专利名称：用于航空和汽车铸件的可热处理Al－Zn－Mg合金的制作方法
技术领域：
本发明是用于航空和汽车的异形铸件的铝合金、包含该合金的铸件和制造该合金的铸造部件的方法。
背景技术：
铸铝零件被用于汽车悬架中的结构应用中以减轻重量。最常用的合金组Al-Si7-Mg具有良好确定的强度极限。为了获得更轻重量的零件，需要具有确定的设计材料性能的更高强度的材料。目前，由A356.0制成的铸造材料，即最常用的Al-Si7-Mg合金能够可靠地保证290MPa(42060psi)的极限抗拉强度、220MPa(31908psi)的拉伸屈服强度以及8％或更大的延伸率。
存在且登记的许多替代合金表现出比Al-Si7-Mg合金高的强度。但是，这些合金在可铸性、腐蚀电位或流动性方面表现出不易克服的问题。因此这些替代性合金不适于使用。
在需要高强度的情况下，常使用锻造产品。这些产品通常比铸造产品昂贵。如果铸造产品可用于代替锻造产品而不损失强度、延伸率、耐腐蚀性、疲劳强度等，那么存在相当大的成本节约潜力。在汽车和航空应用中均是如此。
表现出比Al-Si7-Mg材料高的抗拉强度和抗疲劳性的铸造合金是所希望的。这些提高可用于减轻新零件或现有零件的重量，可以利用改良材料性能对这些零件进行重新设计以获得大的优势。
发明内容
本发明的合金是用于低压永久型铸造或半永久型铸造、压挤铸造、高压模铸、压力铸造或重力铸造、消失模铸造(lost foam)、熔模铸造、真空模铸(V-mold casting)或砂模铸造的Al-Zn-Mg基合金，该合金具有以下成分范围(均以重量百分比为单位)Zn约3.5～5.5％；Mg约0.8～1.5％；Si小于约1.0％；Mn小于约0.30％；和Fe和其它附带杂质小于约0.30％。
可以使用最高约1.0％的硅以提高可铸性。可以使用更低水平的硅以提高强度。对于一些应用，可以使用最高约0.3％的锰以提高可铸性。在其它应用中，锰应被避免。
该合金还可包含诸如二硼化钛、TiB2或碳化钛TiC的晶粒细化剂和/或诸如锆或钪的抗再结晶试剂。如果使用二硼化钛作为晶粒细化剂，那么合金中的硼浓度可以为0.0025～0.05％。类似地，如果使用碳化钛作为晶粒细化剂，那么合金中的碳浓度可以为0.0025～0.05％。典型的晶粒细化剂是包含TiC或TiB2的铝合金。
如果在固溶热处理过程中使用锆以防止晶粒生长，那么它的用量通常低于0.2％。也可以在低于0.3％的范围中使用钪。
本发明的目的在于，提供具有良好强度、适用于形成成形铸件的良好可铸性、良好的耐蚀性和良好的抗热冲击性的一类铝合金。细的晶粒尺寸对于强度和外观通常是所希望的，对于阳极化然后涂覆光亮饰面层的部件尤其如此。
在一个方面中，本发明是包含约3.5～5.5％的Zn、约0.8～1.5％的Mg的铝合金。它包含小于约1％的Si、小于约0.30％的Mn以及小于约0.30％的Fe和其它附带杂质。
在另一方面中，本发明是一种包含约3.5～5.5％Zn、约0.8～1.5％Mg、小于约1％Si、小于约0.30％Mn和小于约0.30％的Fe和其它附带杂质的铝合金的可热处理成形铸件。
在另一方面中，本发明是一种制备可热处理铝合金成形铸件的方法。该方法包括制备包含约3.5～5.5％Zn、约0.8～1.5％Mg、小于约1％Si、小于约0.30％Mn和小于约0.30％的Fe和其它附带杂质的铝合金的熔体。该方法还包括在配置为产生成形铸件的铸模中铸造至少一部分熔体；使熔体凝固；和从铸模中移出成形铸件。
