用于高压压铸的高强度铸铝合金的制作方法
【专利摘要】一种用于高压压铸的高强度铸铝合金，其包含：6至12重量％的硅化镁，4至10重量％的镁，3至10重量％的来自的铜(Cu)、锌(Zn)、银(Ag)、金(Au)和锂(Li)的X元素，0.1至1.2重量％的锰，最大1.5重量％的铁，0.02至0.4重量％的钛或来自Cr、Nb和Sc的其他晶粒细化元素，最大含量为0.3重量％且总量＜0.5％的杂质和次要合金化元素，所述杂质和次要合金化元素是选自钪(Sc)、锆(Zr)、镍(Ni)、铬(Cr)、铌(Nb)、钆(Gd)、钙(Ca)、钇(Y)、锑(Sb)、铋(Bi)、钕(Nd)、镱(Yb)、钒(V)、铬(Cr)、铍(Be)和硼(B)的元素中的至少一种，和余量的铝。
【专利说明】用于高压压铸的高强度铸铝合金
[0001] 本发明涉及一种用于高压压铸的铝合金，特别是一种高强度铸铝合金，其除了铝 之外，还包含:硅化镁、镁、锰、钛和至少一种其他增强元素作为主要合金化组分，用于晶粒 细化或性质增强的次要元素，和属于不可避免的杂质的元素。
[0002] 高压压铸是已良好发展的用于从铝合金制造零件的技术工艺之一。压铸零件的品 质取决于若干因素，包括机器参数、合金的化学组成和熔体制备的工艺。公知的是，合金组 成是最关键的因素之一，并且它本身显著影响铸造性、进料行为、机械特性和铸造工具的寿 命。
[0003] 铝压铸部件在其中结构部件需要承受高应力的工业中有特别的重要性。日益增加 的施加在铝压铸零件上的机械要求需要高强度铝合金。目前，已登记的铸铝合金基本上是 基于41-3丨^1-3卜(：11^1-1^)1-1^-3丨体系的，这些体系提供120至1801〇^的屈服强度， 250MPa至300MPa的UTS，3至10%的伸长率。这些不能满足其中屈服强度在300MPa的水平、极 限抗拉强度(UTS)高于400MPa和伸长率在2%的水平的高强度的需要。因此，新的合金是必 需的，以借助特别的合金组成和适当的加工方法在压铸部件中获得高强度。
[0004] 出于现有技术的状态，大量参考文献已经公开了提供高强度的铸铝合金的合金组 成。这样的参考文献的实例包括W0/2006/122341、US 6773664、W0/2005/047554、EP 1371741、JP54019409和EP0819778。
[0005] 在W0/2006/122341中，描述了一种铝合金，是高强度铸铝合金，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以及痕量杂质。
[0006] US 6773664公开了一种用于铸造操作的铝-镁合金，其按重量％计由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、余量的铝和不可避免的杂质组成。该铸造合金特别适合于压铸操作中的应用。
[0007] W0/2005/047554公开了一种含有钪的Al-Mg-Si铸铝合金。其包含至少1.0至8.0重 量％镁(18)，>1.0至4.0重量％硅(31)，0.01至<0.5重量％钪(3〇)，0.005至0.2重量％钛 (Ti)，0 0.5重量％的选自由以下各项组成的组的元素或元素组:错(Zr)，铪(Hf)，钼(Mo)， 铽(Tb)，铌(Nb)，钆(Gd)，铒(Er)和钒(V)，0-088重量％M(Mn)，0 0.3重量％铬(0)，0 1 ·0 重量％铜(〇1)，0 0.1重量％锌(21〇,0 0.6重量％铁$6)，0 0.004重量％铍06)和剩余的 铝及此外单独最多0.1重量％且总体最多0.5重量％的杂质。
[0008] 在EP 1371741中，公开了一种具有高强度的铸铝合金，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和不可避免的杂质。还公开了一种通过以下方式获得的高强度铸铝 合金：铸造用于铸造的高强度铝合金（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及不可避免的杂质），并对这样铸造的合金进行T6处理。
