CN112226655A - 一种复合铝合金车轮及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合铝合金车轮及其制造方法，在车轮的轮辋、轮辐部位分别采用不同的铸造方法进行铸造成型，以满足车轮在服役过程中的整体性能要求；为满足不同的铸造工艺要求，其中轮辋部位合金材料的成分设计按质量百分比构成为：Si 4.1～4.5％，Mg 0.80～0.85％，Ti 0.17～0.2％，Cr 0.10～0.15％，Mn 0.10～0.15％，Sr 0.015～0.017％，余量为纯铝；轮辐部位合金材料的成分设计按质量百分比构成为：Si 6.5～6.7％，Mg 0.21～0.25％，Ti 0.13～0.16％，Cr 0.18～0.22％，Mn 0.18～0.22％，Zr 0.16～0.2％，Sr 0.011～0.013％，余量为纯铝。

Description

一种复合铝合金车轮及其制造方法
技术领域
本发明属于有色金属铝基合金技术领域，具体涉及一种复合铝合金车轮及其制造方法。
背景技术
铝合金材料在汽车车轮上应用十分广泛，汽车车轮主要分为轮辋、轮辐两个部位。现行技术方案两部位均由相同成分的铝液一体化铸造成型，但汽车车轮各部位因为受力情况不同，性能所需实际上也是不同的。轮辋部位在最外面，主要承受侧向力冲击以及摩擦磨损，因此对强度和耐磨性要求一般比较高，而轮辐因为有轮辋的保护，不易受到磨损，但是要承受较强的冲击和弯曲应力，因此对塑韧性要求相对更高，对强硬度的要求次之，且对其下表面外观要求也较高。一般情况下，因为家用车少有遇上比较极端道路状况的时候，外侧轮辋的需求比较重要，因此为了保证轮胎的使用寿命，铸造车轮都是以轮辋的性能要求来进行设计，轮辐强硬度有余而韧性稍有不足，存在性能隐患，遇到比较危险的情况，性能上的不足就容易引发事故。因此忽视不同部位不同的性能要求而单单采用同一种合金成分进行一体化铸造成型会带来两个问题。一是车轮整体性能不高；二是因为不同部位性能指标要求的倾向是冲突的，难以折中。采用同一种材料时，要么以轮辋重强硬度轻塑韧性的特点去设计成分，使得轮辐部位的塑韧性不达标；要么通过牺牲强硬度而提高塑韧性以满足轮辐的塑韧性要求，则轮辋强硬度不达标。若要同时满足轮辋的强度和轮辐的塑韧性要求，则对轮辋就有较多的塑韧性冗余，轮辐则有较多的强度冗余。由此造成原材料的浪费与严重的性能过剩，增加了企业的生产成本。如何更加充分地发挥出材料的最佳利用率以及使车轮质量进一步提高成为当前迫切需要解决的问题。基于此，本发明针对车轮的轮辐和轮辋不同部位，首先选用不同的合金元素进行合金化，为后续选用不同的铸造成型工艺奠定基础。
发明内容
本发明针对上述现有车轮铸造成型质量不足之处，提供了一种复合铝合金车轮及其制造方法。本发明对于车轮的轮辋和轮辐部位首先设计不同含量及种类的合金成分，重点为后续采用新型铸造成型工艺服务，使制备出的复合铝合金车轮既能满足轮辋和轮辐各自的性能要求，同时又节省了多余的合金元素与生产设备的投入，使得设计制造好的车轮整体性能进一步提高，并减少了不必要的资源浪费以及人力和设备的投入，既提高了车轮的生产效率，又节约了生产成本，符合当下绿色发展理念。
本发明复合铝合金车轮，其轮辋和轮辐分别采用不同的铸造成型工艺：即轮辋通过低压铸造后再挤压成型，获得高的强度、韧性、好的气密性，为实现上述工艺，轮辋采用Si4.1～4.5％，Mg 0.80～0.85％，Ti 0.17～0.2％，Cr 0.10～0.15％，Mn 0.10～0.15％，Sr0.015～0.017％，余量为铝的合金成分设计；轮辐直接通过与轮辋浇注同步的低压铸造成型制成，获得较高的塑韧性和一定的强度，为此采用Si 6.5～6.7％，Mg 0.21～0.25％，Ti0.13～0.16％，Sr 0.011～0.013％，Cr0.18～0.22％，Mn 0.18～0.22％，Zr 0.16～0.2％，余量为铝的合金成分设计。
本发明复合铝合金车轮的铸造成型方法，铸造时在车轮的轮辐和轮辋对应部位分别设不同待盛铝合金液的密闭坩埚、升液管和浇注***，轮辐部位合金通过配料熔炼后由分布于轮辐对应处的升液管在低压作用下进入轮辐型腔，轮辋部位合金通过配料熔炼后由分布于轮辋对应处的升液管在低压作用下进入轮辋型腔。保持压力直到铸型中的铝液完全凝固以后，接着释放气体压力，在升液管中未参与凝固的铝液会在重力作用下自动落回到坩埚内。制备轮辋后，再将轮辋部位通过挤压成型工艺使其达到设计尺寸。车轮的轮辐部位经低压铸造成型、轮辋部位经低压铸造成型和挤压成型后，再对其进行热处理。
轮辋和轮辐两者对应的低压升液管中的铝合金溶液上升速度由车轮的结构尺寸确定，即按照轮辋与轮辐的体积比VA：VB确定二者不同成分铝合金溶液在升液管中的上升速度比为VA：VB。
本发明复合铝合金车轮的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：轮辐部位成型
1a、配料
按照配比量称取纯铝、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金(Al-Sr中间合金采用形状为0.2*5mm的扁Sr条)，Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金；
