基于ca理论对铝合金副车架性能优化的方法技术领域
本发明涉及铝合金材料的制备技术，特别涉及基于ca理论对铝合金副车架性能优化的方法。
背景技术：
近年来，汽车轻量化的发展已成为时代的潮流，这是解决汽车保有量快速增长所带来的能源和环境问题的有效措施。zl201铝合金具有密度低、成形性好、耐腐蚀性好等优点，已成为实现汽车轻量化的重要途径。zl201铝合金已广泛应用于汽车车身、底盘和动力总成。特别适用于底盘的副车架。为了实现副车架的轻量化，对铝合金铸件提出了的要求。其主要表现为成形精度高，组织尺寸小，成分均匀，宏观性能优异。为了控制凝固过程，必须进行模拟分析。
凝固过程是材料加工和制备过程中一个非常重要的阶段。在成型过程中，大多数金属和金属合金都有凝固过程。凝固过程中获得的微观组织将直接影响材料的宏观性能。决定材料力学性能的最基本因素是铸件内部晶粒的形态、尺寸、取向和分布。因此，凝固组织的改变将对铸件的力学性能产生很大的影响，而凝固组织的控制是获得优质铸件的关键。凝固过程包括一系列复杂的物理和化学变化。宏观性能表明，凝固过程伴随着传热、传质和流动。微观性能表明，凝固是一个成核和生长的动态过程。由于宏观和微观之间的复杂影响，导致对凝固组织的理论研究和数学分析十分困难。近年来，随着实验技术的发展，计算机仿真模型的建立大大缩短了问题求解的时间和生产周期。微观模拟的研究方法主要是通过建立成核生长过程的动态模型来预测凝固组织的晶粒尺寸和形貌。因此，在凝固过程的微观组织模拟中，不仅要计算宏观温度场和应力场，还要模拟晶粒成核和长大过程。认为不同模型的混合以及模型与宏观场模拟的耦合将是模拟凝固过程中微观组织的未来趋势。在微观组织模拟研究中，元胞自动化(ca)定量模拟了过冷度和溶质分布对凝固过程的影响。ca法可以描述自由枝晶和柱状晶的形成过程，柱状晶和等轴晶的转化过程。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供基于ca理论对铝合金副车架性能优化的方法，具体包括以下步骤：
(1)zl201铸造铝合金副车架模型的ca法模拟：基于ca法模拟的化学成分、传热系数、初始温度、晶粒生长系数等条件，使之与实际相符合，并进行改性建立zl201铸造铝合金副车架模型。
(2)制备晶粒细化后的液态zl201铝合金：将步骤(1)zl201铸造铝合金副车架模型最佳性能参数应用到实验中。cu、mn、fe、al纯金属在1200℃～1300℃进行装料熔化，然后加入ti细化剂、mn细化剂、sr细化剂，熔炼搅拌一定时间得到晶粒细化后的液态zl201铝合金；
(3)zl201铸造铝合金副车架的形成：将步骤(2)的液态zl201铝合金在一定压力下浇铸在副车架模具中，充型完成后随熔炉冷却至室温，最后得到最佳性能的zl201铸造铝合金副车架；
步骤(1)模拟参数的设定值分别为模具温度设为350℃～360℃，铸件温度设为740℃～750℃，液相线温度为650～660℃，固相线温度为548～560℃，吉布斯自由能为1.1×10-7～1.2×10-7，生长系数α为4.45×10-7～4.82×10-7，生长系数β为2.36×10-7～4.98×10-7。
步骤(2)cu、mn、fe、al的元素比例(单位：％)为4.5～6.5:0.7～0.9:0.05～0.15:92.45～94.6；
步骤(2)ti、mn、sr细化剂的含量分别为：ti含量为0.1％～0.9％，mn含量为0.2％～0.6％，
sr含量为0.1％～0.4％；
步骤(2)熔炼搅拌时间为3～5h；
步骤(3)液态zl201铝合金的压力为0.1～0.2mpa；
