CN115572871B

CN115572871B - 商用铝合金锻造车轮及其制备方法

Info

Publication number: CN115572871B
Application number: CN202211341828.4A
Authority: CN
Inventors: 李洪光; 孙谱; 李庆; 丁有望; ***; 贾子瑞; 秦作峰
Original assignee: Chiping Xinfa Aluminum Products Co ltd; Shandong Juncheng Metal Technology Co ltd
Current assignee: Chiping Xinfa Aluminum Products Co ltd; Shandong Juncheng Metal Technology Co ltd
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-09-15
Anticipated expiration: 2042-10-31
Also published as: CN115572871A

Abstract

本发明提供了一种商用铝合金锻造车轮及其制备方法，涉及铝合金加工技术领域。其包括将熔体铸造成圆铸锭坯料，随后对所述铸锭坯料进行均匀化处理、铸锭坯料锯切、铸棒坯料加热、铸棒坯料热剥皮、三步锻造、固溶淬火、旋压轮辋、时效处理、车轮机加工、旋压型面喷丸、涂装，铝合金材料成分包括Si，Mg，Cu，Mn，Cr，Ti，Zr，Fe＜0.2%，Na＜0.0005%，Ca＜0.0005%，Pb＜0.005%以及余量的Al，Mg/Si质量比为1.3~1.5，铝合金材料按质量百分数计Mn+Cr为0.25~0.35%。该材料可满足商用车轮对性能的要求，可完全代替其他材料，实现材料的轻量化、高强度和良好的耐疲劳性能。

Description

商用铝合金锻造车轮及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种商用铝合金锻造车轮及其制备方法，属于铝合金加工技术领域。

背景技术

车轮是汽车轻量化的一个关键零部件，更是一个重要的***件，车轮在服役过程中，一方面要有较高的强度来支撑整车的重量，另一方面会受到径向和弯曲应力需要足够的抗疲劳性能。

高端商用车铝合金车轮的制作方法主要为锻造，锻造后进行机加工制造成成品车轮。目前，常规锻造的铝合金车轮会存在力学性能低、疲劳性能差等问题，导致车轮服役过程中出现疲劳裂纹或是降低车轮使用寿命，特别是车轮轮辋部位易出现强度和疲劳性能低。另外，现有工艺材料利用率低，废品率高，增加了材料成本。本发明提供的工艺流程具有低碳环保、节约能源的优点。

发明内容

本发明目的是提供了一种商用铝合金锻造车轮及其制备方法，其具有较高的强度和疲劳性能，可满足商用车对车轮性能的要求，可完全代替其他材料，实现材料的轻量化和高强度。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

1.一种商用铝合金锻造车轮，其特征在于：铝合金材料成分按质量百分数计包括Si：0.6～0.8％，Mg：0.9～1.2％，Cu：0.25～0.32％，Mn：0.08～0.12％，Cr：0.15～0.25％，Ti：0.025～0.030％，Zr：0.003～0.006％，Fe＜0.2％，Na＜0.0005％，Ca＜0.0005％，Pb＜0.005％以及余量的Al，Mg/Si质量比为1.3～1.5，铝合金材料按质量百分数计Mn+Cr为0.25～0.35％。

2.根据权利要求1所述商用铝合金锻造车轮，其特征在于：铝合金材料的T6态抗拉强度为400～430MPa，屈服强度为380-410MPa，延伸率≥15％，径向疲劳试验为2.8加载系数下完成100万转无裂纹。

3.一种商用铝合金锻造车轮制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将熔体铸造成锭坯料：

该铝合金中，按质量百分数计包括Si：0.6～0.8％，Mg：0.9～1.2％，Cu：0.25～0.32％，Mn：0.08～0.12％，Cr：0.15～0.25％，Ti：0.025～0.030％，Zr：0.003～0.006％，Fe＜0.2％，Na＜0.0005％，Ca＜0.0005％，Pb＜0.005％以及余量的Al；

坯料中的氢含量小于等于0.10mL/100gAl，渣含量小于等于0.1mm²/kgAl，铸锭疏松面积占比小于等于0.0001；

(2)铸棒坯料热剥皮:铸棒热剥皮后温度为540～550℃；

(3)三步锻造：包括预锻、终锻和扩孔，预锻的锻造比为4～5，终锻的锻造比为3～4，预锻开始和终锻结束温度温度降低小于30～40℃；

(4)旋压轮辋：旋压轮辋的时机为固溶淬火后2～3小时内完成，旋压变形量为起旋点位置变形量40～50％，轮辋深槽位置变形量30～40％；

(5)旋压型面喷丸:用不锈钢球垂直喷射轮毂表面，喷枪与轮毂距离150-200mm，喷丸目数20～30目。

4.根据权利要求3所述商用铝合金锻造车轮制备方法，其特征在于，熔体铸造成锭坯料时，熔体处理采用带两个旋转喷嘴的SNIF在线除气与双级板式过滤相结合的方式，SNIF除气是采用氩气与氯气混合，氩气流量在4.0～5.0m³/h，氯气流量在0.2～0.4m3/h，转子转速在400-450rpm，所述双级过滤板的直径分别是30ppi和50ppi。

5.根据权利要求3所述商用铝合金锻造车轮制备方法，其特征在于，熔体铸造成锭坯料时，采用废料比例为20～40％，所述废料为生产同成分锻造车轮全流程产生的一级废料，采用的晶粒细化剂为Al-5Ti-0.2C，加入量为1.8～2.2kg/t熔体。