1b、熔炼
向预热好的坩埚中加入烘干的Al-Si中间合金，再加入纯铝覆盖在Al-Si中间合金的上表面，随炉升温至750℃，待其全部熔化，静置并保温20min；随后将Al-Ti中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金加入到已熔化的合金熔液中，全部熔化后静置并保温10min；将温度调至720℃(防止Mg元素因温度过高而烧损)，再向合金熔液中加入Al-Mg中间合金，全部熔化或溶解后用石英棒搅拌3-5分钟，使其元素分布均匀，再静置并保温10min；
1c、精炼变质
用扒渣勺将步骤1b中获得的合金熔液表层的浮渣快速地撇去，撇渣后用石墨钟罩将C2Cl6精炼剂压入溶液至坩埚底部1/3处并保持同一方向慢速旋转精炼除气，随后再将0.2*5mm扁Sr条送入熔池，720℃下静置保温10～20min，最后，撒入清渣剂进行除渣；
1d、浇注
将步骤1c获得的合金熔液采用低压铸造工艺进行成型，其中低压铸造模具的边模温度控制在460～480℃，上述合金熔液的温度保持在720～740℃，导入低压铸造机进行轮辐的低压铸造，铸造过程中的工艺参数要求为：
升液：压力250～270bar，时间16～20s；
充型：压力400～420bar，时间36～40s；
增压：压力850～870bar，时间46～50s；
保压：压力860～880bar，时间52～56s。
泄压凝固后待冷却后脱模取出，获得车轮的轮辐部位；
步骤2：轮辋部位成型
2a、配料
按照配比量称取纯铝、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金、0.2*5mm扁Sr条；
2b、熔炼
向预热好的坩埚中加入烘干的Al-Si中间合金，再加入纯铝覆盖在Al-Si中间合金的上面，然后随炉一起升温至750℃，待其全部熔化，静置并保温20min；随后将Al-Ti中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金加入到已熔化的合金熔液中，全部熔化后静置并保温10min；将温度调至720℃，向合金熔液中加入Al-Mg中间合金，全部熔化或溶解后用石英棒搅拌3-5分钟，使其元素分布均匀，再静置并保温10min；
2c、精炼变质
用扒渣勺将合金熔液表层的浮渣快速地撇去，撇渣后用石墨钟罩将C2Cl6精炼剂压入溶液至坩埚底部1/3处并保持同一方向慢速旋转精炼除气，随后再将0.2*5mm扁Sr条送入熔池，720℃下静置保温10～20min，最后，撒入清渣剂进行除渣；
2d、浇注
将步骤2c获得的合金熔液采用低压铸造工艺进行成型，其中低压铸造模具的边模温度控制在460～480℃，上述合金熔液温度保持在720～740℃，导入低压铸造机进行轮辋的低压铸造，铸造过程中的工艺参数要求为：
升液：压力260～280bar，时间18～22s；
充型：压力410～430bar，时间38～42s；
增压：压力860～880bar，时间48～52s；
保压：压力870～890bar，时间54～58s。
泄压凝固后待冷却后脱模取出，获得车轮的轮辋部位；
步骤3：轮辋部位挤压成型
将浇铸成的车轮加热至240～260℃，透热后，放入车轮挤压模中，用压力机对轮辋部位进行等温挤压，压下量为轮辋壁厚的10～16％，挤压应变速率为0.05～0.08S-1，挤压变形直至轮辋设计尺寸；
步骤4：热处理
对获得的车轮进行热处理，即依次进行固溶处理和人工时效处理。
所述固溶处理工艺为：540±5℃固溶保温3h，出炉淬火，40～60℃温水水淬，出炉至淬入水中时间≤15s，水中冷却时间约4～6min；
所述人工时效处理工艺为：170±5℃时效保温3.5h，出炉空冷。
本发明的设计依据是：
轮辐部位的设计成分为Si 6.5～6.7％，Mg 0.21～0.25％，Ti 0.13～0.16％，Sr0.011～0.013％，Cr 0.18～0.22％，Mn 0.18～0.22％，Zr 0.16～0.2％，余量为铝，轮辋部位的设计成分为Si4.1～4.5％，Mg 0.80～0.85％，Ti 0.17～0.2％，Cr 0.10～0.15％，Mn0.10～0.15％，Sr 0.015～0.017％，余量为铝。两者成分不同主要是为后续二者的铸造成型工艺服务，使车轮质量进一步得到提高，来优化提升新型复合铝合金车轮的综合性能，所加入的Si、Mg、Ti、Sr、Cr、Mn、Zr具体作用如下所述：
相对于国内外使用的铸造铝合金车轮，本发明轮辐部位的设计成分为Si 6.5～6.7％，比常规的A356车轮的Si含量略低，考虑到是采用低压铸造方法成型，对流动性要求相对低一些，而通过铸造成型，由于铸后组织中Si相比例下降，结合适当的热处理进一步减少共晶Si相，据此得到的轮辐部位塑韧性得到进一步提高。
