本发明涉及汽车轮毂领域，特别是涉及一种铝合金轮毂铸造成型方法。
背景技术：
汽车车轮在行驶过程中高速转动，并承载着汽车重量、扭动扭矩和其他应力，要求车轮材料有高强度、高弹性模量等力学性能，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。
铝合金具有流动性好，无热裂倾向，线收缩小，比重小，耐蚀性好等优良特性，是汽车轮毂的主要使用材料。然而现有的方法制备得到的铝合金轮毂，通常结构不致密，容易产生疏松、夹孔等铸造缺陷，铝合金的铸态组织晶粒粗大，力学性能较低。需要在熔炼过程中单独加入晶粒细化剂等物质，使铝合金的铸态组织得到细化。但由于在熔炼过程中添加的晶粒细化剂等物质不易在铝液中均匀分散，从而导致了整个铝合金的铸态组织不均匀、成分不均一，影响后续的产品性能监测。
技术实现要素：
基于此，本发明的目的在于，提供一种铝合金轮毂铸造成型方法，制备得到的铝合金轮毂组织结构致密，机械性能优异。
一种铝合金轮毂铸造成型方法，包括以下步骤：
S1：通过熔盐电解法制备铝锭：将二氧化硅加入冰晶石体系的电解质中，加热使二氧化硅溶解后，向电解质中加入金属铝和稀土氧化物，于970-980℃进行电解，得到各元素质量分数为Al 92.2-94.9％、Si 6.3-7.6、Re 0.02-0.07％、杂质≤0.2％的铝锭；其中，所述铝、二氧化硅和稀土氧化物的质量百分比为(91.5～93.9)％：(6.0～8.3)％：(0.01～0.15)％；所述冰晶石体系电解质为氟化钠、氟化铝和氟化镁，三者的摩尔比为6:3:1；所述稀土氧化物的稀土元素为钆、钐或钕中的任意一种或多种混合；
S2：在熔炉中加入铝锭，升高温度至700-740℃，待铝锭熔化后，机械搅拌均匀；
S3：在温度700-710℃下，向S2中的铝液中加入精炼剂，加入量为铝液质量的0.4～0.8％，静置后，除去铝液表面的浮渣；
S4：在温度700-710℃下，向S3中预精炼后的滤液中加入铝-镍-磷中间合金，加入量为铝液质量的0.1％-0.4％，机械搅拌均匀后静置；然后加入纳米氧化锡纤维，加入量为铝液质量的0.05％-0.2％；
S5：检测铝液密度，使铝液的密度大于或等于2.667g/cm3；若密度小于2.667g/cm3，重复S3，直至密度大于或等于2.667g/cm3；
S6：将铝液浇注到预热的轮毂模具中，将轮毂模具快速冷却至-10～-20℃，待铝液凝固后起模，得到铝合金轮毂。
进一步，所述S1中，铝、二氧化硅和稀土氧化物的质量百分比为(91.5～93.9)％：(6.0～8.3)％：(0.01～0.15)％；所述冰晶石体系电解质为氟化钠、氟化铝和氟化镁，三者的摩尔比为6:3:1；所述稀土氧化物的稀土元素为钆、钐或钕中的任意一种或多种混合。铝能够有效还原硅，再进一步熔盐电解得到含硅和稀土元素的铝合金，有效改善铝合金的性能。
进一步，所述精炼剂包括0.5-1.5份稀土、20-30份氯化钠、10-20份氯化钾。稀土能够将氧化铝还原成铝，使铝液中的氧化铝夹杂物含量明显降低，从而减少了氢气的形核基底，降低了铝合金中的孔隙率，并且，稀土会与氢发生相互作用生成稳定的稀土氢化物，从而改变了氢在铝液中的状态，降低了铝液中游离氢的含量，进一步降低铝合金中的孔隙率，由于铝锭中原含有稀土元素，精炼剂中的稀土作为补充只加少量即可达到效果；氯化钠和氯化钾能够有效除去铝液中的杂质。
进一步，所述铝-镍-磷中间合金的制备步骤如下：按重量百分比Al：Ni：P＝(85％～95％)：(4％～12％)：(1％～5％)称取所需量的Al、Ni和P，通过一层P一层石灰石隔离叠成加入感应炉中，适当压紧；然后先将Al和Ni共同熔化混合均匀后，倒入感应炉中，使合金液由上至下渗入P层，通过感应炉保证炉内合金液不凝固，机械搅拌使合金液均匀，然后急速冷却使其凝固，得到Al-Ni-P中间合金。制备得到的Al-Ni-P中间合金组织均一稳定。
