一種汽車控制臂用6x82基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料，特指一種汽車控制臂用高性能鋁基復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對(duì)汽車節(jié)能環(huán)保、輕量化和高機(jī)動(dòng)性的要求，汽車控制臂等部分鐵制、鋼制構(gòu)件逐漸被鋁合金所替代；出于對(duì)強(qiáng)塑性和安全性的考慮，目前國(guó)際上大多采用6082鋁合金(Al-Mg-S1-Cu系)的鍛造件作為輕型汽車控制臂，雖然這些材料經(jīng)過氣模鑄造、兩次擠壓和鍛造后抗拉強(qiáng)度Rm可達(dá)340MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2可達(dá)310MPa，延伸率A可達(dá)12%，剛度可達(dá)5.0KN/mm，但在長(zhǎng)期的使用過程中仍然會(huì)出現(xiàn)小幅度變形(強(qiáng)度、剛度不足)，以及疲勞斷裂(強(qiáng)韌性不足)，給汽車的輕量化和安全性帶來威脅。
[0003]對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)和綜述文獻(xiàn)調(diào)研表明，目前主要通過對(duì)合金的成分進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控并結(jié)合苛刻的熱處理工藝來進(jìn)一步提高鋁制控制臂的綜合性能(如:專利CN103173664)；然而，上述苛刻的工藝技術(shù)依然存在著以下的缺點(diǎn)和不足(I)強(qiáng)塑性提升不顯著(一般低于10%)，主要依靠傳統(tǒng)的合金強(qiáng)化和析出強(qiáng)韌化，難以擺脫強(qiáng)塑性倒置關(guān)系，通常以犧牲塑性的方法提尚強(qiáng)度；(2)合金化不能有效提尚材料的t旲量，從而不能從根本上提尚材料的剛度，輕量化效益不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，在優(yōu)化合金組分及熱處理工藝的基礎(chǔ)上，在凈化的合金恪體中加入富含納米AlN晶須、納米ZrB2顆粒、亞微米TiB 2顆粒、納米Al2O3顆粒、微米Al 3Ti顆粒的多元多尺度納米復(fù)合強(qiáng)化劑，通過納米纖維承載強(qiáng)化、納米粒子Orowan強(qiáng)化、納米增強(qiáng)體增韌以及細(xì)晶強(qiáng)韌化等機(jī)制的作用，最大限度地保持合金基體塑韌性的同時(shí)提高其強(qiáng)度和模量。
[0005]本發(fā)明首先將“螺旋磁場(chǎng)約束控制技術(shù)”和“高能超聲分散技術(shù)”相結(jié)合原位高效制備多元多尺度納米復(fù)合強(qiáng)化劑；然后將復(fù)合強(qiáng)化劑加入至經(jīng)過成分優(yōu)化和凈化處理的6X82合金熔體中，并采用低頻磁場(chǎng)攪拌的方法促進(jìn)復(fù)合強(qiáng)化劑的融合與分散；最后通過優(yōu)化改進(jìn)的氣模鑄造系統(tǒng)獲得復(fù)合材料鑄棒，以備后續(xù)的熱處理、變形以及控制臂構(gòu)件成形。
[0006]本發(fā)明的納米復(fù)合強(qiáng)化劑及其納米復(fù)合強(qiáng)韌化技術(shù)，有效解決目前合金成分優(yōu)化手段對(duì)材料強(qiáng)度提升不顯著，不能提高合金的模量以及犧牲塑韌性的缺點(diǎn)；并有效避免直接在合金熔池中原位合成增強(qiáng)體時(shí)，反應(yīng)物浸潤(rùn)困難、副產(chǎn)物污染合金、設(shè)備改造成本高、降低生產(chǎn)效率的缺點(diǎn)，可以在最小改造設(shè)備的基礎(chǔ)上、低成本、無污染、高效率的規(guī)模化生產(chǎn)汽車控制臂用6X82基復(fù)合材料。
[0007]本發(fā)明的制備方法包括以下步驟:
(I)多元多尺度納米復(fù)合強(qiáng)化劑的制備:將6X82合金加入螺旋磁場(chǎng)-超聲場(chǎng)組合復(fù)合裝置的坩禍中，如附圖1，并升溫至所需反應(yīng)溫度，然后將反應(yīng)物通入或加入熔體中，并啟動(dòng)螺旋磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)，使反應(yīng)物與鋁熔體充分混合接觸，待反應(yīng)結(jié)束后從出料口獲得多元多尺度納米復(fù)合強(qiáng)化劑。
[0008](2)汽車控制臂用6X82基復(fù)合材料的制備:將步驟I中制備的復(fù)合強(qiáng)化劑加入至汽車控制臂用6X82合金半連鑄生產(chǎn)線中經(jīng)過除氣、除渣后的合金熔池中，并均勻混合，然后通過優(yōu)化改進(jìn)的氣模澆鑄系統(tǒng)生產(chǎn)復(fù)合材料棒材。
