低压铸造汽车车轮用铝合金组织的复合细化的制作方法

专利名称：低压铸造汽车车轮用铝合金组织的复合细化的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低压铸造汽车车轮的铝合金熔体处理，应用于生产高性能铝合金汽 车车轮。
技术背景汽车车轮在行驶过程中高速回转，并承载着汽车重量、驱动扭矩和路面不平产生的 各种复杂应力，要求车轮材料有高强度、高弹性模量和高的疲劳强度，以满足汽车产品 规定的安全性和可靠性要求。汽车车轮材料最初采用钢板，焊接后通过成型挤压形成汽 车车轮，由于制造工艺复杂，质量重以及车轮表面质量不能满足现代汽车发展的要求，汽车车轮材料已经由铝合金取代了钢板；由于重量轻、耐腐蚀、加工方法简单、良好的 常温和低温冲击韧性以及优良的外观质量等特性，铝合金在汽车车轮上的应用不断增加，到2005年超过60%的轿车使用了铝合金车轮。铝合金车轮的制造方法有锻压法和铸造法。铝合金车轮的锻压制造方法利用了大吨 位热模锻设备，获得的车轮内部组织致密性高，缺陷少，力学性能好，满足了汽车车轮 的使用要求；但全套锻压设备投资都在一亿元左右，并且制造成本高，加上锻压工艺复 杂，在经济上没有规模化应用的前景。目前铝合金车轮广泛采用低压铸造法生产，合金牌号为A356.2。 A356.2为亚共晶 铝硅合金，其含硅量为7%左右，其常规组织为不均匀的a枝晶间分布着粗大的块状和针 状硅，硅的形态引起应力集中现象，降低了铝合金的抗拉强度等力学性能和延伸率等闪 让塑性，同时加大了凝固时的热裂和縮松倾向，降低了铝合金车轮的机械性能；为减少 不规则硅形态的有害作用，在实际工作中，采用添加含钠的盐或含锶中间合金等变质剂 对铝合金溶体进行处理，以改变硅在铝合金中的分布和形态；但在低压铸造的生产条件 下，处理好的铝合金溶体在一定时间内必须保持稳定的变质效果才能满足铝合金车轮性 能的均匀一致，钠盐和锶合金变质存在着变质衰退现象。同时，粗大的不均匀的a枝晶 会造成铝合金车轮的热裂倾向，增大了縮松，造成铝合金车轮的组织致密性下降，往往 导致铝合车轮因漏气而报废,粗大的不均匀的a枝晶也造成了铝合金的力学性能的降低; 因此铝合金车轮对a枝晶的形态分布也有要求。理想的汽车车轮用铝合金组织应由细小 均匀的a枝晶和细小均匀的圆形或椭圆形硅颗粒组成。发明内容本发明的目的在于针对汽车车轮对&356.2合金组织的要求和低压铸造的工艺特性， 设计一种添加多种合金元素的工艺方法，对A356. 2合金进行组织复合细化处理，获得 由细小均匀的a枝晶和细小均匀的蠕虫状或球状硅组成的组织，减少生产过程的废品率， 生产出高质量的铝合金车轮。为实现这样的目的，采用从熔化炉熔化后倒入有搅拌装置的中转包，在对铝合金溶 体进行精炼除气除渣，并加入镁等合金元素调整成份之后，在铝液表面覆盖保护性熔盐 的条件下，添加细化a枝晶和变质硅的各种合金；经过搅拌均匀化，获得合格的铝合金 溶体；铝合金液体倒入低压铸造炉的保温炉，在低压铸造机上制造铝合金汽车车轮。本 发明的内容在于选择复合细化的合金元素和获得细化组织效果的工艺技术方案。本发明的具体的技术工艺路线选择细化a枝晶的合金化元素及其载体通过添加异质核心增加铝合金凝固时结晶 核心，经工艺试验逸择Al3Zr和ZrB最终形成这二种成份作为异质核心，这两种金属化 合物熔点高，颗粒细小且髙度弥散分布在铝液中；铝合金凝固时，作为形核核心细化a 枝晶，并且具有长效作用，促使铝合金铸件组织的a枝晶均匀细小。