本發(fā)明屬于液態(tài)模鍛領(lǐng)域，具體涉及一種6061材料商用車鋁合金軸頭液態(tài)模鍛工藝法。

背景技術(shù)：

軸頭是汽車上最重要的安全零件之一，軸頭承受著汽車和載物質(zhì)量作用的壓力，受到車輛在起動、制動時動態(tài)扭矩的作用，還承受汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)彎、凹凸路面、路面障礙物沖擊等來自不同凡響動態(tài)載荷產(chǎn)生的不規(guī)則交變受力。軸頭的質(zhì)量和可靠性不但關(guān)系到車輛和車上人員物資的安全性，還影響到車輛在行駛中的平穩(wěn)性、操縱性、舒適性等性能，這就要求軸頭動平衡好、疲勞強度高、有好的剛度和彈性、尺寸和形狀精度高、質(zhì)量輕等，鋁軸頭以其良好的綜合性能滿足了上述要求，在安全性、舒適性和輕量化等方面表現(xiàn)突出，博得了市場青睞。

現(xiàn)有汽車軸頭從材料上區(qū)分，分為鋼制軸頭和鋁合金軸頭。成型工藝主要分為鋼制熱擠壓成型以及鋁合金低壓鑄造工藝。鋼制軸頭重量大，一般接近鋁合金軸頭的兩倍。鋁合金軸頭以質(zhì)量輕、散熱快、美觀逐漸受到市場青睞，也是未來發(fā)展方向。低壓鑄造生產(chǎn)的鋁合金軸頭是鑄件在一定的壓力下結(jié)晶，受工藝條件限制，產(chǎn)品機械性能一般，不能滿足大載荷要求。低壓鑄造因自身工藝約束，產(chǎn)品容易形成縮孔與縮松缺陷，氣孔缺陷，表面粗糙，由于汽車件對安全性能要求較高，低壓鑄造工藝生產(chǎn)的軸頭，其機械性能只能滿足一般要求，并且提升空間小，已不能滿足大承載力汽車要求，某些高端應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。

液態(tài)模鍛，是一種既具有鑄造特點，又類似固態(tài)模鍛的新興金屬成形工藝。它是將一定量的被鑄金屬液直接澆注入涂有潤滑劑的型腔中，并持續(xù)施加機械靜壓力，利用金屬鑄造凝固成形時易流動和鍛造技術(shù)使已凝固的硬殼產(chǎn)生塑性變形，使金屬在壓力下結(jié)晶凝固并強制消除因凝固收縮形成的縮孔縮松，以獲得無鑄造缺陷的液態(tài)模鍛制件。

公開號為CN 102689159A的中國專利公開了6061鋁合金異截面大型環(huán)件的液態(tài)模鍛軋制復(fù)合成形方法，該方法雖然在一定程度上滿足生產(chǎn)流程短，但是其公開的技術(shù)方案中沒有對鋁合金成分進(jìn)行優(yōu)化，按照其公開的技術(shù)方案制造汽車軸頭仍然不能滿足綜合的力學(xué)性能。

公開號為CN 104131202A的中國專利公開了6061鋁合金模鍛件的短流程制備方法，通過優(yōu)化合金的化學(xué)成分和熔體凈化技術(shù)，改善了合金的金相結(jié)構(gòu)，不僅改善了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，還極大的消除了產(chǎn)品中的縮孔、疏松、氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷；但是通過研究發(fā)現(xiàn)其仍有一定的缺陷，比如其高溫高蠕變性能不好，產(chǎn)品仍然有裂紋源等，生產(chǎn)出來的汽車軸頭在性能上仍有所不足。

稀土元素被認(rèn)為是可以顯著改善鋁合金的金相組織，細(xì)化晶粒，去除鋁合金中氣體和有害雜質(zhì)和有害氣體，減少鋁合金的裂紋源，從而提高鋁合金的強度，改善加工性能，還能改善鋁合金的耐熱性、可塑性及可鍛性，提高硬度、增加強度和韌性。

