CN109504870B - 一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝基复合材料，具体设计一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金及制备方法。通过原位合成技术，以碳酸锆、氟硼酸钾和氟钛酸钾的混合粉体为反应物，在反应过程中施加声磁耦合场，在凝固阶段施加声磁耦合场，获得均匀分布的纳米增强相团簇和细晶组织的复合材料。然后通过优化的热挤压技术和淬火技术，减少材料的缺陷，并且促进材料中的亚晶发生动态再结晶，获得细小的再结晶晶粒，提高材料的强度、塑性、抗冲击性和耐腐蚀性，最大程度提高其碰撞吸能效果，获得合格的汽车防撞梁用铝基复合材料型材。

Description

一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金及制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料，具体设计一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金及制备方法。

背景技术

节能减排、环境保护和交通安全是当今汽车行业的三大话题，而汽车轻量化是能够实现这些目标的措施之一。研究表明，汽车质量每降低100kg，百公里油耗可减少0.3升，每公里排放的二氧化碳也可以减少7.5～12.5g。因此汽车轻量化是目前研究热点，其中一个重要途径就是采用轻质高强度材料，铝合金就是一种性能优良的轻质材料，如今广泛地用于汽车结构件。汽车防撞梁是车身结构件之一，也是汽车最为重要的安全部件之一，主要作用是在车辆碰撞中吸收缓和外界冲击力，保护汽车在碰撞事故中车身及乘员的安全。目前汽车防撞梁用的铝合金挤压材主要为6082，6061和6005A挤压材。

随着全球在车量安全方面的法规不断完善及人们对汽车行驶安全性的认识不断提高，因此对此汽车防撞梁用铝合金材料的性能提出了更高的要求。中国专利201410213392.X公开了一种汽车防撞梁用Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其产品制造方法，设计一种新的合金配方提高了铝合金挤压材的强度和韧性。中国专利201710682641.3公开了一种高性能低成本汽车防撞梁用铝合金及其制备工艺，将设计的Al-Si-Mg-Cu合金进行440-480℃的热挤压，然后在出口进行局部的线水雾处理定形，得到防撞梁用挤压材。

根据目前现有的技术和专利主要是通过改变铝合金的成分和挤压工艺来提高防撞领的综合性能。然而，通过设计铝合金的成分依然是依靠传统的合金析出强化提高材料的性能，难以摆脱强塑性倒置的关系；提高挤压工艺温度高以及改变工艺使得工序变复杂都不适合工业化批量连续化生产。因此急需开发一种新型的轻质高强韧防撞梁材料。

发明内容

本发明的目的就是在于针对现有技术的不足，采用原位直接熔体反应技术开发一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金及制备方法，并结合声磁耦合场调控其原位反应过程(熔体)和凝固过程(半固态)以及后续的挤压加工成形技术，显著提高防撞梁的强塑性和抗冲击性能。

本发明的一种轻质汽车防撞梁用原位纳米铝合金及其制备方法，通过原位合成技术，以碳酸锆、氟硼酸钾和氟钛酸钾的混合粉体为反应物，由于碳酸锆分解为氧化锆，可与铝合金基体里的Al和Mg元素反应，生成镁铝尖晶石，吸附在颗粒与基体界面处，可阻碍颗粒的长大和颗粒团聚，并且增加颗粒与界面的结合强度，获得纳米级颗粒。在反应过程中施加声磁耦合场，可使碳酸锆分解释放的热量更加均匀的分布在熔体中，提高颗粒的收得率，并且声磁耦合场可改变颗粒与铝之间界面能的关系，导致颗粒与界面的接触角小于90°，颗粒被界面捕捉，使得纳米颗粒团簇均匀分布在基体中。在凝固阶段施加声磁耦合场，由于这时熔体粘度大，施加更大强度的耦合场，可有效破碎粗大的析出相，并且提高熔体凝固过程中的形核率，最后获得均匀分布的纳米增强相团簇和细晶组织的复合材料。然后通过优化的热挤压技术和淬火技术，减少材料的缺陷，并且促进材料中的亚晶发生动态再结晶，获得细小的再结晶晶粒，提高材料的强度、塑性、抗冲击性和耐腐蚀性，最大程度提高其碰撞吸能效果，获得合格的汽车防撞梁用铝基复合材料型材。

