CN107365926B

CN107365926B - 铝合金铸件和制造方法

Info

Publication number: CN107365926B
Application number: CN201710253082.4A
Authority: CN
Inventors: H·W·多蒂
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2037-04-18
Also published as: US10604825B2; DE102017109614B4; US20170327929A1; CN107365926A; DE102017109614A1

Abstract

一种在高温使用条件下使用的铝硅铸造合金。合金组成按重量百分比计包括：约5.00％至约17.00％的硅(Si)、约0.00％至约0.90％的铁(Fe)、约0.00％至约1.00％的锰(Mn)、约0.000％至约0.018％的锶(Sr)、约0.00％至约2.00％的铜(Cu)、约0.00％至约0.50％的镁(Mg)、约0.00％至约0.05％的锌(Zn)、约0.01％至约0.10％的硼(B)以及余量的铝(Al)。

Description

铝合金铸件和制造方法

技术领域

本发明涉及金属铸造，具体涉及铝合金组成以及铝合金金属铸造的方法。

背景技术

这部分的陈述仅仅提供与本发明相关联的背景信息，可以构成或不构成现有技术。

由于Al-Si基铸造铝合金良好的铸造性、耐腐蚀性、机械加工性以及高强度重量比，它们广泛应用于汽车、航空航天以及通用工程行业中的结构构件。对于铸造性，由于凝固范围较宽以及潜热降低，具有较低硅含量的合金组成被认为本身便会造成铸件质量差。或者，由于初生硅粒子较粗，具有较高硅含量的合金组成越来越难以加工，具有较低的延展性和断裂韧性。一般来说，铝合金铸件性能基于多个因素，包括合金组成、铸造和凝固条件、以及铸造后工艺或热处理。

在试图扩展或改进铝合金在另外的应用中的可获得铝合金提供的益处的使用时，现有铝合金铸件组成和工艺未能成功用于高温应用中。在高温应用中使用铝合金铸件的压倒性问题是材料有在使用中改变性能的倾向。在设计用于这些应用的铸件时，材料性能最重要的方面其中之一正是材料性能在使用中保持不变。然而，为了这个目的，目前可用的工业铝合金无法提供这种材料性能稳定性。

因此，本领域需要一种提高材料初始性能同时在高温应用中于铸件的整个使用寿命中维持或稳定材料性能的铝合金组成以及制造方法。

发明内容

本发明提供了一种铝硅基铸造合金以及制造工艺。铸造合金的组成按重量百分比计包括约5.00％至约17.00％的硅(Si)、约0.00％至约0.90％的铁(Fe)、约0.00％至约1.00％的锰(Mn)、约0.000％至约0.018％的锶(Sr)、约0.00％至约2.00％的铜(Cu)、约0.00％至约0.50％的镁(Mg)、约0.00％至约0.05％的锌(Zn)、约0.01％至约0.10％的硼(B)以及余量的铝(Al)。

在本发明的另一个示例中，所述组成按重量百分比计包括约7.85％至约7.90％的硅以及约0.20％至约0.30％的铁。

在本发明的又一个示例中，所述组成按重量百分比计包括约0.00％的锶。

在本发明的又一个示例中，所述组成按重量百分比计包括约0.009％的锶。

在本发明的又一个示例中，所述组成按重量百分比计包括约0.40％至约0.41％的铁和约0.00％的锶。

在本发明的又一个示例中，所述组成按重量百分比计包括大于约0.25％的镁。

在本发明的又一个示例中，所述组成按重量百分比计包括大于约1.50％的铜。

在本发明的又一个示例中，所述制造工艺包括通过砂型铸造工艺、永久模铸造工艺、半永久模铸造工艺、高压压铸工艺、挤压铸造工艺以及消失模铸造工艺其中之一制造铸件。

在本发明的又一个示例中，对所述铸件进行分析以确定铸态硅粒子体积分数、平均硅粒度、不溶性金属间粒子体积分数以及不溶性金属间平均粒度。

在本发明的又一个示例中，通过在第一段时间里将铸件加热至第一温度，在第二段时间里将铸件加热至第二温度以及在第三段时间里将铸件加热至第三温度，从而将所述铸件经固溶处理至初熔温度以上。

