低壓鑄造鋁合金車輪的分級時效熱處理工藝

于小健，盧雅琳，胡因行，李 萍

(1.江蘇理工學(xué)院，江蘇 常州 213001;2.江蘇凱特汽車部件有限公司，江蘇 常州 213001)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車輕量化的要求越來越高，使得鋁合金輪轂的應(yīng)用也越來越多[1－4]。車輪是車輛行駛中重要的安全部件，要求有較高強(qiáng)度、優(yōu)良的沖擊韌性和良好的耐疲勞性，因此對其生產(chǎn)提出了較高的要求[5]。目前ZL101鋁合金材料是制造汽車鋁車輪的主要材料，該合金的鑄造性能優(yōu)良，流動性好，線收縮小，熱裂傾向低，氣密性好，稍有產(chǎn)生氣孔和縮孔的傾向[6－7]。ZL101合金材料一般要經(jīng)過熔化、精煉并添加鎂、鍶、鈦等元素經(jīng)變質(zhì)細(xì)化處理，再經(jīng)熱處理才能達(dá)到鋁車輪的強(qiáng)度和韌性的要求[8－10]。

目前，我國鋁車輪行業(yè)在變質(zhì)細(xì)化方面已達(dá)到較高的水平，但熱處理仍然采用傳統(tǒng)工藝，即采用固熔和時效兩個工序，固熔溫度530±5℃，時間360～420 min;時效溫度150±155℃，時間240～300 min。這種方法不僅能耗高、成本高，而且未考慮鋁合金車輪經(jīng)過機(jī)械加工后的表面處理過程，因為鋁合金車輪在表面處理過程會因噴漆烘烤使產(chǎn)品強(qiáng)度提高、韌性下降，因此傳統(tǒng)的熱處理工藝不僅能耗和成本高，而且產(chǎn)品的力學(xué)性能差。本實驗對傳統(tǒng)熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，考慮了噴漆烘烤工藝對材料力學(xué)性能的影響，提供一種低能耗，高工效，可替代傳統(tǒng)工藝的短時熱處理工藝，并確保合金的微觀組織，室溫拉伸力學(xué)性能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的T6處理工藝水平，旨在縮短生產(chǎn)周期，降低成本，對企業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實驗

1.1 實驗材料

本實驗用料由江蘇凱特汽車部件有限公司提供，批量生產(chǎn)的鍶變質(zhì)的ZL101鑄態(tài)鋁合金輪轂，光譜分析材料成分如表1所示。

表1 ZL101鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)W%)

1.2 實驗方法及設(shè)備

將批量生產(chǎn)的合格的鑄態(tài)鋁合金輪轂試樣，置于SX2－4－10電阻爐中進(jìn)行固溶時效處理，爐溫波動控制在±3℃;產(chǎn)品經(jīng)機(jī)械加工后進(jìn)行噴漆烘烤即再時效處理;然后做13°沖擊實驗;按GB/T228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》線切割加工成矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣在WDW電子萬能材料力學(xué)拉伸機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度3mm/min;將拉伸過后的試樣邊緣制成金相試樣，進(jìn)行清洗以去除污垢、油膜，用0.5%HF酸水溶液在室溫下浸蝕20s，采用GY－5000金相顯微鏡對各處理試樣的顯微組織進(jìn)行觀察;再將金相試樣在維氏硬度計測試硬度，載荷為10Kgf，保持時間為30s，每個試樣測三點，取其平均值和分析。

1.3 工藝方案

實驗工藝流程:上料→進(jìn)固熔爐→固熔處理→出固熔爐→淬火→進(jìn)時效爐→初級時效處理→出時效爐→機(jī)加工→再時效處理即噴漆烘烤→粉體烘烤→底漆與罩光漆烘烤→出爐。

本實驗分級時效熱處理工藝如表2所示，具體為:產(chǎn)品上料后首先進(jìn)固熔爐進(jìn)行固熔處理;固熔處理分為升溫和保溫，固熔時間250～290min，其中固熔升溫時間為40～50min，固熔保溫時間為210～240min，固熔保溫溫度540±5℃，固熔過程中循環(huán)風(fēng)速12m3/s以上;出固熔爐淬火處理，淬火轉(zhuǎn)移時間小于15s，淬火水溫55℃ ～65℃，淬火時間為3～3.5min;產(chǎn)品經(jīng)整形后進(jìn)時效爐，進(jìn)行初級時效處理，初級時效時間60～90min，其中初級時效升溫時間20～30min，初級時效保溫時間40～60min，初級時效溫度130±5℃;出時效爐;產(chǎn)品經(jīng)機(jī)械加工后進(jìn)入表面處理工序，進(jìn)行噴漆烘烤即再時效處理;在噴漆烘烤中溫度為170～200℃，噴漆烘烤時間60～80min，其中粉體烘烤溫度為190～200℃，烘烤時間為30～40min;底漆與罩光漆烘烤溫度170～180℃，烘烤時間為30～40min，然后出爐冷卻。作為對比試驗，傳統(tǒng)熱處理工藝即采用固熔和時效兩個程序，工藝為固熔溫度530～535℃，固熔時間360～420 min;淬火轉(zhuǎn)移時間小于15s，淬火水溫55℃ ～65℃;時效溫度 150～155℃，時效時間240～300 min。

