铝合金、铸造铝合金的方法和制造铝合金产品的方法

专利名称：铝合金、铸造铝合金的方法和制造铝合金产品的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有优良的铸造性、加工性和机械特性的铝合金，一种铸造所述 铝合金的方法，以及一种制造所述铝合金的产品的方法。
背景技术：
为了减轻车辆的重量，具有优良的强度和韧性及高耐蚀性的6061铝合金锻造产 品被用于车轮、悬臂等。但是，由于6061合金的铸造性差，所以难以获得具有复杂形状的近 净成形坯件，而是常常使用挤出产品作为坯件。这样，在制造具有复杂形状的部件时制造成 本往往增加。因此，在某些情况下使用铸造铝合金，例如AC4C合金和AC4CH合金。当利用 这种铸造铝合金的铸造性通过对这种铸造铝合金进行铸造所形成的净成形铸件或由这种 铸造铝合金制造出的近净成形坯件通过锻造被成形为最终形状时，能以低的制造成本制造 具有复杂形状的产品。但是，与6061合金相比，上述铸造铝合金的加工性差。为了解决上述问题，日本专利申请9-125181号公报(JP-A-9-125181)公开了 一种热锻性有所改善的Al-Si-Mg-i^e系合金。另外，日本专利申请7-109537号公报 (JP-A-7-109537)公开了一种机械特性有所改善的Al-Si-Mg-Ti-B系合金。在铸造性优良的Al-Si系合金中，Si通过共晶反应结晶成脆弱的晶体。这样， Al-Si系合金的机械特性、尤其是延展性始终是个问题。在这种情况下，为了改善Al-Si系 合金的延展性，必须使由于共晶反应而形成的Si晶体(下文中称作“共晶Si”)微细地结 晶。这样，Sr、Na、Sb和Ca作为特性改善元素被单独地或组合地添加以使共晶Si晶粒细 化。但是，尽管这些特性改善元素即使在以极少量存在时也能发挥效果，但是每种元素都具 有特有的问题，例如气体吸收或与耐火材料发生反应。另外，由于改善能力随着特性改善元 素在被添加后随时间消耗而降低，成分管理常常引起问题。在上述相关技术中也添加这些 特性改善元素来使共晶Si晶粒细化，但优选地，通过添加除上述特性改善元素以外的元素 来稳定地实现共晶Si的晶粒细化。溶质元素如Mg常常被添加到Al-Si系合金以获得与6061合金相当的机械强度、 尤其是规定强度(proof strength)。但是，由于不能仅通过调节Si和Mg的量来实现Al-Si 系合金的强度改善，所以已与Mg结合地添加Cu来改善强度。但是，在添加Cu时，Cu化合 物可能析出或结晶并降低Al-Si系合金的耐蚀性。特别地，Cu的添加往往在铸造产品中产 生偏析并且可能损害其耐蚀性。在JP-A-9-125181和JP-A-7-109537公开的相关技术中也 向Al-Si系合金添加Cu来改善强度，但为了维持Al-Si系合金的耐蚀性，希望不添加Cu来 改善Al-Si系合金的强度。

发明内容
本发明提供了一种新的铝合金，其具有优良的铸造性和加工性并且具有好的机械 特性。本发明还提供了一种制造由本发明的铝合金形成并具有好的机械特性的铸件的方 法，和一种制造通过加工所述铸件而获得的具有好的机械特性的铝合金产品的方法。
