一種替代qt500重型客車轉向器的鋁合金材料及其砂型鑄造方法
【專利摘要】本發明公開一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比計：鎳Ni:0.1％～0.15％，錳Mn:≤2％，鎘Cd:0.05％～0.5％，銅Cu:4.2％～8.0％且Cu≥0.8Mn+4.05％；路易斯酸堿對總量1％×10?4～2.0％，余量為鋁Al。
【專利說明】
一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料及其砂型鑄造 方法
技術領域
[00011本發明涉及一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 鋁在地殼中的資源量遠遠超過鐵(鋁為8.2wt%，鐵為5. lwt% )，而全球每年鋼鐵 產銷量12億噸以上，鋁金屬產銷量只有0.55億噸，這種巨大反差充分反映了人類社會對鋁 及鋁材料的資源開發和利用水平遠遠落后于對鋼鐵材料的開發利用水平。
[0003] 球墨鑄鐵(簡稱球鐵)是鋼鐵產業中的主要基礎材料之一，被廣泛而大量地用于制 造受力復雜，強度、韌性、耐磨性等要求較高的零件，在汽車工業中，鋼鐵材料的用量占汽車 用材總量的60~70%，其中的三分之二以上又是球鐵類鐵合金。
[0004] 球鐵之所以用途廣泛，還在于它有著細分的標準牌號，每種牌號規定了較為嚴格 精確的化學成分組合、熱處理規范參數、力學性能和物理指標等，從而對應著細分應用品 類。球鐵的這種機械性能指標及其分類標準，可以作為鋁合金材料創新設計、提高性能的對 標基礎，同時可以作為"以鋁代鋼"的比較通道，即：如果鋁合金可以替代某牌號球鐵，則進 一步替代與此牌號性能接近的鋼材，就足以在產業界引領一種潮流或時尚。
[0005] 追求低碳、集約化、高效率(高效能）、靈活性和個性化，是制造業從傳統形態向高 端形態跨越的標志，以鋁代鋼、以輕強結構普遍替代鋼鐵重強結構，是實現這種跨越的主要 手段。
[0006] 從材料制備的方法審視，由于材料特征是由承載著該特征的功能性微觀物相組合 貢獻出來的，因此獲得良好的功能性物相組合，例如高強度、高熔點、高塑性、高硬度、耐腐 蝕等，是各種制備方法追求的最終結果，從而，鋁合金的化學成分設計與其制備技術存在著 緊密的內在統一性，這種統一性，簡言之，是一種原子如何結合成所需的"物相分子"的關 系，即材料的物相可以看成是一種分子結構。配方元素的混合熔煉和鑄造結晶，是熔鑄法形 成材料物相分子組合結構的主要決定性環節，在熔鑄過程中，固溶體晶粒和晶界的金屬間 化合物分子物相決定了合金的晶態組合(亞微米級顆粒:尺度10~300μπι左右），后續熱處理 或者冷作硬化則是對晶態組合框架下微細結構(微米級顆粒:尺度1~30ym左右)乃至更加 微觀的精微結構(亞納米級或次微米級質點:尺度1 〇nm~< 1 μπι)進行調整和完善，這種調整 和完善的程度和范圍，在公知技術和傳統觀念中，認為主要由合金化學成分所處的合金相 圖區域給定的物相組合決定，但是，合金相圖沒有給出其它微量元素的添加和排除產生的 影響，更不具備預測添加和排除其它微量元素對物相影響的指導性。借鑒合金溶液化學的 理論和方法改善熔體結構，比如保護膜的覆蓋，造渣劑、精煉劑或變質劑的添加，除氣除渣 凈化等，是改善合金晶態組合、微細結構乃至更加微觀的精微結構的重要技術手段，但這些 手段，由于是從制備合金的過程中摸索積累得來，因此常常被看作為"制備工藝"而不是"成 分設計"的一部分。
[0007] 在工程應用上，鋁合金固溶體晶粒的大小和狀態，以及分布在晶界的金屬間化合 物的大小形態，對合金的力學性能有著決定性的影響。粗大的平面晶、樹枝晶、柱狀晶等不 規則晶體和分布在晶界的粗大的脆硬性金屬間化合物，能夠把合金好的微細結構和精微結 構對基體的強韌性貢獻全部抵消掉，因為這些粗大晶粒遵從的成長規律是緣于鑄造型腔的 型壁生核、自外向液體內部單向延伸的生長方式，造成了合金的成分偏析、結晶粗大單向、 宏觀性能不均勻的缺陷，從而成為合金的一些常見缺陷，如針孔、氣孔、縮孔、縮松、偏析、粗 大固溶體、高硬度化合物、裂紋等的根源。目前采用的常規變質手段和細化晶粒的手段，如 添加鋁鈦硼或鋁鈦碳中間合金，最好的效果只能使平均晶粒度細化到120~150微米，而枝 晶的形態往往沒有根本的轉變，這是合金力學性能提高的一個重要瓶頸問題。因為對鋁合 金來說，獲得強度和韌性同時提高的途徑，只有晶粒的細化和圓整化;熱處理工藝的調整， 在晶態結構已經確定的狀態下，只能使強度或韌性一個方面獲得優化。因此，如何進一步細 化和圓整合金的平均晶粒度，是產業界始終追求的目標。
