專利名稱：低壓鑄造汽車車輪用鋁合金組織的復合細化的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種低壓鑄造汽車車輪的鋁合金熔體處理，應用于生產高性能鋁合金汽 車車輪。
技術背景汽車車輪在行駛過程中高速回轉，并承載著汽車重量、驅動扭矩和路面不平產生的 各種復雜應力，要求車輪材料有高強度、高彈性模量和高的疲勞強度，以滿足汽車產品 規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，由于制造工藝復雜，質量重以及車輪表面質量不能滿足現代汽車發展的要求，汽車車輪材料已經由鋁合金取代了鋼板；由于重量輕、耐腐蝕、加工方法簡單、良好的 常溫和低溫沖擊韌性以及優良的外觀質量等特性，鋁合金在汽車車輪上的應用不斷增加，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 位熱模鍛設備，獲得的車輪內部組織致密性高，缺陷少，力學性能好，滿足了汽車車輪 的使用要求；但全套鍛壓設備投資都在一億元左右，并且制造成本高，加上鍛壓工藝復 雜，在經濟上沒有規模化應用的前景。目前鋁合金車輪廣泛采用低壓鑄造法生產，合金牌號為A356.2。 A356.2為亞共晶 鋁硅合金，其含硅量為7%左右，其常規組織為不均勻的a枝晶間分布著粗大的塊狀和針 狀硅，硅的形態引起應力集中現象，降低了鋁合金的抗拉強度等力學性能和延伸率等閃 讓塑性，同時加大了凝固時的熱裂和縮松傾向，降低了鋁合金車輪的機械性能；為減少 不規則硅形態的有害作用，在實際工作中，采用添加含鈉的鹽或含鍶中間合金等變質劑 對鋁合金溶體進行處理，以改變硅在鋁合金中的分布和形態；但在低壓鑄造的生產條件 下，處理好的鋁合金溶體在一定時間內必須保持穩定的變質效果才能滿足鋁合金車輪性 能的均勻一致，鈉鹽和鍶合金變質存在著變質衰退現象。同時，粗大的不均勻的a枝晶 會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 導致鋁合車輪因漏氣而報廢,粗大的不均勻的a枝晶也造成了鋁合金的力學性能的降低; 因此鋁合金車輪對a枝晶的形態分布也有要求。理想的汽車車輪用鋁合金組織應由細小 均勻的a枝晶和細小均勻的圓形或橢圓形硅顆粒組成。發明內容本發明的目的在于針對汽車車輪對&356.2合金組織的要求和低壓鑄造的工藝特性， 設計一種添加多種合金元素的工藝方法，對A356. 2合金進行組織復合細化處理，獲得 由細小均勻的a枝晶和細小均勻的蠕蟲狀或球狀硅組成的組織，減少生產過程的廢品率， 生產出高質量的鋁合金車輪。為實現這樣的目的，采用從熔化爐熔化后倒入有攪拌裝置的中轉包，在對鋁合金溶 體進行精煉除氣除渣，并加入鎂等合金元素調整成份之后，在鋁液表面覆蓋保護性熔鹽 的條件下，添加細化a枝晶和變質硅的各種合金；經過攪拌均勻化，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，在低壓鑄造機上制造鋁合金汽車車輪。本 發明的內容在于選擇復合細化的合金元素和獲得細化組織效果的工藝技術方案。本發明的具體的技術工藝路線選擇細化a枝晶的合金化元素及其載體通過添加異質核心增加鋁合金凝固時結晶 核心，經工藝試驗逸擇Al3Zr和ZrB最終形成這二種成份作為異質核心，這兩種金屬化 合物熔點高，顆粒細小且髙度彌散分布在鋁液中；鋁合金凝固時，作為形核核心細化a 枝晶，并且具有長效作用，促使鋁合金鑄件組織的a枝晶均勻細小。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25(TC 烘干，通過高壓氟氣吹入中轉包的液體鋁合金中，攪拌5分鐘，使得BA粉狀和Al充 分反應，生成B原子分散在鋁液體內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反應生成彌散分布的微小Al3Zr 和ZrB質點。選擇細化硅相的合金化元素及載體選擇Sr和混合稀土作為復合變質劑細化鋁合 金中的硅相，A356.2合金發生共晶凝固時，Sr原子吸附在硅相的表面阻止硅的生長， 細化并使得硅相球化；由于Sr與空氣中水蒸汽反應氧化，從而造成鋁合金的吸氣和Sr 的變質效果衰退，稀土元素的加入有效抑制了鋁合金中Sr的氧化反應，減少了鋁合金 液體的吸氣，防止了 Sr的變質衰退，達到長效變質的效果，滿足了低壓鑄造工藝對鋁 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。經過上述工藝處理的鋁液完成了復合細化的工藝處理，可倒入低壓鑄造保溫爐，生 產的鋁合金車輪組織細小均勻，力學性能提高，消除了由于力學性能不滿足要求而導致 的廢品率。本發明的工藝簡單，成本低，是實現工業生產時復合細化鋁合金組織，提高鋁合金 車輪力學性能的新技術。