但是現(xiàn)有技術(shù)中還沒有將稀土元素應(yīng)用于鋁合金的液態(tài)模鍛領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于在現(xiàn)有液態(tài)模鍛工藝的基礎(chǔ)上，研究出一種應(yīng)用于商用車軸頭的6061鋁合金的液態(tài)模鍛工藝法。通過稀土元素優(yōu)化化學(xué)成分和優(yōu)化熔體凈化技術(shù)、改善合金金相結(jié)構(gòu)；改變鍛壓、熱處理強化的溫度場和流場，對鋁合金的形變溫度、形變速度和形變程度進(jìn)行綜合分析和調(diào)控，建立短流程、鑄鍛一體化的連續(xù)液態(tài)模鍛過程的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)出大尺寸、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的鋁合金軸頭的新技術(shù)。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明具體提供了如下的技術(shù)方案：

6061材料商用車鋁合金軸頭液態(tài)模鍛工藝法，包括如下步驟：

(1)合金成分優(yōu)化：優(yōu)化6061鋁合金中Mg/Si比和其他合金元素比例，并控制雜質(zhì)元素的質(zhì)量含量，其中Si0.50-0.75份；Fe＜0.25份；Cu0.15-0.25份；Mg0.80-1.10份；Cr0.04-0.25份；Al95～98份，控制6061鋁合金中其他單個雜質(zhì)小于0.05份，再加入元素Gd 0.3～0.5份；

Sm0.15～0.2份；Hf 0.1～1份，用Sr及Ti作變質(zhì)和細(xì)化處理；

(2)熔煉；

(3)將步驟(2)所得熔體以高效精煉劑進(jìn)行爐內(nèi)除氣、除渣使熔體清潔無雜；

(4)液態(tài)模鍛成型分為5個階段

第一階段：熔體澆注至軸頭模具內(nèi)：澆注溫度為680～690℃，模具預(yù)熱溫度為280～320℃，單坯精確定量澆注；

第二階段：快速充型：合模充型加壓時間為10-20秒，壓力由上模沖頭剛接觸到下模中熔體面起開始變化直到140-160bar，速度1-2mm/s；

第三階段：保壓過程：將壓力以加壓速度0.1-0.3mm/s逐漸減少為0，壓力180-200bar，達(dá)到保壓壓力，延時10-20秒進(jìn)行冷卻，時間100-120秒；

第四階段：開模：模具下模頂桿向上頂出工件，上模隨壓機滑塊向上運動，與下模頂桿同速度，消除產(chǎn)品受到上下模具撕力；

第五階段：取料：采用機構(gòu)夾具進(jìn)行取料，放入輥道上，轉(zhuǎn)入下序；

(5)修邊、出孔；

(6)熱處理強化：將工件加熱到535±5℃恒溫保持3～6h，在30-80℃水溫條件下淬火60秒，在175±5℃溫度條件下進(jìn)行時效處理6-10h；

(7)機械性能檢查、尺寸表面加工。

優(yōu)選的，步驟(1)合金成分優(yōu)化為：其中Si0.6份；Fe＜0.25份；Cu0.2份；Mg1.0份；Cr0.15份；Al97份，控制6061鋁合金中其他單個雜質(zhì)小于0.05份，再加入元素Gd0.4份；Sm0.18份；Hf 0.5份，用Sr及Ti作變質(zhì)和細(xì)化處理。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述步驟(3)中還包括在線處理過程，經(jīng)高效熔劑精煉凈化后的熔體再采用GBF法在線除氣。

鋁合金液態(tài)模鍛是在壓力作用下，使鋁液結(jié)晶，產(chǎn)生一定量的塑性變形，即消除了常規(guī)鑄造過程中易產(chǎn)生縮孔、疏松、氣孔、裂紋等質(zhì)量缺陷，又獲得固態(tài)鍛件產(chǎn)品的優(yōu)良機械性能和低壓鑄件一次成型的高效率、高精度，合格率90％以上，投資大大低于固態(tài)鍛造法。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明首先通過優(yōu)化6061合金中各元素的成分，再配合添加適量的稀土元素Gd、Sm，以及元素Hf，再結(jié)合液態(tài)模鍛工藝制備出車用軸頭，通過優(yōu)化合金的化學(xué)成分和熔體凈化技術(shù)，改善了合金的金相結(jié)構(gòu)，極大的消除了產(chǎn)品中的縮孔、疏松、氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷。軸頭產(chǎn)品外觀質(zhì)量明顯改善，內(nèi)部缺陷明顯減少，生產(chǎn)效率高，流程短，工藝成本低、節(jié)能、環(huán)境污染少，經(jīng)濟效益和社會效益明顯。