6.根据权利要求3所述商用铝合金锻造车轮制备方法，其特征在于，其还包括铸锭坯料进行均匀化处理，均匀化处理是采用三级均匀化处理，第一级为360～400℃保温4～6h，第二级为520～540℃保温1～2h，第三级为555～575℃保温6～8h，均匀化结束后喷水冷却。

7.根据权利要求6所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，均匀化处理后其还包括铸棒坯料加热和铸棒坯料热剥皮，铸棒坯料加热炉温度为550～560℃，加热时间2.5～3.5h；热剥皮厚度为单边2～4mm，剥皮速度为40～80mm/s。

8.根据权利要求3所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，预锻时样件受力2～3t/cm²，锻造剪切速度15-30mm/s，锻造模具温度400～470℃，上模和下模间距离为10～15mm，保压10～15s，终锻时样件受力4～5t/cm²，锻造剪切速度5-15mm/s，锻造模具温度430-480℃，上模和下模间距离为8～13mm，保压15～20s，扩孔时扩孔角度20-30°，冲孔压力40-50t，行程180-260mm；

或者预锻用水基石墨润滑剂润滑，终锻用油基润滑剂润滑，喷射压力2-5kg/cm2，润滑剂层厚度为20～40μm。

9.根据权利要求3所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，三步锻造后还包括固溶淬火，固溶淬火的固溶温度为525～545℃，时间为3～4h，淬水转移时间小于15s，锻坯出水后温度小于40℃。

10.根据权利要求3所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，旋压轮辋时先将旋压定位面准确的定位到模具中心，机床的转速1200～1800r/min，模具转速300～600r/min，起旋点进给速度为200～400mm/s，轮辋深槽位置进给速度500～700mm/s，旋轮转速300～500r/min，旋压尾顶行程600～800mm，合模后旋压模芯跳动＜0.1mm；

旋压轮辋后还包括时效处理，时效处理为170～180℃保温8～10h，出炉后进行风冷。

本发明的优点在于：

通过控制合金熔体质量及坯料的化学成分，调控锻造、热处理及加工硬化过程晶粒组织和析出相的变化，最终获得具有优异微结构的铝合金材料，该材料可满足商用车轮对性能的要求，可完全代替其他材料，实现材料的轻量化、高强度和良好的耐疲劳性能。此外，本发明对应上述的制备方法可以获得商用铝合金锻造车轮，其制备工艺流程衔接顺畅，工艺窗口具有可操作性，产品性能稳定。另外，本发明提供的方法具有低碳环保、节约能源的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的合金铸态低倍组织；

图2为本发明提供的合金铸态金相组织；

图3为本发明提供的合金均匀化后的SEM组织；

图4为本发明提供的锻造后的金相组织；

图5为本发明提供的固溶淬火后的金相组织；

图6为本发明提供的固溶淬火后的阳极覆膜组织

图7为本发明提供的旋压后的金相组织；

图8为本发明提供的时效后的金相组织。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一方面，本发明提供一种商用铝合金锻造车轮，铝合金材料成分按质量百分数计包括Si：0.6～0.8％，Mg：0.9～1.2％，Cu：0.25～0.32％，Mn：0.08～0.12％，Cr：0.15～0.25％，Ti：0.025～0.030％，Zr：0.003～0.006％，Fe＜0.2％，Na＜0.0005％，Ca＜0.0005％，Pb＜0.005％以及余量的Al，Mg/Si质量比为1.3～1.5，铝合金材料按质量百分数计Mn+Cr为0.25～0.35％；铝合金材料的T6态抗拉强度为400～430MPa，屈服强度为380-410MPa，延伸率≥15％，径向疲劳试验为2.8加载系数下完成100万转无裂纹。

本发明中化学成分的质量百分比设计原则阐述如下：

Mg和Si元素：Mg、Si元素含量影响淬火态和时效态的合金性能，含量增加，合金抗拉强度提高，伸长率降低。除了Mg、Si总含量的影响，当总含量一定时，Mg、Si含量的比值不同合金性能也不同，当Si的含量过剩时，随着Si含量占比增大，合金抗拉强度增高，但是耐腐蚀性能降低；当Mg含量较多，随着Mg含量增加，合金抗拉强度提升，此时合金抗腐蚀性不好。当Mg/Si为1.3～1.5时，合金具有较高的抗拉强度和较好的抗腐蚀性。

Cu元素：Cu根据Cu元素含量的不同以及Mg、Si含量比值的不同，在合金中的存在形式有异，Cu元素本身可以在固溶过程中固溶回基体，当Cu元素含量很少时，Cu几乎全部回溶，但是当Cu以其他组织形式(如CuAl₂、Al₅CuMg₃Si₄、Al₂CuMg等)存在时，固溶热处理过程中仅少数回溶，6061合金主要强化相还是Mg₂Si为主，Cu元素有一定的固溶强化效果，同时加入合金中还可以提高热加工塑性，减小各向异性，当Cu含量0.25～0.32％时可显著提高材料的强度。

Mn元素：铝合金中加入Mn(＜0.2％)，含量增多，强度也显著增加，但Mn含量不宜过高，易形成AlMnSi第二相，导致Mg₂Si相数量减小，不利于时效强化，Mn的加入还可以改善冲击韧性，提高合金抗腐蚀性，细化O态合金晶粒。另外，Mn元素可起到一定程度的抑制再结晶的作用。

