專利名稱：低壓鑄造汽車車輪用鋁合金組織的復(fù)合細(xì)化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低壓鑄造汽車車輪的鋁合金熔體處理，應(yīng)用于生產(chǎn)高性能鋁合金汽 車車輪。
技術(shù)背景汽車車輪在行駛過程中高速回轉(zhuǎn)，并承載著汽車重量、驅(qū)動(dòng)扭矩和路面不平產(chǎn)生的 各種復(fù)雜應(yīng)力，要求車輪材料有高強(qiáng)度、高彈性模量和高的疲勞強(qiáng)度，以滿足汽車產(chǎn)品 規(guī)定的安全性和可靠性要求。汽車車輪材料最初采用鋼板，焊接后通過成型擠壓形成汽 車車輪，由于制造工藝復(fù)雜，質(zhì)量重以及車輪表面質(zhì)量不能滿足現(xiàn)代汽車發(fā)展的要求，汽車車輪材料已經(jīng)由鋁合金取代了鋼板；由于重量輕、耐腐蝕、加工方法簡(jiǎn)單、良好的 常溫和低溫沖擊韌性以及優(yōu)良的外觀質(zhì)量等特性，鋁合金在汽車車輪上的應(yīng)用不斷增加，到2005年超過60%的轎車使用了鋁合金車輪。鋁合金車輪的制造方法有鍛壓法和鑄造法。鋁合金車輪的鍛壓制造方法利用了大噸 位熱模鍛設(shè)備，獲得的車輪內(nèi)部組織致密性高，缺陷少，力學(xué)性能好，滿足了汽車車輪 的使用要求；但全套鍛壓設(shè)備投資都在一億元左右，并且制造成本高，加上鍛壓工藝復(fù) 雜，在經(jīng)濟(jì)上沒有規(guī)?；瘧?yīng)用的前景。目前鋁合金車輪廣泛采用低壓鑄造法生產(chǎn)，合金牌號(hào)為A356.2。 A356.2為亞共晶 鋁硅合金，其含硅量為7%左右，其常規(guī)組織為不均勻的a枝晶間分布著粗大的塊狀和針 狀硅，硅的形態(tài)引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了鋁合金的抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能和延伸率等閃 讓塑性，同時(shí)加大了凝固時(shí)的熱裂和縮松傾向，降低了鋁合金車輪的機(jī)械性能；為減少 不規(guī)則硅形態(tài)的有害作用，在實(shí)際工作中，采用添加含鈉的鹽或含鍶中間合金等變質(zhì)劑 對(duì)鋁合金溶體進(jìn)行處理，以改變硅在鋁合金中的分布和形態(tài)；但在低壓鑄造的生產(chǎn)條件 下，處理好的鋁合金溶體在一定時(shí)間內(nèi)必須保持穩(wěn)定的變質(zhì)效果才能滿足鋁合金車輪性 能的均勻一致，鈉鹽和鍶合金變質(zhì)存在著變質(zhì)衰退現(xiàn)象。同時(shí)，粗大的不均勻的a枝晶 會(huì)造成鋁合金車輪的熱裂傾向，增大了縮松，造成鋁合金車輪的組織致密性下降，往往 導(dǎo)致鋁合車輪因漏氣而報(bào)廢,粗大的不均勻的a枝晶也造成了鋁合金的力學(xué)性能的降低; 因此鋁合金車輪對(duì)a枝晶的形態(tài)分布也有要求。理想的汽車車輪用鋁合金組織應(yīng)由細(xì)小 均勻的a枝晶和細(xì)小均勻的圓形或橢圓形硅顆粒組成。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)汽車車輪對(duì)&356.2合金組織的要求和低壓鑄造的工藝特性， 設(shè)計(jì)一種添加多種合金元素的工藝方法，對(duì)A356. 2合金進(jìn)行組織復(fù)合細(xì)化處理，獲得 由細(xì)小均勻的a枝晶和細(xì)小均勻的蠕蟲狀或球狀硅組成的組織，減少生產(chǎn)過程的廢品率， 生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋁合金車輪。為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，采用從熔化爐熔化后倒入有攪拌裝置的中轉(zhuǎn)包，在對(duì)鋁合金溶 體進(jìn)行精煉除氣除渣，并加入鎂等合金元素調(diào)整成份之后，在鋁液表面覆蓋保護(hù)性熔鹽 的條件下，添加細(xì)化a枝晶和變質(zhì)硅的各種合金；經(jīng)過攪拌均勻化，獲得合格的鋁合金 溶體；鋁合金液體倒入低壓鑄造爐的保溫爐，在低壓鑄造機(jī)上制造鋁合金汽車車輪。本 發(fā)明的內(nèi)容在于選擇復(fù)合細(xì)化的合金元素和獲得細(xì)化組織效果的工藝技術(shù)方案。