[0008] 在強度指標上，2XXX系變形鋁合金(硬鋁)和7XXX變形鋁合金(超硬鋁）需要經過大 型坯料的熔鑄、熱處理和復式加工環節，成本高，一般只應用于空天技術領域，基礎產業領 域難以接受，而且其耐熱性較差。鑄造鋁合金中，鋁硅系(Al-Si)成形性好但強度偏低，鋁銅 系(Al-Cu)強度可以達到很高但很不穩定且鑄造成形性很差（不能用金屬型鑄造）。總體來 說，能夠同時滿足鑄造性能好又容易進行變形加工的高溫高強鋁合金，在現有國際標準牌 號中很難實現。
[0009] 通過中國國家標準《耐熱高強韌鑄件用鋁合金錠》(GB/T 29434-2012)及其對應 的專利ZL2009103061769介紹，211Z耐熱高強韌鑄造鋁合金因具有"四高三好"特征（即高 強、高韌、高硬、耐高溫，同時鑄造性能好、加工性能好、循環性能好)而進入了鋁材料國際領 先水平。
[0010]通過對鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金最高達0.08nm的極高分辨率的球差校正掃描透 射電子顯微鏡(STEM)精微選區分析，獲得了建立在原子尺度上的各種物相結構、原子分辨 和化學元素分布。證實其中存在一系列強化相，包括眾所周知的Al-Cu二元亞穩相(GP區、 θ"、θ〇、新的盤片相和平衡相0(A12Cu);其中在基體晶粒內部，新發現一種棒叉狀(Τ+ΘΗ)組 合相，該組合相的主干部分T相是Al-Cu-Mn三元相，分子結構式Al2〇Cu2Mn3，分子物相特征是 直徑約100nm、長度約600~lOOOnm呈棒軸狀且其(010)面與鋁合金基體的{010}面共格;而T 相周圍附著生長了尺寸較大(厚度約20nm、長約50nm)的Al-Cu二元次生相，由于該次生相與 基體中其它Al-Cu亞穩相(GP區、θ"、θ'或者其它盤片相）比較，在結構上有很大差別，特別是 厚度比其它Al-Cu亞穩相厚得多，因此本發明稱之為ΘΗ相，其分子結構式AlxCu(x可能小于 2)，是一種富Cu分子。
[0011] 根據合金強化理論，合金的強度是材料中界面或位錯滑移受到質點的阻礙而產生 的，阻礙越強，材料的強度也越大。而質點阻礙行為與材料中界面或位錯滑移相互作用的結 果，有兩種:一種是當質點本身強硬度不夠高時，位錯將切過質點繼續滑移，另一種是質點 強度很高，位錯無法切過，則只能繞過質點而繼續滑移，而在質點周圍留下一圈位錯環。
[0012] 兩種結果對材料強度貢獻的大小是顯而易見的:繞過質點比切過質點對材料強度 的貢獻大;切過質點能夠提供材料較好的延伸率，而繞過質點由于位錯環的增強作用，將提 供材料更高的屈服強度和抗拉強度。
[0013] 在關于鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金的傳統觀念中，由于從來都認為Al-Cu二元相是 合金強化的主要因素，因此，材料研究和設計關注的重點，就是使Al-Cu二元相各亞穩態實 現在合金中的最佳組合。雖然也發現有T三元相，但都不認為T相對合金強度的貢獻能夠與 Al-Cu二元各亞穩相的組合相比，而且認為T相容易在晶界聚集形成粗大脆性相，因此要嚴 格控制其數量。
[0014] GP區、θ"、θ'或者其它盤片狀的二元A1-CU亞穩相對合金強度的貢獻特點屬于位錯 切過質點方式，其特點是盤片長得越大，切過越困難，因此對強度的貢獻也越大，但是，當盤 片大到一定程度(直徑超過150nm而厚度只有1~3nm)，其晶格點陣與基體晶格點陣的失配 度過高，就不再能與基體保持完全共格，而逐漸顯出脆性相的特征。因此，既要保持共格又 有最大的失配應力場以發揮最大阻礙位錯滑移能力，二元Al-Cu各亞穩相質點有一個最佳 組合的問題，同時也需要它對基體的延伸率保持較大的貢獻，這是以前乃至今后材料設計 始終要考慮的主要問題之一。
[0015] 目前重型客車轉向器基本上都是選用球墨鑄鐵，原因在于現有鋁合金材料的力學 性能無法達到重型客車轉向的性能要求，與球鐵相比差距較大，但球鐵材料的轉向器在存 在重量重、抗腐蝕性差、低溫環境容易出現裂紋等問題，影響汽車的安全性。

【發明內容】

