CN112442619B - 一种高强高韧铝合金车轮模锻件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强高韧铝合金车轮模锻件及其制备方法。该高强高韧铝合金车轮模锻件由以下质量百分比的元素组成：Si：0.78～0.84％、Mg：1.18%～1.24％、Cu：0.38％～0.42％、Fe：0.20%～0.25％、Mn：0.12％～0.15％、Cr：0.23％～0.26％、Ti：0.01％～0.05％、Sc：0.01％～0.03％和余量Al。本发明通过优化合金成分，辅助加入氮化硅粉体，模锻之后采用优化的铝棒加热工艺、固溶和时效工艺，达到了铝合金模锻件的综合性能需求，制备的铝合金模锻件的表面质量良好，工业生产中成品锻件性能好，综合力学性能优良。

Description

一种高强高韧铝合金车轮模锻件及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强高韧铝合金车轮模锻件及其制备方法。
背景技术
高强铝合金具有密度低、强度高、加工性能好及焊接性能良好等特点，被广泛的应用于航天、航空工业及民用工业等领域。尤其在航空工业中占有十分重要的地位，是航天工业主要结构材料之一。目前市场上汽车铝合金车轮常用的铝合金有，Al -Mg-Si系6061合金，强度、韧性一般； A356合金，强度、韧性差，均无法解决具有高强度高韧性的问题，无法满足军事领域对铝合金材料高强高韧、轻质的要求。7系铝合金强度高，韧性好，但是耐腐蚀性差，工艺复杂，价格高，不适用于军用产品。我国超高强铝合金的起步较晚，目前，我国军用车厂需要一种军用车轮，要求此种锻造铝合金车轮抗拉强度达到400N/mm2、规定非比例延伸强度达到360N/mm2、断后伸长率达到10％，可以满足军事领域对新材料的应用要求。因此，为了适应技术的高速发展，需要努力提高铝合金韧性、疲劳特性、耐应力腐蚀开裂性和耐热稳定性等性能。
发明内容
本发明目的是要解决目前铝合金模锻车轮无法同时具有高强、高韧的问题，从而无法满足军事领域对铝合金材料高强高韧、耐蚀、轻质的要求的技术问题，而提供一种高强高韧铝合金车轮模锻件。
本发明还提供了一种高强高韧铝合金车轮模锻件的制备方法。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：
本发明提供了一种高强高韧铝合金车轮模锻件，由以下质量百分比的元素组成：Si：0.78～0.84％、Mg：1.18%～1.24％、Cu：0.38％～0.42％、Fe：0.20%～0.25％、Mn：0.12％～ 0.15％、Cr：0.23％～0.26％、Ti：0.01％～0.05％、Sc：0.01％～0.03％和余量Al。
本发明还提供了一种上述高强高韧铝合金车轮模锻件的制备方法，包括以下步骤：
（1）称取氮化硅粉，加入乙醇、硝酸镍混合，磁力搅拌30min，得到混合浆料，加入聚乙烯吡咯烷酮，将混合浆料进行球磨10h，球磨后将浆料进行真空干燥，将干燥后的粉体静置20h后，过200目筛，然后在惰性气体氛围下进行烧结，烧结后再次进行粉碎研磨，过200目筛得混合粉体；
（2）制备铝合金溶液：按照元素的质量百分比分别称取纯铝水、纯铜锭、纯镁锭、纯锌锭、铝钪合金锭、铝钛合金锭和铝钛硼丝，然后加入少量混合粉体，进行熔炼，得到铝合金熔液；
（3）制备圆铸棒：将铝合金熔液浇注成直径为254mm和长度为6000mm的圆铸棒；
（4）均匀化退火处理：将圆铸棒进行均匀化退火处理，得到退火的锻件坯料，将锻件坯料进行加热；
（5）模锻：将坯料在温度为450℃～480℃条件下进行预锻、终锻、冲孔锻，得到最终模锻毛坯，在退火的圆铸棒的表面氧化皮全部车削掉，得到铝合金圆铸棒，然后锯切成锻件坯料；
（6）固溶和淬火处理：将模锻毛坯固溶炉中保温，在15s内转移至水中进行淬火，得到淬火后的铝合金锻件；
