一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料及其重力铸造方法技术

本发明专利技术公开一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比计：钛Ti:0.08～0.25％，锰Mn:≤2％，镉Cd:0.05％～0.5％，铜Cu:4.2％～8.0％且Cu≥0.8Mn+4.05％；路易斯酸碱对总量1％×10‑4～2.0％，合金平均晶粒度＜120微米，余量为铝Al。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料及其重力铸造方法。
技术介绍
球墨铸铁(简称球铁)是汽车转向器产业中的主要运用的材料之一，究其原因就在于球铁的低廉价格、稳定的力学性能及物理指标。球铁400的牌号规定了较为严格精确的化学成分组合、热处理规范参数、力学性能和物理指标等。见表1。表1 GB/T 1348确定的球墨铸铁牌号对应的力学性能及组织球铁的这种机械性能指标及其分类标准，可以作为铝合金材料创新设计、提高性能的对标基础；目前的汽车市场追求低碳、集约化、高效率(高效能)、灵活性，是汽车制造业从传统形态向高端形态跨越的标志。在“以铝代钢”的技术升级中，为了充分发挥铝合金以“轻”为代表的系列优越特性，必须先使其在“强”的方面有长足发展，同时不能有不可接受的制造成本增量，才能大大拓展其使用领域。这就要求必须在铝合金新材料设计上首先取得突破。从材料制备的方法审视，由于材料特征是由承载着该特征的功能性微观物相组合贡献出来的，因此获得良好的功能性物相组合，例如高强度、高熔点、高塑性、高硬度、耐腐蚀等，是各种制备方法追求的最终结果，从而，铝合金的化学成分设计与其制备技术存在着紧密的内在统一性，这种统一性，简言之，是一种原子如何结合成所需的“物相分子”的关系，即材料的物相可以看成是一种分子结构。配方元素的混合熔炼和铸造结晶，是熔铸法形成材料物相分子组合结构的主要决定性环节，在熔铸过程中，固溶体晶粒和晶界的金属间化合物分子物相决定了合金的晶态组合(亚微米级颗粒:尺度10～300μm左右)，后续热处理或者冷作硬化则是对晶态组合框架下微细结构(微米级颗粒:尺度1～30μm左右)乃至更加微观的精微结构(亚纳米级或次微米级质点:尺度10nm～＜1μm)进行调整和完善，这种调整和完善的程度和范围，在公知技术和传统观念中，认为主要由合金化学成分所处的合金相图区域给定的物相组合决定，但是，合金相图没有给出其它微量元素的添加和排除产生的影响，更不具备预测添加和排除其它微量元素对物相影响的指导性。借鉴合金溶液化学的理论和方法改善熔体结构，比如保护膜的覆盖，造渣剂、精炼剂或变质剂的添加，除气除渣净化等，是改善合金晶态组合、微细结构乃至更加微观的精微结构的重要技术手段，但这些手段，由于是从制备合金的过程中摸索积累得来，因此常常被看作为“制备工艺”而不是“成分设计”的一部分。在工程应用上，铝合金固溶体晶粒的大小和状态，以及分布在晶界的金属间化合物的大小形态，对合金的力学性能有着决定性的影响。粗大的平面晶、树枝晶、柱状晶等不规则晶体和分布在晶界的粗大的脆硬性金属间化合物，能够把合金好的微细结构和精微结构对基体的强韧性贡献全部抵消掉，因为这些粗大晶粒遵从的成长规律是缘于铸造型腔的型壁生核、自外向液体内部单向延伸的生长方式，造成了合金的成分偏析、结晶粗大单向、宏观性能不均匀的缺陷，从而成为合金的一些常见缺陷，如针孔、气孔、缩孔、缩松、偏析、粗大固溶体、高硬度化合物、裂纹等的根源。目前采用的常规变质手段和细化晶粒的手段，如添加铝钛硼或铝钛碳中间合金，最好的效果只能使平均晶粒度细化到120～150微米，而枝晶的形态往往没有根本的转变，这是合金力学性能提高的一个重要瓶颈问题。因为对铝合金来说，获得强度和韧性同时提高的途径，只有晶粒的细化和圆整化；热处理工艺的调整，在晶态结构已经确定的状态下，只能使强度或韧性一个方面获得优化。因此，如何进一步细化和圆整合金的平均晶粒度，是产业界始终追求的目标。从材料设计角度看，211Z材料也存在一些难以克服的问题。微观分析发现，有一些大颗粒有很高的钛Ti和稀土浓度，作为用来促使晶粒细化的物质，这种现象表明Ti和稀土走向了需要解决问题的对立面；而在211Z合金铸件的生产过程中，也发生着与普通铝合金一样常见的缺陷，包括针孔、气孔、缩孔、缩松、偏析、粗大固溶体、高硬度化合物、夹杂(渣)、冷隔、冷豆、裂纹、变质缺陷、固溶不足和过烧等。这些缺陷，主要原因仍然要从合金本身的化学成分及其形成的微观物相结构入手来研究，尤其是对物相分子组合结构的形成机理进行深入研究，才能认清本质，进而找到解决问题、消除缺陷的有效途径。通过对铝铜锰系(Al-Cu-Mn)合金最高达0.08nm的极高分辨率的球差校正扫描透射电子显微镜(STEM)精微选区分析，获得了建立在原子尺度上的各种物相结构、原子分辨和化学元素分布。证实其中存在一系列强化相，包括众所周知的Al-Cu二元亚稳相(GP区、θ＂、θ＇)、新的盘片相和平衡相θ(Al2Cu)；其中在基体晶粒内部，新发现一种棒叉状(T+θH)组合相，该组合相的主干部分T相是Al-Cu-Mn三元相，分子结构式Al20Cu2Mn3，分子物相特征是直径约100nm、长度约600～1000nm呈棒轴状且其(010)面与铝合金基体的{010本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比计：钛Ti:0.08～0.25％，锰Mn:≤2％，镉Cd:0.05％～0.5％，铜Cu:4.2％～8.0％且Cu≥0.8Mn+4.05％；路易斯酸碱对总量1％×10‑4～2.0％，合金平均晶粒度＜120微米，余量为铝Al。

