CN115637398A - 一种铝合金轮毂及其表层高能复合改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝合金轮毂及其表层高能复合改性方法，涉及汽车制造技术领域。该表层高能复合改性方法包括：对待加工的铝合金轮毂实施预处理；对预处理后的铝合金轮毂进行激光冲击强化处理，得到激光强化产物；对所述激光强化产物进行预处理；对所述预处理后的激光强化产物进行离子渗氮处理，以在所述激光强化产物的表层形成渗氮层，得到表面具有复合强化层的铝合金轮毂，所述复合强化层从外到内依次包括渗氮层和强化层。通过预处理后，进行激光冲击强化处理和渗氮处理，使得该轮毂的表层形成具有梯度结构的复合强化结构，极大增强了铝合金轮毂的材料强度，并具有轻量化效果和优异的抗磨损性能。
Description
技术领域
本公开涉及汽车制造技术领域，且特别涉及一种铝合金轮毂及其表层高能复合改性方法。
背景技术
随着近些年来全球气候变暖和能源问题日益突出，汽车制造企业逐渐朝着降低汽车的能耗、减少污染的方法发展，研究数据表明：汽车每降低100Kg，油耗就可以降低0.7L/km。而汽车轮毂是汽车零部件的一个重要组成部分，其为轮胎内廓用以支撑轮胎的圆桶形、中心装配在轴上的部件。常见的汽车轮毂有钢质轮毂及铝合金质轮毂。钢质轮毂的强度高，常用于大型载重汽车，但钢质轮毂质量重，铝合金轮毂的密度只有钢质轮毂的1/3左右，铝合金轮毂的使用能够在一定程度上降低车辆本身的重量，有利于减少能耗。
但是，由于铝合金强度低，耐磨性差，导致铝合金轮毂的耐用性较差，使用寿命较短，限制了铝合金轮毂的应用。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
为了解决上述技术问题，本公开提供一种铝合金轮毂及其表层高能复合改性方法。
本公开解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
根据本公开的第一方面，提出一种铝合金轮毂的表层高能复合改性方法，包括：
对待加工的铝合金轮毂实施预处理；
对预处理后的铝合金轮毂进行激光冲击强化处理，得到表面具有强化层的激光强化产物；
对所述激光强化产物进行预处理；
对预加热处理后的激光强化产物进行离子渗氮处理，得到表面具有复合强化层的铝合金轮毂，所述复合强化层从外到内依次包括渗氮层和强化层。
在本公开的一个示例性实施例中，对待加工的铝合金轮毂实施预处理包括：对待加工的铝合金轮毂进行超声清洗处理和烘干处理。
在本公开的一个示例性实施例中，在进行激光冲击强化处理过程前，依次在待加工的铝合金轮毂毂上施加吸收层和约束层，其中，以去离子水作为所述约束层，以铝膜或黑漆涂料作为所述吸收层。
在本公开的一个示例性实施例中，所述激光冲击强化处理的参数为：激光波长1064nm，脉冲能量3～5J，脉冲宽度为15～22nm，光斑间搭接率为50％～65％。
在本公开的一个示例性实施例中，对所述激光强化产物进行预处理，包括：对所述激光强化产物进行抛光处理、超声清洗处理和预加热处理。
在本公开的一个示例性实施例中，所述预加热处理的温度为400～450℃，处理时间为10～30min。
在本公开的一个示例性实施例中，所述离子渗氮处理过程中，采用等离子渗氮方式，渗氮气体氛为氮气和氢气的混合气体，其中，氮气和氢气的用量比为2～3：1，渗氮气压为1×102～1.5×102Pa，渗氮温度为450～550℃，渗氮时间为4～6h。
在本公开的一个示例性实施例中，所述强化层的厚度为0.8～1.2mm，所述渗氮层的厚度为4～10微米，所述铝合金轮毂的表面硬度在400HV以上。
