CN114990369A - 一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法 - Google Patents

一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法，选择可再生废旧铝材为原材料，经电磁熔炼、熔体静置和除气过滤处理、电磁铸棒、正向挤压变形和圈圆插接工艺制备自行车轮圈，相比传统工艺采用电解原铝锭制备，实现了自行车轮圈零部件的低碳制造。应用本发明工艺制备的自行车轮圈，经焊接和表面处理测试，抗拉强度为300~350MPa，屈服强度为290~330MPa，延伸率13%‑17%，超过6061国家标准要求，轮圈经走形2500KM以上未见破坏或断裂，完全满足自行车轮圈各工况场景应用要求。

Description

一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法
技术领域
本发明涉及金属冶金和加工技术领域，具体涉及一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法。
背景技术
自行车是一种低碳环保的交通工具，铝合金自行车具有重量轻、骑行省力，耐腐蚀性能优等突出特点而成为人们日常的常用代步工具，需求量巨大。轮圈作为整个自行车的行走部件，要求整体重量更轻、更强、更舒适且更美观。目前应用于轮圈的铝合金原材料主要是采用经电解工艺制备的金属原铝锭，并配合一定量的镁、硅、锰等合金锭配置成所需合金，主要以6061铝合金为主，经加工变形后制备出轮圈产品。
自行车轮圈产品要求合金的强度性能高，可热加工变形及机加工、焊接性能好，同时要求阳极氧化后外形美观，具有金属光泽。因此为保证质量和品质要求，目前对所用原材料的选择和质量控制要求极其严格。金属铝作为可再生和重复利用资源，每年我国各行业材料更新换代会产生大量废铝。这些废铝由于杂质元素含量高，只能用来生产低附加值的铸造铝合金制品，制备自行车车圈由于是挤压变形产品且需要阳极着色，对性能和外观控制要求极其严格，目前尚没有采用再生铝制备车圈产品的公开报道。再生铝资源作为可再生和重复利用的资源，如果能够用来制备自行车车圈这种高附加值产品，不仅对铝原材料的选择范围进行了拓宽，而且采用可再生废铝做原材料，二氧化碳排放仅为0.5吨，相比采用电解原铝至少需要向大气排放13.2吨二氧化碳相比，应用可再生铝制备自行车车圈产品，是一种低碳值排放的生产加工制备方式，符合未来行业发展趋势。
专利CN 106498202A提出了一种变形铝合金的废铝再生方法，通过优化废铝原材料的组成直接再生高附加值的变形铝合金，降低了变形铝合金的生产成本，但没有提出废铝中杂质元素的控制和消除其有害作用的制备方法，针对车圈产品的高表面质量要求如何满足或实现。专利CN102392157A公布了一种电动自行车轮圈管用铝合金棒的制备方法，配置合金用的原材料为纯铝锭、纯镁锭和铝硅中间合金锭，轮圈管生产成本较高，且采用的原材料为金属原铝锭。专利CN105838940A公开了一种用于制造自行轮圈的铝合金材料及其生产工艺，但该材料主要采用原铝锭和合金锭配置，未采用可回收铝，且对主合金元素和杂质元素进行了严格限制，不适用于采用再生金属的低碳生产。以目前公开的各项专利成果，现有技术中依然很难利用再生铝通过低成本和低碳方式制备获得高端铝合金自行轮圈制品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法，选择可再生废旧铝材为原材料，经电磁熔炼、熔体静置和除气过滤处理、电磁铸棒、正向挤压变形和圈圆插接工艺制备自行车轮圈，以达到节能减排和低碳生产的目的。
为实现以上目的，本发明的生产工艺通过下述技术方案和步骤实现：
（1）原材料选择：原材料组成80%-90%为回收铝废料、铝加工废料或铝屑，添加余量10%～20%金属纯铝锭和合金锭，原材料采用带有电磁搅拌功能的炉体熔化，铝屑利用炉内铝液旋涡，以浸没式方式加入。经熔化后各个元素种类及其质量百分比满足：Si：0.5-1.0%；Fe：0.18-0.35%；Mg：0.8-1.32%；Cu：0.12-0.27%；Mn：0.10-0.25%；Zn：0.05-0.2%；Cr：0.03-0.3%；余量为Al，其余元素均视为杂质，且含量小于0.1%；