相比于国内外使用的铸造铝合金车轮，本发明轮辋部位的设计成分为Si4.1～4.5％，据此所得到的Al-Si-Mg合金可以通过低压铸造成型，由于铸后组织中Si相比例低，结合适当的热处理进一步减少共晶Si相，可使合金具有一定的挤压成形性和加工硬化能力。轮辋部位经铸造近净成型后，可通过较低应变速率、较低温度的温挤压产生形状尺寸改变至设计尺寸、压实气孔、产生加工硬化及亚晶强化，以满足轮辋部位对强硬度、气密性的要求。在轮辋的挤压过程中，大量的位错被引入，由于变形温度较低，动态回复和动态再结晶不充分，变形强化效果好。在控应变速率的变形过程中，局部区域位错形成与合并消失达到动态平衡，同号位错垂直排列形成位错墙，形成大量亚晶，导致亚晶强化，进一步强化了合金。
本发明由于将过渡金属Ti、Zr加入合金中，可以形成Al3Zr相、Al3Ti相、Al3(Zr,Ti)相等，该类相晶格常数(a＝0.407nm)与基体更接近，与基体错配度(约为0.5％)更小，晶格常数的差异率降低，非均质形核效率增高，晶粒细化效果显著增强，同时也起到第二相强化作用。
本发明合金在时效过程中析出的次生Mg2Si粒子强烈的钉扎位错，阻碍位错运动，同时阻止亚晶界迁移与合并，提高了合金的再结晶温度，从而对合金产生了亚结构强化作用。此外，次生Mg2Si在合金中以弥散、细小的方式析出，其本身对合金也具有极为显著的析出强化作用。
合金中所加Cr能有效处理Al合金中因Fe的存在而产生的一种Fe、Al、Si共同生成的一种粗大的、形状通常为长针或者薄片状的脆性共晶相，其易在变形时引起应力集中诱发断裂，而加入Cr可以使其转化为细小的富Cr相，反而能够钉扎位错，抑制再结晶，强化合金。同时这些富Cr相可以在时效析出时提供现有表面促进析出加强时效强化效果。同样，过量添加有产生粗大相的风险。
合金中所加Mn能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物的分散颗粒阻碍了再结晶晶粒的生长。MnAl6的另一个作用是溶解杂质铁，形成(Fe，Mn)Al6，从而降低铁的有害作用。锰是铝合金中的一种重要元素。它可以单独加入形成Al-Mn二元合金，并且更经常与其他合金元素一起加入。因此，大多数铝合金含有锰。Cr元素在铝合金中时效阶段会析出AlCrSi相，这些析出相可成为Mg-Si相的非均匀形核位点，导致合金的强化效果降低，通过添加Mn元素可以和Cr配合使得它们提高合金的塑韧性效果更佳。
合金中所加Sr可以起到变质作用，显著细化晶粒组织，对Si相、第二相有明显的刻蚀与细化作用。
车轮有两个主要部位组成，即：轮辋、轮辐，如图1所示。轮辋是直接和轮胎接触，撑起轮胎外圈的部位，其受力情况要比轮辐部位更加严峻，在使用过程中直接承受较高载荷受到摩擦磨损，所以轮辋部位要求的强硬度，耐磨性更高，而对塑韧性的要求偏低一些。因此轮辋部位加入较多的合金元素Mg通过形成较多的Mg2Si强化相提升强度，同时通过铸造后低应变速率、低温温挤压变形，形成变形强化和亚晶强化来获得高强度。而加入Sr、Ti共同进行变质处理则是为了改善整体的组织形貌除去树枝晶和粗大片状共晶相，强化相保持良好形状有利于后续时效热处理。其中Sr的变质效果更偏向改善整体组织形貌，而Ti倾向于细化合金晶粒，复合变质能使变质效果大大提升，在提供足够的强化相的同时保留铝合金基体较好的塑韧性以达成耐冲击、疲劳性能方面的指标。同时Ti还能减少铝合金加入Sr后的吸氢倾向。加入Cr可以净化杂质Fe相同时细化晶粒，加入少量Mn元素配合Cr元素的作用以使得它们进一步提高合金的塑韧性，同时避免因为加入过量Cr使得粗大相产生。Zr的加入也是为了能细化晶粒的同时降低快冷敏感性，保证时效处理时可以固溶更多合金元素以析出更多强化相。因为Cr、Mn均能与基体中的Al等元素反应生成弥散相，同时Cr和Mn组合比单独添加Cr能产生更多的弥散相，细化晶粒的效果更好，净化Fe杂质的效果也更好。
如上文所说，轮辐部位相较于轮辋部位的强硬度略低，但对安全性要求、耐冲击，耐疲劳性能方面的要求则更高一些。因此，此方案中的轮辐部位的成分设计主要削减了Si、Mg的加入量。而出于弥补强硬度和追求塑韧性的考虑，Sr、Ti元素的加入量基本是微调。另外像Cr、Zr、Mn等净化杂质的元素则是增大了加入量，以形成更多富Cr、Mn相钉扎位错，抑制再结晶，强化与细化合金。同时这些富Cr、Mn相可以在时效析出时提供现有表面促进析出以达到加强时效强化效果。而多加入Zr也能为凝固过程中的一次析出粒子提供形核点和弥散分布钉扎晶界来抑制再结晶从而提升合金的塑韧性与耐蚀性。Zr还能显著降低合金的淬火敏感性，强化时效效果，提高合金的塑韧性。
本发明设计方案的目标是：轮辋通过低压铸造后再挤压成型，获得高强度、高韧性、较佳的气密性，为实现上述工艺，轮辋采用Si 4.1～4.5％，Mg 0.80～0.85％，Ti 0.17～0.2％，Cr0.10～0.15％，Mn 0.10～0.15％，Sr 0.015～0.017％，余量为铝的合金成分设计；轮辐直接通过与轮辋浇注同步的低压铸造成型***制成，获得较高的塑韧性和一定的强度等性能指标，为此采用Si 6.5～6.7％，Mg 0.21～0.25％，Ti 0.13～0.16％，Sr 0.011～0.013％，Cr 0.18～0.22％，Mn0.18～0.22％，Zr 0.16～0.2％，余量为铝的合金成分设计。由于车轮的轮辐和轮辋采用了不同的铸造成型工艺方法以及不同的合金成分设计，使得车轮整体的综合性能得到明显提升。现有汽车用常规车轮的轮辋部位、轮辐部位成分均相同，其中各部位抗拉强度为轮辋≥275MPa，轮辐≥250MPa；屈服强度：轮辋≥165MPa，轮辐≥155MPa。如果全部依照轮辋侧重强度而降低塑韧性指标、轮辐侧重塑韧性而降低对强硬度的指标来设计成分，以一体化铸造成型车轮后，不是在塑韧性方面，就是在强硬度方面有所亏损。在一般行驶状况下，因为道路平稳不会受到太大的冲击，即便是塑韧性或是强硬度不足也不会引发危险，但一旦遇上恶劣的路况，由于性能上的不平衡就会引发危险。而如果按轮辋应有的强度和轮辐应有的塑韧性来设计成分的话，无论是轮辋还是轮辐都会有很大的性能的过剩，而且使用寿命也不会延长，虚耗成本。
