專利名稱：鎂合金汽車發(fā)動機支架的擠壓鑄造制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎂合金汽車發(fā)動機支架的擠壓鑄造制備方法，以鎂合金為材料，經(jīng)熔煉、變質(zhì)細(xì)化、精煉處理后，再經(jīng)擠壓鑄造以及對鑄件的熱處理，得到力學(xué)性能優(yōu)越的汽車發(fā)動機支架。屬于合金制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了節(jié)能降耗、減少廢氣排放、提高駕乘舒適度和車輛力學(xué)性能，現(xiàn)在汽車正在向輕量化方向發(fā)展。從結(jié)構(gòu)材料的角度出發(fā)，實現(xiàn)車輛輕量化的主要手段是采用具有高比性能的輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料。鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有價格低、高比性能(比強度和比剛度)、突出的阻尼減振性能等特點。將鎂合金用于汽車結(jié)構(gòu)，能降低車輛自重及燃油消耗，降低車輛的振動和噪聲，提高車輛的加減速動力學(xué)特性，既能達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，又能較顯著改善車輛的駕乘舒適度?，F(xiàn)在鎂合金在汽車上的應(yīng)用，主要是采用鑄造或壓鑄生產(chǎn)的一些在較低工作溫度下運行的殼體型零件(如手動變速器殼和蓋、離合器殼等)和車內(nèi)部件(如方向盤系統(tǒng)、儀表面板等)等中低強度力學(xué)性能要求零件，而這些零件在整車中所占重量比是十分有限的。據(jù)世界鎂協(xié)統(tǒng)計，2005年全球汽車工業(yè)采用的鎂合金壓鑄件約為12.8萬噸，目前每輛轎車平均用鎂量為4公斤，僅占汽車自重的0.3％。要進一步擴大鎂合金在汽車上的用量，首先必須低成本地實現(xiàn)動力系統(tǒng)和傳動部件以及底盤部件等中高強度零件的鎂合金化，如發(fā)動機支架、空調(diào)支架等綜合力學(xué)性能要求較高的零件。將鎂合金應(yīng)用于這類零件不僅可以獲得較好的減重效果，而且能減小發(fā)動機和空調(diào)壓縮機等部件的振動，提高其工作效率。
汽車發(fā)動機支架零件目前多數(shù)采用鋁合金壓力鑄造方法生產(chǎn)，少數(shù)采用鋁合金砂型鑄造、重力鑄造和低壓鑄造生產(chǎn)，采用這些傳統(tǒng)的工藝制造出的汽車用鋁合金發(fā)動機支架在外觀呈現(xiàn)冷隔、凹陷、裂紋等不同程度的缺陷，而在內(nèi)部往往會出現(xiàn)氣孔、縮孔、針孔等致命的缺陷，從而嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的性能，阻礙了汽車輕量化、環(huán)?；陌l(fā)展。對于目前商用的鑄造鎂合金，如果采用傳統(tǒng)的重力或壓力鑄造的生產(chǎn)工藝，其力學(xué)性能還難以穩(wěn)定地達(dá)到同類鋁合金產(chǎn)品的水平。研究表明，采用高性能鎂合金并利用精確成型的擠壓鑄造方法開發(fā)鎂合金發(fā)動機支架則完全可以達(dá)到同類鋁合金鑄件的水平，同時達(dá)到很好的輕量化效果。但目前采用鎂合金擠壓鑄造方法制備汽車發(fā)動機支架產(chǎn)品，在國內(nèi)外還未見公開報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鎂合金汽車發(fā)動機支架的擠壓鑄造制備方法，獲得的產(chǎn)品與傳統(tǒng)商業(yè)鋁合金發(fā)動機支架相比，具有更高的比強度、比剛度，更輕的重量和更優(yōu)的阻尼減震性能。
