| 专利名称： | 一种高强铝铜合金车轮材料及液态模锻成型方法 | ||
| 专利名称(英文)： | A kind of high-strength aluminum copper alloy wheel material and liquid die forging forming method | ||
| 专利号： | CN201410171279.X | 申请时间： | 20140425 |
| 公开号： | CN103924139B | 公开时间： | 20151125 |
| 申请人： | 天津那诺机械制造有限公司 | ||
| 申请地址： | 300457 天津市滨海新区经济技术开发区西区光华街58号D区 | ||
| 发明人： | 马春江; 刘杰 | ||
| 分类号： | C22C21/12; B22D18/02; B21J5/02; B23P15/00 | 主分类号： | C22C21/12 |
| 代理机构： | 天津盛理知识产权代理有限公司 12209 | 代理人： | 王来佳 |
| 摘要： | 本发明涉及一种高强铝铜合金车轮材料及液态模锻成型方法，其组分及各组分的重量百分比范围分别为：Cu : 4.5-5.5％；Mn : 0.3-0.5％；Ti : 0.15-0.35％；V : 0.05-0.3％；Zr : 0.05-0.2％；B : 0.005-0.06％；Cd : 0.01-0.3％；Nd : 0.01-0.2％；Er : 0.01-0.1％；余量为Al。本发明制造的液态模锻铝铜合金车轮综合力学性能好，产品合格率高，所制车轮解剖抗拉强度大于400MPa，屈服强度大于300MPa，延伸率大于10％，满足了重载汽车的技术要求；尤其是在此合金配方中加入了少量的稀土元素Er，使铝铜合金材料组织得到进一步细化，产品综合性能明显提升；同时，由于稀土元素Nd和晶粒细化元素Ti、Zr、B的加入，有效避免了铝铜合金凝固时的热裂现象，使车轮液态模锻成型合格率大幅度提升。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention relates to a high strength aluminum copper alloy vehicle wheel material and a liquid forging forming method. The material comprises following components by weight percent : 4.5-5.5% of Cu, 0.3-0.5% of Mn, 0.15-0.35% of Ti, 0.05-0.3% of V, 0.05-0.2% of Zr, 0.005-0.06% of B, 0.01-0.3% of Cd, 0.01-0.2% of Nd, 0.01-0.1% of Er, and the balance of Al. The aluminum copper alloy vehicle wheel prepared by the liquid forging forming method has good comprehensive chemical property and high product percent of pass, has the tensile strength greater than 400MPa, the yield strength greater than 300MPa, and the elongation greater than 10%, thus meeting the technical requirement of heavy load automobiles; particularly, due to the addition of a small quantity of rare earth element Er in the alloy formula, the