热处理过程中，当540±5℃固溶保温3h，时效后的强度较之常规T6长时间固溶保温处理已可达到95％以上。由于本发明轮辋部位加入的Mg量较高，较短时间固溶保温即可溶入足够的Mg于Al基体中，且轮辋的强度很大程度上来源于铸后挤压成型加工，故本发明采用了较短时间的固溶保温。对轮辐而言，本发明Si、Mg含量较之普通A356低，需要的固溶保温时间也较短。故本发明采用了较短时间的固溶保温，且效果良好。
人工时效加热保温温度为170±5℃，时效相形成速度快，时效保温时间缩短至3h，即可获得弥散分布的第二相，达到时效强化效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明主要是针对汽车车轮的不同部位首先设计不同成分含量的合金材料，再分别采用不同的铸造成型加工方法将所需的新型复合铝合金车轮制备出来。轮辐部位比常规的A356车轮的Si含量略低，据此得到的轮辐部位塑韧性好，强度较高，可以满足轮辐部位对塑韧性及强度的要求。轮辋部位的Si含量为4.1～4.5％，据此所得到的合金通过低压铸造近净成型后，再通过挤压变形至设计尺寸，期间孔洞减小甚至被被压实，使得轮辋的气密性得到提高，减少了轮胎漏气。变形产生强烈的加工硬化及亚晶强化，获得了高强硬度。这样使得到的车轮整体综合性能均得到大幅度提高。对采用以上铸造成型加工及热处理后的车轮的轮辋和轮辐性能进行检测如下：
轮辋部位的抗拉强度为：295～325MPa，屈服强度为：205～235MPa，硬度为：86～88HB，延伸率：8.4～8.8％。轮辋部位气密性检测采用氦检法，漏率在1.0×10-7～1.0×10- 6mbarl/s为合格，通过检测得出轮辋部位的漏率在1.0×10-6～0.4×10-6mbarl/s之间，可见轮辋的气密性大大提高。
轮辐部位的抗拉强度为：262～280MPa，屈服强度为：160～170MPa，硬度为：77～80HB延伸率为：9.1～9.5％。
经称重，该发明专利中采用的铸造成型工艺制备出的新型复合铝合金车轮与采用A356铝合金材料低压铸造成型制备出的车轮相比，重量减轻了0.5～1.0kg，进一步促进了汽车车轮的轻量化。
弯曲疲劳试验中4.2～4.5KN/M的载荷下36～37万转无异常；径向疲劳试验中半径方向载荷20.2～20.5KN的情况下182～183万转无异常；13°冲击试验中740～752kg的冲击锤由0°方向下落240～243mm造成冲击，车轮无异常；90°冲击试验中1100～1200kg的冲击锤由0°方向下落252～254mm，造成冲击，车轮依然无异常。以上疲劳试验及冲击试验中所发明车轮均未产生裂纹，疲劳寿命良好。
2、本发明车轮按照各部位各自性能指标优化设计出两种不同成分的合金材料通过在轮辋、轮辐中适量加入Cr、Mn、Zr元素降低了有害元素的作用，改善了车轮的综合性能。
3、车轮不同部位采用不同成分，轮辋部位大幅减少了Si加入量，轮辐部位减少了Si、Mg、Ti、Sr含量，既节约了多余合金元素的加入量，又降低了车轮的制造成本。
4、热处理的固溶处理工艺中固溶保温时间缩短，仅为3h，人工时效处理保温时间也相应缩短短，仅为3.5h，节约了热处理时间20％，即减少了热处理过程中的耗电量，使车轮的整体生产成本大大降低。
5、加入Sr时，在熔池中喂入0.2*5mm扁Sr条，扁Sr条较之圆形Sr条与熔液接触面大，减少了熔化时间，提高了其在铝合金溶液中的分布均匀性以及对共晶Si相的变质效果。
附图说明
图1是该发明新型复合铝合金车轮的铸造成型后的简单结构示意图，其中：1轮辋，2轮辐。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明技术方案作进一步分析说明。
为满足本发明中所采用的铸造成型方法，实施例中设计合金成分是轮辋部位按质量百分比(wt％)的材料成分为：Si 4.1～4.5％，Mg 0.80～0.85％，Ti 0.17～0.2％，Cr0.10～0.15％，Mn0.10～0.15％，Sr 0.015～0.017％，余量为铝；轮辐部位合金按质量百分比(wt％)的材料成分为：Si 6.5～6.7％，Mg 0.21～0.25％，Ti 0.13～0.16％，Sr 0.011～0.013％，Cr 0.18～0.22％，Mn0.18～0.22％，Zr 0.16～0.2％，余量为铝。本实施例新型铝合金车轮按质量百分比(wt％)的材料成分举例如下表：
轮辋部位实施例合金材料成分：
组 Si Mg Ti Sr Cr Mn Al
