CN117821815A - 一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩托车轮用高强无粗晶Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金，包含下列组分：Zn 5.9~6.3%，Mg 1.9~2.2%，Cu 1.8~2.5%，Zr 0.12~0.17%，Cr 0.05~0.15%，V 0.03~0.12%，Ti0.02~0.04%，Si 0.05‑0.10%，Fe 0.08‑0.16%，并且Fe/Si比、Zn/Mg比、Zr/Cr比、Cr/V比和Zr+Cr+V的元素总含量在一定范围内，余量为Al。本发明同时公开了其制备方法，使材料具有高强度特性的同时，内部和表面不发生粗大再结晶现象，适用于制备高端摩托车轮毂，尤其是对强度、晶体结构和产品外观均有特殊较高要求的结构件。

Description

一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其制备 方法

技术领域

本发明涉及金属冶金和加工技术领域，具体涉及一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其制备方法。

背景技术

摩托车轮属于整车安全件，对产品的强度、机械性能都有着很高的要求，尤其是越野摩托车，对车轮要求高强度的外观也要求美观靓丽。因此越野摩托车轮对材料和制备工艺的要求及其苛刻。Al-Zn-Mg-Cu系铝合金属于高强度可时效强化铝合金系列，可加工性和韧性较好，在航空航天领域获得了广泛的应用。近年来，随着摩托车结构件对轻量化要求的不断提高，Al-Zn-Mg-Cu系铝合金也逐步应用于制备车轮产品，以达到轻质、高强、美观和靓丽的综合效果。然而，高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金材料在热加工变形过程中由于内部变形储能高，在后续热处理阶段随着高温储能的释放很容易促使合金发生粗大再结晶现象。这种粗晶缺陷不但会严重降低产品的力学性能和耐疲劳性能，影响车轮寿命，而且如果这类缺陷出现在产品的外表面，还会导致车轮在阳极氧化着色过程中出现色差以及花斑状颜色不良，无法满足使用要求。

专利CN 108866391 A公布了一种摩托车轮毂用铝合金材料，采用含量高达12.0-12.6%的铬和稀土元素作为合金化元素来提高铝合金轮毂的性能和疲劳强度，但是铬元素含量过高会影响轮毂的阳极氧化颜色以及光亮度。专利CN 106222498A公布了一种摩托车轮毂用铝合金板及其制备方法，该合金板中含有Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr等元素，但其强度只有350MPa左右，属于中等强度的6系铝合金，无法制备超轻超薄越野摩托车产品。专利CN110184513 A公开一种高抗应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu铝合金型材及其制备方法，通过设计合金中Zn、Mg、Cu、Mn、Cr、Zr元素含量，提高Zn/Mg比至7.1-7.7来提高型材的抗应力腐蚀性能。但由于该合金中添加的Mg、Cu元素含量较低，尽管热变形中再结晶倾向小，但由于强化元素含量低导致最终型材的抗拉强度只达到300Mpa左右，远不能满足高端摩托车轮对高性能铝合金材料的要求。专利CN 113737069 A公布了一种紧固件用7xxx系铝合金及其棒线材的加工方法，通过控制Zn，Mg，Cu，Cr，Ti，Fe，Si，Mn，元素含量以及Zn+Mg+Cu元素总含量和Zn/Mg比值，Cu/Mg比值来提高线材强度，并控制线材的应力腐蚀和晶间腐蚀问题。采用该设计合金制备的线材抗拉强度虽然在490-510MPa范围内，但制备型材后容易在其表面高变形储能区域发生再结晶和粗晶长大现象，无法满足车轮对表面晶粒形态一致性的要求。专利CN114941094 B公开一种通过控制Zn、Mg、Cu和Si的含量来提升合金材料的力学性能，同时严格控制锰和铬的含量得到粗晶层厚度200μm以下的铝合金型材的合金及其应用。该合金型材虽然控制了粗晶层厚度，但抗拉强度仅为410-430MPa，采用该型材制备成车轮后，强度会再损失10%-15%，无法满足车轮轻质化的要求。综合分析已经公布的专利和车轮制备方法，均不能满足车轮产品对材料强度、表层晶粒状态以及阳极后无色差、花斑缺陷的表面和内部性能兼顾的要求。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的发明目的是提供一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其制备方法，采用该合金及其制备方法确保车轮内部为沿挤压方向的纤维状组织，表层不发生粗大再结晶，阳极处理后车轮本体强度高，表面光鲜靓丽。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，按照质量分数计，所述铝合金材料包含下列元素组分：Zn 5.9~6.3%，Mg 1.9~2.2%，Cu 1.8~2.5%，Zr 0.12~0 .17%，Cr0.05~0.15%，V 0.03~0.12%，Ti 0.02~0.04%，Si 0.05-0 .10%， Fe 0.08-0.16%，并且Fe/Si比范围为1.8~2.5，Zn/Mg比范围为2.6-3.4；Zr/Cr比范围为0.8~3.4；Cr/V比范围为1.0~5.0；合金中Zr+Cr+V的总含量范围为：0.16%-0.37%。其余未规定元素均视为不可避免的杂质元素并且含量低于0.08%，余量为Al。

