C2Cl6精炼剂进行除气除渣，其中加入的C2Cl6含量为铝液质量的0.5～1.0％；
步骤2：将步骤1获得的铝液于680～710℃下静置10～20min，待铝液底部杂质和铝液中气体充分上浮后，用扒渣勺进行扒渣；
步骤3：扒渣后再将铝液于680～710℃下静置10～15min，将铝液温度保持在680～720℃时对轮辐进行重力金属型铸造成型，轮辐用金属型模具提前预热至250～300℃，防止浇注成型后轮辐表面和内部气孔、裂纹的出现影响轮辐质量；
步骤4：将铸造成型后的轮辐进行水冷，去毛刺，在每根辐条与轮辋连接处的端面均机械加工以去除端面氧化物外皮，以利于后续铸造过程中轮辐和轮辋连接处的冶金结合；其中水冷温度保持在60～80℃。
步骤5：将步骤4处理后的轮辐放入低压铸造模具中，进行轮辋的低压铸造成型，将低压铸造模具的边模温度控制在430～450℃；低压铸造时，铝液温度保持在690～710℃，再导入低压铸造机中进行轮辋的铸造；泄压凝固后等待其冷却后脱模取出轮毂，进行后续的热处理、精加工和表面涂装等常规工序。
低压铸造过程中的工艺要求为：
升液：压力200～240bar，时间10～15s；
充型：压力350～390bar，时间30～35s；
增压：压力800～840bar，时间40～45s；
保压：压力820～860bar，时间45～50s。
本发明制造方法尤其适合铸造外型尺寸为32～36寸的大尺寸汽车用铝合金轮毂。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、由于轮辐截面较厚，采用重力金属型铸造轮辐，冷却速度快，具有激冷效果，使铸件组织致密且晶粒细化，重力金属型铸造成型后的轮辐在后续经过低压铸造轮辋过程中相当于经历一次固溶处理，从而为后续热处理做好充足准备，使轮辐的力学性能进一步提高。同时，采用重力金属型铸造轮辐使其下表面气孔减少，铸造质量提高，加工后表面无因气孔裸露而引起的粗糙度增加、喷漆、喷粉烘烤后表面粗糙不美观等现象。
2、由于轮辋较薄，对其单独采用低压铸造轮辋，避免了因充型路径过长导致的铝液充型缺陷，充型平稳，基本无翻腾、冲击和飞溅，减少了铝液的二次氧化，从而减少了轮辋的缩孔、缩松等问题，提高了轮辋性能，增加了轮辋的气密性。
3、针对轮辐和轮辋各部位性能要求不一，采用分步铸造，轮辋部位组织致密，强度高，塑韧性好；轮辐强度低于轮辋，但下表面组织致密，气孔少，表面质量优；轮辐轮辋顺序凝固，成分均匀，连接牢固，轮毂各部位性能均能满足使用要求。
4、由于本发明采用分步铸造大尺寸轮毂的轮辐和轮辋部位，相比传统整体低压铸造轮毂不仅缩短了生产周期，降低了生产成本，并且在很大程度上提高了大尺寸汽车铝合金轮毂的生产效率。
附图说明
图1是轮毂的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案的大尺寸汽车轮毂的制造方法进行详细说明，下面实施例是说明性的，而不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
实施例1：
采用分步铸造方法制造外型尺寸为32寸的汽车铝合金轮毂，包括如下步骤：
1、铝液熔炼，将ZL101A铝合金熔化成铝液，铝液温度控制在720℃，通入N2和C2Cl6精炼剂进行除气除渣。
2、将铝液静置10min，待铝液底部杂质和铝液中气体充分上浮后，扒出铝渣。
3、扒渣后再将铝液静置10min，将铝液温度保持在680℃时对轮辐进行重力金属型铸造成型，轮辐用金属型模具预热250℃。
4、将重力金属型铸造成型后的轮辐进行水冷，去毛刺，以及每根辐条与轮辋连接处的端面均机械加工以去除端面氧化物外皮，以利于后续轮辐和轮辋连接处的冶金结合，其中水冷温度保持在60℃。
5、将铸造成型后的轮辐放入低压铸造模具中，准备轮辋的低压铸造成型，将低压铸造模具的边模温度控制在430℃。低压铸造时，铝液温度保持在690℃再进入低压铸造机进行铸造，铸造过程中的工艺要求为：
升液：压力200～240bar，时间10～15s；
充型：压力350～390bar，时间30～35s；
增压：压力800～840bar，时间40～45s；
保压：压力820～860bar，时间45～50s。
泄压凝固后等待其冷却后脱模取出轮毂，进行后续的热处理，精加工和表面涂装等工序。
6、本实施例中，中试生产100件，采用分步铸造合格率为94％，T6热处理后检测其力学性能：
抗拉强度：轮辋≥260MPa；轮辐≥240MPa。
