本发明涉及汽车铝合金轮毂制造领域，具体地说，涉及一种纳米颗粒汽车铝轮毂的绿色制造方法。
背景技术：
：我国汽车铝合金轮毂产业已形成了巨大产业规模，全国现有专业化汽车铝轮毂生产企业100多家，汽车铝合金轮毂的产量约占全球总量的60％以上，已成为名符其实的铝轮毂制造和出口大国。但我国铝轮毂制造技术在世界上尚属中等水平，特别是轻量化制造、绿色生产、信息化应用等方面和发达国家差距巨大。汽车铝合金轮毂属于造型复杂、尺寸较大的铸件，铸件壁厚10.0～90.0mm，壁厚很不均匀，其中轮辋区域壁厚10.0～15.0mm，辐条区域20.0～50.0mm，安装盘面区域50.0～90.0mm，安装盘直径150～230mm。为避免铸造宏观缺陷，铸造凝固过程需营造顺序凝固的温度场；而铝轮毂造型的特点决定了铸件在顺序凝固过程轮辋区域过冷度最大，轮辐次之，安装盘面区域过冷度最小。铝轮毂采用铝硅镁系铝合金材料制造，该材料过冷度对铸件金相组织影响非常大，过冷度大的区域铸件金相组织较好，ɑ枝晶细小，共晶硅呈细小的点状或蠕虫状，材料力学性能优良；过冷度小的区域铸件金相组织较差，ɑ枝晶粗大，共晶硅呈板条状或块状，材料力学性能低。因此铝轮毂不同部位的金相组织和力学性能差异巨大。同时为弥补铸件成型过程中材料力学性能的不足，在铸造之后会进行热处理以进一步提升材料的力学性能，行业内热处理工艺包括固溶与时效，工艺一般为：固溶温度535±5℃，保温时间6.0～8.0小时；时效温度150±5℃，保温时间4.0～6.0小时，该工艺虽然对材料的强度与硬度有提升，但生产周期长，能耗非常高；同时时效沉淀析出相颗粒粗大，且分布不均匀，产品性能虽然可以达到普通的轿车和运动车轮毂要求，但无法达到大型、载重车辆的要求；并且，该处理方式无法从根本上解决铸件不同区域力学性能的差异。轮毂为汽车关键的安全零部件，轮辐与安装盘面是应力集中部位，但又是金相组织差、力学性能低的部位；为满足车轮安全特性要求，设计人员依靠增加应力集中部位有效壁厚来增强结构强度，造成我国同规格尺寸轮毂相对欧美国家重1.5～2.5Kg,不能满足汽车轻量化的要求；传统热处理工艺周期长、能耗高，不符合节能绿色制造的要求，也造成了我国铝轮毂在国际市场上竞争优势的不足。因此如何创新均衡铝合金轮金相组织与力学性能差异大的绿色生产技术一直是我国铝轮毂制造行业技术人员重点研究的课题。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术的不足，针对铝合金轮毂性能不高、不同部位铸件金相组织与力学性能差异大、热处理工艺能耗高等问题提供一种提高和均衡力学性能、减轻产品重量、缩短热处理时间的绿色制造工艺。实现以上目的技术方案是：一种纳米颗粒汽车铝轮毂的绿色制造方法，包括材料处理技术、铸件性能均衡技术、热处理技术三个部分：1、材料处理技术：改变行业现有的AL-TI-B细化和AL-Sr变质工艺，采用Al-Ti-C中间合金与Al-Sr-RE中间合金进行变质细化。Al-Ti-C中间合金含钛4.0-5.0％，含碳量0.2-0.5％，该中间合金加入后可产生TiAl3、TiC高熔点异质晶核,TiC晶核形成率远远高于TiB2的晶核率,TiC不易于聚集偏析；Al-Sr-RE中间合金含锶8.0-9.5％，含稀土0.1-0.3％，稀土与熔体内金属反应产生金属间化合物，这些复杂的化合物在铸件凝固过程中可充当异质晶核核心，或者钉扎在晶界上而阻止晶粒长大，并且随着稀土含量的增加，这些异质晶核的数量也随着增加，异质晶核的尺寸随之变小，使细化能力得到进一步提高。