本发明还提供了一种高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金车轮的制备方法，所述的制备方法包括熔炼和熔体处理、梯度均匀化处理、反向挤压、应力释放、圈圆、焊接、多级热处理和表面处理。采用本发明合金和制备方法的车轮产品抗拉强度大于550MPa、屈服强度大于500MPa，延伸率大于10%，并且表层无粗晶，外观靓丽。

优选地，所述的熔炼和熔体过程具体采用以下方法：熔炼：将按照铝合金成分要求称取原铝锭、纯金属锭和中间合金锭，投入熔炼炉内进行熔炼；熔体处理：铝液熔体温度在730℃~ 760℃范围内，对熔体进行精炼处理，并去除熔体夹渣。采用转子在线除气和板式过滤设备对熔体进行连续除气和过滤处理，并且使熔体氢含量小于0.15ml/100gAl，处理后熔体凝固试样V型断口内无尺寸大于0.2mm的夹杂物和氧化物；采用直接水冷半连续铸造方式制备挤压用铝合金铸锭，铸锭晶粒度小于1级。

优选地，所述的均匀化处理过程具体采用以下方法：采用梯度分级均匀化处理方式，第一阶段为低温析出段，将铸锭从室温加热至300-430℃，并保温为4-12h，促进含Zr相及其他微量元素的析出，抑制粗晶，第二阶段为高温保温段，继续升温至450-480℃，并保温为10-30h，促进含Zn、Mg、Cu强化相粒子的溶解以提高强度，促进含Cr和V相粒子析出，抑制粗晶；第三阶段为控温冷却保温处理段，高温保温完成后，以100-200℃/h的冷却速度快速冷却至250-400℃，并保温为0.5-5h，固溶合金化元素于晶粒内，且防止均质处理相颗粒粗化，然后冷却至室温进行下一道热变形工序。

优选地，所述的挤压过程具体采用以下方法：采用反向挤压方式，即挤压筒与挤压锭运动方向相反的方式制备车轮截面型材，将均匀化处理得到的铝合金锭在280℃～400℃温度范围内进行反向挤压，挤压比30-40,挤压材从头端至尾端出口温度波动≤±5℃，确保整根型材微观组织和力学性能一致。

优选地，所述的应力释放具体采用以下方法：采用近固溶温度保温处理并快速冷却方式调控型条应力，将挤压制备的车轮截面型条加热至450℃～480℃范围内并且该温度与固溶温度的差值≤±5℃，保温0.5～2h后，以大于100℃/h的速度快速冷却至室温，在型材表面形成压应力状态。

优选地，所述的圈圆过程具体采用以下方法：采用圈圆机在25℃～55℃范围内对型条进行圈圆加工，使直线形型条圈圆后呈车轮所需形状和直径。

优选地，所述的焊接过程具体采用以下方法：采用不需要焊丝的电阻焊接方式对圈圆后型条进行焊接，使其连接成车轮整体。焊接完成后，焊缝处抗拉强度值为基材本体强度值的90%-100%，车轮经抗压测试断裂后，在基材本体发生断裂，且断裂位置相距焊缝大于10cm以上。