[0016] 本發明要解決的技術問題是:提供一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料 及其制備方法，其中添加路易斯酸堿對，以有效催生臨界晶核(得到等軸晶），使合金在凝固 之前獲得最佳的分子物相組合結構（（Τ+ΘΗ)組合相），促使合金晶態優化，使鋁合金基材實 現500MPa及更高的強度等級，從而達到生產替代QT500重型客車轉向器的鋁合金制品。 [0017]本發明的技術方案是：
[0018] 一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，主成分含量按重量百分比計：鎳 Ni:0.1%~0.15%，錳Μη:彡2%，鎘Cd:0.05%~0.5%，銅Cu:4.2%~8.0%且Cu彡0·8Μη+ 4.05% ;路易斯酸堿對總量1% Χ10_4~2.0%，余量為鋁Α1。
[0019] 所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于:合金晶粒為等 軸晶。
[0020] 所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于:合金平均晶粒 度<120微米，合金晶粒內亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數量達到多1個/平方微米。
[0021] 所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于:所述路易斯酸 堿對為金屬與配體結合而成的正負離子體、金屬羰基配合物、氫合物、金屬的碳化物、內過 渡類元素中的一種，或者一種以上混合。
[0022]所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于:所述的金屬與 配體結合而成的正負離子體:包括六氯合鉻負離子體[CrCl6]3'
[0023]所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于:所述的金屬羰 基配合物，包括十二羰合三釕Ru3 (C0) 12。
[0024]所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于:所述路易斯酸 堿對，按元素添加量占 A1基體重量百分比，范圍為:Pr<0.1 %，Yb<0.1 %，ΚΗ<0.08%，PH3 <0.03%,ZrC<0.06% ,[CrCl6]3_<0.03% ,B<0.001 % ,Ce<0.1 % , Sc<0.08% ,VC< 0.03% ,Ru3(C0)i2<0.06% .
[0025] 一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料的制備方法，其特征在于:包含以下 步驟：
[0026] (1)在前述路易斯酸堿對、元素比例范圍內，選定一組物質組合，確定重量比，根據 需要配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量；
[0027] (2)往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫；
[0028] (3)加入猛Μη、鎘Cd、銅Cu，鎳Ni攪拌，加入選定的路易斯酸堿對組合，攪拌均勻；
[0029] (4)然后對上述合金熔體進行爐內精煉；
[0030] (5)精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學成分，根據分析結果調整化學成分至規 定的偏差范圍內；調溫至650 °C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣；
[0031] (6)鑄造:采用砂型鑄造。
[0032] 所述的砂型鑄造，步驟如下：
[0033]①過濾后可澆注鑄造；
[0034] ②鑄造前應將砂模預熱，安裝上砂芯，用壓縮空氣將型腔吹干凈；
[0035] ③采取人工澆注，用澆包從爐內g取合金液倒入砂型模具澆口通過內澆道充滿型 腔；自然冷卻及部分位置強冷；
[0036] ④敲碎砂模取出產品，自然冷卻，清理、鋸切冒口、打磨飛邊；