為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明的方法包括鎂合金成分設(shè)計、合金熔煉變質(zhì)、合金液定量澆注、間接擠壓鑄造工藝以及鑄件熱處理工藝。首先將鎂、鋁、錳、鋅、稀土等金屬原料按一定重量百分比配制好，加入坩堝熔化爐內(nèi)熔化、精煉與變質(zhì)處理，然后采用定量澆注泵向擠壓鑄造機加料室輸送合金液，擠壓鑄造機沖頭向發(fā)動機支架模具型腔推注合金液并增壓使鎂合金液結(jié)晶，獲得鎂合金發(fā)動機支架擠壓鑄造零件，再對零件進行固溶時效強化處理，得到力學(xué)性能優(yōu)越的汽車發(fā)動機支架。
本發(fā)明的方法具體包括如下步驟1、鎂合金材料組分的重量百分比為6～8％Al，0.17～0.4％Mn，0.45～0.9％Zn，0～0.5％RE，Si＜0.05％，Cu＜0.025，Ni＜0.001％，F(xiàn)e＜0.004％，其余為Mg。
2、將配制好的鎂合金材料在烘箱中預(yù)熱至200～250℃，同時將坩堝熔化爐升溫，在坩堝底部撒上一層覆蓋劑，將經(jīng)預(yù)熱的鎂合金材料加入熔化爐內(nèi)，繼續(xù)加熱升溫，待爐內(nèi)溫度上升到400℃左右時，開始通入保護氣體防止鎂合金燃燒，保護氣體流量為坩堝封閉容積的1～10％/min。待鎂合金完全熔化后，繼續(xù)升溫到720～740℃，加入鎂合金液總量的0.1～1wt％變質(zhì)劑進行變質(zhì)細(xì)化處理，處理時間5～10min，然后升溫至730～750℃，加入占鎂合金液總量的1.5～2.5wt％的精煉劑進行精煉處理，精煉時間為5～10min，精煉完成后，去除渣，合金液表面不再撒任何覆蓋劑或精煉劑，完全由保護氣體覆蓋，合金液靜置并降溫至澆注溫度680～710℃等待澆注。
3、發(fā)動機支架鑄件模具采用一模兩腔對稱分布形式設(shè)計，澆注系統(tǒng)采用開放式，將一模兩腔式模具固定在350T臥式間接擠壓鑄造機的左右模架上，模具采用油路加熱方式，首先預(yù)熱至150～200℃，然后在模具型腔內(nèi)均勻噴上一層保溫涂料和脫模劑，涂層厚度為20～50微米，繼續(xù)烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具預(yù)熱溫度提高至250～350℃。
4、采用定量澆注泵從熔化爐向擠壓鑄造機加料室輸送合金液，擠壓鑄造機沖頭向模具型腔平穩(wěn)推進合金液、快速增壓凝固結(jié)晶，調(diào)節(jié)擠壓鑄造工藝參數(shù)為擠壓壓力為60～120MPa，保壓時間20～40s，沖頭擠壓速度10～200mm/s，完成汽車用鎂合金發(fā)動機支架的鑄造過程，獲得鑄件毛坯。
5、將擠壓鑄造制成的發(fā)動機支架鑄件毛坯進行固溶時效(T6)熱處理，先在370℃預(yù)溶解1～3小時，然后升溫至400～420℃保溫6～12小時，出爐空冷；再進行150～200℃×5～15小時的單級時效處理，或者進行200℃×2～10小時+150℃×10～20小時的雙級時效，得到鎂合金汽車發(fā)動機支架。經(jīng)過T6熱處理，鑄件的力學(xué)性能得到有效提高，獲得合格的產(chǎn)品性能。
本發(fā)明中，所述坩堝熔化爐可以采用電阻絲加熱爐、電熱帶加熱爐，或者燃油加熱爐；坩堝熔化量為200～500公斤，熔化速度2～4小時/爐；熔化爐可以采用爐膛加坩堝內(nèi)合金液兩控溫方式。
本發(fā)明所述的保護氣體可以采用含有0.1～1vol.％的阻燃抑制劑的混合干燥空氣，所述阻燃抑制劑為惰性氣體SF6或含氟制冷劑R152a、R32、或者R134a。
本發(fā)明所述變質(zhì)劑可以為Al-4Ti-5B或Al-5Ti-1B，以中間合金形式加入，也可以采用無水MgCO3或無水C2Cl6等試劑。
為了低成本的生產(chǎn)高性能的鎂合金發(fā)動機支架，本發(fā)明選用Mg-Al系A(chǔ)Z91D合金為基礎(chǔ)，在考慮較高壓力下結(jié)晶對Mg-Al系合金凝固相圖的影響(即，高的結(jié)晶壓力可使合金化元素在鎂基體中的最大固溶度降低并使共晶點向富鎂方向偏移)的情況下，適當(dāng)降低合金中Al元素的含量，同時添加少量混合稀土，形成組分的優(yōu)化配制，既保證擠壓鑄造凝固組織中具有足夠的強化相，又避免壓力結(jié)晶引起的強化相的偏析造成產(chǎn)品脆性增加。