Cr元素：在6061合金中加入Cr元素，可以改善合金的晶粒度和耐腐蚀性能，Cr还可以影响自然时效的进程，抑制晶界处脱溶沉淀形成强化相Mg₂Si，利于固溶后续人工时效热处理；另外，Cr是一种很好的抑制再结晶的元素，其效果要强于Mn，Cr抑制Mg₂Si相在晶界的析出，减缓自然时效过程，提高人工时效后的强度。

本发明中Mn的含量控制在0.08～0.12％及Cr的含量控制在0.15～0.25％，Mn取下限，Cr取上限，且Mn+Cr总量应控制在0.25～0.35％，主要原因在于利用了两种元素抑制再结晶的作用，按照6061合金标准，但是含量也不易太高，太高会生成更多的第二相，影响材料的力学性能。

Ti元素：少量添加Ti元素到铝合金中，Ti含量不宜太高，可以起到减小合金晶粒度，提高锻造性的作用。

Zr元素：Zr元素能细化晶粒，并提高了合金的再结晶温度和固溶体的稳定性，从而提高了合金的耐热性，但Zr含量高时，能生成较多的脆性化合物ZrAl₃，控制0.003～0.006％为宜。

Fe元素：少量的Fe对力学性能没有坏的影响，并可以细化晶粒，当合金中含有较多的Fe元素(＞0.7％)时，会在合金中生成热稳定性高的含铁相，例如AlMnFeSi等，这些金属间化合物不溶于基体，导致合金的力学性能、抗腐蚀性能下降。本发明中Fe＜0.2％，最优地，具体操作时适当加一点Fe元素。

Na元素：微量的杂质钠能强烈损害合金的热变形性能，出现“钠脆性”。

Pb元素：属于杂质元素，需要控制在50ppm，在Na元素存在的情况下，Pb元素可以起到消除Na的作用。

Ca元素：属于杂质元素，需要严格控制。

通过上述成分控制可以使铝合金材料满足商用车轮对性能的要求，可完全代替其他材料，实现材料的轻量化、高强度和良好的耐疲劳性能。

本发明提供的一种商用铝合金锻造车轮，经T6处理后性能可达到：抗拉强度为400～430MPa，屈服强度为380-410MPa，延伸率≥15％，径向疲劳试验为2.8加载系数下完成100万转无裂纹。

第二方面，本发明提供商用铝合金锻造车轮制备方法，包括以下步骤：

第一步、熔体铸造成圆铸锭坯料：

熔体铸造成锭坯料时，熔体处理采用带两个旋转喷嘴的SNIF在线除气与双级板式过滤相结合的方式，SNIF除气是采用氩气与氯气混合，氩气流量在4.0～5.0m3/h，氯气流量在0.2～0.4m3/h，转子转速在400-450rpm，所述双级过滤板的直径分别是30ppi和50ppi；

熔体铸造成锭坯料时，采用废料比例为20～40％，所述废料为生产同成分锻造车轮全流程产生的一级废料，采用的晶粒细化剂为Al-5Ti-0.2C，加入量为1.8～2.2kg/t熔体，圆铸锭直径为254mm；

本发明方案中采用带两个旋转喷嘴的SNIF在线除气与双级板式过滤相结合的目的就是为了获得纯净的铝合金熔体，高纯净度的熔体质量对铸锭坯料具有重要影响，良好的铸锭质量是最终产品具有较高力学性能和疲劳性能的根本；优选的在线除气工艺是指SNIF氩气流量在4.0～5.0m3/h，氯气流量在0.2～0.4m3/h，转子转速在400-450rpm，双级过滤板的直径分别是30ppi和50ppi，该工艺下可以保证熔体质量。熔体质量的评价标准是通过坯料的氢含量和渣含量来进行评估的，氢含量和渣含量的测试方法参考《GB/T32186-2015铝及铝合金铸锭纯净度检验方法》，当坯料中的氢含量小于等于0.10mL/100gAl，渣含量小于等于0.1mm²/kgAl时可保证材料具有较高的力学性能和疲劳性能，而氢含量和渣含量超标将会带来力学性能下降及疲劳性能下降；

坯料金相组织中的疏松会对材料的疲劳性能造成不利影响，铸锭疏松面积占比小于等于0.0001时，可保证材料具有较好的疲劳性能。铸锭坯料疏松的评估方法是将试样在金相显微镜下进行全截面观察，然后对疏松进行拍照，运用金相分析软件对照片进行分析，对疏松的总面积进行统计，统计公式为其中A为试样的疏松面积占比，Si为单张照片观察到的单个疏松面积，单位为平方微米，S为单张照片观察面总面积，单位为平方微米；

本发明方案中，熔铸过程中加入一定量的铝合金固体废料有助于晶粒组织的细化，主要原因是加入固体废料后，在高温熔体中会分散大量的‘短程有序结构’，它们在合金凝固过程中会促进形核、细化晶粒尺寸。加入的固体废料为生产同成分锻造车轮全流程产生的一级废料，目的在于避免了其他合金带入的杂质和微量元素影响合金纯净度和合金设计体系，进而影响到材料性能，添加量不易过多，20～40％为宜，该范围正好可保证晶粒细化效果及熔体质量；

采用的晶粒细化剂为Al-5Ti-0.2C，其目的是为了避免使用Al-Ti-B后引入TiB₂硬质颗粒，影响材料疲劳性能，加入量为1.8～2.2kg/t熔体时可保证铸锭晶粒细化到80μm以下，