[0009]所述的6X82合金，為我公司根據(jù)汽車控制臂供應(yīng)商客戶對(duì)性能的要求，經(jīng)過成分優(yōu)化的專用合金。首先將Si含量和Mg含量分別由6082的1.05-1.12%和0.82-0.95%調(diào)整至0.9-1.05%和0.9-1.05%，在減少游離硅含量(由0.58%降至0.4%)的同時(shí)提高M(jìn)g2Si的含量(由1.4%提高到1.5%)，以在保證強(qiáng)度不變的基礎(chǔ)上，提高合金的延展性和可鍛性；同時(shí)將Cu的成分控制在0.5~0.6之間，提高合金的強(qiáng)度；其次將Zr作為添加元素控制在0.03%、并把Cr作為添加元素控制在0.1-0.15%范圍內(nèi)，通過這三個(gè)元素的復(fù)合作用，形成細(xì)小彌散的化合物，提高再結(jié)晶溫度；最終與6082合金相比，在強(qiáng)塑性和可鍛性方面獲得進(jìn)一步提高；所述的6X82合金的具體成分按照重量百分比計(jì)算為:S1: 0.9-1.05,Mg: 0.9-1.05，Cu: 0.5-0.6, Fe: 0.2，Cr: 0.1-0.15, Zr: 0.03，包括 Pb, Sn 和 Na 在內(nèi)的其他雜質(zhì)元素單個(gè)小于0.05、合計(jì)不大于0.15，余量為Al。
[0010]所述的“螺旋磁場(chǎng)-超聲場(chǎng)組合復(fù)合裝置”，包括位于隔熱保溫層內(nèi)的坩禍，坩禍上設(shè)有爐蓋，其特征在于:設(shè)有雙超聲變幅桿組成的超聲系統(tǒng)和螺旋攪拌磁體，雙超聲變幅桿穿過爐蓋伸入坩禍中，沿坩禍中心軸線對(duì)稱布置；螺旋攪拌磁體安裝在隔熱保溫層表面，具體結(jié)構(gòu)見附圖1所示，其工藝參數(shù)特點(diǎn)為:螺旋攪拌磁體的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(周向)和行波磁場(chǎng)(徑向)可單獨(dú)調(diào)節(jié)，其中電壓為380V，電流50~190A可調(diào)，頻率2~20Hz可調(diào)；超聲功率為500~2000W，波速為1500m/s，超聲頻率為10~30kHz ;通過兩個(gè)方向磁場(chǎng)強(qiáng)度與頻率的調(diào)節(jié)，可有效實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物與鋁熔體均勻混合，并約束高能超聲破碎反應(yīng)物產(chǎn)生的細(xì)小氣泡、熔鹽液滴或粉體的上浮和下沉，使鋁熔體與反應(yīng)物充分接觸，達(dá)到加速反應(yīng)進(jìn)行和均勻化增強(qiáng)體產(chǎn)物的目的；在最佳參數(shù)工藝的情況下，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng):電流50A，頻率1Hz ;行波磁場(chǎng):電流90A，頻率15Hz ;超聲:功率1500W，頻率20kHz，30min即可使整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行完畢(無剩余反應(yīng)物)，且增強(qiáng)體分布均勻。
[0011]所述的多元多尺度納米復(fù)合強(qiáng)化劑中的增強(qiáng)體的成份按照重量百分比計(jì)算為:納米 AlN 晶須(l~2wt.%)，納米 ZrB2 顆粒(l~5wt.%)，納米 Al 203顆粒(0~10wt.%)和亞微米 TiB2顆粒(l~5wt.%)，其余為6X82合金。
[0012]步驟(2)中復(fù)合強(qiáng)化劑的加入量為6X82合金的0.5~5wt.%。
[0013]制備增強(qiáng)體所述的氣體反應(yīng)物為隊(duì)或順3，純度不低于99.8vol.%，流量為1.5-3.5L/min ;所述的固體反應(yīng)物由K2ZrF#P ZrO 2中的一種、K JiFjP T12中的一種與KBFjP B2O3中的一種組成，其中固體反應(yīng)物的配比則根據(jù)所述的增強(qiáng)體的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)配比。
[0014]所述的優(yōu)化改進(jìn)的氣模澆鑄系統(tǒng)如附圖2所示，由于在復(fù)合強(qiáng)化劑熔于6X82合金熔體后，其中的納米增強(qiáng)體在自由能降低的驅(qū)動(dòng)力下趨于團(tuán)聚，會(huì)使最終復(fù)合材料中的納米增強(qiáng)體團(tuán)聚不利于其強(qiáng)化作用的發(fā)揮；本發(fā)明采用在氣模澆鑄系統(tǒng)的熔體流入端加裝四周設(shè)置有電磁攪拌磁體的矩形導(dǎo)流套，并在導(dǎo)流套中央加裝高能超聲器，功率500W，頻率20kHz ;高能超聲可使熔體中團(tuán)聚的納米增強(qiáng)體重新分散，而導(dǎo)流套周圍的高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電壓380V，電流25A，頻率20Hz ;則使導(dǎo)流套內(nèi)的熔體高速旋轉(zhuǎn)并與導(dǎo)流套的矩形內(nèi)壁碰撞促進(jìn)納米顆粒的分散和傳輸，當(dāng)導(dǎo)流套內(nèi)納米增強(qiáng)體均勻分布的熔體進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)，迅速凝固；從而不僅保證復(fù)合材料具有細(xì)小的晶粒，納米增強(qiáng)體的均勻分布，而且復(fù)合熔體在磁場(chǎng)和重力場(chǎng)作用下螺旋下降的過程中凝固，還可有效降低鑄棒的表層偏析。