一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金，采用的铝合金基体成份及质量百分比为：Si 1-1.2，Mg 0.8-1，Cu 0.2-0.3，Mn 0.4-0.8，Cr 0.03-0.05,Ti 0.01-0.02，余量为Al。

本发明的制备方法包括以下步骤：

将铝合金基体放入高纯石墨坩埚中在750-780℃熔化并保温5-10min，然后将熔体温度升至830-870℃，压入烘干处理过的用高纯铝箔包裹的反应粉体进入熔体中，同时在反应过程中第一次施加声磁耦合场，反应20-40min之后进行第一次的精炼和扒渣处理；然后放入电阻炉中将温度降至600-660℃并保温，第二次施加声磁耦合场10-20min，然后进行第二次的精炼和扒渣处理，倒入铜模中，制得复合材料铸棒。然后进行均匀化处理，将处理后的铝合金铸棒进行热挤压变形加工和后续的热处理，最后获得防撞梁用原位纳米强化铝合金挤压件。

所述的高纯铝箔包裹的反应粉体为碳酸锆(Zr(CO₃)₂)，氟硼酸钾(KBF₄)和氟钛酸钾(K₂TiF₆)，反应生成原位纳米ZrB₂，TiB₂和Al₂O₃颗粒，其三种颗粒尺寸均为50-100纳米，其氟硼酸钾(KBF₄)，碳酸锆(Zr(CO₃)₂)和氟钛酸钾(K₂TiF₆)的重量比例10-12:3-5:5-6，反应粉体的加入量为熔体的30-50％。能够获得体积分数为1-3％的ZrB₂,1-3％TiB₂和1-3％的Al₂O₃的纳米颗粒。

所述的反应过程中施加的第一次声磁耦合场，为低频磁场和高能超声场。低频磁场，频率为5-10Hz，磁力电流为50-100A；高能超声场，功率为800-1200W，频率为15-20kHz；在高温反应过程中施加声磁耦合场，可促进反应的进行，提高颗粒的收得率，改善颗粒与基体的润湿性，使颗粒均匀分布在基体中，并且保证熔体中各个区域浓度均匀，抑制颗粒的长大，细化颗粒。

所述的第二次施加的声磁耦合场为高频脉冲磁场和高能超声场。高频脉冲，频率为15-22Hz，磁力电流为200-250A；高能超声场，功率为1000-1500W，频率为20-25kHz；由于半固态下施加声磁耦合场，由于熔体粘度较大，通过磁场和超声产生强烈的碰撞和冲刷力可有效的打破粗大的析出相和颗粒团簇，进一步改善析出相的形貌和颗粒的分布，同时磁场和超声上产生剧烈的紊流使颗粒息之间相互摩擦和碰撞，一方面磨平颗粒的边角，使颗粒球化，另一方面颗粒之间较大的碰撞力和剪切力可以使颗粒之间有缺陷的地方产生裂纹，使颗粒破碎，获得更加细小的颗粒。因此在凝固过程施加声磁耦合场可以进一步改善材料的微观组织。

所述的均匀化处理，指将铸棒升温至520-570℃保温20-24h，然后空冷至室温。

所述的热挤压变形加工工艺为：将均匀化之后的铸锭按所需尺寸加工成挤压用棒材，送入电阻炉加热至450-500℃保温0.5-1h，然后将挤压模具加热至400-450℃保温10-30min，以2-5mm/s的挤压速度进行热挤压。

