专利名称：非铜基铸造铝合金及其热处理方法
技术领域：
本发明涉及实质上不含铜的非铜基铸造铝合金及其热处理方法。
在铝硅系合金中添加少量镁的合金例如有AC4A、AC4C和AC4CH。这些合金通过借助Mg2Si中间相析出的热处理效果而提高了强度。尤其是，AC4C和通过把Fe限定在0.20质量％以下而提高韧性的AC4CH被用作机动车等的车轮用合金。
此外，也使用了在铝硅系合金中添加少量镁和铜的合金。这些合金的强度通过Mg2Si中间相的析出硬化和Cu的固溶硬化以及Al2Cu中间相的析出硬化而提高。
如上所述，热处理型铝合金强度的提高是通过添加其它元素和时效析出由此所得的中间相而实现的，用于时效析出的热处理由固溶处理和时效处理组成。固溶处理是这样的热处理，是在凝固时结晶的非平衡相固溶，使冷却时析出的析出相再固溶，在高温下获得成分均匀的固溶体。在固溶处理后的时效处理是这样的热处理，即力图实现中间析出相的细微化和均匀化并引起利用中间析出相的析出硬化。通过这些热处理，提高了铝合金的机械特性。
过去，虽然把以空气为热媒体的隧道式炉等可控气氛反应炉用于这样的铝合金的固溶出来和时效处理，但除了升温时间漫长外，温度波动高达约±5℃，因此存在不能进行更高温度下的固溶处理等问题。
过去，把如上所述地添加在铝硅合金中添加了多种元素如镁和铜的合金用作铝合金，其机械特性中的抗拉强度约为290MPa，名义屈服强度(σ0.2)约为200MPa，延伸率约为8％。在用于机动车车轮的铝合金中，如果要进一步提高象抗拉强度、名义屈服强度和延伸率这样的机械特性，则能够进一步减薄机动车车轮，由此能减轻机动车总重并减小滚动阻力，因而，除了节省燃料费用和提高尾气净化性能外，也有助于操作稳定性的提高。
另一方面，如上所述地，虽然往铝合金中添加铜可提高铝合金强度，但如果使铜超过预定含量，则出现了铝合金耐蚀性降低的问题。
鉴于上述现有技术问题而制定了本发明，本发明的一个目的是提供一种平衡良好地具有抗拉强度、屈服强度和延伸性这三种机械特性的非铜基铸造铝合金。
本发明的另一个目的是提供一种非铜基铸造铝合金的热处理方法，该方法能够加速升温并减小温度波动地在更高温度下进行固溶处理。
同样，本发明的铝合金最好含有6.5质量％～7.5质量％的硅和0.36质量％以下的镁，并最佳地还含有20ppm～70ppm的Sr。此外，本发明的铝合金最好是析出硬化型合金。这种非铜基铸造铝合金适用于机动车等的车轮。
根据本发明，提供一种铸造铝合金的热处理方法，它对由铸造铝合金构成的工件进行热处理并随后进行时效处理工件，由此使工件的机械特性提高，其中至少通过在30分钟内快速升温到固溶处理温度并且保持固溶处理温度达3小时以内来进行所述固溶处理，由此获得了具有305MPa以上的抗拉强度、220MPa以上的名义屈服强度和10％以上的延伸率的非铜基铸造铝合金。
此外，根据本发明，提供这样一种铸造铝合金的热处理方法，它对由铸造铝合金构成的工件进行热处理并随后进行时效处理，由此使工件机械特性提高，其中至少通过使所述工件处于流动层中来进行所述固溶处理，由此获得了具有305MPa以上的抗拉强度、220MPa以上的名义屈服强度和10％以上的延伸率的非铜基铸造铝合金。
在本发明的热处理方法中，上述时效处理最好通过使工件位于流动层中来进行。同样，流动层最好由直接吹送热风而形成。
图面简介
图1是本发明的热风直吹式流动层的实施例示意图。
图2是本发明所用的流动层式固溶处理炉的实施例的示意图。
图3是铝制机动车车轮的实施例的平面图。
图4是实施例中的热处理步骤的图表。
图5是表示实施例与对比例的拉伸试验结果的图表。
图6是表示实施例与对比例的冲击和硬度试验结果的图表。
图7是对比例中的热处理步骤的图表。
