具有优良的弹性和耐磨性的过共晶铝-硅基合金的制作方法

本申请要求2015年8月13日于韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0114284号的优先权权益，其内容通过引用并入本文。
技术领域：
本发明涉及具有优良的弹性和耐磨性的过共晶Al-Si基合金。过共晶Al-Si基合金可包含钛(Ti)、硼(B)、镍(Ni)等，并且还包含通过向Al3Ti添加初级Si相而产生的TiAlSi相等，从而克服性能恶化。
背景技术：
：近来，许多国家包括发达国家一直尝试通过加强各种环境规则去控制环境污染。在车辆工业中，已经通过减轻重量等进行了用于提高燃料效率的研究来满足这样渐增的环境规则。因此，对于车辆的减轻重量和高扭矩需求已逐渐加强。为满足这种需求，已经通过利用具有密度为传统钢材料1/3的铝合金来进行对减轻重量的研究，并且，例如，已经开发了过共晶Al-Si基合金等。与其他Al基合金相比，过共晶Al-Si基合金还可有优良的耐磨性、令人满意的耐腐蚀性和低热膨胀系数，并且因此被广泛地用于耐磨性部件如汽缸体或者车辆内燃机中的汽缸体。通常，过共晶Al-Si基合金包含16wt％至18wt％的硅(Si)、0.5wt％或更少的铁(Fe)、4wt％至5wt％的铜(Cu)、0.1wt％或更少的锰(Mn)、0.45wt％至0.65wt％的镁(Mg)、0.1wt％或更少的锌(Zn)、0.2wt％的钛(Ti)和剩余的铝(Al)。例如，为保证耐磨性，某些过共晶Al-Si基合金包含超过ADC12基铝合金中硅(Si)量的大量的硅(Si)。在现有技术中，由这种组合物组成的合金可被称为A390基铝合金。作为类似于A390基铝合金的合金，ADC12基铝合金也已经被开发。ADC12基铝合金在其组成上不同于A390基铝合金，因此ADC12基铝合金仅包含9.6wt％至12.0wt％的硅(Si)，不同于A390基铝合金。由于在硅含量上的这种差异，ADC12基铝合金具有约71GPa的弹性模量，然而，它不适于用在车辆部件中。为了解决这种问题，已经开发了利用由向ADC12基铝合金中添加钛(Ti)和硼(B)形成的Al3Ti的沉淀硬化效果以提高ADC12基铝合金的弹性模量和耐磨性的技术。例如，ADC12-5Ti-1B可由向ADC12基铝合金中添加5wt％的钛(Ti)和1wt％的硼(B)形成，并且其具有约89GPa的弹性模量，其与未添加钛(Ti)和硼(B)时相比较增加约25％。然而，ADC12基铝合金的最高的硅(Si)含量是12wt％，因此通过增加硅(Si)的含量来提高性能是有限的。因此，如在ADC12基铝合金中一样，通过向具有高于ADC12基铝合金的硅(Si)含量的A390基铝合金添加5wt％的钛(Ti)和1wt％的硼(B)来制备A390-5Ti-1B合金。例如，A390-5Ti-1B合金具有约90GPa的弹性模量。然而，A390-5Ti-1B合金中初级Si相被引入到通过添加钛(Ti)和硼(B)形成的Al3Ti中，由此形成了TiAlSi三元相，从而降低了铝合金的弹性效果等。因此，本发明已尝试通过在铝合金中添加钛(Ti)、硼(B)、镍(Ni)等来开发可提高如耐磨性等之类的性能的共过晶Al-Si基合金。技术实现要素：在优选方面，本发明提供了共过晶Al-Si基合金，其通过产生如Al3Ti和Al3Ni的相可具有增加的弹性、耐磨性等，因为除钛(Ti)和硼(B)以外铝还可包含额外的镍(Ni)。在本发明的一个方面，在下文提供了有着优良的弹性和耐磨性的共过晶Al-Si基合金或者铝合金。铝合金可包含：约13wt％至21wt％的硅(Si)、约1wt％至5wt％的镍(Ni)、约4wt％至5wt％的钛(Ti)、约0.7wt％至1wt％的硼(B)、组成铝合金余量的铝(Al)。除非另外指出，wt％被理解为基于铝合金组合物的总重量。