屈服强度：轮辋≥170MPa；轮辐≥150MPa。
硬度：轮辋≥HB80；轮辐≥HB75。
延伸率：轮辋≥8.5％；轮辐≥8％。
采用分步铸造得到的大尺寸轮毂的各项性能均达到了其最低使用性能要求，符合大尺寸汽车铝合金轮毂产品的生产要求。
采用整体重力铸造32寸汽车铝合金轮毂，T6热处理后检测其力学性能：
抗拉强度：轮辋240MPa；轮辐235MPa。
屈服强度：轮辋150MPa；轮辐145MPa。
硬度：轮辋HB70；轮辐HB70。
延伸率：轮辋9％；轮辐8.5％。
由此易得出采用整体重力铸造时，轮辐轮辋硬度、强度均降低，但轮辋硬度、强度降低较多，不符合大尺寸汽车铝合金轮毂产品生产要求。
采用整体低压铸造32寸汽车铝合金轮毂，T6热处理后检测其力学性能：
抗拉强度：轮辋250MPa；轮辐220MPa。
屈服强度：轮辋160MPa；轮辐130MPa。
硬度：轮辋HB75；轮辐HB60。
延伸率：轮辋8.8％；轮辐9％。
由此易得出采用整体重力铸造时，轮辐轮辋硬度、强度均降低，但轮辐硬度、强度降低较多，不符合大尺寸汽车铝合金轮毂产品生产要求。
实施例2：
采用分步铸造方法制造外型尺寸为34寸的汽车铝合金轮毂，包括如下步骤：
1、铝液熔炼，将ZL101A铝合金熔化成铝液，铝液温度控制在730℃，通入N2和C2Cl6精炼剂进行除气除渣。
2、将铝液静置15min，待铝液底部杂质和铝液中气体充分上浮后，扒出铝渣。
3、扒渣后再将铝液静置12min，将铝液温度保持在700℃时对轮辐进行重力金属型铸造成型，轮辐用金属型模具预热270℃。
4、将重力金属型铸造成型后的轮辐进行水冷，去毛刺，以及每根辐条与轮辋连接处的端面均机械加工以去除端面氧化物外皮，其中水冷温度保持在70℃。
5、将铸造成型后的轮辐放入低压铸造模具中，准备轮辋的低压铸造成型，将低压铸造模具的边模温度控制在440℃。低压铸造时，铝液温度保持在700℃再进入低压铸造机进行铸造，铸造过程中的工艺要求为：
升液：压力200～240bar，时间10～15s；
充型：压力350～390bar，时间30～35s；
增压：压力800～840bar，时间40～45s；
保压：压力820～860bar，时间45～50s。
泄压凝固后等待其冷却后脱模取出轮毂，进行后续的热处理，精加工和表面涂装等工序。
6、本实施例中，中试生产100件，采用分步铸造合格率为96％，T6热处理后检测其力学性能：
抗拉强度：轮辋≥270MPa；轮辐≥240MPa。
屈服强度：轮辋≥180MPa；轮辐≥150MPa。
硬度：轮辋≥HB80；轮辐≥HB75。
延伸率：轮辋≥8.0％；轮辐≥7.5％。
采用分步铸造得到的大尺寸轮毂的各项性能均达到了其最低使用性能要求，符合大尺寸汽车铝合金轮毂产品生产要求。
采用整体重力铸造32寸汽车铝合金轮毂，T6热处理后检测其力学性能：
抗拉强度：轮辋250MPa；轮辐230MPa。
屈服强度：轮辋170MPa；轮辐140MPa。
硬度：轮辋HB70；轮辐HB70。
延伸率：轮辋9.1％；轮辐8.6％。
由此易得出采用整体重力铸造时，轮辐轮辋硬度、强度均降低，但轮辋硬度、强度降低较多，不符合大尺寸汽车铝合金轮毂产品生产要求。
采用整体低压铸造32寸汽车铝合金轮毂，T6热处理后检测其力学性能：
抗拉强度：轮辋260MPa；轮辐220MPa。
屈服强度：轮辋170MPa；轮辐130MPa。
硬度：轮辋HB74；轮辐HB62。
延伸率：轮辋8.5％；轮辐9.3％。
由此易得出采用整体重力铸造时，轮辐轮辋硬度、强度均降低，但轮辐硬度、强度降低较多，不符合大尺寸汽车铝合金轮毂产品生产要求。
实施例3：
采用分步铸造方法制造外型尺寸为36寸的汽车铝合金轮毂，包括如下步骤：
1、铝液熔炼，将ZL101A铝合金熔化成铝液，铝液温度控制在740℃，通入N2和C2Cl6精炼剂进行除气除渣。
2、将铝液静置20min，待铝液底部杂质和铝液中气体充分上浮后，扒出铝渣。
3、扒渣后再将铝液静置15min，将铝液温度保持在720℃时对轮辐进行重力金属型铸造成型，轮辐用金属型模具预热300℃。
4、将重力金属型铸造成型后的轮辐进行水冷，去毛刺，以及每根辐条与轮辋连接处的端面均机械加工以去除端面氧化物外皮，其中水冷温度保持在80℃。
5、将铸造成型后的轮辐放入低压铸造模具中，准备轮辋的低压铸造成型，将低压铸造模具的边模温度控制在450℃。低压铸造时，铝液温度保持在710℃再进入低压铸造机进行铸造，铸造过程中的工艺要求为：