回收的铝合金废料在带有电磁搅拌功能的熔炼炉内熔化至液体，电磁搅拌的作用是使熔炼炉内各个位置和不同高度熔体温度差异性小，铝废屑依靠电磁搅拌形成的铝液旋涡，以浸没式方式加入，进入液态铝熔体后被旋涡迅速带入熔体内部并被周围的铝液加热熔化，以减少铝屑表面烧损和高温氧化，提高熔体洁净度。
（2）倾翻式保温炉静置：金属熔体在熔炼炉处理后转入倾翻式保温炉内，经过45min-120min的长时间静置后再进行半连续铸造工序，要求接近铸造结束时，炉底至少3-6T的铝液或平铺炉底高度＞30mm的铝液残留于倾翻式静置炉内不进行铸造；
选择倾翻式静置保温炉的作用是一方面通过长时间的静置处理，促使熔体中生成含有Fe、Mn元素的颗粒化合物，并利用颗粒化合物密度高于铝熔体的特点使其自然沉降于炉底，另一方面采用倾翻式静置炉的技术优势在于，在铸造过程中，倾翻式静置炉上层较纯净的铝液通过炉口高液位熔体先流出，而炉体底部杂质含量相对较高的低液位熔体最后流出，通过静置炉残留铝液总量的控制使沉降于炉底的固相含Fe、Mn元素的颗粒化合物在半连续铸造阶段不会被卷入到铸锭内部，从而保证产品纯净度要求，并达到部分消除杂质Fe元素的目的。
（3）熔体除气过滤：铝熔体除气方式为分别经过流槽式除气机和箱式除气机串联除气处理，然后采用板式过滤或者板式加管式过滤装置进行净化处理，要求处理后熔体氢含量≤0.15ml/100gAl，夹杂物总含量≤0.03mm2/Kg；
熔体中除气和过滤处理主要作用是降低熔体中氢含量和夹杂物总含量，过高的氢含量会导致挤压材表面出现气泡缺陷，过高的夹杂物也会残留于型材表面，在出现阳极后点状或线状缺陷。熔体氢含量和夹杂物含量的控制是保证自行车圈产品力学和外观色泽性能的关键。
（4）半连续电磁细晶铸造：采用具有交变电磁场细晶功能的结晶器，电磁场频率范围为20-50Hz，电流强度范围为100-2000A，经半连续铸造工艺制备挤压用铝合金铸锭，铸造后微观晶粒尺寸为50-90μm；
在铸造过程中持续施加电磁场能够促使结晶器内熔体发生强制搅拌，从而具有显著细化铸锭晶粒尺寸，提高挤压材力学性能的作用，同时交变电磁场对导磁的含铁、含锰相具有汇聚作用，按照正向挤压整个铸锭金属流变原理，具有含铁、锰相汇聚作用的铸棒通过挤压材头尾料控制能够使挤压材成品中含Fe、Mn相分布更均匀，进而降低再生原材料杂质铁元素过高对铝制品带来的有害作用。
（5）高温均匀化处理：半连续铸棒经双级或三级温度由低至高梯度均匀化处理，且最高一级温度为565℃~585℃，保温时间3~9h，完成后快速冷却至室温。
高温均匀化处理的目的是，通过多级均匀化处理，一方面使形成于晶界的共晶Mg2Si相在高温下回溶于晶粒内部，提高铸棒塑性和热变形能力，另一方面针对选择可再生铝作为原材料，在凝固过程中形成的含Fe相较多的特点，通过高温均匀化使针状β-Fe相向α-Fe相转化，有利于后续挤压变形破碎。
（6）正向挤压：采用正向挤压方式制备自行车车圈用铝型材，将均匀化后的铝合金铸锭挤压成厚度范围为1.5mm~3.5mm的轮圈截面型材，挤压比范围为30-45，型材圈圆后采用插接方式制成自行车车圈成品。
有益效果
本发明所述的一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法，相比于现有加工制备技术，本发明原材料选择了可回收的再生铝材料，相比传统工艺采用电解原铝锭制备，实现了自行车轮圈零部件的低碳制造。本发明利用再生金属中的硅、镁、铜、铬元素提高轮圈强度，并针对再生金属杂质元素含量高以及氧化夹杂物缺陷多的特点，采用电磁熔炼工艺、倾翻式保温炉静置、电磁细晶铸造和高温均匀化工艺来抑制杂质元素的有害作用，使再生铝合金材料各项性能满足自行车圈产品要求。应用本发明工艺制备的自行车轮圈，经焊接和表面处理测试，抗拉强度为300~350MPa，屈服强度为290~330MPa，延伸率13%-17%，超过6061国家标准要求，轮圈经走形2500KM以上未见破坏或断裂，完全满足自行车轮圈各工况场景应用要求。
附图说明