根据本公开的第二方面，提供一种铝合金轮毂，根据上述任意一项所述的表面处理方法获得。
本公开的铝合金轮毂及其表层高能复合改性方法的有益效果是：
先对待加工的铝合金轮毂进行清洗烘干处理后，施加吸收层，在一定约束层下以一定的工艺参数进行激光冲击强化，在铝合金轮毂的表面形成强化层。通过激光强化处理，能够有效减薄铝合金轮毂，实现轻量化效果。且通过激光冲击强化处理，使得铝合金轮毂的表面产生塑性变形和残余应力场，细化晶粒，增加位错密度，压应力和硬度提高。
激光强化后的产物在经过抛光、清洗、预加热等预处理后，在一定的真空压力下进行渗氮处理，以在激光强化后的铝合金轮毂的表面形成渗氮层，从而在轮毂表层形成具有一定阶梯结构的复合强化层，极大增强了材料的强度和耐磨性能。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本公开实施例的铝合金轮毂的表层高能复合改性方法。
图2示出本公开实施例中激光冲击强化处理的示意图。
图3示出本公开实施例中铝合金轮毂在表面复合处理过程中微观组织变化的示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本公开实施例的铝合金轮毂及其表层高能复合改性方法进行具体说明。
本公开实施例提供的一种铝合金轮毂的表层高能复合改性方法，包括：
步骤S101，对待加工的铝合金轮毂实施预处理；
步骤S102，对预处理后的铝合金轮毂进行激光强化冲击处理，得到表面具有强化层的激光强化产物；
步骤S103，对所述激光强化产物进行预处理；
步骤S104，对预热处理后的激光强化产物进行离子渗氮处理，得到表面具有复合强化层的铝合金轮毂，所述复合强化层从外到内依次包括渗氮层和强化层。
通过实施上述表层高能复合改性方法，先对待加工的铝合金轮毂进行清洗烘干处理后，施加吸收层和约束层，在一定的工艺参数下进行激光冲击强化，以在铝合金轮毂的表面形成激光强化层。激光强化后的产物在经过清洗，抛光等预处理后，在一定的真空压力下进行渗氮处理，以在激光强化后的铝合金轮毂的表面形成渗氮层，形成具有一定阶梯结构的复合强化层，极大增强了材料的强度和耐磨性能，且实现产品的轻量化。
下面结合实施例对本公开的方法进行详细说明。
步骤S101，对待加工的铝合金轮毂实施预处理。
在本公开的一个实施例中，步骤S101具体包括超声清洗清洗处理和烘干处理。其中，超声清洗处理过程可以包括用乙醇溶液清洗2次后，再用纯水清洗2次。超声清洗后进行烘干。
步骤S102，对预处理后的铝合金轮毂进行激光强化冲击处理，得到表面具有强化层的激光强化产物。参阅图3所示，激光强化处理后，在产品表面形成具有强化层30的微观组织。具体地，在本公开的一个实施例中，在步骤S102之前，依次在待加工的铝合金轮毂毂上施加吸收层和约束层，其中，以去离子水作为所述约束层，以铝膜或黑色涂料作为所述吸收层。具体地，将铝合金轮毂固定在激光冲击工作台上，在铝合金轮毂表面喷上一定厚度的黑漆做为吸收层。
需要说明的是，黑漆涂料为黑色颜料和有机材料的混合物，黑色颜料例如为碳黑，有机材料例如环氧树脂、聚氨酯树脂、硅树脂等等。可以理解的是，黑漆涂料可以通过市售产品获得，本公开在此不再进行赘述。
具体地，在本公开的一个实施例中，所述约束层为厚度2mm的去离子水层。激光冲击强化处理的参数为：激光波长1064nm，脉冲能量3～5J，脉冲宽度为15～22ns，光斑间搭接率为50％～65％。通过上述激光冲击强化处理参数的调整，使用一定能量的脉冲激光进行表面处理，引入一定深度的残余应力和一定厚度的晶粒细化，改善产品表面的微观性能，提高产品表面的硬度和磨损性能。