分别选择BA和含 Zr5^的铝锆中间合金作为加入载体，首先按比例称量一定重量的RA,在烘箱内25(TC 烘干，通过高压氟气吹入中转包的液体铝合金中，搅拌5分钟，使得BA粉状和Al充 分反应，生成B原子分散在铝液体内之后加入块状的铝锆中间合金并搅拌10分钟， 中间合金熔化后释放出Zr原子，分别于铝和培中的B反应生成弥散分布的微小Al3Zr 和ZrB质点。选择细化硅相的合金化元素及载体选择Sr和混合稀土作为复合变质剂细化铝合 金中的硅相，A356.2合金发生共晶凝固时，Sr原子吸附在硅相的表面阻止硅的生长， 细化并使得硅相球化；由于Sr与空气中水蒸汽反应氧化，从而造成铝合金的吸气和Sr 的变质效果衰退，稀土元素的加入有效抑制了铝合金中Sr的氧化反应，减少了铝合金 液体的吸气，防止了 Sr的变质衰退，达到长效变质的效果，满足了低压铸造工艺对铝 合金液体的要求。分别选择含锶10%的铝锶中间合金和含IO懒土的铝稀土中间合金， 粉碎成小块状；称取一定量的两种中间合金，在加入锆铝中间合金之后，先把铝锶中问 合金加入铝液，搅拌2分钟，然后再把铝稀土中间合金加入铝液，搅拌10分钟。经过上述工艺处理的铝液完成了复合细化的工艺处理，可倒入低压铸造保温炉，生 产的铝合金车轮组织细小均匀，力学性能提高，消除了由于力学性能不满足要求而导致 的废品率。本发明的工艺简单，成本低，是实现工业生产时复合细化铝合金组织，提高铝合金 车轮力学性能的新技术。


为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本 发明作进一步详细说明，其中图l是本发明的中转包及其搅拌装置的示意中1、中转包，2、坩埚，3、搅拌叶片，4、加热元件，5、转子，6、通气管，7、 氮气管，8、粉状BA, 9、加料箱，10、连接软管，11、驱动皮带，12、搅拌支架， 图2是没有釆用本发明的铝合金车轮的金相组织 图3是采用氧化硼和铝锆中间合金细化的铝合金车轮的金相组织 图4是仅采用A1-Sr合金变质的铝合金车轮的金相组织 图5是釆用本发明铝锶和铝稀土中间合金实施铝合金车轮的金相组织具体实施方式
用煤气熔化炉熔化A356. 2合金550公斤，把铝液的温度控制在7301C-750'C，倒入 中转包，把搅拌头3插入到离中转包2底部300,的位置，分别加入1 kg的除气和除渣 剂进行精炼除气，打开氮气阀，氣气流量控制在0.5-1.5mVh,氮气压力在0.8-1.5Mpa, 转子5的转速600-800转/分，除气时间在12-16分钟。之后铝液静止10分钟。现在加料箱内加入5 kg的烘干的BA粉末8，开启氮气7，氮气7和BA粉末8混 合，并在氮气7的压力下，氮气7和&03粉末8混合物通过连接软管10,通气管6进入 铝液；转子5在驱动皮带11的驱动下以一定的速度转动，带动叶片3，搅拌铝液，进入 铝液的BA粉末8与铝反应，反应式如下BA+A1(1)—A1A+B，反应生成的B原子皿 到铝液中；氮气7则以气泡的形式存在铝液中，在浮力作用下，氮气气泡上浮，把铝液 中存在和生成的Al203带出铝液。在氮气7气泡上浮和搅拌叶片搅拌的情况下，BA和Al 充分反应，B原子均匀分布在铝液中。关闭氮气，继续搅拌5分钟。