（7）时效处理：将铝合金锻件进行时效处理，得到军用铝合金模锻件。
进一步的，步骤（1）中，所述氮化硅粉末、硝酸镍及乙醇的质量比为30：2：15；所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量占氮化硅粉末及硝酸镍总量的0.8%；所述真空干燥为在70摄氏度下干燥2.5h；所述烧结为在850-900℃、2-3MPa条件下烧结2h。
上述混合粉体的加入量占合金总质量的1.2-1.3%。
进一步的，步骤（2）中，所述熔炼为在温度740℃～760℃条件下熔炼6h～8h。
进一步的，步骤（3）中，所述浇注为在温度为700℃～750℃、铸造速度为35mm/min～60mm/min、冷却水强度为0.04MPa～0.08MPa和冷却水温度为20℃～40℃的条件下进行。
进一步的，步骤（4）中，所述均匀化退火处理为：将圆铸棒在温度为550℃ ～560℃的条件下保温8h～10h，出炉后自然冷却至室温；所述加热为在温度为480℃～500℃的天然气加热炉中加热5h～7h。
进一步的，步骤（5）中，所述模锻具体参数如下：
预锻 定压3000-3500吨，保压时间1-3秒，下顶出杆工作行程300mm；
终锻 定压8500吨-9500吨，保压时间2-5秒,下顶出杆工作行程350mm；
冲孔锻 定程，下行950mm停止。
进一步的，步骤（6）中，所述固溶和淬火处理为在温度为535℃～545℃固溶炉中保温2.5小时，在15s内转移至温度为40℃～60℃的水中。
进一步的，步骤（7）中，所述时效处理为在温度为175℃～ 185℃下保温8h～10h。
本发明中，Sc合金作为一种过渡族元素及稀土元素加到铝合金中，能够在铸造铝棒过程中细化晶粒，提高再结晶温度，从而锻造后提高锻件的强度和韧性。纯铝锭的纯度大于99.6％；铝钛硼丝中钛的质量分数为6％，硼的质量分数为0.25％，其余为铝。本发明通过加入一定量的处理后的氮化硅粉体，能够显著提高制备的锻件的耐磨性、耐腐蚀性能，并不降低材料的韧性。
本发明的有益效果为：本发明通过优化合金成分，辅助加入氮化硅粉体，模锻之后采用优化的铝棒加热工艺、固溶和时效工艺，达到了铝合金模锻件的综合性能需求，制备的铝合金模锻件的表面质量良好，工业生产中成品锻件性能好，综合力学性能优良，通过GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》试验，锻件抗拉强度、规定非比例延伸强度及断后伸长率性能优良。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的解释和说明。
实施例1
一种高强高韧铝合金车轮模锻件，元素组成为：Si：0.78％、Mg：1.20％、Cu：0.38％％、Fe：0.22％、Mn：0.15％、Cr：0.25％、Ti：0.05％、Sc：0.02％和余量Al。
具体制备方法如下：
（1）按照氮化硅粉末、硝酸镍及乙醇的质量比为30：2：15称取后混合，磁力搅拌30min，得到混合浆料，加入占氮化硅粉末及硝酸镍总量的0.8%的聚乙烯吡咯烷酮，将混合浆料进行球磨10h，球磨后将浆料进行真空干燥，将干燥后的粉体静置20h后，过200目筛，然后在氮气氛围、850-900℃、2-3MPa条件下烧结2h，烧结后再次进行粉碎研磨，过200目筛得混合粉体；
（2）制备铝合金溶液：按照元素的质量百分比分别称取纯铝水、纯铜锭、纯镁锭、纯锌锭、铝钪合金锭、铝钛合金锭和铝钛硼丝，然后加入占总量1.2%的混合粉体，然后在温度为740℃～760℃条件下熔炼6h～8h，得到铝合金熔液；
（3）制备圆铸棒：将铝合金熔液在温度为700℃～750℃、铸造速度 为35mm/min～60mm/min、冷却水强度为0.04MPa～0.08MPa和冷却水温度为20℃～40℃的条 件下，浇注成直径为254mm和长度为6000mm的圆铸棒；