优选地，Al-5Ti-0.2C细化剂的加入量为1.8～2.0kg/t熔体；

铸锭坯料的组织见图1和图2，图1中可见铸锭坯料表面无疏松；图2中可见铸锭坯料的平均晶粒尺寸80～100μm。

第二步、均匀化处理：

均匀化处理是采用三级均匀化处理，第一级为360～400℃保温4～6h，第二级为520～540℃保温1～2h，第三级为555～575℃保温6～8h，均匀化结束后喷水冷却；优选地，三级均匀化处理，第一级为360～380℃保温4～6h，第二级为520～530℃保温1～2h，第三级为560～570℃保温6～8h，均匀化结束后喷水冷却；

三级均匀化热处理的目的有三：一是消除凝固过程中形成的粗大第二相，减少晶內偏析，提高材料热变形冷变形能力，利于锻造加工；二是在均匀化较高温阶段弥散析出Al₃Er相，该相一方面可以抑制再结晶，另一方面可以扎钉位错，起到强化作用；三是均匀化高温阶段，可以让细小的Mg₂Si相回溶，增加基体的固溶度，本发明提供的三级均匀化处理工艺就是为了更加充分的实现上述目的，选择单级时效和双级时效均无法达到上述目的的最佳效果，三级中的任何一级均不能单独来看需结合起来，三级是阶梯式变化，每一级各自承担作用，同时，下一级又是为上一级做准备，比如没有第二级的540℃，第三级的575℃就会给材料微观组织(如过烧)带来危险，Mg₂Si相共晶点位550℃，本发明中的第三级可完全让Mg₂Si相充分回溶，另外，三级均匀化处理是与后续的固溶处理相对应的，较好的均匀化处理效果可以减少固溶处理的负担，减少固溶处理时间，如Mg₂Si相在均匀化阶段很好的回溶后，固溶阶段就无需更多考虑Mg₂Si相回溶。

铸锭均匀化的冷却速度对铸锭的组织、性能及材料的组织、性能都有一定的影响，冷速较慢时析出的粗强化相可能降低半制品的性能，特别是伸长率。冷速较快时可发生淬火效应，获得更加均匀和强化的铸锭，保证材料组织更加均匀，再结晶温度提高，从而提高材料的力学性能。为此，本发明均匀化结束之后采用喷水冷却到室温，均匀化热处理后的组织见图3，粗大共晶相已基本回溶。

第三步、铸锭坯料锯切：

将长铸锭坯料切成短铸锭坯料，切取长度根据锻造车轮尺寸决定；

第四步、铸棒坯料加热：

将铸棒坯料在感应炉内加热，加热炉温度为550～560℃，加热时间2.5～3.5h，铸棒加热温度的选择主要考虑锻造时坯料的温度，且必须和锻造模具的温度相匹配，一般情况，坯料温度要高于模具温度约100℃，另外，坯料从加热炉内出来后要进行热剥皮，然后会传送到预锻工位，加热温度的设计也考虑了坯料在转移过程中的热量损失及环境温度的变化，温度控制在550～560℃时可保证预锻温度计锻后温度。

第五步、铸棒坯料热剥皮：热剥皮厚度为单边2～4mm，剥皮速度为40～80mm/s，铸棒热剥皮后温度为540～550℃，本发明剥皮后的直线度≤0.2％。

第六步、三步锻造：包括预锻、终锻和扩孔，预锻时样件受力2～3t/cm²，锻造剪切速度15-30mm/s，锻造模具温度420～470℃，上模和下模间距离为10～15mm，保压10～15s，终锻时样件受力4～5t/cm²，锻造剪切速度5-15mm/s，锻造模具温度430-480℃上模和下模间距离为8～13mm，保压15～20s，扩孔时扩孔角度20-30°，冲孔压力50t，行程180-260mm，预锻用水基石墨润滑剂润滑，终锻用油基润滑剂润滑，喷射压力2-5kg/cm2，润滑剂层厚度为20～40μm，预锻开始和终锻结束温度温度降低小于30～40℃。

铝合金的可锻性主要与合金锻造时的相组成有关，为了使合金在锻造时尽可能具有单相状态，以便提高工艺塑性和减少变形抗力，需要根据合金的相图适当选择锻造温度范围，足够宽的锻造温度范围可便于操作。另外，还应保证锻件具有较高的力学性能和较细的晶粒组织，所以在确定锻造温度范围时，应考虑到加工硬化和再结晶软化这两个因素对锻件力学性能和晶粒长大所产生的综合影响。这两方面是相互矛盾的，必须找到一个平衡点，保证变形更容易实现及晶粒细小。但是，从另一个方面，如果锻造温度偏低，经过多次锻造后，特别是终锻后温度低会使锻件中的某些部分留下加工硬化，在随后淬火加热时再结晶会充分进行，使晶粒长大，性能下降。对于6061合金，锻造终锻温度宜取高些，本发明中预锻开始和终锻结束温度温度降低宜小于30～40℃。

本发明方案中，预锻坯料的温度几乎与铸棒热剥皮后温度一致或低10℃以内，在530～540℃，该温度通过实验证明，正处在上述提到的平衡点。另外，模具温度是与铸锭温度相匹配的，一般与坯料温度相差在100℃左右为宜。预锻和终锻的温度存在一定差异，其目的是终锻时坯料温度有所降低，模具温度应适当提升，10℃左右即可填补温降。