aluminum copper alloy material structure is further refined, and the comprehensive property of the product is obviously improved; in addition, due to the addition of rare earth element Nd and grain refined elements like Ti, Zr and B, hot crack of the aluminum copper alloy is effectively avoided in solidifying, and the percent of pass of the vehicle wheel prepared by the liquid forging forming method is sharply improved. | ||
1.一种采用铝铜合金车轮材料制备重载汽车用铝铜合金车轮的液态模锻成 型方法，其特征在于：工艺步骤为： ⑴制备铝铜合金材料，按照各组分的重量配比制备专用铝铜合金材料； 各组分的重量百分比范围分别为： Cu:4.5-5.5％；Mn:0.3-0.5％；Ti:0.15-0.35％；V:0.05-0.3％；Zr:0.05-0.2％； B:0.005-0.06％；Cd:0.01-0.3％；Nd:0.01-0.2％；Er:0.01-0.1％；余量为Al； ⑵铝铜合金熔炼，将上述铝铜合金熔化至700-740℃； ⑶定量取液：经精炼处理后，将温度调整为690-730℃，采用定量取液勺进 行转液，该定量取液勺上部制有一个限制定量重量的液流槽来实现定量取液，定 量浇注取液勺为冶金行业的现有技术，其结构不再给出； ⑷过滤：用定量取液勺将温度为690-730℃的定量铝合金熔液浇注到流槽漏 斗中，经漏斗过滤后浇注到模具中； ⑸液态模锻，将液态模锻铝铜合金车轮模具的上、下模分别固定在液锻设备 的上、下模架上，将经过滤后的铝铜液浇注到280-380℃的模具中，然后凸模下 行加压充型；加压速度为1-20mm/s，比压为100-200MPa，保压时间60-200s后 出模冷却，获得铝铜合金车轮毛坯，对铝铜合金车轮毛坯进行钻中心孔处理； ⑹固溶处理，固溶处理工艺为将经转中心孔处理后的铝铜合金车轮送入固溶 炉，538±5℃，保温16-20小时，60-80℃水冷； ⑺时效强化，将完成固溶处理的铝铜合金车轮送入时效炉进行时效强化处理， 时效强化工艺为160-180℃，保温4-6小时后，出炉自然冷却； ⑻机械加工，采用专用机床依次进行内外表面机械加工、钻风孔、螺栓孔后， 得到尺寸合格的商用车轮外观结构； ⑼表面处理，对车轮进行表面处理，完成表面处理后进行检查，获得合格的 重载汽车铝铜合金车轮。
2.根据权利要求1所述的铝铜合金车轮的液态模锻成型方法，其特征在于： 所述步骤⑸中，在使用液态模锻的模具时，首先对该模具进行火焰加热至200℃ 以上，然后在模具表面均匀喷涂一层油性石墨涂料。
3.根据权利要求1所述的铝铜合金车轮的液态模锻成型方法，其特征在于： 所述步骤⑸中，在浇注铝铜合金熔液前，要保证上、下模具具有一个自下而上的 正温度梯度，即轮心部位280-320℃，外轮缘部位310-340℃，轮辋部位330-360℃， 上轮缘部位350-380℃。
4.根据权利要求1所述的铝铜合金车轮的液态模锻成型方法，其特征在于： 所述步骤⑼中，表面处理工艺步骤依次为：水洗-碱洗-水洗-水洗-酸洗-水洗- 水洗-钝化-水洗-水洗-烘干。
