CN113751682A - 一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺及设备，铝合金牌号ZL350/500A，通过保护气体熔炼实现合金化，保护气体浇注控制铸造合金中微量元素的成分，采用金属模具高频低幅伺服振动细化铸造组织，铝合金结晶过程中采用了电磁搅拌技术加速形成浮渣，乙二醇控温冷却保证晶粒均匀，在线锯切实现连连铸，导热油静压均质化处理，实现铝合金铸造态的高强度，为后续锻造铝合金轮毂的高强度奠定基础。

Description

一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺及设备
技术领域
本发明属于铝合金制造技术领域，涉及铝合金材料及其制造，特别是一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺及设备。
技术背景
目前乘用车、商用车大量使用压铸6系铝合金轮毂，少量使用锻造6系铝合金轮毂。
随着汽车在中国的普及，巨大的汽车保有量和生产量使得汽车轻量化的要求越来越迫切。轮毂是承载汽车全部重量和高速度旋转的关键部件，对其使用的新材料提出了更严苛的要求。目前，世界上的大部分高档车采用铝合金轮毂，如日本的AC4C、ADC3，美国的A356等，我国也有公开报道的铝轮毂材料如ZL101A和6061等用于生产汽车轮毂。这些种材料的抗拉强度不高，均小于270Mpa。由于材料强度的限制，要满足轮毂的使用性能，轮毂的断面尺寸须足够大，才能满足轮毂高速度旋转和承载汽车全部重量的要求。面对汽车轻量化和新能源汽车的发展要求，在保证轮毂强度(和疲劳寿命)的前提下尽量减轻重量与成本，提高运载能力和速度。研究和发展超高强度铸造铝合金材料的需求，日益迫切。
中国发明专利(专利号：201310069762.2)公开了一种铝合金材料及其热处理工艺，按质量百分比包括以下组分：Si：7～12.5％；Fe：0.25～0.45％；Cu：l.9～3.2％；Mn：0.25～0.55％：Mg：l.7～2.8％；Zr：0.01～0.05％；Zn：0.15～0.30％；Ti：0.10～0.55％；Ni≤0.05；其余为铝。该发明的铝合金材料及其热处理工艺，通过在传统6xxx合金基础上，添加微量元素，优化主元素含量，同时采用真空铸造方式及优化热处理工艺，使铝合金材料强度，韧性性能得到步提升，实现了强度、韧性和耐蚀性的有机结合，可用于在某些领域取代2xxx和7xxx铝合金的使用，使得产品在航空航天以及民用汽车等领域具有良好的应用前景。
现有锻造铝合金轮毂材料以6061为主，该材料的屈服强度只有235MPa，并且因为锻造流动性差，充填不满废品率高。继续提高屈服强度的铝合金，延伸系数下降，锻模模腔内充填更加困难。
随着新能源汽车的世界范围内的广泛发展，对于铝合金轮毂需求提出了新的要求，减重、高强、长疲劳寿命，是锻造铝合金轮毂的发展方向，现有的国产6系铝合金已经不能满足发展的需要；而国产7系航空铝合金锻造工艺复杂、残余应力处理成本高，还不能被汽车工业所接受。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的抗拉强度不高的不足之处，而提出了一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺及设备，提高了铝合金材料的抗拉伸强度，在保证轮毂强度和疲劳寿命的前提下尽量减轻重量与成本，提高运载能力和速度。
本发明的目的是这样实现的：
一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造设备，该设备包括：结晶器伺服控制、锯屑收集、乙二醇循环装置，熔炼均匀化炉通过管道与转液泵及转液溜槽与中间包连接，中间包位于结晶器上方，在线锯切位于结晶器下方冷却介质中，拉坯引锭也安装在冷却介质中，通过控制拉坯引锭的速度来实现结晶器的液面控制，锯切后的铸锭通过锯切后铸锭提升送到铸锭料框中。