本发明的第一方面涉及一种铝合金，其包括按质量计在3. 5%以上且7. 5%以 下的硅(Si)；按质量计在0.45%以上且0.8%以下的镁(Mg)；按质量计在0.05%以上且 0.35%以下的铬(Cr)；和铝(Al)。根据上述构型，具有上述成分的铝合金具有优良的铸造性并且能被铸造成复杂的 净形状或近净形状。另外，由于所述铝合金中所含的适量的Mg有助于共晶Si的晶粒细化，所以不用依 赖如上所述的特性改善元素如Sr便能实现共晶Si的晶粒细化。由于能实现共晶Si的晶 粒细化，所以所述铝合金呈现高的延展性并且具有优良的加工性。此外，所述铝合金的强度在其包含适量的Mg并且包含Cr时得以改善。因此，所述 铝合金即使不含Cu也具有改善的强度和优良的耐蚀性。根据该方面的铝合金还可包含不可避免的杂质。所述不可避免的杂质可包括铁 (Fe)，并且所述铝合金中铁的含量可为按质量计在0. 3%以下。根据该方面的铝合金还可包含按质量计在0. 05%以上且0. 3%以下的钛(Ti)。根据该方面的铝合金可不含铜。根据该方面的铝合金还可包含下列的至少一种按质量计在0.003%以上且 0.05%以下的锶(Sr)；按质量计在0.001%以上且0.03%以下的钠(Na)；和按质量计在 0. 05%以上且0. 15%以下的锑(Sb)。在根据该方面的铝合金中，当所述硅通过共晶反应结晶时，结晶的硅可具有5μπι 以下的平均粒径。本发明的第二方面涉及一种铝合金的铸造方法。该铸造方法包括浇注熔融合金， 所述合金包括按质量计在3. 5%以上且7. 5%以下的硅；按质量计在0. 45%以上且0. 8% 以下的镁；按质量计在0. 05%以上且0. 35%以下的铬；和铝；以及让所述熔融合金冷却和 凝固。在根据该方面的铸造方法中，所述合金还可包含不可避免的杂质。所述不可避免 的杂质可包括铁，并且所述铝合金中铁的含量可为按质量计在0. 3%以下。在根据该方面的铸造方法中，所述合金还可包含下列的至少一种按质量计在 0. 003%以上且0. 05%以下的锶；按质量计在0. 001%以上且0. 03%以下的钠；和按质量计 在0. 05%以上且0. 15%以下的锑(Sb)。在根据该方面的铸造方法中，可通过使所述熔融合金以1°C /sec以上的冷却速率 冷却来实现所述熔融合金的凝固。本发明的第三方面涉及一种制造铝合金产品的方法，其包括对利用根据第二方面 的铸造方法制造的铝合金铸件进行冷加工和/或热加工。根据上述构型，可获得具有优良的铸造性和加工性并且具有好的机械特性的铝合 金铸件和铝合金产品。此外，当对所述铝合金铸件或铝合金产品进行固溶热处理和时效热 处理时，会促进共晶Si的球化作用并产生更高的延展性，并且Mg作为硅化镁(Mg2Si)析出 且机械强度如拉伸强度和规定强度提高。在根据该方面的制造铝合金产品的方法中，以提供30%以上的累积面积缩减的加 工率对所述铝合金铸件进行所述冷加工和/或热加工。


从下面参照附图对示例性实施例的描述将清楚看到本发明的上述和其它目的、特 征及优点，在附图中相似的附图标记用于表示相似的元件，并且其中图1是替代附图并示出该实施例的试样4-3的金属组织的照片；以及图2是示出在由根据该实施例的高强度铝合金形成的铸件(坯件)以不同的轧制 缩减率被热轧时观察到的延展性变化的图示。
具体实施例方式本发明的发明人已发现，可这样不添加铜(Cu)地显著改善含有硅的铝合金的强 度，即除了以不会不利地影响铝合金的延展性的量添加镁以改善强度之外还向该铝合金添 加铬。发明人还发现，镁不仅有助于改善铝合金的强度，还有助于共晶Si的晶粒细化。下面对实施本发明的实施例进行描述。根据该实施例的铝合金是具有优良的铸造性和加工性的铝合金，并且包含(假定 合金的总量按质量计为100%)按质量计在3. 5%以上且7. 5%以下的硅(Si)；按质量计 在0.45%以上且0.8%以下的镁(Mg)；按质量计在0.05%以上且0.35%以下的铬(Cr) ’及 余量铝(Al)和不可避免的杂质。当Si含量不在上述范围内时，所述铝合金的铸造性不佳。当Si含量按质量计低 于3. 5%时，铸造期间的收缩量增加。于是，易于产生铸造缺陷并且往往在铸件内部产生诸 如铸件裂纹的缺陷。