一种应用于自行车车架的高强度铝合金生产工艺的制作方法

1.本发明属于合金材料制备技术领域，具体地，涉及一种应用于自行车车架的高强度铝合金生产工艺。


背景技术：

2.目前车架铝合金材料应用最多的是6061合金，6061铝合金是耐腐蚀、强度、焊接性、热处理工艺性等综合性能比较好的材料。7005合金也常用来制作自行车车架，它的强度比6061高，在室温下放置会发生常温时效，这在一定程度上可以改善它的性能。但是这种7005铝合金的冷加工成形、焊接、热处理都比较困难。7075是特超硬铝，广泛应用于航空工业，但是它的焊接难度大、耐腐蚀性差(会发白),多应用于高强度的非焊接零件上，较少用于制作自行车车架。随着社会的发展、资源环境问题的突出以及人们对自行车要求的提高。
3.中国专利201210061326.6公开了采用6066合金制作车架的方法，制成的车架经过t4、t6热处理，强度可达250mpa，延伸率大于8％，但制成的车架仍不能稳定通过欧标的自行车安全标准，脚蹬力疲劳实验只有2万次(城市车达5万次为合格，山地车和赛车达10万次为合格)；现有技术中，已被证实金属纳米粒子和陶瓷材料能够细化铝合金的晶粒，从而大幅增强铝合金的强度；但是，金属和陶瓷材料因为在铝合金中润湿性能差，所以很难分散在铝熔体中，导致制备的铝合金的性能不足，无法稳定通过欧盟对于自行车车架的标准；此外，现有的铝合金车架表面往往会通过喷漆来防止表面的腐化，这虽然能够实现防止铝合金表面的腐化，大部分的漆料都会存在环境污染的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种应用于自行车车架的高强度铝合金生产工艺，通过三苯基硅醇将改性tib2纳米粒子和改进ceb6纳米粒子进行连接，来增强复合陶瓷材料在铝熔体中的分散性能；通过对铝合金表面蚀刻形成粗糙结构，再浸涂有机碳点，降低铝合金表面被腐蚀的概率。
5.本发明要解决的技术问题：现有的应用于自行车车间的铝合金材料在抗疲劳性能和强度上存在不足，且防止铝合金表面腐蚀的涂料存在环境污染的问题。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种应用于自行车车架的高强度铝合金生产工艺，包括以下步骤：
8.s1、将电解铝锭加热至720-780℃得到电解铝液，转入熔炼炉，再加入金属mg、结晶硅si、金属cu、金属mn，加热熔化并搅拌均匀得到合金熔体；
9.s2、合金熔体温度控制在730-750℃范围，将陶瓷复合材料加入合金熔体内，并搅拌混合均匀；
10.s3、控制温度至720-740℃，通过钢管将铝合金精炼剂随氮气均匀的吹入炉底，并搅拌精炼10-30min，扒除浮渣，静置1h；
11.s4、出炉浇注，得到铸棒胚料，铸棒胚料经热挤压成型和热处理后，得到铝合金管
材；
12.s5、在铝合金管材表面浸涂超疏水涂层，得到应用于自行车车架的高强度铝合金。
13.进一步地，步骤s1中，电解铝锭、金属mg、结晶硅si、金属cu和金属mn的质量比为90-95：1-1.5：1.2-1.7：0.8-1.2：0.5-1。
14.进一步地，步骤s2中，陶瓷复合材料的添加量为合金熔体质量的1.5％，陶瓷复合材料的包括以下步骤制得：
15.第一步、超声下将2-2.5g tib2纳米粒子和2-2.4g ceb6纳米粒子分别浸入45-50ml丙酮中，经过滤，烘干后，置于马弗炉中进行氧化，自然降温到室温，并用去离子水洗，烘干，分别得到改性tib2纳米粒子和改性ceb6纳米粒子；
16.第二步、将1.4-2ml三苯基硅醇与25-30ml乙醇水溶液混合均匀后，得到均匀溶液；