(2)稀土元素加入到鋁合金中可起到微合金化的作用，此外，它與氫等氣體和許多非金屬有較強的親和力，能生成熔點高的化合物，故它有一定的除氫、精煉、凈化作用；由于其活性極強，它可以在長大的晶粒界面上選擇性地吸附，阻礙晶粒的生長而實現(xiàn)細(xì)化晶粒的作用。稀土金屬元素Gd或Sm元素的加入可細(xì)化晶粒，提高合金的屈服強度，同時在合金的晶界附近生成穩(wěn)定的粒狀A(yù)l2Gd或Al2Sm相，起到析出強化的作用，提高了合金的室溫拉伸性能和高溫抗蠕變性能，另外，加入Si可以提高合金的鑄造性能；Hf的加入可產(chǎn)生延棱柱面生長的析出相，且該析出相在300℃具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，提高合金的抗蠕變性能，Hf和Gd共同作用可形成大量長周期有序堆垛結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與Al基體有共格關(guān)系，能夠阻礙位錯的基面滑移，強化基體，進(jìn)一步提高了合金的高溫抗蠕變性能。因為，某些稀土元素與合金的某些元素會發(fā)生沖突反而影響合金的性能，所以本發(fā)明通過研究發(fā)現(xiàn)Gd或Sm可有效避免這一缺陷反而具有很好的有益效果。

另一方面，稀土元素的加入也可以改善鋁合金的鑄造性能，這是因為鐵是鋁合金中非常有害的雜質(zhì)，萬分之幾的鐵就能形成Al+FeAl3的共晶硅，大多數(shù)含鐵相的結(jié)晶組織都十分粗大，直接影響合金的機械性能，降低合金的流動性，本發(fā)明加以Gd或Sm元素則可以改變鐵相的存在形態(tài)，提高鋁合金的鑄造性能。

(3)本發(fā)明采用液態(tài)模鍛方法制成的軸頭與采用低壓鑄造法制造的鋁合金軸頭相比，機械性能得到明顯的改善。拉伸強度增加35.5％以上，屈服強度增加136.8％，布氏硬度增加50％。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖：

圖1液態(tài)模鍛法制造的鋁合金商用車軸頭示意圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。

下面以生產(chǎn)商用車軸頭為例進(jìn)行詳細(xì)介紹：

所生產(chǎn)的車用軸頭示意圖如圖1所示。

實施例1

(1)合金成分優(yōu)化：優(yōu)化6061鋁合金中Mg/Si比和其他合金元素比例，并控制雜質(zhì)元素的質(zhì)量含量，其中Si0.6份；Fe＜0.25份；Cu0.2份；Mg1.0份；Cr0.15份；Al97份，控制6061鋁合金中其他單個雜質(zhì)小于0.05份，再加入元素Gd0.4份；Sm0.18份；Hf 0.5份，用Sr及Ti作變質(zhì)和細(xì)化處理。此步驟中需嚴(yán)格掌握Gd、Sm的加入量，因為加入過量不但不會使鋁合金的性能改善，還會影響鋁合金的正常使用，甚至造成材料的報廢；

(2)熔煉；

(3)將步驟(2)所得熔體以高效精煉劑進(jìn)行爐內(nèi)除氣、除渣使熔體清潔無雜；清除鋁合金熔液內(nèi)部的雜質(zhì)和氣體，可進(jìn)一步提高合金純度，改善合金的金相結(jié)構(gòu)，消除產(chǎn)品中的縮孔、疏松、氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷，同時提升工件的表面質(zhì)量；

(4)液態(tài)模鍛成型分為5個階段

第一階段：熔體澆注至軸頭模具內(nèi)：澆注溫度為680℃，模具預(yù)熱溫度為290℃，單坯精確定量澆注；

第二階段：快速充型：合模充型加壓時間為20秒，壓力由上模沖頭剛接觸到下模中熔體面起開始變化直到160bar，速度1mm/s；

第三階段：保壓過程：將壓力以加壓速度0.2mm/s逐漸減少為0，壓力200bar，達(dá)到保壓壓力，延時20秒進(jìn)行冷卻，時間120秒；冷卻過程壓力保持不變；

