铝铸造合金、铝铸造部件以及用于制造铝铸件的方法与流程

本申请涉及适合于制造铝铸造部件的铝铸造合金，该铝铸造部件用于制造车辆等的电驱动器。此外，本申请涉及用于电机的铝铸造部件以及这种部件的制造方法。
背景技术：
：通常将由铝合金铸造的部件的电导率表示为国际退火铜标准(https://en.wikipedia.org/wiki/internationalannealedcopperstandard或者https://www.nde-ed.org/generalresources/iacs/iacs.htm)的百分比。因此，如果将处于铸态的特定铝铸造合金的电导率指定为40％iacs，那么这意味着由所述铝合金铸造的部件在固化之后并且在没有进一步热处理的情况下，其电导率为被指定为iacs标准的铜的40％。本文考虑的这种部件的典型实例为车辆的电驱动器的鼠笼式转子的笼。在这些转子中，将通常由“电工钢”片的堆叠形成的铁芯(https://en.wikipedia.org/wiki/electrical_steel)保持在笼中。在现代机械概念中，由轻质金属合金制成该笼，从而减轻转子的重量。作为铝部件的压铸的标准，已知合金alsi10mgmn，根据dinen1706(2010)，该合金由以下元素组成(以质量％计)：9.5％至11.5％的si、≤0.15％的fe、≤0.03％的cu、0.5％至0.8％的mn、0.1％至0.5％的mg、≤0.08％的zn、0.01％至0.02％的sr和0.04％至0.15％的ti，余量为al和≤0.2％的杂质。这种已知合金示出了极限抗拉强度rm为至少250mpa，屈服强度rp0.2为至少120mpa，布氏硬度为至少65hbw，并且电导率为30％iacs至40％iacs。用于铸造电气应用的部件的其他关注于电导率的铝材料为合金alsi0,5mg(“anticorodal-04”)和纯铝转子合金，纯铝转子合金由至少99.7质量％的铝构成(参见手册“primaryaluminiumalloysforpressurediecasting–rheinfeldenalloys”，由位于德国rheinfelden的rheinfeldenalloysgmbh&co.kg出版，版本为“gruppe122015”，http://rheinfelden-alloys.eu/wp-content/uploads/2016/01/05-hb-dg_ci_sf_cm_td_ma_rheinfelden-alloys_2015_en.pdf)。也在rheinfeldenalloysgmbh&co.kg的手册中公开的铝铸造合金alsi9sr具有更高的电导率，其电导率为43.0％iacs至48.5％iacs。根据该手册，该合金由以下元素构成(以质量％计)：8.0％至9.0％的si、0.5％至0.7％的fe、≤0.02％的cu、≤0.01％的mn，≤0.03％的mg、≤0.07％的zn、≤0.01的ti、0.01％至0.03％的sr，余量为al和至多0.1％的杂质。由该合金压铸的部件的屈服强度rp0.2为至少80mpa，极限拉伸强度为至少170mpa并且布氏硬度为至少55hbw。为了提高电机的效率，需要在实际使用中旋转的具有高旋转速度和较大直径的电机部件。实际上，由上述类型的一般合金铸造的部件不满足强度需求，或者不具有电驱动能量的最佳利用所需的电导率。技术实现要素：针对上述现有技术的背景，本申请的目的是开发一种铝铸造合金，其提供了高机械性能和高电导率的优化组合的潜力，并且也具有高的可铸造性。此外，还应当开发具有高机械性能和高电导率的优化组合的铝铸造部件。此外，应当建立这样一种方法，该方法能够可靠地制造显示出高机械性能和高电导率的优化组合的铝部件。对于铝铸造合金，根据本申请实现了该目的，其中通过权利要求1中指定的方式构成这种铝铸造合金。如权利要求6所述，对于铝铸造部件，上述提及的目的的解决方案是，由根据本申请的铝铸造合金铸造这种部件，根据本申请的铝铸造部件具有相当于至少42％iacs的电导率、至少45hb10/500的布氏硬度、至少80mpa的屈服强度(“ys”)以及至少150mpa的极限拉伸强度(“uts”)。关于该方法，通过如下方式实现了上述提及的目的，其中根据本申请，在制造铝铸造部件期间，至少进行在权利要求11中指定的那些加工步骤。