所述的热处理为T6热处理，固溶：温度510-540℃，保温时间2-5h。淬火采用在线水雾淬火和穿水淬火，水雾淬火后挤压材温度为350-400℃，穿水淬火后温度为15-25℃。人工时效：温度170-190℃，保温时间4-8h。

本发明的有益效果是：

本发明提提供了一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金及制备方法，通过原位直接熔体反应技术并结合声磁耦合场技术对其反应过程和凝固过程进行调控，获得原位纳米(ZrB₂+TiB₂+Al₂O₃)颗粒(50-100nm)分布均匀和晶粒细小的原位增强铝基复合材料铸锭。再通过热挤压成形和T6热处理，使得本发明制备的原位纳米增强复合材料具有较高的强塑性和抗冲击性能，并且本发明制备的纳米颗粒，能有效地提高材料的耐腐蚀性，使达到碰撞吸能的效果，应用在汽车防撞梁上能够提高汽车在碰撞事故中车身及乘员的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明的制备工艺流程图

图2为本发明的防撞梁用原位纳米增强铝基复合材料铸锭的组织结构图

图3为本发明的防撞梁用原位纳米增强铝基复合材料的热挤压组织结构图

图4为本发明的多元纳米增强颗粒的形貌图

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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多获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

(1)铝合金铸造：将1Kg铝合金放入高纯石墨坩埚中在780℃熔化并保温10min，然后将熔体温度升至870℃，分批加入烘干处理过的用高纯铝箔包裹的反应粉体(粒度小于100μm，碳酸锆的质量为38g，氟硼酸钾为69g，氟钛酸钾75g)进入熔体中，同时开启低频磁场和高能超声场的组合装置(磁场：频率5Hz，磁力电流50A；超声：功率800W，频率15kHz)反应20min，反应结束后除去熔体表面的浮渣并将六氯乙烷喷入溶液中进行精炼；然后放入电阻炉中将温度降至660℃并保温，同时启高频脉冲磁场和高能超声场的组合装置(磁场：频率20Hz，磁力电流250A；超声：功率1500W，频率25kHz)15min，然后进行第二次的精炼和扒渣处理(精炼之后，再加入0.5％的打渣剂，搅拌后扒渣)，倒入铜模中，制得(1vol％ZrB₂+1vol％TiB₂+1vol％Al₂O₃)铝基复合材料铸棒。

(2)均匀化处理：将步骤1所得的铸棒进行切头切尾铣面，制得长度为80mm的铸棒。然后将铸棒放入箱式电阻炉中加热至550℃保温24h。

(3)热挤压处理：将均匀化之后的铸锭按所需尺寸加工成挤压锭坯，送入电阻炉加热至450℃保温0.5h，然后将挤压模具加热至450℃保温15min，以2mm/s的挤压速度进行热挤压，得到直径为15mm的挤压棒材。

(4)T6热处理：将步骤3得到的挤压棒材进行热处理。固溶：温度540℃，保温时间2h。淬火采用在线水雾淬火和穿水淬火，水雾淬火后挤压材温度为350℃，穿水淬火后温度为25℃。人工时效：温度170℃，保温时间4h。最后得到合格的防撞梁用原位颗粒增强铝基复合材料挤压件。

实施例2：

制备方法与实施例1中基本相同，不同之处在于：反应物质量不同，碳酸锆的质量为77g，氟硼酸钾为138g，氟钛酸钾为142g反应制得(2vol％ZrB₂+2vol％TiB₂+2vol％Al₂O₃)铝基复合材料铸棒。

实施例3：

制备方法与实施例1中基本相同，不同之处在于：反应物质量不同，碳酸锆的质量为115g，氟硼酸钾为206g，氟钛酸钾为210g反应制得(3vol％ZrB₂+3vol％TiB₂+3vol％Al₂O₃)铝基复合材料铸棒。