Si含量优选地按质量计在4. 5%以上，更优选地按质量计在5. 5%以 上。当Si含量按质量计高于7. 5%时，收缩缺陷易于在铸件的最后凝固的部分内集中。此 外，当Si含量过高时，脆弱的Si晶粒的结晶增多，并且延展性和机械强度降低。Si含量优 选地按质量计在7%以下，更优选地按质量计在6. 5%以下。假定所述铝合金的总量按质量计为100%，则所述铝合金中Mg的含量按质量计在 0. 45%以上且0. 8%以下。Mg经历共晶反应并且有助于所述铝合金中Si晶体的晶粒细化。 其原因尚未被充分理解，但是认为Mg的存在会改变Al和Si之间的界面能，并且Mg在Si的 生长界面处集中并抑制Si晶体的生长。Mg在后面描述的热处理步骤中作为Mg2Si析出，并 且改善机械强度，如拉伸强度和规定强度。也就是说，所述铝合金必须含有适量的Mg来强 化α-ΑΙ基体相(后面描述其组织)。当Mg含量按质量计低于0.45%时，无法充分实现共 晶Si的晶粒细化并且所述基体相不具有充足的强度。Mg含量优选地按质量计在0. 5%以 上，更优选地按质量计在0.55%以上。当Mg含量过高时，即使在经过热处理之后，Mg的一 部分也不会形成固溶体，而是保持为Mg化合物，这会降低所述铝合金的延展性和韧性。Mg 含量优选地按质量计在0. 7%以下，更优选地按质量计在0. 65%以下。假定所述铝合金的总量按质量计为100%，则Cr的含量按质量计在0.05%以上且 0.35%以下。Cr在α-Al基体相中形成固溶体或作为Cr化合物析出，并且强化所述基体 相以改善机械强度，如拉伸强度和规定强度。尽管认为所述铝合金的改善主要是由于Mg2Si 相的析出，但也认为Cr化合物的析出会产生协同效应或Cr的存在会影响Mg2Si相的析出 状态。特别地，当所述铝合金被用于加工用坯件时，Cr是防止在加工期间发生再结晶的有 效元素。当Cr含量按质量计低于0.05%时，α-Al基体相不具有充足的强度。Cr含量优 选地按质量计在0. 1 %以上，更优选地按质量计在0. 12 %以上。当Cr含量按质量计高于0. 35%时，会形成Cr化合物的粗大晶体并且延展性和韧性会降低。Cr含量优选地按质量计 在0. 25%以下，更优选地按质量计在0. 2%以下。该实施例的铝合金可包含各种特性改善元素，只要不损害该实施例的优点和效果 即可。特性改善元素的具体示例包括钛(Ti)、锶(Sr)、钠(Na)、锑(Sb)和铁(Fe)。假定所述铝合金的总量按质量计为100%，则Ti的含量优选地按质量计在0. 05% 以上且0.3%以下。Ti有助于微细晶粒的形成，并且为α-Al基体相提供固溶强化或析出 强化。当Ti含量按质量计在0.05%以上时，能形成足够微细的晶粒并且结晶的晶粒趋于 在合金中呈各向同性分布。由于在铸模中的方向性强时趋于生长柱状晶，所以考虑到在使 用所得到的铸件作为加工用坯件时的加工性可添加Ti。当Ti含量按质量计在0. 05%以上 时，由于缩孔等精细地分布在合金内，所以机械特性得以改善。更优选地，Ti含量按质量计 在0. 以上。当Ti含量过高时，在金属组织中形成Ti化合物的粗大晶体，并且机械特性 变差。这样，Ti含量优选地按质量计在0. 3%以下，更优选地按质量计在0. 25%以下，再更 优选地按质量计在0. 2%以下。Sr、Na和Sb有助于共晶Si的晶粒细化。尽管通过在该实施例的铝合金中添加 Mg可实现共晶Si的晶粒细化，但在添加了这些元素中的一种或多种时可促进共晶Si的晶 粒细化并且机械特性进一步得以改善。特别地，当该实施例的铝合金的铸件被用作加工用 坯件时，其呈现出优良的加工性。假定铝合金的总量按质量计为100%，则该实施例的铝合 金优选地包含下列的至少一种按质量计在0. 