专利名称：镁合金汽车发动机支架的挤压铸造制备方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金汽车发动机支架的挤压铸造制备方法，以镁合金为材料，经熔炼、变质细化、精炼处理后，再经挤压铸造以及对铸件的热处理，得到力学性能优越的汽车发动机支架。属于合金制造技术领域。
背景技术：
为了节能降耗、减少废气排放、提高驾乘舒适度和车辆力学性能，现在汽车正在向轻量化方向发展。从结构材料的角度出发，实现车辆轻量化的主要手段是采用具有高比性能的轻质材料代替传统材料。镁合金是最轻的金属结构材料，具有价格低、高比性能(比强度和比刚度)、突出的阻尼减振性能等特点。将镁合金用于汽车结构，能降低车辆自重及燃油消耗，降低车辆的振动和噪声，提高车辆的加减速动力学特性，既能达到节能环保的目的，又能较显著改善车辆的驾乘舒适度。现在镁合金在汽车上的应用，主要是采用铸造或压铸生产的一些在较低工作温度下运行的壳体型零件(如手动变速器壳和盖、离合器壳等)和车内部件(如方向盘系统、仪表面板等)等中低强度力学性能要求零件，而这些零件在整车中所占重量比是十分有限的。据世界镁协统计，2005年全球汽车工业采用的镁合金压铸件约为12.8万吨，目前每辆轿车平均用镁量为4公斤，仅占汽车自重的0.3％。要进一步扩大镁合金在汽车上的用量，首先必须低成本地实现动力系统和传动部件以及底盘部件等中高强度零件的镁合金化，如发动机支架、空调支架等综合力学性能要求较高的零件。将镁合金应用于这类零件不仅可以获得较好的减重效果，而且能减小发动机和空调压缩机等部件的振动，提高其工作效率。
汽车发动机支架零件目前多数采用铝合金压力铸造方法生产，少数采用铝合金砂型铸造、重力铸造和低压铸造生产，采用这些传统的工艺制造出的汽车用铝合金发动机支架在外观呈现冷隔、凹陷、裂纹等不同程度的缺陷，而在内部往往会出现气孔、缩孔、针孔等致命的缺陷，从而严重影响了产品的性能，阻碍了汽车轻量化、环保化的发展。对于目前商用的铸造镁合金，如果采用传统的重力或压力铸造的生产工艺，其力学性能还难以稳定地达到同类铝合金产品的水平。研究表明，采用高性能镁合金并利用精确成型的挤压铸造方法开发镁合金发动机支架则完全可以达到同类铝合金铸件的水平，同时达到很好的轻量化效果。但目前采用镁合金挤压铸造方法制备汽车发动机支架产品，在国内外还未见公开报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种镁合金汽车发动机支架的挤压铸造制备方法，获得的产品与传统商业铝合金发动机支架相比，具有更高的比强度、比刚度，更轻的重量和更优的阻尼减震性能。
为实现这一目的，本发明的方法包括镁合金成分设计、合金熔炼变质、合金液定量浇注、间接挤压铸造工艺以及铸件热处理工艺。首先将镁、铝、锰、锌、稀土等金属原料按一定重量百分比配制好，加入坩埚熔化炉内熔化、精炼与变质处理，然后采用定量浇注泵向挤压铸造机加料室输送合金液，挤压铸造机冲头向发动机支架模具型腔推注合金液并增压使镁合金液结晶，获得镁合金发动机支架挤压铸造零件，再对零件进行固溶时效强化处理，得到力学性能优越的汽车发动机支架。
本发明的方法具体包括如下步骤1、镁合金材料组分的重量百分比为6～8％Al，0.17～0.4％Mn，0.45～0.9％Zn，0～0.5％RE，Si＜0.05％，Cu＜0.025，Ni＜0.001％，Fe＜0.004％，其余为Mg。
2、将配制好的镁合金材料在烘箱中预热至200～250℃，同时将坩埚熔化炉升温，在坩埚底部撒上一层覆盖剂，将经预热的镁合金材料加入熔化炉内，继续加热升温，待炉内温度上升到400℃左右时，开始通入保护气体防止镁合金燃烧，保护气体流量为坩埚封闭容积的1～10％/min。待镁合金完全熔化后，继续升温到720～740℃，加入镁合金液总量的0.1～1wt％变质剂进行变质细化处理，处理时间5～10min，然后升温至730～750℃，加入占镁合金液总量的1.5～2.5wt％的精炼剂进行精炼处理，精炼时间为5～10min，精炼完成后，去除渣，合金液表面不再撒任何覆盖剂或精炼剂，完全由保护气体覆盖，合金液静置并降温至浇注温度680～710℃等待浇注。
