阅读说明：本技术 一种应用于汽车差速器支架的镁基复合材料的制备方法 (Preparation method of magnesium-based composite material applied to automobile differential support ) 是由 吉泽升 陈永生 崔鹏星 张勋 赵春芳 许红雨 胡茂良 张永冰 于 2020-07-20 设计创作，主要内容包括：一种应用于汽车差速器支架的镁基复合材料的制备方法,涉及一种应用于汽车差速器支架的复合材料的制备方法。本发明是要解决现有AZ91D镁合金替代铝合金用于汽车差速器支架强度不够的技术问题。本发明利用旋转喷吹双向搅拌添加高熵合金颗粒到AZ91D镁合金熔体,可以减少搅拌时间,破碎颗粒团聚效果显著；同时进行X和Y方向机械振动利于破碎边壁区的颗粒团聚,使边壁区颗粒随剪切搅拌到熔体中间,与熔体充分混合；料筒内金属液表面放筛网过滤氧化夹渣物,最后进行挤压铸造工艺制备产品。本发明高熵合金颗粒分散均匀,产品强度和硬度也得到大幅提高,产品内部无氧化夹渣物缺陷,颗粒与基体结合较好,能进一步拓宽镁基复合材料的应用情况。(A preparation method of a magnesium-based composite material applied to an automobile differential bracket relates to a preparation method of a composite material applied to an automobile differential bracket. The invention aims to solve the technical problem that the strength of the conventional AZ91D magnesium alloy for replacing aluminum alloy for the automobile differential bracket is insufficient. According to the invention, the high-entropy alloy particles are added to the AZ91D magnesium alloy melt by rotary blowing bidirectional stirring, so that the stirring time can be reduced, and the agglomeration effect of the broken particles is remarkable; meanwhile, the mechanical vibration in the X direction and the Y direction is beneficial to the particle agglomeration of the broken side wall area, so that the particles in the side wall area are sheared and stirred to the middle of the melt and are fully mixed with the melt; and (3) placing a screen on the surface of the molten metal in the charging barrel to filter the oxidized slag inclusion, and finally carrying out extrusion casting to prepare the product. The high-entropy alloy particles are uniformly dispersed, the strength and the hardness of the product are greatly improved, the defect of oxidation slag inclusion is avoided in the product, the particles are well combined with a matrix, and the application condition of the magnesium-based composite material can be further widened.)

一种应用于汽车差速器支架的镁基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种应用于汽车差速器支架的镁基复合材料的制备方法。

背景技术

镁合金具有密度小(约是铝合金的三分之二)，比强度高，抗震阻尼性能好等优点，在汽车、电子产品领域中具有广阔的应用前景。但镁合金的低硬度，低室温强度和塑性，很大程度上限制了它的应用。镁基复合材料可以消除或减轻上述镁合金的缺点。添加颗粒增强金属基复合材料的工艺简单，成本低廉，如添加SiC颗粒可以提高镁合金的强度和硬度。由于金属与金属之间天然的相容性好，在液态金属内部添加金属颗粒可以克服陶瓷颗粒与基体润湿差的缺点。高熵合金是新型结构材料，具有高强高韧等优越的性能，高熵合金颗粒可以提高颗粒与基体的润湿性，制备高熵合金颗粒增强镁基复合材料可以提高镁合金的性能，扩大镁合金应用范围。

目前，汽车差速器支架的作用是解决车辆在行驶中存在的共振问题。汽车差速器支架零件多数采用铝合金砂型重力铸造或低压铸造生产，近几年有铝合金挤压铸造方法生产差速器支架。与镁合金相比，铝合金密度大，减震性差，生产铝合金环境污染严重，每公里油耗量大，阻碍了汽车轻量化发展。为了拓宽镁合金差速器支架的应用工况，需要进一步提高镁合金差速器支架的综合性能，如能采用高性能镁基复合材料及挤压铸造方法开发镁合金汽车差速器支架，不仅可以进一步提高镁合金汽车差速器支架的综合性能和内在质量，还会提高汽车的减震性能和强度，促进汽车零部件轻量化的发展。

挤压铸造又称液态模锻，是一种近终成型方法，产品表面质量好，内部无气孔缺陷，力学性能好。镁合金挤压铸造过程中，因为镁的性质活泼，在熔炼过程中易与氧、氮和水汽等发生反应，因此需要对镁合金熔炼进行阻燃和精炼。一些氧化物、阻燃剂或精炼剂等常常会残留在铸锭内部，导致铸件内部存在氧化物、夹渣缺陷。现有挤压铸造镁合金工艺代替传统挤压铸造工艺生产出的铝合金差速器支架外观经常出现热裂纹缺陷，一些外观无缺陷的铸件使用X光检测后在厚大部位也会出现有夹渣缺陷，严重影响镁合金差速器支架的性能，同时也阻碍了汽车行业的高速发展。