优选地，所述的多级热处理过程具体采用以下方法：焊后车轮进行固溶和时效热处理强化，固溶处理温度为450℃～470℃，保温0.5-2h后淬火冷却至室温、然后立即进行时效热处理强化。采用三级时效处理：第一级，时效温度为25±10℃，保温48 ~ 96小时；第二级，时效温度为100 ~ 130℃，保温6 ~ 10小时；第三级，时效温度为165 ~ 185 ℃，保温4 ~10h。

优选地，所述的表面处理具体采用以下方法：将时效处理后的车轮表面进行抛光和阳极氧化处理。采用机械研磨方式将车轮表面抛光，去除挤压材表面纹理，采用阳极氧化工艺使车轮表面呈现均匀光亮的阳极氧化层，膜层厚度为10-50μm，车轮外观呈现均匀光亮色泽，无橘皮或花斑等缺陷。

本发明中的一种高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，通过控制Zn、Mg、Cu的含量和Zn/Mg比获得抗拉强度550MPa以上、屈服强度500MPa以上，延伸率10%以上的铝合金型材。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明调整Zn、Mg、Cu元素的加入量和Zn/Mg元素比值，有效提高了Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的强度值，实现了高端摩托车轮对铝合金材质的兼具高强度和高塑性的要求。

2)本发明控制了Zr，Cr，V，Ti，Si， Fe微量元素的加入量以及Fe/Si比值，Zn/Mg比值，Zr/Cr比值、Cr/V比值以及Zr+Cr+V的元素总含量，通过这些微量元素种类的选择、含量范围以及比例的控制，使这些微量元素析出抑制再结晶的析出相颗粒，提高再结晶温度，使材料在热加工变形以及热处理强化过程中，在高储能的产品表面依然不发生粗大再结晶，阳极后表面色泽均匀一致。

3)本发明对铸锭采用梯度均匀化处理，通过低温析出段，高温保温段和控温冷却段三个温度阶段，一方面使Zn、Mg、Cu元素充分固溶于晶粒内，另一方面使Zr，Cr，V，Ti粒子在不同温度阶段充分析出抑制再结晶的粒子，使最终产品保持完全热加工变形的纤维状组织，并且表面依靠析出粒子的抑制作用发生再结晶粗化现象，保证产品的靓丽外观性能。

4)本发明在车轮制备方式中采用应力释放措施，应用近固溶温度保温和快速冷却方式调控型条应力状态，释放内应力，减小再结晶驱动力。

附图说明

图1为车轮挤压型材截面图;

图2为实施例1制备的车轮碱腐蚀后表面图;

图3为实施例1的金色阳极车轮图;

图4为对比例1制备的车轮碱腐蚀后表面图;

图5为对比例1的金色阳极车轮图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种摩托车轮用高强度表层无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，所述铝合金材料包含下列元素成分及质量百分比为：Zn 6.1%，Mg 2.1%，Cu 2.0%，Zr 0.15%，Cr 0.10%，V 0.05%，Ti 0.04%，Si 0.07%，Fe 0.13%，并且Fe/Si比值为1.85，Zn/Mg比值为2.9；Zr/Cr比值为1.5；Cr/V比值为2.0；合金中Zr+Cr+V的总含量为：0.30%。其余未规定元素均视为不可避免的杂质元素并且含量低于0.08%，余量为Al。

按照合金成分设计要求称取所需的原材料，包括纯铝锭，纯锌锭，纯镁锭、铝铜中间合金锭和各种铝锆、铝钒，铝铬中间合金锭等，放入炉内熔化，待原材料全部熔化并且熔体温度到达730℃时进行精炼处理，拔除表面浮渣后进行沉降静置处理，进一步纯净化熔体。当熔体温度达到铸造温度范围后，打开炉口，合金熔体经过在线双转子除气处理和双级板式过滤去除熔体氢含量和夹杂物，完成后检测熔体氢含量为0.13ml/100gAl，采用空气中金属模凝固方式检测熔体夹杂物，V型断口内未发现夹杂物和氧化物颗粒。采用直接水冷半连续铸造方式对熔炼和处理后的熔体制备铸锭，铸锭平均晶粒尺寸为150-200μm，等级为一级。

为了促进含Cr和V相抑制再结晶粒子的析出，采用梯度均匀化方式对铸锭进行均质处理，第一阶段将铸锭从室温加热至350℃，并保温为6h，第二阶段继续升温至470℃，保温20h；第三阶段以180℃/h的冷却速度快速冷却至350℃，并保温1h，然后空气冷却至室温。