3、发动机支架铸件模具采用一模两腔对称分布形式设计，浇注系统采用开放式，将一模两腔式模具固定在350T卧式间接挤压铸造机的左右模架上，模具采用油路加热方式，首先预热至150～200℃，然后在模具型腔内均匀喷上一层保温涂料和脱模剂，涂层厚度为20～50微米，继续烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具预热温度提高至250～350℃。
4、采用定量浇注泵从熔化炉向挤压铸造机加料室输送合金液，挤压铸造机冲头向模具型腔平稳推进合金液、快速增压凝固结晶，调节挤压铸造工艺参数为挤压压力为60～120MPa，保压时间20～40s，冲头挤压速度10～200mm/s，完成汽车用镁合金发动机支架的铸造过程，获得铸件毛坯。
5、将挤压铸造制成的发动机支架铸件毛坯进行固溶时效(T6)热处理，先在370℃预溶解1～3小时，然后升温至400～420℃保温6～12小时，出炉空冷；再进行150～200℃×5～15小时的单级时效处理，或者进行200℃×2～10小时+150℃×10～20小时的双级时效，得到镁合金汽车发动机支架。经过T6热处理，铸件的力学性能得到有效提高，获得合格的产品性能。
本发明中，所述坩埚熔化炉可以采用电阻丝加热炉、电热带加热炉，或者燃油加热炉；坩埚熔化量为200～500公斤，熔化速度2～4小时/炉；熔化炉可以采用炉膛加坩埚内合金液两控温方式。
本发明所述的保护气体可以采用含有0.1～1vol.％的阻燃抑制剂的混合干燥空气，所述阻燃抑制剂为惰性气体SF6或含氟制冷剂R152a、R32、或者R134a。
本发明所述变质剂可以为Al-4Ti-5B或Al-5Ti-1B，以中间合金形式加入，也可以采用无水MgCO3或无水C2Cl6等试剂。
为了低成本的生产高性能的镁合金发动机支架，本发明选用Mg-Al系AZ91D合金为基础，在考虑较高压力下结晶对Mg-Al系合金凝固相图的影响(即，高的结晶压力可使合金化元素在镁基体中的最大固溶度降低并使共晶点向富镁方向偏移)的情况下，适当降低合金中Al元素的含量，同时添加少量混合稀土，形成组分的优化配制，既保证挤压铸造凝固组织中具有足够的强化相，又避免压力结晶引起的强化相的偏析造成产品脆性增加。
与现有技术相比，本发明采用镁合金作为发动机支架的材料，可以获得较好的减重效果，采用挤压铸造工艺可以细化材料组织，提高产品综合性能。本发明制备的镁合金汽车发动机支架力学性能高，合金在充分的压力下结晶成型，不会在制品内形成气孔，缩孔及针孔等缺陷，因而其组织致密均匀，晶粒细小；通过T6强化处理后，产品的性能得到进一步强化，具有更高的抗拉强度，更高的屈服强度和延伸率，符合汽车零部件的高品质、高性能的要求。本发明的挤压铸造工艺制造而成的镁合金汽车发动机支架，能提高毛坯精度，减少加工余量，实现资源和能源的低消耗，促使经济效益的提高。
具体实施例方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1配制如下重量百分比的合金成分6％Al，0.17-0.4％Mn，0.45-0.9％Zn，0～0.5％RE，其余为Mg，合金总量200公斤，将合金锭在烘箱中预热至200℃，精炼剂烘干于160℃保温炉中。电阻式熔化炉预热至200℃，在坩埚底部撒上一层覆盖剂，加入预热的合金锭，调节热电耦逐级加热，待炉内温度上升到400℃时，开始通入含0.1～1vol.％的R32抑制剂的混合干燥空气(保护气体流量为坩埚封闭容积的3％/min)防止镁合金燃烧，待合金完全熔化后，继续升温到720～730℃，加入0.5wt％变质剂进行变质细化处理10min，然后升温至740℃，加入精炼剂(精炼剂用量占总镁液量的2.5％)进行精炼处理，精炼时间为10min，精炼完成后，去除渣，合金液表面不再撒任何覆盖剂或精炼剂，完全由保护气体覆盖，合金液静置并降温至浇注温度680℃等待浇注。
将一模两腔式模具固定在350T卧式间接挤压铸造机左右模架上，模具采用油路加热方式首先预热至200℃，然后在模具型腔内均匀喷上一层保温涂料和脱模剂，涂层厚度约为30微米。继续烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具预热温度提高至250℃。
设置将350T挤压铸造机的工艺参数如下
设置完毕后，采用定量浇注泵从熔化炉内向挤压铸造机加料室精确输送镁合金液，然后启动挤压铸造机即可开始自动挤压。
