CN1439539A - 一种镁合金轮毂的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镁合金轮毂的制造方法，包括合金准备、熔炼、模具改型、模具型腔喷涂、浇注方式、热处理、表面处理等步骤，其中所述的合金准备是在铸造镁合金材料的基础上添加0.5～2.0重量％的稀土元素。熔炼步骤包括在熔炼时加入以MgCl2、CaF2、KCl、BaCl2、MgO等为主要原料的镁合金覆盖剂和加入以NaCl、KCl为主要原料的镁合金精炼剂。用本发明的方法生产的轮毂具有强度高、精密度高、夹杂少、表面光洁、减振性能高、节油效果好等突出优点。
Description
一、技术领域
本发明是关于一种镁合金轮毂的制造方法，更特别的是关于一种用于摩托车的镁合金轮毂的制造方法。
二、技术背景
轮毂是摩托车、汽车等交通工具上质量最重的部件之一，同时也是最重要的部件之一。轮毂的重量是影响整车性能的重要因素。其重量稍微减轻一点，都将明显改善整车的启动性能、刹车性能、转弯性能以及减少油料的消耗。在所有的金属材料中，镁合金是最轻的，镁的密度只有1.74g/cm3，以镁为基的镁合金比铝合金约轻36％，比锌合金约轻73％，比钢约轻77％。并且镁合金还具有高的比强度、比弹性模量、良好的刚性、减振性等一系列优点。同时，镁的抗热疲劳性能明显优于铝，所以镁合金轮毂的使用期限要比铝合金长。
轮毂传统的铸造工艺有金属型铸造和砂型铸造。金属型铸造相比砂型铸造而言，具有如下优点：其机械性能比砂型铸件高；铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定；铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约15～30％；不用砂或者少用砂，一般可节约造型材料80～100％；此外，金属型铸造的生产效率高；使铸件产生缺陷的原因减少；工序简单，易实现机械化和自动化。但是如果用传统金属型铸造工艺生产镁合金轮毂将存在如下缺点：金属型不透气，而且无退让性，易造成铸件浇不足、开裂、缩孔、气孔等缺陷；金属型铸造时，铸模的工作温度、合金的浇注温度和浇注方式等对铸件的质量的影响甚为敏感。因此，采用传统金属型铸造的镁合金轮毂很难达到机械性能方面的使用要求。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种镁合金轮毂的制造方法，用这种方法生产的轮毂具有强度高、精密度高、夹杂少、表面光洁、减震性能高、节油效果好等突出优点。
本发明的这些以及其他目的将通过下列详细说明和描述来进一步阐述。
本发明的这些目的是通过如下步骤实现的：
步骤一、合金准备：
本工艺所采用的镁合金材料是铸造镁合金材料或者在铸造镁合金材料的基础上添加0.5～2.0％的稀土元素以提高其抗拉强度及抗蠕变强度，同时还能获得良好的铸造性能，镁合金成分表见表1。
步骤二、熔炼工艺：
由于镁合金的燃点很低，加热过程中易造成氧化，甚至燃烧，所以镁合金的熔炼都必须用覆盖剂进行保护。以前采用的覆盖剂与镁合金的比重相差不大，在处理过程中不易除渣。本工艺采用一种以MgCl2、CaF2、KCl、BaCl2、MgO为主要原料的镁合金覆盖剂，其特点是比重小，同时具有无毒、无烟、无味的特点。这种覆盖剂可与镁合金熔液作用形成浮渣而分离排除掉，这样可获得洁净的镁合金熔液，减少铸件夹渣等缺陷。这种镁合金覆盖剂较好的是(重量份)25～40％MgCl2，2～10％CaF2，30～50％KCl，5～15％BaCl2，1～5％MgO，加入量为镁合金熔炼量的2～4％。