[0009] JP54019409公开了一种用于压铸的高强度铝合金，通过限制其中 的含量，具有最小化的铸造裂纹和改进的热处理后的抗拉强度和屈服强度。
[0010] EP0819778公开了一种高强度的铝系合金，其基本上由以下通式表示的组成构成： AlbalMnaMb或AlbalMnaMbTMc，其中Μ表示一个以上选自由Ni、Co、Fe和Cu组成的组的成员， TM表示一个以上选自由11、￥、(>、￥、2广1^、〇6和1111组成的组的成员，并且&、13和(3各自表示在 以下范围内的原子百分数（原子％ ): 2彡a彡5,2彡b彡6和0<c<2,并且在其结构中含有 A19C〇2型结构的单斜晶体的金属间化合物。该A1系合金具有出色的机械性质，包括高硬度、 高强度和高伸长率。
[0011] 这些铝合金意在为工业提供改善的屈服强度或极限抗拉强度以及合理的伸长率。 与这些合金相关的主要问题包括以下问题中的至少一个：（1)强度不足于满足工业中的需 要；（2)为了开发机械性质上的潜在改善，需要全固溶处理中的长时间的高温以及长的时效 处理时间；（3) -些合金仅仅适合于永久型铸造和砂型铸造，但不可用于高压压铸；（4)一些 合金含有高含量的高价的稀土元素，并且昂贵的材料如钪将导致对于产品的成本忧虑和在 应用期间潜在的供应问题。
[0012] 在以下出版物中公开了其他铝合金：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] 本发明寻求提供改善的铝合金。
[0014] 根据本发明的第一方面，提供了 一种高强度铸铝合金，所述铝合金包含：
[0015] 4至14重量％的硅化镁，
[0016] 4至12重量％的镁，
[0017] 大于0重量％但不大于12重量％的量的元素 X，所述元素 X是铜（Cu)、锌（Zn)、银 (Ag)、金(Au)或锂(Li)或它们的任意组合，
[0018] 0.1至1.5重量％的锰，
[0019] 不大于1.5重量％的铁，
[0020] 最大总含量为0.8重量％的杂质和次要合金化元素，并且其中没有任何选自钪 (5。）、锆(2〇、镍(附）、铬(0)、铌(他）、钆(6(1)、钙(〇&)、钇(￥)、锑(313)、铋(81)、钕(制）、镱 (Yb)、钒(V)、铬(Cr)、铍(Be)和硼(B)中的单个元素大于0.5%，
[0021] 并且所述合金的剩余部分是铝。
[0022] 根据本发明的优选的合金具有出色的强度，并且能够用高压压铸制造，特别对于 具有高于3001^的屈服强度、高于4001^的17^和2%水平的伸长率的合金来说。
[0023] 据信，用本发明可行的改善的性质平衡，尤其是较高的强度和合适的延展性，是由 于在给定范围内的合金化元素 Mg2Si、Mg、Mn与至少一种其他用于强化的主元素以及至少一 种用于晶粒细化或强度增强的其他次要特殊元素添加和不可避免的杂质的组合导致的。 [0024]硅化镁(Mg 2Si)是镁与硅以1.73:1的比率的组合。Mg2Si是与铝形成假共晶合金的 假元素，并且在Al-Mg 2Si合金中提供主要的强化，其中当Mg2Si少于13.9重量％时优先相 (prior phase)为α-Al。因此，Mg2Si可以提供固溶强化（solution strengthening)和沉淀 强化。Mg2Si也因此用于铸造性的改善并减少包括热撕裂和夹杂在内的铸造缺陷。然而，增 加的Mg 2Si将减少铸造的延展性。同样，将Mg2Si含量保持在4至14重量％之间。优选地，将 Mg2Si的量保持在6至10重量％之间，最优选6至10重量％。然而，由于严重的模焊合（die soldering)问题，Al_Mg2Si是不可在高压压铸中铸造的。
