一种石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金及其在汽车轮毂方面的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金及其在汽车轮毂方面的应用，所述铝合金按质量百分比计的原料组分为：Si 6.0～8.0％，Mg 0.20～0.45％，Sc 0.50～0.60％，石墨烯0.003～0.007％，Li≤0.05％，Be≤0.05％，B≤0.05％，Na≤0.05％，P≤0.05％，Ti≤0.10％，V≤0.10％，Cr≤0.05％，Mn≤0.10％，Fe≤0.10％，Ni≤0.05％，Cu≤0.10％，Zn≤0.10％，Zr≤0.05％，Sn≤0.05％，Pb≤0.10％，余量为Al。该铝合金综合力学性能和导电性能优良，尤其适用于汽车轮毂方面。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金及其在汽车轮毂方面的应用
本专利技术属于铸造铝合金
，特别是涉及一种石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金及其在汽车轮毂方面的应用。
技术介绍
当前，随着世界各国对能源耗损问题的普遍关注，汽车轮毂除了要满足正常使用外，还要考虑如何减轻质量，延长车轮寿命，这些都已成为当前急需解决的汽车发展问题，铝合金汽车轮毂密度小，质量轻，铸造流动性好，散热快，减震性能好、抗腐蚀性能好，使用寿命长，且外观美丽，具有明显的节能减排效果，对汽车提速也有非常显著的作用，是实现汽车轻量化最有效的材料之一。汽车轮毂用铝合金中，元素Si是汽车轮毂用铸造铝合金中的主要合金元素。由于Si的结晶潜热大，Si在合金中主要以共晶(Si)的形式存在，能显著改善合金的铸造流动性、热裂倾向和气密性，大大提高合金的铸造性能。另外，Si具有较高的化学稳定性和硬度，因而汽车轮毂用铸造铝合金比纯Al具有更高的耐磨耐腐蚀性。而且Si还能与Mg形成Mg2Si强化相，进一步提高合金的力学性能。Mg是汽车轮毂用铸造铝合金中的主要强化元素。随着Mg含量的增加，Mg与Si形成Mg2Si强化相，与(Al)基体呈半共格关系，以网状形式分布于(Al)基体中，对位错的运动起到强烈阻碍作用，提高合金综合力学性能。从微观组织分析，亚共晶的Al-Si-Mg基铸造合金常常含有粗大的初晶(Al)，而在过共晶合金中则会出现粗大且不规则的初晶(Si)。另外，无论是亚共晶还是过共晶合金中，都会出现板条状(Al)/(Si)共晶组织，这些粗大的初晶相和板条状的共晶组织在铸件服役过程中常常起到应力集中和裂纹发源的中心，降低合金力学性能，严重影响铸件的使用寿命。石墨烯是一种新型二维材料，其是迄今为止发现的最坚韧、导电和导热最好的材料。因此，利用石墨烯的高强度特性，将其与铝合金制备成复合材料，有望获得轻质高强、低热膨胀等优异性能，扩展铸造铝合金的应用范围。目前石墨烯铝基复合材料的制备方法主要是搅拌熔炼法和粉末冶金法：国外通常使用热压烧结+挤压、粉末冶金和半固态烧结等方法制备石墨烯铝基复合材料，国内通常使用热挤压、机械搅拌、粉末冶金+挤压、铸造、压力浸渗和泡沫铝轧制等方法制备石墨烯铝基复合材料。粉末冶金法成本高，周期长，制备零件致密度不高，存在内部缺陷，从而导致材料性能不优等现象，往往需要进行二次加工。铸造法相对简单，成本低廉，并能进行批量生产，但铸造过程中易出现偏聚现象，且非真空震荡搅拌铸造过程中容易带入气体形成气孔，且需控制石墨烯与铝的有害界面反应。本专利技术通过设计出合理合金成分，并采用合理的铸造及热处理方法，使合金综合力学性能及加工性能得到大幅度提升，利用上述铸件生产的铝合金汽车轮毂抗拉强度、屈服强度及延伸率良好，安全性好，经久耐用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金及其在汽车轮毂方面的应用。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：提供一种石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金，所述铝合金按质量百分比计的原料组分为：Si6.0～8.0％，Mg0.20～0.45％，Sc0.50～0.60％，石墨烯0.003～0.007％，Li≤0.05％，Be≤0.05％，B≤0.05％，Na≤0.05％，P≤0.05％，Ti≤0.10％，V≤0.10％，Cr≤0.05％，Mn≤0.10％，Fe≤0.10％，Ni≤0.05％，Cu≤0.10％，Zn≤0.10％，Zr≤0.05％，Sn≤0.05％，Pb≤0.10％，未指定的其它杂质元素：每种≤0.02％，合计≤0.10％，余量为Al。本专利技术还提供了上述石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金的制备方法，具体步骤如下：1)按照合金成分计算并称取原料，原料为铝粒、硅粒、镁粒、石墨烯粉末、钪粒、锂粒、铍粒、硼粒、钠粒、磷粒、钛粒、钒粒、铬粒、锰粒、铁粒、镍粒、铜粒、锌粒、锆粒、锡粒、铅粒；2)将步骤1)称取的原料放入熔炼炉中，抽真空后充入高纯氩气到300-500Pa充当保护气体，升温至600-610℃使原料熔化得到熔液，然后升温使熔液在720-725℃下匀质处理5min；3)升温至750-760℃，以50‐60次/分钟的频率充分摇晃振荡搅拌坩埚，使熔液充分合金化；4)降温至650-655℃进行浇铸，得到铸造合金，然后将所得铸造合金放入箱式炉中于510-540℃固溶5-8小时，随后放入60-100℃水中进行淬火，接着在室温下静置10-14小时，之后在150-200℃固溶处理6-10小时，然后空冷得到石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金。