[0015]現(xiàn)有技術(shù)僅通過優(yōu)化合金成分以及制定嚴(yán)格的熱處理制度的方法，對(duì)合金的強(qiáng)度提升不明顯，僅提升10%左右，而且從技術(shù)文獻(xiàn)中的工藝優(yōu)選過程可以看出，強(qiáng)度的提升是以犧牲合金的塑韌性為代價(jià)的，最致命的是通過合金化不能從本質(zhì)上提高材料的模量，從而對(duì)合金剛度的提升有限；與此同時(shí)目前的合金成分及工藝，是國(guó)內(nèi)外經(jīng)過多年的精心優(yōu)化，從工程的角度可以認(rèn)為通過合金化來提升汽車控制臂用6082合金的性能已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)化升級(jí)的極限，然而疲勞斷裂和長(zhǎng)時(shí)間服役變形依然時(shí)有發(fā)生；因此通過新的技術(shù)手段在保持合金塑韌性的基礎(chǔ)上提高其強(qiáng)度、模量、和疲勞性能是提高其壽命和可靠性，并大規(guī)模推廣鋁制汽車控制臂的重要途徑。
[0016]本發(fā)明提出的多元多尺度納米復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)及其復(fù)合材料制備方法，利用納米增強(qiáng)體的納米尺度效應(yīng)，在保持材料塑韌性的同時(shí)，顯著提高材料的強(qiáng)度和模量。與傳統(tǒng)的直接原位合成鋁基復(fù)合材料相比，本發(fā)明將復(fù)合強(qiáng)化劑的制備和復(fù)合材料的生產(chǎn)分開，在最小限度改造原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，可有效發(fā)揮復(fù)合強(qiáng)化劑生產(chǎn)裝置的方便可控與合金連鑄生產(chǎn)線的連續(xù)高效雙重優(yōu)勢(shì)；解決直接反應(yīng)工藝存在增強(qiáng)體反應(yīng)物與鋁熔體浸潤(rùn)困難、反應(yīng)效率低的問題，同時(shí)避免直接將增強(qiáng)體反應(yīng)物直接加入合金連鑄生產(chǎn)線熔池產(chǎn)生的反應(yīng)副產(chǎn)物污染熔體、降低連鑄生產(chǎn)線效率的缺點(diǎn)；從而本發(fā)明可以綠色、高效、低成本、宏量化生產(chǎn)汽車控制臂用6X82基納米復(fù)合材料，為汽車的節(jié)能環(huán)保、輕量化和機(jī)動(dòng)性的提升提供技術(shù)保障。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的螺旋磁場(chǎng)-超聲場(chǎng)組合復(fù)合裝置結(jié)構(gòu)示意圖；1、爐蓋升降裝置，2、超聲器，3、通氣管，4.入料口，5、爐蓋，6、坩禍，7、超聲變幅桿，8感應(yīng)加熱線圈，9、螺旋攪拌磁體，10、隔熱保溫層，11、支撐架，12、出料口。
[0018]圖2為本發(fā)明的優(yōu)化改進(jìn)的氣模澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；13、高能超聲頭，14、矩形導(dǎo)流套，15、攪拌磁場(chǎng)，16.結(jié)晶器。
[0019]圖3為本發(fā)明的優(yōu)化改進(jìn)的氣模澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主視圖。
[0020]圖4為本發(fā)明制備的(ZrB2+AlN+TiB2)/6X82Al強(qiáng)化劑組織結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖5為本發(fā)明制備的(ZrB2+AlN+TiB2)/6X82Al復(fù)合材料組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)一步描述:以下實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例，如圖1所示復(fù)合材料制備工藝設(shè)備工位示意圖。
[0023]實(shí)施例1
以 N2氣、K2ZrF6, K2TiFjP KBF 4為反應(yīng)物生產(chǎn)(ZrB 2+AlN+TiB2)/6X82A1 復(fù)合材料，其中最終復(fù)合材料中納米ZrB2顆粒