CN114875281A - 一种抗疲劳及耐腐蚀的锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮及其制备方法 - Google Patents

一种抗疲劳及耐腐蚀的锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锻造铝合金技术领域，具体涉及一种抗疲劳及耐腐蚀的锻造Al‑Mg‑Si‑Zr铝合金车轮及其制备方法。该铝合金车轮组成为：Si、Mg、Cu、Fe、Mn、Cr、Ti、Zr和余量Al。本发明通过优化合金成分，铸棒采用分级均匀化处理，模锻之后采用优化的铝棒加热工艺、固溶和时效工艺，锻造铝合金材料，疲劳性能在200Mpa下能循环7x107左右周次，耐剥离腐蚀达到了PA级。另外增加了滚光工艺和表面处理工艺，进一步增强了铝合金车轮的耐疲劳及耐腐蚀性能，并且通过了车轮双轴疲劳测试要求，满足了国际一流主机厂的要求。

Description

一种抗疲劳及耐腐蚀的锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮及其制 备方法
技术领域
本发明属于锻造铝合金技术领域，具体涉及一种抗疲劳及耐腐蚀的锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮及其制备方法。
背景技术
车轮是汽车的重要组成部分，轻量化是未来汽车的发展趋势，锻造铝合金车轮在实现汽车轻量化和节能减排方面具有优势。车轮还是汽车上的关键零部件，也是安全件，如果汽车高速行驶中，车轮产生疲劳，出现裂纹，轻则车毁，重则人亡。所以车轮在轻量化的同时，还需要保证的足够的力学性能及抗疲劳性能。现有的锻造铝合金材料，疲劳性能在规定应力水平σ=200Mpa下仅能循环N=8x106左右周次，疲劳性能差，车轮容易发生疲劳裂纹，耐剥离腐蚀一般在PB级以下。
车轮属于外观件，锻造车轮由圆铸棒在模具中锻造成形，经过机加工抛光后，表面光泽度可高达1600GU。但是，铝车轮长期暴露在空气中，和空气中的氧气发生反应生成氧化铝，车轮表面氧化发黄；有的汽车运行环境恶劣，铝车轮长期暴露在酸、碱环境中，车轮表面很容易产生腐蚀，降低车轮的使用寿命。现有技术中，采用在硝酸中对车轮进行脱氧，在车轮的表面形成多孔脱氧氧化物，然后用硅氧烷喷射在多孔氧化物上，车轮表面形成保护膜，这种方式保护效果很好，但是对环境不友好。目前，对于锻造铝合金车轮的原材料，其疲劳性能在规定应力水平σ=200Mpa时，疲劳循环次数不小于2x107，并需要通过EUWA-ES-3.23双轴疲劳测试，并且在5% NaCl浓度下，盐雾试验不小于300h。因此，研发一种具有抗疲劳性能和耐腐蚀性的车轮成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的汽车车轮应用过程中存在的问题，本发明的目的是解决汽车车轮实际应用过程中存在抗疲劳性能差和耐腐蚀性能差的问题，提供了一种抗疲劳及耐腐蚀的锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮。
本发明还提供了一种上述锻造铝合金车轮的制备方法。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：
本发明提供了一种抗疲劳及耐腐蚀的锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮，是由以下质量百分比的元素组成：Si：0.70～0.78％、Mg：1.05%～1.15％、Cu：0.27％～0.33％、Fe：0.20%～0.25％、Mn：0.10％～ 0.15％、Cr：0.25％～0.3％、Ti：0.01％～0.05％、Zr：0.08％～0.12％和余量Al。
本发明还提供了一种锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮的制备方法，包括以下步骤：
（1）配料：按照元素的质量百分比分别称取纯铝水、纯铝锭、铝硅合金锭、纯镁锭、纯铜锭、纯锌锭、铝锆合金锭、铝钛合金锭和铝钛硼丝，进行熔炼，得到铝合金熔液；
（2）制备圆铸棒：将铝合金熔液浇注成圆铸棒；
（3）均匀化处理：将圆铸棒进行均匀化退火处理，得到退火的圆铸棒；
（4）制作坯料：将退火的圆铸棒锯切成需求的长度，浸入石墨溶液，然后烘烤，得到表面干燥有石墨涂层的铝棒坯料；
（5）坯料预热-模锻：将铝棒坯料加热保温，得到温度均匀的预热坯料；将预热坯料进行预锻、终锻、冲扩孔锻，得到最终模锻车轮毛坯；
