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

本发明专利技术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。

In-situ nano-reinforced aluminium alloy for lightweight automobile anti-collision beam and its preparation method

The invention relates to an aluminium matrix composite material, in particular to an in-situ nano-reinforced aluminium alloy for a lightweight automobile anti-collision beam and a preparation method thereof. By in-situ synthesis technology, using zirconium carbonate, potassium fluoroborate and potassium fluorotitanate mixed powders as reactants, acoustic-magnetic coupling field was applied in the reaction process, and acoustic-magnetic coupling field was applied in the solidification stage to obtain uniformly distributed nano-reinforced phase clusters and fine-grained composites. Then by optimizing hot extrusion technology and quenching technology, the defects of materials are reduced, and the dynamic recrystallization of sub-crystals in materials is promoted, fine recrystallized grains are obtained, the strength, plasticity, impact resistance and corrosion resistance of materials are improved, the impact energy absorption effect is improved to the greatest extent, and the qualified aluminum matrix composite profiles for automotive anti-collision beam are obtained.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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：Si1-1.2，Mg0.8-1，Cu0.2-0.3，Mn0.4-0.8，Cr0.03-0.05,Ti0.01-0.02，余量为Al。本专利技术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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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，使得本专利技术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，并且本专利技术制备的纳米颗粒，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专利技术的技术方案，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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶然，赵玉涛，浦俭英，怯喜周，陈刚，李其荣，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32