專利名稱：：改進(jìn)的鑄造鋁合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明通常涉及鋁合金，更特別地涉及在升高的溫度具有改進(jìn)的機(jī)械性質(zhì)尤其是防腐蝕性的可熱處理的鋁合金。
背景技術(shù)：
：在汽車和其他工業(yè)中的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中最常用的鑄造鋁合金包括Al-Si族合金，例如200和300系列鋁合金。其主要由于其鑄造性和機(jī)械加工性而使用。關(guān)于鑄造性，已經(jīng)知道低硅濃度制備固有較差的鑄造性。類似地，盡管已經(jīng)開發(fā)Al-Cu合金用于高強(qiáng)度應(yīng)用，但由于非常高的熱撕裂趨勢而使其受困于差的鑄造性。在Al-Si鑄造合金(例如合金319、356、390、360、380)中，在添加包括但不限于Cu和Mg的各種合金化元素，通過鑄造之后熱處理實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)。鑄造鋁的熱處理至少包括描述為時(shí)效硬化或沉淀增強(qiáng)的機(jī)理。熱處理通常包括以下三個(gè)步驟中的至少一個(gè)或其組合(1)在低于該合金的熔點(diǎn)的較高溫度進(jìn)行固溶處理(也定義為T4)，處理時(shí)間通常超過8小時(shí)或更高以溶解其合金化(溶質(zhì))元素并均化或改變微結(jié)構(gòu)；(2)在固溶處理之后快速冷卻或驟冷到冷或暖的液體介質(zhì)(例如水)中以將該溶質(zhì)元素保留在過飽和的固溶體中；和(3)通過將該合金在適于通過沉淀實(shí)現(xiàn)硬化或增強(qiáng)的中間溫度保持一段時(shí)間而進(jìn)行人為老化(T5)。固溶處理(T4)用于三個(gè)主要目的(1)溶解隨后將造成時(shí)效硬化的元素；(2)球化未溶解的組分；和(3)均化該材料中的溶質(zhì)濃度。在T4固溶處理后的驟冷將該溶質(zhì)元素保留在過飽和的固溶體(SSS)中，還產(chǎn)生了空穴的過飽和，這增強(qiáng)了沉淀物的擴(kuò)散和分散。為使該合金的強(qiáng)度最大化，在驟冷過程中應(yīng)當(dāng)防止所有增強(qiáng)性相的沉淀。老化(T5，自然或人工老化)導(dǎo)致增強(qiáng)性沉淀物的受控分散。添加增強(qiáng)性元素(例如Cu、Mg和Mn)能夠?qū)υ摬牧系奈锢硇再|(zhì)具有顯著影響。已經(jīng)報(bào)道具有高銅含量(約3-4%)的鋁合金經(jīng)歷不可接受的腐蝕速率，尤其是在含鹽的環(huán)境中。用于傳動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)部件的典型高壓模鑄(HPDC)鋁合金(例如A380或383)包含2-4%銅。能夠預(yù)期這些合金的腐蝕問題將變得越來越顯著，特別是在需要較長的保證時(shí)間和較高的車輛里程時(shí)。圖1顯示了已經(jīng)腐蝕的鋁傳動(dòng)蓋的照片。圖2是顯示由于存在Q相10(Al5Cu2Mg8Si5)而有凹坑的表面空穴。盡管有商業(yè)合金360(標(biāo)稱重量組成為9.5%SiU.3%Fe、0.3%Μη、0·5%Cu、0.5%Mg、0.5%Ni、0.5%Zn、0.15%Sn，其余為Al)設(shè)計(jì)用于防腐蝕應(yīng)用，但該合金隨著使用時(shí)間可能呈現(xiàn)熱疲勞問題，尤其是在高性能發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中。美國專利號6，733，726中所述的合金也可能發(fā)生類似的問題。因此，存在對改進(jìn)的可鑄造的鋁合金及其制備方法的需求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了在合金化優(yōu)化以及鑄造和熱處理工藝控制方面的方法和技術(shù)，以制備對于室溫和升高的溫度的結(jié)構(gòu)應(yīng)用而言具有改進(jìn)的機(jī)械性質(zhì)和防腐蝕性的可鑄造且可熱處理的鋁合金。本發(fā)明的一個(gè)方面是鋁合金。