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        低壓鑄造鋁合金車輪的分級(jí)時(shí)效熱處理工藝

        2014-07-01 06:25:50于小健盧雅琳胡因行
        關(guān)鍵詞:輪轂時(shí)效車輪

        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(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)效兩個(gè)工序,固熔溫度530±5℃,時(shí)間360~420 min;時(shí)效溫度150±155℃,時(shí)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?yàn)殇X合金車輪在表面處理過程會(huì)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(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化,考慮了噴漆烘烤工藝對(duì)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(shí)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(duì)企業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)效處理,爐溫波動(dòng)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(shí)效處理;然后做13°沖擊實(shí)驗(yàn);按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)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(duì)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(jì)測試硬度,載荷為10Kgf,保持時(shí)間為30s,每個(gè)試樣測三點(diǎn),取其平均值和分析。

        1.3 工藝方案

        實(shí)驗(yàn)工藝流程:上料→進(jìn)固熔爐→固熔處理→出固熔爐→淬火→進(jìn)時(shí)效爐→初級(jí)時(shí)效處理→出時(shí)效爐→機(jī)加工→再時(shí)效處理即噴漆烘烤→粉體烘烤→底漆與罩光漆烘烤→出爐。

        本實(shí)驗(yàn)分級(jí)時(shí)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(shí)間250~290min,其中固熔升溫時(shí)間為40~50min,固熔保溫時(shí)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(shí)間小于15s,淬火水溫55℃ ~65℃,淬火時(shí)間為3~3.5min;產(chǎn)品經(jīng)整形后進(jìn)時(shí)效爐,進(jìn)行初級(jí)時(shí)效處理,初級(jí)時(shí)效時(shí)間60~90min,其中初級(jí)時(shí)效升溫時(shí)間20~30min,初級(jí)時(shí)效保溫時(shí)間40~60min,初級(jí)時(shí)效溫度130±5℃;出時(shí)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(shí)效處理;在噴漆烘烤中溫度為170~200℃,噴漆烘烤時(shí)間60~80min,其中粉體烘烤溫度為190~200℃,烘烤時(shí)間為30~40min;底漆與罩光漆烘烤溫度170~180℃,烘烤時(shí)間為30~40min,然后出爐冷卻。作為對(duì)比試驗(yàn),傳統(tǒng)熱處理工藝即采用固熔和時(shí)效兩個(gè)程序,工藝為固熔溫度530~535℃,固熔時(shí)間360~420 min;淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間小于15s,淬火水溫55℃ ~65℃;時(shí)效溫度 150~155℃,時(shí)效時(shí)間240~300 min。

        表2 ZL101鋁合金車輪分級(jí)時(shí)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(shí)效和分級(jí)時(shí)效熱處理,處理后的材料力學(xué)性能對(duì)比如表3所示。

        表3 分級(jí)時(shí)效與傳統(tǒng)時(shí)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(jí)時(shí)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(gè)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(jí)時(shí)效熱處理工藝后的組織照片如圖1所示。

        圖1 分級(jí)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(shí)(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(jí)時(shí)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(duì)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(jí)時(shí)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(yàn)

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

        試驗(yàn)時(shí),沖擊重量比標(biāo)準(zhǔn)要求大50kg、彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)比標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)數(shù)多5.0萬轉(zhuǎn)、徑向疲勞實(shí)驗(yàn)比標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)數(shù)多30萬轉(zhuǎn)。試驗(yàn)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(shí)其他各項(xiàng)安全性能檢測合格,實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表4 輪轂安全性能試驗(yàn)

        3 結(jié)論

        (1)分級(jí)時(shí)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(jí)時(shí)效的時(shí)間縮短,減少了能源使用,降低了生產(chǎn)成本,而且再時(shí)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(shí)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(shí)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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