改進的鑄鋁合金部件的制作方法
【專利說明】改進的鑄鋁合金部件 發明領域
[0001] 本發明大體上涉及鋁合金，更特別涉及具有改進的機械性質，特別是在室溫和升 高的溫度下的強度的可熱處理的鋁合金。
【背景技術】
[0002] 鋁合金由于它們的高強度-重量比而獲得廣泛使用并因此已廣泛用于減重努力。 這已成為汽車工業中的重要主題，其中燃料經濟性和減排已促使制造商降低重量以改進效 率。隨著效率目標擴展到更高水平，減重已經與功率密度的提高相結合以滿足要求。但是， 較高的功率密度促成工作環境中的較高負荷和溫度。
[0003] 過去，已經為室溫或近室溫用途發展了鋁合金和它們的熱處理。在材料科學中， 如果工作環境包括在合金的同系熔融溫度的一半以上的任何非短暫暴露，該合金的用途被 視為高溫。同系溫度是絕對溫標上的熔點的分數(鋁T MP=660°C + 273 = 933 K;0. 5 TMP = 465. 5 K或193. 5°C)。因此，在194°C以上的任何用途被視為高溫用途。在0. 5 TMP以上， 不同破壞機制在部件中變明顯。對于氣缸蓋，運行溫度常常超過這一值并在不久的將來，預 計提高到〇. 55至0. 58 Tmp。
[0004] 大規模商業鋁合金主要通過兩種機制增強：加工硬化和沉淀硬化。對于需要大批 量生產的復雜形狀的用途，如汽車發動機部件，加工硬化合金不實際或不經濟，以使通過熱 處理沉淀硬化成為實現所需機械性質的主要方法。通過控制微結構的不同熱處理步驟實現 沉淀硬化，以通過改變在老化過程中的溫度下的時間而以受控方式形成極精細的強化相。 這些強化機制已用于要在室溫或略升高的溫度下使用的系統和產品。但是，一旦運行環境 的溫度升至150 - 220°C的典型老化溫度范圍以上，這些性質會隨溫度提高和在溫度下的 時間增加而快速變差。
[0005] 沉淀硬化通過從合金元素在母體鋁相中的過飽和固溶體中沉淀出原子簇("沉淀 物")而改變鋁合金的機械性質。隨著沉淀物形成，它們使晶格變形，以阻礙位錯的運動。正 是對位錯運動的阻礙造成性質的改變；硬度和強度提高且延性降低。
[0006] 沉淀物的形成受時間和溫度影響；在低溫下，沉淀反應緩慢并花費大量時間，在較 高溫度下，由于較高的原子迀移率，該反應進行得更快。
[0007] 在給定溫度下，強度和硬度隨在溫度下的停留時間提高，直到形成大多數潛在的 第二相。隨著停留時間增加，各沉淀物發生兩種基本變化；首先，一些粒子以另一些粒子為 代價生長。通過合金元素的擴散，一些粒子會收縮并最終消失，而另一些粒子的尺寸增長。 這導致數量較少的較大沉淀物。較少沉淀物之間的較大距離改進了導致硬度和強度降低及 延性提高的位錯運動性。另外，隨著沉淀物的尺寸增長，沉淀物與鋁晶格之間的應變能提高 到在能量上可以使界面原子鍵斷裂并形成分相邊界的程度。這以兩種方式降低應變能；跨 邊界鍵斷裂，以致分隔更大和因此晶格畸變更小，并且由于母體晶格與沉淀物晶格的晶體 結構不同，在該簇-母體界面處不再迫使它們同時適應這兩組晶格參數。
[0008] 當該界面仍完好時，這兩個相中歸因于錯配的畸變相等并反向。畸變區伸出該化 學界面，以擾亂母體相中的晶格的有序排列。這種畸變使得沉淀物對機械性質具有不相稱 地大的影響。沉淀物的有效半徑是化學半徑加上畸變區的一部分，因為畸變區也阻礙位錯 的運動且位錯負責該材料對變形載荷的機械響應。隨著化學半徑逐漸提高，該界面破壞； 其首先變得部分相干，然后不相干。在高的不相干水平下，隨著沉淀物進一步生長，該系統 的機械性質開始降低，因為由于母體相中的晶格應變的損失，沉淀物的有效半徑現在降低。 有效半徑的損失以及上述沉淀物密度的降低伴隨著機械性質的損失和相反，拉伸延性的提 高，這種現象被稱作過度老化。
[0009] 因此，需要改進的可鑄造鋁合金部件及其制造方法，尤其是在升高的溫度條件下。
【發明內容】
[0010] 本發明提供合金優化以及鑄造和熱處理工藝控制中的方法和技術以制造在室溫 和升高的溫度結構用途中具有增強的機械性質和強度的可鑄造和可熱處理的鋁合金部件。
[0011] 本發明涉及以下[1]至[16]:
[1]. 一種鑄鋁基部件，其包含，以重量百分比計：〇. 6 - 14. 5 Si ;0 - 0.7 Fe;l. 8 -4. 3 Cu ；0 - 1. 22 Mn ；0. 2 - 0. 5 Mg ；0 - 1. 2 Zn ；0 - 3. 25 Ni ；0 - 0. 3 Cr ；0 - 0. 5Sn；0. 001 - 0. 4Ti；0. 002 - 0. 07 B ；0. 001 - 0. 07 Zr ；0. 001 - 0. 14 V ；0. 00 -0. 67 La ;余量主要為鋁+任何殘余物；其中Mn/Fe的重量比為大約0. 5至3. 5。
[0012] [2]. [1]的部件，其中將重量百分比進一步限定為大約：1. 1 - 7.0 Si ;4. 13 Cu ；1. 14 Mn ；0. 2 Zn ；0. 2 Mg ；0. 12 Ni ；0. 15 Cr ；0. 019 Sn ；0. 379 Ti ；0. 066 B ；0. 624 Zr ； 0? 078 V;和 0? 032 La。
[0013] [3]. [2]的部件，其中Si的重量百分比為大約1. 1。
[0014] [4]. [2]的部件，其中Si的重量百分比為大約7。
[0015] [5]. [2]的部件，其中Mo、Co、Nb和Y的總重量百分比小于大約0.2%。
[0016][6], [2]的部件，其中所述部件是氣缸蓋、發動機缸體、輪子、活塞、托架、箱體或 懸掛系統。
[0017] [7].制造Al-Si合金鑄造部件的方法，其包括： 提供所述部件的模具； 將包含所述Al-Si合金的熔融金屬倒入所述模具中； 以高于大約1. 5°C /s.的受控冷卻速率固化所述模具中的熔融金屬； 其中所存在的任何初生Si基本均勻分散在固化鑄件內。
[0018] [8].根據[7]的方法，其進一步包括熱處理所述鑄造合金的步驟。
[0019] [9].根據[8]的方法，其中所述合金在熱處理后人工老化。
[0020] [10].根據[7]的方法，其進一步包括在所述模具中冷卻所述合金，將所述合金 加熱至大約495°C大約5小時，所述合金在基本60°C流體中淬火，將所述合金再加熱至大約 180°C大約8小時和將所述合金氣冷至大約室溫。
[0021] [11].根據[7]的方法，其進一步包括在所述模具中冷卻所述合金，將所述合金 加熱至大約312°C大約4小時，所述合金在基本60°C流體中淬火，將所述合金再加熱至大約 490°C大約3小時，將所述合金的溫度提高至大約515°C大約2小時，將溫度進一步提高至大 約530°C大約2小時，所述合金在基本60°C流體中淬火，將所述合金再加熱至大約180°C大 約8小時和將所述合金氣冷至室溫。
[0022] [12].根據[7]的方法，其中所述部件是氣缸蓋、發動機缸體、輪子、活塞、托架、 箱體或懸掛系統。
[0023] [13].根據[7]的方法，其中所述Al-Si合金包含，以重量百分比計：1.1 - 7.0 Si；4. 13 Cu ；1. 14Mn；0. 02Zn；0. 5Mg；0. 12Ni；0. 15 Cr ；0. 019Sn；0. 379Ti；0. 066 B ； 0. 624Zr;0. 078V;0. 032La ;且余量主要為鋁+任何殘余物。
[0024] [14].根據[13]的方法，其中Si的重量百分比為大約1. 1。
[0025] [15]?根據[13]的方法，其中Si的重量百分比為大約7。
[0026] [16].根據[13]的方法，其中Mo、Co、Nb和Y的總重量百分比小于大約0.2%。
[0027] 本發明的一個方面是一種鋁合金部件。通常，該合金可包括大約0.6至大約14. 5 重量％硅、〇至大約〇. 7重量％鐵、大約1. 8至大約4. 3重量％銅、0至大約1. 22重量％錳、 大約0. 2至大約0. 5重量％鎂、0至大約1. 2重量％鋅、0至大約3. 25重量％鎳、0至大約 0. 3重量％鉻、0至大約0. 5重量％錫、大約0. 0001至大約0. 4重量％鈦、大約0. 002至大 約0. 07重量％硼、大約0. 001至大約0. 07重量％鋯、大約0. 001至大約0. 14重量％釩、0 至大約0. 67重量％鑭且余量主要為鋁+任何殘余物。此外，Mn/Fe的重量比為大約0. 5至 大約3. 5。
[0028] 本發明的另一方面涉及制造Al-Si合金鑄造部件的方法。在一個實施方案中，該 方法包括：提供所述部件的模具；將包含Al-Si合金的熔融金屬倒入所述模具中；和以受控 冷卻速率固化所述模具中的熔融金屬。所存在的任何初生（primary) Si基本均勻分散在固 化鑄件內。
【具體實施方式】
[0029] 提供了高強度和高耐