优选地，钛(Ti)的量可以是约4wt％以及硼(B)的量可以是约1wt％。另外，铝组合物还可以包含约4wt％至5wt％的铜(Cu)、约0.45wt％至0.65wt％的镁(Mg)、约1.3wt％或者更少的铁(Fe)、约0.1wt％或者更少的锰(Mn)以及约0.1wt％或者更少的锌(Zn)。具体而言，镍(Ni)的量可以是约2.3wt％至5wt％，或具体地，约5wt％的量，所有的wt％都基于铝合金的总重量。进一步提供了铝合金，其可由本文所述的成分、或者基本上由本文所述的成分组成。例如，铝合金可由以下成分、或者基本上由以下成分组成：约13wt％至21wt％的硅(Si)、约1wt％至5wt％的镍(Ni)、约4wt％至5wt％的钛(Ti)、约0.7wt％至1wt％的硼(B)、组成铝合金余量的铝(Al)，所有的wt％都基于铝合金组合物的总重量。更进一步提供了包含上述铝合金的车辆。具体地，如汽缸体或者车辆内燃机中的汽缸体之类的车辆部件可包含如上所述的铝合金。本发明的其他方面在下文公开。附图说明本发明的上述或其他目的、特征和其他优点可结合附图从下面的详细描述中更加清晰地理解，其中：图1示出了在示例性过共晶Al-Si基合金中Al3Ni的示例性相形成；图2示出了在示例性过共晶Al-Si基合金中Al3Ni、Al3Ti和Si的示例性相形成；图3示出了在示例性过共晶Al-Si基合金中Al3Ni、AlTiSi和Si的示例性相形成；图4示出了在示例性过共晶Al-Si基合金中在行扫描区域10内组分的含量；图5示出了在示例性过共晶Al-Si基合金中产生的Al3Ni的相形成的电子显微镜图像(微米尺度)；图6示出了在示例性过共晶Al-Si基合金中产生的Al3Ni相形成的电子显微镜图像(纳米尺度)；图7是示出在示例性A390-4Ti-1B-χNi中根据作为Ni含量的χ和温度的相形成的曲线图；图8是示出根据本发明的示例性实施方式，根据在温度约为800℃时制备的示例性铝合金中和在温度约为750℃时再融化铸块后制造的铸件中的钛(Ti)含量的弹性模量中的改变的曲线图；图9是示出根据根据本发明的示例性实施方式，根据在温度约为800℃时制备的示例性铝合金中和在温度约为750℃时再融化铸块后制造的铸件中的硅(Si)含量的弹性模量中的改变的曲线图；以及图10是示出根据本发明的示例性实施方式，包含示例性铝合金的示例性牵引器变速箱的图像。【符号说明】10：行扫描区域100：部件1110：部件2120：部件3具体实施方式本文所使用的术语仅为了描述特定示例性实施方式，并非意在限制本发明。如在本文所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文另外清楚的指出。还将理解，在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包含的”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如在本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任意和所有组合。除非明确地声明或从上下文显而易见，本文所用的，术语“约”应理解为在本领域中正常的公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可被理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％、或0.01％之内。除非从上下文另外清楚可见，本文提供的所有数值都被术语“约”所修饰。