為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面根據具體實施例并結合附圖，對本 發明作進一步詳細說明，其中圖l是本發明的中轉包及其攪拌裝置的示意中1、中轉包，2、坩堝，3、攪拌葉片，4、加熱元件，5、轉子，6、通氣管，7、 氮氣管，8、粉狀BA, 9、加料箱，10、連接軟管，11、驅動皮帶，12、攪拌支架， 圖2是沒有釆用本發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化的鋁合金車輪的金相組織 圖4是僅采用A1-Sr合金變質的鋁合金車輪的金相組織 圖5是釆用本發明鋁鍶和鋁稀土中間合金實施鋁合金車輪的金相組織具體實施方式
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 中轉包，把攪拌頭3插入到離中轉包2底部300,的位置，分別加入1 kg的除氣和除渣 劑進行精煉除氣，打開氮氣閥，氣氣流量控制在0.5-1.5mVh,氮氣壓力在0.8-1.5Mpa, 轉子5的轉速600-800轉/分，除氣時間在12-16分鐘。之后鋁液靜止10分鐘。現在加料箱內加入5 kg的烘干的BA粉末8，開啟氮氣7，氮氣7和BA粉末8混 合，并在氮氣7的壓力下，氮氣7和&03粉末8混合物通過連接軟管10,通氣管6進入 鋁液；轉子5在驅動皮帶11的驅動下以一定的速度轉動，帶動葉片3，攪拌鋁液，進入 鋁液的BA粉末8與鋁反應，反應式如下BA+A1(1)—A1A+B，反應生成的B原子皿 到鋁液中；氮氣7則以氣泡的形式存在鋁液中，在浮力作用下，氮氣氣泡上浮，把鋁液 中存在和生成的Al203帶出鋁液。在氮氣7氣泡上浮和攪拌葉片攪拌的情況下，BA和Al 充分反應，B原子均勻分布在鋁液中。關閉氮氣，繼續攪拌5分鐘。向中轉包加入1 ^g塊狀AlZr5 (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反應生成ZrB， 一部分鋯與鋁反應生成Al3Zr，這兩種粒子熔點高，呈高度 彌散狀態分布在鋁液中，在鋁合金鑄造凝固過程中，作為A356.2的初生a相的異質t 心。圖2是沒有采用本發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 化后的鋁合金車輪的金相組織，通過對比可明顯看出，采用本發明的汽車車輪的組織內 a相細小且均勻分布。隨后分別加入0. 75 kg的AlSrin (鋁鍶)合金棒和0. 3 kg的塊狀AlRe (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以原子態均勻分布在鋁液中，在鋁合金凝固發生共晶反應時，吸附在硅相的表面，阻止硅相的生長。圖4是僅采用A1-Sr合金的鋁合金金相組織內有長條狀和塊 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小的球狀分布。經本發明處理的鋁合金試樣的力學性能得到綜合提高，和常規的變質和細化方法相 比，抗拉強度從214 Mpa提升到達到260Mpa,屈服強度從118 Mpa提升到達到180Mpa， 延伸率則從8%提升到10%。
權利要求
1. 一種復合細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和鋁液反應生成原子B，和鋁鋯中間合金釋放出的鋯反應生成微小的Al3Zr和ZrB顆粒，作為異質核心起細化初生a相的作用；溶入鋁液中的鍶和稀土起復合變質硅相的作用，并保持長效穩定的變質作用。
2、 根據權利要求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及其生成的 顆料均勻，獲得均勻一致的復合變質效果。
3、 根據權利要求1所述的加入B203方法，選擇粉狀的8203,經過 25(TC烘干，通過高壓氮所吹入中轉包，攪拌5分鐘，8203和鋁充分反應 釋放出原子B均勻分散在鋁液中。
4、 根據權利要求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，加入中轉包時不停攪拌，鋁鋯中間合金的鋯釋放出來與鋁液中B 反應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，起抑制硅相長大的作用。
全文摘要
本發明涉及一種復合細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和鋁液反應生成原子B，和鋁鋯中間合金釋放出的鋯反應生成微小的Al₃Zr和ZrB顆粒，作為異質核心起細化初生a相的作用；溶入鋁液中的鍶和稀土起復合變質硅相的作用，并保持長效穩定的變質作用。采用本發明的方法，獲得的鋁合金車輪的組織細小均勻，力學性能好。
文檔編號C22C21/00GK101240381SQ20071002005
公開日2008年8月13日 申請日期2007年2月9日 優先權日2007年2月9日
發明者赟 于, 孔祥建, 萍 李, 管建國, 胡因行 申請人:江蘇凱特汽車部件有限公司