图1为实施例1的挤压后的车圈型材截面；
图2为实施例1的车圈型材纵截面Fe、Mn残留相分布；
图3为实施例2的挤压后的车圈型材截面；
图4为实施例2的车圈型材纵截面Fe、Mn残留相分布。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
一种采用再生铝制备自行车轮圈的生产工艺，应用的原材料组成及质量百分比为：50%的回收建筑铝型材，20%的机加工废料，10%的6061合金屑、余量为金属铝锭和中间合金锭，原材料熔化后各元素成分值为：Si：0.7；Fe：0.24；Mg：0.9；Cu：0.21；Mn：0.12；Zn：0.13；Cr：0 .12；余量为Al，其余元素均视为杂质，且含量小于0.1%。
将原材料在电磁搅拌熔炼炉内熔化，熔炼温度为740℃，首先加入固体回收铝废料，完全熔化后施加电磁场，带动熔体形成顺时针方向旋涡，将再生废铝屑以浸没方式均匀加入旋涡内，在熔体循环流动作用下连续将废铝屑卷入到熔体内部直至完全熔化，减少了铝废屑表面氧化时间，避免形成过量氧化物。在熔炼过程中，电磁搅拌实现了熔体各个位置的温度均匀性。
金属熔体在熔炼炉内处理完成后，全部转入倾翻式静置炉内，再次精炼处理后在740℃温度条件下静置60min，在静置过程中一方面使精炼处理后的盐类化合物上浮，另一方面在740℃温度下，熔体中的部分Fe与Mn会形成化合物并逐渐沉降于炉体底部。在铸造过程中，倾翻式静置炉上层较纯净的铝液从从炉口流出并参与半连续铸造过程，最后在接近铸造结束阶段，当炉内残留熔体重量为4T时倾翻炉回倾至静置状态，炉底富Fe元素熔体残留于倾翻炉内，部分消除了Fe元素的有害影响。
从静置炉流出的铝熔体分别经过流槽式除气机和箱式除气机两次除气处理，然后经过过滤板目数分别为40目、60目的双级板式过滤箱进行熔体过滤处理，处理后熔体氢含量为0.15ml/100gAl，夹杂物总含量为0.15mm2/Kg。
采用电磁细晶半连续铸造方式制备Φ178mm铝合金铸锭，铸造过程中铸盘内铝液温度为690℃，铸造过程中连续施加电磁场，频率为50Hz，电流强度为600A，铸锭长度为5.5m。将铸锭沿横截面剖开进行微观组织检测，铸棒内部晶粒尺寸范围为：80μm。采用带循环风机的均匀化热处理炉对铸锭进行双级均匀化热处理，均匀化处理温度为560℃保温5小时，然后经过0.5h升温至575℃并保温3小时，保温结束后铸锭在冷却室内以150℃/h的速率快速冷却至室温。
采用正向挤压方式将均匀化后的铸锭挤压成厚度为2.5mm的轮圈用型材，型材截面如图1所示，挤压比为35，挤压速度为3.5mm/s，出料速度13m/min。此挤压工艺条件下能够保证再生原料中均匀化处理后残留的含Fe有害相在挤压过程中被充分破碎，如图2所示。经检测，挤压材内含Fe相平均尺寸为3-5μm，偶见盐类和氧化物颗粒，尺寸为1-1.5μm，不影响阳极外观性能，型材经过挤压完成后在72h内进行圈圆处理，采用插接方式制备成自行车车圈成品。自行车轮圈成品的力学性能为抗拉强度330MPa，屈服强度290MPa，延伸率11%，经自行车圈走形测试2500KM以上未见破坏或断裂，满足自行车轮圈各工况场景应用要求。
实施例2
一种采用再生铝制备自行车轮圈的生产工艺，应用的原材料组成及质量百分比为： 35%的回收铝合金轮毂，25%的回收建筑铝型材，20%的机加工废料，15%的6061合金屑、余量为金属铝锭和中间合金锭，将原材料在电磁搅拌熔炼炉内熔化，熔炼温度为735℃，首先加入固体回收铝废料，完全熔化后施加电磁场，带动熔体形成旋涡强制流动，废铝屑以浸没方式均匀加入旋涡内，避免与空气长时间接触造成铝屑表面氧化。原材料熔化后各元素成分值为：Si：0.81；Fe：0.31；Mg：0.85；Cu：0.20；Mn：0.13；Zn：0.09；Cr：0 .13；余量为Al，其余为杂质。