升液：压力200～240bar，时间10～15s；
充型：压力350～390bar，时间30～35s；
增压：压力800～840bar，时间40～45s；
保压：压力820～860bar，时间45～50s。
泄压凝固后等待其冷却后脱模取出轮毂，进行后续的热处理，精加工和表面涂装等工序。
6、本实施例中，中试生产100件，采用分步铸造合格率为95％，T6热处理后检测其力学性能：
抗拉强度：轮辋≥275MPa；轮辐≥250MPa。
屈服强度：轮辋≥165MPa；轮辐≥155MPa。
硬度：轮辋≥HB80；轮辐≥HB75。
延伸率：轮辋≥9％；轮辐≥8.5％。
采用分步铸造得到的大尺寸轮毂的各项性能均达到了其最低使用性能要求，符合大尺寸汽车铝合金轮毂产品生产要求。
采用整体重力铸造32寸汽车铝合金轮毂，T6热处理后检测其力学性能：
抗拉强度：轮辋255MPa；轮辐240MPa。
屈服强度：轮辋147MPa；轮辐146MPa。
硬度：轮辋HB71；轮辐HB69。
延伸率：轮辋9.3％；轮辐8.9％。
由此易得出采用整体重力铸造时，轮辐轮辋硬度、强度均降低，但轮辋硬度、强度降低较多，不符合大尺寸汽车铝合金轮毂产品生产要求。
采用整体低压铸造32寸汽车铝合金轮毂，T6热处理后检测其力学性能：
抗拉强度：轮辋265MPa；轮辐230MPa。
屈服强度：轮辋155MPa；轮辐135MPa。
硬度：轮辋HB75；轮辐HB66。
延伸率：轮辋9.2％；轮辐9.0％。
由此易得出采用整体重力铸造时，轮辐轮辋硬度、强度均降低，但轮辐硬度、强度降低较多，不符合大尺寸汽车铝合金轮毂产品生产要求。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种大尺寸汽车铝合金轮毂的制造方法，其特征在于：
首先采用重力金属型铸造方法对大尺寸汽车用铝合金轮毂的轮辐进行重力铸造成型；然后将成型好的轮辐放入低压铸造模具中进行轮辋的低压铸造成型，完成整个轮毂的铸造成型；最后对分步铸造成型的轮毂进行后续的热处理、精加工和涂装常规工序，完成大尺寸汽车用铝合金轮毂的分步铸造成型加工生产；包括如下步骤：
步骤1：将轮毂用铝合金熔化成铝液，铝液温度控制在710~750℃，通入99.99%的高纯N2和C2Cl6精炼剂进行除气除渣；
步骤2：将步骤1获得的铝液于680~710℃下静置10~20min，待铝液底部杂质和铝液中气体充分上浮后，用扒渣勺进行扒渣；
步骤3：扒渣后再将铝液于680~710℃下静置10~15min，将铝液温度保持在680~720℃时对轮辐进行重力金属型铸造成型；
步骤4：将铸造成型后的轮辐进行水冷，去毛刺，在每根辐条与轮辋连接处的端面均机械加工以去除端面氧化物外皮，以利于后续铸造过程中轮辐和轮辋连接处的冶金结合；
步骤5：将步骤4处理后的轮辐放入低压铸造模具中，进行轮辋的低压铸造成型；低压铸造时，铝液温度保持在690~710℃，再导入低压铸造机中进行轮辋的铸造；泄压凝固后等待其冷却后脱模取出轮毂，进行后续的热处理、精加工和表面涂装常规工序；
步骤5中，低压铸造过程中的工艺参数为：
升液：压力200~240bar，时间10~15s；
充型：压力350~390bar，时间30~35s；
增压：压力800~840bar，时间40~45s；
保压：压力820~860bar，时间45~50s；
步骤5中，低压铸造模具的边模温度控制在430~450℃；
所述制造方法适合铸造外型尺寸为32~36寸的汽车用铝合金轮毂。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：
步骤1中，采用牌号为ZL101A的国产铝合金作为轮毂材料。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：
步骤1中，C2Cl6 的添加量为铝液质量的0.5~1.0%。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：
步骤3中，轮辐用金属型模具提前预热至250~300℃，防止浇注成型后轮辐表面和内部气孔、裂纹的出现影响轮辐质量。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：
步骤4中，水冷温度保持在60~80℃。
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