用于高壓壓鑄的高強度鑄鋁合金的制作方法
【專利摘要】一種用于高壓壓鑄的高強度鑄鋁合金，其包含：6至12重量％的硅化鎂，4至10重量％的鎂，3至10重量％的來自的銅(Cu)、鋅(Zn)、銀(Ag)、金(Au)和鋰(Li)的X元素，0.1至1.2重量％的錳，最大1.5重量％的鐵，0.02至0.4重量％的鈦或來自Cr、Nb和Sc的其他晶粒細化元素，最大含量為0.3重量％且總量＜0.5％的雜質(zhì)和次要合金化元素，所述雜質(zhì)和次要合金化元素是選自鈧(Sc)、鋯(Zr)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、釓(Gd)、鈣(Ca)、釔(Y)、銻(Sb)、鉍(Bi)、釹(Nd)、鐿(Yb)、釩(V)、鉻(Cr)、鈹(Be)和硼(B)的元素中的至少一種，和余量的鋁。
【專利說明】用于高壓壓鑄的高強度鑄鋁合金
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于高壓壓鑄的鋁合金，特別是一種高強度鑄鋁合金，其除了鋁 之外，還包含:硅化鎂、鎂、錳、鈦和至少一種其他增強元素作為主要合金化組分，用于晶粒 細化或性質(zhì)增強的次要元素，和屬于不可避免的雜質(zhì)的元素。
[0002] 高壓壓鑄是已良好發(fā)展的用于從鋁合金制造零件的技術(shù)工藝之一。壓鑄零件的品 質(zhì)取決于若干因素，包括機器參數(shù)、合金的化學組成和熔體制備的工藝。公知的是，合金組 成是最關(guān)鍵的因素之一，并且它本身顯著影響鑄造性、進料行為、機械特性和鑄造工具的壽 命。
[0003] 鋁壓鑄部件在其中結(jié)構(gòu)部件需要承受高應(yīng)力的工業(yè)中有特別的重要性。日益增加 的施加在鋁壓鑄零件上的機械要求需要高強度鋁合金。目前，已登記的鑄鋁合金基本上是 基于41-3丨^1-3卜(：11^1-1^)1-1^-3丨體系的，這些體系提供120至1801〇^的屈服強度， 250MPa至300MPa的UTS，3至10%的伸長率。這些不能滿足其中屈服強度在300MPa的水平、極 限抗拉強度(UTS)高于400MPa和伸長率在2%的水平的高強度的需要。因此，新的合金是必 需的，以借助特別的合金組成和適當?shù)募庸し椒ㄔ趬鸿T部件中獲得高強度。
[0004] 出于現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)，大量參考文獻已經(jīng)公開了提供高強度的鑄鋁合金的合金組 成。這樣的參考文獻的實例包括W0/2006/122341、US 6773664、W0/2005/047554、EP 1371741、JP54019409和EP0819778。
[0005] 在W0/2006/122341中，描述了一種鋁合金，是高強度鑄鋁合金，包含2.0重量％至 6.0重量％的〇1、0.05重量％至1.0重量％的]?11、0.01重量％至0.5重量％的1^、0.01重量％ 至0.2重量％的0、0.01重量％至0.4重量％的0(1、0.01重量％至0.25重量％的21、0.005重 量％至0.04重量％的13、0.05重量％至0.3重量％的稀土元素和余量的A1以及痕量雜質(zhì)。
[0006] US 6773664公開了一種用于鑄造操作的鋁-鎂合金，其按重量％計由Mg 2.7-6.0、 Μη 0·4-1·4、Ζη 0.10-1.5、2^1大0.3、￥最大0.3、3(3最大0.3、1^最大0.2、？6最大1.0、31最 大1.4、余量的鋁和不可避免的雜質(zhì)組成。該鑄造合金特別適合于壓鑄操作中的應(yīng)用。