挤压结束后，开模取出铸件，检查其外观完整性和表面缺陷。产品合格率达75％，合格产品进行热处理和组织性能分析。热处理工艺为370℃×2小时+400℃×12小时固溶，然后170℃×10小时时效处理。该工艺铸造的发动机支架铸件实体取样测试，其微观组织平均晶粒度约为40～50μm，铸态试样HV(5Kg)硬度平均达75.5，抗拉强度大于240MPa，屈服强度大于100MPa，延伸率大于7％，经过T6热处理后，合金力学性能大幅度提高，HV(5Kg)硬度平均达92.5，抗拉强度大于280MPa，屈服强度大于152MPa，延伸率大于6％。
实施例2配制如下重量百分比的合金成分7％Al，0.17-0.4％Mn，0.45-0.9％Zn，0～0.5％RE，其余为Mg，合金总量300公斤，将合金锭在烘箱中预热至200℃，精炼剂烘干于160℃保温炉中。电阻式熔化炉预热至200℃，在坩埚底部撒上一层覆盖剂，加入预热的合金锭，调节热电耦逐级加热，待炉内温度上升到400℃时，开始通入含1vol.％的抑制剂R152a的混合干燥空气(保护气体流量为坩埚封闭容积的1～10％/min)防止镁合金燃烧，待合金完全熔化后，继续升温到720～730℃，加入0.3wt％变质剂进行变质细化处理10min，然后升温至740～750℃，加入精炼剂(精炼剂用量占总镁液量的2.0％)进行精炼处理，精炼时间为10min，精炼完成后，去除渣，合金液表面不再撒任何覆盖剂或精炼剂，完全由保护气体覆盖，合金液静置并降温至浇注温度690℃等待浇注。
将一模两腔式模具固定在350T卧式间接挤压铸造机左右模架上，模具采用油路加热方式首先预热至200℃，然后在模具型腔内均匀喷上一层保温涂料和脱模剂，涂层厚度约为20微米。继续烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具预热温度提高至300℃。
设置将350T挤压铸造机的工艺参数如下
设置完毕后，采用定量浇注泵从熔化炉内向挤压铸造机加料室精确输送镁合金液，然后启动挤压铸造机即可开始自动挤压。
挤压结束后，开模取出铸件，检查其外观完整性和表面缺陷。产品合格率达85％，合格产品进行热处理和组织性能分析。热处理工艺为370℃×2小时+400℃×12小时固溶，然后170℃×10小时时效处理。该工艺铸造的发动机支架铸件实体取样测试，其微观组织平均晶粒度约为30～40μm，铸态试样HV(5Kg)硬度平均达78.7，抗拉强度大于245MPa，屈服强度大于105MPa，延伸率大于7％，经过T6热处理后，合金力学性能大幅度提高，HV(5Kg)硬度平均达92.5，抗拉强度大于290MPa，屈服强度大于161MPa，延伸率大于6％。
实施例3配制如下重量百分比的合金成分8％Al，0.17-0.4％Mn，0.45-0.9％Zn，0～0.5％RE，其余为Mg，合金总量300公斤，将合金锭在烘箱中预热至200℃，精炼剂烘干于160℃保温炉中。电阻式熔化炉预热至200℃，在坩埚底部撒上一层覆盖剂，加入预热的合金锭，调节热电耦逐级加热，待炉内温度上升到400℃时，开始通入含1vol.％的SF6抑制剂的混合干燥空气(保护气体流量为坩埚封闭容积的5％/min)防止镁合金燃烧，待合金完全熔化后，继续升温到720～730℃，加入1wt％变质剂进行变质细化处理10min，然后升温至740～750℃，加入精炼剂(精炼剂用量占总镁液量的2.0％)进行精炼处理，精炼时间为10min，精炼完成后，去除渣，合金液表面不再撒任何覆盖剂或精炼剂，完全由保护气体覆盖，合金液静置并降温至浇注温度710℃等待浇注。
将一模两腔式模具固定在350T卧式间接挤压铸造机左右模架上，模具采用油路加热方式首先预热至200℃，然后在模具型腔内均匀喷上一层保温涂料和脱模剂，涂层厚度约为20微米。继续烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具预热温度提高至350℃。
设置将350T挤压铸造机的工艺参数如下
设置完毕后，采用定量浇注泵从熔化炉内向挤压铸造机加料室精确输送镁合金液，然后启动挤压铸造机即可开始自动挤压。