采用反向挤压方式制备车轮所需的截面型材，将均匀化处理得到的铝合金铸锭在380℃温度范围内进行反向挤压成型，挤压比为35，挤压材从头端至尾端出口温度波动为±4℃，将挤压制备的车轮截面型条加热至450℃～480℃范围内并且使该温度与固溶温度的差值为5℃，保温1h后，以150℃/h的速度快速冷却至室温，在型材表面形成压应力状态。

采用圈圆机在30℃条件下对型条进行圈圆，使其具有车轮所需形状和直径。采用电阻焊接方式对圈圆后型条进行焊接，使其连接成车轮整体。检测焊缝处抗拉强度值为被焊基材本体强度值的95%，车轮抗压断裂后，断裂位置为基材本体，且距焊缝35cm。

将焊接后的车轮进行固溶和时效热处理强化，固溶处理温度为450℃，保温1h后淬火冷却至室温、然后立即进行三级时效热处理强化，第一级，时效温度为25℃，保温72小时；第二级，时效温度为120℃，保温10小时；第三级，时效温度为170℃，保温5h。

车轮内部为沿挤压方向的纤维状变形晶粒，最外表层为变形亚晶结构，无粗大再结晶，测试车轮产品的机械性能如表3所示。

实施例2

采用工业纯铝锭，纯锌锭，纯镁锭和铝铜、铝锆、铝钒，铝铬等中间合金锭放入熔炼炉内熔化，并调配金属熔体各合金化元素比例，使其各个元素成分及质量百分比为：Zn6.2%，Mg 2.1%，Cu 2.1%，Zr 0.14%，Cr 0.15%，V 0.06%，Ti 0.04%，Si 0.08%，Fe 0.15%，并且Fe/Si比值为1.87，Zn/Mg比范围为2.95；Zr/Cr比范围为0.93；Cr/V比范围为2.50；合金中Zr+Cr+V的总含量为0.35%。其余未规定元素均视为不可避免的杂质元素并且含量低于0.08%，余量为Al。

按照合金成分设计要求称取所需的原材料放入炉内熔化，待原材料全部熔化并且熔体温度到达725℃时进行精炼处理，拔除表面浮渣后熔体分别经过沉降和静置处理，以进一步纯净化，去除悬浮杂质。采用双转子式除气设备通入高纯氩气对熔体进行除气处理，采用双级板式过滤设备对熔体进行过滤处理，处理完成后熔体氢含量为0.14ml/100gAl，采用带V型缺口的金属模凝固熔体，通过检测断口内金属纯度的方式来检测凝固熔体内夹杂物尺寸和数量，经处理后凝固熔体的V型断口内未发现肉眼可见夹杂物和氧化物颗粒。采用直接水冷半连续铸造方式对熔炼和处理后的熔体制备铸锭，铸锭平均晶粒尺寸为160μm，等级为1级。

为了促进抑制再结晶粒子均匀化阶段的充分析出，采用梯度加热和保温方式对铸锭进行均质处理，第一阶段将铸锭从室温加热至380℃，保温5h，第二阶段继续升温至460℃，保温15h；第三阶段以180℃/h的速率快速冷却至350℃，并保温1h，然后空气冷却至室温。

铸棒均质完成后，采用反向挤压方式，在350℃温度下，以反向挤压出车轮所需的截面型材，挤压比为35。在挤压开始至结束过程中，型材表面温度波动范围≤±4℃。

将挤压制备的车轮截面型条加热至455℃保温1h后，以150℃/h的速度快速冷却至室温，在型材表面形成压应力状态。

采用圈圆机在25℃条件下对型条进行圈圆，使其具有车轮所需的形状和直径。采用电阻焊接方式对圈圆后型条进行焊接，使其连接成车轮整体。检测焊缝处抗拉强度值为基材本体强度值的98%。采用车轮整体抗压断裂方式测试车轮刚性和焊缝强度，车轮被压断后，断裂位置为基材本体，非焊接区域及热影响区，断裂位置距焊缝55cm。