[0007] W0/2005/047554公開了一種含有鈧的Al-Mg-Si鑄鋁合金。其包含至少1.0至8.0重 量％鎂(18)，>1.0至4.0重量％硅(31)，0.01至<0.5重量％鈧(3〇)，0.005至0.2重量％鈦 (Ti)，0 0.5重量％的選自由以下各項組成的組的元素或元素組:錯(Zr)，鉿(Hf)，鉬(Mo)， 鋱(Tb)，鈮(Nb)，釓(Gd)，鉺(Er)和釩(V)，0-088重量％M(Mn)，0 0.3重量％鉻(0)，0 1 ·0 重量％銅(〇1)，0 0.1重量％鋅(21〇,0 0.6重量％鐵$6)，0 0.004重量％鈹06)和剩余的 鋁及此外單獨最多0.1重量％且總體最多0.5重量％的雜質(zhì)。
[0008] 在EP 1371741中，公開了一種具有高強度的鑄鋁合金，包含3.5至4.3%的Cu、5.0 至7.5% 的Si、0· 10 至0.25% 的Mg、不大于0.2% 的 Fe、0.0004至0.0030% 的 Ρ、0· 05至0.2% 的Sb，并且余量包含Α1和不可避免的雜質(zhì)。還公開了一種通過以下方式獲得的高強度鑄鋁 合金：鑄造用于鑄造的高強度鋁合金（其包含3.5至4.3%的Cu、5.0至7.5%的Si、0.10至 0 · 25 % 的Mg、不大于0 · 2% 的Fe、0 · 0004至0 · 0030 % 的 P、0 · 05至0 · 2% 的Sb、0 · 05 至0 · 35 % 的 Ti和余量包含A1及不可避免的雜質(zhì)），并對這樣鑄造的合金進行T6處理。
[0009] JP54019409公開了一種用于壓鑄的高強度鋁合金，通過限制其中 的含量，具有最小化的鑄造裂紋和改進的熱處理后的抗拉強度和屈服強度。
[0010] EP0819778公開了一種高強度的鋁系合金，其基本上由以下通式表示的組成構(gòu)成： AlbalMnaMb或AlbalMnaMbTMc，其中Μ表示一個以上選自由Ni、Co、Fe和Cu組成的組的成員， TM表示一個以上選自由11、￥、(>、￥、2廣1^、〇6和1111組成的組的成員，并且&、13和(3各自表示在 以下范圍內(nèi)的原子百分數(shù)（原子％ ): 2彡a彡5,2彡b彡6和0<c<2,并且在其結(jié)構(gòu)中含有 A19C〇2型結(jié)構(gòu)的單斜晶體的金屬間化合物。該A1系合金具有出色的機械性質(zhì)，包括高硬度、 高強度和高伸長率。
[0011] 這些鋁合金意在為工業(yè)提供改善的屈服強度或極限抗拉強度以及合理的伸長率。 與這些合金相關(guān)的主要問題包括以下問題中的至少一個：（1)強度不足于滿足工業(yè)中的需 要；（2)為了開發(fā)機械性質(zhì)上的潛在改善，需要全固溶處理中的長時間的高溫以及長的時效 處理時間；（3) -些合金僅僅適合于永久型鑄造和砂型鑄造，但不可用于高壓壓鑄；（4)一些 合金含有高含量的高價的稀土元素，并且昂貴的材料如鈧將導致對于產(chǎn)品的成本憂慮和在 應(yīng)用期間潛在的供應(yīng)問題。
[0012] 在以下出版物中公開了其他鋁合金：JP H05163546A(NIKKEI)、JP H03264637 A (FURUKAWA)、US 3868250 A(ZIMMERMANN)、EP0918096 A1(ALUSUISSE)、W0 2005/045081 A1 (ARC)、CN 102796925 A(UNIV)、DD 4063 A(EIGENTUM)、DE 1201562 B(HONSEL)和JP H04218640 A(KASEI)。
[0013] 本發(fā)明尋求提供改善的鋁合金。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了 一種高強度鑄鋁合金，所述鋁合金包含：
[0015] 4至14重量％的硅化鎂，
[0016] 4至12重量％的鎂，
[0017] 大于0重量％但不大于12重量％的量的元素 X，所述元素 X是銅（Cu)、鋅（Zn)、銀 (Ag)、金(Au)或鋰(Li)或它們的任意組合，
