[发明专利]一种重载轮毂用抗疲劳原位铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝基复合材料，特指一种重载汽车轮毂用轻质高强抗疲劳原位A356.2-X基复合材料及其制备方法。

背景技术

重载汽车是指除普通乘用车以外的中型、大型汽车，尤其是现代房车、客车、特种装备车等，所用轮毂与普通乘用车相比其强度、模量、抗疲劳性能及安全性要求更高(其强度与轿车铝轮毂相比提高30％，抗疲劳性能提高2倍)。轮毂作为汽车行驶系统中的重要部件之一，也是一种要求较高的保安件，它不仅承载汽车的重量，同时也体现着汽车的外观造型。近十年来，全球铝合金汽车轮毂产量的年平均增长率达7.6％。当前，为顺应汽车轻量化及节能减排的发展趋势，愈来愈多的重载汽车倾向采用重量轻、散热性好、造型美观、经济环保的高性能铝合金轮毂。然而，目前汽车用铝轮毂广泛采用的A356.2合金材料性能仅能满足普通乘用车的要求，难以满足重载汽车尤其是高性能重载汽车对铝轮毂更高强度、更高疲劳寿命的要求。其中，缩孔、缩松、气孔和夹杂物等铸造缺陷，粗大铝晶粒的循环塑性变形，粗大共晶硅粒子和铁基金属间化合物断裂是导致疲劳裂纹萌生和断裂的主要原因。

对现有的技术文献和综述文献调研表明，目前主要通过大量的稀土元素合金化，并结合熔体净化、变质，以及苛刻的热处理工艺来进一步提高铝制轮毂的强韧性和疲劳性能(如：专利CN103774001，CN103773999，CN10377003，JP52148412-A，EP274972-A)；然而，上述苛刻的工艺技术依然存在着以下的缺点和不足(1)大量价格昂贵的稀土元素的使用，如Sc、Gd等，使轮毂的制造成本大幅提高，且力学性能提高不显著，不利于高性能轮毂的生产和普及；(2)合金化不能有效提高材料的模量，从而不能从根本上提高材料的刚度，抗疲劳变形能力差，轻量化效益不明显。因此，随着近年来重载汽车铝轮毂市场的迅猛发展(以国际房车市场为例，2014年全球房车保有量约为3000万辆，当年房车用高性能铝合金轮毂需求量约为2000万只)，迫切需要开发重载汽车铝轮毂用新材料、新技术，推动高性能铝轮毂产业的发展。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有A356.2合金不能满足重载汽车对铝轮毂更高强度、模量、更高疲劳寿命要求的技术不足，在A356.2合金的基础上，通过成分和成型工艺微调，将原位纳米复合化、微合金化以及快速增压成型技术相结合，协同提高复合材料轮毂的强韧性和抗疲劳性能，其中规模生产的高性能轮毂抗疲劳能力达美国标准SAE J1204的2.5倍，产品在1.5×10⁵次弯曲疲劳试验、1.5×10⁶次径向疲劳试验情况下不出现裂纹。

铝基复合材料的化学成分，按照质量百分比计算为：Si 6.8-7.5，Zr 3.0-5.0，B 0.5-1.0，Mg 0.3-0.45，Er 0.18-0.25，Y 0.18-0.25，Cr 0.15-0.22，Mn 0.1-0.12，Ti 0.1-0.15，Fe 0.08-0.12，Cu 0.05-0.1，余量为Al。

本发明首先对熔融的A356.2合金中进行微合金化元素成分调控(Er、Y、Zr、Cr和Mn)并均匀分散，然后引入B元素与合金中的Zr元素原位合成纳米ZrB₂陶瓷增强体，最后采用增压重力铸造快速顺序凝固成型技术并结合热处理技术获得组织致密，铝基体晶粒细小且晶内包含大量微合金化纳米析出粒子，共晶硅颗粒细小圆整，Mg₂Si相细小且主要分布于晶粒内部，同时基体包含大量弥散纳米ZrB₂陶瓷增强体的高强韧、高抗疲劳老性能的A356.2-X铝基复合材料轮毂。

本发明的一种轻质高强抗疲劳重载轮毂用原位纳米颗粒强化A356.2-X基复合材料及其制备技术，通过纳米复合化化、微合金并结合增压快速成型技术，有效细化铝基体晶粒、细化Al-Si共晶团、减小粗大富铁相、并在基体中获得大量均匀细小的微合金析出相和纳米陶瓷增强相的同时，减少组织缩孔和疏松等铸造缺陷，显著提高材料的疲劳抗力并减少疲劳裂纹源，大幅提高轮毂的抗疲劳性能。

本发明的制备方法包括以下步骤：

(1)微合金化：首先对熔化并保温的A356.2合金熔体精炼除气，然后在熔体表面均匀撒上一层覆盖剂，再将微合金化元素中间合金通过钟罩压入精炼除气后的A356.2铝合金熔体中，并用石墨转子搅拌均匀，静置待用。

所述熔化并保温的温度为750-760℃。

所述微合金化元素中间合金为Al-Zr，Al-Er，Al-Y，Al-Cr和Al-Mn。