进一步，所述铝-镍-磷中间合金和纳米氧化锡纤维的加入量的质量比为4:1～1:2。铝-镍-磷中间合金和纳米氧化锡纤维按照一定比例配合，二者共同作用，使铝合金中的组织得到了更好的细化，减少了铸造缺陷，铝合金的综合性能得到了明显的提高。
进一步，所述铝-镍-磷中间合金和纳米氧化锡纤维的加入量的质量比为2:1。
进一步，所述S3中还包括，在加入精炼剂后，从熔炉下方向铝液中连续通入高纯氩10-15min，然后再静置，除去铝液表面的浮渣。从下方通入高纯氩，能够带动杂质或气体等由下至上全部从铝液表面排出，避免从上至下通导致的杂质或气体排除不净。
进一步，所述S1中熔盐电解的阴极是石墨电极，阳极是铁镍合金。
进一步，所述S2中使用涂有耐火涂层的钛棒进行机械搅拌。耐火涂层能够避免机械搅拌的搅拌棒的成分在高温条件下熔入铝液中，影响铝液成分；且钛棒的熔点很高，在铝液熔炼过程中不会熔入铝液中。
进一步，所述S6中在将铝液浇注到预热的轮毂模具前，在熔炉内部放置滤网，使铝液注入模具之前再次过滤除去杂质。
本发明具有如下优点：
1.本发明在熔盐电解法制备铝合金时，加入二氧化硅，通过铝还原得到硅，并且加入稀土氧化物，使制备得到的铝锭含有硅及稀土元素，在后续熔炼过程中，铝锭中原有的稀土能均匀分散于铝液中，稀土能够将氧化铝还原成铝，使铝液中的氧化铝夹杂物含量明显降低，从而减少了氢气的形核基底，降低了铝合金中的孔隙率。并且，稀土会与氢发生相互作用生成稳定的稀土氢化物，从而改变了氢在铝液中的状态，降低了铝液中游离氢的含量，进一步降低铝合金中的孔隙率。
2.通过加入铝-镍-磷中间合金和纳米氧化锡纤维二者共同作用，铝-镍-磷中间合金作为细化剂加入铝液中，Al-Ni-P中的Ni3Al周围形成Ni2P的保护层，阻止了Ni3Al的熔化，通过磷的扩散形成一个富Ni的液态相区，形核在该区发生，从而细化晶粒。而纳米氧化锡纤维的加入，能够诱导形核中心沿纤维方向排列，使各处的形核中心分布均匀，晶粒细化均匀。铸造得到的铝合金轮毂的综合性能得到了明显的提高。
3.在熔炼过程中，通过密度检测监控铝液中的含氢量，控制含氢量在合理范围内，及时避免含氢量过高导致的合金组织结构的缺陷。
具体实施方式
本发明的铝合金轮毂铸造成型方法，包括以下步骤：
S1：通过熔盐电解法制备铝锭：将二氧化硅加入冰晶石体系的电解质中，加热使二氧化硅溶解后，向电解质中加入金属铝和稀土氧化物，于970-980℃进行电解，得到各元素质量分数为Al 92.2-94.9％、Si 6.3-7.6、Re 0.02-0.07％、杂质≤0.2％的铝锭；其中，所述铝、二氧化硅和稀土氧化物的质量百分比为(91.5～93.9)％：(6.0～8.3)％：(0.01～0.15)％；所述冰晶石体系电解质为氟化钠、氟化铝和氟化镁，三者的摩尔比为6:3:1；所述稀土氧化物的稀土元素为钆、钐或钕中的任意一种或多种混合；
S2：在熔炉中加入铝锭，升高温度至700-740℃，待铝锭熔化后，机械搅拌均匀；
S3：在温度700-710℃下，向S2中的铝液中加入精炼剂，加入量为铝液质量的0.4～0.8％，静置后，除去铝液表面的浮渣；
S4：在温度700-710℃下，向S3中预精炼后的滤液中加入铝-镍-磷中间合金，加入量为铝液质量的0.1％-0.4％，机械搅拌均匀后静置；然后加入纳米氧化锡纤维，加入量为铝液质量的0.05％-0.2％；
S5：检测铝液密度，使铝液的密度大于或等于2.667g/cm3；若密度小于2.667g/cm3，重复S3，直至密度大于或等于2.667g/cm3；
S6：将铝液浇注到预热的轮毂模具中，将轮毂模具快速冷却至-10～-20℃，待铝液凝固后起模，得到铝合金轮毂。