1 4.1 0.80 0.17 0.015 0.10 0.10 余量
2 4.3 0.83 0.17 0.015 0.10 0.10 余量
3 4.3 0.83 0.19 0.016 0.13 0.13 余量
4 4.5 0.85 0.19 0.016 0.13 0.13 余量
5 4.5 0.85 0.20 0.017 0.15 0.15 余量
上表中的第一组，Si、Mg含量均较低，同时Cr、Sr、Ti加入的较少，合金具有较好的流动性，可以通过低压铸造创新。合金塑性较好，有较好的挤压变形能力和加工硬化潜力，铸后易以挤压成型。Si、Mg主要用于形成强化相，而Sr、Ti的加入可以细化α-Al枝晶与共晶Si相，可改善共晶相的形貌使其变得连续和均匀。Cr、Mn加入后可以净化杂质，增加时效时析出的第二相的数量与细化第二相。
上表中的第二组，较之第一组，Si上升0.2％，Mg上升0.03％，合金中形成的强化相增多，由于Si、Mg增加的幅度有限，提升强度的同时没有对塑韧性造成较大的影响。
上表中的第三组，较之第二组，Ti、Sr含量有所增加，变质效果提升了，α-Al枝晶进一步细化，组织整体形貌改善，强硬度与塑韧性均有提升。同时Cr、Mn增加0.03％，进一步降低了杂质的有害影响，使塑韧性升高。
上表中的第四组，较之第三组，Si上升0.2％，Mg上升0.02％，合金强硬度升高，但由于Si相比例增加，塑性有所降低，后续的挤压变形较为困难。
上表中的第五组，较之第四组，Si、Mg含量不变，Ti、Sr、Cr、Mn含量有所增加，各元素都达到了设计中的最大加入值，合金的变质、细化、杂质的去除净化效果较之第四组均有所改善，强硬度、韧性有所提高，同时塑韧性不会有太大的损失。。
轮辐部位实施例合金材料成分：
组 Si Mg Ti Sr Cr Zr Mn Al
1 6.5 0.21 0.13 0.011 0.18 0.16 0.18 余量
2 6.6 0.23 0.13 0.011 0.18 0.17 0.18 余量
3 6.6 0.23 0.14 0.012 0.20 0.18 0.20 余量
4 6.7 0.25 0.14 0.012 0.20 0.18 0.20 余量
5 6.7 0.25 0.16 0.013 0.22 0.20 0.22 余量
上表中的第一组，Si、Mg含量均较低，同时Cr、Sr、Ti、Zr、Mn加入的较少，合金具有较好的流动性，可以通过低压铸造创新。合金塑韧性较好，强度较低。Si、Mg主要用于形成强化相，而Sr、Ti、Zr的加入可以细化α-Al枝晶与共晶Si相，可改善共晶相的形貌使其变得连续和均匀。Cr、Mn加入后可以净化杂质，增加时效时析出的第二相的数量与细化第二相。
上表中的第二组，较之第一组，Si上升0.1％，Mg上升0.02％，合金中形成的强化相增多，合金强度提高。由于Si、Mg增加的幅度有限，提升强度的同时没有对塑韧性造成较大的影响。
上表中的第三组，较之第二组，Ti、Sr、Zr含量有所增加，变质效果提升了，α枝晶进一步细化，组织整体形貌改善，强硬度与塑韧性均有提升。同时Cr、Mn增加0.02％，进一步降低了杂质的有害影响，使塑韧性升高。
上表中的第四组，较之第三组，Si上升0.1％，Mg上升0.02％，合金强硬度升高，但由于Si相比例增加，塑韧性有所下降。
上表中的第五组，较之第四组，Si、Mg含量不变，Ti、Sr、Cr、Zr、Mn含量有所增加，各元素都达到了设计中的最大加入值，合金的变质、细化、杂质的去除净化效果较之第四组均有所改善，强硬度、韧性有所提高。
实施例1：
按照轮辋成分Si 4.3％，Mg 0.83％，Ti 0.17％，Cr 0.10％，Mn 0.10％，Sr0.015％，余量为铝，轮辐成分Si 6.5％，Mg 0.21％，Ti 0.13％，Sr 0.011％，Cr 0.18％，Zr0.16％，Mn 0.18％，余量为铝，分别进行配料、熔炼制成合金液，然后分别采用不同的铸造成型方法制成完整的车轮并进行后续冷却及热处理等后续生产工艺。
对轮辐设计合金成分获得的合金熔液采用低压铸造工艺进行成型，其中低压铸造模具的边模温度控制在460℃。上述铝液温度保持在720℃，导入低压铸造机进行轮辐的低压铸造，铸造过程中的工艺参数要求为：
升液：压力250bar，时间16s；
充型：压力400bar，时间36s；
增压：压力850bar，时间46s；
保压：压力860bar，时间52s。
泄压凝固待冷却后脱模取出，获得车轮的轮辐部位；
对轮辋设计合金成分获得的合金熔液采用低压铸造和挤压成型工艺进行成型，其中低压铸造模具的边模温度和轮辐低压铸造时模具的边模温度保持一致，也控制在460℃。上述铝液温度保持在725℃，导入低压铸造机进行轮辋的低压铸造，铸造过程中的工艺参数要求为：
升液：压力260bar，时间18s；
充型：压力410bar，时间38s；
增压：压力860bar，时间48s；
保压：压力870bar，时间54s。
泄压凝固待冷却后脱模取出，获得车轮的轮辐部位；
将浇铸成的车轮加热至240℃，透热后，放入车轮挤压模中，用压力机对轮辋部位进行等温挤压，压下量为轮辋壁厚的11％，挤压应变速率为0.05S-1，挤压变形直至轮辋设计尺寸。
