CN112921215B - 一种可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金、制备方法、汽车轮毂及其制备方法 - Google Patents

一种可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金、制备方法、汽车轮毂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高性能汽车用铝合金轮毂加工领域，具体为一种可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金、制备方法、汽车轮毂及其制备方法，本发明的铝合金的成分以质量百分数计为：Si 3.0～4.0％、Mg 2.0～2.5％、Mn 0.5～1.0％、Zr 0.10～0.50％、Cr 0.05‑0.1%、Cu 0.5％～0.8％、Zn 0.1～0.3％、Ti 0.10～0.20％、B 0.01～0.05%、Y 0.05～0.1％、Er 0.1～0.2％、Sr 0.02～0.05％，余量为Al；制备方法主要包括熔化合金化、精炼、铸造、热处理及变形加工等步骤；采用本发明的铝合金具有合金化简单，可用于铸旋工艺也可以用于锻旋工艺制备高性能的铝合金轮毂，轮毂加工成本低，工艺简化，易于推广。

Description

一种可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金、制备方法、汽车轮 毂及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及到一种可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金及其制备方法。
背景技术
随着汽车轻量化要求的不断提高，轻量化的铝合金材料更多的用于替代比重较高的钢铁等大比重材料，高端轿车的全铝车身、铝合金轮毂等部件要求铝合金自身轻量化的同时，要有更高的强韧性、耐腐蚀、耐疲劳等性能，还要有非常好的变形加工性能；轮毂是汽车不可或缺的关键部件，80%以上的汽车都在采用铝合金材质的轮毂，但目前的铝合金轮毂的性能急需要提升，需要从两个方面入手，一是铝合金材质的优化；二是轮毂加工方法的不断优化。
当前，用于铝合金轮毂的材料及加工方法主要有两个主流选择，一是采用A356铸造铝合金，通过铸旋工艺生产铝合金轮毂，这种方法的优势在于简单易控制，但轮毂性能特别是冲击韧性很低，成品车轮的韧性差，延长率普遍在2%左右，这是A356铝合金材质难以克服的瓶颈；二是采用6061铝合金，用锻旋方法加工成车轮，这种车轮的性能较高，特别是延伸率显著提高，但锻旋工艺复杂，技术难度大，成材率低，单纯依靠工艺优化，难以克服目前的问题，也要从材质的根本上去解决问题。
在铝合金轮毂加工领域，急需一种新型的铝合金，这种铝合金能兼具铸造铝合金和变形铝合金的优越性能，同时又适用于更灵活的变形加工和热处理方法，实现既可以铸旋方法加工成铝合金轮毂，也可以采用锻旋方法生产铝合金轮毂，以满足目前传统铝合金车轮轮毂产线的需求。
发明内容
本发明针对目前铝合金轮毂用铝合金变形加工适应性差和由于材质原因导致的性能不高问题，提出一种兼具铸造铝合金和变形铝合金性能，又能满足铝合金轮毂铸旋工艺和锻旋工艺两种加工方法的铝合金，以及提出一种可采用铸旋方法，也可以采用锻旋方法生产高性能车轮轮毂及制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金，其特征在于，合金的成分以质量百分数计为：Si 3.0～4.0％、Mg 2.0～2.5％、Mn 0.5～1.0％、Zr 0.10～0.50％、Cr 0.05-0.1%、Cu 0.5～0.8％、Fe 0.1～0.2％、Zn 0.1～0.3％、Ti 0.10～0.20％、B 0.01～0.05%、Y 0.05～0.1％、Er 0.1～0.2％、Sr 0.02～0.05％，余量为Al。
