改进的铸铝合金部件的制作方法
【专利说明】改进的铸铝合金部件 发明领域
[0001] 本发明大体上涉及铝合金，更特别涉及具有改进的机械性质，特别是在室温和升 高的温度下的强度的可热处理的铝合金。
【背景技术】
[0002] 铝合金由于它们的高强度-重量比而获得广泛使用并因此已广泛用于减重努力。 这已成为汽车工业中的重要主题，其中燃料经济性和减排已促使制造商降低重量以改进效 率。随着效率目标扩展到更高水平，减重已经与功率密度的提高相结合以满足要求。但是， 较高的功率密度促成工作环境中的较高负荷和温度。
[0003] 过去，已经为室温或近室温用途发展了铝合金和它们的热处理。在材料科学中， 如果工作环境包括在合金的同系熔融温度的一半以上的任何非短暂暴露，该合金的用途被 视为高温。同系温度是绝对温标上的熔点的分数(铝T MP=660°C + 273 = 933 K;0. 5 TMP = 465. 5 K或193. 5°C)。因此，在194°C以上的任何用途被视为高温用途。在0. 5 TMP以上， 不同破坏机制在部件中变明显。对于气缸盖，运行温度常常超过这一值并在不久的将来，预 计提高到〇. 55至0. 58 Tmp。
[0004] 大规模商业铝合金主要通过两种机制增强：加工硬化和沉淀硬化。对于需要大批 量生产的复杂形状的用途，如汽车发动机部件，加工硬化合金不实际或不经济，以使通过热 处理沉淀硬化成为实现所需机械性质的主要方法。通过控制微结构的不同热处理步骤实现 沉淀硬化，以通过改变在老化过程中的温度下的时间而以受控方式形成极精细的强化相。 这些强化机制已用于要在室温或略升高的温度下使用的系统和产品。但是，一旦运行环境 的温度升至150 - 220°C的典型老化温度范围以上，这些性质会随温度提高和在温度下的 时间增加而快速变差。
[0005] 沉淀硬化通过从合金元素在母体铝相中的过饱和固溶体中沉淀出原子簇("沉淀 物")而改变铝合金的机械性质。随着沉淀物形成，它们使晶格变形，以阻碍位错的运动。正 是对位错运动的阻碍造成性质的改变；硬度和强度提高且延性降低。
[0006] 沉淀物的形成受时间和温度影响；在低温下，沉淀反应缓慢并花费大量时间，在较 高温度下，由于较高的原子迀移率，该反应进行得更快。
[0007] 在给定温度下，强度和硬度随在温度下的停留时间提高，直到形成大多数潜在的 第二相。随着停留时间增加，各沉淀物发生两种基本变化；首先，一些粒子以另一些粒子为 代价生长。通过合金元素的扩散，一些粒子会收缩并最终消失，而另一些粒子的尺寸增长。 这导致数量较少的较大沉淀物。较少沉淀物之间的较大距离改进了导致硬度和强度降低及 延性提高的位错运动性。另外，随着沉淀物的尺寸增长，沉淀物与铝晶格之间的应变能提高 到在能量上可以使界面原子键断裂并形成分相边界的程度。这以两种方式降低应变能；跨 边界键断裂，以致分隔更大和因此晶格畸变更小，并且由于母体晶格与沉淀物晶格的晶体 结构不同，在该簇-母体界面处不再迫使它们同时适应这两组晶格参数。
[0008] 当该界面仍完好时，这两个相中归因于错配的畸变相等并反向。畸变区伸出该化 学界面，以扰乱母体相中的晶格的有序排列。这种畸变使得沉淀物对机械性质具有不相称 地大的影响。沉淀物的有效半径是化学半径加上畸变区的一部分，因为畸变区也阻碍位错 的运动且位错负责该材料对变形载荷的机械响应。随着化学半径逐渐提高，该界面破坏； 其首先变得部分相干，然后不相干。在高的不相干水平下，随着沉淀物进一步生长，该系统 的机械性质开始降低，因为由于母体相中的晶格应变的损失，沉淀物的有效半径现在降低。 有效半径的损失以及上述沉淀物密度的降低伴随着机械性质的损失和相反，拉伸延性的提 高，这种现象被称作过度老化。
[0009] 因此，需要改进的可铸造铝合金部件及其制造方法，尤其是在升高的温度条件下。
【发明内容】
[0010] 本发明提供合金优化以及铸造和热处理工艺控制中的方法和技术以制造在室温 和升高的温度结构用途中具有增强的机械性质和强度的可铸造和可热处理的铝合金部件。