17.第三步、将改性tib2纳米粒子和改性ceb6纳米粒子分散在均匀溶液中，搅拌反应1-2h，经过滤，洗涤和干燥，得到陶瓷复合材料。
18.进一步地，步骤s3中，铝合金精炼剂的加入量为合金熔体质量的1-2％，铝合金精炼剂由nacl、kcl、na2sif6和na2so4按照质量比3:2:1:1混合而成。
19.进一步地，步骤s4中，热挤压成型工艺参数具体为：挤压前将胚料和挤压模具分别预热至480℃和450℃，控制挤压杆速度为2-3mm/s。
20.进一步地，步骤s4中，热处理工艺参数具体为：550℃下固溶处理1h，在200℃下时效处理3h。
21.进一步地，铝合金管材表面浸涂超疏水涂层包括以下步骤：
22.a1、将柠檬酸和半胱氨酸盐酸盐溶于去离子水中，在70℃下加热12h，在氮气气氛下加热至100℃，然后加入二环己基碳二亚胺，升温至180℃反应40min，过滤得到固体粉末，将所得固体粉末分散在二氯甲烷中，并通过透析膜纯化得到有机碳点粉末；
23.a2、将铝合金管材用体积比为1:1的hcl溶液和h2o2的混合液蚀刻15min，再用去离子水冲洗，干燥后，得到蚀刻铝合金管材，将有机碳点粉末分散在乙醇中得到均匀溶液，将蚀刻铝合金管材浸入均匀溶液中3h，取出后室温下干燥，得到超疏水铝合金涂层。
24.进一步地，步骤a1中，柠檬酸、半胱氨酸盐酸盐、去离子水、二环己基碳二亚胺的用量比为0.3-0.5：0.2-0.4：18-25：0.1-0.3。
25.本发明的有益效果：
26.本发明技术方案中，三苯基硅醇是具有多个硅烷醇(si-oh)官能团的笼状结构，通过对tib2纳米粒子和ceb6纳米粒子进行氧化，再与三苯基硅醇进行反应，实现了非氧化物陶瓷表面与三苯基硅醇的接枝，从而实现将tib2和ceb6进行化学连接，而已知tib2是鲜有的能够在铝合金熔体中具有很强润湿性的陶瓷材料，通过将tib2和ceb6二者结合从而能够提升ceb6在铝熔体中的分散性能，将tib2和ceb6纳米颗粒均匀分散在铝合金熔融体中，由于tib2和ceb6均具有和al相似的晶格常数，tib2和ceb6纳米颗粒具有作为核的潜力，增加了结晶凝固时的成核率，起到细化铝合金晶粒的效果；生成的铝合金硬度增加、延伸率以及抗疲劳性能上均有大幅增强，能够通过欧盟对于自行车车架的安全标准。
27.本发明技术方案中，绿色环保的碳点是以无水半胱氨酸盐酸盐和柠檬酸为碳源，二环己基碳二亚胺为脱水剂进行固相法合成，通过使用盐酸和过氧化氢的化学蚀刻在铝合金表面先形成粗糙结构后接枝羟基自由基，与经乙醇浸泡后的碳点之间通过羟基之间的相
互作用而连接，从而实现将低表面能的碳点固定到铝合金粗糙结构的上，从而形成超疏水结构，该超疏水铝合金材料应用于自行车车架能够显著提高车架被腐蚀的概率。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例1
30.陶瓷复合材料的包括以下步骤制得：
31.第一步、超声下将2g tib2纳米粒子和2g ceb6纳米粒子分别浸入45ml丙酮中，经过滤，烘干后，置于马弗炉中进行氧化，自然降温到室温，并用去离子水洗，烘干，分别得到改性tib2纳米粒子和改性ceb6纳米粒子；
32.第二步、将1.4ml三苯基硅醇与25ml乙醇水溶液混合均匀后，得到均匀溶液；
33.第三步、将改性tib2纳米粒子和改性ceb6纳米粒子分散在均匀溶液中，搅拌反应1h，经过滤，洗涤和干燥，得到陶瓷复合材料。
34.实施例2
35.陶瓷复合材料的包括以下步骤制得：