镁与空气中的氧、氮、水汽等反应生成的非金属夹杂将破坏镁合金的力学性能，同时产生缩松、气孔等缺陷。本工艺采用一种以NaCl、KCl为主要原料的镁合金精炼剂，它能较好除去镁合金熔液中的非金属夹杂，使得铸件经热处理、机械加工后能达到针孔度要求。镁合金精炼剂加入量为镁合金熔炼量的0.5～0.8％，镁合金精炼剂较好的是由75重量份的NaCl和25重量份的KCl组成。
本工艺在熔炼时加入0.2～0.5重量份的氯化锆或氟化锆，或0.4～1.2重量份的氯化钙或氟化钙对镁合金熔液进行晶粒细化处理，以得到致密的铸件，同时能大大提高铸件的机械强度。
步骤三、模具改型
本工艺将对传统铝合金轮毂的金属型模具进行如下改动以适应镁合金轮毂的金属型浇注的需要：
增加壁厚：镁合金单位体积热容量较铝合金小，导热率低，冷却快，而轮毂产品镁合金液充型流程长，增加模具壁厚可增强模具在预热后的蓄热能力，提高镁合金液充型能力，防止产品出浇不足、冷隔类等缺陷。
增大铸造圆角：镁合金热裂倾向严重，增大铸件的铸造圆角，减少热节，可以降低铸件产生裂纹的可能性。
增大补缩冒口：镁合金单位体积的热容量较铝合金小，增大冒口体积并在冒口壁面喷涂保温材料，提高补缩效果，防止铸件产生缩孔缺陷。
内置电阻加热器：未预热的金属型不能进行浇注。这是因为金属型导热性好/液体金属冷却快，流动性剧烈降低，容易使铸件出现冷隔、浇不足、夹杂、气孔等缺陷。未预热的金属型在浇注时，铸型，将受到强烈的热击，应力倍增，使其极易破坏。因此，金属型在开始工作前，应该先预热。本工艺针对镁合金金属型模具的特点，在上模11或下模12内设有电加热孔22，采用电加热，使模具表面、内部升温均匀，以降低模具内部应力，减小模具变形，延长模具使用寿命。
内置水冷装置：本工艺在下模12内置循环水冷管23，同时通过调节循环水流速度来实现对冷却进度的控制，使得模具型腔对铸件的厚大部分实现激冷。
内置温度传感器：在下模板7、滑块9、上模板13上内置温度传感器24以实现对电加热装置和水冷装置的精确控制。I
真空抽气：在上模11下模12和滑块9之间设有抽气通道25，在浇注之前或浇注之后用真空泵抽气，使得合金液更好的充填铸件薄壁处。
步骤四、模具型腔喷涂
镁合金在凝固过程中由于凝固速度快，不能形成好的温度梯度，易出现浇不足、开裂等现象。本工艺采用保温涂料对全部型腔进行喷涂，以减缓镁合金的冷却速度。然后在需要快速冷却的部位喷涂急冷性涂料，以加快轮毂铸件厚大部分的冷却速度。这样的组合能满足模具型腔各部分不同的凝固要求。
步骤五、浇注方式
由于金属型的激冷和不透气，浇注速度应做到先慢，后快，再慢。在浇注过程中应尽量保证液流平稳。本工艺浇注方式采用手动浇注，以实现对浇注速度的平稳调节。同时浇包采用茶壶式浇包，镁液从中部流出，防止沉淀杂质及浮渣进入铸型。
步骤六、热处理
轮毂热处理可以分两种方式，第一种方式是固溶处理+不完全人工时效方式。是在410～420℃下固溶处理，加热保温过程中需要在淬火炉中通入CO2、SF6或SO2为主要成分的保护气体，使其在较高温度环境下不会加速氧化，然后在在150～200℃下进行时效处理。第二种方式是铸态淬火：在铸件冷却至400～500℃时即从铸型中取出直接浸入淬火水槽内，冷却至200℃以下时从水槽中取出，然后在150～200℃下时效处理。
步骤七、表面处理
镁合金摩托车轮毂表面防护方法是在镁合金基层表面上设置有保护层。由于镁合金主要是由镁金属构成，它是一活泼金属，容易腐蚀，因此，必须在其表面设置有保护层。该保护层可以是一种经过微弧氧化处理后的形成的陶瓷层，也可以是铬化处理后形成的钝化膜等，以实现对镁合金的有效防护。
其中微弧氧化的处理的工艺条件为：
A、生产设备：普通塑料电解槽；
B、工作电压：260V三相交流电；
C、电流输出波形：脉冲矩形波；
D、放置方式：镁合金轮毂作为阳极，电解槽中的不锈钢板作为阴极；
E、工作温度：25～35℃；
