一種泡沫鋁合金輪轂的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及冶金技術領域，具體涉及一種泡沫鋁合金輪轂的制備方法。
【背景技術】
[0002]在汽車制造業，改進結構和使用輕量化材料是提高車輛燃油效率的最佳方法，鋁合金車輪是汽車、摩托車“高速化”、“節能化”和“現代時裝化”的產物，泡沫鋁的密度僅為純鋁的1/5~1/10，使用泡沫鋁直接制造汽車零部件是十分有效的汽車減重手段。目前，僅能利用泡沫鋁板材制作車輛地板、車門、側部內襯、隔墻板、車頂板、空調風道內襯等。由于泡沫鋁基本都是由金屬基、陶瓷顆粒和氣孔組成的復合材料，陶瓷顆粒能夠增加氣泡的穩定性，同時也使泡沫體具有脆性。無法制備成分合格的純凈的泡沫鋁及鋁合金，產品機械性能、耐蝕性能不能滿足使用要求。發泡法和吹氣法只能鑄造大規格泡沫塊，通過切割加工方式將泡沫塊加工成泡沫板，由于泡沫金屬極難切割，生產加工困難、生產成本高、生產效率低。粉冶法制備泡沫鋁的生產成本極高，也無法制備規格尺寸較大的泡沫件。目前，國內外尚無法直接制備泡沫鋁車用輪轂，也無法對泡沫金屬鑄錠進行二次塑性加工，將泡沫鋁金屬坯料加工成泡沫鋁輪轂。
【發明內容】
[0003]本發明就是針對上述不足，提出一種高精度多孔泡沫鋁合金輪轂的制備方法。
[0004]上述目的是通過下述方案實現的:
一種泡沫鋁合金輪轂的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟:
(1)鑄造泡沫鋁合金鑄錠，在澆鑄前，向結晶器中鋁液的結晶前沿吹送高壓工業氮氣，利用高壓氮氣攪拌鋁液，形成固-液-氣三相區，固-液-氣三相區凝固得到泡沫鋁合金鑄錠;
(2)對泡沫鋁合金鑄錠進行透熱處理，透熱溫度為180°C—T1，升溫速率為I一80°C /min，其中T1為比所述泡沫鋁合金熔化溫度區間下限低5-200°C的溫度；
(3)通過熱剪切的方式將泡沫鋁錠分切成小段鑄錠；
(4)將小段鑄錠放于鑄模中進行鍛造，其中鍛造過程中，鑄模沿鑄模中軸轉動；
(5)對模鍛件進行初步的機加工，形成機加工輪轂；
(6)在機加工輪轂表面涂覆金屬層，金屬層厚度為0.15mm-0.8mm ；
(7)對機加工輪轂進行熱處理；
(8)對熱處理后的輪轂進行精密機加工，使輪轂表面的金屬層厚度為0.05mm-0.6mm。
[0005]根據上述的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，當固-液-氣三相區中固相的質量百分比為30% — 70%時，通過氮氣向固-液-氣三相區中輸送發泡劑，固-液-氣三相區凝固得到泡沫鋁合金錠。
[0006]根據上述的制備方法，其特征在于，步驟(4)中，在對小段鑄錠進行鍛造后，對模鍛件在鑄模中進行二次透熱處理；二次透熱處理在氮氣保護或者密閉的環境下進行，透熱溫度為T，升溫速率為5— 120°C /min，其中T=所述泡沫鋁合金熔化溫度區間下限+AX t，t為所述泡沫鋁合金的熔化溫度區間，A取0.1-0.95 ;二次透熱處理過程中，鑄模沿鑄模中軸轉動。
[0007]根據上述的制備方法，其特征在于，所述的發泡劑為鋁粉和鈦化氫粉，或鋯化氫粉。
[0008]根據上述的制備方法，其特征在于，步驟(6)中，所述的金屬層的材質為純鋁、防銹鋁、鍛鋁或與泡沫鋁合金相同的材質。
[0009]根據上述的制備方法，其特征在于，步驟(7)中，所述的熱處理包括固溶、淬火、時效工序。
[0010]根據上述的制備方法，其特征在于，所述固溶工序在爐壓可以調節的密閉的壓力爐中進行，爐壓隨機加工輪轂的溫度的升高而升高，并使爐壓與機加工輪轂中的氣泡壓力相近；固溶處理溫度為與泡沫鋁合金具有同樣化學成分的密實合金的固溶處理溫度相同；固溶處理的升溫速率控制為:第一次固溶處理的升溫速率為I一80°C /min，鑄坯第二次及以后各次的固溶處理的升溫速率均控制為5 — 120°C /min ;固溶處理的保溫時間為與泡沫鋁合金具有同樣化學成分的密實合金的固溶處理保溫時間的50% — 95%。
[0011]根據上述的制備方法，其特征在于，所述淬火工序在爐壓可以調節的密閉空間中進行；固溶處理爐、淬火轉移通道和淬火槽之間為一個密閉的整體，在固溶爐-淬火轉移-淬火過程中，機加工輪轂的外界壓力保持恒定。
[0012]本發明的有益效果:
使用本發明的泡沫鋁合金輪轂的制備方法，泡沫鋁合金鑄錠中不含異質增粘劑，泡沫鋁合金鑄錠具有純金屬或者合金的高強度，同時具有良好的塑性、韌性、耐蝕性、導電性、導熱性，可以采用常規的模鑄、壓鑄、模鍛、擠鑄、旋壓等手段進行加工。泡沫鋁合金輪轂的密度僅相當于傳統的密實鋁合金輪轂的三分之一至十分之一，同樣尺寸的泡沫鋁合金輪轂的重量僅相當于普通密實鋁合金輪轂重量的三分之一至十分之一，不僅減重、節能效果顯著，其減震、吸能效果與車體運行的平穩性也顯著優于普通密實鋁質輪轂。由于輪轂重量顯著減輕，加大輪轂設計尺寸時，輪轂重量仍然顯著輕于普通密實輪轂。這種大尺寸泡沫鋁輪轂，不僅抓地性能良好，車體運行的安全性、平穩性、吸能減重性能也極佳。
【具體實施方式】
[0013]本發明的泡沫鋁合金輪轂的制備方法包括以下步驟:
(I)鑄造泡沫鋁合金鑄錠，在澆鑄前，向結晶器中鋁液的結晶前沿吹送高壓工業氮氣，利用高壓氮氣攪拌鋁液，形成固-液-氣三相區，固-液-氣三相區凝固得到泡沫鋁合金鑄錠。
[0014](2)對泡沫銷合金錠進行透熱處理。透熱處理的目的是減小泡沫錠在熱分切時的變形抗力。透熱溫度為ISOO-T1，其中T1為比本發明的泡沫鋁合金熔化溫度區間的下限低5-200°C的溫度。不同化學成分的泡沫鋁合金具有不同的熔化溫度區間，可通過查詢鋁合金相圖獲得，或測量泡沫鋁合金的dsc曲線計算獲得。在對泡沫合金錠進行透熱處理時，要嚴格控制透熱過程的升溫速度，透熱升溫速度過快，會導致泡沫錠局部熔化。一般泡沫合金錠透熱升溫速度控制在I一80°C /min，泡沫錠的透熱升溫速度控制，與合金的種類、泡沫錠的孔隙率、泡沫錠的胞孔尺寸大小、胞孔尺寸均勻性有關。在實際操作時，一般地，純鋁泡沫錠的透熱升溫速度高于合金泡沫錠，低合金化的泡沫錠的透熱升溫速度高于高合金化的泡沫錠。在同種合金條件下，低孔隙率的泡沫錠的透熱升溫速度高于高孔隙率泡沫錠；胞孔尺寸較小的泡沫錠的透熱升溫速度高于胞孔尺寸較大的泡沫錠；胞孔分布相對均勻的泡沫錠的透熱升溫速度高于胞孔分布相對不均勻的泡沫錠。
[0015](3)通過熱剪切的方式將泡沫金屬長鑄錠分切成單個車輪重量所需的小段短錠。用熱剪切代替鋸切分切泡沫金屬錠，克服了鋸切泡沫金屬所固有的鋸切成本高、鋸切效率低等不足。經過剪切的小段短錠要進行逐根稱重，短錠的重量控制滿足通用車輪加工規范對單件車輪坯重量的控制要求。
[0016](4)將小段鑄錠放于鑄模中進行鍛造。處于鑄模中的固-液-氣多相金屬液，在陽模和陰模的擠壓、鍛造作用下，發生進一步的填充、成形和結晶凝固，并在成型、結晶過程中產生一定量的塑性變形，伴隨有枝晶破碎和金屬液流動，充型過程平穩，鋁合金在壓力下結晶、變形、凝固，鑄鍛件中氣泡分布均勻，胞壁組織致密、晶粒細化，整個輪轂鑄鍛件的機械性能顯著提高，具有精密成形的高效率、高精度的優點，使形狀復雜的泡沫鋁合金輪轂的生產工序減少，材料利用率大大提高，生產成本降低。其中鍛造過程中，鑄模沿鑄模中軸以一定的角速度轉動，防止較小的枝晶在氣泡的浮力作用下發生團聚，導致模鍛件氣泡分布不均，甚至出現局部無泡層。
[0017](5)對模鍛件進行初步的機加工，形成機加工輪轂。
[0018](6)經過機加工的泡沫鋁輪轂，在輪轂表面和會出現加工透空的氣孔，顯露的透空氣孔會影響輪胎的氣密性和輪轂涂裝的裝飾性。需要在輪轂表面涂覆一層密實金屬層，涂覆的密實金屬材質可以為純鋁(如1060、1050、1100等)、防銹鋁(如3003、3004、5082等)、鍛鋁(如6061、6063等)，亦可以采用與本發明的泡沫鋁合金輪轂同樣的材質進行涂覆。金屬層厚度在0.15-0.8mm之間。金屬層過厚，會在一定程度上抵消泡沫鋁輪轂的輕質特性，影響節能效果。
[0019](7)對機加工輪轂進行熱處理。熱處理包括固溶、淬火、時效工序。
[0020]固溶工序在爐壓可以調節的密閉的壓力爐中進行，爐壓隨機加工輪轂的溫度的升高而升高，并使爐壓與機加工輪轂中的氣泡壓力相近，防止出現因二者相差過多導致輪轂起包、報廢。固溶處理溫度為與泡沫鋁合金具有同樣化學成分的密實合金的固溶處理溫度相同。固溶處理的升溫速率控制為:第一次固溶處理的升溫速率為I一80°C /min，第二次及以后各次的固溶處理的升溫速率均為5 — 120°C /min ;溫速度控制同樣與合金的種類、泡沫錠的孔隙率、泡沫錠的胞孔尺寸大小、胞孔尺寸均勻性有關。固溶處理的保溫時間為與