变形速率对合金的塑性和变形抗力有一定影响，在锻造温度范围内的工艺塑性并不发生显著的降低，这是因为变形速率增大所引起的加工硬化速度的增加，没有使它超过铝合金的再结晶速度，所以，本发明中的锻造剪切速无需过大，即可保证最佳的锻造组织。本发明中保压时间的设定是基于锻件投影面积及生产节拍的综合考虑，在此范围内，可保证锻件成形性良好、组织最佳及紧凑的生产节拍，提高生产效率。

预锻用水基石墨润滑剂润滑，终锻用油基润滑剂润滑，预锻采用水基即可起到润滑的效果，又环保。水基润滑剂水以水为基础或以石墨粉为固体基料外加黏结剂、脱模剂的一种悬浮液，里面还添加了少量的无机聚合物。水基石墨润滑剂的厚度要控制合适，当润滑剂的厚度小于10μm，摩擦系数将增大到0.2以上。本发明提供的喷射压力及具体喷射操作技巧(如喷涂圈数)可以保证润滑剂的厚度在20～40μm，该范围可以保证有较好的润滑效果，又可减少润滑剂的用量。

锻造后的组织见图4，为显微的变形组织。

第七步、固体淬火：锻件从三步锻工序出来后，直接进行固溶处理，固溶淬火的固溶温度为525～545℃，时间为3～4h，淬水转移时间小于15s，锻坯出水后温度小于40℃。

锻造结束后直接进行固溶处理，其目的有二：一是锻造结束后锻件温度约400℃作用，直接进行固溶处理，减少了升温时间，提高生产效率，还可节约能源；二是锻造后的温度较低，该温度低于合金的再结晶温度点，且再段时间内保持一定的温度可以减轻材料内部的残余应力，释放部分储能，对下一步的固溶热处理有好处，可有助于抑制再结晶的发生。相反，如在固溶后进行加工硬化处理(如旋压)，需要对锻件进行喷水冷却，增加生产环节和成本，还没能充分利用锻造余热，浪费能源，增加碳排放。

固溶处理的目的是可实现对合金再结晶程度、晶粒尺寸、第二相和析出相分布等微观组织的调控，获得更大过饱和度及空位缺陷的结构，为时效析出做好准备，最终显著提高合金的综合性能。

固溶温度不能超过合金固相线温度，固溶时间跟材料厚度相关。已知6061铝合金固相线温度为580℃、液相线650℃，一般而言常用固溶温度区间为530～560℃。锻造后6061铝合金中主要是铝基体，以及少量Mg₂Si和AlFe(MnCr)Si合金相，固溶的目的就是为了尽可能的消除这两种相，使合金具有较高的过饱和固溶体。过饱和固溶体极其不稳定，合金需要进行快速冷却，由于合金Mg、Si元素来不及析出，析出相来不及分解，室温下的组织形成含Mg、Si元素过饱和的α-Al固溶体。若缓慢冷却，合金原子发生脱溶，沉淀析出。固溶温度越高，Mg、Si合金元素在铝基体中的固溶度越大，因此，适当提高固溶温度，可使合金从高温突然降到低温时，合金中有更多的过剩溶质原子，空位浓度也增加。第二相回溶至铝基体，形成单相固溶体是溶质原子迁移的过程，温度越高，溶质元素活动性会增强，原子扩散系数大，第二相溶解，合金元素回溶越快。因此，固溶的温度越高，完全固溶所需要的时间越短。对于6061合金而言，固溶温度不宜一直升高，因为很容易发生晶粒长大或者过烧。

特别地，本发明针对6061合金，其热处理过程都不是单一考虑的，正如前文所提到，均匀化处理的也为固溶处理打好了第二相回溶的基础。所以，本发明在固溶阶段并未选择较高温度进行固溶，就是为了防止合金在固溶阶段发生较大程度的再结晶及晶粒长大，然而在525～545℃温度范围内，已取得了较好的析出相回溶效果和晶粒组织控制。由于形成固溶体过程溶质原子发生迁移，此过程合金需要在固溶温度下保温足够的时间。当固溶温度确定时，固溶保温的时间越长，在不超过固溶度范围内，第二相溶解越充分，固溶强化效果越好。但是，固溶的时间不宜过长，以免晶粒再结晶长大，影响合金性能。本发明下的固溶时间可达到最佳固溶效果，又不会使晶粒长大。

另外，本发明涉及的合金中增加了Mn、Cr及Zr，他们形成的第二相可以在固溶过程中起到抑制再结晶晶粒长大的作用。

固溶后组织见图5和图6，第二相已全部回溶，晶粒未发生明显的再结晶。

第八步、旋压轮辋：旋压轮辋的时机为固溶淬火后2～3小时内完成，旋压变形量为起旋点位置变形量40～50％，轮辋深槽位置变形量30～40％；

(5)旋压型面喷丸:用不锈钢球垂直喷射轮毂表面，喷枪与轮毂距离150-200mm，喷丸目数20～30目，旋压轮辋时先将旋压定位面准确的定位到模具中心，机床的转速1200～1800r/min，模具转速300～600r/min，起旋点进给速度为200～400mm/s，轮辋深槽位置进给速度500～700mm/s，旋轮转速300～500r/min，旋压尾顶行程600～800mm，合模后旋压模芯跳动＜0.1mm。