通常，該合金可以包含約0_2襯％稀土元素、約0.5-約14wt%硅、約0.25-約2.0wt%銅、約0.1-約3.0wt%鎳、約0.1-1.0%鐵、約0.1-約2.0wt%鋅、約0.1-約1.0wt%鎂、0-約1.0wt%銀、約0.01-約0.2wt%鍶、0-約1.0wt%鈧、0-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、O-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5襯％銦，其余為鋁。本發(fā)明的另一方面包括制造鑄造鋁部件的方法。在一種實(shí)施方案中，該方法包括提供基本上由以下組成的鋁合金0-約2.0wt%至少一種稀土元素、約0.5-約、約0.25-約2.0wt%銅、約0.1-約3.0wt%鎳、約0.1-約1.0wt%鐵、約0.1-約2.0wt%鋅、約0.1-約1.0wt%鎂、0-約1.0wt%銀、約0.01-約0.2wt%鍶、0-約1.0wt%鈧、0-約1.0wt%錳、ο-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、O-約0.5wt%銦，其余為鋁；將該鋁合金加熱到高于熔點(diǎn)；將該經(jīng)加熱的鋁合金在模具中鑄造；冷卻該鋁合金以形成該部件；和任選地?zé)崽幚碓摬考１景l(fā)明進(jìn)一步體現(xiàn)在如下方面1.鋁合金，基本上由以下組成0-約2.0wt%至少一種稀土元素、約0.5-約Hwt%硅、約0.25-約2.0wt%銅、約0.1-約3.0wt%鎳、約0.1-約1.0wt%鐵、約0.1-約2.0wt%鋅、約0.1-約1.0wt%鎂、0-約1.(^1%銀、約0.01-約0.2wt%鍶、0-約1.(^%鈧、0_約1.0wt%M,0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、O-約0.3wt%鉻、O-約0.5wt%銦，其余為鋁。2.方面1的鋁合金，基本上由以下組成0-約1.0wt%至少一種稀土元素、約6-約13wt%硅、約0.25-約1.5wt%銅、約0.5-約2wt%鎳、約0.1-約0.5%鐵、約0.1-約1.5wt%鋅、約0.3-約0.6wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.Iwt9^g、0_約0.5wt%fi,^0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5襯％銦，其余為鋁。3.方面1的鋁合金，基本上由以下組成約0.5-約1.0wt%至少一種稀土元素、約8-約10wt%·、約0.25-約0.、約1.0-約2.5wt%11,^0.1-約0.、約0.5-約1.5wt%鋅、約0.1-約0.3wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、O-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁。4.方面1的鋁合金，基本上由以下組成0-約lwt%至少一種稀土元素、約8-約10wt%硅、約0.25-約0.5wt%銅、約0.5-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5wt%鐵、約0.5-約1.(^1%鋅、約0.2-約0.4wt%鎂、0-約0.5界1%銀、約0.01-約0.Iwt9^g、0_約0.0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、O-約0.3wt%鉻、0-約0.5襯％銦，其余為鋁。5.方面1的鋁合金，基本上由以下組成0-約lwt%至少一種稀土元素、約8-約12wt%·、約0.25-約1.5wt9^|f、約0.5-約2.5wt%11,^0.1-約0.5%鐵、約0.5-約1.0wt%鋅、約0.3-約0.6wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.Iwt9^g、0_約0.5wt%fi,^0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5襯％銦，其余為鋁。6.方面1的鋁合金，其中該稀土元素是鑭、鐿、釓、釹、鉺、鈥、銩、鈰或其組合。7.方面1的鋁合金，其中銅的量和鎳的量的總和小于約4.0wt%。8.方面1的鋁合金，其中銅的量與鎳的量之比大于約1.5。9.方面1的鋁合金，其中銅的量和鎳的量的總和小于約4.0wt%，且銅的量與鎳的量之比大于約1.5。10.方面1的鋁合金，其中該鋁合金的微結(jié)構(gòu)包括至少一種不溶固化顆粒、沉淀顆?