CN111394629B - 一种轮毂用铝合金、制备方法和轮毂工件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轮毂用铝合金、制备方法和轮毂工件的制备方法，其中轮毂用铝合金包括母合金和中间合金；母合金的成分及重量百分比包括：Cu2.3～3.0％，Mn0.3～0.6％，Si0.4～0.6％，Mg0.1～0.4％，Ti0.05～0.12％，B0.005～0.01％，Cr0.1～0.5％，余量为Al；中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce10～12％或La10～12％或Ce10～12％，余量为Al。本发明还提供了其制备方法及应用于轮毂工件的制备方法。其中轮毂用铝合金制备方法包括熔化基础合金、向基础合金添加合金添加料熔制母合金、添加稀土中间合金和精炼的过程。轮毂工件的制备方法包括铸造或锻造工艺。本发明提供的轮毂用铝合金具力学性能超过了QT500,其强度≥500MPa，延伸率≥8％，可以不增加壁厚直接代替球铁制造轮毂；成本相比球铁只提高1元/kg左右，性价比高，适合用于制造汽车零件。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域，尤其涉及一种轮毂用铝合金、制备方法和轮毂工件的制备方法。
背景技术
卡车车桥轮毂是重型卡车上的重要部件，轮毂上有法兰盘，用来安装车轮和制动盘(或制动毂)。轮毂两端各安装(通过轴承位1)有内外轴承，内外轴承之间留有直径扩大的储油腔2，如图2所示。
现有技术的轮毂主要用球铁制成，其重量大，且因球铁的石墨具有自润滑特性，导致使用中其内外轴承均有跑圈的问题。目前已经有用铝合金代替球墨铸铁制造卡车轮毂的先例。但是铝合金轮毂存在三个突出问题：①因现有技术铝合金硬度低，使用中跑外圈的问题会更突出；②现有技术的铝合金强度和塑性低于球铁，使用中有出现断裂的危险，必须修改轮毂结构才能满足承载要求，这样使轻量化效果打了折扣。③现有技术中的铝铜合金或7系的高强铝合金，强度可以与球铁媲美，可以做到不修改轮毂架构即能满足承载要求，但是，其热裂倾向和流动性均较差，废品率较高，成本高，代替球铁的市场竞争力不强。
中国专利CN102836989A公开了一种重卡汽车轮毂的挤压铸造方法，其特征在于将液态金属在高压下充型和凝固，挤压铸造铝液浇注温度与金属模铸造轮毂的浇注温度基本相同，在720℃左右，挤压压力控制在120t-150t,保压时间为20-35s，铸件质量较好；一般采用空行程140mm/s快速下行，使冲头刚接触到液面时改为慢速挤压，速度为40mm/s,直至压力升到保压压力，结晶凝固；采用凹凸模冷却控制方法，一般凹模取180-220℃，凸模取140-180℃较好。该专利的铝合金只是现有技术中的铝合金，没有新的特征；其制备方法是挤压铸造方法，但这种直接加压的凹凸模方法只适用于盆状的轮毂，无法制备带有法兰盘的轮毂，所得轮毂内部气孔、夹渣缺陷在所难免，合格率较低。其中挤压压力120吨～150吨在铝合金内部产生的压强不足20MPa，对材料性能的改善有限。
中国专利CN105936996A公开了一种替代QT500汽车轮毂的铝合金材料及其液态模锻成形方法，其特征是主成分含量按重量百分比计：四羧合钴负离子体Co(CO)4-:0.005-0.02％,锰Mn:≤2％，镉Cd:0.05％-0.5％，铜Cu：4.2％-8.0％且Cu≥0.8Mn+4.05％,路易斯酸碱对总量1％ⅹ10-4～2.0％，合金平均晶粒度小于120μm，余量为铝Al。该铝合金的化学成分与国标ZL204A相当，只是添加了四羧合钴负离子体和路易斯酸碱对。这种合金热裂倾向很大，流动性也不好，液态模锻成形过程的废品率较高，制造带法兰盘的轮毂时容易出现热裂缺陷。
天津纳诺公开了一种高强铝铜合金车轮材料及其液态模锻成形方法(公开号CN103924139A)，其组分含量按重量百分比计：Cu4.5～5.5％,Mn0.3～0.5％,Ti0.15～0.35％,V0.05～0.3％,Zr0.05～0.2％,B0.005～0.06％,Cd0.01～0.3％,Er0.01～0.1％,余量为Al.这一合金的化学组成特点是在ZL205A基础上添加了稀土元素铒，虽然性能有所改善，但使材料成本显著提高，铒价按800元/千克计算，这种铝合金轮毂的价格要比ZL205A至少增加约800元/吨。
发明内容
