應用於商用車軸頭的A357鋁合金的液態模鍛工藝法的製作方法
2023-12-09 21:50:01 3
本發明屬於液態模鍛領域，具體涉及一種應用於商用車軸頭的A357鋁合金的液態模鍛工藝法。
背景技術：
軸頭是汽車上最重要的安全零件之一，軸頭承受著汽車和載物質量作用的壓力，受到車輛在起動、制動時動態扭矩的作用，還承受汽車在行駛過程中轉彎、凹凸路面、路面障礙物衝擊等來自不同凡響動態載荷產生的不規則交變受力。軸頭的質量和可靠性不但關係到車輛和車上人員物資的安全性，還影響到車輛在行駛中的平穩性、操縱性、舒適性等性能，這就要求軸頭動平衡好、疲勞強度高、有好的剛度和彈性、尺寸和形狀精度高、質量輕等，鋁軸頭以其良好的綜合性能滿足了上述要求，在安全性、舒適性和輕量化等方面表現突出，博得了市場青睞。
現有汽車軸頭從材料上區分，分為鋼製軸頭和鋁合金軸頭。成型工藝主要分為鋼製熱擠壓成型以及鋁合金低壓鑄造工藝。鋼製軸頭重量大，一般接近鋁合金軸頭的兩倍。鋁合金軸頭以質量輕、散熱快、美觀逐漸受到市場青睞，也是未來發展方向。低壓鑄造生產的鋁合金軸頭是鑄件在一定的壓力下結晶，受工藝條件限制，產品機械性能一般，不能滿足大載荷要求。低壓鑄造因自身工藝約束，產品容易形成縮孔與縮松缺陷，氣孔缺陷，表面粗糙，由於汽車件對安全性能要求較高，低壓鑄造工藝生產的軸頭，其機械性能只能滿足一般要求，並且提升空間小，已不能滿足大承載力汽車要求，某些高端應用領域受到限制。
液態模鍛，是一種既具有鑄造特點，又類似固態模鍛的新興金屬成形工藝。它是將一定量的被鑄金屬液直接澆注入塗有潤滑劑的型腔中，並持續施加機械靜壓力，利用金屬鑄造凝固成形時易流動和鍛造技術使已凝固的硬殼產生塑性變形，使金屬在壓力下結晶凝固並強制消除因凝固收縮形成的縮孔縮松，以獲得無鑄造缺陷的液態模鍛製件。
公開號為CN 102689159A的中國專利公開了6061鋁合金異截面大型環件的液態模鍛軋制複合成形方法，該方法雖然在一定程度上滿足生產流程短，但是其公開的技術方案中沒有對鋁合金成分進行優化，按照其公開的技術方案製造汽車軸頭仍然不能滿足綜合的力學性能。
公開號為CN 104131202A的中國專利公開了6061鋁合金模鍛件的短流程製備方法，通過優化合金的化學成分和熔體淨化技術，改善了合金的金相結構，不僅改善了產品的外觀質量，還極大的消除了產品中的縮孔、疏鬆、氣孔、裂紋等內部缺陷；但是通過研究發現其仍有一定的缺陷，比如其高溫高蠕變性能不好，產品仍然有裂紋源等，生產出來的汽車軸頭在性能上仍有所不足。
稀土元素被認為是可以顯著改善鋁合金的金相組織，細化晶粒，去除鋁合金中氣體和有害雜質和有害氣體，減少鋁合金的裂紋源，從而提高鋁合金的強度，改善加工性能，還能改善鋁合金的耐熱性、可塑性及可鍛性，提高硬度、增加強度和韌性。
但是現有技術中還沒有將稀土元素應用於鋁合金的液態模鍛領域。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於在現有液態模鍛工藝的基礎上，研究出一種應用於商用車軸頭的A357鋁合金的液態模鍛工藝法。通過稀土元素優化化學成分和優化熔體淨化技術、改善合金金相結構；改變鍛壓、熱處理強化的溫度場和流場，對鋁合金的形變溫度、形變速度和形變程度進行綜合分析和調控，建立短流程、鑄鍛一體化的連續液態模鍛過程的數學模型，開發出大尺寸、結構相對複雜的鋁合金軸頭的新技術。
為實現上述發明目的，本發明具體提供了如下的技術方案：
應用於商用車軸頭的A357鋁合金的液態模鍛工藝法，其特徵在於包括如下步驟：