在所附权利要求中阐述了本申请的有利实施方案，并且在下文中连同本申请的一般概念一起详细地进行解释。根据本申请的铝铸造合金由以下元素构成(以质量％计)：ce：0.2％至3.0％si：0.5％至1.5％fe：0.1％至1.2％mg：0.2％至1.0％，一种或多种选自组“zn、sr”的任选的元素，各任选的元素的含量为zn：≤0.8％sr：≤0.1％，余量为al和不可避免的杂质，所述杂质任选地包括选自组“ti、cr、mn、v”的元素，所述杂质的含量限制为总计小于0.025％。将铈(“ce”)添加到根据本申请的合金中，以获得改善的合金的可铸造性。此外，在根据本申请的合金中ce的存在减小了由合金铸造的部件的微观结构中的晶粒尺寸，并且还改善了部件的硬度和其他机械性能。为了实现这些效果，需要ce为至少0.2质量％。ce含量高于3.0质量％不会额外有助于提高合金或由根据本申请的合金铸造的部件的性能。如果ce含量达到至少0.3质量％、特别是至少0.5质量％，那么可以特别可靠地确保ce在根据本发明的铝铸造合金中的积极影响。将0.5质量％至1.5质量％的硅(“si”)和0.2质量％至1.0质量％的镁(“mg”)添加到根据本申请的铝合金中，从而通过mg2si的形成强化该合金。此外，si和mg的存在使得根据本申请的合金可析出硬化。如果根据本申请的铝铸造合金的si含量达到至少0.8质量％并且/或者mg含量达到至少0.4质量％，那么便会产生(特别是)这些积极效果。可预期根据本申请的铝铸造合金中存在的si含量的优化效果的通路(corridor)的上限为1.2质量％，而如果将mg含量限制为0.7质量％，那么将预期在根据本申请的铝铸造合金中存在的mg含量的优化效果。铁(“fe”)的添加量为0.1质量％至1.2质量％，以改善根据本申请的铝铸造合金的可铸造性，并减少合金与模具或al合金围绕其铸造的钢层叠体的焊接。通过将fe含量限制为最大值为1.0质量％，可以实现存在于根据本申请的合金中的fe的最佳效果。可以任选地将锌(“zn”)以至多0.8质量％的量添加到根据本申请的铝铸造合金中，以通过使al-fe共晶点向较低的fe浓度偏移从而改善可铸造性，由此使在设定温度能够得到更高的液相比，这提高了填充模具时的合金流动性。还添加了zn，从而通过固溶强化增加了合金的硬度和强度。为了可靠地获得zn的积极影响，根据本申请的合金可以包含至少0.1质量％的zn。可以任选地将锶(“sr”)以至多0.1质量％的量添加到根据本申请的铸造合金中，以增加强度并减少模具焊合的趋势，特别是在fe浓度低于0.5质量％的实施方案中。为了可靠地获得sr的积极影响，根据本申请的合金可以包含至少0.03质量％的sr。钛(“ti”)、铬(“cr”)、锰(“mn”)和钒(“v”)可任选地作为杂质存在于本申请的合金中。然而，为了避免由于即使是痕量的这些元素而导致合金的电导率显著劣化，根据本申请的铝铸造合金中ti、cr、mn和v的浓度的总和必须限制在总计最大值为0.025质量％。如上所述，由根据本申请的合金化的铝铸造合金铸成的用于电机的铝铸造部件示出了相当于至少42％iacs的电导率、至少45hb10/500的布氏硬度、至少80mpa的屈服强度(“ys”)以及至少150mpa的极限拉伸强度(“uts”)。根据本申请的铸造部件在铸态(“f回火”)下示出了这些最低的电性能和机械性能，其中在铸态下，铸造部件没有经过特殊的热处理。通过对根据本申请的铝部件进行热处理，可以实现甚至更高的电导率和增强的机械性能。由此，由根据本申请的铝合金形成的铝铸造部件在t5回火状态(即在从铸造温度冷却后，随后进行人工硬化)示出的电导率为至少45％iacs，特别是为至少47％iacs，或者在t6/t7回火状态(即在固溶热处理后，随后进行人工老化以到达峰值或过老化状态)示出的电导率至少为48％iacs。根据astme10-18标准在25℃的温度测定铝铸造部件的布氏硬度，对于铝合金，这涉及使用10mm硬化钢球压头和500kg负荷。通常，根据本申请的铝铸造部件的布氏硬度不但达到至少40hb10/500，而且还达到42hb10/500或更高，特别是至少45hb10/500或至少46hb10/500。在铸造后自然老化达十天之后，根据本申请的铝铸造部件的布氏硬度提高到至少50hb10/500。