所述的可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）熔炼：Al料熔化后，先加入硅锭，待其熔化后将含Al、Mn、Cu、Cr、Mg、Zn、Fe元素的金属材料加入炉内熔化，熔炼温度740~750℃，时间100min，机械打渣后依次加入Zr、Ti、B、Y、Er、Sr的合金，继续熔炼30min，待合金元素全部熔化后，机械搅拌，扒渣取样，微调成分后得到铝合金熔液；
2）精炼：将步骤1)制得的铝合金熔液的温度调整至710~730℃，通过氩气喷粉加入精炼剂并搅拌，进行精炼处理，精炼时间25min，精炼后扒渣；
3）静置：将精炼后的铝合金熔液添加覆盖剂，静置30min，静置调整温度为700~710℃；
4）成型：将步骤3)制得的铝合金熔液采用低压铸造成型或半固态锻造成型的方法成型。
进一步地，所述可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金的制备方法中：步骤4）中所述低压铸造成型是在680~700℃、低压铸造型腔的压力范围为500-1000mBar的条件下铸造成型；所述半固态锻造成型是在580~640℃下锻造成型。
进一步地，所述步骤2）中加入的精炼剂为：以质量百分数计的35~40%的基本组元、10%~15%的冰晶石、18%~25%的六氯乙烷、15~20%的氯硅酸钠、6%的稀土氟化物CeF3和4%的稀土氟化物NaYF4，其中基本组元为50wt%NaCl+50wt%KCl，精炼剂的加入量为铝合金熔液重量的0.1~0.15%。
进一步地，所述步骤2）中氩气的冲入速度为25ml/s。
进一步地，所述步骤3）中覆盖剂为无钠覆盖剂，加入量为铝合金熔液重量的0.1%。
基于所述的可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金的制备方法制备的汽车轮毂的方法，其特征在于，所述步骤4）成型为轮胚，再将所述轮胚经固溶热处理后，通过旋压成形或者锻压成形的方法加工获得成形轮毂，得到的成形轮毂直接进行冲孔，然后进行热处理后再经清洗、抛光制得成品轮毂。
进一步地，所述汽车轮毂的制备方法中：当采用低压铸造成型的方法成型轮胚时，在固溶处理后，采用旋压成形的方法加工成轮毂；当采用半固态锻造成型的方法成型轮胚时，在固溶处理后，采用锻旋成形的方法加工成轮毂。
进一步地，所述固溶处理是在400-420℃进行固溶处理。
所述汽车轮毂的制备方法所制备的汽车轮毂，其特征在于：所述汽车轮毂中残余气杂含量为低于0.1vol.%，熔体的气体含量低于0.1mL/100gAl，致密度达到2.75g/cm3以上，抗拉强度大于320MPa，屈服强度大于280MPa，延伸率大于6%，显微硬度大于88HV。
本发明的主要优势：
（1）本发明的铝合金相对于传统的用于铸旋轮毂的A356铝合金和锻旋轮毂的6061铝合金而言，通过合金成分的最优化匹配，这种铝合金在400-420℃下固溶处理后，硅析出相和Mg2Si及Al2Cu等强化相可完全溶解，材料变形抗力低，塑性加工性最佳，既可以通过铸旋方法加工铝合金轮毂，也可以通过锻旋方法加工铝合金轮毂，这对铝合金轮毂加工企业采用不同加工方法的产线提供了最佳选择。
（2）本发明的铸旋件和锻旋件的表面金属过冷度较大、凝固较快、晶粒较为细小，因此铸锻件表面起到细晶强化的效果；这种复合成形后的铝合金密度比普通的铸造铝合金有了明显提升，比强度也有显著改善，使得生产出来的铝合金轮胚可以满足后续旋压变形加工又可以满足锻压变形加工的生产要求。
（3）本发明设计的随氩气同时喷入的精炼剂，在不与铝合金发生反应的同时，还具有效果极好的除气除杂的效果，并且氩气的喷入，根据溶剂扩散、吸附、溶解原理带走大量的氢气，起到双重除气除渣的作用。
（4）本发明的铝合金经加工成轮毂后的主要性能指标满足高性能铝合金轮毂的性能指标需求，表1为A356、6061和本专利发明的三种铝合金经过同样的铸旋方式和热处理所生产的轮毂在抗拉强度、屈服强度和延伸率方面的性能比较，结果显示本专利发明的铝合金所生产的轮毂在各个方面都有较大提高，可实现车轮的轻量化和高强韧。
表1.