003%以上且0. 05%以下的Sr ；按质量计在 0. 001%以上且0. 03%以下的Na ；和按质量计在0. 05%以上且0. 15%以下的Sb。当Sr的 含量过量时，微细和粗大的共晶Si混合在所得到的合金中并且易于发生Sr化合物的结晶。 另外，气体吸收增加并促进孔洞的形成，这会降低延展性。这样，更优选的Sr含量按质量计 在0. 01%以下。当Na的含量过量时，微细和粗大的共晶Si混合在所得到的合金中并且延 展性会降低。这样，更优选的Na含量按质量计在0.01%以下。当Sb的含量过量时，粗大的 共晶Si混合在所得到的合金中并且发生Sb化合物的结晶，这会降低延展性。这样，更优选 的Sb含量按质量计在0. 12%以下。狗是可能源自原料的不可避免的杂质。这样，假定铝合金的总量按质量计为 100%,则!^e含量优选地按质量计在0. 3%以下，或按质量计在0. 2%以下。当!^e含量按质 量计高于0. 3%时，Fe化合物的结晶增加并且延展性降低。该实施例的铝合金具有改善的机械强度并且基本不含铜(Cu)，如前所述，存在铜 会降低耐蚀性。如果有必要确定Cu含量，则其按质量计应当低于0.01%。所述铝合金考虑 到其耐蚀性优选地不含Cu。锰(Mn)通常用来防止铝合金的再结晶。但是，该实施例的铝合金由于包含了 Cr 可不含Mn。这是因为Mn会降低α -Al基体相中固溶体内Si的量。硼⑶通常与Ti结合 使用，作为有助于金属组织的晶粒细化的添加元素。但是，该实施例的铝合金可不含B，因为 它会形成降低加工性的TiB。该实施例的铝合金具有由α -Al基体相和结晶相构成的金属组织，所述结晶相包 含在围绕所述基体相的网状组织中结晶出的微细共晶Si。所述结晶相除了共晶Si之外还 包含结晶的狗化合物等。所述基体相除了处于固溶状态的合金元素(Si、Mg、Cr、Ti等)之 外还包含析出的化合物晶粒(例如，Mg化合物和Cr化合物的析出晶粒)。所述结晶相中所含的共晶Si优选地具有5 μ m以下、更优选地4 μ m以下、再更优选地3. 5 μ m以下的平均粒 径。共晶Si的平均粒径是通过对在光学显微镜下进行金相观察所获得的显微图像进行图 像分析而测得的多个共晶Si的最大长度(最大直径)的算术平均值。下面描述制造该实施例的铝合金的铸件的方法。制造该实施例的铝合金的铸件的 方法主要包括浇注步骤和凝固步骤。浇注步骤是将熔融合金浇注到铸模中的步骤，所述合金包括(假定合金的总量按 质量计为100% )按质量计在3. 5%以上且7. 5%以下的硅(Si)；按质量计在0. 45%以上 且0.8%以下的镁(Mg)；按质量计在0.05%以上且0.35%以下的铬(Cr)；及余量铝(Al) 和不可避免的杂质。制造该实施例的铝合金的铸件的方法不限于典型的重力铸造和加压铸 造，而是可以为压铸。用于铸造的铸模可以是任何类型，例如砂铸模或金属模。凝固步骤是在所述浇注步骤之后冷却所述熔融合金以使其凝固的步骤。可通过适 当地选择铸模的材料和壁厚、铸件的尺寸(或铸模的模腔的尺寸)、冷却方式等以增大冷却 速率(凝固速率)来实现共晶Si的晶粒细化。例如，可通过选择例如1°C /sec以上、优选 地5°C /sec以上的冷却速率来减小共晶Si的平均粒径。所述方法还优选地包括对所述凝固步骤之后的铝合金进行固溶热处理和/或时 效热处理的热处理步骤。热处理步骤促进共晶Si的球化作用并且改善凝固步骤之后的铝 合金的延展性。此处，固溶热处理是将铝合金维持在高温、然后快速冷却以形成过饱和固溶体的 热处理。时效热处理是将铝合金加热并维持在较低的温度而使过饱和固溶体中的元素析 出以赋予铝合金适当的硬度的热处理。