步骤(3)在环境温度24～28℃下进行冷却。
本发明的有益效果：
(1)基于材料基因工程的思想，构建铸造铝合金的化学组成、熔体净化、与热处理工艺、相结构、显微组织以及性能的高通量集成计算平台，建立铸造铝合金基础数据库，发展基于合金元素、固溶、析出相、界面和晶体缺陷等基本单元强韧化设计的材料设计方法，开发析出相纯组元以及多相铸造铝合金材料性能的计算方法。
(2)本发明基于铸造铝合金金属模铸从“设计-合金-工艺-组织-性能”的全流程集成计算与仿真，并实现应用示范。
附图说明
图1为本发明实施例1通过ca法模拟的zl201铸造铝合金副车架的微观组织和实验模拟的金相组织图；
图2为本发明实施例2通过ca法模拟的zl201铸造铝合金副车架的微观组织和实验模拟的金相组织图；
图3为本发明实施例3通过ca法模拟的zl201铸造铝合金副车架的微观组织和实验模拟的金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
基于ca理论对铝合金副车架性能优化的方法，具体包括以下步骤：
(1)zl201铸造铝合金副车架的ca法模拟：基于ca法模拟的化学成分、传热系数、初始温度、晶粒生长系数等条件，使之与实际相符合，模拟参数的设定值分别为模具温度设为350℃，铸件温度设为740℃，液相线温度为655℃，固相线温度为550℃，吉布斯自由能为1.1×10-7，生长系数α为4.82×10-7，生长系数β为2.36×10-7，并进行改性建立zl201铸造铝合金副车架模型。
(2)制备晶粒细化后的液态zl201铝合金：将步骤(1)zl201铸造铝合金副车架模型最佳性能参数应用到实验中。将cu、mn、fe、al纯金属的配比为4.5％:0.7％:0.05％:92.45％，并在1200℃进行装料熔化，然后加入0.1％ti细化剂、0.2％mn细化剂、0.3％sr细化剂，熔炼搅拌4h得到晶粒细化后的液态zl201铝合金；
(3)zl201铸造铝合金副车架的形成：将步骤(2)的液态zl201铝合金在0.15mpa下浇铸在副车架模具中，充型完成后随熔炉冷却至室温，最后得到最佳性能的zl201铸造铝合金副车架；
本实施通过ca法模拟的zl201铸造铝合金副车架的微观组织，如图3所示，可知副车架的组织分布均匀，晶粒度达到0.028mm，抗拉强度为330mpa；屈服强度为270mpa；延伸率为6％；硬度为100hb；冲击韧性(v切口)为16j/cm2。
实施例2
基于ca理论对铝合金副车架性能优化的方法，具体包括以下步骤：
(1)zl201铸造铝合金副车架的ca法模拟：基于ca法模拟的化学成分、传热系数、初始温度、晶粒生长系数等条件，使之与实际相符合，模拟参数的设定值分别为模具温度设为350℃，铸件温度设为740℃，液相线温度为650℃，固相线温度为550℃，吉布斯自由能为1.05×10-7，生长系数α为4.52×10-7，生长系数β为3.74×10-7，并进行改性建立zl201铸造铝合金副车架模型。
(2)制备晶粒细化后的液态zl201铝合金：将步骤(1)zl201铸造铝合金副车架模型最佳性能参数应用到实验中。cu、mn、fe、al纯金属的配比为5.0％:0.8％:0.1％:94.1％，并在1250℃进行装料熔化，然后加入0.5％ti细化剂、0.4％mn细化剂、0.6％sr细化剂，熔炼搅拌4h得到晶粒细化后的液态zl201铝合金；
(3)zl201铸造铝合金副车架的形成：将步骤(1)的液态zl201铝合金在0.1mpa下浇铸在副车架模具中，充型完成后随熔炉冷却至室温，最后得到组织细化后的zl201铸造铝合金副车架；