[0018] 0.1至1.5重量％的錳，
[0019] 不大于1.5重量％的鐵，
[0020] 最大總含量為0.8重量％的雜質(zhì)和次要合金化元素，并且其中沒有任何選自鈧 (5。）、鋯(2〇、鎳(附）、鉻(0)、鈮(他）、釓(6(1)、鈣(〇&)、釔(￥)、銻(313)、鉍(81)、釹(制）、鐿 (Yb)、釩(V)、鉻(Cr)、鈹(Be)和硼(B)中的單個元素大于0.5%，
[0021] 并且所述合金的剩余部分是鋁。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的合金具有出色的強度，并且能夠用高壓壓鑄制造，特別對于 具有高于3001^的屈服強度、高于4001^的17^和2%水平的伸長率的合金來說。
[0023] 據(jù)信，用本發(fā)明可行的改善的性質(zhì)平衡，尤其是較高的強度和合適的延展性，是由 于在給定范圍內(nèi)的合金化元素 Mg2Si、Mg、Mn與至少一種其他用于強化的主元素以及至少一 種用于晶粒細化或強度增強的其他次要特殊元素添加和不可避免的雜質(zhì)的組合導致的。 [0024]硅化鎂(Mg 2Si)是鎂與硅以1.73:1的比率的組合。Mg2Si是與鋁形成假共晶合金的 假元素，并且在Al-Mg 2Si合金中提供主要的強化，其中當Mg2Si少于13.9重量％時優(yōu)先相 (prior phase)為α-Al。因此，Mg2Si可以提供固溶強化（solution strengthening)和沉淀 強化。Mg2Si也因此用于鑄造性的改善并減少包括熱撕裂和夾雜在內(nèi)的鑄造缺陷。然而，增 加的Mg 2Si將減少鑄造的延展性。同樣，將Mg2Si含量保持在4至14重量％之間。優(yōu)選地，將 Mg2Si的量保持在6至10重量％之間，最優(yōu)選6至10重量％。然而，由于嚴重的模焊合（die soldering)問題，Al_Mg2Si是不可在高壓壓鑄中鑄造的。
[0025] Mg是鋁合金中用于強化的主要元素。Mg在鋁中有14.9重量％的高固溶度。高于4.0 重量％的18含量的確提供鑄鋁合金中的增強，用于改善的機械性能。更重要的是，在A1-Mg2Si合金中過量的Mg可以消除模焊合的鑄造問題。利用來自Mg強化的進一步的性質(zhì)增強， 這使得Al-Mg 2Si合金可以壓鑄。此外，Al-Mg2Si中過量的鎂改變了共晶反應(yīng)點，并且降低了 共晶合金中的Mg 2Si含量。這意味著可以通過Al-Mg2Si合金中過量的Mg含量的變化來控制微 結(jié)構(gòu)。然而，為了確保合金中可接受的延展性，Mg的量不應(yīng)當超過12重量％。優(yōu)選地，在合金 中過量的Mg含量大于4重量％且小于10重量％ (最優(yōu)選5至7重量％ )，由此提高具有更好的 屈服強度、抗拉強度和延展性(通過其伸長率測得)的平衡。
[0026]錳也是合金中的一種添加元素。它幫助防止模焊合，并且可以在合金中提供強度 增強。更重要的是，Μη與Fe組合，將含F(xiàn)e化合物的形態(tài)從針狀變成結(jié)節(jié)狀，以減少Fe的有害 影響。將Μη含量的范圍保持在0.1至1.5重量％之間，優(yōu)選Μη的量在0.2至0.8重量％之間，最 優(yōu)選0.4至0.7重量％。
[0027]在開發(fā)的合金中，至少一種元素 X作為主要強化元素是必需的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在滿足 合金的延展性的同時增加屈服強度的X元素的量。在本領(lǐng)域中，通常，如果隨后的固溶和時 效處理是優(yōu)選選項的話，需要有意地加入X，以改善屈服強度和伸長率。優(yōu)選地，對于不同的 元素來說X的量是變化的，但是優(yōu)選的量不超過12重量％。元素可以選自銅(Cu)、鋅(Ζη)、銀 (Ag)、金(Au)、鈧(Sc)和鋰(Li)中的至少一種。優(yōu)選地，元素 X的量為3至6重量％。