36.第一步、超声下将2.5g tib2纳米粒子和2.4g ceb6纳米粒子分别浸入50ml丙酮中，经过滤，烘干后，置于马弗炉中进行氧化，自然降温到室温，并用去离子水洗，烘干，分别得到改性tib2纳米粒子和改性ceb6纳米粒子；
37.第二步、将2ml三苯基硅醇与30ml乙醇水溶液混合均匀后，得到均匀溶液；
38.第三步、将改性tib2纳米粒子和改性ceb6纳米粒子分散在均匀溶液中，搅拌反应2h，经过滤，洗涤和干燥，得到陶瓷复合材料。
39.实施例3
40.一种应用于自行车车架的高强度铝合金生产工艺，包括以下步骤：
41.s1、将90公斤电解铝锭加热至720℃得到电解铝液，转入熔炼炉，再加入1公斤金属mg、1公斤结晶硅si、0.8公斤金属cu、0.5公斤金属mn，加热熔化并搅拌均匀得到合金熔体；
42.s2、合金熔体温度控制在730℃范围，将合金熔体质量1.5％的实施例1制备的陶瓷复合材料加入合金熔体内，并搅拌混合均匀；
43.s3、控制温度至720℃，通过钢管将铝合金精炼剂随氮气均匀的吹入炉底，并搅拌精炼10min，扒除浮渣，静置1h；
44.s4、出炉浇注，得到铸棒胚料，铸棒胚料经热挤压成型，挤压前将胚料和挤压模具分别预热至480℃和450℃，控制挤压杆速度为2mm/s；热挤压成型后的粗品在550℃下固溶处理1h，在200℃下时效处理3h，得到铝合金管材；
45.s5、在铝合金管材表面浸涂超疏水涂层，得到应用于自行车车架的高强度铝合金。
46.实施例4
47.一种应用于自行车车架的高强度铝合金生产工艺，包括以下步骤：
48.s1、将95公斤电解铝锭加热至780℃得到电解铝液，转入熔炼炉，再加入1.5公斤金
属mg、1.7公斤结晶硅si、1.2公斤金属cu、1公斤金属mn，加热熔化并搅拌均匀得到合金熔体；
49.s2、合金熔体温度控制在750℃范围，将合金熔体质量1.5％的实施例2制备的陶瓷复合材料加入合金熔体内，并搅拌混合均匀；
50.s3、控制温度至740℃，通过钢管将铝合金精炼剂随氮气均匀的吹入炉底，并搅拌精炼30min，扒除浮渣，静置1h；
51.s4、出炉浇注，得到铸棒胚料，铸棒胚料经热挤压成型，挤压前将胚料和挤压模具分别预热至480℃和450℃，控制挤压杆速度为3mm/s；热挤压成型后的粗品在550℃下固溶处理1h，在200℃下时效处理3h，得到铝合金管材；
52.s5、在铝合金管材表面浸涂超疏水涂层，得到应用于自行车车架的高强度铝合金。
53.实施例5
54.铝合金管材表面浸涂超疏水涂层包括以下步骤：
55.a1、将0.3g柠檬酸和0.2g半胱氨酸盐酸盐溶于18g去离子水中，在70℃下加热12h，在氮气气氛下加热至100℃，然后加入0.1g二环己基碳二亚胺，升温至180℃反应40min，过滤得到固体粉末，将所得固体粉末分散在二氯甲烷中，并通过透析膜纯化得到有机碳点粉末；
56.a2、将1公斤铝合金管材用3l体积比为1:1的hcl溶液和h2o2的混合液蚀刻15min，再用去离子水冲洗，干燥后，得到蚀刻铝合金管材，将5g有机碳点粉末分散在0.5kg乙醇中得到均匀溶液，将蚀刻铝合金管材浸入均匀溶液中3h，取出后室温下干燥，得到超疏水铝合金涂层。
57.实施例6
58.铝合金管材表面浸涂超疏水涂层包括以下步骤：
59.a1、将0.5g柠檬酸和0.4g半胱氨酸盐酸盐溶于25g去离子水中，在70℃下加热12h，在氮气气氛下加热至100℃，然后加入0.3g二环己基碳二亚胺，升温至180℃反应40min，过滤得到固体粉末，将所得固体粉末分散在二氯甲烷中，并通过透析膜纯化得到有机碳点粉末；
