用于整体式低压铸造空心副车架的铝合金材料及制备方法与流程

1.本发明属于低压铸造铝合金材料技术领域，涉及一种用于整体式低压铸造空心副车架的铝合金材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着汽车节能减排要求和轻量化技术持续发展，在底盘系统上采用铝合金副车架以实现轻量化成为行业发展热点。通过新型铸造铝合金材料的设计及制备新工艺的开发，采用整体式低压铸造工艺生产空心铝合金副车架，可以满足底盘系统对副车架强度及耐久性的技术要求。
3.目前，低压铸造副车架用铝合金材料主要为al-si系合金，如中国专利文献号cn106925756a记载的一种铝合金副车架的低压铸造制备方法。al-si系合金具有优良的铸造性能，经变质和热处理后，具有相对较好的力学性能、物理性能、抗腐蚀性能。但是，随着汽车轻量化的快速发展，整体式低压铸造空心副车架对铝硅合金的力学性能提出了更高的要求。通常，会通过在al-si系合金中加入mg和cu元素，以改善其力学性能，因为这些元素可以在合金中形成包括mg2si、cual2、al2cumg等的析出相，以及其他一些alsicumg的金属间化合物相。但单纯的引入这些元素，也容易在合金中生成金属间化合物π相(al9femg3si5)，其形态多为粗大的块状，会损害合金性能。如果cu含量高于1％，会导致al-si合金形成明显缩孔，若cu含量进一步增加至大于2％，会增加合金的热裂倾向等不利因素。此外，在al-si系铸造铝合金中加入zn，不仅可以提高合金的流动性，改善力学性能，还会增大强化相mgzn2的体积分数，以便提高合金强度。另外，副车架属于高品质的大型薄壁铸件，在热处理过程中容易产生变形，其具体原因是在铸态副车架固溶完成后需要进行淬火处理，在此过程中变形难以控制，易产生比较大的变形量，需要采用人工矫正和机械矫正结合的方法对整体式副车架结构铸件进行矫正，增加生产成本，并降低生产效率。因此要求铝合金材料在固溶态下具有较高的刚度。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种材料新颖，工艺简单，成本较低的可实现高强高韧，耐疲劳的整体式低压铸造空心副车架用的铝合金材料及其制备方法。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种用于整体式低压铸造空心副车架的铝合金材料，通过相图计算，开展铝合金成分设计、合金化处理、旋转喷吹精炼、变质处理、细化处理、过滤等步骤，铝合金成分按照重量百分比计包含如下组分，si：6.5～7.5％，cu：0.6～1.0％，zn：0.6～1.5％，mg：0.25～0.45％，ti：0.08～0.2％，zr：≤0.2％，fe：≤0.2％，mn：≤0.1％，sn：≤0.01％，其余为al。
7.一种用于整体式低压铸造空心副车架的铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.①
根据铸造铝合金分类，选取典型的al-si-mg系合金作为原料，并准备中间合金、纯金属、变质剂和细化剂；
9.②
根据所设计合金成分的重量百分比，准确计算并称量步骤
①
所述合金及纯金属的重量作为原料，清洗干净，除去表面的污垢，烘干，备用；
10.③
将烘干后的zl101a合金放入已预热的石墨坩埚中，采用电阻炉、火焰反射炉或电磁感应炉加热熔化；
11.④
将合金熔体加热，加入中间合金al-10cu搅拌，随后静置15～25min；
12.⑤
合金熔体控制温度，将用铝箔包裹后的纯zn块加入熔体搅拌，随后静置5～15min；用钟罩将铝箔包裹的金属mg压入铝液熔池3～6min，然后将钟罩取出，准备精炼、变质；
13.⑥
控制熔体温度加入精炼剂进行搅拌，在采用氩气或者氮气旋转喷吹精炼，随后静置10～20min；
14.⑦
进行变质处理，除去熔体表面浮渣，控制熔体温度加入al-10sr合金搅拌，随后静置5～10min；
15.⑧
进行细化处理，控制熔体温度加入细化剂进行搅拌，随后静置5～10min；
16.⑨
准备低压铸造，除去表面浮渣，将熔体降温，再将熔体通过过滤网浇流至低压铸造设备的坩埚中，用于制备整体式空心副车架。
17.作为优选，在步骤
①
中，所述的al-si-mg系合金为zl101a合金，其中中间合金为al-10cu，纯金属为纯zn和纯mg，变质剂为al-10sr，细化剂为al-5ti-b和al-5ti-c。