进一步地，在本公开的一个实施例中，激光冲击强化处理过程中，光斑的形状为圆形，光斑的直径为3～5mm。进一步地，激光冲击的路径为在待加工产品的表面按照大致呈“匚”字型的路径进行。如图2所示，示出了一个示例性实施例中激光冲击强化处理的示意图，在待加工的产品1上，按照“匚”字型的激光路径2进行激光冲击处理，光斑呈圆形，多个光斑之间的搭接率为62.5％。
如图3所示，未进行激光处理前，铝合金轮毂的内部结构中，晶粒粒径较大。激光强化过程中，激光冲击波穿过吸收层，作用于铝合金轮毂的表面并向内部传播，使铝合金轮毂的表层材料产生塑性变形和残余压应力场。激光强化层30的材料微观结构发生变化，包括晶粒细化、位错密度增加等，提高了材料的强度和耐磨损性能等。激光强化层30中，越靠近表面的位置，接收到的激光冲击越大，晶粒的粒度越小。
在步骤S103，对所述激光强化产物进行预处理。
在本公开的一个实施例中，步骤S103包括超声清洗处理、烘干处理、抛光处理和预加热处理。具体地，超声清洗采用包括用乙醇溶液清洗2次，再用纯水清洗2次。抛光处理采用规格为W1000的游离磨料进行抛光操作，以去除激光后表面产生的波纹度。
在本公开的一个实施例中，所述预加热处理的温度为400～450℃，处理时间为15～30min。在上述条件下进行预加热处理，有利于改善渗氮效果。
步骤S104，对预热处理后的激光强化产物进行离子渗氮处理，得到表面具有复合强化层的铝合金轮毂，所述复合强化层从外到内依次包括渗氮层和强化层。
在本公开的一个实施例中，渗氮处理过程为在真空压力下，通入氢气和氮气进行离子氮化。
在本公开的一个实施例中，所述离子渗氮处理过程中，真空压力为0.01～2Pa，渗氮温度为490～550℃，渗氮时间为4～8h。更为优选地，离子渗氮过程中，真空压力为0.05～1Pa，渗氮气体氛为N2+H2混合气体，N2和H2的用量比(v/v)为2～3：1，气体气压为1×102～1.5×102Pa，渗氮温度为490～520℃，渗氮时间为4～6h。
具体地，渗氮过程在离子氮化炉中进行，在离子氮化炉中通纯度为99.999％的高纯氮气和氢气的混合气体进行渗氮处理。在低真空炉体内，以待加工的产品为阴极，炉体为阳极，通电后介质中的氮氢原子在高压直流电场下被电离，在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向产品表面轰击，工件表面产生原子溅射，产品表面被净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入产品表面。离子渗氮处理的渗透速度快，能够有效缩短渗氮时间，能够获得单相的渗氮层，脆性小，硬化效果好，且不易产生变形。
进一步地，在本公开的一个实施例中，在进行离子渗氮处理后，还包括：对离子渗氮处理后的产物进行淬火处理。具体地，所述淬火处理包括：将离子渗氮处理后的产物在空气中冷却至室温。将渗氮处理后的高温产物直接置于空气中进行冷却，能够改善渗氮层的晶相结构，进一步提高产品表面的耐磨性能。
在本公开的一个实施例中，参见图3所示，加工后的所述铝合金轮毂的表面具有复合强化层，复合强化层从外到内依次包括渗氮层32和强化层31。进一步地，强化层的厚度为0.8～1.2mm；渗氮层的厚度为4～10微米。加工后的铝合金轮毂的硬度在400HV以上。更为优选地，铝合金轮毂的硬度为440HV～500HV。通过上述激光冲击强化处理和渗氮处理，得到加工后的铝合金轮毂，表面形成一定厚度的强化层和渗氮层，有效提升了产品的硬度和表面性能。
本公开的铝合金轮毂表层高能复合改性方法，先进行激光冲击强化处理，细化表层晶粒，有效改善了产品表面的微观组织性能，形成一定厚度的强化层，提高硬度和强度；再进行渗氮处理，在表面形成一层渗氮层，进一步提高硬度和耐磨性。