在本发明的又一个示例中，在约150℃和190℃之间的温度下将铸件老化约6到10小时的时间。

在本发明的又一个示例中，第一温度约为495℃且第一时间段为3小时，第二温度约为515℃且第二时间段为3小时，以及第三温度约为530℃且第三时间段为2小时。

从以下结合附图对实施本发明的最佳方式的详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点变得显而易见。

附图说明

这里所描述的附图仅仅用于说明的目的，而非意在以任何方式限制本发明的范围。

图1是根据本发明一个示例的未改性的319Al以不同的热处理后的室温拉伸强度曲线图；

图2是根据本发明一个示例的未改性的319Al以不同的热处理后的高温(250℃)拉伸强度曲线图；

图3是根据本发明的各种铝硅铸件的一系列微观图；

图4是根据本发明的各种铝硅铸件的一系列微观图；

图5是根据本发明的各种铝硅铸件的一系列微观图；

图6是根据本发明的各种铝硅铸件的一系列微观图；

图7是根据本发明的一个示例的未改性的319Al、Fe改性的319Al以及Sr改性的319Al经一种热处理后的室温拉伸强度曲线图；以及

图8是根据本发明的一个示例的表1所示的未改性的319Al、Fe改性的319Al以及Sr改性的319Al经一种热处理后的室温拉伸强度曲线图。

具体实施方式

以下的描述在本质上仅仅是示例性的，而非意在限制本发明、应用或者用途。

与大部分金属铸造实践和应用一样，金属合金的微结构对材料的机械性能具有很大的影响。具体针对Al-Si合金，影响微结构的主要铸造实践为热处理过程中的凝固速率、化学杂质改性以及热改性。对于几乎所有的组成来说，以没有经过固溶热处理的Al-Si合金铸造的零件，特别是在长时间暴露于高温下之后，其所能达到的最低高温强度较高。此外，共晶硅的较高的体积分数是保持较高高温强度的另一种方式。然而，不经固溶处理和高共晶硅两者导致了热处理后以及室温强度较低。

现参见图1和2，其中绘出了几个具有不同的Si和Sr含量的Al-Si合金样品的拉伸强度曲线。图1示出了室温拉伸强度，而图2示出了高温(250℃)拉伸强度。总的来说，每种热处理都使高温拉伸强度显著地下降。更说明了比起仅经沉淀处理的或铸态铸件(AC，T52，T56)，经固溶处理的铸件(T6和T61-2)损失的高温强度要多得多。

参见图3，未改性的319Al的微观图显示了因通过在495℃下的固溶热处理而暴露于高温下所导致的共晶硅粒子的形态变化。铸态样品a)体现出板状共晶硅。在1小时的固溶时间b)之后，共晶硅粒度减小，同时，粒子端部圆化了一些。随着固溶时间的增长c)和d)，粒度继续减小，与此同时，共晶硅粒子的形状随着球化的继续明显地进一步圆化。

接着，图4包括在a)铸态下，b)1小时，c)16小时以及d)48小时的固溶热处理之后的锶改性的319Al微结构的微观图。锶改性和高冷却速率使得在铸态a)下可得到细粒子共晶硅。在固溶处理开始时，粒度在1小时之后b)开始减小。然而，随着固溶时间增长至16小时c)和48小时d)，粒度则***并进一步圆化。

从上述结果能够得出结论，即未改性的和锶改性的319Al经固溶处理后得到了相似的粗圆共晶硅微结构。然而，对于铸件的工业生产来说，48小时太长了。必须创造一种实现这种以48小时的固溶处理获得的微结构的途径。

在对高温使用环境中稳定的铝铸件的持续寻找中，对组成改性和固溶温度两者对微结构的影响进行了检验。下面的表1提供了含锰(Mn)的319Al、用锶(Sr)改性的含Mn的319Al以及用较高水平的铁(Fe)改性的含Mn的319Al的组成。