本发明的实施例提供了一种轮毂用铝合金、制备方法和轮毂工件的制备方法，用于解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种轮毂用铝合金，包括母合金和中间合金；母合金重量百分比为97～99％，中间合金重量百分比为1.0～3.0％；
母合金的成分及重量百分比包括：Cu2.3～3.0％，Mn0.3～0.6％，Si0.4～0.6％，Mg0.1～0.4％，Ti0.05～0.12％，B0.005～0.01％，Cr0.1～0.5％，余量为Al；
中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce10～12％或La10～12％或Ce10～12％，余量为Al。
优选地，母合金的成分及重量百分比包括：Cu2.5～2.7％，Mn0.4～0.5％，Si0.5～0.55％，Mg0.2～0.3％，Ti0.08～0.10％，B0.006～0.09％，Cr0.2～0.4％，余量为Al；
中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce10％或La10％或Ce10％，余量为Al。
优选地，母合金的成分及重量百分比包括Cu2.3～2.4％，Mn0.4～0.5％，Si0.4～0.5％，Mg0.3～0.4％，Ti0.05～0.07％，B0.006～0.008％，Cr0.1～0.2％，余量为Al；
中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce,11％或La11％或Ce11％，余量为Al。
优选地，母合金的成分及重量百分比包括Cu2.8～3.0％，Mn0.5～0.6％，Si0.5～0.6％，Mg0.3～0.4％，Ti0.10～0.12％，B0.008～0.01％，Cr0.4～0.5％，余量为Al；
中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce,12％或La12％或Ce12％，余量为Al。
第二方面，本发明提供一种用于制备上述的轮毂用铝合金的制备方法，包括：
将基础合金锭熔化并升温至760～790℃，对熔化升温后的基础合金锭保温，获得基础合金液；该基础合金液的成分及重量百分比包括：Cu2.5～3.2％，Si0.8～1.3％，Mg0.5～0.9％，余量为Al；
基于该基础合金液的成分及重量百分比，向基础合金液中依次添加：AlTi5B合金0.5％～1.2％、金属锰0.45～0.70％和金属铬0.11～0.51％，获得母合金液；
基于该母合金液的成分及重量百分比，向母合金液依次添加1.0～3.0％的中间合金料；该中间合金料的成分及重量百分比包括：La+Ce10～12％或La10～12％或Ce10～12％，余量为Al；
对添加中间合金料的母合金液进行精炼，获得液态的轮毂用铝合金。
优选地，基于该母合金液的成分及重量百分比，向母合金液依次添加1.0～3.0％的中间合金料的步骤中，该中间合金料的成分及重量百分比包括如下特征任一一种：La+Ce10％或La10％或Ce10％，余量为Al；La+Ce,11％或La11％或Ce11％，余量为Al；La+Ce,12％或La12％或Ce12％，余量为Al。
优选地，还包括在对添加中间合金料的母合金液进行精炼之前进行10-15min搅拌的过程。
优选地，对添加中间合金料的母合金液进行精炼的过程具体包括：
向添加中间合金料的母合金液添加精炼剂并通氮气；
该精炼的过程时间为10-15min，添加中间合金料的母合金液的温度为710～750℃。
第三方面，本发明提供一种轮毂工件的制备方法，包括将上述的液态的轮毂用铝合金进行铸造成型或锻造成型的过程；
将上述液态的轮毂用铝合金进行铸造成型的过程具体包括：
将液态的轮毂用铝合金浇入铸型，并向该铸型内的液态轮毂用铝合金施加压力使该铸型内的液态的轮毂用铝合金受到50-150MPa的压强，直至凝固成形，获得铸造成型的轮毂工件；
将上述的液态的轮毂用铝合金进行锻造成型的过程具体包括：
将液态的轮毂用铝合金浇入模具内凝固，得到轮毂坯料；