按上述方案，步骤1)所述铝粒为的柱状颗粒，纯度为99.70以上％，所述硅粒平均粒径为1-6mm，纯度为99.90以上％，所述镁粒平均粒径为1-6mm，纯度为99.99以上％，所述钪粒平均粒径为5-10mm，纯度为99.99以上％，所述石墨烯粉末为单层石墨烯，x-y平面宽度最长为10μm，碳含量大于95.0％，氧含量小于2.50％；其余原料纯度为99.99％以上，平均粒径为1-3mm。按上述方案，步骤2)所述熔炼炉为真空感应熔炼炉。本专利技术还包括上述石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金在汽车轮毂方面的应用。本专利技术通过同时向合金中添加石墨烯和稀土钪，在细化初晶(Al)的同时改善合金共晶组织，提高合金抗拉强度、屈服强度和伸长率；合金强度得到提高的同时提升合金塑性，改善了铝合金的综合力学性能，为合金后续加工如轧制，拉拔，扭转等提供了可能，大大扩展铝合金在汽车、建筑等工业领域的应用范围，尤其适用于生产汽车轮毂。另外，本专利技术对合金样进行热处理(固溶+时效处理)，进一步提高合金综合力学性能和物理性能。首先是对合金进行固溶处理，将铸造合金加热到一定温度并保持一段时间，其不仅可使合金中的含Mg可溶强化相最大程度的溶入(Al)基体中，使合金均匀化，还能将不规则共晶硅颗粒转变为规则球状，提高合金延伸率，增强合金塑性，但需控制固溶温度和保温时间，固溶温度过高或保温时间过长都容易使(Si)相粗化，固溶处理后，(Si)相颗粒表面趋于平滑，形状且由板条状变为椭球状到球状，充分减少了Si颗粒的纵横比，可极好改善铸件延伸率，因为(Si)相的球化能增加断裂应变，使得硅颗粒较难萌生裂纹。固溶处理后需要对合金进行淬火，淬火是将合金从高温快速冷却至低温，从而抑制沉淀的形成。之后使用自然时效+人工时效技术处理(室温下放置一段时间后再进行人工时效)合金试样，使弥散强化相从基体中析出，均匀分布于合金内部，强化相会引起合金中应力应变场变化，从而阻碍可动位错在晶粒内部或晶界处的移动，进一步提高合金强度，合金具有更加优良的综合力学性能。室温温度较低，固溶淬火后快速形成高浓度溶质原子和大量空位，对合金强度有一定程度的提升，若要显著提高合金强度则需将合金在更高温度下进行人工时效，人工时效选择在150～200℃进行。Al-Si-Mg基造合金进行人工时效过程中主要生成Mg2Si强化相，从而达到提高合金强度的目的。通过固溶-时效处理后，合金电导率也得到提高，基本满足超特高压用电工材料高于26MS/m的要求。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术提供的石墨烯稀土钪协同增强Al-Si-Mg合金综合力学性能和导电性能优良(抗拉强度σ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金按质量百分比计的原料组分为：Si 6.0～8.0％，Mg 0.20～0.45％，Sc 0.50～0.60％，石墨烯0.003～0.007％，Li≤0.05％，Be≤0.05％，B≤0.05％，Na≤0.05％，P≤0.05％，Ti≤0.10％，V≤0.10％，Cr≤0.05％，Mn≤0.10％，Fe≤0.10％，Ni≤0.05％，Cu≤0.10％，Zn≤0.10％，Zr≤0.05％，Sn≤0.05％，Pb≤0.10％，未指定的其它杂质元素：每种≤0.02％，合计≤0.10％，余量为Al。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金按质量百分比计的原料组分为：Si6.0～8.0％，Mg0.20～0.45％，Sc0.50～0.60％，石墨烯0.003～0.007％，Li≤0.05％，Be≤0.05％，B≤0.05％，Na≤0.05％，P≤0.05％，Ti≤0.10％，V≤0.10％，Cr≤0.05％，Mn≤0.10％，Fe≤0.10％，Ni≤0.05％，Cu≤0.10％，Zn≤0.10％，Zr≤0.05％，Sn≤0.05％，Pb≤0.10％，未指定的其它杂质元素：每种≤0.02％，合计≤0.10％，余量为Al。2.根据权利要求1所述的石墨烯稀土钪协同增强铸造铝合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：1)按照合金成分计算并称取原料，原料为铝粒、硅粒、镁粒、石墨烯粉末、钪粒、锂粒、铍粒、硼粒、钠粒、磷粒、钛粒、钒粒、铬粒、锰粒、铁粒、镍粒、铜粒、锌粒、锆粒、锡粒、铅粒；2)将步骤1)称取的原料放入熔炼炉中，抽真空后充入高纯氩气到300-500Pa充当保护气体，升温至600-610℃使原料熔化得到熔液，然后升温使熔液在720-...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玺，张敏，罗红斌，吴素芹，范国强，
申请(专利权)人：广州埃烯金属科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44