旋转喷吹搅拌通常是借助吹头快速旋转在铝合金或镁合金熔体中形成气液涡流，进行净化和除气，减少熔体内氧化夹杂物。常规旋转喷吹或搅拌只在熔体中间进行喷吹搅拌，熔炼炉的边壁区位置易存在颗粒团聚，颗粒不易搅拌均匀，这些部位与氩气也不能有效接触，达不到最佳的精炼效果。旋转喷吹在熔体中间搅拌时，颗粒会随气泡被合理的搅动，颗粒因为自身包裹和吸附作用会随着熔体强力搅拌而团聚，如何平稳的快速搅拌，使颗粒分布均匀、精炼效果好，一直是一个难点。

发明内容

本发明是要解决现有AZ91D镁合金替代铝合金用于汽车差速器支架强度不够的技术问题，而提供一种应用于汽车差速器支架的镁基复合材料的制备方法，实现镁基复合材料汽车差速器支架代替现有铝合金差速器支架，镁基复合材料制备过程中使用双向旋转喷吹搅拌，解决熔炼炉边壁区位置易存在颗粒团聚搅拌不均匀的问题，达到颗粒均匀分散、熔体全位置精炼的效果，在料筒内混合熔体表面放置一个筛网，有效过滤夹渣物、氧化物缺陷，使用挤压铸造成型方法，达到提高强度硬度的效果，使差速器支架满足汽车使用要求。

本发明的应用于汽车差速器支架的镁基复合材料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、熔炼：将镁合金AZ91D置于熔炼炉底部，炉内温度升高到400℃～450℃时，向炉中通入保护气或添加阻燃覆盖剂，随后加热升温至740℃～750℃，待炉中镁合金AZ91D全部熔化成液态后，在旋转喷吹双向搅拌且双向搅拌速度均为100rpm～400rpm的条件下向镁合金熔体中加入高熵合金颗粒，随后旋转喷吹双向搅拌1min～2min且双向搅拌速度均为100rpm～400rpm，然后在旋转喷吹双向搅拌且双向搅拌速度均为100rpm～400rpm的条件下用振动台对镁合金熔体同时进行X方向和Y方向的机械振动4min～5min，得到混合熔体；

所述的混合熔体中高熵合金颗粒的质量分数为1％～20％，高熵合金颗粒的直径小于25μm；

所述的旋转喷吹双向搅拌的方法为：用两个旋转式除气机对镁合金熔体进行旋转喷吹搅拌，且两个旋转式除气机的搅拌方向相反；

二、挤压铸造：用挤压铸造机的料筒和模具表面均匀喷涂脱模剂，将步骤一制备的混合熔体迅速浇注到料筒内，在料筒内的混合熔体表面放置一个筛网，然后进行挤压铸造，随后开模，取出铸件，取出筛网，铸件水冷，打磨毛刺和飞边，切割浇注系统，得到汽车差速器支架；挤压速度为0.1m/s～0.5m/s，挤压压力为100MPa～140MPa，保压时间为10s～30s，模具温度为350℃～450℃。

本发明的优点是：

本发明的镁基复合材料汽车差速器支架具有较小的材料密度，可大幅减小零件的惯性力，较好的镁合金抗震阻尼性能可大幅度减少零件的振动，提高了车辆的舒适性，提高差速器的功能和用途，特别是应用在汽车的轻量化方面，拓宽了镁合金材料的应用领域。

本发明属于液态法制备复合材料，在镁基体中添加高熵合金颗粒，高熵合金颗粒与镁基体润湿效果好，能够明显的细化晶粒，提高硬度和强度，强度达到235MPa，满足汽车差速器支架使用要求。

本发明采用挤压铸造方法，铸件精度高、减少后续加工环节，工艺稳定性好。零件内无缩孔等缺陷，提高工艺出品率，铸件力学性能好，满足于工业化大批量生产。实现资源和能源的低消耗，促使经济效益的提高。

本发明利用旋转喷吹双向搅拌和机械振动同时进行，有利于颗粒均匀分散，有利于熔体除气除渣，熔体净化作用效果显著。

本发明利用旋转喷吹双向搅拌，正反两方向同时进行剪切搅拌，可以减少搅拌时间，缩短生产周期，破碎颗粒团聚效果显著，特别是破碎边壁区位置的颗粒团聚，使颗粒均匀分散，双向剪切搅拌有利于熔体全位置分散，使颗粒与熔体充分混合，同时有利于熔体全位置精炼除氢。

本发明利用机械振动，特别是同时进行X方向(前后)和Y方向(左右)机械振动的好处是可以破碎边壁区的颗粒团聚，使边壁区颗粒随剪切搅拌到熔体中间，与熔体充分混合，同时机械振动也起到除气除渣的作用。

本发明在挤压铸造机料筒内的金属液上表面放置筛网过滤氧化夹渣物，可使零件内无夹渣物或氧化物，有利于得到力学性能优良的挤压铸造铸件。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种应用于汽车差速器支架的镁基复合材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的：

一、熔炼：将镁合金AZ91D置于熔炼炉底部，炉内温度升高到400℃～450℃时，向炉中通入保护气或添加阻燃覆盖剂，随后加热升温至740℃～750℃，待炉中镁合金AZ91D全部熔化成液态后，在旋转喷吹双向搅拌且双向搅拌速度均为100rpm～400rpm的条件下向镁合金熔体中加入高熵合金颗粒，随后旋转喷吹双向搅拌1min～2min且双向搅拌速度均为100rpm～400rpm，然后在旋转喷吹双向搅拌且双向搅拌速度均为100rpm～400rpm的条件下用振动台对镁合金熔体同时进行X方向和Y方向的机械振动4min～5min，得到混合熔体；