对该轮毂坯料进行模锻，获得锻造成型的轮毂工件。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种轮毂用铝合金、制备方法和轮毂工件的制备方法，其中轮毂用铝合金包括母合金和中间合金；母合金的成分及重量百分比包括：Cu2.3～3.0％，Mn0.3～0.6％，Si0.4～0.6％，Mg0.1～0.4％，Ti0.05～0.12％，B0.005～0.01％，Cr0.1～0.5％，余量为Al；中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce10～12％或La10～12％或Ce10～12％，余量为Al。本发明还提供了其制备方法及应用于轮毂工件的制备方法。其中轮毂用铝合金制备方法包括熔化基础合金、向基础合金添加合金添加料熔制母合金、添加稀土中间合金和精炼的过程。轮毂工件的制备方法包括铸造或锻造工艺。本发明提供的轮毂用铝合金具有如下优点：
力学性能超过了QT500,其强度≥500MPa，延伸率≥8％，可以在不增加壁厚直接代替球铁制造轮毂；
成本相比只提高1元/kg左右，性价比高，适合用于制造汽车零件；
铸造工艺性能和锻造个工艺性能兼备，可以用来铸造轮毂，也可以用来锻造轮毂；
其与钢之间的静摩擦系数比球铁与钢间大约50％，可以有效防止轴承跑外圈的故障发生。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种轮毂用铝合金的制备方法的处理流程图；
图2为铝合金轮毂的剖视图。
图中：
1.轴承位 2.储油腔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明提供的一种轮毂用铝合金，包括母合金和中间合金；所述母合金重量百分比为97～99％，所述中间合金重量百分比为1.0～3.0％；
所述母合金的成分及重量百分比包括：Cu2.3～3.0％，Mn0.3～0.6％，Si0.4～0.6％，Mg0.1～0.4％，Ti0.05～0.12％，B0.005～0.01％，Cr0.1～0.5％，余量为Al；
所述中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce10～12％或La10～12％或Ce10～12％，余量为Al。
申请人发现母合金以及中间合金的成分及重量百分比取如下参数时轮毂用铝合金的性能最好：
母合金的成分及重量百分比优选为：Cu2.5～2.7％，Mn0.4～0.5％，Si0.5～0.55％，Mg0.2～0.3％，Ti0.08～0.10％，B0.006～0.09％，Cr0.2～0.4％，余量为Al；
中间合金的成分及重量百分比优选为：La+Ce10％或La10％或Ce10％，余量为Al。
更进一步的，
母合金的成分及重量百分比包括Cu2.3～2.4％，Mn0.4～0.5％，Si0.4～0.5％，Mg0.3～0.4％，Ti0.05～0.07％，B0.006～0.008％，Cr0.1～0.2％，余量为Al；
中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce,11％或La11％或Ce11％，余量为Al。
或，
母合金的成分及重量百分比包括Cu2.8～3.0％，Mn0.5～0.6％，Si0.5～0.6％，Mg0.3～0.4％，Ti0.10～0.12％，B0.008～0.01％，Cr0.4～0.5％，余量为Al；
中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce,12％或La12％或Ce12％，余量为Al。
第二方面，本发明提供一种用于上述轮毂用铝合金的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
熔化基础合金，具体包括：将基础合金锭熔化并升温至760～790℃，对熔化升温后的基础合金锭保温，获得基础合金液；该基础合金液的成分及重量百分比包括：Cu2.5～3.2％，Si0.8～1.3％，Mg0.5～0.9％，余量为Al；
向基础合金添加合金添加料熔制母合金，具体包括：基于该基础合金液的成分及重量百分比，向基础合金液中依次添加：AlTi5B合金0.5％～1.2％、金属锰0.45～0.70％和金属铬0.11～0.51％，获得母合金液；
添加稀土中间合金，具体包括：基于该母合金液的成分及重量百分比，向母合金液依次添加1.0～3.0％的中间合金料；该中间合金料的成分及重量百分比包括如下配比任一一种：La+Ce10～12％或La10～12％或Ce10～12％，余量为Al；La+Ce,11％或La11％或Ce11％，余量为Al；La+Ce,12％或La12％或Ce12％，余量为Al；