将焊接后的车轮进行固溶和时效热处理强化，固溶处理温度为460℃，保温1h后淬火冷却至室温、然后立即进行三级时效热处理强化，第一级，时效温度为25℃，保温72小时；第二级，时效温度为125℃，保温8小时；第三级，时效温度为180℃，保温4h。

将时效处理后的车轮表面进行抛光和阳极氧化处理。采用机械研磨方式将车轮表面抛光，去除挤压材表面纹理，采用阳极氧化工艺使车轮表面生长出成鲜艳色彩的均匀光亮膜层，阳极氧化膜层厚度为18μm，外观呈现亮银色。

本实施例中，车轮产品的抗拉强度为608MPa、屈服强度550MPa，延伸率14%。型材内部则完全为沿挤压方向的纤维状组织，表层无粗大再结晶组织，这种组织状态使车轮经过抛光和阳极处理后，呈现高强度、耐疲劳、抗腐蚀以及表面靓丽的优异综合性能。

实施例3

采用工业纯铝锭，纯锌锭，纯镁锭和铝铜、铝锆、铝钒，铝铬等中间合金锭放入熔炼炉内熔化，并调配金属熔体各合金化元素比例，使其各个元素成分及质量百分比为：Zn6.1%，Mg 1.9%，Cu 2.0%，Zr 0.17%，Cr 0.05%，V 0.09%，Ti 0.04%，Si 0.07%，Fe 0.15%，并且Fe/Si比值为2.14，Zn/Mg比值为3.21；Zr/Cr比值为3.40；Cr/V比值为0.55；合金中Zr+Cr+V元素总含量为：0.31%。其余未规定元素均视为不可避免的杂质元素并且含量低于0.08%，余量为Al。

待原材料全部熔化并且熔体温度到达730℃时进行精炼处理，拔除表面浮渣后熔体在740℃静置处理40min，以进一步去除合金熔体内的悬浮杂质，提高其纯净度。静置完成后，采用双转子式除气设备通入高纯氩气对熔体进行除气处理，采用双级板式过滤设备对熔体进行过滤处理，处理完成后熔体氢含量为0.14ml/100gAl，采用带V型缺口的金属模凝固熔体，通过检测断口内金属纯度的方式来检测凝固熔体内夹杂物尺寸和数量，经处理后凝固熔体的V型断口内未发现肉眼可见夹杂物和氧化物颗粒。采用直接水冷半连续铸造方式对熔炼和处理后的熔体制备铸锭，铸锭平均晶粒尺寸为160μm，等级为1级。

采用梯度方式对铸锭进行均质处理，第一阶段将铸锭从室温加热至410℃，保温4h，保温结束后继续升温至460℃并保温15h；保温结束后以180℃/h的冷却速度快速冷却至300℃并保温0.5h后，再放入空气中冷却至室温。均质完成后，采用反向挤压方式，将均质铸棒加热至380℃，以挤压比为39的反向挤压方式挤压车轮铝合金型材，在挤压开始至结束过程中，型材表面温度波动范围≤±5℃。

将挤压后型条加热至460℃保温1h，以200℃/h的速度快速冷却至室温，在型材表面形成压应力。采用圈圆机在25℃条件下对处理后的型条进行圈圆，使其形成车轮所需形状。采用电阻焊对圈圆后型条进行焊接呈车轮整体。检测焊缝处抗拉强度为基材本体强度的98%。采用抗压断裂方式测试焊缝结合强度，车轮被压断后，断裂位置为基材本体，非焊接区及热影响区，断裂位置距焊缝55cm。

将焊接后的车轮进行固溶和时效热处理强化，固溶处理温度为460℃，保温1h后淬火冷却至室温、然后立即进行三级时效热处理强化，第一级，时效温度为25℃，保温72小时；第二级，时效温度为125℃，保温8小时；第三级，时效温度为175℃，保温4h。将时效处理后的车轮表面进行抛光和阳极氧化处理。采用机械研磨方式将车轮表面抛光，去除挤压材表面纹理，采用阳极氧化工艺使车轮表面生长出成颜色鲜艳的均匀光亮膜层，阳极氧化膜层厚度为20μm，成亮银色。