[0037]⑤外觀質量檢測：毛坯鑄件在進行外觀質量檢驗之前，應清理干凈平整，非加工面 的澆冒口應清理到鑄件表面齊平；
[0038]⑥內部質量檢測；
[0039]⑦固溶處理:將鑄件完成粗加工和內外質量檢測的毛坯送入固溶爐，進行560°C以 下固溶處理，保溫完成后立刻淬火，使用水冷；
[0040] ⑧時效強化:將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進行時效強化處理，在230°C以下 時效強化，保溫后，出爐自然冷卻；
[0041] ⑨取樣分析測試驗證；
[0042] ⑩實用性能驗證。
[0043]本發明的有益效果:把路易斯酸堿理論所指向的、能在鋁合金熔體中發生分子解 體或有助于次納米區域內（即小于1納米的范圍）物相分子結構優化的"酸堿對"物質，應用 于熔體納米尺度范圍的精細結構調整，是本發明的最主要的創造性技術手段。
[0044] 通過運用路易斯酸堿理論，使有關路易斯酸堿對承載的微量元素的添加和排除， 在鋁合金熔體環境發生分子解體和轉化，以提供熔體超精細微區內（〇 . lnm~10nm尺度范 圍）的充分擾動和激活效應，達到催生臨界晶核大量形成，使合金晶粒度得到進一步細化， 形態更加圓整；同時優化微細區域(微米級：尺度1~30μπι左右）和精微區域(亞納米級或次 微米級質點：尺度l〇nm~<1μπι)的物相分子組合結構，增加(Τ+ΘΗ)組合相在合金基體中的 含量，是本發明解決的合金強化的機理問題。
[0045] 由于(Τ+ΘΗ)組合相的發現，在鋁合金強化設計時，就可以通過增加(Τ+ΘΗ)組合相， 使鋁合金材料的基體強度獲得大的提升，在屈服強度在400~600MPa之間得到良好控制，這 是本發明要解決的工程應用問題，即替代系列球鐵材料和制品。
[0046] 按照路易斯酸堿理論，酸是任意可以接受電子的分子或離子，堿是可以給出電子 的分子或離子，酸堿之間的化合以共價鍵相結合，并不發生電子轉移。
[0047] 復雜配體化合物、超大雜多化合物作為路易斯酸堿對，對合金晶粒細化也具有普 通物質無法實現的良好效果，因為它們的分子結構與正、負離子體的結構類似，都能在鋁合 金熔體這樣的環境中發生分子的解體、酸堿轉化和超精微區內原子重構，也能在分子解體 時釋放出氣態或液態的配體，經過一系列反應后隨從凈化氣體排出熔體或進入熔渣，其中 釋放的金屬原子或離子，非金屬原子或離子，都是次納米級的超細小質點，有著最大的比表 面積，能提供熔體超精微區內的充分擾動和激活效應，達到催生臨界晶核大量生成和抑制 晶粒長大作用的機理。通過這種機理，使基體結晶狀態普遍成為等軸晶，晶粒度平均小于 120μπι，進一步的優化效果可達到晶粒度平均在50~100μπι。這種效果，是單純使用鋁鈦硼和 鋁鈦碳等常規晶粒細化劑以及常規的氣體凈化技術所無法實現的。
[0048] 在合金熔體中，不同金屬原子或離子的接近，它們之間也會產生能級分裂發生熱 化學反應(不發生電子轉移)而形成金屬間化合物的模式，由于形成了不同于基體晶態的分 子結構，具有較好的熱穩定性，故而也適用路易斯酸堿理論。比如在金屬間化合物分子 AlxCu和Al2QCu2Mn3中，根據電負性大小，可知Α1比Cu、Mn更容易失去電子，因此，Α1是路易斯 堿，Cu、Mn是路易斯酸，AlxCu和Al 2QCu2Mn3都可以看成路易斯"酸堿對"。當加入熔體中的外來 路易斯酸堿對分解時，與基體存在界面能差的金屬間化合物前驅體顯然也受到擾動和激活 而發生結構起伏，產生更多的臨界晶核，使(Τ+ΘΗ)組合相在合金中的濃度和平均分布密度， 使之達到1個/[μπι] 2以上，這就是路易斯酸堿對在納米尺度的擾動和激活效應能夠增加亞 納米級質點(Τ+ΘΗ)組合相和納米級質點GP區、θ"、θ'系列強化相的機理。
[0049] 鋁合金熔體整體作為一個高溫富電子體系，對于電負性高于它的金屬元素，是給 電子體，而對于電負性低于它的活潑金屬元素，又是電子受體，可見鋁合金熔體也具有路易 斯酸堿的一般共性，它本身與添加到它之中的元素，也會形成廣義的"路易斯酸堿對"，因 此，可以把調整熔體化學活性的各種元素，統一視為鋁合金的"路易斯酸"或"路易斯堿"，當 使用本發明給出的主族類元素如硅Si、過渡族類元素如Fe、內過渡類元素如Ce時，為了簡化 描述，同時也為了突出對鋁合金熔體的優化作用，把單個元素也簡稱為"路易斯酸堿對"。