本发明有别于常规工艺，通过增加旋压工序获得轮辋，特别地，是将旋压轮辋工序设计在固溶淬火之后，这种设计的主要目的是通过加工硬化的方法进一步的细化锻件组织，特别是轮辋部位，提高材料的性能。实验证明，将固溶后进行旋压，晶粒组织明显细化。

旋压的时机是有所要求的，若固溶后很长时间才完成旋压，会因为材料因发生自然时效而析出沉淀相，导致材料***，对旋压过程造成难度。另外，也会延长生产节拍，降低生产效率。本发明提供的旋压工艺参数可保证旋压顺利进行并保证材料有最佳的组织。不同部位因为原始晶粒组织有所差异，所以旋压时变形量是有差异的。

旋压后组织见图7，旋压后组织更加细小。

第九步、时效处理：时效处理为170～180℃保温8～10h，出炉后进行风冷。

时效过程是第二相从过饱和固溶体中沉淀的过程，也是固态相变的一种，通过新相的形核和长大的方式完成转变，这种形核长大首先取决于***的自由能变化。6061合金时效硬化是主要的强化手段，它不仅取决于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中所造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。6061铝合金时效强化相为Mg₂Si相，在时效过程中溶质元素Mg、Si发生扩散偏聚形成原子团簇，再进一步形成强化相弥散析出。6061合金时效析出序列为：过饱和固溶体(SSSS)→溶质原子偏聚区(G.P.)→β″→β′→β(Mg₂Si)。由于合金中会有其他的合金元素，当不同合金元素配比不同时，合金时效析出相有所变化。Cu元素的含量以及Mg、Si元素的配比对于6061合金沉淀相析出有较大的影响。通常6061系合金强化相以β″为主，但是当合金中Cu含量达到一定比例时，会析出含Cu的相，一般称为Q相，对其的亚稳相称之为Q′相，本发明中增加Cu含量也有该目的。

常规时效热处理时间随着时效温度不同而有异，一般需要8小时以上。本发明提供的时效制度可保证材料具有较高的强度，且时效时间短，可满足工业化生产的需要。

时效后的组织照片见图8，时效后组织为发生变化，跟旋压后基本一致。

第十步、车轮机加工：

车轮机加工包括机加工车削上下轮缘安装盘、车削车轮轮辋和车削中心孔，所述的车削上下轮缘安装盘和车轮轮辋时床转速为1200～1600r/min，进给速度0.2～0.4mm/s，吃刀量0.3～0.5mm，所述的车削中心孔时主轴转速6000～8000r/min，进给速度80～150mm/min。

第十一步、旋压型面喷丸：

旋压型面喷丸是采用不锈钢球垂直喷射轮毂表面，喷枪与轮毂距离150-200mm，喷丸目数20目。

机加工之后进行旋压型面喷丸的目的在于消除机加工过程中产生的加工纹路，这些温度微观下凹凸不平，存在应力集中，会存在疲劳裂纹风险。表面进行喷丸处理实际是一种表面强化手段，微观下可使凹凸不平的组织变得平整，可对材料表层往下一定深度范围内起到硬化效果，对提高强度非常有力。本发明中喷枪与轮毂距离和喷丸目数是为了保证材料达到很好的强化效果。

喷完后的组织见图6。

第十二步、涂装：

涂装工艺是根据客户的需求进行选择。

基于上述分析，本申请提供的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，通过控制合金熔体质量及坯料的化学成分，调控锻造、热处理及加工硬化过程，最终获得具有优异微结构和铝合金材料。本发明的制备工艺流程衔接顺畅，工艺窗口具有可操作性，产品性能稳定，且本发明提供的工艺流程低碳环保、节约能源。

实施例1

本实施例提供了一种商用铝合金锻造车轮，其化学成分按质量百分数计包括：Si0.8％、Mg1.1％、Cu0.28％、Mn0.08％、Cr0.20％、Ti0.025％、Zr0.005％、Fe0.08％以及余量的Al。

其制备方法包括如下步骤：

(1)熔体铸造成圆铸锭坯料：按照合金成分：Si0.8％、Mg1.1％、Cu0.28％、Mn0.08％、Cr0.20％、Ti0.025％、Zr0.005％、Fe0.08％以及余量的Al进行配料并熔炼成熔体；将熔体铸造成坯料，坯料直径为254mm。

坯料中的氢含量为0.08mL/100gAl，渣含量为0.08mm²/kgAl，铸锭疏松面积占比小于等于0.00005。SNIF除气氩气流量在5.0m3/h，氯气流量在0.2m3/h，转子转速为450rpm，双级过滤板的直径分别是30ppi和50ppi。

废料比例为30％，废料为生产同成分锻造车轮全流程产生的一级废料，晶粒细化剂为Al-5Ti-0.2C，加入量为2.0kg/t熔体。

(2)均匀化处理：第一级为360℃保温5h，第二级为530℃保温1.5h，第三级为565℃保温8h，均匀化结束后喷水冷却。

(3)铸锭坯料锯切：将长铸锭坯料切成短铸锭坯料，切取长度为400mm。

(4)铸棒坯料加热：加热炉温度为555℃，加热时间3h。

(5)铸棒坯料热剥皮：热剥皮厚度为单边2mm，剥皮速度为60mm/s，铸棒热剥皮后温度为550℃。

(6)三步锻造：预锻时样件受力2.5t/cm²，锻造剪切速度20mm/s，锻造模具温度450℃，上模和下模间距离为12mm，保压15s，终锻时样件受力4.5t/cm²，锻造剪切速度10mm/s，锻造模具温度460℃，上模和下模间距离为10mm，保压20s，扩孔时扩孔角度20°，冲孔压力50t，行程220mm。预锻的锻造比为4.5，终锻的锻造比为3.5。预锻用水基石墨润滑剂润滑，终锻用油基润滑剂润滑，喷射压力3.5kg/cm2，润滑剂层厚度为30μm。预锻开始和终锻结束温度温度降低为30℃。