（6）固溶和淬火处理：将模锻车轮毛坯，在固溶炉内保温，然后转移至水中，得到淬火后的铝合金锻件毛坯；
（7）时效-滚光处理：将铝合金锻件毛坯进行人工时效，得到抗疲劳及耐腐蚀铝合金车轮毛坯；将铝合金车轮毛坯进行数控加工，得到去掉锻造毛坯表面的精加工车轮；对车轮表面进行滚光处理；
（8）表面处理：将滚光后的铝合金车轮，采用氟锆酸盐有机无机复合膜，通过反应在车轮表面形成稳定的纳米级保护层，增强车轮的耐腐蚀性。
进一步的，步骤（2）中，所述浇铸条件为：温度750℃-780℃，铸造速度为35mm/min～60mm/min、冷却水强度为0.04MPa～0.08MPa、冷却水温度为20℃～40℃。
进一步的，步骤（3）中，所述退火具体为：在温度为350℃ 的条件下保温1h，温度540℃保温1h，温度565℃保温13h，保温阶段炉温控制在±3℃；均质完毕，15min以内送到冷却室；冷却方式为风冷45min后水雾冷却至常温，冷却速率200℃/h以上，总冷却时间控制在1.5h以内，冷却至室温即可。
进一步的，步骤（3）中，所述石墨溶液通过以下方法制备而成：将石墨鳞片加入到乙醇中，超声搅拌15min，然后过滤，除去乙醇；将清洗后的石墨鳞片中加入聚乙二醇400及1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），超声处理，超声过程中滴加巯丙基三乙氧基硅烷，超声处理24h。
本发明所使用的石墨鳞片和乙醇的料液比为0.1g：10mL；所述石墨鳞片、聚乙二醇400和1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）的比例为0.1g：1mL：50mL；所述巯丙基三乙氧基硅烷和石墨鳞片的质量比为0.3：1。
进一步的，步骤（5）中，所述预热为在530℃～540℃下保温1h；所述模锻的温度为500℃～520℃，具体参数为：
预锻 定压2500-3000吨，保压时间1-3秒，下顶出杆工作行程230mm；
终锻 定压6000吨-7500吨，保压时间3-5秒,下顶出杆工作行程300mm；
冲扩孔锻 定程，下行650mm停止。
进一步的，步骤（6）中，所述固溶为在560℃±5℃温度下保温1h；所述淬火为在10s内转移至温度为40℃～60℃的水中。
进一步的，步骤（7）中，所述时效的参数为：温度180℃±5℃，保温8h；所述滚光为采用直径150mm的滚轮，在主轴转速1000r/min，进给量400mm/min，过盈量为0.8mm的条件进行。
本发明利用氟锆酸盐有机无机复合膜理论进行表面镀层，氟锆酸盐有机无机复合膜的组成为：氟锆酸钾 3.5g/L、均三甲苯1.5g/L、钼酸0.4g/L以及余量的10%乙醇溶液；所述反应为在30-40℃下反应400s，然后加热到50℃，保温处理300s，升温至75℃进行烘烤200s。
本发明中，Zr合金作为一种过渡族元素，具有良好的可塑性和耐腐蚀性，能够在铸造铝棒过程中细化晶粒，提高合金再结晶温度，改善合金的强度、断裂韧性及抗应力腐蚀行，并且价格适中，与稀土元素Sc相比有价格优势，非常适用于民用产品。Zr合金含量控制在0.08%-0.12%，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。
本发明中，铝棒浸入石墨溶液中，保持20s，石墨溶液均匀粘附在铝棒表面，然后在100℃下烘烤20min，得到干燥有石墨涂层的铝棒坯料。石墨涂层增加了传热的效率，使锻造前铝棒受热更均匀，避免加热时间过长，晶粒异常长大，降低疲劳性能。同时，本发明所提供的石墨溶液，能够提高石墨同合金基体的结合度，得到的石墨涂层均匀且不易脱落。
本发明中在温度为560℃±5℃固溶炉中保温1小时，在10s内转移至温度为40℃～60℃的水中，找到固溶效果和晶粒状态的平衡，得到的组织既不是锻造的纤维状组织也不是粗大的晶粒组织，而是发生再结晶，细小的等轴晶组织。
本发明中，对车轮表面进行滚光处理，提高了车轮表面的硬度，进一步增强了车轮的耐疲劳性能。
本发明中，使用氟锆酸盐有机无机复合膜理论，在酸性条件下，在车轮表面反应，形成稳定的纳米级保护层，进一步增强了车轮的耐腐蚀能力。