；騼烧?。11.方面1的鋁合金，其中當(dāng)該合金包含約7-約Hwt%硅時(shí)，該合金包含約0.01-約0.015wt%鍶、約0.15-約0.2wt%鈦和約0.005-約0.lwt%硼。12.方面1的鋁合金，其中鐵的量和錳的量的總和為約0.5-1.5wt%。13.方面1的鋁合金，其中錳的量與鐵的量之比至少為約0.5。14.方面1的鋁合金，其中有至少約0.5wt%的鋅。15.方面1的鋁合金，其中該鋁合金包含約12-約Hwt%硅和約0.45-約1.0wt%鎂。16.制造鑄造鋁部件的方法，包括提供基本上由以下組成的鋁合金0-約2.0wt%至少一種稀土元素、約0.5-約Hwt%硅、約0.25-約2.0wt%銅、約0.1-約3.0wt%鎳、約0.1-約1.0wt%鐵、約0.1-約2.0wt%鋅、約0.1-約1.0wt%鎂、0-約1.0wt%銀、約0.01-約0.2wt%鍶、0-約1.0wt%鈧、0-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁；將該鋁合金加熱到高于熔點(diǎn)；將該經(jīng)加熱的鋁合金澆鑄到模具中；將該鋁合金冷卻以形成該部件；和任選地?zé)崽幚碓摬考?7.方面16的方法，其中熱處理該部件，以及其中該鋁合金基本上由以下組成0-約1.0wt%至少一種稀土元素、約6-約13wt%硅、約0.25-約1.5wt%銅、約0.5-約2wt%鎳、約0.1-約0.5%鐵、約0.1-約1.5wt%鋅、約0.3-約0.6wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁；以及其中該熱處理是固溶處理，然后快速冷卻，然后老化。18.方面16的方法，其中不熱處理該部件，以及其中該鋁合金基本上由以下組成約0.5-約1.0wt%至少一種稀土元素、約8-約10wt%硅、約0.25-約0.5wt%銅、約1.0-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5wt%鐵、約0.5-約1.5wt%鋅、約0.1-約0.3wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁。19.方面16的方法，其中熱處理該部件，以及其中該鋁合金基本上由以下組成0-約lwt%至少一種稀土元素、約8-約10wt%硅、約0.25-約0.5wt%銅、約0.5-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5wt%鐵、約0.5-約1.0wt%鋅、約0.2-約0.4wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁；以及其中該熱處理是老化。20.方面16的方法，其中熱處理該部件，以及其中該鋁合金基本上由以下組成0-約lwt%至少一種稀土元素、約8-約12wt%硅、約0.25-約1.5wt%銅、約0.5-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5%鐵、約0.5-約1.0wt%鋅、約0.3-約0.6wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%wt釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁；以及其中該熱處理是固溶處理。圖1是腐蝕的鋁傳動(dòng)蓋的照片。圖2是顯示由于存在Q相10(Al5Cu2Ife8Si5)而有凹坑的表面空穴。圖3是經(jīng)計(jì)算的鑄造鋁合金的相圖，顯示了隨Cu含量改變的相變。圖4是經(jīng)計(jì)算的鑄造鋁合金的相圖，顯示了隨Mg含量改變的相變。圖5是經(jīng)計(jì)算的鑄造鋁合金(Al-Si-Mg-Cu)的相圖，顯示了Mg和Si含量對Q相(Al5Cu2Mg8Si6)曲線的零相分?jǐn)?shù)(ZPF)的影響。圖6是經(jīng)計(jì)算的鑄造鋁合金(Al-Cu-0.3%Mg_9%Si)的相圖，顯示了隨Cu含量改變的相變和Gd和Y對Q相(Al5Cu2Ife8Si6)曲線的零相分?jǐn)?shù)(Zerophasefraction,ZPF)的影響。圖7顯示了D022、DO23和Ll2三鋁化物和鋁fee結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)。圖8是顯示鋁中的合金化元素的擴(kuò)散率隨溫度變化的圖表。