[0050] 另外，由于路易斯酸堿對能夠提供給合金熔體更大的異類物質濃度，因此增大了 熔體結晶過程的成分過冷度，導致晶核在更強結晶動力下快速越過臨界尺寸，而在過冷的 液體中自由成核和生長，形成具有各向同性和形狀更接近于球形的等軸晶粒；由于等軸晶 的這種緣于液體內部自由生長的內生機制，改變了平面晶、樹枝晶、柱狀晶等不規則晶體緣 于鑄造型腔的型壁生核、自外向液體內部單向延伸的生長方式，因此避免或減輕了合金的 成分偏析、結晶粗大單向、宏觀性能不均勻的缺陷，從而有效避免或減輕了合金的一些常見 缺陷，如針孔、氣孔、縮孔、縮松、偏析、粗大固溶體、高硬度化合物、裂紋等。
[0051 ] (Τ+ΘΗ)組合相中的ΘΗ卻以不同位向和大得多的厚度(約20nm)，對合金基體產生了 優于以游離態存在的GP區、θ"、θ'或者其它盤片狀的二元Al-Cu亞穩相的強化貢獻：ΘΗ除了 把主干T相的收緊作用向周圍的基體空間傳遞和擴散外，由于抗基體滑移面更大，故對基體 增強作用更大；由于方向更多，故對基體的強化作用顯出各向同性的均勻性；由于不屬于高 硬性質點，所以仍可以位錯切過方式提供給基體較好的塑韌性;總之，（Τ+ΘΗ)組合相優化了 鋁銅錳系(Al-Cu-Mn)合金的物相分子組合結構，為基體提供了高硬質點T相的繞過強化效 應和高于游離態Al-Cu亞穩相組合的切過強化效應兩種作用;所以，研究發揮這種優異的綜 合效應，必須把材料設計關注的重點從傳統單純對Al-Cu亞穩相組合轉移出來，而集中在對 (Τ+ΘΗ)組合相的催生效果上。
[0052]本發明路易斯酸堿對中的碳化鋯ZrC，C與Α1反應生成的A14C3是一種復雜結構的離 子晶體，熔點達2100°C;結構中有單個碳原子以離散的碳負離子C4-形式存在;碳化鋁顆粒能 降低材料蠕變的趨勢，提高基體材料硬度;具有強烈吸Η作用，可以有效除去熔體中的存在 的原子Η，反應如下：
[0053] A14C3+12[H]^4A1+3CH4
[0054] 由反應可見，一個碳化鋁分子可以除掉12個Η原子，是一種高效的除氣作用。
[0055] 因此，主成分設計為按重量百分比：鎳Ni : 0 · 1~0 · 15%，錳Μη: <2%，鎘Cd: 0 · 05% ~0.5%，銅Cu:4.2%~8.0%且Cu彡0.8Mn+4.05% ;路易斯酸堿對總量1% X10-4~2.0%， 余量為鋁A1。鎳(Ni)作為復雜合金化的微量添加元素，在合金中形成AlNi3、A13Ni等5種彌 散性高溫強化相，提高合金的高溫強度和體積、尺寸穩定性，并有使Fe的化合物變成塊狀的 傾向，即降低雜質Fe的有害作用；
[0056] 由于(Τ+ΘΗ)組合相與各級Al-Cu二元彌散相Θ'、Θ〃、6ΡΙ區依次分別具有次微米級、 亞納米級和納米級的晶格畸變作用，只要如本發明技術方案把基體中（Τ+ΘΗ)組合相的數量 和分布密度提高，就能實現與Al-Cu二元彌散相在大小、數量和分布狀態方面搭配相對均 勻、結構緊湊，則其相互之間就會產生最強晶格畸變應力場(最大點陣失配度），同時又與基 體整體完全共格或半共格，因此在整個晶粒三維空間中形成了一個立體彈塑性網陣，在整 個晶粒內部產生了類似"鋼筋混凝土"對建筑物結構增強作用的層級式強化結構（以下簡稱 "類砼強化結構"），大大改善了合金的力學性能;這種在晶粒尺度范圍內均勻分布的超彈塑 性張力結構具有能夠有效調動盡可能多的質點共同參與抵抗、分攤和吸收外部沖擊動量 (動靜載荷)的能力，從而微觀上具有強大的抗疲勞特性，在宏觀上具有高強、高韌、高硬"三 高統一"的特征，這種"類砼強化結構"與鋼鐵材料類的球墨鑄鐵中只有球狀石墨與鐵基體 兩種平行結構、且晶粒度須從15~500μπι之間變化以獲得強硬度與韌性不可共同提高(一方 的提高以降低另一方為前提)的基體特性相比較，顯然具有更高的工程應用價值。
[0057]所以，（Τ+ΘΗ)組合相的主干Τ相大大提高了合金的耐熱性和熱強度;而(Τ+ΘΗ)組合 相數量和分布密度的提高，則同時提升了合金的強度、硬度和延伸率。
[0058]根據路易斯酸堿理論，鋁熔體是一個富電子高溫體系，即屬于強的路易斯堿，當過 量的銅錳加入以后，由于銅錳的電負性較強，吸聚了較多的電子云，使形成的合金熔體的堿 性降低，表面張力增加，不利于臨界晶核的產生;加入富電子物質后，平衡了銅錳的酸性效 應，原始晶核面臨的界面張力降低，因而促進了（Τ+ΘΗ)組合相的主干Τ相的原始晶核成長為 臨界晶核，從而決定了（Τ+ΘΗ)組合相在合金中數量和分布密度顯著提高。