18.作为优选，所述细化剂中al-5ti-b和al-5ti-c的质量比为1：1。
19.作为优选，在步骤
③
中所述坩埚加热至60～80℃，涂上涂料，然后再将坩埚加热至250～300℃。
20.作为优选，所述涂料包括滑石粉、氧化锌及水玻璃，三者质量比为5：4：3。
21.作为优选，在步骤
④
中合金熔体控制为750～780℃，在步骤
⑤
中合金熔体控制为690～710℃，在步骤
⑥
中熔体控制为730～750℃，在步骤
⑦
中熔体温度控制为720～740℃，在步骤
⑧
中熔体温度控制为740～750℃。
22.作为优选，在步骤
⑨
中熔体降温至710℃～730℃。
23.作为优选，在步骤
④⑤⑥⑦⑧
中，所述的针对合金熔体搅拌方式为施加频率为10～15hz的电磁场搅拌或者采用石墨棒机械搅拌。
24.与现有技术相比，本发明的优点是：根据多元合金相图计算及组织分析，合金组织会形成α固溶体+(α+si)共晶体、mg2si、al2cu和al2cumg等相。有利于提高副车架的力学性能，该成分的合金由于zn元素和电磁搅拌的引入，仅在铸造条件下就可以获得良好的组织，力学性能也高，可以有效降低热处理成本，甚至不用热处理，即可满足使用要求。有效改善副车架在热处理过程中易产生比较大的变形的问题。此外，该合金具有良好的铸造性能，其流动性好，无热烈倾向，线收缩小，气密性高。该合金尤其可以用来铸造薄壁和外形复杂的、承受载荷的整体式低压铸造空心副车架。
附图说明
25.图1为用于整体式空心副车架的铝合金材料制备流程图；
26.图2为用于整体式空心副车架的铝合金材料在500μm下扫描电镜微观组织图像；
27.图3为用于整体式空心副车架的铝合金材料在10μm下扫描电镜微观组织图像；
28.图4为用于整体式空心副车架的铝合金材料的拉伸性能曲线图；
29.图5为用于整体式空心副车架的铝合金材料的硬度图；
30.图6为用于整体式空心副车架的铝合金材料eds图；
31.图7为整体式低压铸造的空心副车架铸件图。
具体实施方式
32.实施例1
33.本实施例中用于整体式低压铸造空心副车架的铝合金材料成分如下：si：6.5～7.5％wt.％，cu：0.6～1.0％wt.％，zn：0.6～1.5％wt.％，mg：0.25～0.45％wt.％，ti：0.08～0.2％wt.％，zr：≤0.2％wt.％，fe：≤0.2％wt.％，mn：≤0.1％wt.％，sn：≤0.01％wt.％，其余为al。
34.本实施例制备适用于整体式低压铸造空心副车架用的铝合金材料50kg的方法，包含以下步骤：
35.①
根据铸造铝合金分类，选取典型的al-si-mg系zl101a合金(44.2kg)，并准备中间合金al-10cu(5kg)，纯zn(0.5kg)，纯mg(0.1kg)，变质剂al-10sr(0.1kg)和细化剂al-5ti-b(0.05kg)和al-5ti-c(0.05kg)；
36.②
根据上述步骤
①
计算的合金及纯金属的重量作为原料，清洗干净，除去表面的污垢，烘干，备用；
37.③
将石墨坩埚在加热至60℃，涂上含有滑石粉、氧化锌及水玻璃混合而成的涂料，滑石粉、氧化锌及水玻璃质量比为5：4：3，然后再将坩埚加热至250℃，在里面放入烘干后的zl101a合金，并采用50kw电阻炉熔炼至合金熔化；
38.④
将合金熔体控制在750℃，加入中间合金al-10cu，并采用频率为10hz的电磁场搅拌，随后静置20min；
39.⑤
将合金熔体控制在690℃，将用铝箔包裹后的纯zn块加入熔体采用频率为10hz的电磁场搅拌，随后静置10min；用钟罩将铝箔包裹的金属mg压入铝液熔池5min，然后将钟罩取出，准备精炼、变质；
40.⑥
将熔体控制在730℃，加入精炼剂进行搅拌，在采用惰性气体氩气旋转喷吹精炼，随后静置15min；
41.⑦
进行变质处理，除去熔体表面浮渣，控制熔体温度为720℃，加入al-10sr合金搅拌，随后静置10min；
42.⑧
进行细化处理，控制熔体温度为740℃，加入细化剂进行搅拌，随后静置10min；
43.⑨
准备低压铸造，除去表面浮渣，将熔体降温至710℃，再将熔体通过过滤网浇流至低压铸造设备的坩埚中，用于制备整体式空心副车架。
44.实施例2
45.本实施例中用于整体式低压铸造空心副车架的铝合金材料成分如下：si：6.5～7.5％wt.％，cu：0.6～1.0％wt.％，zn：0.6～1.5％wt.％，mg：0.25～0.45％wt.％，ti：0.08～0.2％wt.％，zr：≤0.2％wt.％，fe：≤0.2％wt.％，mn：≤0.1％wt.％，sn：≤0.01％