（4）均匀化退火处理：将圆铸棒进行均匀化退火处理，在温度为550℃ ～560℃的条件下保温8h～10h，出炉后自然冷却至室温，得到退火的圆铸棒；
（5）制备锻件坯料：在退火的圆铸棒的表面氧化皮全部车削掉，得到直径为252mm的铝合金圆铸棒，然后锯切成长度为452mm的锻件坯料；
（6）坯料加热：将长度为452mm的锻件坯料在温度为480℃～500℃的天然气加热炉中加热5h～7h。
（7）模锻：将坯料在温度为450℃～480℃条件下进行预锻、终锻、冲孔锻，得到最终模锻毛坯；
具体锻压参数如下
预锻 定压3000-3500吨，保压时间1-3秒，下顶出杆工作行程300mm；
终锻 定压8500吨-9500吨，保压时间2-5秒,下顶出杆工作行程350mm；
冲孔锻 定程，下行950mm停止；
（8）固溶和淬火处理：将模锻毛坯，在温度为535℃～545℃固溶炉中保温2.5小时，在15s内转移至温度为40℃～60℃的水中，得到淬火后的铝合金锻件；
（9）时效处理：将铝合金锻件进行时效处理；铝合金锻件在温度为175℃～ 185℃下保温8h～10h，得到军用铝合金模锻件。
实施例2
一种高强高韧铝合金车轮模锻件，元素组成为：Si：0.80％、Mg：1.18%％、Cu：0.42％、Fe：0.25％、Mn：0.12％、Cr：0.23％、Ti：0.03％、Sc：0.01％％和余量Al。
制备方法同实施例1。
实施例3
一种高强高韧铝合金车轮模锻件，元素组成为：Si：0.84％、Mg：1.24％、Cu：0.40％、Fe：0.20%、Mn：0.13％、Cr：0.26％、Ti：0.03％、Sc：0.03％和余量Al。
制备方法同实施例1。
对比例1
一种高强高韧铝合金车轮模锻件，元素组成同实施例1。
具体制备方法如下：
（1）制备铝合金溶液：按照元素的质量百分比分别称取纯铝水、纯铜锭、纯镁锭、纯锌锭、铝钪合金锭、铝钛合金锭和铝钛硼丝，然后加入占总量1.2%的氮化硅粉体，然后在温度为740℃～760℃条件下熔炼6h～8h，得到铝合金熔液；
（2）制备圆铸棒：将铝合金熔液在温度为700℃～750℃、铸造速度 为35mm/min～60mm/min、冷却水强度为0.04MPa～0.08MPa和冷却水温度为20℃～40℃的条 件下，浇注成直径为254mm和长度为6000mm的圆铸棒；
步骤（3）-（9）同实施例1。
对比例2
一种高强高韧铝合金车轮模锻件，元素组成同实施例1。
具体制备方法如下：
（1）制备铝合金溶液：按照元素的质量百分比分别称取纯铝水、纯铜锭、纯镁锭、纯锌锭、铝钪合金锭、铝钛合金锭和铝钛硼丝，然后在温度为740℃～760℃条件下熔炼6h～8h，得到铝合金熔液；
（2）制备圆铸棒：将铝合金熔液在温度为700℃～750℃、铸造速度 为35mm/min～60mm/min、冷却水强度为0.04MPa～0.08MPa和冷却水温度为20℃～40℃的条 件下，浇注成直径为254mm和长度为6000mm的圆铸棒；
步骤（3）-（9）同实施例1。
（一）实施例1-3及对比例1-2制备的铝合金模锻件按照GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》进行相关性能检测，每项检测进行10次重复，具体结果如表1所示。
表1
抗拉强度/N/mm<sup>2</sup> 规定非比例延伸强度/N/mm<sup>2</sup> 断后伸长率
实施例1 >485 >385 >11
实施例2 >492 >393 >11.5
实施例3 >483 >360 >10
对比例1 >410 >320 >8.5
对比例2 >400 >311 >8.0

Claims (9)