(7)固溶淬火：固溶温度为540℃，时间为3.5h，淬水转移时间10s，锻坯出水后温度35℃。

(8)旋压轮辋：固溶淬火后1小时内完成旋压轮辋，旋压变形量为起旋点位置变形量45％，轮辋深槽位置变形量35％。机床的转速1600r/min，模具转速450r/min，起旋点进给速度为300mm/s，轮辋深槽位置进给速度600mm/s，旋轮转速400r/min，旋压尾顶行程700mm，合模后旋压模芯跳动0.05mm。

(9)时效处理：时效处理为175℃保温8h，出炉后进行风冷。

(10)车轮机加工：车削上下轮缘安装盘和车轮轮辋时床转速为1400r/min，进给速度0.3mm/s，吃刀量0.4mm，所述的车削中心孔时主轴转速7000r/min，进给速度120mm/min。

(11)旋压型面喷丸：喷枪与轮毂距离180mm，喷丸目数20目。

(12)涂装：涂装工艺选择的是喷涂处理。

实施例2

化学成分按质量百分数计包括：Si0.6％、Mg1.2％、Cu0.32％、Mn0.08％、Cr0.25％、Ti0.030％、Zr0.006％、Fe0.10％以及余量的Al。

其他内容均按照实施例1。

实施例3

化学成分按质量百分数计包括：Si0.8％、Mg1.2％、Cu0.25％、Mn0.12％、Cr0.15％、Ti0.025％、Zr0.006％、Fe0.15％以及余量的Al。

其他内容均按照实施例1。

实施例4

化学成分按质量百分数计包括：Si0.7％、Mg0.6％、Cu0.30％、Mn0.10％、Cr0.25％、Ti0.030％、Zr0.006％、Fe0.05％以及余量的Al。