[0059] 從自然特性和經驗積累的角度來看，鋁及鋁合金較球鐵和鋼材具有多種優點：
[0060] ①鋁材料具有極好的低溫性能，其力學性能隨溫度降低而提高，在寒冷季節和低 溫環境作為結構材料具有獨特優勢，而球鐵和普通鋼材則隨溫度降低逐漸發生由韌性向脆 性的轉變，尤其在脆性轉變溫度以下，其沖擊值急劇下降，甚至發生"低溫脆斷"。
[0061] ②鋁材料轉向器比強度高，具有良好的斷裂韌性，球鐵材料轉向器隨屈服強度提 高而延伸率下降，對應力集中的敏感性明顯增加，表現為屈服以后變形量較小即斷裂，這種 "疲勞脆斷"本性往往是在汽車在極限轉向時無征兆突然整體崩潰式的潛在硬傷。
[0062] ③由于鋁及鋁合金是非磁性材料故抗電磁干擾性能好，而球鐵和鋼材在生物生存 的溫度范圍內都是良好的磁性材料，容易受電磁干擾。
[0063] ④由于鋁及鋁合金較球鐵和鋼材的熱容大和導熱性好，故其防火、防爆、預警性更 好。
[0064] ⑤鋁材料回收利用價值高且再生性好(工業廢鋁回收再加工利用的成本只有電解 鋁的5%)，優于球鐵和鋼材。
[0065] ⑥鋁及鋁合金本身的抗氧化腐蝕性遠遠高于鋼鐵且更適宜于進行高技術表面防 腐和裝飾一體化處理。
[0066] ⑥鋁及鋁合金對水的潤濕性遠遠低于鋼鐵因而低溫雨雪天氣鋁表面不會象鋼鐵 表面那樣容易發生凍雨冰附增重現象。
[0067]⑦鋁材料合金化和熱處理工藝較球鐵和鋼材簡單，鋁的合金化溫度一般低于750 °C，熱處理溫度在150~600 °C之間，按作用劃分也只有固溶、時效、均勻化退火幾種簡單工 藝，而球鐵和鋼的合金化溫度超過1400 °C，熱處理溫度則在500~1000 °C，按作用劃分為消 應力退火、高溫石墨化退火、正火、淬火及回火、多溫淬火、表面淬火、化學熱處理等一系列 復雜工藝，不但過程復雜、裝備技術要求高，而且消耗和排放也是鋁材料幾倍乃至十多倍。
[0068] ⑧從機械(壓力)加工工藝和裝備來比較，鋁材料可以很容易地采用鑄、乳、擠、鍛、 鋸、銑、焊、沖壓等工藝，而球鐵和鋼材不能擠壓加工，其它的加工方法也需要采用比鋁材料 的規格和功率大得多的加工設備和工裝，到成品件的制作過程，幾乎每一道工序環節球鐵 和鋼材都要消耗比鋁材料更高的功率。
[0069] ⑨沿著零部件應用的整個壽命周期，球鐵和鋼鐵因其慣性大、笨重、易腐蝕、易脆 斷等缺陷，其物耗、能耗和維護成本遠遠高于鋁材料，其循環利用的價值也遠低于鋁材料。
【具體實施方式】
[0070] 本發明【具體實施方式】包括2個部分，第一部分為提示和說明，第二部分為具體實施 例。
[0071] 第一部分:提示和說明
[0072] 一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料的制備方法，包含以下步驟：
[0073] (1)在前述路易斯酸堿對、元素比例范圍內，選定一組物質組合，確定重量比，根據 需要配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量；
[0074] (2)往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫；
[0075] (3)加入猛Μη、鎘Cd、銅Cu，鎳Ni攪拌，加入選定的路易斯酸堿對組合，攪拌均勻；
[0076] (4)然后對上述合金熔體進行爐內精煉；
[0077] (5)精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學成分，根據分析結果調整化學成分至規 定的偏差范圍內；調溫至650 °C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣；
[0078] (6)鑄造:采用砂型鑄造。
[0079] 所述砂型鑄造，步驟如下：
[0080] ①熔體過濾后可澆注鑄造，鑄造溫度控制可在690~710°C ;
[0081] ②鑄造前應將砂模預熱到300°C左右，安裝上型芯合模，用壓縮空氣將模具型腔吹 干凈，防止夾雜物進入合金造成廢品；
[0082] ③采取人工澆注，用澆包從爐內g取適量合金液從澆口處緩慢倒入，合金液經過 澆道直至充滿型腔；自然冷卻；
[0083]④開模取出產品，自然冷卻，清理砂芯、鋸切冒口、打磨飛邊；
[0084]⑤外觀質量檢測。毛坯鑄件在進行外觀質量檢驗之前，應清理干凈平整，非加工面 的澆冒口應清理到鑄件表面齊平；
