专利名称：可铸造的耐热铝合金的制作方法
可铸造的耐热绍合金本发明涉及可铸造的耐热铝合金，其用于高温应用例如内燃机中的部件，特别是用于高载荷气缸盖的制造。更具体而言，本申请中所述的材料可用在高达300°c的温度，该是未来发动机中所期望的。用于制造气缸盖的铝合金通常来自典型具有5-10%范围硅的AlSi类族。除降低熔点之外，在铝中添加硅提供所需的铸造能力，该铸造能力是制造几何复杂性日益增加的零件所必需的。对于气缸盖而言，最广泛使用的铸造合金属于2个主要类族，其硅范围介于5%和10%之间并且铜介于O和3. 5%之间(取决于规格和使用条件)。第一类族涉及AlSi7Mg型的合金(例如SAE标准中的A356)，通常为T7热处理(完全处理)合金，由于它们优异的铸造性能、良好的损伤容限和机械性能而被众所周知，只是除了在高温下。第二类族涉及AlSi5-10%Cu3Mg (例如SAE标准中的319)通常为T5 (仅时效处理)合金，由于它们的经济利益、 在高温下的机械抗性而被众所周知，但是具有不良的损伤容限。在两种情形中，可使用这些合金的温度范围限于280°C，因为它们的机械性能(特别是屈服强度)在数小时后急剧下降(例如参见
图1)。从DE 10 2006 059 899 Al 知晓一种耐热铝合金，其包含 4. 5-7. 5wt%Si，O. 2-0. 55wt%Mg,0. 03-0. 50wt%Zr 和 / 或 O. 03-1. 5wt%Hf,最大 O. 20wt%Ti,〈O. 3=wt%Fe,〈O. 5Μη，0· 1-1. 0wt%Cu, <0. 07wt%Zn，余量为Al且杂质最大值为O. 03wt%。该文献似乎关注于Cu含量以便与相对大范围的Zr和/或Hf组合改善合金的耐热性。然而未进一步证实或记录最佳的组合。US2006/0115375涉及一种高强度、耐热且延性的铸造铝合金，其包含5. 5-7. 5wt%Si,0. 20-0. 32wt%Mg,0. 03-0. 50wt%Zr 和 / 或 O. 03-1. 50wt%Hf,0-0. 20wt%Ti,〈O. 20wt%Fe, <0. 50wt%Mn, <0. 05wt%Cu和〈0. 07wt%Zn。使用该已知合金的目的是维持其在等于或高于150°C温度下的强度值，以及通过相形成的减少以及因此增强的在至多240°C温度下的热-机械稳定性来获得较低的热膨胀。该合金含有非常低的Cu量(接近零)和相对高的Hf范围(高达1. 50wt%), Hf是非常昂贵的。本发明提供了一种在高温下具有改善的强度和蠕变性能的可铸造耐热铝合金。此夕卜，该合金比先前已知的含有Hf的可铸造合金更廉价，因为使用了最理想的少量Hf。本发明的特征在于如所附独立权利要求1中所限定的特征。在所附从属权利要求2-4中进一步限定了本发明的有利技术方案。下面将参照实施例和附图进一步详细描述本发明，其中图1示出了对于A356 T7合金通过硬度测量结果与时间和温度的关系得到的时效评价。图2示出了含有条状或带状析出物的合金的显微组织图像，所述析出物含有铪。图3示出了存在硬化MgSi析出物的合金的显微组织的另一图像。图4 是显示共存平衡相 β (Mg2Si), Θ (Al2Cu)和 Q(Al5Cu2Mg8Si7)在 300°C下的稳定区域的Thermo-Calc 模拟。图5示出了几种选定合金的蠕变测试的结果，在300°C于20MPa的载荷下，示出了总变形与时间的关系。图6是显示一些测试合金在不同温度下的低循环疲劳行为的坐标图(不同合金在250 °C的疲劳测试期间的模拟(使用稳定化的材料)滞后环(ε=0. OOliT1且Δ ε /2=0. 005))。图7示出了一些测试合金在低循环疲劳测试期间的寿命(ε=0. OOliT1且Δ ε /2=0. 003)。图8是显示利用具有变化Hf含量的一些另外合金的蠕变测试。近些年来，申请人之一已经开发出含O. 5%铜的铸造合金(AlSi7Cu05Mg)，其是上述合金类族中的令人感兴趣的折中物并且允许改善高于200°C温度下的材料稳定性，相对于参比物A356而言。 此外，申请人之一已开发出一种用于高载荷柴油机缸盖的AlSil0%Cu0. 5%Mg合金，作为AlSilO%Mg次级合金的改善。下文描述的发明涉及一种关于机械性能的稳定范围延伸至高达300°C及以上的新材料。在工具钢以及一些铝合金中，弥散体析出的优点为人们所知已有许多年。