向中转包加入1 ^g块状AlZr5 (铝锆中间合金)，Zr溶解到铝液中， 一部分锆与溶解 在铝液中的B反应生成ZrB， 一部分锆与铝反应生成Al3Zr，这两种粒子熔点高，呈高度 弥散状态分布在铝液中，在铝合金铸造凝固过程中，作为A356.2的初生a相的异质t 心。图2是没有采用本发明的铝合金车轮的金相组织，图3是采用氧化硼和铝锆中间细 化后的铝合金车轮的金相组织，通过对比可明显看出，采用本发明的汽车车轮的组织内 a相细小且均匀分布。随后分别加入0. 75 kg的AlSrin (铝锶)合金棒和0. 3 kg的块状AlRe (铝轻稀土) 合金，这两种合金溶入铝液中分别释放出Sr原子和Re原子，在搅拌叶片3的搅拌作用 下，Sr和Re以原子态均匀分布在铝液中，在铝合金凝固发生共晶反应时，吸附在硅相的表面，阻止硅相的生长。图4是仅采用A1-Sr合金的铝合金金相组织内有长条状和块 状的硅相，而采用铝锶中间合金和铝稀土中间合金的硅相呈细小的球状分布。经本发明处理的铝合金试样的力学性能得到综合提高，和常规的变质和细化方法相 比，抗拉强度从214 Mpa提升到达到260Mpa,屈服强度从118 Mpa提升到达到180Mpa， 延伸率则从8%提升到10%。
权利要求
1. 一种复合细化低压铸造汽车车轮铝合金组织的工艺方法，由搅拌装置和添加合金配方及加入工艺方法组成。其特征在于在搅拌条件下先加入烘干的B2O3粉、小块状铝锆中间合金、铝锶中间合金和铝稀土中间合金，B2O3和铝液反应生成原子B，和铝锆中间合金释放出的锆反应生成微小的Al3Zr和ZrB颗粒，作为异质核心起细化初生a相的作用；溶入铝液中的锶和稀土起复合变质硅相的作用，并保持长效稳定的变质作用。
2、 根据权利要求1所述的搅拌装置，其搅拌叶片深入铝液的位置里 铝液底部300mm，其良好的搅拌效果，保证了铝液合金反应及其生成的 颗料均匀，获得均匀一致的复合变质效果。
3、 根据权利要求1所述的加入B203方法，选择粉状的8203,经过 25(TC烘干，通过高压氮所吹入中转包，搅拌5分钟，8203和铝充分反应 释放出原子B均匀分散在铝液中。
4、 根据权利要求1所述的加入铝锆中间合金、铝锶中间合金和铝稀 土中间合金方法，选择小块状的铝锆中间合金、铝锶中间合金和铝稀土中 间合金，加入中转包时不停搅拌，铝锆中间合金的锆释放出来与铝液中B 反应生成均匀分布的微小的Al3Zr和ZrB颗料;铝锶中间合金和铝稀土中 间合金释放出的锶和稀土在铝液中均匀分布，起抑制硅相长大的作用。
全文摘要
本发明涉及一种复合细化低压铸造汽车车轮铝合金组织的工艺方法，有搅拌装置和添加合金配方及加入工艺方法组成。其特征在于在搅拌条件下先后加入烘干的粉状B₂O₃、小块状铝锆中间合金、铝锶中间合金和铝稀土中间合金，B₂O₃和铝液反应生成原子B，和铝锆中间合金释放出的锆反应生成微小的Al₃Zr和ZrB颗粒，作为异质核心起细化初生a相的作用；溶入铝液中的锶和稀土起复合变质硅相的作用，并保持长效稳定的变质作用。采用本发明的方法，获得的铝合金车轮的组织细小均匀，力学性能好。
文档编号C22C21/00GK101240381SQ20071002005
公开日2008年8月13日 申请日期2007年2月9日 优先权日2007年2月9日
发明者赟 于, 孔祥建, 萍 李, 管建国, 胡因行 申请人:江苏凯特汽车部件有限公司