表1：改性后的319Al的样品组成319Al+Mn，319Al+Mn+Sr以及319Al+Mn+Fe。

热处理

495℃

515℃

530℃

540℃

555℃

老化

铸态

无

T6

8:00hr

180℃ 8:00hr

T61

3:00hr

5:00hr

180℃ 8:00hr

T62

3:00hr

2:00hr

180℃ 8:00hr

T63

3:00hr

2:00hr

1:00hr

180℃ 8:00hr

T64

3:00hr

2:00hr

1:00hr

180℃ 8:00hr

表2：样品固溶热处理步骤和温度

参见图5和6，其中显示了样品用表1中的组成改性以及以表2中的时长和温度进行固溶热处理后生成的显微图。可以看出，当最高固溶温度超过515℃时，共晶硅粒子的圆化加速。据估计，温度每升高10℃，粒子圆化所需的时间减半。然而，从图6中可以看出，在T64的固溶热处理中，已经发生初熔。因而，将固溶温度升高至555℃导致了不利的反应。还应进一步注意，在开始粗化工艺之前，硅粒子的平均粒度首先减小至最低限度。在初熔超过该粗化工艺之前，此粗化工艺继续进行直至最低540℃。此外，对于Fe改性，随着固溶温度升高，含Fe的不溶性金属间粒子圆化和***为较小粒子。这开启了使微结构在较高温度下免于初熔的可能性，所述较高温度至少至共晶温度。

在图7和8中绘出了图5和6所示样品的拉伸强度曲线图。需要注意的是，经T61的固溶热处理之后，室温强度达到峰值。

在图8中绘出了表1和2中的随后在250℃下稳定了200小时的样品的拉伸强度曲线图。铸态微结构表现出最好的强度保持率，然而，随着最高固溶温度的升高，高温强度也开始改善，导致第二相粒子粗化。

随着微结构中硬粒子量越多，总体硬度和强度则增加，尤其是在铝基体的硬度和强度急速下降的高温下。如可溶性金属间化合物和强化沉淀物等可溶相在长时间暴露于高温下之后硬度和强度的增加量很少。然而，可溶性金属间化合物和强化沉淀物在制造过程中是非常有用的。例如，对于越高硬度的铝铸件，机械加工力和工具磨损通常越低。因此，保持最低硬化度对帮助制造机械加工铸件来说是有必要的。对于高温或循环温度环境中的长期稳定性，需要最优化硬粒子的体积分数，使硬度和强度与延展性和抗疲劳性保持平衡。在所有铸件设计应用中，负载、设计几何形状、工作温度以及加热速率都有助于确定最优化体积分数，该最优化体积分数对所有铸件设计应用来说并非固定的。此外，硬粒子的类型，包括硬度、粒度、形状、间距以及与基体的界面粘合，也贡献了指定最优化体积分数所需的信息。

因此，需保持最低沉淀硬化水平。在铝硅铸造合金中，可采用0.25％以上的镁、1.5％以上的铜或两者的某种组合来获得适当的硬度。由于较高水平的Mg和Cu会导致形成可溶性金属间化合物，这些可溶性金属间化合物会降低铸件质量并且通过造成初溶威胁还会妨害在下文提出的热处理工艺，因此保持实际可行的低Mg和Cu很重要。

此外，共晶硅和金属间不溶性硬质相两者的体积分数、粒度和分布都必需控制在紧密容差内。这是通过与初级铸造工艺中的局部凝固条件相适应的化学改性来实现的。这些相的体积分数不会通过随后的热处理而改变，只有形状和粒度会改变，因此在初始微结构中生成正确的量比较有利。对于高温应用，所述合金包括按重量计在5.0％和17.0％之间的量的硅、按重量计在0.0％和0.9％之间的量的铁、按重量计在0.0％和1.0％之间的量的锰、按重量计在0.0％和0.3％之间的量的铬以及按重量计在0.0％和2.0％之间的量的镍。