第四階段：開模：模具下模頂桿向上頂出工件，上模隨壓機滑塊向上運動，與下模頂桿同速度，消除產(chǎn)品受到上下模具撕力；

第五階段：取料：采用機構(gòu)夾具進(jìn)行取料，放入輥道上，轉(zhuǎn)入下序；

通過各參數(shù)的控制，可改善工件內(nèi)部的結(jié)晶質(zhì)量，保證液鍛過程產(chǎn)生的工件具有較強的綜合力學(xué)性能；

(5)修邊、出孔；

(6)熱處理強化：將工件加熱到535℃恒溫保持5h，在50℃水溫條件下淬火60秒，在170℃溫度條件下進(jìn)行時效處理8h；即先固溶處理再人工時效，使內(nèi)部組織分布更加均勻，消除或減小淬火后工件內(nèi)的微觀應(yīng)力及機械加工殘余應(yīng)力，防止變形及開裂，穩(wěn)定組織；先以精密車削獲得鏡面，再進(jìn)行無鉻鈍化防護；提高工件的抗腐蝕能力；

(7)機械性能檢查、尺寸表面加工。

實施例2

(1)合金成分優(yōu)化：優(yōu)化6061鋁合金中Mg/Si比和其他合金元素比例，并控制雜質(zhì)元素的質(zhì)量含量，其中Si0.5份；Fe＜0.1份；Cu0.15份；Mg0.80份；Cr0.04份；Al95份，控制6061鋁合金中其他單個雜質(zhì)小于0.04份，再加入元素Gd0.3份；Sm0.15份；Hf 0.3份，用Sr及Ti作變質(zhì)和細(xì)化處理。此步驟中需嚴(yán)格掌握Gd、Sm的加入量，因為加入過量不但不會使鋁合金的性能改善，還會影響鋁合金的正常使用，甚至造成材料的報廢；

(2)熔煉；

(3)將步驟(2)所得熔體以高效精煉劑進(jìn)行爐內(nèi)除氣、除渣使熔體清潔無雜；清除鋁合金熔液內(nèi)部的雜質(zhì)和氣體，可進(jìn)一步提高合金純度，改善合金的金相結(jié)構(gòu)，消除產(chǎn)品中的縮孔、疏松、氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷，同時提升工件的表面質(zhì)量；

(4)液態(tài)模鍛成型分為5個階段

第一階段：熔體澆注至軸頭模具內(nèi)：澆注溫度為685℃，模具預(yù)熱溫度為300℃，單坯精確定量澆注；

第二階段：快速充型：合模充型加壓時間為20秒，壓力由上模沖頭剛接觸到下模中熔體面起開始變化直到150bar，速度2mm/s；

第三階段：保壓過程：將壓力以加壓速度0.2mm/s逐漸減少為0，壓力200bar，達(dá)到保壓壓力，延時20秒進(jìn)行冷卻，時間120秒；冷卻過程壓力保持不變；

第四階段：開模：模具下模頂桿向上頂出工件，上模隨壓機滑塊向上運動，與下模頂桿同速度，消除產(chǎn)品受到上下模具撕力；

第五階段：取料：采用機構(gòu)夾具進(jìn)行取料，放入輥道上，轉(zhuǎn)入下序；

通過各參數(shù)的控制，可改善工件內(nèi)部的結(jié)晶質(zhì)量，保證液鍛過程產(chǎn)生的工件具有較強的綜合力學(xué)性能；

(5)修邊、出孔；

(6)熱處理強化：將工件加熱到540℃恒溫保持3h，在30℃水溫條件下淬火60秒，在175℃溫度條件下進(jìn)行時效處理6h；即先固溶處理再人工時效，使內(nèi)部組織分布更加均勻，

消除或減小淬火后工件內(nèi)的微觀應(yīng)力及機械加工殘余應(yīng)力，防止變形及開裂，穩(wěn)定組織；先以精密車削獲得鏡面，再進(jìn)行無鉻鈍化防護；提高工件的抗腐蝕能力；

(7)機械性能檢查、尺寸表面加工。

實施例3

(1)合金成分優(yōu)化：優(yōu)化6061鋁合金中Mg/Si比和其他合金元素比例，并控制雜質(zhì)元素的質(zhì)量含量，其中Si0.75份；Fe＜0.1份；Cu0.25份；Mg1.10份；Cr0.25份；Al98份，控制6061鋁合金中其他單個雜質(zhì)小于0.05份，再加入元素Gd0.5份；Sm0.2份；Hf1份，用Sr及Ti作變質(zhì)和細(xì)化處理。此步驟中需嚴(yán)格掌握Gd、Sm的加入量，因為加入過量不但不會使鋁合金的性能改善，還會影響鋁合金的正常使用，甚至造成材料的報廢；