特别地，已经为高温下的特殊应用开发出诸如含锆AlCu5的合金。然而，由于大的凝固范围，这些合金非常难以铸造并且因此不适合于制造几何形状复杂的部件例如气缸盖。弥散体在铝工业中也是众所周知的，作为用于控制形变合金组织的要素，或者避免再结晶或者控制再结晶显微组织的尺寸。下述发明涉及在常规铝硅合金中实现弥散体(纳米级)析出物，以便增加在高温下工作的部件的寿命。通过个人技能和实验，发明人获得了如下的创新性合金组成 硅6.5_10wt% 镁0. 25-0. 35wt% 铜0. 3-0. 7wt% 铪0· 025-0. 55wt%且任选添加有 钛0_0.2wt% 锆0_0.3wt%余量由Al和不可避免的杂质(包括Fe)构成。在本发明的优选实施方案中，铜应介于O. 4wt%和O. 6wt%之间。取决于合金的化学组成，应当优选以300°C /h的加热速率进行热处理，如下■在475_550°C (目标525)下固溶处理5-10小时(目标5)。■急冷(通过不同的介质主要为水，但是可能为空气)。■在180_250°C (目标200)下时效2-8小时(目标5)。根据本发明，已发现在常规A356合金(也称为AlSi7Mg)中添加铜且特别是铪，连同特殊的热处理工艺，导致独特显微组织的形成，正如透射电子显微镜(TEM)观察结果所证实的。在α铝相中可看到条状或带状的含铪析出物的存在，如附图2所示。这些析出物宽60_240nm并且长几微米至几十微米。
在α铝相中常规β ” (Mg2Si)析出物的高密度(从图3中可见)确保该合金在热处理之后具有独特的性能组合，特别是室温下的强度。显然，O. 4-0. 6%范围内的铜添加对β "(Mg2Si)析出物的粗化动力学具有影响。通常认为，在高于200°C温度下人工时效之后(Τ7回火)，Mg2Si逐步形成粗的β ’或β析出物，从而导致材料内聚力(coherency)损失和软化。由于铜的添加，本发明明显延缓了该粗化过程。铜也可能存在于析出物的细分布中处于Q’相(Al5Cu2Mg8Si7)的形式，正如300°C下的热力学模拟所暗示。图4 呈现了共存平衡相 β (Mg2Si), Θ (Al2Cu)和 Q(Al5Cu2Mg8Si7)在 300°C下的稳定区域的Thermo-Calc 模拟。图4中所示的“叉号”表示合金名义组成点。
任选地,可向本发明的合金添加至多O. 3wt%的Zr和至多O. 2wt%的Ti。对添加Zr和Ti的合金的TEM检测揭示了在热处理期间形成的显微组织中存在杆形的AlSiZr和AlSiZrTi析出物。实验使用下表I中详示的合金进行测试以便比较本发明合金与不同合金(具有或没有Hf和/或Cu)的性能。对这些合金进行热处理，即根据也在下表中示出的温度和时间安排进行固溶处理和时效。表I
权利要求
1.可铸造的耐热铝合金，该合金用于高温应用例如内燃机中的部件，特别是用于高载荷气缸盖的制造， 其特征在于，该合金包含下列组成 S1:6. 5-10wt% Mg:O. 25-0. 35wt% Cu:O. 3-0. 7wt% Hf:O. O. 025-0. 55wt% 且任选添加有 T1:0-0. 2wt% Zr :0-0. 3wt% 余量由Al和包括Fe在内的不可避免的杂质构成。
2.根据权利要求1所述的合金， 其特征在于，该合金含有O. 4-0. 6wt%的Cu。
3.根据权利要求1和2所述的合金， 其特征在于，该合金含有O. 1-0. 3wt%的Hf。
4.根据前述权利要求1-3所述的合金， 其特征在于，该合金含有O. 10-0. 20wt%的Ti和O. 10-0. 20wt%的Zr。
全文摘要
本发明涉及可铸造的耐热铝合金，该合金用于高温应用例如内燃机中的部件，特别是用于高载荷气缸盖的制造，该合金包含下列组成Si:6.5-10wt%；Mg:0.25-0.35wt%；Cu:0.3-0.7wt%；Hf:0.025-0.55wt%；且任选添加有Ti:0-0.2wt%；Zr:0-0.3wt%，余量由Al和包括Fe在内的不可避免的杂质构成。
文档编号C22C21/02GK103025902SQ201180029265
公开日2013年4月3日 申请日期2011年6月16日 优先权日2010年6月16日
发明者T·伊维兰德, S·布鲁塞陶格, P·阿绍尔特, B·巴尔拉斯, D·马西诺, P·梅耶尔 申请人:诺尔斯海德公司, 美特倍股份有限公司