本发明的铸造铝合金是实质上不含铜的非铜基铸造铝合金，其机械特性如抗拉强度、名义屈服强度和延伸率在预定值以上，具体地说，抗拉强度为305MPa以上，名义屈服强度为220MPa以上，延伸率为10％以上。
在此，“实质上不含铜”的意思是指，铝合金含有0.1质量％以下的铜。当铝合金中的铜含量为0.1质量％以下时，铜没有提高强度的作用，另一方面，铝合金耐蚀性也不降低。在本发明中，以这种非铜基铸造铝合金为研究对象。
本发明的非铜基铸造铝合金具有295MPa以上的抗拉强度且最好是305MPa以上的抗拉强度并最佳地是320MPa以上的抗拉强度、220MPa以上的名义屈服强度且最好是240MPa以上的名义屈服强度并最佳地是260MPa以上的名义屈服强度、10％以上的延伸率且最好是12％以上的延伸率并最佳地是14％以上的延伸率。
在此，依照由JIS(日本工业标准)Z2201规定的试验方法来测定铝合金的机械特性，如抗拉强度、名义屈服强度和延伸率。
具有上述预定值以上的机械特性的本发明的非铜基铸造铝合金具有这样的成分，即以铝为主要成分，它含有6.5质量％～7.5质量％的硅、0.36质量％以下的镁，最好还含有20ppm～70ppm的Sr。即，当硅含量为6.5质量％～7.5质量％时，铝合金的铸造特性提高了，硅含量更好地是在6.8质量％～7.2质量％的范围内。当硅含量超过6.5质量％～7.5质量％的范围时，铝合金的铸造特性变差。
镁含量最好为0.36质量％以下。通过热处理，镁和硅析出Mg2Si中间相，通过这样的析出而产生了显著的时效硬化。当其超过0.36质量％时，抗拉强度或类似特性提高了，但相反地出现了延伸率减小的问题。
而且，Sr起到了铝合金共晶组织细微化元素的作用，Sr含量最好为20ppm～70ppm，最佳地在30ppm～60ppm的范围内。
如上所述，本发明的非铜基铸造铝合金最好是通过热处理而析出如Mg2Si等中间相的析出硬化型合金。而且，由于机械特性如抗拉强度、名义屈服强度和延伸率在预定值以上而出色并且平衡更好地具有这三种特性，所以本发明的非铜基铸造铝合金能极其有效地被用于机动车等的车轮。
按照JIS的规定，AC4C铝合金含有0.25质量％以下的铜和0.55质量％以下的铁，AC4CH铝合金含有0.2质量％以下的铜和0.2质量％以下的铁。只要满足本发明的上述成分，这些AC4C合金和AC4CH铝合金就是有效的。
其次，具有上述机械特性和成分的本发明的非铜基铸造铝合金可通过以下所述的热处理方法来生产。
首先，在用普通方法制造的铝合金(工件)铸件接受固溶处理之后，通常进行淬火并随后进行时效处理。通过使铸件接受这些处理，能够提高铝合金的机械特性，以便适用到机动车车轮等理想用途上。
在本发明中，进行这样的固溶处理是很重要的，即在短短30分钟内使工件温度急升到固溶处理温度并且在固溶处理温度下使工件保温3小时以内。确切地说，为防止形成球形共晶组织并防止共晶组织粗大化，最好在约3分钟-30分钟内把工件加热到530℃～550℃的固溶处理温度并且在530℃～550℃的固溶处理温度下保持3小时以内并最好是1小时以内。结果，提高了铝合金的强度和延伸性。
在本发明的固溶处理中，如上所述地，在短时间内快速加热工件是很重要的。例如，在机动车车轮的情况下，最好在3分钟-10分钟内升温至530℃～550℃。从防止共晶组织粗大化的角度出发，这是非常适当的。
在本发明的固溶处理中，只要能快速加热工件就足够了，其加热方式没有特殊限制。即，可以控制气氛温度地快速加热工件，例如高频加热、低频加热或远红外线加热也是适用的，但最好是采用流动层的快速加热。
用流动层快速加热是通过将工件置于流动层中来进行的。
流动层的特点是，通过吹送气体加热颗粒物质如粉末并且均匀混合地形成颗粒，在流动层内部温度大致一致的情况下，传热效率高。