相比于单纯渗氮处理形成的渗氮层和单纯激光冲击强化处理形成的强化层，本公开在激光冲击后进行渗氮处理后形成具有一定阶梯结构的复合强化层，具有更为优良的硬度和耐磨性，可以提高铝合金轮毂的使用寿命，并通过激光冲击强化处理进一步降低了铝合金轮毂的重量。
本公开的实施例还提供一种铝合金轮毂，根据如上的表面处理方法获得。
以下结合实施例对本公开的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的一种铝合金轮毂，其根据以下步骤进行加工处理：
(1)对待加工的铝合金轮毂进行清洗和烘干，然后在表面添加吸收层(均匀贴附黑漆)；
(2)将步骤(1)处理后的铝合金轮毂固定在六轴机械臂上，在去离子水水层约束作用下，进行激光冲击处理，得到加工后的铝合金轮毂。其中，激光冲击的激光波长为1064nm，脉冲能量3J，脉冲宽度为20ns，光斑直径为3mm，光斑间搭接率为50％。
(3)对激光冲击后的产品进行抛光处理和超声清洗处理。
(4)将清洗后的激光冲击后产品在400℃条件下预加热处理10min。
(5)将预加热处理后的产品置于离子氮化炉中，通过混合气体进行离子渗氮。离子氮化炉的真空压力为1Pa，温度为520℃，渗氮时间为5h。混合气体为用量比为2：1的高纯氮气和氢气，氮气和氢气的纯度为99.999％。
(6)将渗氮处理后的产品从离子氮化炉中取出，在空气中冷却至室温。
实施例2
本实施例提供的一种铝合金轮毂，其根据以下步骤进行加工处理：
(1)对待加工的铝合金轮毂进行清洗和烘干，然后在表面添加吸收层(均匀贴附黑漆)；
(2)将步骤(1)处理后处理过的铝合金轮毂固定在六轴机械臂上，在去离子水水层约束作用下，进行激光冲击处理，得到加工后的铝合金轮毂。其中，激光冲击的激光波长为1064nm，脉冲能量4J，脉冲宽度为20ns，光斑直径为3mm，光斑间搭接率为50％。
(3)对激光冲击后的产品进行抛光处理和超声清洗处理。
(4)将清洗后的激光冲击后产品在400℃条件下预加热处理10min。
(5)将预加热处理后的产品置于离子氮化炉中，通过混合气体进行离子渗氮。离子氮化炉的真空压力为1Pa，温度为520℃，渗氮时间为5h。混合气体为用量比为2：1的高纯氮气和氢气，氮气和氢气的纯度为99.999％。
(6)将渗氮处理后的产品从离子氮化炉中取出，在空气中冷却至室温。
实施例3
本实施例提供的一种铝合金轮毂，其根据以下步骤进行加工处理：
(1)对待加工的铝合金轮毂进行清洗烘干，然后在表面和添加吸收层处理(均匀贴附黑漆)；
(2)将步骤(1)处理后处理过的铝合金轮毂固定在六轴机械臂上，在去离子水水层约束作用下，进行激光冲击处理，得到加工后的铝合金轮毂。其中，激光冲击的激光波长为1064nm，脉冲能量3J，脉冲宽度为20ns，光斑直径为3mm，光斑间搭接率为50％。
(3)对激光冲击后的产品进行抛光处理和超声清洗处理。
(4)将清洗后的激光冲击后产品在400℃条件下预加热处理时间10min。
(5)将预加热处理后的产品置于离子氮化炉中，通过混合气体进行离子渗氮。离子氮化炉的真空压力为1Pa，温度为490℃，渗氮时间为5h。混合气体为用量比为2：1的高纯氮气和氢气，氮气和氢气的纯度为99.999％。
(6)将渗氮处理后的产品从离子氮化炉中取出，在空气中冷却至室温。
对比例1
实施例1中待加工的铝合金轮毂。
对比例2
本对比例提供的一种铝合金轮毂，其根据以下步骤进行加工处理：
(1)对待加工的铝合金轮毂进行清洗；
(2)将清洗后的产品在520℃条件下预加热处理时间25min。