（1）合金成分優化：優化A357鋁合金中Mg/Si比和其他合金元素比例，並控制雜質元素的質量含量，其中Si6.5～7.5份；Fe＜0.2份；Cu＜0.2份；Mg0.5-0.7份；Sr 0.01-0.02份；Ti 0.1～0.2份；Al90～95份，控制A357鋁合金中其他單個雜質≤0.05份，再加入元素Gd0.1～0.8份；Sm0.1～1份；Hf 0.1～2.5份，用Sr及Ti作變質和細化處理；
（2）熔煉；
（3）將步驟（2）所得熔體以高效精煉劑進行爐內除氣、除渣使熔體清潔無雜；
（4）液態模鍛成型分為5個階段
第一階段：熔體澆注至軸頭模具內：澆注溫度為680～690℃，模具預熱溫度為280～320℃，單坯精確定量澆注；
第二階段：快速充型：合模充型加壓時間為10-20秒，壓力由上模衝頭剛接觸到下模中熔體面起開始變化直到140-160bar，速度1-2mm/s；
第三階段：保壓過程：將壓力以加壓速度0.1-0.3mm/s逐漸減少為0，壓力180-200bar，達到保壓壓力，延時10-20秒進行冷卻，時間100-120秒；
第四階段：開模：模具下模頂杆向上頂出工件，上模隨壓機滑塊向上運動，與下模頂杆同速度，消除產品受到上下模具撕力；
第五階段：取料：採用機構夾具進行取料，放入輥道上，轉入下序；
（5）修邊、出孔；
（6）熱處理強化：將工件加熱到535±5℃恆溫保持4～6h，在30-80℃水溫條件下淬火60秒，在160±5℃溫度條件下進行時效處理3-5h；
（7）機械性能檢查、尺寸表面加工。
優選的：步驟（1）合金成分優化為：其中Si7份；Fe＜0.1份；Cu＜0.1份；Mg0.6份；Sr 0.02份；Ti 0.2份；Al95份，控制A357鋁合金中其他單個雜質≤0.04份，再加入元素Gd0.3份；Sm0.5份；Hf 1份，
優選的，所述步驟(3)中還包括在線處理過程，經高效熔劑精煉淨化後的熔體再採用GBF法在線除氣。
本發明的有益效果在於：
（1）本發明首先通過優化A357合金中各元素的成分，再配合添加適量的稀土元素Gd、Sm，以及元素Hf，再結合液態模鍛工藝製備出車用軸頭，通過優化合金的化學成分和熔體淨化技術，改善了合金的金相結構，極大的消除了產品中的縮孔、疏鬆、氣孔、裂紋等內部缺陷。軸頭產品外觀質量明顯改善，內部缺陷明顯減少，生產效率高，流程短，工藝成本低、節能、環境汙染少，經濟效益和社會效益明顯。
（2）稀土元素加入到鋁合金中可起到微合金化的作用，此外，它與氫等氣體和許多非金屬有較強的親和力，能生成熔點高的化合物，故它有一定的除氫、精煉、淨化作用；由於其活性極強，它可以在長大的晶粒界面上選擇性地吸附，阻礙晶粒的生長而實現細化晶粒的作用。稀土金屬元素Gd或Sm元素的加入可細化晶粒，提高合金的屈服強度，同時在合金的晶界附近生成穩定的粒狀Al2Gd或Al2Sm相，起到析出強化的作用，提高了合金的室溫拉伸性能和高溫抗蠕變性能，另外，加入Si可以提高合金的鑄造性能；Hf的加入可產生延稜柱面生長的析出相，且該析出相在300℃具有優異的熱穩定性，提高合金的抗蠕變性能，Hf和Gd共同作用可形成大量長周期有序堆垛結構，該結構與Al基體有共格關係，能夠阻礙位錯的基面滑移，強化基體，進一步提高了合金的高溫抗蠕變性能。因為，某些稀土元素與合金的某些元素會發生衝突反而影響合金的性能，所以本發明通過研究發現Gd或Sm可有效避免這一缺陷反而具有很好的有益效果。
另一方面，稀土元素的加入也可以改善鋁合金的鑄造性能，這是因為鐵是鋁合金中非常有害的雜質，萬分之幾的鐵就能形成Al+FeAl3的共晶矽，大多數含鐵相的結晶組織都十分粗大，直接影響合金的機械性能，降低合金的流動性，本發明加以Gd或Sm元素則可以改變鐵相的存在形態，提高鋁合金的鑄造性能。