1.一种高强高韧铝合金车轮模锻件的制备方法，其特征在于，所述高强高韧铝合金车轮模锻件是由以下质量百分比的元素组成：Si：0.78～0.84％、Mg：1.18%～1.24％、Cu：0.38％～0.42％、Fe：0.20%～0.25％、Mn：0.12％～ 0.15％、Cr：0.23％～0.26％、Ti：0.01％～0.05％、Sc：0.01％～0.03％和余量Al；
具体包括以下步骤：
（1）称取氮化硅粉，加入乙醇、硝酸镍混合，磁力搅拌30min，得到混合浆料，加入聚乙烯吡咯烷酮，将混合浆料进行球磨10h，球磨后将浆料进行真空干燥，将干燥后的粉体静置20h后，过200目筛，然后在惰性气体氛围下进行烧结，烧结后再次进行粉碎研磨，过200目筛得混合粉体；
（2）制备铝合金溶液：按照元素的质量百分比分别称取纯铝水、纯铜锭、纯镁锭、纯锌锭、铝钪合金锭、铝钛合金锭和铝钛硼丝，然后加入少量混合粉体，进行熔炼，得到铝合金熔液；
（3）制备圆铸棒：将铝合金熔液浇注成直径为254mm和长度为6000mm的圆铸棒；
（4）均匀化退火处理：将圆铸棒进行均匀化退火处理，得到退火的锻件坯料，将锻件坯料进行加热；
（5）模锻：将坯料在温度为450℃～480℃条件下进行预锻、终锻、冲孔锻，得到最终模锻毛坯，在退火的圆铸棒的表面氧化皮全部车削掉，得到铝合金圆铸棒，然后锯切成锻件坯料；
（6）固溶和淬火处理：将模锻毛坯固溶炉中保温，在15s内转移至水中进行淬火，得到淬火后的铝合金锻件；
（7）时效处理：将铝合金锻件进行时效处理，得到军用铝合金模锻件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述氮化硅粉末、硝酸镍及乙醇的质量比为30：2：15；所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量占氮化硅粉末及硝酸镍总量的0.8%；所述真空干燥为在70摄氏度下干燥2.5h；所述烧结为在850-900℃、2-3MPa条件下烧结2h。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述混合粉体的加入量占合金总质量的1.2-1.3%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述熔炼为在温度740℃～760℃条件下熔炼6h～8h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述浇注为在温度为700℃～750℃、铸造速度为35mm/min～60mm/min、冷却水强度为0.04MPa～0.08MPa和冷却水温度为20℃～40℃的条件下进行。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述均匀化退火处理为：将圆铸棒在温度为550℃ ～560℃的条件下保温8h～10h，出炉后自然冷却至室温；所述加热为在温度为480℃～500℃的天然气加热炉中加热5h～7h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，所述模锻具体参数如下：
预锻 定压3000-3500吨，保压时间1-3秒，下顶出杆工作行程300mm；
终锻 定压8500吨-9500吨，保压时间2-5秒,下顶出杆工作行程350mm；
冲孔锻 定程，下行950mm停止。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，所述固溶和淬火处理为在温度为535℃～545℃固溶炉中保温2.5小时，在15s内转移至温度为40℃～60℃的水中。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（7）中，所述时效处理为在温度为175℃～ 185℃下保温8h～10h。
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