圖9是pH3.56的脫氣0.5MNaCl中的擊穿電勢和合金Cu含量之間的關(guān)系。圖10是顯示圖像分析法測得的空隙含量與合金中Cu含量的關(guān)系圖表。具體實(shí)施例方式提供了高強(qiáng)度和高防腐蝕性的鋁合金。與商業(yè)合金360和380相比，這些合金應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出更好的防腐蝕性和更高的機(jī)械性質(zhì)。該鑄造鋁合金改進(jìn)的強(qiáng)度和防腐蝕性將其可接受性和用途延伸到具有環(huán)境挑戰(zhàn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，例如發(fā)動(dòng)機(jī)組、汽缸蓋、變速箱和懸掛部件。其他優(yōu)點(diǎn)將是汽車應(yīng)用中鑄造鋁部件的保修成本的顯著降低。該合金可以包含至少一種稀土元素，例如鑭、鐿、釓、釹、鉺、鈥、銩和鈰。該合金也可以包含至少一種鑄造性和強(qiáng)度增強(qiáng)性元素，例如硅、錳、鐵、銅、鋅、銀、鎂、鎳、鍺、錫、鈣和鈧、釔和鈷。該合金的微結(jié)構(gòu)能夠包括至少一個(gè)或多個(gè)具有至少一種稀土元素或一種合金化元素的不溶的固化和/或沉淀的顆粒。通常，該合金基本上由以下組成約0-約2.0wt%至少一種稀土元素、約0.5-約14wt%硅、約0.25-約2.0wt%銅、約0.1-約3.0wt%鎳、約0.1-1.0%鐵、約0.1-約2.0wt%鋅、約0.1-約1.0wt%鎂、0-約1.0wt%銀、約0.01-約0.2wt%鍶、0-約1.0wt%鈧、0-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5襯％銦，其余為鋁。在其中該合金將經(jīng)歷完整的固溶和老化處理(例如T6/T7=T4+T5)的實(shí)施方案中，該鋁合金基本上由以下組成0-約1.0wt%至少一種稀土元素、約6-約13襯％硅、約0.25-約1.、約0.1-約0.5%鐵、約0.1-約1.3-約0.6wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、O-約0.3wt%鉻、O-約0.5wt%銦，其余為鋁。在其中該合金將以鑄造原樣的狀態(tài)使用的另一實(shí)施方案中，該鋁合金基本上由以下組成約0.5-約1.0wt%至少一種稀土元素、約8-約10wt%硅、約0.25-約0.5wt%銅、約1.0-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5wt%鐵、約0.5-約1.5wt%鋅、約0.1-約0.3wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁。在其中該合金經(jīng)歷T5條件的另一實(shí)施方案中，該鋁合金基本上由以下組成0-約lwt%至少一種稀土元素、約8-約10wt%硅、約0.25-約0.5wt%銅、約0.5-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5wt%鐵、約0.5-約1.0wt%鋅、約0.2-約0.4wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、O-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁。在其中使用T4條件對該合金處理的另一實(shí)施方案中，該鋁合金基本上由以下組成0-約lwt%至少一種稀土元素、約8-約12wt%硅、約0.25-約1.5wt%銅、約0.5-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5%鐵、約0.5-約1.0wt%鋅、約0.3-約0.6wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁。在一種實(shí)施方案中，銅的量加上鎳的量的總和通常小于約4.0%，鎳的量與銅的量之比通常大于約1.5。受控的固化和熱處理改進(jìn)了微結(jié)構(gòu)均勻性和細(xì)化并為特定的鑄造條件提供了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)?？