本發(fā)明的具體的技術(shù)工藝路線選擇細(xì)化a枝晶的合金化元素及其載體通過添加異質(zhì)核心增加鋁合金凝固時(shí)結(jié)晶 核心，經(jīng)工藝試驗(yàn)逸擇Al3Zr和ZrB最終形成這二種成份作為異質(zhì)核心，這兩種金屬化 合物熔點(diǎn)高，顆粒細(xì)小且髙度彌散分布在鋁液中；鋁合金凝固時(shí)，作為形核核心細(xì)化a 枝晶，并且具有長(zhǎng)效作用，促使鋁合金鑄件組織的a枝晶均勻細(xì)小。分別選擇BA和含 Zr5^的鋁鋯中間合金作為加入載體，首先按比例稱量一定重量的RA,在烘箱內(nèi)25(TC 烘干，通過高壓氟氣吹入中轉(zhuǎn)包的液體鋁合金中，攪拌5分鐘，使得BA粉狀和Al充 分反應(yīng)，生成B原子分散在鋁液體內(nèi)之后加入塊狀的鋁鋯中間合金并攪拌10分鐘， 中間合金熔化后釋放出Zr原子，分別于鋁和培中的B反應(yīng)生成彌散分布的微小Al3Zr 和ZrB質(zhì)點(diǎn)。選擇細(xì)化硅相的合金化元素及載體選擇Sr和混合稀土作為復(fù)合變質(zhì)劑細(xì)化鋁合 金中的硅相，A356.2合金發(fā)生共晶凝固時(shí)，Sr原子吸附在硅相的表面阻止硅的生長(zhǎng)， 細(xì)化并使得硅相球化；由于Sr與空氣中水蒸汽反應(yīng)氧化，從而造成鋁合金的吸氣和Sr 的變質(zhì)效果衰退，稀土元素的加入有效抑制了鋁合金中Sr的氧化反應(yīng)，減少了鋁合金 液體的吸氣，防止了 Sr的變質(zhì)衰退，達(dá)到長(zhǎng)效變質(zhì)的效果，滿足了低壓鑄造工藝對(duì)鋁 合金液體的要求。分別選擇含鍶10%的鋁鍶中間合金和含IO懶土的鋁稀土中間合金， 粉碎成小塊狀；稱取一定量的兩種中間合金，在加入鋯鋁中間合金之后，先把鋁鍶中問 合金加入鋁液，攪拌2分鐘，然后再把鋁稀土中間合金加入鋁液，攪拌10分鐘。經(jīng)過上述工藝處理的鋁液完成了復(fù)合細(xì)化的工藝處理，可倒入低壓鑄造保溫爐，生 產(chǎn)的鋁合金車輪組織細(xì)小均勻，力學(xué)性能提高，消除了由于力學(xué)性能不滿足要求而導(dǎo)致 的廢品率。本發(fā)明的工藝簡(jiǎn)單，成本低，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)時(shí)復(fù)合細(xì)化鋁合金組織，提高鋁合金 車輪力學(xué)性能的新技術(shù)。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本 發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中圖l是本發(fā)明的中轉(zhuǎn)包及其攪拌裝置的示意中1、中轉(zhuǎn)包，2、坩堝，3、攪拌葉片，4、加熱元件，5、轉(zhuǎn)子，6、通氣管，7、 氮?dú)夤埽?、粉狀BA, 9、加料箱，10、連接軟管，11、驅(qū)動(dòng)皮帶，12、攪拌支架， 圖2是沒有釆用本發(fā)明的鋁合金車輪的金相組織 圖3是采用氧化硼和鋁鋯中間合金細(xì)化的鋁合金車輪的金相組織 圖4是僅采用A1-Sr合金變質(zhì)的鋁合金車輪的金相組織 圖5是釆用本發(fā)明鋁鍶和鋁稀土中間合金實(shí)施鋁合金車輪的金相組織具體實(shí)施方式
用煤氣熔化爐熔化A356. 2合金550公斤，把鋁液的溫度控制在7301C-750'C，倒入 中轉(zhuǎn)包，把攪拌頭3插入到離中轉(zhuǎn)包2底部300,的位置，分別加入1 kg的除氣和除渣 劑進(jìn)行精煉除氣，打開氮?dú)忾y，氣氣流量控制在0.5-1.5mVh,氮?dú)鈮毫υ?.8-1.5Mpa, 轉(zhuǎn)子5的轉(zhuǎn)速600-800轉(zhuǎn)/分，除氣時(shí)間在12-16分鐘。之后鋁液靜止10分鐘?，F(xiàn)在加料箱內(nèi)加入5 kg的烘干的BA粉末8，開啟氮?dú)?，氮?dú)?和BA粉末8混 合，并在氮?dú)?的壓力下，氮?dú)?和&03粉末8混合物通過連接軟管10,通氣管6進(jìn)入 鋁液；轉(zhuǎn)子5在驅(qū)動(dòng)皮帶11的驅(qū)動(dòng)下以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)葉片3，攪拌鋁液，進(jìn)入 鋁液的BA粉末8與鋁反應(yīng)，反應(yīng)式如下BA+A1(1)—A1A+B，反應(yīng)生成的B原子皿 到鋁液中；氮?dú)?則以氣泡的形式存在鋁液中，在浮力作用下，氮?dú)鈿馀萆细?，把鋁液 中存在和生成的Al203帶出鋁液。在氮?dú)?氣泡上浮和攪拌葉片攪拌的情況下，BA和Al 充分反應(yīng)，B原子均勻分布在鋁液中。