[0025] Mg是铝合金中用于强化的主要元素。Mg在铝中有14.9重量％的高固溶度。高于4.0 重量％的18含量的确提供铸铝合金中的增强，用于改善的机械性能。更重要的是，在A1-Mg2Si合金中过量的Mg可以消除模焊合的铸造问题。利用来自Mg强化的进一步的性质增强， 这使得Al-Mg 2Si合金可以压铸。此外，Al-Mg2Si中过量的镁改变了共晶反应点，并且降低了 共晶合金中的Mg 2Si含量。这意味着可以通过Al-Mg2Si合金中过量的Mg含量的变化来控制微 结构。然而，为了确保合金中可接受的延展性，Mg的量不应当超过12重量％。优选地，在合金 中过量的Mg含量大于4重量％且小于10重量％ (最优选5至7重量％ )，由此提高具有更好的 屈服强度、抗拉强度和延展性(通过其伸长率测得)的平衡。
[0026]锰也是合金中的一种添加元素。它帮助防止模焊合，并且可以在合金中提供强度 增强。更重要的是，Μη与Fe组合，将含Fe化合物的形态从针状变成结节状，以减少Fe的有害 影响。将Μη含量的范围保持在0.1至1.5重量％之间，优选Μη的量在0.2至0.8重量％之间，最 优选0.4至0.7重量％。
[0027]在开发的合金中，至少一种元素 X作为主要强化元素是必需的。已经发现了在满足 合金的延展性的同时增加屈服强度的X元素的量。在本领域中，通常，如果随后的固溶和时 效处理是优选选项的话，需要有意地加入X，以改善屈服强度和伸长率。优选地，对于不同的 元素来说X的量是变化的，但是优选的量不超过12重量％。元素可以选自铜(Cu)、锌(Ζη)、银 (Ag)、金(Au)、钪(Sc)和锂(Li)中的至少一种。优选地，元素 X的量为3至6重量％。
[0028]钛通常在使用本发明的合金制备的铸件的固化期间用作晶粒细化剂。以小于0.4 重量％、优选小于0.20重量％且最优选为0.10至0.15重量％的11含量，获得此效果。Ti可以 部分或全部由V、Cr和/或Zr以相同的组成范围代替，以获得类似的效果，或由任何选自具有 晶粒细化功能的Cr、Nb和Sc的其他元素代替。
[0029] 在机械性能和耐腐蚀性方面，Fe是压铸铝合金中不可避免的有害元素。在压铸期 间，它倾向于形成针形的含铁化合物。针的端部总是故障的裂纹开始处。因此，在合金中需 要控制Fe。然而，Fe对于强度增强特别是屈服强度来说是有益的。因此，在合金的机械性能 方面，1.5重量％的量是可接受的。然而，如果耐腐蚀性是对合金的主要关注，则应当将Fe含 量限制为低于〇. 5重量％，优选低于0.3重量％。
[0030] 有一些元素作为晶粒细化剂或作为小量的合金化元素或作为杂质存在。至少一种 选自锆（Zr)、铌(Nb)、钆(Gd)、钙（Ca)、钇(Y)、锑（Sb)、铋(Bi)、钕(Nd)、镱(Yb)、钒(V)、铬 (Cr)、铍(Be)和硼(B)的元素，单独最大含量为0.3重量％ (优选0.25重量％ )，且总含量小于 0.5%〇
[0031 ]在本发明的另一方面，提供了一种高强度铸铝合金，其包含 [0032] 4至14重量％的硅化镁
[0033] 4至12重量％的镁
[0034] 不大于12重量％的量的元素 X，所述元素 X是铜(Cu)、锌(Zn)、银(Ag)、金(Au)或锂 (Li)或它们的任意组合，
[0035] 0.1至1.5重量％的锰
[0036] 不大于1.5重量％的铁，
[0037] 最大总含量为0.8重量％并且其中没有任何单个元素大于0.5%的杂质和次要合 金化元素，所述单个元素选自钪(Sc)、锆(Zr)、镍(Ni)、铬(Cr)、铌(Nb)、钆(Gd)、钙(Ca)、钇 (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铝。
[0039]在一个优选的实施方案中，所述合金包含5至14重量％的硅化镁，3至12重量％的 镁，2至12重量％的元素 X，0.1至1.2重量％的锰，0.02至0.4重量％的钛，不大于1.5重量％ 的铁，和杂质元素，所述杂质元素的含量为对于任何一种元素为最大〇. 3重量％且总含量不 大于0.3%。