梢允褂脙?yōu)選含量不小于約0.015wt%的Sr對該合金進(jìn)行改性，并用濃度分別不小于約0.15wt%和約0.005wt%的Ti和B對該合金進(jìn)行晶粒細(xì)化。對于常規(guī)的高壓模鑄，所提出的合金的固溶處理溫度典型為約400°C-約500°C，優(yōu)選溫度范圍為約450°C-約480°C。鑄件的快速冷卻能夠通過將該鑄件驟冷到溫水、強(qiáng)迫通風(fēng)或氣體中而實(shí)現(xiàn)。老化溫度通常為約160-約250°C，優(yōu)選溫度范圍為約180-約220°C。當(dāng)使用合金用于完全T6/T7或T4熱處理時(shí)，該固溶處理溫度應(yīng)當(dāng)既不低于約400°C也不高于約500°C。優(yōu)選的固溶處理溫度應(yīng)當(dāng)控制為約450°C-約480°C。當(dāng)在鑄造原樣或T5條件使用合金時(shí)，如果該鑄件在其固化之后于高于約400°C時(shí)驟冷，則能夠使用高的銅含量(高達(dá)約0.5%)和鎂含量(高達(dá)0.4%)。否則銅和鎂含量的上限應(yīng)當(dāng)分別為約0.2wt%和0.3wt%。當(dāng)使用高Si含量(接近共晶組成12_14%Si)時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用高的Mg含量(大于約0.45%)和B含量(約0.05-約0.lwt%)以細(xì)化該共晶(Al+Si)晶粒。以上組成范圍可以根據(jù)性能需要而調(diào)節(jié)。改進(jìn)的增強(qiáng)鑄造鋁合金通常在機(jī)加工之前經(jīng)過至少包括老化的熱處理。人工老化(T5)通過將該鋁鑄件加熱到中間溫度并然后將該鑄件保持一段時(shí)間以通過沉淀實(shí)現(xiàn)硬化或增強(qiáng)而產(chǎn)生沉淀硬化。考慮到沉淀硬化是動(dòng)力學(xué)過程，因此在鑄造原樣的鋁固溶體中保留的溶質(zhì)元素的含量(過飽和)在該鋁鑄件的老化響應(yīng)中具有重要的作用。因此，在該鑄造之后的鋁軟基質(zhì)溶體中硬化溶質(zhì)的實(shí)際含量對于隨后的老化是重要的。例如在HPDC工藝中所見的高冷卻速率與例如在砂鑄工藝中所見的較低的冷卻速率相比導(dǎo)致在該鋁溶體中較高的元素濃度。Mg、Cu和Si是鋁合金中有效的硬化溶質(zhì)。Mg與Si結(jié)合生成Mg/Si沉淀物，例如β’’、β’和平衡Mg2Si相。實(shí)際的沉淀物類型、含量和尺寸取決于老化條件。老化不足傾向于生成可剪切的β’’沉淀物，而在高的過老化條件下生成不可剪切的β，和平衡Mg2Si相。在鋁合金中，Si能夠單獨(dú)生成Si沉淀物，但增強(qiáng)是非常有限的，而且不如Mg/Si沉淀物那么有效。Cu能夠和Al結(jié)合在Al-Si-Mg-Cu合金中生成很多亞穩(wěn)沉淀物相，例如Θ’、θ。與Mg/Si沉淀物類似，實(shí)際沉淀物的類型、尺寸和含量取決于老化條件和合金組成。在鑄造鋁合金中的那些沉淀物中，Al/Cu沉淀物和硅沉淀物與Mg/Si沉淀物相比能夠承受高對于常規(guī)HPDC合金，最大Mg含量典型地小于約0.1%。在實(shí)踐中，合金中的實(shí)際Mg含量能夠更低得多。因此，甚至在T5老化工藝中也將會(huì)預(yù)期沒有由于Mg/Si沉淀物的增強(qiáng)/硬化。唯一可能的增強(qiáng)/硬化將會(huì)預(yù)期來自Al/Cu沉淀物。然而，在目前的制備中，來自Al/Cu沉淀物的增強(qiáng)也受到限制，因?yàn)殍T造原樣的鋁基體中的實(shí)際Cu含量非常低(由熱力學(xué)計(jì)算接近零(參見圖3))，特別是在固化之后緩慢冷卻該組件時(shí)。盡管在該常規(guī)HPDC合金的液態(tài)熔體中包含高Cu含量(例如約3%)，在固化過程中大部分的Cu與!^e和其他元素結(jié)合形成金屬間相，例如Q相(Al5Cu2Mg8Si6),如果該組件/部件不經(jīng)過高溫固溶處理，所述相就沒有老化響應(yīng)。還發(fā)現(xiàn)Q相顆粒是造成腐蝕尤其是應(yīng)力腐蝕斷裂的原因。因此，對于僅經(jīng)過T5老化過程的鑄件，應(yīng)當(dāng)保持低的Cu含量，例如低于約0.5%，以使所有添加的Cu在固化之后都保持在Al固溶體中。然而，當(dāng)該合金經(jīng)過完全熱處理(例如T6或T7)時(shí)，能夠?qū)u含量提高到高達(dá)約2wt%。