相对于现有技术，本发明在熔盐电解法制备铝锭时，加入稀土氧化物，使制备得到的铝锭含有稀土元素，稀土能够将氧化铝还原成铝，使铝液中的氧化铝夹杂物含量明显降低，从而减少了氢气的形核基底，降低了铝合金中的孔隙率。并且，稀土会与氢发生相互作用生成稳定的稀土氢化物，从而改变了氢在铝液中的状态，降低了铝液中游离氢的含量，进一步降低铝合金中的孔隙率。避免在后续熔炼过程中大量加入其它试剂，造成的试剂分散不均匀，从而导致的铝合金的铸态组织不均匀、成分不均匀，影响轮毂的机械性能。
实施例1
本发明的铝合金轮毂铸造成型方法，包括以下步骤：
S1：通过熔盐电解法制备铝锭：将二氧化硅加入冰晶石体系的电解质中，加热使二氧化硅溶解后，向电解质中加入金属铝和稀土氧化物，于970-980℃进行电解，得到各元素质量分数为Al 92.2-94.9％、Si 6.3-7.6、Re 0.02-0.07％、杂质≤0.2％的铝锭；其中，所述铝、二氧化硅和稀土氧化物的质量百分比为(91.5～93.9)％：(6.0～8.3)％：(0.01～0.15)％；所述冰晶石体系电解质为氟化钠、氟化铝和氟化镁，三者的摩尔比为6:3:1；所述稀土氧化物的稀土元素为钆、钐或钕中的任意一种或多种混合。在本实施例中，所述铝、二氧化硅和稀土氧化物的质量百分比为91.5％：8.3％：0.02％。熔盐电解的阴极是石墨电极，阳极是铁镍合金。
S2：在熔炉中加入铝锭，升高温度至700-740℃，待铝锭熔化后，使用涂有耐火涂层的钛棒进行机械搅拌。
S3：在温度700-710℃下，向S2中的铝液中通过高纯氩喷入精炼剂，加入量为铝液质量的0.6％，然后从熔炉下方向铝液中通入高纯氩10-15min后，静置1min，除去铝液表面的浮渣。其中，所述精炼剂包括1份稀土、30份氯化钠、20份氯化钾。稀土能够将氧化铝还原成铝，使铝液中的氧化铝夹杂物含量明显降低，从而减少了氢气的形核基底，降低了铝合金中的孔隙率。并且，稀土会与氢发生相互作用生成稳定的稀土氢化物，从而改变了氢在铝液中的状态，降低了铝液中游离氢的含量，进一步降低铝合金中的孔隙率。氯化钠和氯化钾能够有效除去铝液中的杂质。
S4：在温度700-710℃下，向S3中预精炼后的滤液中加入铝-镍-磷中间合金，加入量为铝液质量的0.25％，机械搅拌均匀后静置1min；加入纳米氧化锡纤维，加入量为铝液质量的0.1％。铝-镍-磷中间合金作为细化剂加入铝液中，Al-Ni-P中的Ni3Al周围形成Ni2P的保护层，阻止了Ni3Al的熔化，通过磷的扩散形成一个富Ni的液态相区，形核在该区发生，从而细化晶粒。而纳米氧化锡纤维的加入，能够诱导形核中心沿纤维方向排列，使各处的形核中心分布均匀，晶粒细化均匀。
S5：通过密度检测仪检测铝液密度，使铝液的密度大于或等于2.667g/cm3，控制铝液中的含氢量；若密度小于2.667g/cm3，重复S3，直至密度大于或等于2.667g/cm3。通过密度检测监控铝液中的含氢量，控制含氢量在合理范围内，避免含氢量过高导致的合金组织结构的缺陷。
S6：将铝液浇注到预热的轮毂模具中，在熔炉内部放置滤网，使铝液注入模具之前再次过滤除去杂质，将轮毂模具快速冷却至-10～-20℃，待铝液凝固后起模，得到铝合金轮毂。通过降低模具的温度，提高铝液的冷却速度，促进铝液快速固化，细化晶粒。
其中，所述铝-镍-磷中间合金通过熔化合成法制备得到，具体步骤是：按重量百分比Al-Ni：P＝(85％～95％)：(4％～12％)：(1％～5％)称取所需量的Al、Ni和P，通过一层P一层石灰石隔离叠成加入感应炉中，适当压紧，避免P层过松，加入Al、Ni后P喷溅损耗；避免P层过紧，Al、Ni熔化后难以与P混合均匀。然后先将Al和Ni共同熔化混合均匀后，倒入感应炉中，使合金液由上至下渗入P层，通过感应炉保证炉内合金液不凝固，机械搅拌使合金液均匀，然后急速冷却使其凝固，得到Al-Ni-P中间合金。在本实施例中，所述Al-Ni-P中间合金按重量百分比为95％：4％：1％。