精炼，具体包括：对添加中间合金料的母合金液进行精炼，获得液态的轮毂用铝合金；该液态的轮毂用铝合金包括母合金和中间合金，其中母合金的成分及重量百分比包括：Cu2.3～3.0％，Mn0.3～0.6％，Si0.4～0.6％，Mg0.1～0.4％，Ti0.05～0.12％，B0.005～0.01％，Cr0.1～0.5％，余量为Al。
在一些优选实施例中，上述基于该母合金液的成分及重量百分比，向母合金液依次添加1.0～3.0％的中间合金料的步骤中，该中间合金料的成分及重量百分比优选为：La+Ce10％或La10％或Ce10％，余量为Al。
在一些优选实施例中，本方法还包括在对添加中间合金料的母合金液进行精炼之前进行10-15min搅拌的过程，通过搅拌使中间合金料与母合金液充分混合。
在一些优选实施例中，上述对添加中间合金料的母合金液进行精炼的过程具体包括：
向添加中间合金料的母合金液添加精炼剂并通氮气；
该精炼的过程时间为10-15min，添加中间合金料的母合金液的温度为710～750℃；
在该精炼的过程中，精炼剂基于现有技术选取。
第三方面，本发明提供一种利用上述轮毂用铝合金制备轮毂工件的制备方法，包括将上述的液态的轮毂用铝合金进行铸造成型或锻造成型的过程；
进行铸造成型的过程具体为：将液态的轮毂用铝合金浇入铸型，并向该铸型内的液态轮毂用铝合金施加压力使该铸型内的液态的轮毂用铝合金受到50-150MPa的压强，直至凝固成形，获得铸造成型的轮毂工件；
进行锻造成型的过程具体为：
将液态的轮毂用铝合金浇入模具内凝固，得到轮毂坯料；
对该轮毂坯料进行模锻，获得锻造成型的轮毂工件。
本发明铝合金与现有技术的比较如表1
表1本发明提供的轮毂用铝合金的力学性能、成本与现有技术对照
本发明铝合金轮毂的制备方法与现有技术的优点比较如表2。
| 对比项目 | 本发明 | 现有球铁500轮毂 |
| 轮毂的重量 | 13kg | 23kg |
| 内部缺陷发生率 | 低于1％ | 高于3％ |
| 使用效果 | 无轴承跑外圈现象 | 经常因轴承跑外圈而失效。 |
表2本发明提供的轮毂用铝合金重量、缺陷发生率和使用效果与现有技术对照
综上所述，本发明提供一种轮毂用铝合金、制备方法和轮毂工件的制备方法，具有如下有益效果：
(1)本发明轮毂铝合金的力学性能超过了QT500,其强度≥500MPa，延伸率≥8％，可以在不增加壁厚直接代替球铁制造轮毂；
(2)成本低。本发明的轮毂铝合金成本与6061铝合金的成本相比只提高1元/kg左右，性价比高，适合用于制造汽车零件；
(3)适用范围广。本发明的轮毂铝合金，铸造工艺性能和锻造个工艺性能兼备，可以用来铸造轮毂，也可以用来锻造轮毂；
(4)可以有效防止轴承跑外圈。本发明的轮毂铝合金，其与钢之间的静摩擦系数比球铁与钢间大约50％，可以有效防止轴承跑外圈的故障发生。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种轮毂用铝合金，其特征在于，包括母合金和中间合金；所述母合金重量百分比为97~99%，所述中间合金重量百分比为1.0~3.0%；
所述母合金的成分及重量百分比包括：Cu2.3~3.0%，Mn0.3~0.6%，Si0.4~0.6%，Mg0.1~0.4%，Ti0.05~0.12%，B0.005~0.01%，Cr0.1~0.5%，余量为Al；
所述中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce10~12%或La10~12%或Ce10~12%，余量为Al；
所述轮毂用铝合金通过如下方法制备：
将基础合金锭熔化并升温至760~790℃，对熔化升温后的基础合金锭保温，获得基础合金液；该基础合金液的成分及重量百分比包括：Cu2.5~3.2%，Si0.8~1.3%，Mg0.5~0.9%，余量为Al；
基于该基础合金液的成分及重量百分比，向基础合金液中依次添加：AlTi5B合金0.5%~1.2%、金属锰0.45~0.70%和金属铬0.11~0.51%，获得母合金液；
基于该母合金液的成分及重量百分比，向母合金液依次添加1.0~3.0%的中间合金料；该中间合金料的成分及重量百分比包括：La+Ce10~12%或La10~12%或Ce10~12%，余量为Al；
对添加中间合金料的母合金液进行精炼，获得液态的轮毂用铝合金；
所述液态的轮毂用铝合金用于制备轮毂工件，包括将所述液态的轮毂用铝合金进行铸造成型或锻造成型的过程；
将所述的液态的轮毂用铝合金进行铸造成型的过程具体包括：
将液态的轮毂用铝合金浇入铸型，并向该铸型内的液态轮毂用铝合金施加压力使该铸型内的液态的轮毂用铝合金受到50-150MPa的压强，直至凝固成形，获得铸造成型的轮毂工件；