(2)熔煉；

(3)將步驟(2)所得熔體以高效精煉劑進(jìn)行爐內(nèi)除氣、除渣使熔體清潔無雜；清除鋁合金熔液內(nèi)部的雜質(zhì)和氣體，可進(jìn)一步提高合金純度，改善合金的金相結(jié)構(gòu)，消除產(chǎn)品中的縮孔、疏松、氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷，同時提升工件的表面質(zhì)量；

(4)液態(tài)模鍛成型分為5個階段

第一階段：熔體澆注至軸頭模具內(nèi)：澆注溫度為690℃，模具預(yù)熱溫度為310℃，單坯精確定量澆注；

第二階段：快速充型：合模充型加壓時間為15秒，壓力由上模沖頭剛接觸到下模中熔體面起開始變化直到150bar，速度2mm/s；

第三階段：保壓過程：將壓力以加壓速度0.2mm/s逐漸減少為0，壓力190bar達(dá)到保壓壓力，延時15秒進(jìn)行冷卻，時間110秒；冷卻過程壓力保持不變；

第四階段：開模：模具下模頂桿向上頂出工件，上模隨壓機滑塊向上運動，與下模頂桿同速度，消除產(chǎn)品受到上下模具撕力；

第五階段：取料：采用機構(gòu)夾具進(jìn)行取料，放入輥道上，轉(zhuǎn)入下序；

通過各參數(shù)的控制，可改善工件內(nèi)部的結(jié)晶質(zhì)量，保證液鍛過程產(chǎn)生的工件具有較強的綜合力學(xué)性能；

(5)修邊、出孔；

(6)熱處理強化：將工件加熱到540℃恒溫保持5h，在80℃水溫條件下淬火60秒，在180℃溫度條件下進(jìn)行時效處理10h；即先固溶處理再人工時效，使內(nèi)部組織分布更加均勻，

消除或減小淬火后工件內(nèi)的微觀應(yīng)力及機械加工殘余應(yīng)力，防止變形及開裂，穩(wěn)定組織；先以精密車削獲得鏡面，再進(jìn)行無鉻鈍化防護；提高工件的抗腐蝕能力；

(7)機械性能檢查、尺寸表面加工。

對比實施例1

使用A356.2的合金牌號，其中化學(xué)元素含量為Si6.8-7.2％；Fe≤0.12％；Cu≤0.1％；

Mg0.35-0.45％；Sr0.01-0.02％；Ti0.1-0.2％其他單個雜質(zhì)≤0.05％，以Sr及Ti作變質(zhì)和細(xì)化處理；采用低壓鑄造工藝進(jìn)行鑄造。

對比實施例2

按照DIN/EN573GB/T3190，使用T6狀態(tài)下的6061鋁合金進(jìn)行固態(tài)模鍛工藝制備軸頭。

對比實施例3

與實施例1的區(qū)別在于：不加入元素Gd、Sm、Hf，其他與實施例1所述的一致。

對比實施例4

與實施例1的區(qū)別在于，加入元素Gd5質(zhì)量份、Sm 5質(zhì)量份、Hf5質(zhì)量份，其它與實施例1所述的一致。

將實施例1～3及對比實施例1～4所生產(chǎn)的鋁合金軸頭進(jìn)行性能對比，得到如表1所示的數(shù)據(jù)：

表1鋁合金軸頭性能對比表

由表1可看出，本發(fā)明首先通過優(yōu)化A357合金中各元素的成分，再配合添加適量的稀土元素Gd、Sm，以及元素Hf，再結(jié)合液態(tài)模鍛工藝制備出車用軸頭，通過優(yōu)化合金的化學(xué)成分和熔體凈化技術(shù)，改善了合金的金相結(jié)構(gòu)，極大的消除了產(chǎn)品中的縮孔、疏松、氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷。本發(fā)明采用液態(tài)模鍛方法制成的軸頭與采用低壓鑄造法制造的鋁合金軸頭相比，機械性能得到明顯的改善，拉伸強度增加35.5％以上，屈服強度增加128.8％，布氏硬度增加76％，所制備的車用軸頭機械性能指標(biāo)接近或等同于固態(tài)模鍛法制造的鋁合金軸頭。并且從表1也體現(xiàn)出了加入稀土元素對于合金性能的促進(jìn)作用，通過對比實施例4也驗證了控制稀土元素的加入量對本工藝是至關(guān)重要的。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。