[0028]鈦通常在使用本發(fā)明的合金制備的鑄件的固化期間用作晶粒細化劑。以小于0.4 重量％、優(yōu)選小于0.20重量％且最優(yōu)選為0.10至0.15重量％的11含量，獲得此效果。Ti可以 部分或全部由V、Cr和/或Zr以相同的組成范圍代替，以獲得類似的效果，或由任何選自具有 晶粒細化功能的Cr、Nb和Sc的其他元素代替。
[0029] 在機械性能和耐腐蝕性方面，F(xiàn)e是壓鑄鋁合金中不可避免的有害元素。在壓鑄期 間，它傾向于形成針形的含鐵化合物。針的端部總是故障的裂紋開始處。因此，在合金中需 要控制Fe。然而，F(xiàn)e對于強度增強特別是屈服強度來說是有益的。因此，在合金的機械性能 方面，1.5重量％的量是可接受的。然而，如果耐腐蝕性是對合金的主要關(guān)注，則應(yīng)當將Fe含 量限制為低于〇. 5重量％，優(yōu)選低于0.3重量％。
[0030] 有一些元素作為晶粒細化劑或作為小量的合金化元素或作為雜質(zhì)存在。至少一種 選自鋯（Zr)、鈮(Nb)、釓(Gd)、鈣（Ca)、釔(Y)、銻（Sb)、鉍(Bi)、釹(Nd)、鐿(Yb)、釩(V)、鉻 (Cr)、鈹(Be)和硼(B)的元素，單獨最大含量為0.3重量％ (優(yōu)選0.25重量％ )，且總含量小于 0.5%〇
[0031 ]在本發(fā)明的另一方面，提供了一種高強度鑄鋁合金，其包含 [0032] 4至14重量％的硅化鎂
[0033] 4至12重量％的鎂
[0034] 不大于12重量％的量的元素 X，所述元素 X是銅(Cu)、鋅(Zn)、銀(Ag)、金(Au)或鋰 (Li)或它們的任意組合，
[0035] 0.1至1.5重量％的錳
[0036] 不大于1.5重量％的鐵，
[0037] 最大總含量為0.8重量％并且其中沒有任何單個元素大于0.5%的雜質(zhì)和次要合 金化元素，所述單個元素選自鈧(Sc)、鋯(Zr)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、釓(Gd)、鈣(Ca)、釔 (Y),^(Sb),^(Bi),#：(Nd)^I(Yb),fL(V),l§(Cr),^(Be)iP 51(B),
[0038] 并且所述合金的剩余部分是鋁。
[0039]在一個優(yōu)選的實施方案中，所述合金包含5至14重量％的硅化鎂，3至12重量％的 鎂，2至12重量％的元素 X，0.1至1.2重量％的錳，0.02至0.4重量％的鈦，不大于1.5重量％ 的鐵，和雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的含量為對于任何一種元素為最大〇. 3重量％且總含量不 大于0.3%。
[0040]通過參考以下具體實例，可以進一步理解本發(fā)明的某些實施方案。這些實例和本 文所用的術(shù)語僅用于描述特定實施方案的目的，并且不意在限制。
[0041 ] 實施例A
[0042] 一種合金，其具有以下組成：
[0043] 〇5至14重量％的硅化鎂，
[0044] 〇3至12重量％的鎂，
[0045] 〇2至12重量％的來自銅(Cu)、鋅(Zn)、銀(Ag)、金(Au)和鋰(Li)的X元素，
[0046] 〇0.1至1.2重量％的錳，
[0047] 〇最大1.5重量％的鐵，
[0048] 〇0.02至0.4重量％的鈦或來自Cr、Nb和Sc的其他晶粒細化元素，和
[0049] 。最大含量為0.3重量％且總量<0.5%的雜質(zhì)和次要合金化元素，其是鋯(Zr)、鈮 (他）、釓(6(1)、鈣(0 &)、釔(￥)、銻(513)、鉍(81)、釹(制）、鐿(￥13)、釩(￥)、鉻(〇)、鈹(86)和硼 (B)的元素中的至少一種選自，