對于防腐蝕應(yīng)用，優(yōu)選控制該銅含量低于約1.5wt%,甚至低于約1.0wt%。如圖3中所示，當(dāng)該鑄件在高于約450°C的溫度保持足夠的時(shí)間時(shí)，該Q相能夠完全溶解。從熱力學(xué)計(jì)算中還看到在四元合金(Al-Cu-0.3wt%Mg-9wt%Si，圖3中的菱形點(diǎn))中添力口0.4wt%Fe、0.1wt%Gd、0.1wt%Ge、0.5wt%Mn、0.5wt%Ni、0.1wt%Sc、0.25wt%Sn、0.05wt%Sr、0.15wt%Ti、0.25wt%Y、0.75wt%Zn和0.1wt%Zr使Q相(Al5Cu2Mg8Si6)的零相分?jǐn)?shù)(ZeroPhaseFraction,ZPF)曲線降低到較低的溫度，這是適宜的。為了進(jìn)一步改進(jìn)鑄造鋁合金的老化相應(yīng)，該合金中的鎂含量應(yīng)當(dāng)保持不低于約0.2wt%，優(yōu)選含量高于約0.3wt%0對于僅經(jīng)過T5老化過程的鑄件，最大Mg含量應(yīng)當(dāng)保持低于約0.4%，優(yōu)選含量為約0.35%，使得添加的大部分Mg在快速固化如高壓模鑄之后(圖4)保持在Al固溶體中。還有興趣地注意到圖4中在Mg含量保持低于約0.18wt%時(shí)，在四元合金(Al-Mg-lwt%Cu-9wt%Si)中添加0.4wt%Fe、0.1wt%Gd、0.1wt%Ge、0.5wt%Mn、0.5wt%Ni、0.1wt%Sc、0.25wt%Sn、0.05wt%Sr、0.15wt%Ti、0.25wt%Y、0.75wt%Zn和0.1wt%^沒有生成Q相(Al5Cu2Mg8Si6)。這表明無論該鑄件的冷卻如何緩慢，在該鑄件中都不存在Q相。依照熱力學(xué)計(jì)算，如圖5中所示，對于Al-Si-Mg-Cu系統(tǒng)，看到Mg含量的降低將Q相的生成抑制到較低的溫度。將Si從0.5%提高到9%對相圖中的零相分?jǐn)?shù)(ZPF)曲線沒有顯著影響。能夠在該合金中添加稀土元素以通過在共晶固化過程中生成分散的不溶顆粒提高高溫性質(zhì)。在一種實(shí)例中，該鋁合金包含約0.5wt%至少一種稀土元素，例如鑭、鐿、釓、鉺和鈰，用于在鑄造原樣(不加任何熱處理)條件使用的鑄件?；跓崃W(xué)計(jì)算，圖6，在鑄造鋁合金中添加痕量元素將不會(huì)增加對Q相生成的任何有害影響。如圖6中所示，添加Y(0.5wt%)和稀土元素Gd(0.5wt%)未改變Q相的ZPF曲線。高溫性能改進(jìn)開發(fā)的鑄造鋁合金具有好的在升高的溫度的性質(zhì)，因?yàn)樵摵辖鸢篌w積分?jǐn)?shù)的分散相，其在預(yù)期使用溫度是熱力學(xué)穩(wěn)定的。在鑄造鋁合金中添加Fe、Ni和Mn，在固化過程中生成了顯著量的熱穩(wěn)定共晶分散相，例如Al3Ni、Al5FeSLAl5FeMn3Si2和其他金屬間相。添加Sc、Zr、Y和稀土元素(例如Yb、Er、Ho、Tm和Lu)還生成了三鋁化物。特別的，Sc、Er和Yb的三鋁化物結(jié)晶成高溫穩(wěn)定的Ll2結(jié)構(gòu)。三鋁化物(例如Al3Ti、AlJr、Al3Lu、Al3Y等)的其他四方晶體結(jié)構(gòu)(D(^2或DO23)也與Ll2結(jié)構(gòu)密切相關(guān)(圖7)，且能夠通過與第四周期過渡元素(例如Cr、Mn、Fe、C0、Ni、Cu和Zn)合金化而進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葘ΨQ的立方Ll2晶體。此外，金屬間AlJi沉淀物作為共格亞穩(wěn)(coherentmetastable)Ll2生成。用Ti部分取代&降低了Ll2沉淀物與Al基質(zhì)的晶格失配，由此降低了成核阻力，提高了Ll2相的穩(wěn)定性，并非常顯著地延遲了轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较唷Ｗ詈?，^在Al中是比&更緩慢得多的擴(kuò)散物(圖8)，其能夠提供增強(qiáng)的粗化阻力，因?yàn)殡S著溶質(zhì)通過基質(zhì)從收縮顆粒轉(zhuǎn)移到生長顆粒，Ostwald熟化動(dòng)力學(xué)受到體積擴(kuò)散的調(diào)節(jié)。防腐蝕性改進(jìn)在含Cu的鋁合金中，降低Cu含量改進(jìn)了材料的防腐蝕性。Meng和Frankel研究了Cu含量對7xxx系列鋁合金的腐蝕行為的影響。