（3）本發明採用液態模鍛方法製成的軸頭與採用低壓鑄造法製造的鋁合金軸頭相比，機械性能得到明顯的改善。拉伸強度增加42.5%以上，屈服強度增加116.7%以上，斷後伸長率增加75%以上，布氏硬度增加61.7%以上。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖：
圖1液態模鍛法製造的鋁合金商用車軸頭示意圖。
具體實施方式
下面對本發明的優選實施例進行詳細的描述。實施例中未註明具體條件的實驗方法，通常按照常規條件或按照製造廠商所建議的條件。
下面以生產商用車軸頭為例進行詳細介紹：
所生產的車用軸頭示意圖如圖1所示。
實施例1
（1）合金成分優化：優化A357鋁合金中中Mg/Si比和其他合金元素比例，並控制雜質元素的質量含量，其中Si7份；Fe＜0.1份；Cu＜0.1份；Mg0.6份；Sr 0.02份；Ti 0.2份；Al95份，控制A357鋁合金中其他單個雜質≤0.04份，再加入元素Gd0.3份；Sm0.5份；Hf1份，用Sr及Ti作變質和細化處理；此步驟中需嚴格掌握Gd、Sm的加入量，因為加入過量不但不會使鋁合金的性能改善，還會影響鋁合金的正常使用，甚至造成材料的報廢；
（2）熔煉；
（3）將步驟（2）所得熔體以高效精煉劑進行爐內除氣、除渣使熔體清潔無雜；清除鋁合金熔液內部的雜質和氣體，可進一步提高合金純度，改善合金的金相結構，消除產品中的縮孔、疏鬆、氣孔、裂紋等內部缺陷，同時提升工件的表面質量；
（4）液態模鍛成型分為5個階段
第一階段：熔體澆注至軸頭模具內：澆注溫度為685℃，模具預熱溫度為285℃，單坯精確定量澆注；
第二階段：快速充型：合模充型加壓時間為20秒，壓力由上模衝頭剛接觸到下模中熔體面起開始變化直到160bar，速度1mm/s；
第三階段：保壓過程：將壓力以加壓速度0.1mm/s逐漸減少為0，壓力200bar,達到保壓壓力，延時10秒進行冷卻，時間120秒；冷卻過程壓力保持不變；
第四階段：開模：模具下模頂杆向上頂出工件，上模隨壓機滑塊向上運動，與下模頂杆同速度，消除產品受到上下模具撕力；
第五階段：取料：採用機構夾具進行取料，放入輥道上，轉入下序；
通過各參數的控制，可改善工件內部的結晶質量，保證液鍛過程產生的工件具有較強的綜合力學性能；
（5）修邊、出孔；
（6）熱處理強化：將工件加熱到535恆溫保持5h，在50℃水溫條件下淬火60秒，在160℃溫度條件下進行時效處理4h；即先固溶處理再人工時效，使內部組織分布更加均勻，消除或減小淬火後工件內的微觀應力及機械加工殘餘應力，防止變形及開裂，穩定組織；先以精密車削獲得鏡面，再進行無鉻鈍化防護；提高工件的抗腐蝕能力；
（7）機械性能檢查、尺寸表面加工。
實施例2
（1）合金成分優化：優化A357鋁合金中中Mg/Si比和其他合金元素比例，並控制雜質元素的質量含量，其中Si6.5份；Fe＜0.2份；Cu＜0.2份；Mg0.5份；Sr 0.01份；Ti0.15份；Al90份，控制A357鋁合金中其他單個雜質≤0.05份，再加入元素Gd0.1份；Sm0.1份；Hf0.1份，用Sr及Ti作變質和細化處理；
（2）熔煉；
（3）將步驟（2）所得熔體以高效精煉劑進行爐內除氣、除渣使熔體清潔無雜；
（4）液態模鍛成型分為5個階段
第一階段：熔體澆注至軸頭模具內：澆注溫度為680℃，模具預熱溫度為320℃，單坯精確定量澆注；
第二階段：快速充型：合模充型加壓時間為10秒，壓力由上模衝頭剛接觸到下模中熔體面起開始變化直到150bar，速度2mm/s；