通过这些热处理，微细的析出物均勻地分布并且共 晶Si被球化，由此可获得具有高度平衡的强度、延展性和韧性的铝合金。热处理的条件可 基于铸件的成分和所要求的特性等来进行选择。例如，在固溶热处理过程中，可在450°C至 550°C对铸件加热并保持0. 5至10小时，然后使其快速冷却。为了在成本和特性之间达到 良好的平衡，加热温度和保持时间优选地分别为490°C至535°C和0. 5至3小时。在时效热 处理过程中，可在140°C至250°C对铸件加热并保持1至20小时。为了在成本和特性之间 达到良好的平衡，加热温度和保持时间优选地分别为160至200°C和1至5小时。通过对由上述过程获得的铝铸件进行加工步骤来获得铝合金产品。也就是说，该 实施例的制造铝合金产品的方法主要包括如上所述的浇注步骤和凝固步骤，以及加工步 骤。浇注步骤和凝固步骤与如上所述的相同。加工步骤涉及对凝固步骤之后的铝合金铸件进行冷加工和/或热加工以获得铝 合金产品。冷加工和/或热加工的方法不受特别限制。例如，冷加工和/或热加工可通过 锻造(伸锻、旋锻等)、轧制、旋压等进行。冷加工和/或热加工可进行一次或者重复两次或 更多次。可进行冷加工或进行热加工，或者可在热加工之后进行冷加工。加工步骤优选地是以提供30%以上、优选地50%以上的累积面积缩减的加工率 对铝合金铸件进行加工的步骤。当加工进行两次或更多次时，优选地，所有加工阶段之后的 累积面积缩减为30%以上，优选地50%以上。通过提高加工率，铸造组织被破坏，并且更细 的共晶Si形成和均勻地分散在金属组织中。结果，可获得具有高延展性的铝合金产品。该实施例的制造铝合金产品的方法优选地还包括对加工步骤之后的铝合金产品 进行固溶热处理和时效热处理的热处理步骤。热处理步骤与如前所述的相同。
可按照需要在加工步骤之前对铝合金铸件进行均质化处理。均质化处理是对未结 合在固溶体中的结晶相加以结合并使结晶相球化的处理，并且改善其后的加工步骤中的加 工性。作为均质化处理，可在450°C至550°C对铝合金铸件加热并保持0. 5至10小时。加 热后的冷却不受特别限制。为了在成本和特性之间达到良好的平衡，加热温度和保持时间 优选地分别为490°C至535°C和0. 5至3小时。该实施例的铝合金适合用于需要具有高的强度和耐蚀性的铸造产品或锻造产品 或者形成它们的原料(例如锭料)。这类产品的示例包括车辆的悬架系统。悬架系统的示 例包括上臂、下臂、铰接头、车轴载持架、辐板式车轮和横梁。当该实施例的铝合金应用于这 些部件时，可对车辆实现显著的重量减轻和性能改善。下面更详细地描述该实施例的铝合金、制造铝合金铸件的方法和制造铝合金产品 的方法的示例。作为试验示例1，制备由具有表1所示的不同成分的铝合金构成的试样1-1至1-9 并评价它们的机械特性。在浇注步骤和凝固步骤中，将各组分混合以获得不同的合金成分，并且使各种混 合物熔化以制备熔融合金，然后将熔融合金浇注到型腔尺寸为80mmX70mmX 15mm的铜模 中并让其冷却和凝固以获得铝合金铸件。在热处理步骤中，对获得的铸件进行指定为T6的热处理。在T6热处理中，在535 °C 对铸件进行固溶处理1小时，然后在50°C的温水中淬火，后面再在170°C进行时效热处理3 小时，由此获得作为试样1-1至1-9的铸件。对试样1-1至1-9的拉伸强度、规定强度和延展性进行评价。从由上述过程获得 的各个铸件的厚的中心部获取厚度为3mm的平板拉伸试件。利用由Siimazu Corporation 制造的AutoGraph以0. 3mm/min的十字头速度进行拉伸试验。从由利用视频引伸计测得的 位移和载荷计算出的应力-应变曲线获得0.2%规定强度。在室温下完成拉伸试验。结果 概示于表2中。[表 1]