F、溶液配方：硅酸钠8～20克/升，氢氧化钾6～17克/升，氟化钾6～15克/升；
G、电流密度：2A/dm2；
H、处理时间：7～9分钟；
I、镁合金轮毂氧化层厚度约为5～10微米，硬度：HRC 70；
本发明提供的镁合金轮毂的制造方法是在传统铝合金轮毂的制造工艺和镁合金熔炼工艺的基础上经过技术创新而成的，相比传统工艺而言具有众多优点。首先，由于本工艺的熔炼方式对含有大量稀土元素的镁合金能起到保护作用，从而可以获得高洁净的镁合金溶液用于浇注。其次，本工艺的模具对于浇注轮毂这种充型流程较长，而强度要求较高的铸件而言能保证较高的成品率。再次，本工艺能用于各种镁合金轮毂的浇注，具有广泛的适用性。用本发明的方法生产的轮毂具有强度高、精密度高、夹杂少、表面光洁、减震性能高、节油效果好等突出优点。
以下通过附图及其说明来进一步说明本发明。
四、附图说明
图1为本发明的一种模具结构图。
在上模11或下模12内设有电加热孔22，在下模12内置循环水冷管23(在下模12内环绕一圈)，在下模板7、滑块9、上模板13上内置温度传感器24，在上模11、下模12和滑块9之间设有抽气通道25。
以下通过具体实施例进一步说明本发明，但实施例仅用于说明，并不能限制本发明的范围。
在本发明中，所有的原料及设备均可从市场购得，铬化处理的技术也是公知的。
在本发明中，如非特指，所有的量、份均为重量单位。
五、具体实施方式
实施例1
镁合金轮毂产品用在华鹰公司所产凌鹰摩托车上的MT2.5×10型前后轮毂。
A：在AZ81镁合金材料的基础上添加占总重量1.9％的含50％铈的稀土混合元素。
B：采用一种以38％重量的MgCl2、4％重量的CaF2、47％重量的KCl、8％重量的BaCl2、3％重量的MgO为原料的镁合金覆盖剂(加入量为镁合金材料熔炼量的2％)，采用一种以75％重量的NaCl、25％重量的KCl为原料的镁合金精炼剂(加入量为镁合金材料熔炼量的0.6％)，加入占总量0.4％的氯化锆对镁合金熔液进行晶粒细化处理。
C、采用如图1所示的轮毂模具，并对模具型腔喷涂，然后浇注。浇注速度应做到先慢，后快，再慢。在浇注过程中应尽量保证液流平稳。本工艺浇注方式采用手动浇注，同时浇包采用茶壶式浇包，镁液从中部流出，防止沉淀杂质及浮渣进入铸型。
D、轮毂热处理采用固溶处理+不完全人工时效方式：在450℃下固溶处理，加热保温过程中在淬火炉中通入0.6重量％SF6+99.4重量％CO2的混合保护气体，然后在152℃下进行时效处理。
E、表面处理方式采用微弧氧化处理，其工艺条件为：
1、生产设备：普通塑料电解槽；
2、工作电压：260V三相交流电；
3、电流输出波形：脉冲矩形波；
4、放置方式：镁合金轮毂作为阳极，电解槽中的不锈钢板作为阴极；
5、工作温度：25℃；
6、溶液配方：硅酸钠12克/升，氢氧化钾10克/升，氟化钾6～9克/升；
7、电流密度：2A/dm2；
8、处理时间：7分钟；
9、镁合金轮毂氧化层厚度约为8微米，硬度：HRC 70；
实施例2
镁合金轮毂产品用途为重庆隆鼎动力机械有限公司所产动力自行车上的18英寸前后轮毂。
A、在AM50A镁合金材料的基础上添加总重量1.2％的含85％钕的稀土混合元素。
B、采用一种37％重量的MgCl2、5％重量的CaF2、45％重量的KCl、9％重量的BaCl2、4％重量的MgO为原料的镁合金覆盖剂(加入量为镁合金材料熔炼量的4％)，一种以74重量％的NaCl、26重量％的KCl为原料的镁合金精炼剂(加入量为镁合金材料熔炼量的0.8％)，加入1.2％的氯化钙对镁合金熔液进行晶粒细化处理。
C、同例1的步骤C。
D、轮毂热处理采用铸态淬火方式：在铸件冷却至500℃时即从铸型中取出直接浸入淬火水槽内，冷却至410℃以下时从水槽中取出，然后在150℃下进行时效处理。