本发明把这种流动层的特点用在了工件的固溶处理中。通过使流动层内部温度一致(约±2℃～3℃)，可以进行更高温度下的固溶处理，并且由于传热效率高，所以能够缩短达到固溶处理温度的升温时间。这些特征对以空气为热媒体的过去的可控气氛反应炉是很有利的。
在工件接受固溶处理之后，它被淬火至室温并接着接受时效处理。时效处理的方式没有特殊限制，能够使用过去的以空气为热媒体的(隧道式炉)可控气氛反应炉，但最好与固溶处理一样地选择利用流动层的方式。除了缩短时效处理时间外，在把流动层用于固溶处理的场合下，从控制和操作整个加工的观点出发，最好使用相同的流动层。
虽然已经知道且可使用间接加热系统和结合发光管的发光管系统，间接加热系统如加热流动层容器外部的容器加热系统作为流动层系统，从过程整个的控制、操作的观点出发，最好使用同一个流动层。
另外，至于流动层方式，除了从流动层容器外面加热的容器加热方式以及流动层内藏辐射管的辐射管方式等间接加热方式外，还知道通过直接吹送热风的直接加热方式，任何一种方式通常都能适用，但为了使流动层中的温度分布良好，优选通过利用直接吹送热风的直接加热方式形成流动层。
接着，描述本发明热处理方法的处理条件。
首先，在工件的固溶处理中，将工件在约5分钟-30分钟内加热至530℃～550℃并且保温几分钟至3小时，最好是几分钟至1小时。固溶处理温度最好为540℃～550℃并且最佳为545℃～550℃。然后，工件被淬火至室温。
接着，工件接受时效处理。时效处理最好将工件在几分钟内加热至160℃～200℃并保温几十分钟至几小时。时效处理温度最好在170℃～190℃。
接着，参考图来进一步描述本发明的热处理方法。
图1是本发明所用的热风直吹式流动层的一个例子的示意图。10是容器，在容器10中，如粉粒物等颗粒物12被填充在多孔板16上，这些颗粒物12被由来自多孔板16底部的热风流化并均匀混合，从而形成流动层18。
图2是本发明所用的流动层式固溶处理炉的一个例子的示意图。在图2中，数字20是热风发生器，来自未示出的鼓风机的空气被来自烧嘴22的火焰加热至热风形成温度700℃～800℃。此热风经过热风温度监控器24被吹入流动层式固溶处理炉26。在流动层式固溶处理炉26内，热风经多孔管28被吹入流动层30，在使颗粒物32流化的同时，加热了颗粒物32。由此一来，流动层30内被加热至530℃～550℃，因而获得了炉内温度波动约为6℃(±3℃)且在一点的波动约为3℃的炉内均温性。此外，在流动层30内的工件34被快速加热。颗粒物排出阀36被用于适当地排出颗粒物32。
虽然未示出，但是如图1、2所示的流动层可被用在本发明的时效处理中。
现在，根据实施例来详细描述本发明。(实施例)采用图2所示的流动层式固溶处理炉并且把有同样结构的流动层式热处理炉用作时效处理炉地实施本发明的热处理。
流动层式固溶处理炉是由这样的流动层容器构成的，即它成内径为1500mm的圆筒体状并且其圆筒形炉身高度为750mm且底部成倒锥形。时效处理炉也具有与固溶处理炉相同的结构。把平均粒径为50μm-500μm的沙子用作颗粒物。
要热处理的对象是如图3所示的铸造的铝制机动车车轮(20kg)，从外轮缘凸缘和轮辐切取试验片。上述铝制车轮含有7.0质量％的硅、0.34质量％的镁、50ppm的Sr和余量为铝。
热处理条件是，固溶处理温度是550℃，时效处理温度是190℃，固溶处理温度的升温时间是7分钟，固溶处理温度的保持时间是53分钟，并且按照图4所示的进度进行热处理。