[0050] 。和余量的鋁。
[0051 ] 實施例B
[0052] 一種合金，其具有以下組成：
[0053] 〇6至10重量％的硅化鎂，
[0054] 〇4至9重量％的鎂，
[0055] 〇3至8重量％的來自銅(Cu)、鋅(Zn)、銀(Ag)、金(Au)和鋰(Li)的X元素，
[0056] 〇0.3至0.8重量％的錳，
[0057] 〇0.08至0.3重量％的鈦或來自Cr、Nb和Sc的其他晶粒細化元素，
[0058] 〇最大0.7重量％的鐵，
[0059] ?最大含量為0.2重量％且總量<0.4%的雜質(zhì)和次要合金化元素，其是選自鋯 (2〇、鈮(他）、釓(6(1)、鈣(0 &)、釔(￥)、銻（313)、鉍(8丨）、釹(制）、鐿(￥13)、釩(￥)、鉻(0)、鈹 (Be)和硼(B)的元素中的至少一種，
[0060] 。和余量的鋁。
[0061 ] 實施例C
[0062] 一種合金，其具有以下組成：
[0063] 〇6至9重量％的硅化鎂，
[0064] 〇5至7重量％的鎂，
[0065] 〇3至6重量％的來自銅(Cu)、鋅(Zn)、銀(Ag)、金(Au)和鋰(Li)的X元素，
[0066] 〇0· 4至0.7重量％的錳，
[0067] 〇0.10至0.25重量％的鈦或來自Cr、Nb和Sc的其他晶粒細化元素，
[0068]。最大0.3重量％的鐵，
[0069] 〇最大含量為0.2重量％且總量<0.25%的雜質(zhì)和次要合金化元素，其是選自鋯 (2〇、鈮(他）、釓(6(1)、鈣(0&)、釔(￥)、銻（313)、鉍(8丨）、釹(制）、鐿(￥13)、釩(￥)、鉻(0)、鈹 (Be)和硼(B)的元素中的至少一種，
[0070] 〇和余量的鋁。
[0071] 進行的拉伸試驗的結(jié)果列在表1中。在其中所列的合金的情況下，試驗1至8的合金 是根據(jù)本發(fā)明的；參照合金表示其組成對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的合金但不含有任何晶粒細化劑 的合金。
[0074] 如由表中可見，X元素的加入可以導致在可接受的伸長率的情況下屈服強度和UTS 的明顯增加。在鑄件條件下的合金可以提供高屈服強度和極限抗拉強度，伴有合理的延展 性。可以用快速T6處理進一步改善機械性能。還看到的是，在此合金中，晶粒細化可用于改 善機械性質(zhì)。
[0075] 在一個實施方案中，為了進一步改善機械性質(zhì)，對合金進行快速熱處理?？焖贌崽?理由兩個階段組成:短時間的固溶處理和短時間的時效處理。在固溶和/或時效處理之后針 對機械性質(zhì)進行的拉伸試驗的結(jié)果列在表2中，其中高于450°C的高溫用于固溶處理，且低 于200°C的低溫用于時效處理。僅有高溫處理的過程指示合金僅通過固溶處理且沒有對合 金實施時效處理。類似地，僅有低溫處理的過程指示僅通過時效處理合金且沒有對合金實 施固溶。在其中所列的合金的情況下，試驗1至8的合金是根據(jù)本發(fā)明的。
[0078] 如由表中可見，短期固溶可以增加伸長率，且短期時效處理可以改善強度。通過快 速固溶和隨后的時效熱處理，提供最佳的組合。因此，這是本發(fā)明中優(yōu)選的熱處理。
[0079] 所述的實施方案和從屬的權(quán)利要求的所有任選的和優(yōu)選的特征和改變可用在本 文教導的本發(fā)明的所有方面。此外，從屬的權(quán)利要求的單獨的特征，以及所述的實施方案的 全部任選的和優(yōu)選的特征和改變是相互可組合的和可交換的。
[0080] 在本申請所要求優(yōu)先權(quán)的英國專利申請?zhí)?402323.8中和伴隨該申請的摘要中公 開的內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