权利要求
1.一种铝合金，其特征在于包括按质量计在3. 5%以上且7. 5%以下的硅； 按质量计在0. 45%以上且0. 8%以下的镁； 按质量计在0. 05%以上且0. 35%以下的铬；和ο
2.根据权利要求1所述的铝合金，还包括不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的铝合金，其中，所述不可避免的杂质包括铁，并且所述铝合金中铁的含量为按质量计在0. 3 %以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的铝合金，还包括按质量计在0.05%以上且 0.3%以下的钛。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的铝合金，所述铝合金不含铜。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的铝合金， 还包括下列的至少一种按质量计在0. 003%以上且0. 05%以下的锶； 按质量计在0. 001%以上且0. 03%以下的钠；和 按质量计在0. 05%以上且0. 15%以下的锑。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的铝合金，其中，当所述硅通过共晶反应结晶时，结晶的硅具有5μπι以下的平均粒径。
8.—种铝合金的铸造方法，其特征在于包括浇注熔融合金，所述合金包括按质量计在3. 5%以上且7. 5%以下的硅；按质量计在 0. 45%以上且0. 8%以下的镁；按质量计在0. 05%以上且0. 35%以下的铬；和铝；以及 让所述熔融合金冷却和凝固。
9.根据权利要求8所述的铸造方法，其中，所述合金包含不可避免的杂质。
10.根据权利要求9所述的铸造方法，其中，所述不可避免的杂质包括铁，并且所述铝 合金中铁的含量为按质量计在0.3%以下。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的铸造方法，其中，所述合金还包括下列的至少一种按质量计在0. 003%以上且0. 05%以下的锶； 按质量计在0. 001%以上且0. 03%以下的钠；和按质量计在0. 05%以上且0. 15%以下的铺。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的铸造方法，其中，通过使所述熔融合金以 I0C /sec以上的冷却速率冷却来实现所述熔融合金的凝固。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的铸造方法，还包括对凝固的铝合金铸件进行 固溶热处理和时效热处理。
14.一种制造铝合金产品的方法，其特征在于包括对利用根据权利要求8至13中任一项所述的铸造方法制造的铝合金铸件进行冷加工 和/或热加工。
15.根据权利要求14所述的制造铝合金的方法，其中，以提供30%以上的累积面积缩减的加工率对所述铝合金铸件进行所述冷加工和/或热加工。
全文摘要
一种铝合金，若假定该合金的总量按质量计为100％，则该合金包括按质量计在3.5％以上且7.5％以下的硅、按质量计在0.45％以上且0.8％以下的镁、按质量计在0.05％以上且0.35％以下的铬、和铝。
文档编号C22C21/04GK102089450SQ200980127399
公开日2011年6月8日 申请日期2009年7月6日 优先权日2008年7月14日
发明者前田千芳利, 加纳大树, 小西德次郎, 岩堀弘昭, 川原博, 松冈秀明 申请人:丰田自动车株式会社