[0040]通过参考以下具体实例，可以进一步理解本发明的某些实施方案。这些实例和本 文所用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并且不意在限制。
[0041 ] 实施例A
[0042] 一种合金，其具有以下组成：
[0043] 〇5至14重量％的硅化镁，
[0044] 〇3至12重量％的镁，
[0045] 〇2至12重量％的来自铜(Cu)、锌(Zn)、银(Ag)、金(Au)和锂(Li)的X元素，
[0046] 〇0.1至1.2重量％的锰，
[0047] 〇最大1.5重量％的铁，
[0048] 〇0.02至0.4重量％的钛或来自Cr、Nb和Sc的其他晶粒细化元素，和
[0049] 。最大含量为0.3重量％且总量<0.5%的杂质和次要合金化元素，其是锆(Zr)、铌 (他）、钆(6(1)、钙(0 &)、钇(￥)、锑(513)、铋(81)、钕(制）、镱(￥13)、钒(￥)、铬(〇)、铍(86)和硼 (B)的元素中的至少一种选自，
[0050] 。和余量的铝。
[0051 ] 实施例B
[0052] 一种合金，其具有以下组成：
[0053] 〇6至10重量％的硅化镁，
[0054] 〇4至9重量％的镁，
[0055] 〇3至8重量％的来自铜(Cu)、锌(Zn)、银(Ag)、金(Au)和锂(Li)的X元素，
[0056] 〇0.3至0.8重量％的锰，
[0057] 〇0.08至0.3重量％的钛或来自Cr、Nb和Sc的其他晶粒细化元素，
[0058] 〇最大0.7重量％的铁，
[0059] ?最大含量为0.2重量％且总量<0.4%的杂质和次要合金化元素，其是选自锆 (2〇、铌(他）、钆(6(1)、钙(0 &)、钇(￥)、锑（313)、铋(8丨）、钕(制）、镱(￥13)、钒(￥)、铬(0)、铍 (Be)和硼(B)的元素中的至少一种，
[0060] 。和余量的铝。
[0061 ] 实施例C
[0062] 一种合金，其具有以下组成：
[0063] 〇6至9重量％的硅化镁，
[0064] 〇5至7重量％的镁，
[0065] 〇3至6重量％的来自铜(Cu)、锌(Zn)、银(Ag)、金(Au)和锂(Li)的X元素，
[0066] 〇0· 4至0.7重量％的锰，
[0067] 〇0.10至0.25重量％的钛或来自Cr、Nb和Sc的其他晶粒细化元素，
[0068]。最大0.3重量％的铁，
[0069] 〇最大含量为0.2重量％且总量<0.25%的杂质和次要合金化元素，其是选自锆 (2〇、铌(他）、钆(6(1)、钙(0&)、钇(￥)、锑（313)、铋(8丨）、钕(制）、镱(￥13)、钒(￥)、铬(0)、铍 (Be)和硼(B)的元素中的至少一种，
[0070] 〇和余量的铝。
[0071] 进行的拉伸试验的结果列在表1中。在其中所列的合金的情况下，试验1至8的合金 是根据本发明的；参照合金表示其组成对应于根据本发明的合金但不含有任何晶粒细化剂 的合金。
[0074] 如由表中可见，X元素的加入可以导致在可接受的伸长率的情况下屈服强度和UTS 的明显增加。在铸件条件下的合金可以提供高屈服强度和极限抗拉强度，伴有合理的延展 性。可以用快速T6处理进一步改善机械性能。还看到的是，在此合金中，晶粒细化可用于改 善机械性质。
[0075] 在一个实施方案中，为了进一步改善机械性质，对合金进行快速热处理。快速热处 理由两个阶段组成:短时间的固溶处理和短时间的时效处理。在固溶和/或时效处理之后针 对机械性质进行的拉伸试验的结果列在表2中，其中高于450°C的高温用于固溶处理，且低 于200°C的低温用于时效处理。仅有高温处理的过程指示合金仅通过固溶处理且没有对合 金实施时效处理。类似地，仅有低温处理的过程指示仅通过时效处理合金且没有对合金实 施固溶。在其中所列的合金的情况下，试验1至8的合金是根据本发明的。