[0085]⑥內部質量檢測。剖面著色探傷檢測或者整體熒光或X光檢測；
[0086]⑦固溶處理。將鑄件完成粗加工和內外質量檢測的毛坯送入固溶爐，進行560Γ以 下的固溶處理，保溫后立刻淬火，水冷；
[0087]⑧時效強化。將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進行時效強化處理，時效強化工 藝150~240°C，保溫后，出爐自然冷卻;鑄件表面可進行拋丸清理。
[0088]⑨取樣分析測試驗證。從經過熱處理以后的鑄件上切取試棒，取樣部位選在毛坯 本體有加工余量的適當位置、鑄件本體受載荷均勻或集中的部位，每個取樣部位應切取三 根試棒；
[0089] 所述力學性能分析包括抗拉強度、屈服強度、延伸率、硬度，數值指標為:抗拉強度 530 ± 30Mpa、屈服強度450 ± 30Mpa、延伸率5 ± 2 %、硬度 160 ± 10HBS;
[0090] ⑩實用性能驗證。通過機械加工、表面處理和裝配后，進行模擬使用工況的實用性 能檢測試驗，包括選擇疲勞試驗、磨損試驗、逆向超載試驗或超壓試驗。
[0091] 第二部分:具體實施例 [0092] 實施例1
[0093] -種汽車B系鋁合金轉向器及其砂型鑄造的方法
[0094] 1、轉向器參數：
[0096] 2、生產流程：制作型砂-烘干-合箱-熔煉-澆注-冷卻-開箱取件-清理、鋸 切-固溶-時效；
[0097] 3、合金配方重量百分比（％ )
[0099] 4、制型：加工余量0.5~3mm，起模斜度:2~4°，鑄造圓角R2~R12;
[0100] 5、砂型預熱溫度220~300°C (保溫2~3小時），空冷降至室溫后進行澆注；
[0101] 6、澆注溫度:680~720°C，充型時間：15~20s;
[0102] 7、冷卻時間：10~18min;
[0103] 8、固溶溫度540~550°C，保溫10小時，快速入水冷卻< 10s，水溫50~60°C ;
[0104] 9、人工時效溫度120-130°C，保溫8小時，空冷；
[0105] 10、鑄件微觀結構指標:金相組織為等軸晶，平均晶粒度45~55μπι，晶粒內（Τ+ΘΗ) 組合相數量1~2個/[μπι]2;
[0106] 11、鑄件機械性能
[0108] 。
[0109] 實施例2
[0110] -種汽車A系鋁合金轉向器及其砂型鑄造方法
[0111] 1、轉向器參數：
[0112]
[0113] 2、生產流程：制作型砂-烘干-合箱-熔煉-澆注-冷卻-開箱取件-清理、鋸 切-固溶-時效
[0114] 3、合金配方重量百分比（％ )
[0115]
[0116] 4、制型：加工余量0.5~3mm，起模斜度:2~4°，鑄造圓角R2~R12;
[0117] 5、砂型預熱溫度220~300°C (保溫2~3小時），空冷降至室溫后進行澆注；
[0118] 6、澆注溫度:680~720°C，充型時間：15~20s;
[0119] 7、冷卻時間：10~18min;
[0120] 8、固溶溫度540~550°C，保溫10小時，快速入水冷卻< 10s，水溫50~60°C ;
[0121] 9、人工時效溫度120-130°C，保溫8小時，空冷；
[0122] 10、鑄件微觀結構指標:金相組織為等軸晶，平均晶粒度50~60μπι，晶粒內（Τ+ΘΗ) 組合相數量1~2個/[μπι] 2;
[0123] 11、鑄件機械性能
[0125] 。
[0126] 實施例3
[0127] -種汽車Β系鋁合金轉向器及其砂型鑄造的方法
[0128] 1、轉向器參數：
[0129]
[0130] 2、生產流程：制作型砂-烘干-合箱-熔煉-澆注-冷卻-開箱取件-清理、鋸 切-固溶-時效；
[0131] 3、合金配方重量百分比（％ )
[0133] 4、制型:加工余量0.5~3mm，起模斜度:2~4°，鑄造圓角R2~R12;
[0134] 5、砂型預熱溫度220~300°C (保溫2~3小時），空冷降至室溫后進行澆注；
[0135] 6、澆注溫度:680~720°C，充型時間：15~20s;
[0136] 7、冷卻時間：10~18min;
[0137] 8、固溶溫度540~550°C，保溫10小時，快速入水冷卻< 10s，水溫50~60°C ;
[0138] 9、人工時效溫度120-130°C，保溫8小時，空冷；