熔炼完成后炉内熔体全部转入倾翻式静置炉内，再次精炼处理后在745℃温度条件下静置70min，在静置过程中一方面使精炼处理后的盐类化合物上浮，另一方面在此温度下促使熔体中的Fe、Mn元素形成化合物并沉降于炉底，达到部分消除杂质Fe元素的作用。铸造开始后，倾翻式静置炉上层较纯净的铝液从炉口流出，经流槽式除气机和箱式除气机复合式除气处理以及40目板式过滤箱和100目管式过滤箱净化后，进入电磁结晶器铸造凝固成型。在接近铸造过程结束阶段并且静置炉内残留熔体重量为4T时，倾翻炉回倾，炉底富Fe、Mn杂质元素的熔体残留于倾翻炉内。铸造过程中检测熔体氢含量为0.13ml/100gAl，夹杂物总含量为0.08mm2/Kg。
采用电磁细晶结晶器制备Φ127mm铝合金铸锭，铸造过程中铸盘内铝液温度为690℃，铸造过程中连续施加电磁场，频率为50Hz，电流强度为600A，铸锭长度为5.5m。将铸锭沿横截面剖开进行微观组织检测，铸棒内部晶粒尺寸为60μm。采用带循环风机的均匀化热处理炉对铸锭进行双级均匀化热处理，均匀化处理温度为560℃保温6小时，然后经过0.5h升温至570℃并保温3小时，保温结束后铸锭强制风冷至室温。
铸锭在450℃下采用正向挤压方式将均匀化后的铸锭挤压成厚度为2.2mm的轮圈用型材，挤压比为38，型材截面如图3所示，挤压完成后在72h内进行圈圆处理，采用插接方式制备成自行车车圈成品。经检测，采用此实施方案制备的自行车车圈，挤压材内含Fe相尺寸范围为3-6μm，如图4所示。随机选择5个型材截面，显微观察未见盐类和氧化物颗粒，型材阳极处理后表面光泽，无点状或线状缺陷。
应用本实施例制备的自行车轮圈成品，力学性能为抗拉强度330MPa，屈服强度290MPa，延伸率10%，满足国标6061合金标准要求。经自行车圈走形测试2500KM以上未见破坏或断裂，满足自行车轮圈各工况场景应用要求。

Claims (4)

1.一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法，其特征在于，采用以下步骤：
（1）原材料选择：原材料组成80%-90%为回收铝废料、铝加工废料或铝屑，余量10%～20%添加金属纯铝锭和合金锭，原材料采用带有电磁搅拌功能的炉体熔化，铝屑利用炉内铝液旋涡，以浸没式方式加入；熔化后各个元素种类及其质量百分比满足：Si：0.5-1.0%；Fe：0.18-0.35%；Mg：0.8-1.32%；Cu：0.12-0.27%；Mn：0.10-0.25%；Zn：0.05-0.2%；Cr：0.03-0.3%；余量为Al，其余元素均视为杂质，且含量小于0.1%；
（2）倾翻式保温炉静置：金属熔体在熔炼炉处理后转入倾翻式保温炉内，经过45min-120min的长时间静置后再进行半连续铸造工序，铸造结束后，要求至少3-6T的铝熔体残留于静置炉内不参与铸造过程；
（3）组合式除气过滤：铝熔体除气方式为分别经过流槽式除气机和箱式除气机串联除气处理，然后采用板式过滤或者板式加管式组合过滤方式进行净化处理，要求处理后熔体氢含量≤0.15ml/100gAl，夹杂物总含量≤0.19mm2/Kg；
（4）半连续电磁细晶铸造：采用交变电磁场细晶功能的结晶器制备铸棒，铸造过程中全程施加交变电磁场，频率范围为20-50Hz，电流强度范围为100-2000A，铸造后铸棒微观晶粒尺寸为50-90μm；
（5）高温均匀化处理：半连续铸棒经双级或三级梯度均匀化处理，且最高一级温度为565℃~585℃，保温时间3~9h，完成后快速冷却至室温；
（6）正向挤压：采用正向挤压方式制备自行车车圈用铝型材，将均匀化后的铝合金铸锭挤压成厚度范围为1.5mm~3.5mm的中空截面型材，型材圈圆后采用插接方式制成自行车车圈成品。
2.根据权利要求1所述的一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法，其特征在于，步骤（2）中静置时的温度为740-745℃。
3.根据权利要求1所述的一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法，其特征在于，步骤（2）中铝熔体残留重量为4T。
4.根据权利要求1所述的一种再生铝制备铝合金自行车轮圈的方法，其特征在于，步骤（6）中挤压工艺为：挤压比范围为30-45，挤压速度为3.5mm/s，出料速度13m/min。
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