相对于现有技术，本实施例制备得到的铝合金轮毂，在铝锭制备初期加入硅和稀土元素，硅有效改善铝合金的机械性能，并且熔炼过程中稀土元素在铝液中均匀分散，使得铸态组织均匀，晶粒细化均匀。并且，Al-Ni-P中间合金和纳米氧化锡纤维二者共同作用，Al-Ni-P中间合金作为细化剂加入铝液中，Al-Ni-P中的Ni3Al周围形成Ni2P的保护层，阻止了Ni3Al的熔化，通过磷的扩散形成一个富Ni的液态相区，形核在该区发生，从而细化晶粒。而纳米氧化锡纤维的加入，能够诱导形核中心沿纤维方向排列，使各处的形核中心分布均匀，晶粒细化均匀，有效提高铝合金轮毂的机械性能。
实施例2
本发明的铝合金轮毂铸造成型方法，包括以下步骤：
S1：通过熔盐电解法制备铝锭：将二氧化硅加入冰晶石体系的电解质中，加热使二氧化硅溶解后，向电解质中加入金属铝和稀土氧化物，于970-980℃进行电解，得到各元素质量分数为Al 92.2-94.9％、Si 6.3-7.6、Re 0.02-0.07％、杂质≤0.2％的铝锭；其中，所述铝、二氧化硅和稀土氧化物的质量百分比为(91.5～93.9)％：(6.0～8.3)％：(0.01～0.15)％；所述冰晶石体系电解质为氟化钠、氟化铝和氟化镁，三者的摩尔比为6:3:1；所述稀土氧化物的稀土元素为钆、钐或钕中的任意一种或多种混合。在本实施例中，所述铝、二氧化硅和稀土氧化物的质量百分比为93.9％：6.0％：0.01％。
S2：在熔炉中加入铝锭，升高温度至700-740℃，待铝锭熔化后，使用涂有耐火涂层的钛棒进行机械搅拌。
S3：在温度700-710℃下，向S2中的铝液中通过高纯氩喷入精炼剂，加入量为铝液质量的0.8％，然后从熔炉下方向铝液中通入高纯氩10-15min后，静置1min，除去铝液表面的浮渣。其中，所述精炼剂包括0.5份稀土、20份氯化钠、10份氯化钾。稀土能够将氧化铝还原成铝，使铝液中的氧化铝夹杂物含量明显降低，从而减少了氢气的形核基底，降低了铝合金中的孔隙率。并且，稀土会与氢发生相互作用生成稳定的稀土氢化物，从而改变了氢在铝液中的状态，降低了铝液中游离氢的含量，进一步降低铝合金中的孔隙率。氯化钠和氯化钾能够有效除去铝液中的杂质。
S4：在温度700-710℃下，向S3中预精炼后的滤液中加入铝-镍-磷中间合金，加入量为铝液质量的0.4％，机械搅拌均匀后静置1min；加入纳米氧化锡纤维，加入量为铝液质量的0.2％。铝-镍-磷中间合金作为细化剂加入铝液中，Al-Ni-P中的Ni3Al周围形成Ni2P的保护层，阻止了Ni3Al的熔化，通过磷的扩散形成一个富Ni的液态相区，形核在该区发生，从而细化晶粒。而纳米氧化锡纤维的加入，能够诱导形核中心沿纤维方向排列，使各处的形核中心分布均匀，晶粒细化均匀。
S5：通过密度检测仪检测铝液密度，使铝液的密度大于或等于2.667g/cm3，控制铝液中的含氢量；若密度小于2.667g/cm3，重复S3，直至密度大于或等于2.667g/cm3。通过密度检测监控铝液中的含氢量，控制含氢量在合理范围内，避免含氢量过高导致的合金组织结构的缺陷。
S6：将铝液浇注到预热的轮毂模具中，在熔炉内部放置滤网，使铝液注入模具之前再次过滤除去杂质，将轮毂模具快速冷却至-10～-20℃，待铝液凝固后起模，得到铝合金轮毂。通过降低模具的温度，提高铝液的冷却速度，促进铝液快速固化，细化晶粒。
其中，所述铝-镍-磷中间合金通过熔化合成法制备得到，具体步骤是：按重量百分比Al-Ni：P＝(85％～95％)：(4％～12％)：(1％～5％)称取所需量的Al、Ni和P，通过一层P一层石灰石隔离叠成加入感应炉中，适当压紧，避免P层过松，加入Al、Ni后P喷溅损耗；避免P层过紧，Al、Ni熔化后难以与P混合均匀。然后先将Al和Ni共同熔化混合均匀后，倒入感应炉中，使合金液由上至下渗入P层，通过感应炉保证炉内合金液不凝固，机械搅拌使合金液均匀，然后急速冷却使其凝固，得到Al-Ni-P中间合金。在本实施例中，所述Al-Ni-P中间合金按重量百分比为90％：5％：5％。