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用鎂合金作為發(fā)動機支架的材料，可以獲得較好的減重效果，采用擠壓鑄造工藝可以細(xì)化材料組織，提高產(chǎn)品綜合性能。本發(fā)明制備的鎂合金汽車發(fā)動機支架力學(xué)性能高，合金在充分的壓力下結(jié)晶成型，不會在制品內(nèi)形成氣孔，縮孔及針孔等缺陷，因而其組織致密均勻，晶粒細(xì)?。煌ㄟ^T6強化處理后，產(chǎn)品的性能得到進一步強化，具有更高的抗拉強度，更高的屈服強度和延伸率，符合汽車零部件的高品質(zhì)、高性能的要求。本發(fā)明的擠壓鑄造工藝制造而成的鎂合金汽車發(fā)動機支架，能提高毛坯精度，減少加工余量，實現(xiàn)資源和能源的低消耗，促使經(jīng)濟效益的提高。
具體實施例方式
以下通過具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)描述。
實施例1配制如下重量百分比的合金成分6％Al，0.17-0.4％Mn，0.45-0.9％Zn，0～0.5％RE，其余為Mg，合金總量200公斤，將合金錠在烘箱中預(yù)熱至200℃，精煉劑烘干于160℃保溫爐中。電阻式熔化爐預(yù)熱至200℃，在坩堝底部撒上一層覆蓋劑，加入預(yù)熱的合金錠，調(diào)節(jié)熱電耦逐級加熱，待爐內(nèi)溫度上升到400℃時，開始通入含0.1～1vol.％的R32抑制劑的混合干燥空氣(保護氣體流量為坩堝封閉容積的3％/min)防止鎂合金燃燒，待合金完全熔化后，繼續(xù)升溫到720～730℃，加入0.5wt％變質(zhì)劑進行變質(zhì)細(xì)化處理10min，然后升溫至740℃，加入精煉劑(精煉劑用量占總鎂液量的2.5％)進行精煉處理，精煉時間為10min，精煉完成后，去除渣，合金液表面不再撒任何覆蓋劑或精煉劑，完全由保護氣體覆蓋，合金液靜置并降溫至澆注溫度680℃等待澆注。
將一模兩腔式模具固定在350T臥式間接擠壓鑄造機左右模架上，模具采用油路加熱方式首先預(yù)熱至200℃，然后在模具型腔內(nèi)均勻噴上一層保溫涂料和脫模劑，涂層厚度約為30微米。繼續(xù)烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具預(yù)熱溫度提高至250℃。
設(shè)置將350T擠壓鑄造機的工藝參數(shù)如下

設(shè)置完畢后，采用定量澆注泵從熔化爐內(nèi)向擠壓鑄造機加料室精確輸送鎂合金液，然后啟動擠壓鑄造機即可開始自動擠壓。
擠壓結(jié)束后，開模取出鑄件，檢查其外觀完整性和表面缺陷。產(chǎn)品合格率達(dá)75％，合格產(chǎn)品進行熱處理和組織性能分析。熱處理工藝為370℃×2小時+400℃×12小時固溶，然后170℃×10小時時效處理。該工藝鑄造的發(fā)動機支架鑄件實體取樣測試，其微觀組織平均晶粒度約為40～50μm，鑄態(tài)試樣HV(5Kg)硬度平均達(dá)75.5，抗拉強度大于240MPa，屈服強度大于100MPa，延伸率大于7％，經(jīng)過T6熱處理后，合金力學(xué)性能大幅度提高，HV(5Kg)硬度平均達(dá)92.5，抗拉強度大于280MPa，屈服強度大于152MPa，延伸率大于6％。
實施例2配制如下重量百分比的合金成分7％Al，0.17-0.4％Mn，0.45-0.9％Zn，0～0.5％RE，其余為Mg，合金總量300公斤，將合金錠在烘箱中預(yù)熱至200℃，精煉劑烘干于160℃保溫爐中。電阻式熔化爐預(yù)熱至200℃，在坩堝底部撒上一層覆蓋劑，加入預(yù)熱的合金錠，調(diào)節(jié)熱電耦逐級加熱，待爐內(nèi)溫度上升到400℃時，開始通入含1vol.％的抑制劑R152a的混合干燥空氣(保護氣體流量為坩堝封閉容積的1～10％/min)防止鎂合金燃燒，待合金完全熔化后，繼續(xù)升溫到720～730℃，加入0.3wt％變質(zhì)劑進行變質(zhì)細(xì)化處理10min，然后升溫至740～750℃，加入精煉劑(精煉劑用量占總鎂液量的2.0％)進行精煉處理，精煉時間為10min，精煉完成后，去除渣，合金液表面不再撒任何覆蓋劑或精煉劑，完全由保護氣體覆蓋，合金液靜置并降溫至澆注溫度690℃等待澆注。