60.a2、将2公斤铝合金管材用5l体积比为1:1的hcl溶液和h2o2的混合液蚀刻15min，再用去离子水冲洗，干燥后，得到蚀刻铝合金管材，将8g有机碳点粉末分散在1kg乙醇中得到均匀溶液，将蚀刻铝合金管材浸入均匀溶液中3h，取出后室温下干燥，得到超疏水铝合金涂层。
61.对比例1
62.一种应用于自行车车架的高强度铝合金生产工艺，包括以下步骤：
63.s1、将90公斤电解铝锭加热至720℃得到电解铝液，转入熔炼炉，再加入1公斤金属mg、1公斤结晶硅si、0.8公斤金属cu、0.5公斤金属mn，加热熔化并搅拌均匀得到合金熔体；
64.s2、合金熔体温度控制在730℃范围，将合金熔体质量1.5％的陶瓷复合材料(tib2和ceb6质量比为1:1)加入合金熔体内，并搅拌混合均匀；
65.s3、控制温度至720℃，通过钢管将铝合金精炼剂随氮气均匀的吹入炉底，并搅拌精炼10min，扒除浮渣，静置1h；
66.s4、出炉浇注，得到铸棒胚料，铸棒胚料经热挤压成型，挤压前将胚料和挤压模具
分别预热至480℃和450℃，控制挤压杆速度为2mm/s；热挤压成型后的粗品在550℃下固溶处理1h，在200℃下时效处理3h，得到铝合金管材；
67.s5、在铝合金管材表面浸涂超疏水涂层，得到应用于自行车车架的高强度铝合金。
68.对比例2
69.一种应用于自行车车架的高强度铝合金生产工艺，包括以下步骤：
70.s1、将95公斤电解铝锭加热至780℃得到电解铝液，转入熔炼炉，再加入1.5公斤金属mg、1.7公斤结晶硅si、1.2公斤金属cu、1公斤金属mn，加热熔化并搅拌均匀得到合金熔体；
71.s2、合金熔体温度控制在750℃范围，将合金熔体质量1.5％的陶瓷复合材料(tib2和ceb6质量比为1:1)加入合金熔体内，并搅拌混合均匀；
72.s3、控制温度至740℃，通过钢管将铝合金精炼剂随氮气均匀的吹入炉底，并搅拌精炼30min，扒除浮渣，静置1h；
73.s4、出炉浇注，得到铸棒胚料，铸棒胚料经热挤压成型，挤压前将胚料和挤压模具分别预热至480℃和450℃，控制挤压杆速度为3mm/s；热挤压成型后的粗品在550℃下固溶处理1h，在200℃下时效处理3h，得到铝合金管材；
74.s5、在铝合金管材表面浸涂超疏水涂层，得到应用于自行车车架的高强度铝合金。
75.对比例3
76.省略实施例3中的步骤s5，其余步骤相同。
77.对比例4
78.省略实施例4中的步骤s5，其余步骤相同。
79.现对实施例3-4及对比例1-4制备的高强度铝合金进行性能测试，根据en1706：1998测试高强度铝合金的力学性能，测试结果如下表1所示:
80.表1
[0081][0082]
由上表1可知，本发明实施例制备的高强度铝合金相较于对比例，通过添加陶瓷复合材料能够显著增加铝合金的力学性能。
[0083]
现对实施例5-6及对比例3-4进行水接触角测量,水接触角是在kruss dsa30s接触角系统上用3μl液滴测量的。
[0084]
防腐性能测试：以铝合金作为工作电极，以金属铂电极作为对电极，饱和甘汞电极
作为对比电极，浸没在溶质质量分数为3.5％的nac l水溶液中，使用cs350h电化学工作站测试，测试结果如下表2所示:
[0085]
表2
[0086][0087][0088]
由上表2可知，本发明实施例制备的高强度铝合金相较于对比例具有更强的疏水性能和防腐蚀性能。
[0089]
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0090]
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。