第三階段：保壓過程：將壓力以加壓速度0.3mm/s逐漸減少為0，壓力190bar，達到保壓壓力，延時20秒進行冷卻，時間100秒；冷卻過程壓力保持不變；
第四階段：開模：模具下模頂杆向上頂出工件，上模隨壓機滑塊向上運動，與下模頂杆同速度，消除產品受到上下模具撕力；
第五階段：取料：採用機構夾具進行取料，放入輥道上，轉入下序；
（5）修邊、出孔；
(6)熱處理強化：將工件加熱到540℃恆溫保持6h，在80℃水溫條件下淬火60秒，在165℃溫度條件下進行時效處理5h；
（7）機械性能檢查、尺寸表面加工。
實施例3
（1）合金成分優化：優化A357鋁合金中中Mg/Si比和其他合金元素比例，並控制雜質元素的質量含量，其中Si7.5份；Fe＜0.15份；Cu＜0.15份；Mg0.6份；Sr 0.015份；Ti 0.1份；Al93份，控制A357鋁合金中其他單個雜質≤0.03份，再加入元素Gd0.5份；Sm0.5份；Hf 1份，用Sr及Ti作變質和細化處理；
（2）熔煉；
（3）將步驟（2）所得熔體以高效精煉劑進行爐內除氣、除渣使熔體清潔無雜；
（4）液態模鍛成型分為5個階段
第一階段：熔體澆注至軸頭模具內：澆注溫度為680℃，模具預熱溫度為280℃，單坯精確定量澆注；
第二階段：快速充型：合模充型加壓時間為15秒，壓力由上模衝頭剛接觸到下模中熔體面起開始變化直到160bar，速度1.5mm/s；
第三階段：保壓過程：將壓力以加壓速度0.2mm/s逐漸減少為0，壓力200bar,達到保壓壓力，延時15秒進行冷卻，時間110秒；冷卻過程壓力保持不變；
第四階段：開模：模具下模頂杆向上頂出工件，上模隨壓機滑塊向上運動，與下模頂杆同速度，消除產品受到上下模具撕力；
第五階段：取料：採用機構夾具進行取料，放入輥道上，轉入下序；
（5）修邊、出孔；
(6)熱處理強化：將工件加熱到530℃恆溫保持5h，在60℃水溫條件下淬火60秒，在155℃溫度條件下進行時效處理4；
（7）機械性能檢查、尺寸表面加工。
對比實施例1
使用A356.2的合金牌號，其中化學元素含量為Si6.8-7.2%；Fe≤0.12%；Cu≤0.1%；Mg0.35-0.45%；Sr0.01-0.02%；Ti0.1-0.2%其他單個雜質≤0.05%，以Sr及Ti作變質和細化處理；採用低壓鑄造工藝進行鑄造。
對比實施例2
與實施例1的區別在於：不加入元素Gd、Sm、Hf，其他與實施例1所述的一致。
對比實施例3
與實施例1的區別在於，加入元素Gd5質量份、Sm 5質量份、Hf5質量份，其它與實施例1所述的一致。
將實施例1～3及對比實施例1～3所生產的鋁合金軸頭進行性能對比，得到如表1所示的數據：
表1鋁合金軸頭性能對比表
由表1可看出，本發明首先通過優化A357合金中各元素的成分，再配合添加適量的稀土元素Gd、Sm，以及元素Hf，再結合液態模鍛工藝製備出車用軸頭，通過優化合金的化學成分和熔體淨化技術，改善了合金的金相結構，極大的消除了產品中的縮孔、疏鬆、氣孔、裂紋等內部缺陷。本發明採用液態模鍛方法製成的軸頭與採用低壓鑄造法製造的鋁合金軸頭相比，機械性能得到明顯的改善。拉伸強度增加42.5%以上，屈服強度增加116.7%以上，斷後伸長率增加75%以上，布氏硬度增加61.7%以上。並且從表1也體現出了加入稀土元素對於合金性能的促進作用，通過對比實施例3也驗證了控制稀土元素的加入量對本工藝是至關重要的。
最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。