本发明的有益效果为：本发明通过优化合金成分，铸棒采用分级均匀化处理，模锻之后采用优化的铝棒加热工艺、固溶和时效工艺，锻造铝合金材料，疲劳性能在200Mpa下能循环7x107左右周次，远远高于GB/T 3075《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》的要求，耐剥离腐蚀达到了PA级。在增强材料疲劳及耐腐蚀性能的基础上，另外增加了滚光工艺和表面处理工艺，进一步增强了铝合金车轮的耐疲劳及耐腐蚀性能，铝合金车轮实际应用中避免了螺栓孔位置发生疲劳裂纹，并且通过了德国最严苛的EUWA-ES-3.22《Biaxial FatigueTest for Trucks Wheels》车轮双轴疲劳测试要求，满足了国际一流主机厂的要求。
附图说明
图1为实施例1制备的锻造后的金相图。
图2为实施例1制备的合金再结晶组织图。
图3为不同的固溶温度组织对比图。
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做进一步的解释和说明。
实施例1
一种抗疲劳及耐腐蚀锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮，元素组成为：Si：0.70％、Mg：1.1%、Cu：0.28％、Fe：0.21%、Mn：0.12％、Cr：0.3％、Ti：0.02％、Zr：0.08％和余量Al。
具体实施方法如下：
（1）配料：按照元素的质量百分比分别称取纯铝水、纯铝锭、铝硅合金锭、纯镁锭、纯铜锭、纯锌锭、铝锆合金锭、铝钛合金锭和铝钛硼丝，进行熔炼，得到铝合金熔液；
（2）制备圆铸棒：制备圆铸棒：将铝合金熔液在750℃-780℃，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；
（3）均匀化处理：均匀化退火处理：将圆铸棒进行均匀化退火处理，在温度为350℃的条件下保温1h，温度540℃保温1h，温度565℃保温13h，保温阶段炉温控制在±3℃；均质完毕，15min以内送到冷却室；冷却方式为风冷45min后水雾冷却至常温，冷却速率200℃/h以上，总冷却时间控制在1.5h以内，使用红外线测温枪测铝棒温度，温度达到室温即可结束冷却；
（4）制作坯料：在退火的圆铸棒锯切成长度为368mm的坯料，然后铝棒浸入石墨溶液中，保持20s，石墨溶液均匀粘附在铝棒表面，然后在100℃下烘烤20min，得到干燥有石墨涂层的铝棒坯料；
所述石墨溶液为：将石墨鳞片加入到乙醇中，超声搅拌15min，然后过滤，除去乙醇；将清洗后的石墨鳞片中加入聚乙二醇400及1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），超声处理，超声过程中滴加巯丙基三乙氧基硅烷，超声处理24h。
（5）坯料预热-模锻：将步骤（4）制作的坯料在温度为530℃～540℃的天然气加热炉中保温1h，得到温度均匀的预热坯料；将坯料在温度为500℃～520℃条件下进行预锻、终锻、冲扩孔锻，得到最终模锻车轮毛坯，具体锻造参数如下
预锻 定压2500-3000吨，保压时间1-3秒，下顶出杆工作行程230mm；
终锻 定压6000吨-7500吨，保压时间3-5秒,下顶出杆工作行程300mm；
冲扩孔锻 定程，下行650mm停止
（6）固溶和淬火处理：将模锻毛坯，在温度为560℃±5℃固溶炉中保温1小时，在10s内转移至温度为40℃～60℃的水中，得到淬火后的铝合金锻件毛坯；；
（7）时效-滚光处理：将铝合金锻件毛坯进行人工时效，时效参数为：温度180℃±5℃，保温8h，得到抗疲劳及耐腐蚀铝合金车轮毛坯；将铝合金车轮进行数控加工，得到去掉锻造毛坯表面的精加工车轮；由于精加工车轮的表面用R3刀具，在进给率F=0.6的参数下进行加工，在微观条件下观察车轮表面刀纹呈锯齿状，虽然铝合金材料及锻造、热处理工艺进行了改善，加工后的车轮仍有疲劳破坏的风险的来源；采用直径150mm的滚轮，在主轴转速1000r/min，进给量400mm/min，过盈量为0.8mm的条件下对车轮表面进行滚光处理，消除了数控加工带来的车轮表面的微观锯齿状刀纹，并且车轮表面的强度可以提升15HB，车轮表面更硬更强，做到了类似夹心饼干的“外硬内软”，进一步提升了铝合金车轮的抗疲劳性能；
（8）表面处理：滚光后的铝合金车轮，表面光亮均匀，虽然具有一定的耐腐蚀性，将氟锆酸盐溶液（氟锆酸钾 3.5g/L、均三甲苯1.5g/L、钼酸0.4g/L以及余量的10%乙醇溶液）和铝车轮表面反应400s，与铝合金反应成膜，加温到50℃促进膜层快速增厚（处理300s），有机膜覆盖在无机膜表面，填充了无机膜之间的空隙，大大提高了无机膜的致密性，最后在75℃条件下烘烤200s，形成稳定的纳米级保护层。