进一步，应该理解本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似的术语包括通常的机动车辆，例如包括运动型多功能汽车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商业车辆的乘用汽车，包括各种船和轮船的船只，飞行器等，并包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆，以及其他代用燃料车辆(例如衍生自石油资源之外的燃料)。如本文所指代，混合动力车辆为具有两种或更多种能源的车辆，例如既是汽油动力也是电动的车辆。应当理解用于本说明书和随附权利要求中的术语不应被解释为限制为一般意义和字典意义，而是基于允许发明人为了最佳解释而适当地定义术语的原则，基于与本发明技术方面相对应的意义和概念来解释。在下文，将参考附图详细描述本发明的各种示例性实施方式。本发明涉及具有优良的弹性和耐磨性的过共晶Al-Si基合金。图1至图3示出了说明在过共晶Al-Si基合金中的相形成的图像，图4是说明在行扫描区域10内组分含量的图像。在本发明中，氧化物的产生可通过抑制磨损和分散应力、摩擦热等等被延缓，通过形成包含初级Si和金属的化合物来提高过共晶Al-Si基合金的性能如弹性和耐磨性。在本发明的示例性实施方式中，过共晶Al-Si基合金或铝合金可包含硅(Si)、镍(Ni)、钛(Ti)、硼(S)和构成余量的剩余的Al。优选地，过共晶Al-Si基合金可包含约13wt％至21wt％的硅(Si)、约1wt％至5wt％的镍(Ni)、约4wt％至5wt％的钛(Ti)、约0.7wt％至1wt％的硼(B)，所有的wt％都基于铝合金组合物的总重量。优选地，镍(Ni)的含量可以为约2.3wt％至5wt％，或优选约5wt％。另外，钛(Ti)的含量可以为约4wt％，以及硼(B)的含量可以为约1wt％。优选地，根据本发明，过共晶Al-Si基合金还可以包含约4wt％至5wt％的铜(Cu)以及约0.45wt％至0.65wt％的镁(Mg)。或者，除了上述铝合金组合物，即约13wt％至21wt％的硅(Si)、约1wt％至5wt％的镍(Ni)、约4wt％至5wt％的钛(Ti)、约0.7wt％至1wt％的硼(B)之外，过共晶Al-Si基合金还可以包含约1.3wt％或者更少量的铁(Fe)、约0.1wt％或者更少量的锰(Mn)、和约0.1wt％或者更少量的锌(Zn)在下文，详细描述了各个组分。如在本文所使用的，硅(Si)可形成初级Si相并提高铝合金的弹性和耐磨性。然而，通过引入到Al3Ti等，硅(Si)也形成作为三元相的TiAlSi，为此铝合金的弹性效果可被降低并且耐冲击性可被恶化。因此，硅(Si)的含量可优选地限制为约13wt％至21wt％。如图5至图6所示，镍(Ni)可通过归因于Al3Ni相的沉淀硬化效应来改善铝合金的弹性模量、耐磨性等。Al3Ni相可通过与铝(Al)反应被产生，且其具有约179GPa的弹性模量。然而，因为制造成本可由于使用了昂贵的镍(Ni)而增加，并且铝合金的如刚度和弹性性能可由于形成了具有高粗糙度的化合物被降低，所以镍(Ni)的含量可优选地限制为约1wt％至5wt％。具体地，镍(Ni)的含量可更优选地为约2.3wt％至5wt％，或最优选地为约5wt％。图7是示出在示例性A390-4Ti-1B-χNi中根据作为Ni含量的χ和温度的相形成的图。这里，当镍(Ni)的含量小于约2.3wt％时，可生成Al3Ni2相，以及，当镍(Ni)的含量大于约2.3wt％时，可生成诸如Al3Ni、Al7Cu4Ni、Al6Ni3Si等相。当镍(Ni)的含量大于约5wt％时，镍(Ni)的含量可大于约4wt％的钛(Ti)和约1wt％的硼(B)的总含量，因此，归因于钛(Ti)和硼(B)的弹性模量可被影响。因此，镍(Ni)的含量可优选地限制为约5wt％或者更少。如在本文所使用的，钛(Ti)可通过精制铝合金的晶体粒子来改善机械性能。