QingjiangMeng和G.S.Frankel,"EffectofCuContentonCorrosionBehaviorof7xxxSeriesAluminumAlloys",JournaloftheElectrochemicalSociety,151-155B271-B283,2004。發(fā)現(xiàn)對于除無Cu的AA7004以外的所有經(jīng)研究的合金都觀察到兩個(gè)擊穿電勢，這表示添加Cu降低了防腐蝕性。擊穿電勢的數(shù)據(jù)列在表1中。圖9顯示了在半對數(shù)坐標(biāo)上擊穿電勢與合金中Cu含量之間的關(guān)系。對于含Cu的合金，隨著Cu含量的提高，兩個(gè)擊穿電勢都對數(shù)地提高。含Cu合金的兩個(gè)擊穿電勢之差接近恒定，52-70mV，如表1和圖9中所示。對于無Cu的AA7004，僅觀察到第二擊穿電勢(E2),其與穩(wěn)定溶解有關(guān)。表1.AA7xxx-T6在脫氣的0.5MNaCl在pH3.56的擊穿電勢權(quán)利要求1.鋁合金，基本上由以下組成0-約2.0wt%至少一種稀土元素、約0.5-約Hwt%硅、約0.25-約2.0wt%銅、約0.1-約3.0wt%鎳、約0.1-約1.0wt%鐵、約0.1-約2.0wt%鋅、約0.1-約1.0wt%鎂、0-約1.(^1%銀、約0.01-約0.2wt%鍶、0-約1.(^%鈧、0_約1.0wt%M,0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約·0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、O-約0.3wt%鉻、O-約0.5wt%銦，其余為鋁。2.權(quán)利要求1的鋁合金，基本上由以下組成0-約1.0wt%至少一種稀土元素、約6-約13wt%硅、約0.25-約1.5wt%銅、約0.5-約2wt%鎳、約0.1-約0.5%鐵、約0.1-約1.5wt%鋅、約0.3-約0.6wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.Iwt9^g、0_約0.5wt%fi,^0.5-約·1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約·0.5襯％銦，其余為鋁。3.權(quán)利要求1的鋁合金，基本上由以下組成約0.5-約1.0wt%至少一種稀土元素、約8-約10wt%·、約0.25-約0.、約1.0-約2.5wt%11,^0.1-約0.、約0.5-約·1.5wt%鋅、約0.1-約0.3wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、O-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁。4.權(quán)利要求1的鋁合金，基本上由以下組成0-約lwt%至少一種稀土元素、約8-約10wt%硅、約0.25-約0.5wt%銅、約0.5-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5wt%鐵、約0.5-約1.0wt%鋅、約0.2-約0.4wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.·0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約·0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、O-約0.3wt%鉻、0-約0.5襯％銦，其余為鋁。5.權(quán)利要求1的鋁合金，基本上由以下組成0-約lwt%至少一種稀土元素、約8-約12wt%·、約0.25-約1.5wt9^|f、約0.5-約2.5wt%11,^0.1-約0.5%鐵、約0.5-約·1.0wt%鋅、約0.3-約0.6wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.Iwt9^g、0_約0.5wt%fi,^0.5-約·1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約·0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約·0.5襯％銦，其余為鋁。6.