[0139] 10、鑄件微觀結構指標:金相組織為等軸晶，平均晶粒度45~55μπι，晶粒內（Τ+ΘΗ) 組合相數量1~2個/[μπι] 2;
[0140] 11、鑄件機械性能
【主權項】
1. 一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于:主成分含量按重量百分 比計:鎳Ni:0.1%~0.15%，錳Μη:彡2%，鎘Cd:0.05%~0.5%，銅Cu:4.2%~8.0%且Cu彡 0 · 8Mn+4· 05% ;路易斯酸堿對總量1 % X 10-4~2 · 0%，余量為鋁A1。2. 根據權利要求1所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于： 合金晶粒為等軸晶。3. 根據權利要求1所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于： 合金平均晶粒度<120微米，合金晶粒內亞納米(Τ+ΘΗ)組合相數量達到多1個/平方微米。4. 根據權利要求1所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于： 所述路易斯酸堿對為金屬與配體結合而成的正負離子體、金屬羰基配合物、氫合物、金屬的 碳化物、內過渡類元素中的一種，或者一種以上混合。5. 根據權利要求4所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于： 所述的金屬與配體結合而成的正負離子體:包括六氯合鉻負離子體[CrCl 6]3'6. 根據權利要求4所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征在于： 所述的金屬羰基配合物，包括十二羰合三釕Rm (CO) 12。7. 根據權利要求1-6之一所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料，其特征 在于：所述路易斯酸堿對，按元素添加量占 A1基體重量百分比，范圍為：Pr<0.1%，Yb< 0.1% ,KH<0.08% ,PH3<0.03% ,ZrC<0.06% , [CrCl6]3_<0.03 % ,B<0.001 % ,Ce< 0.1%，Sc<0.08%，VC<0.03%，Ru3(C0)i2<0.06%。8. 如權利要求7所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料的制備方法，其特 征在于:包含以下步驟： (1) 在前述路易斯酸堿對、元素比例范圍內，選定一組物質組合，確定重量比，根據需要 配制的合金總量，推算出所需的每種物料的重量； (2) 往熔煉爐中加入鋁錠或熔融鋁液，加熱并在700 °C以上保溫； (3) 加入猛Mn、鎘Cd、銅Cu，鎳Ni攪拌，加入選定的路易斯酸堿對組合，攪拌均勻； (4) 然后對上述合金熔體進行爐內精煉； (5) 精煉后除渣、靜置、取樣分析合金化學成分，根據分析結果調整化學成分至規定的 偏差范圍內；調溫至650 °C以上，合金液出爐，在線除氣、除渣； (6) 鑄造:采用砂型鑄造。9. 根據權利要求8所述的一種替代QT500重型客車轉向器的鋁合金材料的制備方法，其 特征在于:所述砂型鑄造，步驟如下： ① 過濾后可澆注鑄造； ② 鑄造前應將砂模預熱，安裝上砂芯，用壓縮空氣將型腔吹干凈； ③ 采取人工澆注，用澆包從爐內g取合金液倒入砂型模具澆口通過內澆道充滿型腔； 自然冷卻及部分位置強冷； ④ 敲碎砂模取出產品，自然冷卻，清理、鋸切冒口、打磨飛邊； ⑤ 外觀質量檢測：毛坯鑄件在進行外觀質量檢驗之前，應清理干凈平整，非加工面的澆 冒口應清理到鑄件表面齊平； ⑥ 內部質量檢測； ⑦ 固溶處理:將鑄件完成粗加工和內外質量檢測的毛坯送入固溶爐，進行560°C以下固 溶處理，保溫完成后立刻淬火，使用水冷； ⑧ 時效強化:將完成固溶處理的鑄件送入時效爐進行時效強化處理，在230Γ以下時效 強化，保溫后，出爐自然冷卻； ⑨ 取樣分析測試驗證； ⑩ 實用性能驗證。
【文檔編號】C22F1/057GK105970052SQ201610495272
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】門三泉, 張中可, 車云
【申請人】貴州華科鋁材料工程技術研究有限公司