当Ti的含量大于约预定范围，机械性能反而可能恶化。因此，钛(Ti)的含量优选地限制为约4wt％至5wt％，或具体地为约4wt％。如在本文所使用的，如同在钛(Ti)中一样，通过精炼晶体粒子，硼(B)可进一步改善铝合金的机械性能。然而，硼(B)可形成具有高粗糙度的化合物，并因此铝合金的性能如刚度和弹性可被恶化。因此，硼(B)的含量可优选地限制为约0.7wt％至1wt％，更优选地为约1wt％。如在本文所使用的，铜(Cu)可通过增强铝合金的基体来改善的性能如耐磨性，但由于产生空隙可降低如耐蚀性之类的性能。因此，铜(Cu)的含量可优选地限制于量为约4wt％至5wt％。如在本文所使用的，镁(Mg)可改善铝合金的性能如耐磨性和强度，但由于形成具有高粗糙度的化合物可降低铝合金的性能如刚度和弹性。因此，镁(Mg)的含量可优选地限制为约0.45wt％至0.65wt％。如在本文所使用的，铁(Fe)可作为选择性的或替代的成分包含在铝合金中。铁(Fe)是硬的金属间化合物类型，并且通过被微小地、均匀地分散在铝合金中来改善铝合金的性能如耐磨性。然而，因为铁(Fe)可降低可铸性等并且使金属间化合物变粗糙。因此，铁(Fe)的含量可优选地限制为约1.3wt％或更少。如在本文所使用的，锰(Mn)也可像铁(Fe)一样作为选择性的或替代的成分包含在铝合金中，并且可通过被微小地、均匀地分散在铝合金中来改善铝合金的性能如耐磨性。然而，因为锰(Mn)可降低可铸性等并且使金属间化合物变粗糙，所以锰(Mn)的含量可优选地限制为约0.1wt％或更少。如在本文所使用的，锌(Zn)也可作为选择性的或替代的成分包含在铝合金中，并可通过精炼晶体颗粒来改善铝合金的性能如耐蚀性、刚度和硬度。然而，因为锌(Zn)可降低性能如耐磨性，所以锌(Zn)的含量可优选地限制为约0.1wt％。实施例在下文，将参考相应附图详细地描述本发明的各种示例性实施方式，因此，其易于被本发明所属领域的技术人员实施。本发明可以多种不同形式来实现，并且不应解释为限制于本文所述的实施方式。根据本发明的过共晶Al-Si基合金是依照如下下表1中的组分和含量制备的，并且依照铝合金的组分和含量测量了弹性模量、密度、硬度和磨损面积。【表1】在表1中，比较了比较例1至4的组分和含量与实施例1至3的组分和含量。在过共晶Al-Si基合金和A390基铝合金中，为证实根据镍(Ni)、钛(Ti)和硼(B)的存在与否及其含量的性能差异，制备了其组分和含量上变化的比较例和实施例。具体地，在比较例1中，包含约17wt％的硅(Si)、约1wt％的铁(Fe)、约4wt％的铜(Cu)、约0.05wt％的锰(Mn)、约0.50wt％的镁(Mg)等。在比较例2中，为实现Al3Ni的沉淀硬化效果，使用同在比较例1中一样的组分和含量并且进一步包含约5wt％的镍(Ni)。在比较例3中，为实现Al3Ti的沉淀硬化效果，使用同在比较例1中一样的组分和含量，并且进一步包含约4wt％的钛(Ti)和约1wt％的硼(B)。在比较例4中，为实现Al3Ni和Al3Ti的沉淀硬化效果，包含同在比较例1中一样的组分和含量，并且进一步包含约5wt％的镍(Ni)、约2wt％的钛(Ti)和约1wt％的硼(B)。在另一方面，在实施例1中，为实现归因于镍(Ni)的Al3Ni的沉淀硬化效果以及归因于钛(Ti)和硼(B)的Al3Ti的沉淀硬化效果，包含同在比较例1中一样的组分和含量，并且进一步包含约2wt％的镍(Ni)、约4wt％的钛(Ti)和约1wt％的硼(B)。另外，在实施例2中，为实现归因于镍(Ni)的Al3Ni的沉淀硬化效果以及归因于钛(Ti)和硼(B)的Al3Ti的沉淀硬化效果，包括同在比较实例1中一样的组分和含量，并且进一步包含约3wt％的镍(Ni)、约4wt％的钛(Ti)和约1wt％的硼(B)。在实施例3中，除了镍(Ni)的含量为5wt％外，其组分和含量与在实施例2中的相同。