附图给出具有和没有铜的Al-Zn-Mg合金的ASTM G44应力腐蚀试验的结果。
具体实施例方式
当提到这里的任何数值范围时，这些范围应被理解为包含所述范围最小值和最大值之间的每一个整数和/或分数。例如，约3.5～5.5重量％Zn的范围明显包含约3.6、3.7、3.8和3.9％一直如此向上并包含5.3、5.35、5.4、5.475和5.499％的Zn的所有中间值。这同样适用于这里所述的各个其它的数值性能和/或元素范围。
与类似的包含铜的Al-Zn-Mg合金相比较，对根据本发明的合金进行。使样品以0.1℃/秒的冷却速率定向凝固。在表1中给出结果。
表1
表1中所示的第一种合金是Al-4.5Zn-1.2Mg。对分别为T5和T6状态(temper)的两个样品进行测试。对于T5和T6状态的该合金的两个样品，以兆帕斯卡为单位给出抗拉强度和屈服强度，以百分比给出延伸率。该合金是本发明的实施例。
表1中所示的第二种合金也具有本发明范围中的组成。它包含Al-4.5Zn-1.2Mg-0.4Si。在T5状态下，该合金的抗拉强度和屈服强度的值比上一种合金低。但是，在T6状态下，它的抗拉强度、屈服强度和延伸率的值显著高于上一种合金。
表1中所示的第三种合金不在本发明的组成范围内。它的给出是为了比较。第三种合金在T5状态下抗拉强度和屈服强度以及延伸率的值比T5状态的第二种合金高，但在T6状态下，抗拉强度、屈服强度和延伸率的值比第二种合金低。
表1中所示的第四种合金也不在本发明的组成范围内。它的给出也是为了比较。给出的数据说明可能防止晶粒生长的锆的作用。T6状态的结果表现出非常高的抗拉强度、屈服强度和延伸率的值。
在第一工厂试用中测试根据本发明的合金的成形铸件的力学性能，并在表2中给出结果。
表2
用于第一工厂试用的组成是Al-3.5Zn-0.97Mg。表中以兆帕斯卡为单位给出抗拉强度和屈服强度，并以百分比为单位给出延伸率。测试T5状态的两个样品，并测试铸态材料的两个样品。注意到铸态材料的延伸率具有15.03％和15.95％的异常值。
还在第二工厂试用中对相比表1的合金包含稍多的镁的合金进行了测试。在表3中给出第二工厂试用的数据。
表3
表3中的数据是关于包含Al-3.5Zn-1.1Mg的合金。这是根据本发明的合金。给出三种不同的热处理的数据。第一种是160℃保温1小时，第二种是160℃保温六小时，第三种是143℃保温32小时。该表中的抗拉强度和屈服强度值以兆帕斯卡表示，而延伸率以百分比表示。
表4给出与表3中样品相同的合金的数据。对表4中报告的样品进行T6热处理，该热处理为471℃保温3小时、然后527℃保温10小时随后冷水淬火。然后如表4所记录对样品进行时效，然后获得表4中的应力结果。表中的第一行是关于只进行自然时效的样品。
表4
还使用名为“Standard Practice for Exposure of Metals andAlloys by Alternate Immersion in Neutral 3.5％ Sodium ChlorideSolution”的ASTM G44进行腐蚀试验。在该试验中，对加有应力的试样进行1小时循环，该循环包括浸入3.5％NaCl溶液中10分钟然后放在实验室空气中50分钟。对样品施加应力到它们的屈服强度的75％，并且运行该试验180天。
附图显示了该试验的结果。可以看出，在高的镁水平下，需要铜以防止应力腐蚀开裂。但是，对于本发明的低的镁水平(约1.2％Mg)，不需要铜。
上面给出了本发明的优选实施方案，但应理解，可以在附属权利要求的范围内以另外的方式实施本发明。