熔炼均匀化炉通过转液泵及转液溜槽把铝合金液体送到中间包中，中间包铝业进入结晶器形成铸锭，连续浇注的的铸锭通过在线锯切锯断，保证生产连续进行；拉坯引锭的速度控制实现了结晶器的液面控制，锯切后的铸锭通过锯切后铸锭提升送到铸锭料框中。浇注过程中，通过乙二醇循环装置输送的冷却液进行结晶器和铸锭的冷却；锯切过程中产生的锯屑下沉，通过锯屑收集送到地面，结晶器伺服控制实现了结晶器的高频低幅振动，细化了铸锭晶粒度，拉坯引锭油缸控制铸锭拉坯下降速度并承担铸锭重量；在线锯切油缸控制在线锯切下降速度，使用在线锯切与铸锭同步下降。
一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺，该铸造工艺包括如下步骤：
第一步：铝合金在熔炼均匀化炉内进行合金化，合金化过程中通入氩气隔离空气和水分；
第二步：合金化后的合适温度为530℃～560℃的铝液通过专液泵和转液溜槽进入中间包，转液溜槽和中间包继续通入氩气保持铝合金液体与空气及灰尘隔离；
第三步：中间包通过水口向结晶器注入铝合金液体，根据结晶器的液面位置，控制中间包的注入流量，实现结晶器内的液面控制；中间包的滑动水口比例控制开口度，实现铝液注入流量的控制；
第四步：浇注过程中，向中间包转液溜槽和结晶器上部通入氩气隔离空气和水分；
第五步：采用乙二醇换热的金属模具结晶器铸造铝合金，结晶器细化了通过结晶器的铸造合金组织，铝合金液态到半固态结晶过程中采用了电磁搅拌，搅拌频率50Hz～90Hz，加速形成浮渣并进一步细化晶粒；
第六步：铝合金凝固以后二次冷却也采用乙二醇冷却；
第七步：拉坯引锭与下降的连铸锭同步运动，在线锯切实现连续浇铸；
第八步：锯切过程中产生的锯屑收集需要连续进行；
第九步：锯断的铸锭通过锯切后铸锭提升运送到铸锭料框中。
第十步：铸造后的铸锭采用导热油静压均质化处理，密闭容器内导热油285℃±2℃，加压270bar～295bar。
本发明的有益效果：
铝合金牌号ZL350/500，通过保护气体熔炼实现合金化，保护气体浇注控制铸造合金中微量元素的成分，采用金属模具高频低幅伺服振动细化铸造组织，铝合金结晶过程中采用了电磁搅拌技术加速形成浮渣，乙二醇控温冷却保证晶粒均匀，在线锯切实现连连铸，导热油静压均质化处理，实现铝合金铸造态的高强度和良好塑性。新材料抗拉强度要大于500MPa，屈服强度要大于370MPa，延伸率为8％～13％。
附图说明
本发明共有5幅附图，其中图1可做为说明书摘要的附图。
图1.为本发明车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造设备的俯视图；
图2.为本发明车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造设备的左视图；
图3.为本发明车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造设备的A-A剖视图；
图4.为本发明车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造设备的N向视图；
图5.为本发明车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造设备的P向视图。
图中：熔炼均匀化炉1；转液泵2；转液溜槽3；中间包4；结晶器5；液面控制6；结晶器伺服控制7；在线锯切8；拉坯引锭9；锯切后铸锭提升10；锯屑收集11；乙二醇循环装置12；拉坯引锭油缸13；在线锯切油缸14；铸棒料框15。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述。
如图1所示，该设备包括:结晶器伺服控制7、锯屑收集11、冷却介质循环装置12，熔炼均匀化炉1通过管道与转液泵2及转液溜槽3与中间包4连接，中间包4位于结晶器5上方，在线锯切8位于结晶器5下方乙二醇中，拉坯引锭9也安装在乙二醇中，通过控制拉坯引锭9的速度来实现结晶器5的液面控制6，锯切后的铸锭通过锯切后铸锭提升10送到铸锭料框15中。