本实施例中，车轮产品的抗拉强度为603MPa、屈服强度570MPa，延伸率11%。型材内部完全为沿挤压方向的纤维状组织，表层各个位置均不发生再结晶长大。这种组织状态使车轮经过抛光和阳极处理后，保持了高强度、耐疲劳、抗腐蚀以及表面靓丽的优异综合性能。

对比例1

一种摩托车轮用高强度表层无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，所述铝合金材料包含下列元素成分及质量百分比为：Zn 6.0%，Mg 2.0%，Cu 1.9%，Zr 0.10%，Cr 0.03%，V 0.01%，Ti 0.04%，Si 0.07%，Fe 0.18%，并且Fe/Si比值为2.57，Zn/Mg比值为3.0；Zr/Cr比值为3.3；Cr/V比值为3.0；合金中Zr+Cr+V元素的总含量为0.14%。其余未规定元素均视为不可避免的杂质元素并且含量低于0.08%，余量为Al。

按照合金成分设计要求称取所需原材料，包括纯铝锭，纯锌锭，纯镁锭、铝铜中间合金锭和各种铝锆、铝钒，铝铬中间合金锭等放入炉内熔化，待原材料全部熔化并且熔体温度到达735℃时进行精炼处理，去除表面浮渣后熔体进行沉降和静置处理，使铝熔体进一步纯净化。当熔体温度达到铸造温度范围后，打开炉口，合金熔体经过在线双转子除气和双级板式过滤处理后降低熔体中氢含量和夹杂物，处理后检测熔体氢含量为0.15ml/100gAl，采用金属模凝固方式检测熔体夹杂物，断口处未发现夹杂物和氧化物颗粒。采用直接水冷半连续铸造方式制备铸锭，检测铸锭平均晶粒尺寸为130-170μm。

采用如下工艺对铸锭进行均质处理，第一阶段将铸锭从室温加热至460℃，保温20h后，以100℃/h～180℃/h的冷却速度快速冷却至室温。将均匀化处理得到的铝合金铸锭采用反向挤压方式在380℃温度范围内进行挤压成型，挤压比为35，挤压材从头端至尾端出口温度波动为±5℃。挤压完成后将型条在26℃温度下进行圈圆成圈，使其具有车轮所需形状和直径。采用电阻焊接方式对圈圆后型条焊接，使其连接成车轮整体。检测焊缝处抗拉强度值为基材本体强度值的92%，车轮抗压断裂后，断裂位置为基材本体，焊缝处和热影响区均不发生断裂。将焊接后的车轮进行固溶和时效热处理，固溶处理温度为450℃，保温1h后水淬快速冷却至室温、然后立即进行三级时效热处理强化，第一级，时效温度为25℃，保温72小时；第二级，时效温度为120℃，保温10小时；第三级，时效温度为170℃，保温5h。

本对比例中，车轮产品的抗拉强度为580MPa、屈服强度520MPa，延伸率10%。型材内部微观组织为沿挤压方向的纤维状组织，表层位置尤其在高储能表面发生了粗大再结晶长大现象，阳极氧化处理后该位置呈与其他位置呈现颜色差异，外观质量不满足色泽一致要求。

对比例2

一种摩托车轮用高强度表层无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，所述铝合金材料包含下列元素成分及质量百分比为：Zn 6.7%，Mg 1.3%，Cu 2.3%，Zr 0.11%，Cr 0.03%，V 0.01%，Ti 0.04%，Si 0.07%，Fe 0.18%，并且Fe/Si比值为2.57，Zn/Mg比值为3.0；Zr/Cr比值为3.3；Cr/V比值为3.0；合金中Zr+Cr+V的总含量为： 0.15%。其余未规定元素均视为不可避免的杂质元素并且含量低于0.08%，余量为Al。

按照合金成分设计要求称取所需原材料，包括纯铝锭，纯锌锭，纯镁锭、铝铜中间合金锭和各种铝锆、铝钒，铝铬中间合金锭等，放入炉内熔化，待原材料全部熔化并且熔体温度到达745℃时进行精炼处理，扒除表面浮渣后进行沉降静置处理，进一步纯净化熔体。当熔体温度达到铸造温度范围后，打开炉口，合金熔体经过在线双转子除气和双级板式过滤处理以去除熔体夹杂物并降低氢含量，完成后检测熔体氢含量为0.15ml/100gAl，采用金属模凝固方式检测熔体夹杂物，V型断口内未发现夹杂物和氧化物颗粒。采用直接水冷半连续铸造方式制备铸锭，铸锭平均晶粒尺寸为150-170μm，等级为一级。