图1为锻造后的合金的纤维状组织，晶粒细小，且未发生再结晶。图2为再结晶组织，晶粒变大，晶粒均匀，提高性能。图3为在不同温度下，固溶处理后的金相图。在545℃-590℃下保温1 h进行固溶处理后的组织对比：随着温度的提高，Mg2Si相数量明显减少；在570-580℃间，样品中Mg2Si相已基本消失；580-590℃时，基体中出现较多黑色圆孔洞，疑似已发生过烧。充分固溶并且不易发生过少，故固溶温度确定为560±5℃。
实施例2
一种抗疲劳及耐腐蚀锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮，元素组成为：Si：0.78％、Mg：1.15％、Cu：0.32％、Fe：0.24%、Mn：0.13％、Cr：0.25%、Ti：0.05％、Zr：0.12％和余量Al。
制备方法同实施例1
实施例3
一种抗疲劳及耐腐蚀锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮，元素组成为：Si：0.75％、Mg：1.13%、Cu：0.30％、Fe：0.22%、Mn：0.12％、Cr：0.26％、Ti：0.03％、Zr：0.10％和余量Al。
制备方法同实施例1。
对比例1
一种抗疲劳及耐腐蚀锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮，元素组成同实施例3。
具体制备方法如下：
步骤（1）-（7）同实施例1；
（8）表面处理：滚光后的铝合金车轮，表面光亮均匀，虽然具有一定的耐腐蚀性，将氟锆酸盐溶液（氟锆酸钾 3.5g/L、钼酸0.4g/L以及余量的10%乙醇溶液）和铝车轮表面反应400s，与铝合金反应成膜，加温到50℃促进膜层快速增厚（处理300s），有机膜覆盖在无机膜表面，填充了无机膜之间的空隙，大大提高了无机膜的致密性，最后在75℃条件下烘烤200s，形成稳定的纳米级保护层。
对比例2
一种抗疲劳及耐腐蚀锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮，元素组成同实施例3。
步骤（1）-（6）同实例1
（7）固溶和淬火处理：将模锻毛坯，在温度为545℃±5℃固溶炉中保温2小时，在10s内转移至温度为40℃～60℃的水中，得到淬火后的铝合金锻件毛坯；
步骤（8）-（9）同实例1
对比例3
一种抗疲劳及耐腐蚀锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮，元素组成同实施例3。
具体实施方法如下：
步骤（1）-（3）同实施例1；
（4）制作坯料：在退火的圆铸棒锯切成长度为368mm的坯料，然后铝棒浸入石墨溶液中，保持20s，石墨溶液均匀粘附在铝棒表面，然后在100℃下烘烤20min，得到干燥有石墨涂层的铝棒坯料；
所述石墨溶液为：将石墨鳞片加入到乙醇中，超声搅拌15min，然后过滤，除去乙醇；将清洗后的石墨鳞片中加入聚乙二醇400及1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）超声处理24h。
步骤（5）-（8）同实施例1。
值得注意的是，当石墨溶液中不添加巯丙基三乙氧基硅烷时，形成的石墨涂层不均匀，会出现剥离的现象，容易导致锻造前铝棒受热不均匀，晶粒异常长大。
效果实施例
实施例1-3及对比例1-2制备的锻造铝合金车轮按照GB/T 3075《金属材料 疲劳试验轴向力控制方法》,规定应力水平σ=200Mpa进行检测，并且通过了德国最严苛的EUWA-ES-3.22《Biaxial Fatigue Test for Trucks Wheels》要求的车轮双轴疲劳测试要求，满足了进入国际一流主机厂的条件。
疲劳循环次数N 耐剥离腐蚀等级 双轴疲劳测试 5%NaCl浓度盐雾试验
实施例1 6.3×10<sup>7</sup> PA 通过 535h
实施例2 6.8×10<sup>7</sup> PA 通过 515h
实施例3 7.5×10<sup>7</sup> PA 通过 540h
对比例1 7.3×10<sup>7</sup> PA 不通过 475h
对比例2 5×10<sup>7</sup> PB 不通过 520h
对比例3 7.4×10<sup>7</sup> PB 不通过 505 h

Claims (10)

1.一种抗疲劳及耐腐蚀的锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮，其特征在于，是由以下质量百分比的元素组成：Si：0.70～0.78％、Mg：1.05%～1.15％、Cu：0.27％～0.33％、Fe：0.20%～0.25％、Mn：0.10％～ 0.15％、Cr：0.25％～0.3％、Ti：0.01％～0.05％、Zr：0.08％～0.12％和余量Al。
