專利名稱：一種節能短流程原位顆粒增強a356基復合材料輪轂制造方法
技術領域：
本發明涉及一種節能短流程原位顆粒增強A356合金輪轂制造的新方法，屬于一 種輕合金輪轂的新材料和制造新方法，特別是輪轂制造流程中復合技術及短流程熱處理工 藝。
背景技術：
輪轂是高檔轎車、輕型客車、運動車等車輛的重要關鍵安全部件之一。為了滿足人 們對汽車更節能、更安全、更環保的新要求，輪轂正在向輕量化、高強度、抗疲勞、大直徑、更 美觀的方向發展。 A356合金作為高強度Al-Si-Mg系合金在汽車、摩托車等領域受到了廣泛地應用， 特別是輪轂件。僅在2008年我國國內A356鋁合金汽車輪轂的市場就達5100萬件，預計到 2010年全球A356鋁合金汽車輪轂的市場需求將達到2. 5億件以上。目前A356鋁合金輪轂 主要采用通過低壓鑄造或重力鑄造等鑄造成型后，進行T6熱處理后使用。
當前，世界輕合金輪轂制造業正在向中國轉移，發達國家紛紛加大在中國的采購 份額，使我國輕合金輪轂產業在最近十多年時間里得到了迅猛的發展。由于大直徑、輪輞 寬，使輪胎與地面的接觸面積更大，從而增加汽車與地面的附著力和摩擦力，使汽車的操縱 性能更好，提高汽車的安全性。根據預測，到2010年20英寸以上直徑的鋁合金輪轂將會成 為轎車車輪的標準配置。車輪生產商已開始著手安排22、24英寸及以上鋁合金輪轂的生產 線，以應付市場的新需求。采用傳統工藝制造的鋁車輪，能夠滿足一般車輛行駛的要求，但 在瞬間大載荷、高速行駛等復雜條件下，鋁輪轂的過量變形等問題已成為汽車行駛安全性 的重要影響因素，因此對輪轂材料的性能和車輪的制造技術提出了更高的要求。為了滿足 大直徑鋁輪轂制造的要求，國內外在材料性能方面不斷提高，在制造技術方面不斷創新，取 得了不少成果。英國的Lee等人的研究表明，A356合金中Fe含量會影響合金的高周疲勞 壽命，即Fe含量越高，鋁合金的疲勞壽命越低。巴西的Ferrante等人的研究指出，在A356 合金中加入0. 5wt. % Sn有助于降低合金中Fe的金屬間化合物的體積，從而提高合金的綜 合性能。挪威的Sabatino等人指出，在A356合金中，消除氧化物夾雜的量，可以有效提高 抗拉強度和伸長率。法國Malchere等人的研究表明，在復合材料中增強體顆粒體積分數相 同的情況下，隨著顆粒尺寸減小，其比表面積顯著增加，有利于改善增強體與基體之間的界 面結合。由于增強體/基體的界面屬于晶體學不完整界面，表面活性高，在增強體顆粒尺寸 小于微米量級時，大量活性界面的引入，導致亞微米級復合材料的強塑性增加。納米顆粒 (100nm以下)對A1基體雖然也表現出良好的強化作用，但因納米顆粒易于團聚，使其增強 效果大為降低。另外，增強體顆粒的形態，將直接影響復合材料的韌性和抗疲勞特性，圓整 的顆粒將有利于提高材料的韌性和抗疲勞特性。 國內徐維等人研究表明，在A356合金中加入0. 2 %左右的混合稀土，可以明顯提 高材料的抗拉強度和伸長率。上海交通大學張亦杰等人的研究表明，在A356合金中，通過熔鹽熔體反應，生成TiB2顆粒，當顆粒體積分數為10%時，合金的抗拉強度提高20%左右， 伸長率則下降60%。哈爾濱工業大學、東北大學、中國科學院金屬研究所等單位還先后對亞 微米顆粒增強鋁基復合材料的組織、性能進行了研究，但大多數是外加顆粒增強鋁基復合 材料，實際上仍沒有很好地解決界面結合問題。在反應合成鋁基復合材料研究方面，南昌大 學最近的報道指出，將氣流法和快速攪拌工藝相結合成功制備了增強顆粒小于0. 