通过自然老化可以可靠地获得50hb10/500至52hb10/500的布氏硬度。延长自然老化时间对布氏硬度没有显著影响。通过对根据本申请的铝铸造部件进行人工老化(t5条件)，布氏硬度可进一步提高到至少52hb10/500。通过对铝铸造部件采用固溶热处理并随后进行人工老化(t6/t7回火)，硬度可进一步提高到至少55hb10/500。根据astmb557标准，在25℃的温度和1mm/min的应变速率下测定根据本申请的铝铸造部件的屈服强度(“ys”)、极限拉伸强度(“uts”)和总断裂伸长率(elt)。在铸态(f条件)下，根据本申请的铝部件的屈服强度(ys)为至少80mpa。在人工老化(t5条件)之后，根据本申请的铝铸造部件在t5条件下通常示出至少115mpa的屈服强度。通过t6/t7热处理，可进一步提高根据本申请的铝铸造部件的屈服强度。如果使根据本申请的铝铸造部件经受热处理，那么根据本申请的铝铸造部件独立地展现出至少150mpa的极限拉伸强度(uts)。通常可以获得至少160mpa的极限拉伸强度。对于圆形拉伸样品，根据本申请的铝铸造部件在f回火下的总断裂伸长率(elt)达到至少8％，并且在t5条件下达到至少6％。对于扁平拉伸样品，在f回火条件下的总断裂伸长率达到至少14％至16％，并且在t5回火条件下的总断裂伸长率达到至少9％。伸长率的差异归因于扁条的截面中的较大部分由快速固化表皮(几何因素)构成，从而减少了截面中的整体缺陷和孔隙率。高电导率和优化的机械性能的组合使得根据本申请的铝合金特别适合于制造用于电气应用的铸造部件，在所述该应用中，铸造部件暴露于高离心力中。因此，根据本申请的铝铸造部件优选为用于鼠笼式转子的笼，其中将转子的“电工钢”部件插入到模具中，然后对熔融al合金进行高压压铸。根据本申请，用于制造铝铸造部件的方法至少包括以下加工步骤：a)提供根据本申请的合金化的铝铸造合金熔体；b)由加工步骤a)中提供的铝铸造合金铸造铝铸造部件；c)对铝铸造部件进行空气冷却；d)任选地：对加工步骤c)中获得的铝铸造部件进行热处理；e)任选地：使铝铸造部件自然老化达10天。当然，本领域技术人员将补充本文没有提及的所有加工步骤，但是本领域技术人员从现有技术中已知，这些加工步骤对于铸件的制造是必要的并且任选进行的热处理也是必要的。在加工步骤b)中，进行作为高压压铸(“hpdc”)的铸造，任选地通过施加真空来辅助高压压铸(“vahpdc”)，其优化的可铸造性使得根据本申请的合金化的铝熔体特别适合于这些铸造工艺，这些铸造工艺已在实践中完善地建立，用于大规模制造具有复杂设计的铸件(对于高压压铸(“hpdc”)，参见https://www.giessereilexikon.com/en/foundry-lexicon/encyclopedia/show/high-pressures-die-casting-4631/？chash＝709c18f2265df2e4b6d0c04aaf887779；对于真空辅助压铸(“vahpdc”)，参见https://www.giessereilexikon.com/en/foundry-lexicon/encyclopedia/show/vacuum-assisted-die-casting-4748/？chash＝d787255a9e2d54fec7b96529360d7c35)。关于在根据本申请的方法过程中作为加工步骤c)的对铝铸件部件进行的冷却，可进行静止空气下的冷却或强制空气冷却，其中在强制空气冷却中，使铸造部件暴露于气流，使得铝铸件的冷却速率为200℃/min至400℃/min。如上所述，通过热处理，根据本申请制造的铝铸造部件可以通过对其进行热处理得以增强。因此，任选地在加工步骤d)中，可对铝铸造部件进行t5回火(即，人工老化，老化温度ta为200℃至240℃，老化时间ta为1.5小时至3小时)作为热处理。在实践中，老化温度为210℃至220℃、老化时间ta为2小时可以是合适的。作为可供替代的方式，可进行t6/t7回火作为根据加工步骤d)的可任选的热处理，其中在t6/t7回火过程中，在475℃至520℃的固溶热处理温度ts对铝铸造部件进行固溶热处理，固溶热处理时间ts为0.5小时至1.0小时，通过强制空气淬火进行冷却，在该冷却过程中，使铝铸件暴露于气流中以使铝铸件的冷却速度为200℃/min至400℃/min，然后在200℃至240℃的老化温度ta进行老化时间ta为1.5小时至3.0小时的人工老化。