將一模兩腔式模具固定在350T臥式間接擠壓鑄造機左右模架上，模具采用油路加熱方式首先預(yù)熱至200℃，然后在模具型腔內(nèi)均勻噴上一層保溫涂料和脫模劑，涂層厚度約為20微米。繼續(xù)烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具預(yù)熱溫度提高至300℃。
設(shè)置將350T擠壓鑄造機的工藝參數(shù)如下

設(shè)置完畢后，采用定量澆注泵從熔化爐內(nèi)向擠壓鑄造機加料室精確輸送鎂合金液，然后啟動擠壓鑄造機即可開始自動擠壓。
擠壓結(jié)束后，開模取出鑄件，檢查其外觀完整性和表面缺陷。產(chǎn)品合格率達(dá)85％，合格產(chǎn)品進行熱處理和組織性能分析。熱處理工藝為370℃×2小時+400℃×12小時固溶，然后170℃×10小時時效處理。該工藝鑄造的發(fā)動機支架鑄件實體取樣測試，其微觀組織平均晶粒度約為30～40μm，鑄態(tài)試樣HV(5Kg)硬度平均達(dá)78.7，抗拉強度大于245MPa，屈服強度大于105MPa，延伸率大于7％，經(jīng)過T6熱處理后，合金力學(xué)性能大幅度提高，HV(5Kg)硬度平均達(dá)92.5，抗拉強度大于290MPa，屈服強度大于161MPa，延伸率大于6％。
實施例3配制如下重量百分比的合金成分8％Al，0.17-0.4％Mn，0.45-0.9％Zn，0～0.5％RE，其余為Mg，合金總量300公斤，將合金錠在烘箱中預(yù)熱至200℃，精煉劑烘干于160℃保溫爐中。電阻式熔化爐預(yù)熱至200℃，在坩堝底部撒上一層覆蓋劑，加入預(yù)熱的合金錠，調(diào)節(jié)熱電耦逐級加熱，待爐內(nèi)溫度上升到400℃時，開始通入含1vol.％的SF6抑制劑的混合干燥空氣(保護氣體流量為坩堝封閉容積的5％/min)防止鎂合金燃燒，待合金完全熔化后，繼續(xù)升溫到720～730℃，加入1wt％變質(zhì)劑進行變質(zhì)細(xì)化處理10min，然后升溫至740～750℃，加入精煉劑(精煉劑用量占總鎂液量的2.0％)進行精煉處理，精煉時間為10min，精煉完成后，去除渣，合金液表面不再撒任何覆蓋劑或精煉劑，完全由保護氣體覆蓋，合金液靜置并降溫至澆注溫度710℃等待澆注。
將一模兩腔式模具固定在350T臥式間接擠壓鑄造機左右模架上，模具采用油路加熱方式首先預(yù)熱至200℃，然后在模具型腔內(nèi)均勻噴上一層保溫涂料和脫模劑，涂層厚度約為20微米。繼續(xù)烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具預(yù)熱溫度提高至350℃。
設(shè)置將350T擠壓鑄造機的工藝參數(shù)如下

設(shè)置完畢后，采用定量澆注泵從熔化爐內(nèi)向擠壓鑄造機加料室精確輸送鎂合金液，然后啟動擠壓鑄造機即可開始自動擠壓。
擠壓結(jié)束后，開模取出鑄件，檢查其外觀完整性和表面缺陷。產(chǎn)品合格率達(dá)90％，合格產(chǎn)品進行熱處理和組織性能分析。熱處理工藝為370℃×2小時+400℃×12小時固溶，然后200℃×2小時+150℃×10小時時效處理。該工藝鑄造的發(fā)動機支架鑄件實體取樣測試，其微觀組織平均晶粒度約為20～30μm，鑄態(tài)試樣HV(5Kg)硬度平均達(dá)80.3，抗拉強度大于250MPa，屈服強度大于105MPa，延伸率大于6％，經(jīng)過T6熱處理后，合金力學(xué)性能大幅度提高，HV(5Kg)硬度平均達(dá)96.7，抗拉強度可達(dá)300MPa，屈服強度大于165MPa，延伸率大于5％。
權(quán)利要求