關(guān)閉氮?dú)猓^續(xù)攪拌5分鐘。向中轉(zhuǎn)包加入1 ^g塊狀A(yù)lZr5 (鋁鋯中間合金)，Zr溶解到鋁液中， 一部分鋯與溶解 在鋁液中的B反應(yīng)生成ZrB， 一部分鋯與鋁反應(yīng)生成Al3Zr，這兩種粒子熔點(diǎn)高，呈高度 彌散狀態(tài)分布在鋁液中，在鋁合金鑄造凝固過程中，作為A356.2的初生a相的異質(zhì)t 心。圖2是沒有采用本發(fā)明的鋁合金車輪的金相組織，圖3是采用氧化硼和鋁鋯中間細(xì) 化后的鋁合金車輪的金相組織，通過對(duì)比可明顯看出，采用本發(fā)明的汽車車輪的組織內(nèi) a相細(xì)小且均勻分布。隨后分別加入0. 75 kg的AlSrin (鋁鍶)合金棒和0. 3 kg的塊狀A(yù)lRe (鋁輕稀土) 合金，這兩種合金溶入鋁液中分別釋放出Sr原子和Re原子，在攪拌葉片3的攪拌作用 下，Sr和Re以原子態(tài)均勻分布在鋁液中，在鋁合金凝固發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)，吸附在硅相的表面，阻止硅相的生長(zhǎng)。圖4是僅采用A1-Sr合金的鋁合金金相組織內(nèi)有長(zhǎng)條狀和塊 狀的硅相，而采用鋁鍶中間合金和鋁稀土中間合金的硅相呈細(xì)小的球狀分布。經(jīng)本發(fā)明處理的鋁合金試樣的力學(xué)性能得到綜合提高，和常規(guī)的變質(zhì)和細(xì)化方法相 比，抗拉強(qiáng)度從214 Mpa提升到達(dá)到260Mpa,屈服強(qiáng)度從118 Mpa提升到達(dá)到180Mpa， 延伸率則從8%提升到10%。
權(quán)利要求
1. 一種復(fù)合細(xì)化低壓鑄造汽車車輪鋁合金組織的工藝方法，由攪拌裝置和添加合金配方及加入工藝方法組成。其特征在于在攪拌條件下先加入烘干的B2O3粉、小塊狀鋁鋯中間合金、鋁鍶中間合金和鋁稀土中間合金，B2O3和鋁液反應(yīng)生成原子B，和鋁鋯中間合金釋放出的鋯反應(yīng)生成微小的Al3Zr和ZrB顆粒，作為異質(zhì)核心起細(xì)化初生a相的作用；溶入鋁液中的鍶和稀土起復(fù)合變質(zhì)硅相的作用，并保持長(zhǎng)效穩(wěn)定的變質(zhì)作用。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的攪拌裝置，其攪拌葉片深入鋁液的位置里 鋁液底部300mm，其良好的攪拌效果，保證了鋁液合金反應(yīng)及其生成的 顆料均勻，獲得均勻一致的復(fù)合變質(zhì)效果。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加入B203方法，選擇粉狀的8203,經(jīng)過 25(TC烘干，通過高壓氮所吹入中轉(zhuǎn)包，攪拌5分鐘，8203和鋁充分反應(yīng) 釋放出原子B均勻分散在鋁液中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加入鋁鋯中間合金、鋁鍶中間合金和鋁稀 土中間合金方法，選擇小塊狀的鋁鋯中間合金、鋁鍶中間合金和鋁稀土中 間合金，加入中轉(zhuǎn)包時(shí)不停攪拌，鋁鋯中間合金的鋯釋放出來(lái)與鋁液中B 反應(yīng)生成均勻分布的微小的Al3Zr和ZrB顆料;鋁鍶中間合金和鋁稀土中 間合金釋放出的鍶和稀土在鋁液中均勻分布，起抑制硅相長(zhǎng)大的作用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合細(xì)化低壓鑄造汽車車輪鋁合金組織的工藝方法，有攪拌裝置和添加合金配方及加入工藝方法組成。其特征在于在攪拌條件下先后加入烘干的粉狀B₂O₃、小塊狀鋁鋯中間合金、鋁鍶中間合金和鋁稀土中間合金，B₂O₃和鋁液反應(yīng)生成原子B，和鋁鋯中間合金釋放出的鋯反應(yīng)生成微小的Al₃Zr和ZrB顆粒，作為異質(zhì)核心起細(xì)化初生a相的作用；溶入鋁液中的鍶和稀土起復(fù)合變質(zhì)硅相的作用，并保持長(zhǎng)效穩(wěn)定的變質(zhì)作用。采用本發(fā)明的方法，獲得的鋁合金車輪的組織細(xì)小均勻，力學(xué)性能好。
文檔編號(hào)C22C21/00GK101240381SQ20071002005
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者赟 于, 孔祥建, 萍 李, 管建國(guó), 胡因行 申請(qǐng)人:江蘇凱特汽車部件有限公司