E、表面处理方式采用处理铬化处理。
铸造镁合金成分表
| 合金组别 | 牌号 | 化学成分.％(质量百分数) | Fe/Mnf | ||||||||||||||
| Mg | Al | Zn | Mn | RE | Zr | Ag | Y | Li | Si | Fe | Cu | Ni | 其他元素c | ||||
| 单个 | 总计 | ||||||||||||||||
| MgAlZn | AZ81A | 余量 | 7.0～8.1 | 0.40～1.0 | 0.13～0.35 | - | - | - | - | - | ≤0.30 | - | ≤0.10 | ≤0.01 | - | 0.30 | - |
| AZ81S | 余量 | 7.0～8.7 | 0.35～1.0 | 0.10～0.50 | - | - | - | - | - | ≤0.10 | ≤0.005 | ≤0.03 | ≤0.002 | ≤0.01 | - | - | |
| 余量 | 7.0～8.7 | 0.4～1.0 | 0.10～0.35 | - | - | - | - | - | ≤0.20 | ≤0.005 | ≤0.03 | ≤0.001 | ≤0.01 | - | - | ||
| AZ91D | 余量 | 8.3～9.7 | 0.35～1.00 | 0.15～0.50 | - | - | - | - | - | ≤0.10 | ≤0.005 | ≤0.03 | ≤0.002 | ≤0.01 | - | ≤0.032 | |
| 余量 | 8.3～9.7 | 0.4～1.0 | 0.17～0.35 | - | - | - | - | - | ≤0.20 | ≤0.005 | ≤0.03 | ≤0.001 | ≤0.01 | - | ≤0.032 | ||
| AZ91S | 余量 | 8～10 | 0.3～1.0 | 0.1～0.6 | - | - | - | - | - | ≤0.3 | ≤0.03 | ≤0.2 | ≤0.01 | ≤0.05 | - | - | |
| AZ63A | 余量 | 5.3～6.7 | 2.5～3.5 | 0.15～0.35 | - | - | - | - | - | ≤0.30 | ≤0.005 | ≤0.25 | ≤0.01 | - | 0.30 | - | |
| MgAlMn | AM20S | 余量 | 1.6～2.6 | ≤0.2 | 0.33～0.70 | - | - | - | - | - | ≤0.10 | ≤0.004 | ≤0.01 | ≤0.002 | ≤0.01 | - | ≤0.012 |
| AM50A | 余量 | 4.4～5.5 | ≤0.2 | 0.26～0.60 | - | - | - | - | - | ≤0.10 | ≤0.004 | ≤0.01 | ≤0.002 | ≤0.01 | - | ≤0.015 | |
| AM60B | 余量 | 5.5～6.5 | ≤0.2 | 0.24～0.60 | - | - | - | - | - | ≤0.10 | ≤0.005 | ≤0.01 | ≤0.002 | ≤0.01 | - | ≤0.021 | |
| AM100A | 余量 | 9.3～10.7 | ≤0.30 | 0.10～0.35 | - | - | - | - | - | ≤0.30 | - | ≤0.01 | ≤0.01 | - | 0.30 | - | |
| MgAlSi | AS21S | 余量 | 1.8～2.6 | ≤0.2 | 0.18～0.70 | - | - | - | - | - | 0.7～1.2 | ≤0.004 | ≤0.01 | ≤0.002 | ≤0.01 | - | ≤0.022 |