【技术特征摘要】
1.一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料，其特征在于：主成分含量按重量百分比计：钛Ti:0.08～0.25％，锰Mn:≤2％，镉Cd:0.05％～0.5％，铜Cu:4.2％～8.0％且Cu≥0.8Mn+4.05％；路易斯酸碱对总量1％×10-4～2.0％，合金平均晶粒度＜120微米，余量为铝Al。2.根据权利要求1所述的一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料，其特征在于：合金晶粒为等轴晶。3.根据权利要求1所述的一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料，其特征在于：合金晶粒内亚纳米(T+θH)组合相数量达到≥1个/平方微米。4.根据权利要求1所述的一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料，其特征在于：所述路易斯酸碱对为金属与配体结合而成的正、负离子体、复杂配体化合物、氢合物、金属的碳化物、主族类元素、内过渡类元素中的一种，或者一种以上混合。5.根据权利要求4所述的一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料，其特征在于：所述的金属与配体结合而成的正离子体、负离子体：包括三乙二胺合镍正离子体[Ni(en)3]2+，四羰合钴负离子体Co(CO)4－。6.根据权利要求4所述的一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料，其特征在于：所述的复杂配体化合物，包括二氯氧钛TiOCl2，钛酸钠Na2TiO3，氢化铍BeH2。7.根据权利要求1-6之一所述的一种替代QT400轻型汽车转向器的铝合金材料，其特征在于：所述路易斯酸碱对，按元素添加量占Al基体重量百分比，范围为：B＜0.1％，C＜0.1％，Be＜0.03％，Li＜0.5％，0.4％＜Si＜2％...

【专利技术属性】
技术研发人员：车云，张中可，门三泉，
申请(专利权)人：贵州华科铝材料工程技术研究有限公司，
类型：发明
国别省市：贵州;52