制造鑄造鋁部件的方法，包括提供基本上由以下組成的鋁合金0-約2.0wt%至少一種稀土元素、約0.5-約Hwt%硅、約0.25-約2.0wt%銅、約0.1-約3.0wt%鎳、約0.1-約1.0wt%鐵、約0.1-約·2.0wt%鋅、約0.1-約1.0wt%鎂、0-約1.0wt%銀、約0.01-約0.2wt%鍶、0-約1.0wt%鈧、0-約·1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁；將該鋁合金加熱到高于熔點(diǎn)；將該經(jīng)加熱的鋁合金澆鑄到模具中；將該鋁合金冷卻以形成該部件；和任選地?zé)崽幚碓摬考?.權(quán)利要求6的方法，其中熱處理該部件，以及其中該鋁合金基本上由以下組成0-約1.0wt%至少一種稀土元素、約6-約13wt%硅、約0.25-約1.5wt%銅、約0.5-約2wt%鎳、約0.1-約0.5%鐵、約0.1-約1.5wt%鋅、約0.3-約0.6wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁；以及其中該熱處理是固溶處理，然后快速冷卻，然后老化。8.權(quán)利要求6的方法，其中不熱處理該部件，以及其中該鋁合金基本上由以下組成約0.5-約1.0wt%至少一種稀土元素、約8-約10wt%硅、約0.25-約0.5wt%銅、約1.0-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5wt%鐵、約0.5-約1.5wt%鋅、約0.1-約0.3wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁。9.權(quán)利要求6的方法，其中熱處理該部件，以及其中該鋁合金基本上由以下組成0-約lwt%至少一種稀土元素、約8-約10wt%硅、約0.25-約0.5wt%銅、約0.5-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5wt%鐵、約0.5-約1.0wt%鋅、約0.2-約0.4wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5wt%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁；以及其中該熱處理是老化。10.權(quán)利要求6的方法，其中熱處理該部件，以及其中該鋁合金基本上由以下組成0-約lwt%至少一種稀土元素、約8-約12wt%硅、約0.25-約1.5wt%銅、約0.5-約2.5wt%鎳、約0.1-約0.5%鐵、約0.5-約1.0wt%鋅、約0.3-約0.6wt%鎂、0-約0.5wt%銀、約0.01-約0.lwt%鍶、0-約0.5wt%鈧、約0.5-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.lwt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%wt釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁；以及其中該熱處理是固溶處理。全文摘要本發(fā)明涉及改進(jìn)的鑄造鋁合金，尤其提供了具有改進(jìn)性質(zhì)的鋁合金。該合金包括約0-2wt%稀土元素、約0.5-約14wt%硅、約0.25-約2.0wt%銅、約0.1-約3.0wt%鎳、約0.1-1.0%鐵、約0.1-約2.0wt%鋅、約0.1-約1.0wt%鎂、0-約1.0wt%銀、約0.01-約0.2wt%鍶、0-約1.0wt%鈧、0-約1.0wt%錳、0-約0.5wt%鈣、0-約0.5wt%鍺、0-約0.5wt%錫、0-約0.5wt%鈷、0-約0.2wt%鈦、0-約0.1wt%硼、0-約0.2wt%鋯、0-0.5%釔、0-約0.3wt%鎘、0-約0.3wt%鉻、0-約0.5wt%銦，其余為鋁。還描述了制造鑄造鋁部件的方法。文檔編號C22C21/02GK102312135SQ20111018187公開日2012年1月11日申請日期2011年6月30日優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日發(fā)明者E.肖P.,王Q.,楊W.,王Y.申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(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