权利要求
1.一种用于成形铸件的可热处理铝合金，所述铝合金按重量百分比包含以下合金成分Zn约3.5～5.5％；Mg约0.8～1.5％；Si小于约1％；Mn小于约0.30％；和Fe和其它附带杂质小于约0.30％。
2.根据权利要求1的铝合金，还包含选自硼、碳及其组合的至少一种晶粒细化剂。
3.根据权利要求2的铝合金，其中所述至少一种晶粒细化剂包含约0.0025～0.05％的硼。
4.根据权利要求2的铝合金，其中所述至少一种晶粒细化剂包含约0.0025～0.05％的碳。
5.根据权利要求1的铝合金，还包含选自锆、钪及其组合的至少一种抗再结晶试剂。
6.根据权利要求5的铝合金，其中所述至少一种抗再结晶试剂包含低于0.2％的锆。
7.根据权利要求5的铝合金，其中所述至少一种抗再结晶试剂包含低于0.3％的钪。
8.根据权利要求1的铝合金，其中所述锌的浓度为约4.2～4.8％。
9.根据权利要求1的铝合金，其中所述锌的浓度为约4.4～4.6％。
10.根据权利要求1的铝合金，其中所述镁的浓度为约1.0～1.4％。
11.根据权利要求10的铝合金，其中所述镁的浓度为约1.1～1.3％。
12.根据权利要求1的铝合金，其中所述合金中的铁的浓度小于约0.3％。
13.根据权利要求1的铝合金，其中所述合金中的锰的浓度小于约0.3％。
14.一种铝合金的成形铸件，其中所述合金包含以下合金成分Zn约3.5～5.5％；Mg约0.8～1.5％；Si小于约1％；Mn小于约0.30％；和Fe和其它附带杂质小于约0.30％。
15.根据权利要求14的成形铸件，该成形铸件是T5热处理后的成形铸件。
16.根据权利要求14的成形铸件，该成形铸件是T6热处理后的成形铸件。
17.根据权利要求14的成形铸件，其中所述锌的浓度为约4.2～4.8％。
18.根据权利要求14的成形铸件，其中所述锌的浓度为约4.4～4.6％。
19.根据权利要求14的成形铸件，其中所述镁的浓度为约1.0～1.4％。
20.根据权利要求14的成形铸件，其中所述镁的浓度为约1.1～1.3％。
21.一种制造铝合金成形铸件的方法，所述方法包括制备铝合金的熔体，所述合金包含以下合金成分Zn约3.5～5.5％；Mg约0.8～1.5％；Si小于约1％；Mn小于约0.30％；Fe和其它附带杂质小于约0.30％；在配置为产生所述成形铸件的铸模中铸造所述熔体的至少一部分；使所述熔体在所述铸模中凝固；和从所述铸模中移出所述成形铸件。
22.根据权利要求21的方法，还包含对所述成形铸件进行T5热处理。
23.根据权利要求21的方法，还包含对所述成形铸件进行T6热处理。
24.根据权利要求21的方法，其中所述锌的浓度为约4.2～4.8％。
25.根据权利要求21的方法，其中所述锌的浓度为约4.4～4.6％。
26.根据权利要求21的方法，其中所述镁的浓度为约1.0～1.4％。
27.根据权利要求21的方法，其中所述镁的浓度为约1.1～1.3％。
全文摘要
一种用于成形铸件的可热处理铝合金，包含约3.5～5.5％的Zn、约1～1.5％的Mg、小于约1％的Si、小于约0.30％的Mn和小于约0.3％的Fe和其它附带杂质。
文档编号C22C21/10GK1965098SQ200580018220
公开日2007年5月16日 申请日期2005年4月22日 优先权日2004年4月22日
发明者J·C·林, C·亚纳尔, M·K·布兰特, 严新炎, 张文平 申请人:美铝公司