对获得的车轮进行热处理，即依次进行固溶处理和人工时效处理。
所述固溶处理工艺为：540±5℃固溶保温3h，出炉淬火，40℃温水水淬，出炉至淬入水中时间≤15s，水中冷却时间约4min；
所述人工时效处理工艺为：170±5℃时效保温3.5h，出炉空冷。
经检测其中轮辋部位合金材料抗拉强度为307MPa，屈服强度为209MPa，硬度为86HB，延伸率8.7％，轮辋部位气密性检测采用氦检法，漏率在1.0×10-7～1.0×10-6mbarl/s为合格，通过检测得出轮辋部位的漏率为0.9×10-6mbarl/s之间，可见轮辋的气密性大大提高；经称重，该发明专利中采用的铸造成型工艺制备出的新型复合铝合金车轮与采用A356铝合金材料低压铸造成型制备出的车轮相比，重量减轻了0.65kg，进一步促进了汽车车轮的轻量化。所得轮辐部位合金抗拉强度为262MPa，屈服强度为160MPa，硬度为78HB，延伸率为9.5％。弯曲疲劳试验中4.2KN/M的载荷下36万转无异常；径向疲劳试验中半径方向载荷20.2KN的情况下182万转无异常；13°冲击试验中740kg的冲击锤由0°方向下落240mm造成冲击，车轮无异常；90°冲击试验中1100kg的冲击锤由0°方向下落252mm，造成冲击，车轮依然无异常。以上疲劳试验及冲击试验中所发明车轮均未产生裂纹，疲劳寿命良好。
实施例2：
按照轮辋成分Si 4.3％，Mg 0.83％，Ti 0.19％，Cr 0.13％，Mn 0.13％，Sr0.016％，余量为铝，轮辐成分Si 6.6％，Mg 0.23％，Ti 0.14％，Sr 0.012％，Cr 0.20％，Zr0.18％，Mn 0.20％，余量为铝，分别进行配料、熔炼制成合金液，然后分别采用不同的铸造成型方法制成完整的车轮并进行后续冷却及热处理等后续生产工艺。
对轮辐设计合金成分获得的合金熔液采用低压铸造工艺进行成型，其中低压铸造模具的边模温度控制在470℃。上述铝液温度保持在730℃，导入低压铸造机进行轮辋的低压铸造，铸造过程中的工艺参数要求为：
升液：压力260bar，时间18s；
充型：压力410bar，时间38s；
增压：压力860bar，时间48s；
保压：压力870bar，时间54s。
泄压凝固待冷却后脱模取出，获得车轮的轮辐部位；
对轮辋设计合金成分获得的合金熔液采用低压铸造和挤压成型工艺进行成型，其中低压铸造模具的边模温度和轮辐低压铸造时模具的边模温度保持一致，也控制在470℃。上述铝液温度保持在735℃，导入低压铸造机进行轮辋的低压铸造，铸造过程中的工艺参数要求为：
升液：压力270bar，时间20s；
充型：压力420bar，时间40s；
增压：压力870bar，时间50s；
保压：压力880bar，时间56s。
泄压凝固待冷却后脱模取出，获得车轮的轮辐部位；
将浇铸成的车轮加热至250℃，透热后，放入车轮挤压模中，用压力机对轮辋部位进行等温挤压，压下量为轮辋壁厚的13％，挤压应变速率为0.06S-1，挤压变形直至轮辋设计尺寸。
对获得的车轮进行热处理，即依次进行固溶处理和人工时效处理。
所述固溶处理工艺为：540±5℃固溶保温3h，出炉淬火，50℃温水水淬，出炉至淬入水中时间≤15s，水中冷却时间约5min；
所述人工时效处理工艺为：170±5℃时效保温3.5h，出炉空冷。
经检测其中轮辋部位合金材料抗拉强度为321MPa，屈服强度为226MPa，硬度为87HB，延伸率8.6％，轮辋部位气密性检测采用氦检法，漏率在1.0×10-7～1.0×10-6mbarl/s为合格，通过检测得出轮辋部位的漏率在0.7×10-6mbarl/s之间，可见轮辋的气密性大大提高；经称重，该发明专利中采用的铸造成型工艺制备出的新型复合铝合金车轮与采用A356铝合金材料低压铸造成型制备出的车轮相比，重量减轻了0.72kg，进一步促进了汽车车轮的轻量化。所得轮辐部位合金抗拉强度为275MPa，屈服强度为167MPa，硬度79HB，延伸率为9.3％。弯曲疲劳试验中4.3KN/M的载荷下36.5万转无异常；径向疲劳试验中半径方向载荷20.3KN的情况下182.5万转无异常；13°冲击试验中745kg的冲击锤由0°方向下落242mm造成冲击，车轮无异常；90°冲击试验中1150kg的冲击锤由0°方向下落253mm，造成冲击，车轮依然无异常。以上疲劳试验及冲击试验中所发明车轮均未产生裂纹，疲劳寿命良好。
实施例3：
按照轮辋成分Si 4.5％，Mg 0.85％，Ti 0.20％，Cr 0.15％，Mn 0.15％，Sr0.017％，余量为铝，轮辐成分Si 6.7％，Mg 0.25％，Ti 0.16％，Sr 0.013％，Cr 0.22％，Zr0.20％，Mn 0.22％，余量为铝，分别进行配料、熔炼制成合金液，然后分别采用不同的铸造成型方法制成完整的车轮并进行后续冷却及热处理等后续生产工艺。
对轮辐设计合金成分获得的合金熔液采用低压铸造工艺进行成型，其中低压铸造模具的边模温度控制在480℃。上述铝液温度保持在740℃，导入低压铸造机进行轮辋的低压铸造，铸造过程中的工艺参数要求为：
升液：压力270bar，时间20s；
充型：压力420bar，时间40s；