【主權(quán)項】
1. 一種高強度鑄鋁合金，所述鋁合金包含： 4至14重量％的硅化鎂， 4至12重量％的鎂， 大于0重量％但不大于12重量％的量的元素 X，所述元素 X是銅(Cu)、鋅(Zn)、銀(Ag)、金 (Au)或鋰(Li)或它們的任意組合， 0.1至1.5重量％的錳， 不大于1.5重量％的鐵， 最大總含量為0.8重量％并且其中沒有任何單個元素大于0.5%的雜質(zhì)和次要合金化 元素，所述單個元素選自鈧(Sc)、鋯(Zr)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、釓(Gd)、鈣(Ca)、釔(Y)、 鋪(Sb)、祕(Bi)、釹(Nd)、鐿(Yb)、fL(V)、絡(luò)(Cr)、鈹(Be)和硼(B)， 并且所述合金的剩余部分是鋁。2. 如權(quán)利要求1中所述的鋁合金，所述鋁合金另外包含不超過0.4重量％的用于細化所 述合金的晶粒的Ti、V、Zr、Cr、NbSSc。3. 如權(quán)利要求1或2中所述的鋁合金，所述鋁合金包含:5至14重量％的硅化鎂，3至12重 量％的鎂，2至12重量％的元素 X，0.1至1.2重量％的錳，0.02至0.4重量％的鈦，不大于1.5 重量％的鐵，和雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的含量為對于任何一種元素為最大〇. 3重量％且總 含量不大于0.3%。4. 如任一在前權(quán)利要求中所述的鋁合金，所述鋁合金包含:6至10重量％的硅化鎂，4至 9重量％的鎂，3至8重量％的元素 X，0.3至0.8重量％的錳，0.08至0.3重量％的鈦，不大于 0.7重量％的鐵，和雜質(zhì)元素，所述雜質(zhì)元素的含量為對于任何一種元素為最大0.2重量％ 且總含量不大于0.25 %。5. 如任一在前權(quán)利要求中所述的鋁合金，其中所述合金含有不大于0.3重量％的鉻 (Cr)〇6. -種用于在壓鑄過程中使用任一在前權(quán)利要求中所述的合金的方法。7. -種用于使用處于未經(jīng)熱處理的鑄件狀態(tài)的權(quán)利要求1至5中任一項所述的合金的 方法。8. -種用于使用權(quán)利要求1至5中任一項所述的合金的方法，其中所述合金在400至550 °C固溶處理少于90分鐘時間之后使用。9. 一種用于使用權(quán)利要求1至5中任一項所述的合金的方法，其中所述合金在460至520 °C固溶處理少于30分鐘時間之后使用。10. -種用于使用權(quán)利要求1至5中任一項所述的合金的方法，其中所述合金在低于250 °(：的溫度進行少于10小時時間的時效處理之后使用。11. 一種用于使用權(quán)利要求1至5中任一項所述的合金的方法，其中所述合金在低于250 °(：的溫度進行少于2小時時間的時效處理之后使用。12. -種用于使用權(quán)利要求1至5中任一項所述的合金的方法，其中所述合金在400至 550°C固溶處理少于90分鐘時間及隨后在低于250°C的溫度進行少于10小時時間的時效處 理之后使用。13. -種用于使用權(quán)利要求1至5中任一項所述的合金的方法，其中所述合金在460至 520 °C固溶處理少于30分鐘時間及隨后在低于200°C的溫度進行少于2小時時間的時效處理 之后使用。14. 一種包含權(quán)利要求1至5中任一項所述的合金的商品。
【文檔編號】C22C21/00GK105992833SQ201580007692
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月10日
【發(fā)明人】冀守勛, 樊中云, 閻鋒
【申請人】布魯內(nèi)爾大學