5 ii m且 較均勻分布的TiB2/Al基復合材料，但僅在實驗室實驗階段。 本發明利用磁化學反應原理，通過外加脈沖磁場作用下熔體反應合成多相亞微米 顆粒為主的A356基復合材料熔體，經過低壓鑄造或金屬型重力鑄造成形制備原位亞微米 顆粒增強A356基復合材料輪轂鑄件，且無需經固溶處理，即直接人工時效處理后進入下道 工序，實現短流程熱處理。本發明涉及的A356合金輪轂制造新方法，由于增強顆粒在熔體 內部形核、長大，因此與基體相容性好，且界面結合強度高，顯著提高基體合金的力學性能 和抗疲勞能力。但目前普通的原位反應合成工藝往往需要比較高的反應溫度(IOO(TC以 上)，過程不易控制，導致增強顆粒的尺寸及形貌控制難、增強顆粒容易團聚、增強顆粒在基 體中的分布不均勻等缺點，大大地限制了產業化應用。本發明的節能短流程原位顆粒增強 A356合金輪轂的制造方法具有過程可控、顆粒分布均勻，輪轂的力學性能和使用壽命顯著 提高，同時顯著減少了固溶熱處理環節，大大降低能耗，提高生產效率等特征。
發明內容
為適應高檔轎車、輕型客車、運動車等對輪轂性能的新要求，采用磁化學合成原位 顆粒增強A356基復合材料生產輪轂，由于原位顆粒增強效果替代了固溶強化效果，因此可 取消固溶處理，直接進行低溫時效處理以消除鑄造應力，這樣既大大節能，同時取消了固溶 處理后的淬火處理，大大減少了固溶處理設備的投入和維護費用，實現了輪轂制造的節能 和短流程，材料和制造技術均具有原創性。 (1)磁化學反應合成原位顆粒增強的A356基復合材料熔體 由純金屬Al和Mg、結晶硅一次熔煉配制A356合金熔體，在熔體復合處理階段施加 一定的電磁場，其原理如圖l所示。在熔體中通入反應劑，利用脈沖磁場參數的調節，經過 一定的反應時間，在熔體中獲得具有亞微米尺度為主的增強顆粒，然后進行變質及精煉處 理后通過低壓鑄造或重力鑄造方法獲得高性能A356基復合材料輪轂。
反應劑的加入量為A356合金的20% (質量百分比)。 在反應過程中，施加脈沖磁場，脈沖磁場參數為電流為IOA，電壓為550V，頻率為 100kHz，脈寬為10ms，脈沖磁場作用時間為間歇性施加20min。 在加入K2ZrF6和KBF4粉劑作為反應劑時，獲得尺寸小于1微米的ZrB2顆粒，形態 呈粒狀，如圖2、圖3所示。 在加入Zr (C03) 2粉劑作為反應劑時，獲得尺寸小于1微米的Al3Zr、Al203混合增強 顆粒，形態呈粒狀，如圖4、 5所示。 (2)原位顆粒增強A356基復合材料熔體的鑄造成型 將通過原位反應獲得的ZrB2 (或TiB2) 、Al3Zr (或Al3Ti)和A1203多相增強顆粒，顆 粒尺寸大部分處于亞微米(0. 1 1 m)尺度，小部分處于微米尺度(1 4 m);)的A356 基復合材料熔體進行保溫，經變質和精煉后，利用低壓鑄造或金屬型重力鑄造進行輪轂鑄
4造成型。 金屬型成型工藝為澆注溫度720°C 730。C，模具溫度250°C 300°C 。
低壓鑄造的保溫溫度710°C 72(TC，模具溫度250°C 300°C。
(3)原位顆粒增強A356基復合材料輪轂的短流程熱處理 將原位顆粒增強A356基復合材料輪轂進行人工時效處理(T4)，其工藝為升溫
5 10min至170 180°C ，保溫4 6h，出爐。所制備的原位顆粒增強A356基復合材料輪
轂的力學性能如表l所示。表1輪轂的力學性能
增強相抗拉強度ab/MPa斷后伸長率s/%
(Al3Zr (p)+A1203 (P))/A356346.78.1
ZrB2 (p) /A356332.69.