增压：压力870bar，时间50s；
保压：压力880bar，时间56s。
泄压凝固待冷却后脱模取出，获得车轮的轮辐部位；
对轮辋设计合金成分获得的合金熔液采用低压铸造和挤压成型工艺进行成型，其中低压铸造模具的边模温度和轮辐低压铸造时模具的边模温度保持一致，也控制在480℃。上述铝液温度保持在740℃，导入低压铸造机进行轮辋的低压铸造，铸造过程中的工艺参数要求为：
升液：压力280bar，时间22s；
充型：压力430bar，时间42s；
增压：压力880bar，时间52s；
保压：压力890bar，时间58s。
泄压凝固待冷却后脱模取出，获得车轮的轮辐部位；
将浇铸成的车轮加热至260℃，透热后，放入车轮挤压模中，用压力机对轮辋部位进行等温挤压，压下量为轮辋壁厚的15％，挤压应变速率为0.07S-1，挤压变形直至轮辋设计尺寸。
对获得的车轮进行热处理，即依次进行固溶处理和人工时效处理。
所述固溶处理工艺为：540±5℃固溶保温3h，出炉淬火，60℃温水水淬，出炉至淬入水中时间≤15s，水中冷却时间约6min；
所述人工时效处理工艺为：170±5℃时效保温3.5h，出炉空冷。
经检测其中轮辋部位合金材料抗拉强度为325MPa，屈服强度为235MPa，硬度为88HB，延伸率8.5％，轮辋部位气密性检测采用氦检法，漏率在1.0×10-7～1.0×10-6mbarl/s为合格，通过检测得出轮辋部位的漏率在0.5×10-6mbarl/s之间，可见轮辋的气密性大大提高；经称重，该发明专利中采用的铸造成型工艺制备出的新型复合铝合金车轮与采用A356铝合金材料低压铸造成型制备出的车轮相比，重量减轻了0.83kg，进一步促进了汽车车轮的轻量化。所得轮辐部位合金抗拉强度为280MPa，屈服强度为170MPa，硬度80HB，延伸率为9.1％。弯曲疲劳试验中4.5KN/M的载荷下37万转无异常；径向疲劳试验中半径方向载荷20.5KN的情况下183万转无异常；13°冲击试验中752kg的冲击锤由0°方向下落243mm造成冲击，车轮无异常；90°冲击试验中1200kg的冲击锤由0°方向下落254mm，造成冲击，车轮依然无异常。以上疲劳试验及冲击试验中所发明车轮均未产生裂纹，疲劳寿命良好。
通过本发明的技术方案，所得轮辋部位合金材料抗拉强度均大于295MPa，屈服强度均大于205MPa，硬度在86～88HB之间，延伸率均大于8.4％；所得轮辐部位合金抗拉强度均大于262MPa，屈服强度均大于160MPa，硬度在77～80HB之间，延伸率均大于9.1％，显著优于现有车用车轮性能，各部位性能配合良好，车轮整体性能优于现有铝合金车轮，抗疲劳性能、抗冲击性能好。完成2800Nm弯矩、35万转弯曲疲劳试验后车轮无裂纹，加载点的偏移量不超过初始全加载量的12％；完成加装轮胎充气压力450KPa、螺母扭矩130Nm、15000N载荷、180万转径向疲劳试验后车轮无裂纹；冲击位置13°、90°加装轮胎充气压力180KPa，螺母扭矩130Nm，280mm落下高度冲击试验后轮辐、轮辋任一断面无裂纹，轮辋任一断面无气孔，轮辋无分离和漏气现象。该新型复合铝合金车轮具有外观无缺陷、表面质量高、强度、硬度高、塑性、韧性好、不易变形和漏气等优点。

Claims (9)

1.一种复合铝合金车轮，其特征在于：
所述复合铝合金车轮的轮辋和轮辐分别采用不同的合金材料；
所述轮辋部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 4.1～4.5％，Mg0.80～0.85％，Ti 0.17～0.2％，Cr 0.10～0.15％，Mn 0.10～0.15％，Sr 0.015～0.017％，余量为铝；
所述轮辐部位合金材料的成分按质量百分比构成为：Si 6.5～6.7％，Mg 0.21～0.25％，Ti 0.13～0.16％，Sr 0.011～0.013％，Cr 0.18～0.22％，Mn 0.18～0.22％，Zr0.16～0.2％，余量为铝。
2.一种权利要求1所述的复合铝合金车轮的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：轮辐部位成型
1a、配料
按照配比量称取纯铝、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金，Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金；
1b、熔炼
向预热好的坩埚中加入烘干的Al-Si中间合金，再加入纯铝覆盖在Al-Si中间合金的上表面，随炉升温至750℃，待其全部熔化，静置并保温20min；随后将Al-Ti中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金加入到已熔化的合金熔液中，全部熔化后静置并保温10min；将温度调至720℃，再向合金熔液中加入Al-Mg中间合金，全部熔化或溶解后用石英棒搅拌3-5分钟，使其元素分布均匀，再静置并保温10min；
1c、精炼变质