1.一種鎂合金汽車發(fā)動機支架的擠壓鑄造制備方法，其特征在于包括如下步驟1)鎂合金材料組分的重量百分比為6～8％Al，0.17～0.4％Mn，0.45～0.9％Zn，0～0.5％RE，Si＜0.05％，Cu＜0.025，Ni＜0.001％，F(xiàn)e＜0.004％，其余為Mg；2)將配制好的鎂合金材料在烘箱中預(yù)熱至200～250℃，同時將坩堝熔化爐升溫，在坩堝底部撒上一層覆蓋劑，將經(jīng)預(yù)熱的鎂合金材料加入熔化爐內(nèi)，繼續(xù)加熱升溫，待爐內(nèi)溫度上升到400℃時，開始通入保護氣體防止鎂合金燃燒，保護氣體流量為坩堝封閉容積的1～10％/min；待鎂合金完全熔化后，繼續(xù)升溫到720～740℃，加入鎂合金液總量的0.1～1wt％變質(zhì)劑進行變質(zhì)細(xì)化處理，處理時間5～10min，然后升溫至730～750℃，加入占鎂合金液總量的1.5～2.5wt％的精煉劑進行精煉處理，精煉時間為5～10min，精煉完成后，去除渣，合金液靜置并降溫至澆注溫度680～710℃；3)發(fā)動機支架鑄件模具采用一模兩腔對稱分布形式設(shè)計，澆注系統(tǒng)采用開放式，將一模兩腔式模具固定在350T臥式間接擠壓鑄造機的左右模架上，模具采用油路加熱方式，首先預(yù)熱至150～200℃，然后在模具型腔內(nèi)均勻噴上一層保溫涂料和脫模劑，涂層厚度為20～50微米，繼續(xù)烘烤模具，使涂料粘附牢固，并使模具預(yù)熱溫度提高至250～350℃；4)采用定量澆注泵從熔化爐向擠壓鑄造機加料室輸送合金液，擠壓鑄造機沖頭向模具型腔平穩(wěn)推進合金液、快速增壓凝固結(jié)晶，調(diào)節(jié)擠壓鑄造工藝參數(shù)為擠壓壓力為60～120MPa，保壓時間20～40s，沖頭擠壓速度10～200mm/s，完成汽車用鎂合金發(fā)動機支架的鑄造過程，獲得鑄件毛坯；5)將擠壓鑄造制成的發(fā)動機支架鑄件毛坯進行固溶時效T6熱處理，先在370℃預(yù)溶解1～3小時，然后升溫至400～420℃保溫6～12小時，出爐空冷；再進行150～200℃×5～15小時的單級時效處理，或者進行200℃×2～10小時+150℃×10～20小時的雙級時效，得到鎂合金汽車發(fā)動機支架。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鎂合金汽車發(fā)動機支架的擠壓鑄造制備方法，其特征在于所述坩堝熔化爐采用電阻絲加熱爐、電熱帶加熱爐，或燃油加熱爐；坩堝熔化量為200～500公斤，熔化速度2～4小時/爐；熔化爐采用爐膛加坩堝內(nèi)合金液兩控溫方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的鎂合金汽車發(fā)動機支架的擠壓鑄造制備方法，其特征在于所述保護氣體為含有0.1～1vol.％的阻燃抑制劑的混合干燥空氣，所述阻燃抑制劑為惰性氣體SF6或含氟制冷劑R152a、R32或者R134a。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鎂合金汽車發(fā)動機支架的擠壓鑄造制備方法，其特征在于所述變質(zhì)劑為Al-4Ti-5B或Al-5Ti-1B以中間合金形式加入，或采用試劑無水MgCO3或無水C2Cl6。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎂合金汽車發(fā)動機支架的擠壓鑄造制備方法，包括鎂合金成分設(shè)計、合金熔煉變質(zhì)、合金液定量澆注、間接擠壓鑄造以及鑄件熱處理。首先將鎂、鋁、錳、鋅、稀土等金屬原料按一定重量百分比配制好，加入坩堝熔化爐內(nèi)熔化、精煉與變質(zhì)處理，然后采用定量澆注泵向擠壓鑄造機加料室輸送合金液，擠壓鑄造機沖頭向發(fā)動機支架模具型腔推注合金液并增壓使鎂合金液結(jié)晶，獲得鎂合金發(fā)動機支架擠壓鑄造零件，再對零件進行固溶時效強化處理，得到力學(xué)性能優(yōu)越的汽車發(fā)動機支架。本發(fā)明采用鎂合金作為發(fā)動機支架的材料以獲得較好的減重效果，采用擠壓鑄造工藝可以細(xì)化材料組織，提高產(chǎn)品綜合性能，符合了汽車零部件的高品質(zhì)、高性能的要求。
文檔編號B22D18/02GK1887480SQ20061002940
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月27日
發(fā)明者彭立明, 曾小勤, 楊艷玲, 丁文江, 劉六法, 丁懷新 申請人:上海交通大學(xué), 上海輕合金精密成型國家工程研究中心有限公司