采用如下工艺对铸锭进行均质处理，第一阶段从室温加热至460℃，保温20h；然后以100℃/h～180℃/h的冷却速度快速冷却至室温。将均匀化处理得到的铝合金铸锭在380℃温度范围内进行反向挤压成型，挤压比为35，挤压材出口温度波动范围为±4℃。将挤压制备的车轮截面型条在常温26℃下进行圈圆，使其具有车轮所需形状和直径。采用电阻焊接方式对圈圆后型条进行焊接，使其连接成车轮整体。检测焊缝处抗拉强度值为被焊基材本体强度值的96%，车轮抗压断裂后，断裂位置为基材本体，焊缝处无断裂。将焊接后的车轮进行固溶和时效热处理，固溶处理温度为460℃，保温1.5h后水淬冷却至室温、然后立即进行三级时效热处理强化，第一级时效温度为室温25℃，保温72小时；第二级时效温度为120℃，保温10小时；第三级时效温度为170℃，保温5h。表1为本对比例截面各位置的粗晶层厚度值。

本实施例中，车轮产品的抗拉强度为570MPa、屈服强度503MPa，延伸率13%。型材内部微观组织为沿挤压方向的纤维状组织，但是在表层发生了粗大再结晶现象，粗晶层厚度较大，产品经过抛光和阳极处理后表面呈现色泽缺陷。

对比例3

一种摩托车轮用高强度表层无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，所述铝合金材料包含下列元素成分及质量百分比为：Zn 6.2%，Mg 1.5%，Cu 1.3%，Zr 0.15%，Cr 0.05%，V 0.02%，Ti 0.03%，Si 0.06%，Fe 0.17%，并且Fe/Si比值为2.83，Zn/Mg比值为4.43；Zr/Cr比值为3.0；Cr/V比值为2.5；合金中Zr+Cr+V的总含量为：0.22%。其余未规定元素均视为不可避免的杂质元素并且含量低于0.08%，余量为Al。

按照合金成分设计要求称取所需原材料，包括纯铝锭，纯锌锭，纯镁锭、铝铜中间合金锭和各种铝锆、铝钒，铝铬中间合金锭等，放入炉内熔化，待原材料全部熔化并且熔体温度到达740℃时进行精炼处理，扒除表面浮渣后进行沉降静置处理，进一步纯净化熔体。当熔体温度达到铸造温度范围后开始铸造，合金熔体经在线双转子除气处理和双级板式过滤处理后，检测熔体氢含量为0.14ml/100gAl，V型断口内未发现夹杂物颗粒。采用直接水冷半连续铸造方式制备铸锭，铸锭平均晶粒尺寸为140-170μm。

采用如下工艺对铸锭进行均质处理，第一阶段将铸锭从室温加热至410℃，保温5h，保温结束后继续升温至460℃，保温20h；然后以100℃/h～180℃/h的冷却速度快速冷却至室温。将均匀化处理得到的铝合金铸锭在370-380℃温度范围内进行反向挤压成型，挤压比为35，挤压材从头端至尾端出口温度波动为±5℃，将挤压制备的车轮截面型条在常温下进行圈圆，使其具有车轮所需形状和直径。采用电阻焊接方式对圈圆后型条进行焊接，使其连接成车轮整体。检测焊缝处抗拉强度值为被焊基材本体强度值的97%，车轮抗压断裂后，断裂位置为基材本体，焊缝处无断裂。将焊接后的车轮进行固溶和时效热处理，固溶处理温度为460℃，保温1h后水淬冷却至室温、然后立即进行三级时效热处理强化，第一级，时效温度为25℃，保温72小时；第二级，时效温度为120℃，保温10小时；第三级，时效温度为170℃，保温5h。

本实施例中，车轮产品的抗拉强度为515MPa、屈服强度430MPa，延伸率14%。型材内部微观组织为纤维状晶粒结构，表层为粗大再结晶组织，粗晶层厚度较大，产品经抛光和阳极后表面呈现色泽不一致缺陷。