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率
A356 273 245 4.5%
6061 283 261 6.1%
本发明铝合金 326 290 6.5%
附图说明
图1为本发明实施例1所得到轻量化汽车轮毂铝合金经T6热处理后的扫描电子显微镜的微观组织图；
图2为本发明实施例2所得到轻量化汽车轮毂铝合金经T6热处理后的扫描电子显微镜的微观组织图；
图3为对比例制备的铝合金轮毂经T6热处理后的扫描电子显微镜的微观组织图。
具体实施方式
实施例1
1）熔炼：Al料熔化后，先加入硅锭，待其熔化后，按照质量百分比Si 3.5％、Mg2.25％、Mn 0.75％、Zr 0. 3％、Cr 0.075%、Cu 0.65％、Zn 0.2％、Fe 0.15％、Ti 0.15％、B0.03%、Y 0.075％、Er 0.15％、Sr 0.035％，余量为Al，将含Al、Mn、Cu、Cr、Mg、Zn、Fe元素的金属材料加入炉内熔化，熔炼温度750℃，时间100min，机械打渣后依次加入Zr、Ti、B、Y、Er、Sr的合金，时间30min，待合金元素全部熔化后，机械搅拌，扒渣取样，微调成分后得到铝合金熔液。
2）精炼：将步骤1)制得的铝合金熔液的温度调整至730℃，通过氩气喷粉加入0.15%的精炼剂并且进行搅拌进行精炼处理，加入的精炼剂为：40%的基本组元（50wt%NaCl+50wt%KCl），10%的冰晶石、20%范围内的六氯乙烷、20%的氯硅酸钠、6%的稀土氟化物CeF3和4%的稀土氟化物NaYF4，其中基本组元为50wt%NaCl+50wt%KCl；精炼剂的加入量为铝液重量的0.10%；氩气的冲入速度为25ml/s，精炼时间25min，精炼后扒渣。
3）静置：将精炼后的铝合金熔液添加无钠覆盖剂，加入量为0.1%，静置30min，静置调整温度为710℃。
4）成型：将步骤3)制得的铝合金熔液进一步成型成轮胚，轮胚成型过程为：在700℃下采用低压铸造成型方法制得轮胚，低压铸造型腔的压力范围为500-1000mBar。
5）轮胚加工成轮毂：将步骤4）的轮胚经固溶热处理后，加工成轮毂，轮胚在400-420℃固溶处理后，采用旋压成形的方法加工成轮毂。
上述步骤制得的铝合金轮毂，经高温冲孔后，进行热处理后清洗抛光制得成品轮毂，成品铝合金轮毂材质中残余气杂含量为0.1vol.%，熔体的气体（氢气）含量低于0.1mL/100gAl，针孔度级别比传统铸造铝合金轮毂降低了约2倍，致密度达到2.75g/cm3，机械性能方面，抗拉强度326MPa，屈服强度大于287MPa，延伸率大于6.2%，显微硬度89HV。
图1为本发明实施例1所得到轻量化汽车轮毂铝合金经T6热处理后的扫描电子显微镜的微观组织图。
实施例2
1）熔炼：Al料熔化后，先加入硅锭，待其熔化后，按照质量百分比Si 4.0％、Mg2.5％、Mn 1.0％、Zr 0.50％、Cr 0.1%、Cu 0.8％、Zn 0.3％、Fe 0.13％、Ti 0.20％、B0.05%、Y 0.1％、Er 0.2％、Sr 0.05％，余量为Al，将含Al、Mn、Cu、Cr、Mg、Zn、Fe元素的金属材料加入炉内熔化，熔炼温度745℃，时间100min，机械打渣后依次加入Zr、Ti、B、Y、Er、Sr的合金，时间30min，待合金元素全部熔化后，机械搅拌，扒渣取样，微调成分后得到铝合金熔液；
2）精炼：将步骤(1)制得的铝合金熔液的温度调整至730℃，通过氩气喷粉加入0.15%的精炼剂并且进行搅拌进行精炼处理，所加入的精炼剂同实施例1中采用的精炼剂，氩气的冲入速度为22ml/s，精炼时间25min，精炼后扒渣；
3）静置：将精炼后的铝合金熔液添加无钠覆盖剂，加入量为0.1%，静置30min，静置调整温度为710℃；
4）成型：将步骤3)制得的铝合金熔液进一步成型成轮胚，轮胚成型过程为：轮胚成型过程为：在580~640℃下采用半固态锻造成型的方法制得轮胚。
5）轮胚加工成轮毂：将步骤4）的轮胚经固溶热处理后，加工成轮毂，轮胚在400-420℃固溶处理后，采用锻旋成型的方法加工成轮毂。
上述步骤制得的铝合金轮毂，经高温冲孔后，进行热处理后清洗抛光制得成品轮毂，成品铝合金轮毂材质中残余气杂含量为0.08vol.%，熔体的气体（氢气）含量低于0.08mL/100gAl，孔度级别比传统铸造铝合金轮毂降低了约2倍，致密度达到2.78g/cm3，机械性能方面，抗拉强度330MPa，屈服强度大于290MPa，延伸率6.7%，显微硬度90HV。
图2为本发明实施例2所得到轻量化汽车轮毂铝合金经T6热处理后的扫描电子显微镜的微观组织图。