【表2】类别弹性模量(GPa)/硬度(HRR)磨损面积密度(g/cm3)(μm2)比较例184.0/2.7292.8810104.1比较例291.3/2.80104.5410149.2比较例389.1/2.77105.818737.8比较例498.13/2.84105.219523.4实施例194.84/2.84106.757552.4实施例297.54/2.86107.825785.3实施例398.9/2.88109.575490.3在表2中，比较了重量约1kg的合金的弹性模量、密度、硬度和磨损面积，所述合金具有依据表1的比较例1至比较例4以及实施例1至3的组分和含量。如比较例1，因为Al3Ni和Al3Ti的沉淀硬化效果未展示，所以与具有Al3Ni的沉淀硬化效果的比较实例2相比较，展示出减小的弹性模量和硬度。另外，在比较例3中，展示了Al3Ti的沉淀硬化效果，因此与比较实例1相比，展示了更高的弹性模量和硬度。然而，在比较例4中，因为包含为了实现Al3Ni和Al3Ti的沉淀硬化效果的镍(Ni)、钛(Ti)和硼(B)，但钛(Ti)的含量低，所以与比较例3相比，Al3Ti的沉淀硬化效果低并因此磨损面积增加。同时，在具有Al3Ti的沉淀硬化效果和Al3Ni的沉淀硬化效果的实施例1至3中，与比较例1至4相比，其弹性模量和硬度是优良的并且磨损面积小。具体地，在实施例1中，与比较例4相比，镍(Ni)的含量减少，但是钛(Ti)的含量增加，借此磨损面积迅速地减小并且硬度增加。因此，可以证实，与比较例4相比，在实施例1中，硬度和耐磨性增加。另外，在实施例1至3中，镍(Ni)的含量分别增加至2wt％、3wt％和5wt％，并且，随着镍(Ni)的含量，其硬度得到了提高且磨损面积减小。因此，可以证实镍(Ni)的含量可优选地为约1wt％至5wt％，更优选地为约2.3wt％至5wt％，最优选地为约5wt％。同时，图8是示出了弹性模量根据在温度约为800℃时制造的合金和在温度约为750℃时再融化铸块后制造的铸件的钛(Ti)含量变化而变化的曲线图。因此，可以证实包含约17wt％的硅(Si)、约1.0wt％的铁(Fe)、约4wt％的铜(Cu)、约0.05wt％的锰(Mn)、约0.50wt％的镁(Mg)、约0.5wt％的锌(Zn)等的A390基铝合金的弹性模量小于约85GPa，以及进一步包含约2.3wt％的钛(Ti)和约1wt％的硼(B)的A390基铝合金展示出Al3Ti等的沉淀硬化效果产生的弹性模量的增加。然而，当A390基铝合金包含约4wt％的钛(Ti)和约1wt％的硼(B)时，以及包含约5wt％的钛(Ti)和约1wt％的硼(B)时，弹性模量最高。其间，可以证实，当使用约4wt％的昂贵的钛(Ti)时，与使用约5wt％的钛(Ti)的情况相比，就制造费用而论其弹性模量是令人满意的。另外，图9是示出在温度约为800℃时制造的合金以及弹性模量根据在温度约为750℃时再融化铸块后制造的铸件中的硅(Si)含量而改变的曲线图。更具体地，包含约1.0wt％的铁(Fe)、约4wt％的铜(Cu)、约0.05wt％的锰(Mn)、约0.50wt％的镁(Mg)、约0.5wt％的锌(Zn)等的铝合金的弹性模量为约80GPa，但是其中进一步添加约12wt％的硅(Si)的ADC12基铝合金的弹性模量由于初级Si而迅速增加。另外，可以证实除包含约1.0wt％的铁(Fe)、约4wt％的铜(Cu)、约0.05wt％的锰(Mn)、约0.50wt％的镁(Mg)、约0.5wt％的锌(Zn)等的铝合金以外还包含约17wt％的硅(Si)的A390基铝合金的弹性模量高于还包含约12wt％的硅(Si)的ADC12基铝合金的弹性模量。进而，通过实验结果可以证实，当硅(Si)的含量增加至约21wt％时，弹性模量接近于约95GPa。