| AS41B | 余量 | 3.5～5.0 | ≤0.12 | 0.35～0.70 | - | - | - | - | - | 0.5～1.5 | ≤0.0035 | ≤0.02 | ≤0.002 | ≤0.02 | - | ≤0.010 | |
| AS41S | 余量 | 3.5～5.0 | ≤0.2 | 0.18～0.70 | - | - | - | - | - | 0.5～1.5 | ≤0.004 | ≤0.010 | ≤0.002 | ≤0.01 | - | ≤0.022 | |
| MgZnCu | ZC63A | 余量 | ≤0.2 | 5.5～6.5 | 0.25～0.75 | - | - | - | - | - | ≤0.20 | ≤0.05 | 2.4～3.0 | ≤0.01 | ≤0.01 | 0.30 | - |
| MgZnZr | ZK51A | 余量 | - | 3.6～5.5 | - | - | 0.50～1.0 | - | - | - | - | - | ≤0.10 | ≤0.01 | - | 0.30 | - |
| ZK61A | 余量 | - | 5.5～6.5 | - | - | 0.6～1.0 | - | - | - | - | - | ≤0.10 | ≤0.01 | - | 0.30 | - | |
| Mg | K1A | 余量 | - | - | - | - | 0.40～1.0 | - | - | - | - | - | - | - | - | 0.30 | - |
| MgZnREZra | ZE41A | 余量 | - | 3.5～5.0 | ≤0.15 | 0.75～1.75 | 0.40～1.0 | - | - | - | ≤0.01 | ≤0.01 | ≤0.03 | ≤0.005 | ≤0.01 | 0.30 | - |
| EZ33A | 余量 | - | 2.0～3.1 | ≤0.15 | 2.5～4.0 | 05.0～1.0 | - | - | - | ≤0.01 | ≤0.01 | ≤0.03 | ≤0.005 | ≤0.01 | 0.30 | - | |
| MgREAgZrb | QE22A | 余量 | - | - | - | 1.8～2.5 | 0.40～1.0 | 2.0～3.0 | - | - | - | - | ≤0.10 | ≤0.01 | - | 0.30 | - |
| QE22S | 余量 | - | ≤0.2 | ≤0.15 | 2～3 | 0.40～1.0 | 2.0～3.0 | - | - | ≤0.01 | ≤0.01 | ≤0.03 | ≤0.005 | ≤0.01 | - | - | |
| EQ21A | 余量 | - | - | - | 1.5～3.0 | 0.40～1.0 | 1.3～1.7 | - | - | - | - | 0.05～0.10 | ≤0.01 | - | 0.30 | - | |
| EQ21S | 余量 | - | ≤0.2 | ≤0.15 | 1.5～3.0 | 0.40～1.0 | 1.3～1.7 | - | - | ≤0.01 | ≤0.01 | 0.05～0.10 | ≤0.005 | ≤0.01 | - | - | |
| MgYEZrcd | WE54A | - | ≤0.20 | ≤0.15 | 1.5～4.0 | 0.40～1.0 | - | 4.75～5.50 | ≤0.2 | ≤0.01 | ≤0.01 | ≤0.03 | ≤0.005 | ≤0.01 | 0.30 | - | |