1.一种采用铝铜合金车轮材料制备重载汽车用铝铜合金车轮的液态模锻成 型方法，其特征在于：工艺步骤为： ⑴制备铝铜合金材料，按照各组分的重量配比制备专用铝铜合金材料； 各组分的重量百分比范围分别为： Cu:4.5-5.5％；Mn:0.3-0.5％；Ti:0.15-0.35％；V:0.05-0.3％；Zr:0.05-0.2％； B:0.005-0.06％；Cd:0.01-0.3％；Nd:0.01-0.2％；Er:0.01-0.1％；余量为Al； ⑵铝铜合金熔炼，将上述铝铜合金熔化至700-740℃； ⑶定量取液：经精炼处理后，将温度调整为690-730℃，采用定量取液勺进 行转液，该定量取液勺上部制有一个限制定量重量的液流槽来实现定量取液，定 量浇注取液勺为冶金行业的现有技术，其结构不再给出； ⑷过滤：用定量取液勺将温度为690-730℃的定量铝合金熔液浇注到流槽漏 斗中，经漏斗过滤后浇注到模具中； ⑸液态模锻，将液态模锻铝铜合金车轮模具的上、下模分别固定在液锻设备 的上、下模架上，将经过滤后的铝铜液浇注到280-380℃的模具中，然后凸模下 行加压充型；加压速度为1-20mm/s，比压为100-200MPa，保压时间60-200s后 出模冷却，获得铝铜合金车轮毛坯，对铝铜合金车轮毛坯进行钻中心孔处理； ⑹固溶处理，固溶处理工艺为将经转中心孔处理后的铝铜合金车轮送入固溶 炉，538±5℃，保温16-20小时，60-80℃水冷； ⑺时效强化，将完成固溶处理的铝铜合金车轮送入时效炉进行时效强化处理， 时效强化工艺为160-180℃，保温4-6小时后，出炉自然冷却； ⑻机械加工，采用专用机床依次进行内外表面机械加工、钻风孔、螺栓孔后， 得到尺寸合格的商用车轮外观结构； ⑼表面处理，对车轮进行表面处理，完成表面处理后进行检查，获得合格的 重载汽车铝铜合金车轮。
2.根据权利要求1所述的铝铜合金车轮的液态模锻成型方法，其特征在于： 所述步骤⑸中，在使用液态模锻的模具时，首先对该模具进行火焰加热至200℃ 以上，然后在模具表面均匀喷涂一层油性石墨涂料。
3.根据权利要求1所述的铝铜合金车轮的液态模锻成型方法，其特征在于： 所述步骤⑸中，在浇注铝铜合金熔液前，要保证上、下模具具有一个自下而上的 正温度梯度，即轮心部位280-320℃，外轮缘部位310-340℃，轮辋部位330-360℃， 上轮缘部位350-380℃。
4.根据权利要求1所述的铝铜合金车轮的液态模锻成型方法，其特征在于： 所述步骤⑼中，表面处理工艺步骤依次为：水洗-碱洗-水洗-水洗-酸洗-水洗- 水洗-钝化-水洗-水洗-烘干。
翻译：技术领域
本发明属于汽车车轮材料及加工领域，涉及铝铜合金车轮的制备技术，尤其是一种高强 铝铜合金车轮材料及液态模锻成型方法。
背景技术
铝合金车轮具有重量轻、转动惯性小、散热快的优点，对汽车节能、减少尾气排放、减 少轮胎爆裂事故、提高汽车安全性等具有良好作用，在轿车行业得到广泛应用。然而，卡车、 客车等重载汽车载重大、安全性要求高，普通铸造铝合金车轮难以满足使用要求。目前欧美 等发达国家和地区商用重载汽车普遍采用锻压铝合金车轮，其市场占有率40％以上，市场潜 力巨大；而中国重载汽车还在使用钢制车轮，铝合金车轮领域还是空白。
锻造铝合金车轮具有组织致密度高、力学性能优良等优点，可以满足重载汽车车轮使用 要求；但存在制造成本高、材料利用率低、生产效率低等不足，限制锻造铝合金车轮在重载 汽车领域的普及使用。液态模锻车轮具有易成型、组织致密度高、力学性能高、生产效率高、 材料利用率高、生产成本低等优点，可弥补普通铸造铝合金车轮和锻造车轮的不足，具有广 阔的市场发展前景。然而，常规铝合金液态模锻车轮还达不到固态锻造车轮性能水平，不能 全面满足重载汽车性能要求。
高强铸造铝铜合金为性能最高的铸造铝合金系列，其抗拉强度可以达到450MPa以上， 达到甚至超过6061锻造铝合金性能水平。然而，高强铸造铝铜合金具有塑性差、热裂倾向性 大、铸造流动性差等弱点，多数情况下限于砂型铸造件使用。
通过检索，发现铝铜合金的产品及制备工艺，但没有发现模锻乃至液态模锻制作车轮产 品公开专利文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种专用高强铝铜合金材料及重载汽 车车轮液态模锻成型方法，采用该专有合金配方及液态模锻技术生产的车轮具有组织致密度 高、工艺流程短、成品率高、成本低、生产效率高等优点，所制车轮解剖抗拉强度大于400MPa， 屈服强度大于300MPa，延伸率大于10％，满足了重载汽车的技术要求。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种高强铝铜合金车轮材料，其组分及各组分的重量百分比范围分别为：