因此，可以证实，为获得有效的弹性模量，硅(Si)的含量可优选地限制为约13wt％至21wt％。【表3】类别弹性模量(GPa)注解比较例597.45A390-1Ti-1B-5Ni比较例498.13A390-2Ti-1B-5Ni比较例6100.54A390-3Ti-1B-5Ni实施例3103.25A390-4Ti-1B-5Ni实施例4105.94A390-5Ti-1B-5Ni比较例7108.71A390-6Ti-1B-5Ni在表3中，比较了重量约25kg的包括A390基铝合金的合金的弹性模量，所述A390基铝合金包含约1.0wt％的铁(Fe)、约4wt％的铜(Cu)、约0.05wt％的锰(Mn)、约0.50wt％的镁(Mg)、约0.5wt％的锌(Zn)、约17wt％的硅(Si)等和另外1wt％的硼(B)和5wt％的镍(Ni)，以及根据比较例和实施例分别为1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％和6wt％的钛(Ti)。在表3中，实施例3和4，其中钛(Ti)的含量分别为4wt％和5wt％，与比较例相比，其展示了高弹性模量增加比率。因此，可以证实钛(Ti)的含量可优选地为4wt％至5wt％。然而，如同在比较实例7中，当钛(Ti)的含量太高时，制造费用可迅速地增加。因此，钛(Ti)的含量可优选地为少于6wt％。【表4】类别弹性模量(GPa)注释实施例593.13A390-4Ti-1B-1Ni实施例194.84A390-4Ti-1B-2Ni实施例297.54A390-4Ti-1B-3Ni实施例6100.37A390-4Ti-1B-4Ni实施例3103.25A390-4Ti-1B-5Ni在表4中，比较了包括A390基铝合金的实施例的弹性模量，所述A390基铝合金包含约1.0wt％的铁(Fe)、约4wt％的铜(Cu)、约0.05wt％的锰(Mn)、约0.50wt％的镁(Mg)、约0.5wt％的锌(Zn)、约17wt％的硅(Si)，和另外4wt％的钛(Ti)与1wt％的硼(B)，以及分别为1wt％、2wt％、3wt％、4wt％和5wt％的镍(Ni)。如在表4中所示，在镍(Ni)含量为3wt％的实施例2中的弹性模量增加比率高于在镍(Ni)含量为2wt％的实施例1中的弹性模量增加比率。具体地，在镍(Ni)含量为5wt％的实施例3中弹性模量最高。因此，可以证实镍(Ni)含量可优选地为1wt％至5wt％，更优选地为2.3wt％至5wt％，最优选为5wt％。【表5】在表5中，根据比较例3与实施例1比较了重量约25kg的合金与重量约300kg的合金的弹性模量和密度。在比较例3和实施例1的约300kg重的合金的情况下，牵引器变速箱被分成3部分，并且如在图10中所示测量了其各个部分的弹性模量与密度。结果，在所有的比较例3和实施例1中，约300kg的合金的弹性模量和密度都高于约25kg的合金的弹性模量和密度，并且实施例1的弹性模量和密度都高于比较例3的弹性模量和密度。因此，可以证实，即使当本发明应用于具有在工业领域可用的尺寸的产品，依照与传统技术相比较，本发明也可提供优良的弹性模量和密度。如从上面的描述明显可见，具有上述组成的本发明可通过形成额外的增强相如形成Al3Ni相来克服过共晶Al-Si基合金在弹性上的限制，并且提高其磨损性能等，所述增强相的形成由镍(Ni)等产生，所述增强相的形成通过包含钛(Ti)、硼(B)、镍(Ni)等可加强和提高由诸如TiAlSi的三元相降低的性能。虽然为说明目的已公开本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不偏离如所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换是可能的。当前第1页1 2 3