(3)将预加热处理后的产品置于离子氮化炉中，通过99.999％的高纯氮气和氢气(氮气和氢气用量比为2：1)进行离子渗氮。离子氮化炉的真空压力为1Pa，温度为520℃，渗氮时间为5h。
(4)将渗氮处理后的产品从离子氮化炉中取出，在空气中冷却至室温，得到加工后的铝合金轮毂。
对比例3
本对比例提供的一种铝合金轮毂，其根据以下步骤进行加工处理：
(1)对待加工的铝合金轮毂进行清洗；
(2)将清洗后的产品固定在工作台上，在产品表面施加黑漆和去离子水幕，进行激光冲击强化处理，得到加工后的铝合金轮毂。其中，激光冲击的激光波长为1064nm，脉冲能量3J，脉冲宽度为20nm，光斑直径为3mm，光斑间搭接率为50％。
对实施例1～实施例3以及对比例1～3中的产品进行硬度测试，测试方法为GBT7997-2014硬质合金维氏硬度测试方法，结果如表1所示。
表1
| 测试指标 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 |
| 表面硬度 | 465HV | 496HV | 443HV | 156HV | 338HV | 206HV |
以上所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本公开的范围，而是仅仅表示本公开的选定实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
Claims (9)
1.一种铝合金轮毂的表层高能复合改性方法，其特征在于，包括：
对待加工的铝合金轮毂实施预处理；
对预处理后的铝合金轮毂进行激光冲击强化处理，得到表面具有强化层的激光强化产物；
对所述激光强化产物进行预处理；
对预处理后的激光强化产物进行离子渗氮处理，得到表面具有复合强化层的铝合金轮毂，所述复合强化层从外到内依次包括渗氮层和强化层。
2.根据权利要求1所述的铝合金轮毂的表层高能复合改性方法，其特征在于，对待加工的铝合金轮毂实施预处理包括：对待加工的铝合金轮毂进行超声清洗处理和烘干处理。
3.根据权利要求1所述的铝合金轮毂的表层高能复合改性方法，其特征在于，在进行激光冲击强化处理过程前，依次在待加工的铝合金轮毂毂上施加吸收层和约束层，其中，以去离子水作为所述约束层，以铝膜或黑漆涂料作为所述吸收层。
4.根据权利要求1所述的铝合金轮毂的表层高能复合改性方法，其特征在于，所述激光冲击强化处理的参数为：激光波长1064nm，脉冲能量3～5J，脉冲宽度为15～22ns，光斑间搭接率为50％～65％。
5.根据权利要求1所述的铝合金轮毂的表层高能复合改性方法，其特征在于，对所述激光强化产物进行预处理，包括：对所述激光强化产物进行抛光处理、超声清洗处理和预加热处理。
6.根据权利要求5所述的铝合金轮毂的表层高能复合改性方法，其特征在于，所述预加热处理的温度为400～450℃，处理时间为10～30min。
7.根据权利要求1所述的铝合金轮毂的表层高能复合改性方法，其特征在于，所述离子渗氮处理过程中，采用等离子渗氮方式，渗氮气体氛为氮气和氢气的混合气体，其中，氮气和氢气的用量比为2～3：1，渗氮气压为1×102～1.5×102Pa，渗氮温度为450～550℃，渗氮时间为4～6h。
8.根据权利要求1所述的铝合金轮毂的表层高能复合改性方法，其特征在于，所述强化层的厚度为0.8～1.2mm，所述渗氮层的厚度为4～10微米，所述铝合金轮毂的表面硬度在400HV以上。
9.一种铝合金轮毂，其特征在于，根据权利要求1～8任意一项所述的表层高能复合改性方法获得。
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