各个实施例分别为不同体积分数的原位纳米颗粒的复合材料，具体的机械性能见下表：

表1各试例提供的纳米增强复合材料挤压材的性能检测结果

试验证明，本发明的汽车防撞梁与传统采用的汽车防撞梁，具有以下突出的优点和效果：抗拉强度、屈服强度和延伸率有了大幅度提高，且其准静态压溃试验，变形量为60-85％，试样无明显裂纹。然而对比实施例2和3可以得出颗粒体积分数不宜太高，颗粒体积分数超过6vol％，由于颗粒含量太高，导致颗粒重新团聚，恶化颗粒的分布和基体组织，从而降低材料的性能。本发明制备的(2vol％ZrB₂+2vol％TiB₂+2vol％Al₂O₃)铝基复合材料具有较高的性能，可以满足汽车防撞梁材质的机械性能的要求，达到碰撞吸能的效果。

本发明提供了一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金及制备方法，并结合对制备方法工艺参数的精确控制和颗粒体积分数的选择，获得一种轻质高强韧的汽车防撞梁材料，为今后制备高性能的轻质汽车防撞梁材料提供了参考依据，具有广阔的市场前景和经济价值。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (4)

1.一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金的制备方法，其特征在于，将铝合金基体放入高纯石墨坩埚中在750-780℃熔化并保温5-10min，然后将熔体温度升至830-870℃，压入烘干处理过的用高纯铝箔包裹的反应粉体进入熔体中，同时在反应过程中第一次施加声磁耦合场，反应20-40min之后进行第一次的精炼和扒渣处理；然后放入电阻炉中将温度降至600-660℃并保温，第二次施加声磁耦合场10-20min，然后进行第二次的精炼和扒渣处理，倒入铜模中，制得复合材料铸棒，然后进行均匀化处理，将处理后的铝合金铸棒进行热挤压变形加工和后续的热处理，最后获得轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金；所述的高纯铝箔包裹的反应粉体为碳酸锆(Zr(CO₃)₂)，氟硼酸钾(KBF₄)和氟钛酸钾(K₂TiF₆)，反应生成原位纳米ZrB₂，TiB₂和Al₂O₃颗粒，其三种颗粒尺寸均为50-100纳米，其氟硼酸钾(KBF₄)，碳酸锆(Zr(CO₃)₂)和氟钛酸钾(K₂TiF₆)的重量比例10-12:3-5:5-6，反应粉体的加入量为熔体的30-50％，能够获得体积分数为1-3％的ZrB₂,1-3％TiB₂和1-3％的Al₂O₃的纳米颗粒；所述的反应过程中施加的第一次声磁耦合场，为低频磁场和高能超声场；低频磁场，频率为5-10Hz，磁力电流为50-100A；高能超声场，功率为800-1200W，频率为15-20kHz；所述的第二次施加的声磁耦合场为高频脉冲磁场和高能超声场；高频脉冲，频率为15-22Hz，磁力电流为200-250A；高能超声场，功率为1000-1500W，频率为20-25kHz。

2.如权利要求1所述的一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金的制备方法，其特征在于，所述的均匀化处理，指将铸棒升温至520-570℃保温20-24h，然后空冷至室温。

3.如权利要求1所述的一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金的制备方法，其特征在于，所述的热挤压变形加工工艺为：将均匀化之后的铸锭按所需尺寸加工成挤压用棒材，送入电阻炉加热至450-500℃保温0.5-1h，然后将挤压模具加热至400-450℃保温10-30min，以2-5mm/s的挤压速度进行热挤压。

4.如权利要求1所述的一种轻量化汽车防撞梁用原位纳米强化铝合金的制备方法，其特征在于，所述的热处理为T6热处理，固溶：温度510-540℃，保温时间2-5h；淬火采用在线水雾淬火和穿水淬火，水雾淬火后挤压材温度为350-400℃，穿水淬火后温度为15-25℃；人工时效：温度170-190℃，保温时间4-8h。

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