wt.％，其余为al。
46.本实施例制备适用于整体式低压铸造空心副车架用的铝合金材料100kg的方法，包含以下步骤：
47.①
根据铸造铝合金分类，选取典型的al-si-mg系zl101a合金(66.3kg)，并准备中间合金al-10cu(7.5kg)，纯zn(0.75kg)，纯mg(0.15kg)，变质剂al-10sr(0.15kg)和细化剂al-5ti-b(0.075kg)和al-5ti-c(0.075kg)；
48.②
根据上述步骤
①
计算的合金及纯金属的重量作为原料，清洗干净，除去表面的污垢，烘干，备用；
49.③
将石墨坩埚在加热至70℃，涂上含有滑石粉、氧化锌及水玻璃混合而成的涂料，滑石粉、氧化锌及水玻璃质量比为5：4：3，然后再将坩埚加热至300℃，在里面放入烘干后的zl101a合金，并采用60kw电磁感应炉熔炼至合金熔化；
50.④
将合金熔体控制在760℃，加入中间合金al-10cu，并采用频率为10hz的电磁场搅拌，随后静置20min；
51.⑤
将合金熔体控制在700℃，将用铝箔包裹后的纯zn块加入熔体采用频率为10hz的电磁场搅拌，随后静置10min；用钟罩将铝箔包裹的金属mg压入铝液熔池5min，然后将钟罩取出，准备精炼、变质；
52.⑥
将熔体控制在740℃，加入精炼剂进行搅拌，在采用惰性气体氩气旋转喷吹精炼，随后静置15min；
53.⑦
进行变质处理，除去熔体表面浮渣，控制熔体温度为730℃，加入al-10sr合金搅拌，随后静置10min；
54.⑧
进行细化处理，控制熔体温度为740℃，加入细化剂进行搅拌，随后静置10min；
55.⑨
准备低压铸造，除去表面浮渣，将熔体降温至720℃，再将熔体通过过滤网浇流至低压铸造设备的坩埚中，用于制备整体式空心副车架。
56.实施例3
57.本实施例中用于整体式低压铸造空心副车架的铝合金材料成分如下：si：6.5～7.5％wt.％，cu：0.6～1.0％wt.％，zn：0.6～1.5％wt.％，mg：0.25～0.45％wt.％，ti：0.08～0.2％wt.％，zr：≤0.2％wt.％，fe：≤0.2％wt.％，mn：≤0.1％wt.％，sn：≤0.01％wt.％，其余为al。
58.本实施例制备适用于整体式低压铸造空心副车架用的铝合金材料100kg的方法，包含以下步骤：
59.①
根据铸造铝合金分类，选取典型的al-si-mg系zl101a合金(88.4kg)，并准备中间合金al-10cu(10kg)，纯zn(1kg)，纯mg(0.2kg)，变质剂al-10sr(0.2kg)和细化剂al-5ti-b(0.1kg)和al-5ti-c(0.1kg)；
60.②
根据上述步骤
①
计算的合金及纯金属的重量作为原料，清洗干净，除去表面的污垢，烘干，备用；
61.③
将石墨坩埚在加热至80℃，涂上含有滑石粉、氧化锌及水玻璃混合而成的涂料，滑石粉、氧化锌及水玻璃质量比为5：4：3，然后再将坩埚加热至300℃，在里面放入烘干后的zl101a合金，并采用60kw电磁感应炉熔炼至合金熔化；
62.④
将合金熔体控制在780℃，加入中间合金al-10cu，并采用频率为15hz的电磁场
搅拌，随后静置25min；
63.⑤
将合金熔体控制在710℃，将用铝箔包裹后的纯zn块加入熔体采用频率为15hz的电磁场搅拌，随后静置15min；用钟罩将铝箔包裹的金属mg压入铝液熔池6min，然后将钟罩取出，准备精炼、变质；
64.⑥
将熔体控制在750℃，加入精炼剂进行搅拌，在采用惰性气体氩气旋转喷吹精炼，随后静置20min；
65.⑦
进行变质处理，除去熔体表面浮渣，控制熔体温度为740℃，加入al-10sr合金搅拌，随后静置10min；
66.⑧
进行细化处理，控制熔体温度为750℃，加入细化剂进行搅拌，随后静置10min；
67.⑨
准备低压铸造，除去表面浮渣，将熔体降温至730℃，再将熔体通过过滤网浇流至低压铸造设备的坩埚中，用于制备整体式空心副车架。
68.通过以上结果，本发明制备用于整体式低压铸造空心副车架的铝合金材料，晶粒细小且均匀，力学性能优异，同时能提高整体式铝合金材料空心副车架的强韧性与抗疲劳性能，该发明能够降低汽车的整备质量，谋求高输出功率，达到高安全性、可靠性，可实现经济成本低、节能、省油、环保。