为说明本发明的优点，对比了用A356铝合金采用传统重力铸造方法制备的铝合金轮毂，作为对比例，图3为对比例制备的铝合金轮毂经T6热处理后的扫描电子显微镜的微观组织图。根据实例1、2所得到的扫描电子显微镜照片图1、图2和对比例得到的显微组织照片图3比较，可以看出本发明的合金及加工方法使得硅相均匀地沿晶界分布于试样中，T6热处理使结晶硅球化，以均匀细小的球形颗粒或椭球型的颗粒弥散分布于晶界周围，组织致密，Mg2Si完全溶解于基体α-Al中；与对比例相比，在显微组织方面，实施例1和实施例2的组织致密度明显提高。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）熔炼：Al料熔化后，先加入硅锭，待其熔化后将含Al、Mn、Cu、Cr、Mg、Zn、Fe元素的金属材料加入炉内熔化，熔炼温度740~750℃，时间100min，机械打渣后依次加入Zr、Ti、B、Y、Er、Sr的合金，继续熔炼30min，待合金元素全部熔化后，机械搅拌，扒渣取样，微调成分后得到铝合金熔液；
2）精炼：将步骤1)制得的铝合金熔液的温度调整至710~730℃，通过氩气喷粉加入精炼剂并搅拌，进行精炼处理，精炼时间25min，精炼后扒渣；
3）静置：将精炼后的铝合金熔液添加覆盖剂，静置30min，静置调整温度为700~710℃；
4）成型：将步骤3)制得的铝合金熔液采用低压铸造成型或半固态锻造成型的方法成型；
所述低压铸造成型是在680~700℃、低压铸造型腔的压力范围为500-1000mBar的条件下铸造成型；所述半固态锻造成型是在580~640℃下锻造成型；
经成型为轮胚后，再将所述轮胚经固溶热处理后，通过旋压成形或者锻压成形的方法加工获得成形轮毂，得到的成形轮毂直接进行冲孔，然后进行热处理后再经清洗、抛光制得成品轮毂；
当采用低压铸造成型的方法成型轮胚时，在固溶处理后，采用旋压成形的方法加工成轮毂；当采用半固态锻造成型的方法成型轮胚时，在固溶处理后，采用锻旋成形的方法加工成轮毂；
所述固溶处理是在400-420℃进行固溶处理；
所制成的合金的成分以质量百分数计为：Si 3.0～4.0％、Mg 2.0～2.5％、Mn 0.5～1.0％、Zr 0.10～0.50％、Cr 0.05-0.1%、Cu 0.5～0.8％、Fe 0.1～0.2％、Zn 0.1～0.3％、Ti 0.10～0.20％、B 0.01～0.05%、Y 0.05～0.1％、Er 0.1～0.2％、Sr 0.02～0.05％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中加入的精炼剂为：以质量百分数计的35~40%的基本组元、10%～15%的冰晶石、18%～25%的六氯乙烷、15~20%的氯硅酸钠、6%的稀土氟化物CeF3和4%的稀土氟化物NaYF4，其中基本组元为50wt%NaCl+50wt%KCl，精炼剂的加入量为铝合金熔液重量的0.1~0.15%。
3.根据权利要求1所述可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中氩气的冲入速度为25ml/s。
4.根据权利要求1所述的可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中覆盖剂为无钠覆盖剂，加入量为铝合金熔液重量的0.1%。
5. 由权利要求1-4中任一项所述可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金的制备方法制备的可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金，其特征在于，合金的成分以质量百分数计为：Si3.0～4.0％、Mg 2.0～2.5％、Mn 0.5～1.0％、Zr 0.10～0.50％、Cr 0.05-0.1%、Cu 0.5～0.8％、Fe 0.1～0.2％、Zn 0.1～0.3％、Ti 0.10～0.20％、B 0.01～0.05%、Y 0.05～0.1％、Er 0.1～0.2％、Sr 0.02～0.05％，余量为Al。
6.根据权利要求1-4中任一项所述可铸旋和锻旋加工的汽车轮毂铝合金的制备方法所制备的汽车轮毂，其特征在于：所述汽车轮毂中残余气杂含量为低于0.1vol.%，熔体的气体含量低于0.1mL/100gAl，致密度达到2.75g/cm3以上，抗拉强度大于320MPa，屈服强度大于280MPa，延伸率大于6%，显微硬度大于88HV。
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