所述的混合熔体中高熵合金颗粒的质量分数为1％～20％，高熵合金颗粒的直径小于25μm；

所述的旋转喷吹双向搅拌的方法为：用两个旋转式除气机对镁合金熔体进行旋转喷吹搅拌，且两个旋转式除气机的搅拌方向相反；

二、挤压铸造：用挤压铸造机的料筒和模具表面均匀喷涂脱模剂，将步骤一制备的混合熔体迅速浇注到料筒内，在料筒内的混合熔体表面放置一个筛网，然后进行挤压铸造，随后开模，取出铸件，取出筛网，铸件水冷，打磨毛刺和飞边，切割浇注系统，得到汽车差速器支架；挤压速度为0.1m/s～0.5m/s，挤压压力为100MPa～140MPa，保压时间为10s～30s，模具温度为350℃～450℃。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的高熵合金颗粒为AlCoCrFeNi系、AlCoCrCuFeNi系或AlCoCuFeNi系。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的阻燃覆盖剂为RJ2溶剂。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中机械振动的频率为50Hz。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中所述的保护气为六氟化硫与二氧化碳按照1:(20～100)的体积比混合的气体。其他与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤一中旋转喷吹所用的气体为惰性气体中的一种或两种的混合气体。其他与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤二中所述的筛网为不锈钢材质，筛网的孔径为200μm～700μm，筛网直径比料筒直径小1mm～2mm，使用前先预热至400℃～500℃。其他与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤二中所述的模具为两开模。其他与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：步骤二中所述的挤压铸造机为350吨级挤压铸造机。其他与具体实施方式八相同。

用以下试验对本发明进行验证：

试验一：本试验为一种应用于汽车差速器支架的镁基复合材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的：

一、熔炼：将镁合金AZ91D置于熔炼炉底部，炉内温度升高到450℃时，向炉中通入保护气，随后加热升温至750℃，待炉中镁合金AZ91D全部熔化成液态后，在旋转喷吹双向搅拌且双向搅拌速度均为400rpm的条件下向镁合金熔体中加入高熵合金颗粒，随后旋转喷吹双向搅拌1min且双向搅拌速度均为400rpm，然后在旋转喷吹双向搅拌且双向搅拌速度均为400rpm的条件下用振动台对镁合金熔体同时进行X方向和Y方向的机械振动4min，得到混合熔体；

所述的混合熔体中高熵合金颗粒的质量分数为3％，高熵合金颗粒的直径小于25μm；

所述的旋转喷吹双向搅拌的方法为：用两个旋转式除气机对镁合金熔体进行旋转喷吹搅拌，且两个旋转式除气机的搅拌方向相反；

步骤一中所述的高熵合金颗粒为AlCoCrFeNi；

步骤一中机械振动的频率为50Hz；

步骤一中所述的保护气为六氟化硫与二氧化碳按照1:80的体积比混合的气体；

步骤一中旋转喷吹所用的气体为氩气；

二、挤压铸造：用挤压铸造机的料筒和模具表面均匀喷涂脱模剂，将步骤一制备的混合熔体迅速浇注到料筒内，在料筒内的混合熔体表面放置一个筛网，然后进行挤压铸造，随后开模，取出铸件，取出筛网，铸件水冷，打磨毛刺和飞边，切割浇注系统，得到汽车差速器支架；挤压速度为0.5m/s，挤压压力为140MPa，保压时间为30s，模具温度为450℃；

步骤二中所述的筛网为不锈钢材质，筛网的孔径为500μm，筛网直径比料筒直径小2mm，使用前先预热至450℃；

步骤二中所述的模具为两开模；

步骤二中所述的挤压铸造机为350吨级挤压铸造机。

试验二：本试验为对比试验：具体是按以下步骤进行的：

一、熔炼：将镁合金AZ91D置于熔炼炉底部，将炉内温度升高到450℃，向炉中通入保护气，加热升温至750℃，得到镁合金熔体；

步骤一中所述的保护气为六氟化硫与二氧化碳按照1:80的体积比混合的气体；

二、挤压铸造：用挤压铸造机的料筒和模具表面均匀喷涂脱模剂，将步骤一制备的镁合金熔体迅速浇注到料筒内，然后进行挤压铸造，随后开模，取出铸件，铸件水冷，打磨毛刺和飞边，切割浇注系统，得到镁合金铸件；挤压速度为0.5m/s，挤压压力为140MPa，保压时间为30s，模具温度为450℃；

步骤二中所述的模具为两开模；

步骤二中所述的挤压铸造机为350吨级挤压铸造机。

表1中为试验一和试验二中制备的镁基复合材料合金的抗拉强度和HV硬度数值，可以看出本发明的方法可以提高镁合金的性能。

表1

挤压铸造	抗拉强度MPa	HV硬度
			试验一	235	110
试验二	170	101