[0011] 本发明涉及以下[1]至[16]:
[1]. 一种铸铝基部件，其包含，以重量百分比计：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 ;余量主要为铝+任何残余物；其中Mn/Fe的重量比为大约0. 5至3. 5。
[0012] [2]. [1]的部件，其中将重量百分比进一步限定为大约：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的重量百分比为大约1. 1。
[0014] [4]. [2]的部件，其中Si的重量百分比为大约7。
[0015] [5]. [2]的部件，其中Mo、Co、Nb和Y的总重量百分比小于大约0.2%。
[0016][6], [2]的部件，其中所述部件是气缸盖、发动机缸体、轮子、活塞、托架、箱体或 悬挂系统。
[0017] [7].制造Al-Si合金铸造部件的方法，其包括： 提供所述部件的模具； 将包含所述Al-Si合金的熔融金属倒入所述模具中； 以高于大约1. 5°C /s.的受控冷却速率固化所述模具中的熔融金属； 其中所存在的任何初生Si基本均匀分散在固化铸件内。
[0018] [8].根据[7]的方法，其进一步包括热处理所述铸造合金的步骤。
[0019] [9].根据[8]的方法，其中所述合金在热处理后人工老化。
[0020] [10].根据[7]的方法，其进一步包括在所述模具中冷却所述合金，将所述合金 加热至大约495°C大约5小时，所述合金在基本60°C流体中淬火，将所述合金再加热至大约 180°C大约8小时和将所述合金气冷至大约室温。
[0021] [11].根据[7]的方法，其进一步包括在所述模具中冷却所述合金，将所述合金 加热至大约312°C大约4小时，所述合金在基本60°C流体中淬火，将所述合金再加热至大约 490°C大约3小时，将所述合金的温度提高至大约515°C大约2小时，将温度进一步提高至大 约530°C大约2小时，所述合金在基本60°C流体中淬火，将所述合金再加热至大约180°C大 约8小时和将所述合金气冷至室温。
[0022] [12].根据[7]的方法，其中所述部件是气缸盖、发动机缸体、轮子、活塞、托架、 箱体或悬挂系统。
[0023] [13].根据[7]的方法，其中所述Al-Si合金包含，以重量百分比计：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 ;且余量主要为铝+任何残余物。
[0024] [14].根据[13]的方法，其中Si的重量百分比为大约1. 1。
[0025] [15]?根据[13]的方法，其中Si的重量百分比为大约7。
[0026] [16].根据[13]的方法，其中Mo、Co、Nb和Y的总重量百分比小于大约0.2%。
[0027] 本发明的一个方面是一种铝合金部件。通常，该合金可包括大约0.6至大约14. 5 重量％硅、〇至大约〇. 7重量％铁、大约1. 8至大约4. 3重量％铜、0至大约1. 22重量％锰、 大约0. 2至大约0. 5重量％镁、0至大约1. 2重量％锌、0至大约3. 25重量％镍、0至大约 0. 3重量％铬、0至大约0. 5重量％锡、大约0. 0001至大约0. 4重量％钛、大约0. 002至大 约0. 07重量％硼、大约0. 001至大约0. 07重量％锆、大约0. 001至大约0. 14重量％钒、0 至大约0. 67重量％镧且余量主要为铝+任何残余物。此外，Mn/Fe的重量比为大约0. 5至 大约3. 5。
[0028] 本发明的另一方面涉及制造Al-Si合金铸造部件的方法。在一个实施方案中，该 方法包括：提供所述部件的模具；将包含Al-Si合金的熔融金属倒入所述模具中；和以受控 冷却速率固化所述模具中的熔融金属。所存在的任何初生（primary) Si基本均匀分散在固 化铸件内。
【具体实施方式】
[0029] 提供了高强度和高耐