表2 ZL101鋁合金車輪分級時效熱處理工藝

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能測試結(jié)果與分析

在輪轂不同位置取樣，分別進(jìn)行傳統(tǒng)時效和分級時效熱處理，處理后的材料力學(xué)性能對比如表3所示。

表3 分級時效與傳統(tǒng)時效工藝下材料的力學(xué)性能

從表3中可以看出，不論是輪緣還是輪輻，采用分級時效熱處理工藝后，材料屈服強(qiáng)度和延伸率大幅提高。輪緣區(qū)域材料的屈服強(qiáng)度提高了16.8%，延伸率提高了63%，輪輻區(qū)域材料的屈服強(qiáng)度提高了近10%，延伸率提高了86%，整個輪轂的塑性明顯改善。屈服強(qiáng)度的提高意味著材料在服役過程中不易發(fā)生變形，因此該工藝有利于提高鋁合金車輪的安全特性。

2.2 金相組織分析

輪轂傳統(tǒng)熱處理與分級時效熱處理工藝后的組織照片如圖1所示。

圖1 分級熱處理工藝與傳統(tǒng)熱處理工藝下的微觀組織

圖1中白色橢圓形樹枝狀組織為α－Al固溶體，晶界處黑色顆粒為共晶硅。采用傳統(tǒng)熱處理時(如圖1(a)所示)，α－Al固溶體晶粒粗大，樹枝晶粗大，部分呈薔薇狀，組織均勻性較差。從圖1(c)中可以看出，采用分級時效后，粗大的枝晶組織被打斷，薔薇狀組織減少，α－Al固溶體由枝晶組織向橢圓形、球狀轉(zhuǎn)化，微觀組織趨于細(xì)小均勻化。圖1(b)為傳統(tǒng)熱處理下晶界處的共晶硅組織，硅顆粒明顯粗大，大小不一，部分呈片狀、纖維狀，且分散不均勻。纖維狀顆粒對基體具有割裂作用，從而使合金的力學(xué)性能下降。而圖1(d)為分級時效熱處理后晶界處的共晶硅組織，可以看出:共晶硅顆粒已達(dá)到良好的球化而且較彌散均勻分布，硅相顆粒由纖維狀向球狀轉(zhuǎn)化，從而改善合金的性能。由以上分析可知，合金的組織決定了其性能的好壞。

2.3 安全性能試驗

汽車輪轂安全性能試驗包括沖擊試驗、彎曲疲勞試驗和徑向疲勞試驗，是汽車輪轂開發(fā)過程中必需檢驗的三大項目。目前，汽車輪轂?zāi)蜎_擊試驗國際標(biāo)準(zhǔn)要求是要進(jìn)行13°沖擊實驗。試驗參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)要求及測試結(jié)果如表4所示。

試驗時，沖擊重量比標(biāo)準(zhǔn)要求大50kg、彎曲疲勞實驗比標(biāo)準(zhǔn)要求實驗轉(zhuǎn)數(shù)多5.0萬轉(zhuǎn)、徑向疲勞實驗比標(biāo)準(zhǔn)要求實驗轉(zhuǎn)數(shù)多30萬轉(zhuǎn)。試驗結(jié)果:輪轂沖擊后背腔輪輻與輪緣連接處未出現(xiàn)開裂及裂紋，同時其他各項安全性能檢測合格，實驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 輪轂安全性能試驗

3 結(jié)論

(1)分級時效熱處理工藝處理的產(chǎn)品和傳統(tǒng)熱處理工藝相比，輪轂的力學(xué)性能顯著提高。微觀組織均勻，共晶硅邊角圓滑，溶質(zhì)相分布均勻。

(2)新工藝不僅使固熔和初級時效的時間縮短，減少了能源使用，降低了生產(chǎn)成本，而且再時效工藝借助于原有的粉底烘烤和底漆與罩光漆烘烤過程，不再單獨(dú)進(jìn)行熱處理再時效，節(jié)省了能源和生產(chǎn)成本。該方法可有效避免傳統(tǒng)熱處理工藝中經(jīng)過固熔和一次時效雖使產(chǎn)品強(qiáng)度和韌性達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，但又在粉底烘烤和底漆與罩光漆烘烤環(huán)節(jié)使產(chǎn)品韌性下降的弊端。因此，和傳統(tǒng)的熱處理工藝相比，該工藝不僅可以節(jié)約成本，而且可以提高產(chǎn)品性能。

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