Cu:4.5-5.5％；Mn:0.3-0.5％；Ti:0.15-0.35％；V:0.05-0.3％；Zr:0.05-0.2％；B: 0.005-0.06％；Cd:0.01-0.3％；Nd:0.01-0.2％；Er:0.01-0.1％；余量为Al。
一种采用上述铝铜合金车轮材料制备重载汽车用铝铜合金车轮的液态模锻成型方法，工 艺步骤为：
⑴制备铝铜合金材料，按照上述各组分的重量配比制备专用铝铜合金材料；
⑵铝铜合金熔炼，将上述铝铜合金熔化至700-740℃；
⑶定量取液：经精炼处理后，将温度调整为690-730℃，采用定量取液勺进行转液，该 定量取液勺上部制有一个限制定量重量的液流槽来实现定量取液，定量浇注取液勺为冶金行 业的现有技术，其结构不再给出；
⑷过滤：用定量取液勺将温度为690-730℃的定量铝合金熔液浇注到流槽漏斗中，经漏 斗过滤后浇注到模具中；
⑸液态模锻，将液态模锻铝铜合金车轮模具的上、下模分别固定在液锻设备的上、下模 架上，将经过滤后的铝铜液浇注到280-380℃的模具中，然后凸模下行加压充型；加压速度 为1-20mm/s，比压为100-200MPa，保压时间60-200s后出模冷却，获得铝铜合金车轮毛坯， 对铝铜合金车轮毛坯进行钻中心孔处理；
⑹固溶处理，固溶处理工艺为将经转中心孔处理后的铝铜合金车轮送入固溶炉，538±5 ℃，保温16-20小时，60-80℃水冷；
⑺时效强化，将完成固溶处理的铝铜合金车轮送入时效炉进行时效强化处理，时效强化 工艺为160-180℃，保温4-6小时后，出炉自然冷却；
⑻机械加工，采用专用机床依次进行内外表面机械加工、钻风孔、螺栓孔后，得到尺寸 合格的商用车轮外观结构；
⑼表面处理，对车轮进行表面处理，完成表面处理后进行检查，获得合格的重载汽车铝 铜合金车轮。
而且，所述步骤⑸中，在使用液态模锻的模具时，首先对该模具进行火焰加热至200℃ 以上，然后在模具表面均匀喷涂一层油性石墨涂料。
而且，所述步骤⑸中，在浇注铝铜合金熔液前，要保证上、下模具具有一个自下而上的 正温度梯度，即轮心部位280-320℃，外轮缘部位310-340℃，轮辋部位330-360℃，上轮缘 部位350-380℃。
而且，所述步骤⑼中，表面处理工艺步骤依次为：水洗-碱洗-水洗-水洗-酸洗-水洗-水 洗-钝化-水洗-水洗-烘干。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明利用专用铝铜合金配方，在传统铝铜合金基础上加入了微量合金细化元素Ti、 Zr、B和稀土元素Nd、Er，明显改善了材料的工艺性能，克服了铝铜合金流动性差、铸造热 裂、液锻成型困难的问题，使液锻车轮良品率大幅度提高。
2、本发明采用液态模锻成型工艺制造高强铝铜合金车轮，克服了传统重力铸造或低压铸 造铝铜合金车轮组织致密度低、疏松缺陷多的弱点，使铝铜合金熔液在高压下凝固结晶，所 制备的车轮组织致密度高、组织细小均匀、车轮产品力学性能和疲劳性能大幅度提升；车轮 抗拉强度大于400MPa，屈服强度大于300MPa，延伸率大于10％，超过锻造车轮力学性能水平。
3、本发明采用液态模锻成型工艺所生产的车轮满足重载汽车的使用要求，比普通钢制车 轮减重60％以上，替代钢制车轮产品，可以明显降低油耗、减少尾气污染，提高车轮对轮胎 的散热能力，减少由于车辆高速运行过程中轮胎温升而产生的轮胎爆裂等恶性事故的发生， 为车辆安全运行提供了可靠的保障。
4、本发明克服了现有固态锻造成型工艺复杂、周期长、成品率低、生产效率低、生产成 本高的缺点，明显降低了生产成本，使铝铜合金车轮在重载汽车上广泛应用成为可能。