[0078] 如由表中可见，短期固溶可以增加伸长率，且短期时效处理可以改善强度。通过快 速固溶和随后的时效热处理，提供最佳的组合。因此，这是本发明中优选的热处理。
[0079] 所述的实施方案和从属的权利要求的所有任选的和优选的特征和改变可用在本 文教导的本发明的所有方面。此外，从属的权利要求的单独的特征，以及所述的实施方案的 全部任选的和优选的特征和改变是相互可组合的和可交换的。
[0080] 在本申请所要求优先权的英国专利申请号1402323.8中和伴随该申请的摘要中公 开的内容通过引用结合在此。
【主权项】
1. 一种高强度铸铝合金，所述铝合金包含： 4至14重量％的硅化镁， 4至12重量％的镁， 大于0重量％但不大于12重量％的量的元素 X，所述元素 X是铜(Cu)、锌(Zn)、银(Ag)、金 (Au)或锂(Li)或它们的任意组合， 0.1至1.5重量％的锰， 不大于1.5重量％的铁， 最大总含量为0.8重量％并且其中没有任何单个元素大于0.5%的杂质和次要合金化 元素，所述单个元素选自钪(Sc)、锆(Zr)、镍(Ni)、铬(Cr)、铌(Nb)、钆(Gd)、钙(Ca)、钇(Y)、 铺(Sb)、祕(Bi)、钕(Nd)、镱(Yb)、fL(V)、络(Cr)、铍(Be)和硼(B)， 并且所述合金的剩余部分是铝。2. 如权利要求1中所述的铝合金，所述铝合金另外包含不超过0.4重量％的用于细化所 述合金的晶粒的Ti、V、Zr、Cr、NbSSc。3. 如权利要求1或2中所述的铝合金，所述铝合金包含:5至14重量％的硅化镁，3至12重 量％的镁，2至12重量％的元素 X，0.1至1.2重量％的锰，0.02至0.4重量％的钛，不大于1.5 重量％的铁，和杂质元素，所述杂质元素的含量为对于任何一种元素为最大〇. 3重量％且总 含量不大于0.3%。4. 如任一在前权利要求中所述的铝合金，所述铝合金包含:6至10重量％的硅化镁，4至 9重量％的镁，3至8重量％的元素 X，0.3至0.8重量％的锰，0.08至0.3重量％的钛，不大于 0.7重量％的铁，和杂质元素，所述杂质元素的含量为对于任何一种元素为最大0.2重量％ 且总含量不大于0.25 %。5. 如任一在前权利要求中所述的铝合金，其中所述合金含有不大于0.3重量％的铬 (Cr)〇6. -种用于在压铸过程中使用任一在前权利要求中所述的合金的方法。7. -种用于使用处于未经热处理的铸件状态的权利要求1至5中任一项所述的合金的 方法。8. -种用于使用权利要求1至5中任一项所述的合金的方法，其中所述合金在400至550 °C固溶处理少于90分钟时间之后使用。9. 一种用于使用权利要求1至5中任一项所述的合金的方法，其中所述合金在460至520 °C固溶处理少于30分钟时间之后使用。10. -种用于使用权利要求1至5中任一项所述的合金的方法，其中所述合金在低于250 °(：的温度进行少于10小时时间的时效处理之后使用。11. 一种用于使用权利要求1至5中任一项所述的合金的方法，其中所述合金在低于250 °(：的温度进行少于2小时时间的时效处理之后使用。12. -种用于使用权利要求1至5中任一项所述的合金的方法，其中所述合金在400至 550°C固溶处理少于90分钟时间及随后在低于250°C的温度进行少于10小时时间的时效处 理之后使用。13. -种用于使用权利要求1至5中任一项所述的合金的方法，其中所述合金在460至 520 °C固溶处理少于30分钟时间及随后在低于200°C的温度进行少于2小时时间的时效处理 之后使用。14. 一种包含权利要求1至5中任一项所述的合金的商品。
【文档编号】C22C21/00GK105992833SQ201580007692
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月10日
【发明人】冀守勋, 樊中云, 阎锋
【申请人】布鲁内尔大学