本实施通过ca法模拟的zl201铸造铝合金副车架的微观组织，如图3所示，可知副车架的组织分布均匀，晶粒度达到0.027mm，抗拉强度为350mpa；屈服强度为290mpa；延伸率为7％；硬度为110hb；冲击韧性(v切口)为18j/cm2。
实施例3
基于ca理论对铝合金副车架性能优化的方法，具体包括以下步骤：
(1)zl201铸造铝合金副车架的ca法模拟：基于ca法模拟的化学成分、传热系数、初始温度、晶粒生长系数等条件，使之与实际相符合，模拟参数的设定值分别为模具温度设为360℃，铸件温度设为750℃，液相线温度为660℃，固相线温度为560℃，吉布斯自由能为1.1×10-7，生长系数α为4.58×10-7，生长系数β为4.33×10-7，最后进行改性优化实验过程获得性能优异的zl201铸造铝合金副车架。
(2)制备晶粒细化后的液态zl201铝合金：将步骤(1)zl201铸造铝合金副车架模型最佳性能参数应用到实验中。cu、mn、fe、al纯金属的配比为6.0％:1.0％:0.15％:92.85％，并在1300℃进行装料熔化，然后加入0.9％ti细化剂、0.6％mn细化剂、0.4％sr细化剂，熔炼搅拌5h得到晶粒细化后的液态zl201铝合金；
(3)zl201铸造铝合金副车架的形成：将步骤(1)的液态zl201铝合金在0.2mpa下浇铸在副车架模具中，充型完成后随熔炉冷却至室温，最后得到组织细化后的zl201铸造铝合金副车架；
本实施通过ca法模拟的zl201铸造铝合金副车架的微观组织，如图3所示，可知副车架的组织分布均匀，晶粒度达到0.025mm，抗拉强度为380mpa；屈服强度为300mpa；延伸率为8％；硬度为115hb；冲击韧性(v切口)为19j/cm2。
1.基于ca理论对铝合金副车架性能优化的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)首先通过不断改变ca法模拟的化学成分、传热系数、初始温度、晶粒生长系数等条件，使之与实际相符合，最后再对实际的实验过程进行优化，并进行改性建立zl201铸造铝合金副车架模型。
(2)将步骤(1)zl201铸造铝合金副车架模型最佳性能参数应用到实验中。首先将熔炉预热，然后将cu、mn、fe、al纯金属进行装料熔化，最终获得液态zl201铝合金。
(3)将步骤(2)的液态zl201铝合金加入0.1％～0.9％ti细化剂、0.2％～0.6％mn细化剂、0.1％～0.4％sr细化剂，然后在0.1～0.2mpa的压力下浇铸在副车架模具中，充型完成后随熔炉冷却至室温，最后得到最佳性能的zl201铸造铝合金副车架。
2.根据权利要求1所述利用低压铸造生产zl201铸造铝合金副车架的方法，其特征在于，步骤(1)ca法模拟的参数设置为：模具温度设为350℃-360℃，铸件温度设为740℃～750℃，液相线温度为650～660℃，固相线温度为548～554℃，吉布斯自由能为1.1×10-7～1.2×10-7，生长系数α为4.82×10-7～4.45×10-7，生长系数β为2.36×10-7～4.98×10-7。
3.根据权利要求1所述利用低压铸造生产zl201铸造铝合金副车架的方法，其特征在于，步骤(2)cu、mn、fe、al的元素比例(单位：％)为4.5～6.5:0.7～0.9:0.05～0.15:92.45～94.6。
4.根据权利要求1所述利用低压铸造生产zl201铸造铝合金副车架的方法，其特征在于，步骤(3)的cu、mn、fe、al的熔化方法为在1200℃-1300℃进行熔化，熔化时间为3～5h。
技术总结