实施例3
本发明的铝合金轮毂铸造成型方法，包括以下步骤：
S1：通过熔盐电解法制备铝锭：将二氧化硅加入冰晶石体系的电解质中，加热使二氧化硅溶解后，向电解质中加入金属铝和稀土氧化物，于970-980℃进行电解，得到各元素质量分数为Al 92.2-94.9％、Si 6.3-7.6、Re 0.02-0.07％、杂质≤0.2％的铝锭；其中，所述铝、二氧化硅和稀土氧化物的质量百分比为(91.5～93.9)％：(6.0～8.3)％：(0.01～0.15)％；所述冰晶石体系电解质为氟化钠、氟化铝和氟化镁，三者的摩尔比为6:3:1；所述稀土氧化物的稀土元素为钆、钐或钕中的任意一种或多种混合。在本实施例中，所述铝、二氧化硅和稀土氧化物的质量百分比为92％：7.5％：0.5％。
S2：在熔炉中加入铝锭，升高温度至700-740℃，待铝锭熔化后，使用涂有耐火涂层的钛棒进行机械搅拌。
S3：在温度700-710℃下，向S2中的铝液中通过高纯氩喷入精炼剂，加入量为铝液质量的0.4％，然后从熔炉下方向铝液中通入高纯氩10-15min后，静置1min，除去铝液表面的浮渣。其中，所述精炼剂包括1.5份稀土、25份氯化钠、15份氯化钾。稀土能够将氧化铝还原成铝，使铝液中的氧化铝夹杂物含量明显降低，从而减少了氢气的形核基底，降低了铝合金中的孔隙率。并且，稀土会与氢发生相互作用生成稳定的稀土氢化物，从而改变了氢在铝液中的状态，降低了铝液中游离氢的含量，进一步降低铝合金中的孔隙率。氯化钠和氯化钾能够有效除去铝液中的杂质。
S4：在温度700-710℃下，向S3中预精炼后的滤液中加入铝-镍-磷中间合金，加入量为铝液质量的0.1％，机械搅拌均匀后静置1min；加入纳米氧化锡纤维，加入量为铝液质量的0.05％。铝-镍-磷中间合金作为细化剂加入铝液中，Al-Ni-P中的Ni3Al周围形成Ni2P的保护层，阻止了Ni3Al的熔化，通过磷的扩散形成一个富Ni的液态相区，形核在该区发生，从而细化晶粒。而纳米氧化锡纤维的加入，能够诱导形核中心沿纤维方向排列，使各处的形核中心分布均匀，晶粒细化均匀。
S5：通过密度检测仪检测铝液密度，使铝液的密度大于或等于2.667g/cm3，控制铝液中的含氢量；若密度小于2.667g/cm3，重复S3，直至密度大于或等于2.667g/cm3。通过密度检测监控铝液中的含氢量，控制含氢量在合理范围内，避免含氢量过高导致的合金组织结构的缺陷。
S6：将铝液浇注到预热的轮毂模具中，在熔炉内部放置滤网，使铝液注入模具之前再次过滤除去杂质，将轮毂模具快速冷却至-10～-20℃，待铝液凝固后起模，得到铝合金轮毂。通过降低模具的温度，提高铝液的冷却速度，促进铝液快速固化，细化晶粒。
其中，所述铝-镍-磷中间合金通过熔化合成法制备得到，具体步骤是：按重量百分比Al-Ni：P＝(85％～95％)：(4％～12％)：(1％～5％)称取所需量的Al、Ni和P，通过一层P一层石灰石隔离叠成加入感应炉中，适当压紧，避免P层过松，加入Al、Ni后P喷溅损耗；避免P层过紧，Al、Ni熔化后难以与P混合均匀。然后先将Al和Ni共同熔化混合均匀后，倒入感应炉中，使合金液由上至下渗入P层，通过感应炉保证炉内合金液不凝固，机械搅拌使合金液均匀，然后急速冷却使其凝固，得到Al-Ni-P中间合金。在本实施例中，所述Al-Ni-P中间合金按重量百分比为85％：12％：3％。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。