2.一种如权利要求1所述的锻造Al-Mg-Si-Zr铝合金车轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配料：按照元素的质量百分比分别称取纯铝水、纯铝锭、铝硅合金锭、纯镁锭、纯铜锭、纯锌锭、铝锆合金锭、铝钛合金锭和铝钛硼丝，进行熔炼，得到铝合金熔液；
（2）制备圆铸棒：将铝合金熔液浇注成圆铸棒；
（3）均匀化处理：将圆铸棒进行均匀化退火处理，得到退火的圆铸棒；
（4）制作坯料：将退火的圆铸棒锯切成需求的长度，浸入石墨溶液，然后烘烤，得到表面干燥有石墨涂层的铝棒坯料；
（5）坯料预热-模锻：将铝棒坯料加热保温，得到温度均匀的预热坯料；将预热坯料进行预锻、终锻、冲扩孔锻，得到最终模锻车轮毛坯；
（6）固溶和淬火处理：将模锻车轮毛坯，在固溶炉内保温，然后转移至水中，得到淬火后的铝合金锻件毛坯；
（7）时效-滚光处理：将铝合金锻件毛坯进行人工时效，得到抗疲劳及耐腐蚀铝合金车轮毛坯；将铝合金车轮毛坯进行数控加工，得到去掉锻造毛坯表面的精加工车轮；对车轮表面进行滚光处理；
（8）表面处理：将滚光后的铝合金车轮，采用氟锆酸盐有机无机复合膜，通过反应在车轮表面形成稳定的纳米级保护层，增强车轮的耐腐蚀性。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述浇铸条件为：温度750℃-780℃，铸造速度为35mm/min～60mm/min、冷却水强度为0.04MPa～0.08MPa、冷却水温度为20℃～40℃。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述退火具体为：在温度为350℃ 的条件下保温1h，温度540℃保温1h，温度565℃保温13h，保温阶段炉温控制在±3℃；均质完毕，15min以内送到冷却室；冷却方式为风冷45min后水雾冷却至常温，冷却速率200℃/h以上，总冷却时间控制在1.5h以内，冷却至室温即可。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述石墨溶液通过以下方法制备而成：将石墨鳞片加入到乙醇中，超声搅拌15min，然后过滤，除去乙醇；将清洗后的石墨鳞片中加入聚乙二醇400及1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），超声处理，超声过程中滴加巯丙基三乙氧基硅烷，超声处理24h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述石墨鳞片和乙醇的料液比为0.1g：10mL；所述石墨鳞片、聚乙二醇400和1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）的比例为0.1g：1mL：50mL；所述巯丙基三乙氧基硅烷和石墨鳞片的质量比为0.3：1。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（5）中，所述预热为在530℃～540℃下保温1h；所述模锻的温度为500℃～520℃，具体参数为：
预锻 定压2500-3000吨，保压时间1-3秒，下顶出杆工作行程230mm；
终锻 定压6000吨-7500吨，保压时间3-5秒,下顶出杆工作行程300mm；
冲扩孔锻 定程，下行650mm停止。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，所述固溶为在560℃±5℃温度下保温1h；所述淬火为在10s内转移至温度为40℃～60℃的水中。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（7）中，所述时效的参数为：温度180℃±5℃，保温8h；所述滚光为采用直径150mm的滚轮，在主轴转速1000r/min，进给量400mm/min，过盈量为0.8mm的条件进行。
10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（8）中，所述氟锆酸盐有机无机复合膜的组成为：氟锆酸钾 3.5g/L、均三甲苯1.5g/L、钼酸0.4g/L以及余量的10%乙醇溶液；所述反应为在30-40℃下反应400s，然后加热到50℃，保温处理300s，升温至75℃进行烘烤200s。
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