5、本发明制造的液态模锻铝铜合金车轮可以替代锻造铝合金车轮，满足高档乘用车以及 大、中巴车对铝铜合金车轮向大直径、轻量化、高强度发展的要求，提高汽车行驶过程中的 舒适度。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的， 不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1：
一种重载汽车用铝铜合金车轮液态模锻成型专用铝铜合金材料，其组分及各组分的重量 百分比分别为：
Cu:4.5％，Mn:0.32％，Ti:0.15％，V:0.06％，Zr:0.05％，B:0.01％，Cd:0.01％, Nd:0.02％,Er:0.01％,其余为Al。
一种重载汽车用铝铜合金车轮液态模锻成型方法，生产工艺步骤为：
⑴制备铝铜合金材料，按照上述各组分的重量配比制备专用铝铜合金材料；
⑵铝铜合金熔炼，将上述铝铜合金熔化至700-740℃；
⑶定量取液：经精炼处理后，将温度调整为690-730℃，采用定量取液勺进行转液，该 定量取液勺上部制有一个限制定量重量的液流槽来实现定量取液，定量浇注取液勺为冶金行 业的现有技术，其结构不再给出；
⑷过滤：用定量取液勺将温度为690-730℃的定量铝合金熔液浇注到流槽漏斗中，经漏 斗过滤后浇注到模具中；
⑸液态模锻，在使用液态模锻的模具时，首先对该模具进行火焰加热至200℃以上，然 后在模具表面均匀喷涂一层油性石墨涂料；
将液态模锻铝铜合金车轮模具的上、下模分别固定在液锻设备的上、下模架上，将经过 滤后的铝铜液浇注到280-380℃的模具中，然后凸模下行加压充型；加压速度为1-20mm/s， 比压为100-200MPa，保压时间60-200s后出模冷却，获得铝铜合金车轮毛坯，对铝铜合金车 轮毛坯进行钻中心孔处理；
在浇注铝铜合金熔液前，要保证上、下模具具有一个自下而上的正温度梯度，即轮心部 位280-320℃，外轮缘部位310-340℃，轮辋部位330-360℃，上轮缘部位350-380℃。
⑹固溶处理，固溶处理工艺为将经转中心孔处理后的铝铜合金车轮送入固溶炉，538±5 ℃，保温16-20小时，60-80℃水冷；
⑺时效强化，将完成固溶处理的铝铜合金车轮送入时效炉进行时效强化处理，时效强化 工艺为160-180℃，保温4-6小时后，出炉自然冷却；
⑻机械加工,采用专用机床依次进行内外表面机械加工、钻风孔、螺栓孔后，得到尺寸合 格的商用车轮外观结构；
⑼表面处理，表面处理工艺步骤依次为：水洗-碱洗-水洗-水洗-酸洗-水洗-水洗-钝化- 水洗-水洗-烘干，完成表面处理后进行检查，获得合格的重载汽车铝铜合金车轮。
实施例2：
一种重载汽车用铝铜合金车轮液态模锻成型专用铝铜合金材料，其组分及各组分的重量 百分比分别为：
Cu:4.9％，Mn:0.37％，Ti:0.23％，V:0.16％，Zr:0.12％，B:0.015％，Cd:0.05％, Nd:0.1％,Er:0.05％,其余为Al。
其制备方法同于实施例1。
实施例3：
一种重载汽车用铝铜合金车轮液态模锻成型专用铝铜合金材料，其组分及各组分的重量 百分比分别为：
Cu:5.4％，Mn:0.45％，Ti:0.35％，V:0.29％，Zr:0.18％，B:0.05％，Cd:0.26％, Nd:0.19％,Er:0.09％,其余为Al。
其制备方法同于实施例1。
需要强调的是，本发明制造的液态模锻铝铜合金车轮综合力学性能好，产品合格率高， 所制车轮解剖抗拉强度大于400MPa，屈服强度大于300MPa，延伸率大于10％，满足了重载 汽车的技术要求。尤其是在此合金配方中加入了少量的稀土元素Er，使铝铜合金材料组织得 到进一步细化，产品综合性能明显提升；同时，由于稀土元素Nd和晶粒细化元素Ti、Zr、B 的加入，有效避免了铝铜合金凝固时的热裂现象，使车轮液态模锻成型合格率大幅度提升。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本 发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的 范围不局限于实施例所公开的内容。