其他内容均按照实施例1。

实施例5

除了下列参数与实施例1不同，其他内容均按照实施例1。

铸棒热剥皮后温度为540℃，预锻的锻造比为5，终锻的锻造比为4，预锻开始和终锻结束温度温度降低40℃。

实施例6

除了下列参数与实施例1不同，其他内容均按照实施例1。

旋压轮辋的时机为固溶淬火后1.5小时完成，旋压变形量为起旋点位置变形量40％，轮辋深槽位置变形量30％。

实施例7

除了下列参数与实施例1不同，其他内容均按照实施例1。

旋压型面喷丸时喷枪与轮毂距离200mm。

实施例8

除了下列参数与实施例1不同，其他内容均按照实施例1。

第一级为400℃保温4h，第二级为540℃保温1h，第三级为560℃保温7h，均匀化结束后喷水冷却。

实施例9

除了下列参数与实施例1不同，其他内容均按照实施例1。

第一级为360℃保温6h，第二级为520℃保温2h，第三级为575℃保温6h，均匀化结束后喷水冷却。

实施例10

除了下列参数与实施例1不同，其他内容均按照实施例1。

铸棒坯料加热炉温度为560℃，加热时间2.5h。

实施例11

除了下列参数与实施例1不同，其他内容均按照实施例1。

预锻的锻造模具温度470℃，上模和下模间距离为10mm，保压10s，终锻的锻造模具温度480℃，上模和下模间距离为8mm，保压15s。

实施例12

除了下列参数与实施例1不同，其他内容均按照实施例1。

锻造时所用润滑剂的喷射压力5kg/cm²，润滑剂层厚度为20μm。

实施例13

除了下列参数与实施例1不同，其他内容均按照实施例1。

固溶淬火的固溶温度为545℃，时间为3h，淬水转移时间小于10s，锻坯出水后温度40℃。

实施例14

除了下列参数与实施例1不同，其他内容均按照实施例1。

时效处理为170℃保温10h，出炉后进行风冷。

对比例1

本对比例提供了一种6061铝合金锻造车轮，其化学成分见下表：

其制备方法包括如下步骤：

(1)熔体铸造成圆铸锭坯料：按照上表成分铸造成铸锭。坯料直径为254mm。

(2)均匀化处理：525℃保温16小时，均匀化结束后喷水冷却。

(4)铸棒坯料加热：加热炉温度为530℃，加热时间3h。

(5)锻造：多次锻造成最终锻件，工艺与当前行业主流工艺参数相同，锻用油基润滑剂润滑，预锻开始和终锻结束温度温度降低为60℃。

(6)固溶淬火：固溶温度为570℃，时间为4h，淬水转移时间15s，锻坯出水后温度55℃。

(7)时效处理：时效处理为170℃保温8.5h，出炉后进行风冷。

(8)车轮机加工：按照图纸车削上下轮缘安装盘和车轮轮辋。

(9)涂装：喷涂。

对比例2

制备方法均同对比例1。

对比例3

本对比例提供了一种6061铝合金锻造车轮，其化学成分同对比例1。

制备方法除了均匀化热处理工艺为560℃，保温12小时，均匀化结束后喷水冷却，其他工艺均同对比例1。

对比例4

制备方法除了铸棒加热温度为540℃，保温4小时，其他工艺均同对比例1。

对比例5

制备方法除了预锻开始和终锻结束温度温度降低为80℃，其他工艺均同对比例1。

对比例6

制备方法除了固溶温度为530℃，时间为4h，淬水转移时间20s，锻坯出水后温度35℃，其他工艺均同对比例1。

对比例7

制备方法除了时效处理为180℃，保温8h，其他工艺均同对比例1。

将上述实施例1-15以及对比例1-7进行性能检测，按照常规测试方法测定屈服强度、抗拉强度、延伸率和径向疲劳。

实验结果请参阅表3。

表3.实施例1-14和对比例1-7的轮毂部分性能测试结果

从上表可以看出，本申请提供的实施例1-15均具有更高的抗拉强度、屈服强度、延伸率和疲劳性能，性能均优于对比例。

综上所述，本申请提供的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，并通过该制备方法制备了一种商用铝合金锻造车轮，该材料可满足商用车轮对性能的要求，可完全代替其他材料，实现材料的轻量化、高强度和良好的耐疲劳性能。本申请提供的制备工艺流程衔接顺畅，工艺窗口具有可操作性和实施，产品性能稳定，且工艺流程低碳环保、节约能源。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将熔体铸造成锭坯料：

该铝合金中，按质量百分数计包括Si：0.6~0.8%，Mg：0.9~1.2%，Cu：0.25~0.32%，Mn：0.08~0.12%，Cr：0.15~0.25%，Ti：0.025~0.030%，Zr：0.003~0.006%，Fe＜0.2%，Na＜0.0005%，Ca＜0.0005%，Pb＜0.005%以及余量的Al，Mg/Si质量比为1.3~1.5；铝合金材料按质量百分数计Mn+Cr为0.25~0.35%；

（2）铸棒坯料热剥皮：铸棒热剥皮后温度为540~550℃；

（3）三步锻造：包括预锻、终锻和扩孔，预锻的锻造比为4~5，终锻的锻造比为3~4，预锻开始和终锻结束温度温度降低小于30~40℃；

（4）旋压轮辋：旋压轮辋的时机为固溶淬火后2~3小时内完成，旋压变形量为起旋点位置变形量40~50%，轮辋深槽位置变形量30~40%；

(5) 旋压型面喷丸：用不锈钢球垂直喷射轮毂表面，喷枪与轮毂距离150-200mm，喷丸目数20~30目；

所述铝合金的T6态抗拉强度为400-430MPa，屈服强度为380-410MPa，延伸率≥15%，径向疲劳试验为2.8加载系数下完成100万转无裂纹。

2.根据权利要求1所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，熔体铸造成锭坯料时，熔体处理采用带两个旋转喷嘴的SNIF在线除气与双级板式过滤相结合的方式，SNIF除气是采用氩气与氯气混合，氩气流量在4.0~5.0m³/h，氯气流量在0.2~0.4m³/h，转子转速在400-450rpm，所述双级过滤板的直径分别是30ppi和50ppi。

3.根据权利要求1所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，熔体铸造成锭坯料时，采用废料比例为20~40%，所述废料为生产同成分锻造车轮全流程产生的一级废料，采用的晶粒细化剂为Al-5Ti-0.2C，加入量为1.8~2.2kg/t熔体。

4.根据权利要求1所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，其还包括铸锭坯料进行均匀化处理，均匀化处理是采用三级均匀化处理，第一级为360~400℃保温4~6h，第二级为520~540℃保温1~2h，第三级为555~575℃保温6~8h，均匀化结束后喷水冷却。

5.根据权利要求4所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，均匀化处理后其还包括铸棒坯料加热和铸棒坯料热剥皮，铸棒坯料加热炉温度为550~560℃，加热时间2.5~3.5h；热剥皮厚度为单边2~4mm，剥皮速度为40~80mm/s。

6. 根据权利要求1所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，预锻时样件受力2~3 t/cm²，锻造剪切速度15-30mm/s，锻造模具温度400~470℃，上模和下模间距离为10~15mm，保压10~15s，终锻时样件受力4~5t/cm²，锻造剪切速度5-15mm/s，锻造模具温度430-480℃，上模和下模间距离为8~13mm，保压15~20s，扩孔时扩孔角度20-30°，冲孔压力40-50t，行程180-260mm；

或者预锻用水基石墨润滑剂润滑，终锻用油基润滑剂润滑，喷射压力2-5kg/cm²，润滑剂层厚度为20~40μm。

7.根据权利要求1所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，三步锻造后还包括固溶淬火，固溶淬火的固溶温度为525~545℃，时间为3~4h，淬水转移时间小于15s，锻坯出水后温度小于40℃。

8.根据权利要求1所述的一种商用铝合金锻造车轮的制备方法，其特征在于，旋压轮辋时先将旋压定位面准确的定位到模具中心，机床的转速1200~1800r/min，模具转速300~600r/min，起旋点进给速度为200~400mm/s，轮辋深槽位置进给速度500~700mm/s，旋轮转速300~500r/min，旋压尾顶行程600~800mm，合模后旋压模芯跳动＜0.1mm；

旋压轮辋后还包括时效处理，时效处理为170~180℃保温8~10h，出炉后进行风冷。