然后，通过优化热处理工艺可得到特定于该应用的不溶性硬粒子粒度、形状和体积分数。由于极大一部分硬质相为可溶性，从而消失于固溶化过程中，因此，在工业合金未经过固溶处理时，它们可显示出改善的高温强度。此外，当前的固溶处理工艺已经过优化，使得共晶硅粒度最小化，以便使延展性最大化。然而，对于高温强度来说，需要稍微较大的粒度。因此，一种可能使用的工艺是在固溶状态下处理合金，并在形态上相当好地将不溶性金属间化合物控制在最优化体积分数下。或者，另一种可能的工艺为通过将温度逐步升至允许共晶硅生长超过最小量的水平，同时细化和球化不溶性金属间相。一旦通过固溶处理工艺限定了硬粒子的形状和粒度，随后的老化过程中的热暴露以及在使用中对性能的影响会很小。因此，一旦硬化沉淀物已不再具有内聚性，保持将限定能达到的最低硬度和强度的稳定结构和性能便是该工艺的目标。

控制合金组成、铸造工艺以及热处理方法以形成具有细化且球化的不溶性金属间相的铝铸件。金属间相以铁基为主，但它们还可包含Mn、Cr、Ni等作为少量杂质。对于要求室温韧性的应用，包含的金属间相按体积计小于2-3％，或者，对于高刚度应用，其按体积计为6-10％。共晶硅相经稳定超过最小粒度并通过未改性结构的***或改性结构的凝聚而球化。理想的硬粒子粒度在50和110微米之间(圆当量直径其中A为粒子的测量面积)，粒子形状接近球状。对于高韧性应用，包含的共晶硅相按体积计约为6-12％，且对于较高刚度应用，其按体积计为6-15％。

因此，表3详述了对于不同应用的合金组成，包括中等或高温以及高或低韧性。

表3：用于中等温度或高温、高或低韧性应用的化学组成

除了表3的组成参考之外，表4包括对于每一应用的最优微结构特征的参考。

表4：用于中等或高温度、低或高韧性应用的理想微结构特征

虽然详细描述了实施本发明的最佳方式，但本发明所涉及的领域内的技术人员应意识各种不同的在所附权利要求书的范围内对本发明进行实践的可选设计和示例。

Claims

1.一种铝硅基铸造合金，所述铸造合金的组成按重量百分比计包括：

5.00%至17.00%的硅（Si）；

0.00%至0.90%的铁（Fe）；

0.00%至1.00%的锰（Mn）；

0.000%至0.018%的锶（Sr）；

1.50%至2.00%的铜（Cu）；

0.00%至0.50%的镁（Mg）；

0.00%至0.05%的锌（Zn）；

0.01%至0.10%的硼（B）；以及

余量的铝（Al）；

其中铸件经下列步骤中的固溶处理至初熔温度以上：

在3小时的第一段时间里将所述铸件加热至495℃的第一温度；

在3小时的第二段时间里将所述铸件加热至515℃的第二温度；以及

在2小时的第三段时间里将所述铸件加热至530℃的第三温度。

2.如权利要求1所述的铝硅基铸造合金，其中所述组成按重量百分比计包括7.85%至7.90%的硅以及0.20%至0.30%的铁。

3.如权利要求2所述的铝硅基铸造合金，其中所述组成按重量百分比计包括0.00%的锶。

4.如权利要求2所述的铝硅基铸造合金，其中所述组成按重量百分比计包括0.009%的锶。

5.如权利要求1所述的铝硅基铸造合金，其中所述组成按重量百分比计包括0.30%至0.41%的铁和0.00%的锶。

6.如权利要求1所述的铝硅基铸造合金，其中所述组成按重量百分比计包括大于0.25%的镁。

7.如权利要求1所述的铝硅基铸造合金，其中所述铝硅基铸造合金的制造工艺包括通过砂型铸造工艺、永久模铸造工艺、半永久模铸造工艺、高压压铸工艺、挤压铸造工艺以及消失模铸造工艺其中之一制造铸件，并且其中对所述铸件进行分析以确定铸态硅粒子体积分数、平均硅粒度、不溶性金属间粒子体积分数以及不溶性金属间平均粒度。