从经过热处理的铝制机动车车轮上切取试验片(n＝4)并且试验片接受拉伸试验(抗拉强度、名义屈服强度和延伸率)、冲击试验和硬度试验。结果示于图5、6中。(对比例)过去的隧道式炉(可控气氛反应炉)被用作固溶处理炉和时效处理炉，在固溶处理温度为540℃、时效处理温度为155℃、固溶处理升温时间为1小时12分钟和固溶处理温度保持时间为4小时的条件下，按图7所示的进度对铸造的铝制机动车车轮进行热处理。其它条件与实施例一样。
从经过热处理的铝制机动车车轮上切取试验片(n＝4)并且试验片接受拉伸试验(抗拉强度、名义屈服强度和延伸率)、冲击试验和硬度试验。结果显示于图5、6中。
把JIS所规定的夏氏冲击试验法用作上述冲击试验地测定冲击强度。把JIS Z2245所规定的试验方法用作硬度试验地测定洛氏硬度。(考察)如从实施例和对比例的拉伸试验、冲击试验和硬度试验结果中清楚看到的那样，通过实施例获得的铝制机动车车轮具有334MPa以上的抗拉强度、262MPa以上的名义屈服强度和12％以上的延伸率。这些值完全满足拉伸试验的定性值，尤其是，抗拉强度与过去相比显著提高。
尤其要说明的是，当使用实施例所用的流动层式固溶处理炉和时效处理炉时，与过去的隧道式炉相比，约70％地大幅度缩短了总的热处理时间。
工业实用性如上所述，根据本发明的热处理方法，通过快速升温、缩小温度波动并在更高温度下进行固溶处理，能够与过去相比明显缩短总的热处理时间。
而且，根据本发明，能够提供一种平衡良好地具有抗拉强度、屈服强度和延伸率这三个机械特性的非铜基铸造铝合金。
权利要求
1.一种实质上不含铜的非铜基铸造铝合金，其中，其抗拉强度是305MPa以上，其名义屈服强度是220MPa以上，其延伸率10％以上。
2.如权利要求1所述的非铜基铸造铝合金，其特征在于，它含有6.5质量％～7.5质量％的硅和0.36质量％以下的镁。
3.如权利要求2所述的非铜基铸造铝合金，其特征在于，所述非铜基铸造铝合金含有20ppm～70ppm的Sr。
4.如权利要求1-3之一所述的非铜基铸造铝合金，其特征在于，所述非铜基铸造铝合金是析出硬化型合金。
5.如权利要求1-4之一所述的非铜基铸造铝合金，其特征在于，所述非铜基铸造铝合金被用于机动车车轮。
6.一种铸造铝合金的热处理方法，它对由铸造铝合金构成的工件进行固溶处理并随后进行时效处理，由此使工件的机械特性提高，其特征在于，至少如此进行所述固溶处理，即在30分钟内快速升温固溶处理温度并且保持该固溶处理温度3小时以内，由此获得了具有305MPa以上的抗拉强度、220MPa以上的名义屈服强度和10％以上的延伸率的非铜基铸造铝合金。
7.一种铸造铝合金的热处理方法，它对由铸造铝合金构成的工件进行固溶处理并随后进行时效处理，由此使工件的机械特性提高，其特征在于，至少通过使所述工件位于流动层中地进行所述固溶处理，从而获得了具有305MPa以上的抗拉强度、220MPa以上的名义屈服强度和10％以上的延伸率的非铜基铸造铝合金。
8.如权利要求7所述的热处理方法，其特征在于，通过使所述工件位于流动层中来进行所述时效处理。
9.如权利要求7或8所述的热处理方法，其特征在于，通过直接吹送热风形成所述流动层。
全文摘要
实质上不含铜的非铜基铸造铝合金,它具有305MPa以上的抗拉强度、220MPa以上的名义屈服强度和10%以上的延伸率。在铸造铝合金的热处理方法中,通过使用流动层18来实施固溶处理,固溶处理是通过在30分钟内快速升温到固溶处理温度并在3小时以内保持固溶处理温度来进行的。因为该热处理方法通过在高温下快速升温来实施温度波动小的固溶处理,所以与常规方法相比,总的热处理时间显著缩短。可提供一种平衡良好地具有抗拉强度、屈服强度和延伸率这三种机械特性的非铜基铸造铝合金。
文档编号C22F1/04GK1382228SQ00814553
公开日2002年11月27日 申请日期2000年8月22日 优先权日1999年8月31日
发明者酒井崇之 申请人:旭技术株式会社