| WE43A | - | ≤0.20 | ≤0.15 | 2.4～4.4 | 0.40～1.0 | - | 3.7～4.3 | ≤0.2 | ≤0.01 | ≤0.01 | ≤0.03 | ≤0.005 | ≤0.01 | 0.30 | - | ||
| A.富铈B.富钕C.富钕和重稀土。D.如下调整成分可改善合金抗蚀能力：Mn≤0.03％，Fe≤0.01％，Cu≤0.02％，Zn+Si≤0.2％。E.其他元素指在本表表头中列出了元素符号，但在本表中却未规定极限数值含量的元素。F.如果Mn含量达不到表中最小极限，或Fe含量超出表中规定的最大的极限，则Fe/Mn值应符合表中规定。 | |||||||||||||||||
Claims (9)
1、一种镁合金轮毂的制造方法，其特征包括合金准备、熔炼、模具改型、模具型腔喷涂、浇注方式、热处理、表面处理等步骤，其中所述的合金准备是在铸造镁合金材料的基础上添加0.5～2.0重量％的稀土元素。
2、如权利要求1所述的镁合金轮毂的制造方法，其特征在于所述的熔炼步骤包括在熔炼时加入以MgCl2、CaF2、KCl、BaCl2、MgO为主要原料的镁合金覆盖剂，加入量为镁合金熔炼量的2～4％，这种镁合金覆盖剂较好的是(重量份)25～40％MgCl2，2～10％CaF2，30～50％KCl，5～15％BaCl2，1～5％MgO。
3、如权利要求1所述的镁合金轮毂的制造方法，其特征在于所述的熔炼步骤包括在熔炼时加入以NaCl、KCl为主要原料的镁合金精炼剂，加入量为镁合金熔炼量的0.5～0.8％，较好的是75重量份的NaCl和25重量份的KCl。
4、如权利要求1所述的镁合金轮毂的制造方法，其特征在于所述的熔炼步骤包括在熔炼时加入0.2～0.5重量份的氯化锆或氟化锆，或0.4～1.2重量份的氯化钙或氟化钙。
5、如权利要求1所述的镁合金轮毂的制造方法，其特征在于所述的模具改型步骤包括增加模具壁厚、增大模具铸造圆角、增大补缩冒口，在模具内内置电阻加热器、水冷装置、温度传感器，并且真空抽气。
6、如权利要求5所述的镁合金轮毂的制造方法，其特征在于在上模或下模内设有电加热孔，采用电加热，在下模内置循环水冷管，在下模板、滑块、上模板上内置温度传感器，所述的真空抽气是在上模、下模和滑块之间设有抽气通道，在浇注之前或浇注之后用真空泵抽气。
7、如权利要求1所述的镁合金轮毂的制造方法，其特征在于所述的热处理步骤是在400～500℃下固溶处理，加热保温过程中需要在淬火炉中通入CO2、SF6或SO2为主要成分的保护气体，然后在在150～200℃下进行时效处理。
8、如权利要求1所述的镁合金轮毂的制造方法，其特征在于所述的热处理步骤是在铸件冷却至400～500℃时即从铸型中取出直接浸入淬火水槽内，冷却至200℃以下时从水槽中取出，然后在150～200℃下时效处理。
9、如权利要求1所述的镁合金轮毂的制造方法，其特征在于所述的表面处理为微弧氧化处理，工艺条件为：
A、生产设备：普通塑料电解槽；
B、工作电压：260V三相交流电；
C、电流输出波形：脉冲矩形波；
D、放置方式：镁合金轮毂作为阳极，电解槽中的不锈钢板作为阴极；
E、工作温度：25～35℃；
F、溶液配方：硅酸钠8～20克/升，氢氧化钾6～17克/升，氟化钾6～15克/升；
G、电流密度：2A/dm2；
H、处理时间：7～9分钟；
I、镁合金轮毂氧化层厚度约为5～10微米，硬度：HRC 70。
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| CNB031090346A CN100515804C (zh) | 2003-04-03 | 2003-04-03 | 一种镁合金轮毂的制造方法 |
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