将所述的液态的轮毂用铝合金进行锻造成型的过程具体包括：
将液态的轮毂用铝合金浇入模具内凝固，得到轮毂坯料；
对该轮毂坯料进行模锻，获得锻造成型的轮毂工件。
2.根据权利要求1所述的轮毂用铝合金，其特征在于，所述母合金的成分及重量百分比包括：Cu2.5~2.7%，Mn0.4~0.5%，Si0.5~0.55%，Mg0.2~0.3%，Ti0.08~0.10%，B0.006~0.09%，Cr0.2~0.4%，余量为Al；
所述中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce10%或La10%或Ce10%，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的轮毂用铝合金，其特征在于，所述母合金的成分及重量百分比包括Cu2.3~2.4%，Mn0.4~0.5%，Si0.4~0.5%，Mg0.3~0.4%，Ti0.05~0.07%，B0.006~0.008%，Cr0.1~0.2%，余量为Al；
所述中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce,11%或La11%或Ce11%，余量为Al。
4.根据权利要求1所述的轮毂用铝合金，其特征在于，所述母合金的成分及重量百分比包括Cu2.8~3.0%，Mn0.5~0.6%，Si0.5~0.6%，Mg0.3~0.4%，Ti0.10~0.12%，B0.008~0.01%，Cr0.4~0.5%，余量为Al；
所述中间合金的成分及重量百分比包括：La+Ce,12%或La12%或Ce12%，余量为Al。
5.一种轮毂用铝合金的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至4任一所述的轮毂用铝合金，包括：
将基础合金锭熔化并升温至760~790℃，对熔化升温后的基础合金锭保温，获得基础合金液；该基础合金液的成分及重量百分比包括：Cu2.5~3.2%，Si0.8~1.3%，Mg0.5~0.9%，余量为Al；
基于该基础合金液的成分及重量百分比，向基础合金液中依次添加：AlTi5B合金0.5%~1.2%、金属锰0.45~0.70%和金属铬0.11~0.51%，获得母合金液；
基于该母合金液的成分及重量百分比，向母合金液依次添加1.0~3.0%的中间合金料；该中间合金料的成分及重量百分比包括：La+Ce10~12%或La10~12%或Ce10~12%，余量为Al；
对添加中间合金料的母合金液进行精炼，获得液态的轮毂用铝合金。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的基于该母合金液的成分及重量百分比，向母合金液依次添加1.0~3.0%的中间合金料的步骤中，该中间合金料的成分及重量百分比包括如下特征任一一种：La+Ce10%或La10%或Ce10%，余量为Al；La+Ce,11%或La11%或Ce11%，余量为Al；La+Ce,12%或La12%或Ce12%，余量为Al。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括在对添加中间合金料的母合金液进行精炼之前进行10-15min搅拌的过程。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的对添加中间合金料的母合金液进行精炼的过程具体包括：
向添加中间合金料的母合金液添加精炼剂并通氮气；
该精炼的过程时间为10-15min，添加中间合金料的母合金液的温度为710~750℃。
9.一种轮毂工件的制备方法，其特征在于，包括将如权利要求5至8任一所述的液态的轮毂用铝合金进行铸造成型或锻造成型的过程；
所述的将如权利要求5至8任一所述的液态的轮毂用铝合金进行铸造成型的过程具体包括：
将液态的轮毂用铝合金浇入铸型，并向该铸型内的液态轮毂用铝合金施加压力使该铸型内的液态的轮毂用铝合金受到50-150MPa的压强，直至凝固成形，获得铸造成型的轮毂工件；
所述的将如权利要求5至8任一所述的液态的轮毂用铝合金进行锻造成型的过程具体包括：
将液态的轮毂用铝合金浇入模具内凝固，得到轮毂坯料；
对该轮毂坯料进行模锻，获得锻造成型的轮毂工件。
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