圖1磁化學合成含原位增強顆粒A356熔體的裝置原理圖 1-熔體2-陶瓷保護罩3-石墨坩堝4-中頻感應線圈5-脈沖磁場發生裝置 圖2ZrB2 (p) /A356復合材料輪轂的SEM組織 圖3磁化學原位合成ZrB2(p)/A356復合材料輪轂的XRD圖 圖4Al3Zr(p)+Al203(p)/A356復合材料輪轂材料的SEM組織 圖5磁化學原位合成(Al3Zr(p)+Al203(p)/A356復合材料輪轂的XRD圖
具體實施方式
[實施例1] 由純金屬Al和Mg、結晶硅一次熔煉配制A356合金熔體，K2ZrF6和KBF4粉劑的純 度為99. 9%。其制備工藝流程如下原材料準備一原位顆粒熔體制備一變質、精煉一澆注、 冷卻成型一熱處理。具體為先將K2ZrF6和KBF4粉劑放入250°C的干燥箱中烘烤3h，去除 水分；將純金屬Al和Mg、結晶硅一次熔煉配制A356合金熔體，并過熱到850°C ;然后將占 A356熔體質量的20 % (K2ZrF6+KBF4)粉劑(其中K2ZrF6、 KBF4粉劑的比例為1 : 1 (質量 百分比))用鐘罩分批壓入熔體中；在反應過程中，施加脈沖磁場，脈沖磁場參數為電流為 IOA，電壓為550V，頻率為100kHz，脈寬為10ms，脈沖磁場作用時間為間歇性施加20min ;待 反應結束后，經變質和精煉處理，靜置10min，扒渣；在72(TC時澆入金屬型重力鑄造機中， 制得Zi^原位顆粒增強A356基復合材料輪轂；開模后將輪轂室溫水淬；然后將輪轂在爐中 加熱至17(TC，保溫4小時。
[實施例2] 由純金屬Al和Mg、結晶硅一次熔煉配制A356合金熔體，Zr (C03)2粉劑的純度為 99.9%。其制備工藝流程如下原材料準備一原位顆粒熔體制備一變質、精煉一澆注、冷卻
5成型一熱處理。具體為將Zr(C0^放入電烘箱中升溫至25(TC，保溫3小時，充分去除水 份，然后冷卻、研磨，經過70目標準篩篩分，得到粒度< 250ym的粉末反應劑；將純金屬A1 和Mg、結晶硅一次熔煉配制A356合金熔體，并過熱至85(TC溫度，精煉，靜置10min ;再施加 脈沖磁場，分別分批向A356合金熔體中通入Zr (C03) 2粉末(加入量為A356合金熔體質量的 20% )，脈沖磁場參數為電流為IOA，電壓為550V，頻率為100kHz，脈寬為10ms，脈沖磁場 作用時間為間歇性施加20min ;然后進行變質和精煉處理，靜置10min，扒渣；通過中間保溫 包加入低壓鑄造機保溫爐中，保溫溫度71(TC時；低壓鑄造成型獲得Al3Zr、 A1203混合原位 增強顆粒A356基復合材料輪轂；開模后將輪轂室溫水淬；然后將輪轂在爐中加熱至17(TC， 保溫4小時。
權利要求
一種節能短流程原位顆粒增強A356基復合材料輪轂制造方法，其特征在于通過在A356合金熔體保溫階段，加入原位反應劑后施加脈沖磁場，獲得具有以亞微米增強顆粒為主的A356合金熔體；獲得的熔體進行變質及精煉處理后通過低壓鑄造或重力鑄造成型，制備輪轂鑄坯；輪轂鑄坯，采用短流程熱處理工藝處理，即直接進行人工時效處理，處理過程為升溫5～10min至170～180℃，保溫4～6h，出爐。
2. 權利要求1所述的制造方法，其特征在于脈沖磁場參數為電流為IOA，電壓為 550V，頻率為100kHz，脈寬為10ms，脈沖磁場作用時間為施加20min。
3. 權利要求1所述的制造方法，其特征在于反應劑為K2ZrF6粉劑和KBF4粉劑的混合 物，或為Zr (C03)2粉劑；反應劑的的加入量為A356合金的20% (質量百分比)。
4. 權利要求3所述的制造方法，其特征在于反應劑為K2ZrF6粉劑和KBF4粉劑的混合 物時，K2ZrF6與KBF4粉劑的比例為1 : 1 (質量百分比)。
5. 權利要求1所述的制造方法，其特征在于重力鑄造成型為澆注溫度720°C 730。C，模具溫度250°C 300°C ;低壓鑄造的保溫溫度710°C 720。C，模具溫度250°C 300°C。
全文摘要
本發明涉及一種節能短流程原位顆粒增強A356合金輪轂的制造方法。其主要特征是(1)由純金屬Al和Mg、結晶硅一次熔煉配制A356合金熔體，并通過脈沖磁場下熔體反應合成法合成原位ZrB2(或TiB2)、Al3Zr(或Al3Ti)和Al2O3多相增強顆粒，顆粒尺寸大部分處于亞微米(0.1～1μm)尺度，小部分處于微米尺度(1～4μm)；(2)合成的復合材料熔體，經過低壓鑄造或金屬型重力鑄造成形輪轂后，無需經固溶處理，即直接人工時效處理后進入下道工序，實現短流程熱處理。通過本發明涉及的A356合金輪轂制造新方法，不僅能有效提高鋁輪轂的力學性能和使用壽命，同時顯著減少了固溶熱處理環節，大大降低能耗，提高生產效率。
文檔編號B22D1/00GK101760656SQ200910264028
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者張松利, 賈志宏, 趙玉濤, 陳剛 申請人:江蘇大學