挤压结束后，开模取出铸件，检查其外观完整性和表面缺陷。产品合格率达90％，合格产品进行热处理和组织性能分析。热处理工艺为370℃×2小时+400℃×12小时固溶，然后200℃×2小时+150℃×10小时时效处理。该工艺铸造的发动机支架铸件实体取样测试，其微观组织平均晶粒度约为20～30μm，铸态试样HV(5Kg)硬度平均达80.3，抗拉强度大于250MPa，屈服强度大于105MPa，延伸率大于6％，经过T6热处理后，合金力学性能大幅度提高，HV(5Kg)硬度平均达96.7，抗拉强度可达300MPa，屈服强度大于165MPa，延伸率大于5％。
权利要求
1.一种镁合金汽车发动机支架的挤压铸造制备方法，其特征在于包括如下步骤1)镁合金材料组分的重量百分比为6～8％Al，0.17～0.4％Mn，0.45～0.9％Zn，0～0.5％RE，Si＜0.05％，Cu＜0.025，Ni＜0.001％，Fe＜0.004％，其余为Mg；2)将配制好的镁合金材料在烘箱中预热至200～250℃，同时将坩埚熔化炉升温，在坩埚底部撒上一层覆盖剂，将经预热的镁合金材料加入熔化炉内，继续加热升温，待炉内温度上升到400℃时，开始通入保护气体防止镁合金燃烧，保护气体流量为坩埚封闭容积的1～10％/min；待镁合金完全熔化后，继续升温到720～740℃，加入镁合金液总量的0.1～1wt％变质剂进行变质细化处理，处理时间5～10min，然后升温至730～750℃，加入占镁合金液总量的1.5～2.5wt％的精炼剂进行精炼处理，精炼时间为5～10min，精炼完成后，去除渣，合金液静置并降温至浇注温度680～710℃；3)发动机支架铸件模具采用一模两腔对称分布形式设计，浇注系统采用开放式，将一模两腔式模具固定在350T卧式间接挤压铸造机的左右模架上，模具采用油路加热方式，首先预热至150～200℃，然后在模具型腔内均匀喷上一层保温涂料和脱模剂，涂层厚度为20～50微米，继续烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具预热温度提高至250～350℃；4)采用定量浇注泵从熔化炉向挤压铸造机加料室输送合金液，挤压铸造机冲头向模具型腔平稳推进合金液、快速增压凝固结晶，调节挤压铸造工艺参数为挤压压力为60～120MPa，保压时间20～40s，冲头挤压速度10～200mm/s，完成汽车用镁合金发动机支架的铸造过程，获得铸件毛坯；5)将挤压铸造制成的发动机支架铸件毛坯进行固溶时效T6热处理，先在370℃预溶解1～3小时，然后升温至400～420℃保温6～12小时，出炉空冷；再进行150～200℃×5～15小时的单级时效处理，或者进行200℃×2～10小时+150℃×10～20小时的双级时效，得到镁合金汽车发动机支架。
2.根据权利要求1的镁合金汽车发动机支架的挤压铸造制备方法，其特征在于所述坩埚熔化炉采用电阻丝加热炉、电热带加热炉，或燃油加热炉；坩埚熔化量为200～500公斤，熔化速度2～4小时/炉；熔化炉采用炉膛加坩埚内合金液两控温方式。
3.根据权利要求1的镁合金汽车发动机支架的挤压铸造制备方法，其特征在于所述保护气体为含有0.1～1vol.％的阻燃抑制剂的混合干燥空气，所述阻燃抑制剂为惰性气体SF6或含氟制冷剂R152a、R32或者R134a。
4.根据权利要求1的镁合金汽车发动机支架的挤压铸造制备方法，其特征在于所述变质剂为Al-4Ti-5B或Al-5Ti-1B以中间合金形式加入，或采用试剂无水MgCO3或无水C2Cl6。
全文摘要
本发明涉及一种镁合金汽车发动机支架的挤压铸造制备方法，包括镁合金成分设计、合金熔炼变质、合金液定量浇注、间接挤压铸造以及铸件热处理。首先将镁、铝、锰、锌、稀土等金属原料按一定重量百分比配制好，加入坩埚熔化炉内熔化、精炼与变质处理，然后采用定量浇注泵向挤压铸造机加料室输送合金液，挤压铸造机冲头向发动机支架模具型腔推注合金液并增压使镁合金液结晶，获得镁合金发动机支架挤压铸造零件，再对零件进行固溶时效强化处理，得到力学性能优越的汽车发动机支架。本发明采用镁合金作为发动机支架的材料以获得较好的减重效果，采用挤压铸造工艺可以细化材料组织，提高产品综合性能，符合了汽车零部件的高品质、高性能的要求。
文档编号B22D18/02GK1887480SQ20061002940
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月27日 优先权日2006年7月27日
发明者彭立明, 曾小勤, 杨艳玲, 丁文江, 刘六法, 丁怀新 申请人:上海交通大学, 上海轻合金精密成型国家工程研究中心有限公司