实现该技术方案的材料熔炼工艺为：将A356.2铝锭加入熔炼炉融化成745～755℃的铝液保温；将中转包烘烤至600～650℃；将温度745～755℃的A356.2铝溶液倒入500-800Kg的中转包内；将1.0～1.5Kg棒状Al-Ti-C中间合金与1.0～1.5Kg棒状Al-Sr-RE中间合金加入中转包内；将1.5～2.0Kg精炼剂在溶液表面均匀撒一层以氮气为载体采用旋转喷吹方式进行精炼净化。该材料处理方式和传统的变质细化方式相比，可达到更好的细化和成分均匀的效果，整体上促进铝轮毂力学性能的提升。2、铸件性能均衡技术该技术主要通过设计一套装置实现铸件性能均衡，该装置包括保温炉、边模、顶模、顶模外环风管、顶模内环风管、顶模分流锥风管、超声波换能器(一)、超声波换能器(二)、底模、底模内环风管、底模外环风管、电磁搅拌器、升液管、导线与系统控制柜。边模有四块组成，边模、顶模与底模组成铸造金属模具；铸造金属模具通过升液管与保温炉相连接，通过系统控制柜控制铸造生产。在顶模区域即相对应的轮毂轮辐与安装盘面连接区域安装顶模外环风管，在顶模区域即相对应的轮毂安装盘面区域安装顶模内环风管，在顶模中心区域安装分流锥风管，分流锥风管仅有一个，顶模外环风管与顶模内环风管依据车轮造型、辐条数量与安装盘直径大小设计5～9个吹风冷却点。在底模9浇口周围安装底模内环风管与底模外环风管，依据车轮造型、辐条数量与安装盘直径大小底模内环风管与底模外环风管设计5～9个吹风冷却点；每一个风管风压大小、开启与关闭由系统控制柜15控制，参数范围为表(1)，通过各风管吹风营造顺序凝固温度场，加大壁厚区域冷却，缩短铸造周期，增强相对应区域结晶凝固过冷度，改善铸件壁厚区域金相组织，提升该区域力学性能。表(1)在顶模相对应的轮毂安装盘面区域安装超声波换能器(一)，在顶模相对应的轮毂轮辐与安装盘面连接区域安装超声波换能器(二)，超声波换能器(一)与超声波换能器(二)依据车轮造型、辐条数量与安装盘面直径大小可设计5～9个，通过导线与系统控制柜相连接，系统控制柜内安装有超声波发射器，其每一个超声波换能器所发出的频率与强度、开启与关闭由系统控制柜控制，参数范围为表(2),该设计可在铸件结晶凝固过程通过超声波振动将初始结晶凝固的ɑ枝晶骨架与结晶析出的共晶硅骨架振碎，增加结晶凝固的质点，阻止ɑ枝晶与共晶硅进一步长大，改善铸件壁厚区域金相组织，提升该区域力学性能；表(2)超声场超声波换能器一超声波换能器二等待开启时间260～320S120～180S动作关闭时间300～350S260～320S频率20～30kHz20～30kHz强度1.5KW～10KW/m21.5KW～10KW/m2在底模相对应轮毂铸件厚大区域下方安装环状电磁搅拌器，电磁搅拌器通过导线与系统控制柜连接，电磁搅拌器的参数范围为表(3)，通过施加电磁场可对型腔内熔体进行有效搅拌，促使TiAl3、TiC异质晶核质点高度弥散均匀分布，避免异质晶核在结晶凝固过程聚集长大，增强晶粒细化效果；表(3)3、热处理技术通过以上技术方案处理过的铝合金铸件壁厚区域与壁薄区域金相组织基本一致，ɑ枝晶细小均匀，共晶硅呈点状或蠕虫状并且分布均匀，材料力学性能更高，在此基础上，可缩短热处理工艺固溶和时效时间。对经过以上技术方案处理过的铝合金铸件设计固溶温度535±5℃，保温时间1.5～2.5小时。时效工艺将表面处理中的烘烤视为时效第二阶段，即正常的热处理流程时效第一阶段温度125±5℃，保温时间1.0～1.5小时；在原有工序中的表面处理中的烘烤即为时效第二阶段，该阶段温度150±5℃，保温时间1.0～1.5小时。在分阶时效工艺中，第一阶段低温时效处理可得到细小高度弥散的沉淀强化相，在第二阶段较高温时效过程将以第一阶段低温时效形成的高度弥散的析出相为质点晶核，持续强化金属材料，提升材料的强韧性能，通过该工艺可得到高度弥散的纳米级沉淀强化相颗粒，颗粒形状大部分呈圆球状，颗粒直径在30～80nm。