在实践中，固溶热处理温度ts为485℃至515℃、并且固溶热处理时间ts为0.5小时至1小时、老化温度ta为210℃至220℃并且老化时间为2小时可以是合适的。附图说明下面，通过示例性实施方案更详细地阐述本申请。本文中示出了：图1示出了根据本申请的三种铝合金的电导率随自然老化时间的变化的图；图2示出了根据本申请的三种铝合金的布氏硬度随自然硬化时间的变化的图；图3示出了根据本申请的三种铝合金由于热处理引起的电导率的变化的图；图4示出了根据本申请的三种铝合金由于热处理而引起的布氏硬度的变化的图。具体实施方式将根据本申请的三种铝铸造合金al-1.1si-0.6mg-2.7ce、al-0.6fe-0.9si-0.5mg-0.7ce、al-1fe-0.8si-0.5mg-0.6zn-0.5ce熔化，这三种铝铸造合金的组成如表1所示。作为测试样品，在一般高压压铸设备中，在一般条件下，由合金al-1.1si-0.6mg-2.7ce、al-0.6fe-0.9si-0.5mg-0.7ce、al-1fe-0.8si-0.5mg-0.6zn-0.5ce铸造扁平测试棒和圆测试棒。铸造的测试样品代表了设计用于根据本申请的铝铸造合金的铝铸造部件。在铸造之后，将测试样品在静止空气下冷却至室温。在第一项试验中，检测了自然老化对铸态(f回火)下的样品的电导率的影响。这些试验的结果示于图1。结果显示自然老化对电导率没有显著影响。然而，如图2所示，在老化时间达10天的自然老化过程中，特别是由具有较低ce含量的铝铸造合金al-0.6fe-0.9si-0.5mg-0.7ce和al-1fe-0.8si-0.5mg-0.6zn-0.5ce铸造的测试样品的布氏硬度显著升高。图2还示出了延长自然老化时间并不会有助于使布氏硬度进一步显著提高。在第二项试验中，检测了t5热处理的影响。为此，将测试样品加热到210℃至220℃的人工老化温度，并在该温度范围内保持2小时。随后确定以这种方式人工老化的测试样品的电导率。在图3中，通过t5热处理获得的样品的电导率与对经过60天的自然老化(f回火)的测试样品测定的各电导率不同。结果是，通过人工老化(t5热处理)，可以获得显著提高的电导率。这在ce含量分别为至少0.7质量％的具有较高ce含量的合金al-1.1si-0.6mg-2.7ce和al-0.6fe-0.9si-0.5mg-0.7ce中尤其如此。在第三项试验中，由这三种铸造合金铸造的测试样品经受t7处理的三种变型。在第一种变型中，在480℃的固溶热处理温度ts对各个样品进行固溶热处理。在第二种变型中，固溶热处理温度ts为500℃，并且在第三种变型中，固溶热处理温度ts为515℃。将各样品在各自的固溶热处理温度ts保持0.5小时的固溶热处理时间ts(不包括加热时间)。固溶热处理后，以100℃/min的冷却速率对样品进行强制空气冷却。随后，在215℃的老化温度ta使各样品进行老化时间ta为2小时的人工老化。试验证实，通过t7热处理，可进一步提高由根据本申请的合金铸造的部件的电导率。此外，测定经过了t5热处理和t7热处理的测试样品的布氏硬度，并将其与经过了60天自然老化(f回火)的测试样品的布氏硬度进行比较。该比较的结果示于图4。图4示出了通过对由根据本申请的合金制成的铸造部件进行热处理，也能够使布氏硬度显著提高。特别是对于以515℃的固溶热处理温度ts进行固溶热处理的样品，其展现出了最高的布氏硬度。随后，测定铸态(f回火)和t5热处理(t5回火)后的测试样品的屈服强度ys、极限拉伸强度uts和断裂伸长率elt。在表2中示出了在圆棒测试样品上检测的这些测定结果。在表3中示出了在扁条测试样品上检测的这些测定结果。表1合金cesifemgznal-1.1si-0.6mg-2.7ce2.71.10.10.6-al-0.6fe-0.9si-0.5mg-0.7ce0.70.90.60.5-al-1fe-0.8si-0.5mg-0.6zn-0.5ce0.50.81.00.60.6规格按质量％计，余量为al和不可避免的杂质表2表3当前第1页12