熔炼均匀化炉1通过转液泵2及转液溜槽3把铝合金液体送到中间包4中，如图2所示，中间包4中的铝液进入结晶器5形成铸锭，如图3所示，连续浇注的铸锭通过在线锯切8锯断，保证生产连续进行；拉坯引锭9的速度控制实现了铸锭下降速度，也就是铸锭离开结晶器5的速度，铸锭是由结晶器5内的铝液凝固形成的，铸锭的下降消耗了结晶器5内部的铝液；在中间包4放出铝液量暂定不变的前提下，拉坯引锭9的速度加快，结晶器5的液面下降快，拉坯引锭9的速度变慢，结晶器5的液面会上升，这样的一降和一升，就实现了结晶器5的液面控制6，如图4所示，锯切后的铸锭通过锯切后铸锭提升10送到铸锭料框15中。浇注过程中，通过冷却介质循环装置12输送的冷却液乙二醇进行结晶器5和铸锭的冷却；锯切过程中产生的锯屑下沉，通过锯屑收集11送到地面，结晶器伺服控制7实现了结晶器5的高频低幅振动，细化了铸锭晶粒度，如图5所示，拉坯引锭油缸13控制铸锭拉坯下降速度并承担铸锭重量；在线锯切油缸14控制在线锯切8下降速度，使用在线锯切8与铸锭同步下降。
本发明的车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺如下：
为了更清楚的描述本发明的工艺过程，引入一种高强度、压延性能好的铸造ZL370/500铝合金材料组成，通过保护气体熔炼实现高纯度合金化，保证铝合金的有效成分；中间合金元素有：铝、铁、铜、硅、镁、锌、锆、钕、锰、钛，其组分的重量百分比为:Si：7～12.5％；Fe：0.25～0.45％；Cu：l.9～3.2％；Mn：0.25～0.55％：Mg：l.7～2.8％；Zr：0.01～0.05％；Zn：0.15～0.30％；Ti：0.10～0.55％；Ni≤0.05；其余为铝。
第一步：铝合金在熔炼均匀化炉1内进行合金化，合金化过程中通入氩气隔离空气和水分，氩气形成正压压力，形成的正压压力为：1.15bar～1.25bar；
使合金化过程中不会混入其它微量元素，防止传统工艺缺陷，保证铝合金的有效成分；
第二步：合金化后的温度为530℃～560℃的铝液通过专液泵2和转液溜槽3进入中间包4，转液溜槽3和中间包4，继续通入氩气保持铝合金液体与空气及灰尘隔离。
第三步：中间包4通过水口向结晶器5注入铝合金液体，根据结晶器5的液面位置，控制中间包4的注入流量，注入量决定了结晶器5内的铝合金液的多少，因此实现液面控制6；
第四步：浇注过程中，向中间包4转液溜槽3和结晶器上部通入氩气隔离空气和水分，通入氩气的流量由设备内部正压决定的，备内部正压为1.15bar～1.25bar、生产期间需要一直通入氩气，通入时间由生产决定，保证浇注过程中合金的成分；
第五步：采用乙二醇换热的金属模具结晶器5铸造铝合金，结晶器5采用了结晶器伺服控制7，产生高频低幅伺服振动，细化了通过结晶器的铸造合金组织，铝合金液态到半固态结晶过程中采用了电磁搅拌技术，搅拌频率50Hz～90Hz，浇铸期间，需要一直搅拌，加速形成浮渣并进一步细化晶粒，代替传统的出气出渣精炼；
第六步：铝合金凝固以后采用乙二醇循环装置12控温冷却，冷却温度达到1000C以下，进一步保证晶粒均匀。
第七步：拉坯引锭9与下降的连铸锭同步运动，在线锯切8实现连续浇铸，提高成材率；
第八步：锯切过程中产生的锯屑收集11需要连续进行，以便生产的连续性；
第九步：锯断的铸锭通过锯切后铸锭提升10运送到铸锭料框15中。
第十步：铸造后的铸锭采用导热油静压均质化处理，密闭容器内导热油285℃±2℃，加压270bar～295bar，实现铝合金铸造态的高强度均质化，锻造成形后，淬火固溶和时效处理，抗拉强度要大于500MPa屈服强度要大于350MPa，确保高强度下的塑性，即延伸率为8％～13％，为后续锻造铝合金轮毂的高强度奠定基础。