本发明的优点为：通过Al-Ti-C中间合金与Al-Sr-RE中间合金进行变质细化，首先取得更好的细化、均匀效果；在铸件结晶凝固过程对铸件厚大区域施加超声场与电磁场复合作用，有效解决传统工艺铸件壁薄区域与壁厚区域因结晶过冷度差异造成金相组织差异，有效控制铸件壁厚区域ɑ枝晶，使之更细小均匀，共晶硅呈点状或蠕虫状；优良的金相组织为减轻产品重量、缩短热处理固溶时间以及提升金属力学性能奠定基础，经对比可使20—34英寸产品平均减轻1-2公斤，热处理时间缩短3-6小时，材料的综合力学性能提高20％以上。附图说明图1为本发明铸件材料性能均衡装置结构示意图。具体的实施方式一种纳米颗粒汽车铝轮毂的绿色制造方法。，包括材料处理技术、铸件性能均衡技术、热处理技术三个部分：1、材料处理技术：采用Al-Ti-C中间合金与Al-Sr-RE中间合金进行变质细化。Al-Ti-C中间合金含钛5.0％、含碳量0.3％，Al-Sr-RE中间合金含锶8.5％，含稀土0.2％；将A356.2铝锭加入熔炼炉融化成750℃的铝液保温，将中转包烘烤至600℃；将温度750℃的A356.2铝溶液倒入600Kg的中转包内；将1Kg棒状Al-Ti-C中间合金与1Kg棒状Al-Sr-RE中间合金加入中转包内；将1.5Kg精炼剂在溶液表面均匀撒一层以氮气为载体采用旋转喷吹方式进行精炼净化。2、铸件性能均衡技术设计一个铸件性能均衡装置，该装置包括保温炉1、边模2、顶模3、顶模外环风管4、顶模内环风管5、顶模分流锥风管6、超声波换能器一(7)、超声波换能器二(8)、底模9、底模内环风管10、底模外环风管11、电磁搅拌器12、升液管13、导线14与系统控制柜15。边模2有四块组成，边模2、顶模3与底模9组成铸造金属模具，铸造金属模具通过升液管13与保温炉1相连接，通过系统控制柜15控制铸造生产。在顶模3相对应的轮毂轮辐与安装盘面连接的区域安装顶模外环风管4，在相对应的轮毂安装盘面区域安装顶模内环风管5，在顶模中心区域安装分流锥风管6，分流锥风管6仅有一个，顶模外环风管4与顶模内环风管5依据车轮造型、辐条数量与安装盘面直径设置5个吹风冷却点；在底模9浇口周围安装底模内环风管10与底模外环风管11，依据车轮造型、辐条数量与安装盘面直径设置5个；每一个风管风压、开启与关闭由系统控制柜15控制，参数为表(1)；表(1)在顶模3相对应安装盘面区域安装超声波换能器一(7)，在顶模3相对应轮辐与安装盘面连接的区域安装超声波换能器二(8)，超声波换能器一(7)与超声波换能器一(8)依据车轮造型、辐条数量与安装盘面直径设置5个，通过导线14与系统控制柜15相连接，系统控制柜15内安装有超声波发射器，其每一个超声波换能器所发出的频率与强度、开启与关闭由系统控制柜15控制，参数为表(2)；表(2)超声场超声波换能器7超声波换能器8等待开启时间160S120S动作关闭时间300S260S频率25kHz25kHz强度4.5KW/m24.5KW/m2在底模9相对应铸件厚大区域下方安装环状电磁搅拌器12，电磁搅拌器12通过导线14与系统控制柜15连接，电磁搅拌器12的参数范围为表(3)，表(3)电磁场电磁搅拌器工作参数等待开启时间10S动作关闭时间300S频率10Hz工作电流10A工作电压380V3、热处理技术对经过以上技术方案处理过的铝合金铸件经固溶温度535±5℃，保温时间2.0小时；时效工艺为：时效第一阶段温度125±5℃，保温时间1.5小时，时效第二阶段温度150±5℃，保温时间1.0小时。通过以上技术方案所制造铝合金轮毂与传统工艺制备的铝合金轮毂力学性能对比如表(4)表(4)当前第1页1 2 3