表1和表2为实施例和对比例按照图1截面各个位置的粗晶层厚度值。表1为车轮时效后未经抛光和阳极处理前的表面各位置粗晶层厚度值；表2为车轮经过抛光和阳极处理成亮金色产品后，产品外观面各位置粗晶层厚度值。

表1 时效处理后未经抛光和阳极处理前的表面各位置粗晶层厚度(单位：μm)

表2 车轮经过抛光和阳极处理成亮金色产品后，产品外观面各位置粗晶层厚度(单位：μm)

测试各实施例和对比例的抗拉强度、屈服强度和延伸率，其中，抗拉强度的测试方法为GB/T228.1-2021；屈服强度的测试方法为GB/T228.1-2021；延伸率的测试方法为GB/T228.1-2021，具体数据见表3。

表3 车轮产品的力学测试表

Claims (9)

1.一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，其特征在于，按照质量分数计，铝合金材料包含下列元素组分：Zn 5.9~6.3%，Mg 1.9~2.2%，Cu 1.8~2.5%， Zr 0.12~0.17%，Cr 0.05~0.15%，V 0.03~0.12%，Ti0.02~0 .04%，Si 0.05-0.10%， Fe 0.08-0.16%，其余未规定元素均视为不可避免的杂质元素并且含量低于0.08%，余量为Al；采用合金制备的车轮产品抗拉强度大于550MPa、屈服强度大于500MPa，延伸率大于10%，并且车轮表层组织无粗晶。

2.根据权利要求1所述的一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，其特征在于，Fe/Si比范围为1.8~2.5，Zn/Mg比范围为2.6-3.4；Zr/Cr比范围为0.8~3.4；Cr/V比范围为1.0~5.0，合金中Zr+Cr+V的总含量范围为：0.16%-0.37%。

3.一种权利要求1或2所述的一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备方法，其特征在于，包括熔体处理、梯度均匀化处理、反向挤压、应力释放、圈圆、焊接、多级热处理和表面处理。

4.根据权利要求3所述的一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备方法，其特征在于，均匀化处理过程具体采用以下方法：采用梯度分级均匀化处理方式，第一阶段为低温析出段，将铸锭从室温加热至300-430℃，并保温为4-12h；第二阶段为高温保温段，继续升温至450-480℃，并保温为10-30h；第三阶段以100-200℃/h的冷却速度快速冷却至250-400℃，并保温为0.5-5h。

5.根据权利要求3所述的一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备方法，其特征在于，所述的挤压过程具体采用以下方法：采用反向挤压方式制备车轮所需的截面型材，将均匀化处理得到的铝合金在280℃～400℃温度范围内进行反向挤压成型，挤压比30-40，挤压材从头端至尾端出口温度波动≤±5℃。

6.根据权利要求3所述的一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备方法，其特征在于，所述的应力释放具体采用以下方法：采用近固溶温度退火和快速冷却方式调控车轮型材应力状态，将挤压完成的型条加热至450℃～480℃范围内并且温度与固溶温度的差值≤±5℃，保温0.5～2h后，以大于100℃/h的速度快速冷却至室温，在型材表面形成压应力状态，然后进行圈圆成型。

7.根据权利要求3所述的一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备方法，其特征在于，所述的焊接过程具体采用以下方法：采用不需要焊丝的电阻焊接方式对圈圆后型条进行焊接，使其连接成车轮整体；焊接完成后，焊缝处抗拉强度值为基材本体强度值的90%-100%。

8.根据权利要求3所述的一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备方法，其特征在于，所述的多级热处理过程具体采用以下方法：将焊接后的车轮进行固溶和时效热处理强化，固溶处理温度为450℃～470℃，保温0.5-2h后淬火冷却至室温、采用三级时效处理进行产品性能强化：第一级，时效温度为25±10℃，时间48~ 96小时；第二级，时效温度为100 ~ 130℃，时间6 ~ 10小时；第三级，时效温度为165 ~ 185 ℃，时间4 ~ 10h。

9.根据权利要求3所述的一种摩托车轮用高强无粗晶Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的制备方法，其特征在于，所述的表面处理具体采用以下方法：将时效处理后的车轮表面进行抛光和阳极氧化处理，阳极氧化膜层厚度为10-50μm。