本发明并不限定于所述各实施方式的设备及制备工艺，可在不脱离发明的主旨的范围内进行各种组合及参数的调整。另外，所述实施方式是作为一例来提示者，并不意图限定发明的范围。这些新的实施例能够以其他各种方式来实施，可进行各种省略、替换、变更。这些实施例或其各种组合及参数的调整包含在发明的范围或主旨中，并且包含在权利要求中所记载的发明与其均等的范围内。

Claims (9)

1.一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造设备，该设备包括:结晶器伺服控制(7)、锯屑收集(11)、乙二醇循环装置(12)，其特征在于：熔炼均匀化炉(1)通过管道与转液泵(2)及转液溜槽(3)与中间包(4)连接，中间包(4)位于结晶器(5)上方，在线锯切(8)位于结晶器(5)下方冷却介质中，拉坯引锭(9)也安装在冷却介质中，通过控制拉坯引锭(9)的速度来实现结晶器(5)的液面控制(6)，锯切后的铸锭通过锯切后铸锭提升(10)送到铸锭料框(15)中。
2.一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺，其特征在于：该铸造工艺包括如下步骤：
第一步：铝合金在熔炼均匀化炉(1)内进行合金化，合金化过程中通入氩气隔离空气和水分，氩气形成正压压力；
第二步：合金化后的铝液通过专液泵(2)和转液溜槽(3)进入中间包(4)，转液溜槽(3)和中间包(4)继续通入氩气保持铝合金液体与空气及灰尘隔离；
第三步：中间包(4)通过水口向结晶器(5)注入铝合金液体，根据结晶器(5)的液面位置，控制中间包(4)的注入流量，实现结晶器(5)内的液面控制(6)；
第四步：浇注过程中，向中间包(4)转液溜槽(3)和结晶器上部通入氩气隔离空气和水分；
第五步：采用乙二醇换热的金属模具结晶器(5)铸造铝合金，结晶器(5)细化了通过结晶器的铸造合金组织，铝合金液态到半固态结晶过程中采用了电磁搅拌，加速形成浮渣并进一步细化晶粒；
第六步：铝合金凝固以后冷却；
第七步：拉坯引锭(9)与下降的连铸锭同步运动，在线锯切(8)实现连续浇铸；
第八步：锯切过程中产生的锯屑收集(11)需要连续进行；
第九步：锯断的铸锭通过锯切后铸锭提升(10)运送到铸锭料框(15)中。
第十步：铸造后的铸锭采用导热油静压均质化处理，密闭容器内导热油285℃±2℃，加压270bar～295bar。
3.根据权利要求2所述的一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺，其特征在于：所说的第一步中正压压力为1.15bar～1.25bar。
4.根据权利要求2所述的一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺，其特征在于：所说的第二步中合金化后的铝液温度为530℃～560℃。
5.根据权利要求2所述的一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺，其特征在于：所说的第五步电磁搅拌频率为50Hz～90Hz。
6.根据权利要求2所述的一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺，其特征在于：所说的第五步中铝合金凝固以后冷却采用乙二醇冷却。
7.根据权利要求6所述的一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造工艺，其特征在于：所说的冷却温度达到100℃以下。
8.根据权利要求1所述的一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造设备，其特征在于：所说的熔炼均匀化炉(1)通过转液泵(2)及转液溜槽(3)把铝合金液体送到中间包(4)中。
9.根据权利要求1所述的一种车用铸造超高强铝合金轮毂材料铸造设备，其特征在于：所说的冷却介质为乙二醇。
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