用扒渣勺将步骤1b中获得的合金熔液表层的浮渣快速地撇去，撇渣后用石墨钟罩将C2Cl6精炼剂压入溶液至坩埚底部1/3处并保持同一方向慢速旋转精炼除气，随后再将Al-Sr中间合金送入熔池，720℃下静置保温10～20min，最后，撒入清渣剂进行除渣；
1d、浇注
将步骤1c获得的合金熔液采用低压铸造工艺进行成型，其中低压铸造模具的边模温度控制在460～480℃,合金熔液的温度保持在720～740℃，导入低压铸造机进行轮辐的低压铸造，泄压凝固后待冷却后脱模取出，获得车轮的轮辐部位；
步骤2：轮辋部位成型
2a、配料
按照配比量称取纯铝、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金、0.2*5mm扁Sr条；
2b、熔炼
向预热好的坩埚中加入烘干的Al-Si中间合金，再加入纯铝覆盖在Al-Si中间合金的上面，然后随炉一起升温至750℃，待其全部熔化，静置并保温20min；随后将Al-Ti中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金加入到已熔化的合金熔液中，全部熔化后静置并保温10min；将温度调至720℃，向合金熔液中加入Al-Mg中间合金，全部熔化或溶解后用石英棒搅拌3-5分钟，使其元素分布均匀，再静置并保温10min；
2c、精炼变质
用扒渣勺将合金熔液表层的浮渣快速地撇去，撇渣后用石墨钟罩将C2Cl6精炼剂压入溶液至坩埚底部1/3处并保持同一方向慢速旋转精炼除气，随后再将0.2*5mm扁Sr条送入熔池，720℃下静置保温10～20min，最后，撒入清渣剂进行除渣；
2d、浇注
将步骤2c获得的合金熔液采用低压铸造工艺进行成型，其中低压铸造模具的边模温度控制在460～480℃，合金熔液的温度保持在720～740℃，导入低压铸造机进行轮辋的低压铸造，泄压凝固后待冷却后脱模取出，获得车轮的轮辋部位；
步骤3：挤压成型
将经上述步骤低压铸造成型后的车轮加热至240～260℃，透热后，放入车轮挤压模中，使用压力机仅对车轮的轮辋部位进行等温挤压，挤压变形直至轮辋设计尺寸；
步骤4：热处理
对采用上述铸造成型工艺获得的车轮进行热处理，即依次进行固溶处理和人工时效处理。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：
步骤3中，等温挤压时的压下量为壁厚的10～16％，挤压应变速率为0.05～0.08S-1。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：
步骤4中，所述固溶处理工艺为：540±5℃固溶保温3h，出炉淬火，40～60℃温水水淬，出炉至淬入水中时间≤15s，水中冷却时间约4～6min。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：
步骤4中，所述人工时效处理工艺为：170±5℃时效保温3.5h，出炉空冷。
6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：
步骤1d铸造过程中的工艺参数设置为：
升液：压力250～270bar，时间16～20s；
充型：压力400～420bar，时间36～40s；
增压：压力850～870bar，时间46～50s；
保压：压力860～880bar，时间52～56s。
7.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：
步骤2d铸造过程中的工艺参数设置为：
升液：压力260～280bar，时间18～22s；
充型：压力410～430bar，时间38～42s；
增压：压力860～880bar，时间48～52s；
保压：压力870～890bar，时间54～58s。
8.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：
铸造时在车轮的轮辐和轮辋对应部位分别设不同待盛铝合金液的密闭坩埚、升液管和浇注***，轮辐部位合金通过配料熔炼后由分布于轮辐对应处的升液管在低压作用下进入轮辐型腔；轮辋部位合金通过配料熔炼后由分布于轮辋对应处的升液管在低压作用下进入轮辋型腔；保持压力直到铸型中的合金液完全凝固以后，接着释放气体压力，在升液管中未参与凝固的铝液会在重力作用下自动落回到坩埚内；制备轮辋后，再将轮辋部位通过挤压成型工艺使其达到设计尺寸；车轮的轮辐部位经低压铸造成型，轮辋部位经低压铸造成型和挤压成型后，再对其进行热处理。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：
轮辋和轮辐两者对应的低压升液管中的铝合金溶液上升速度由车轮的结构尺寸确定，即按照轮辋与轮辐的体积比VA：VB确定二者不同成分铝合金溶液在升液管中的上升速度比。
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Denomination of invention: A composite aluminum alloy wheel and its manufacturing method

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