用于变速器离合器壳体的铸造铝合金的制作方法

本公开总体上涉及铝合金，并且更具体地涉及具有改进的铸造质量和机械性能的铸造铝合金以及由其制成的铸造制品，诸如由永久铸模和高压压铸(hpdc)制成的离合器壳体。

背景技术：

铸造铝合金在汽车工业中已经越来越多地被用于在诸如发动机机体和变速器部件之类的应用中替代grob冷形成的或者辊模形成的铸铁或高强度低合金(hsla)钢以减少质量。随着对燃油经济性的需求增加，轿车工业的制造商现在越来越需要生产具有非常薄的壁和诸如拉伸、延展性和屈服强度的高机械性能的组合的近终形铝部件。hpdc为生产许多这些部件提供了最经济的生产方法

为了避免铸造部件中非常薄的壁位置中的不连续性和特别是未铸满，熔融合金被足够快地注入模腔中，使得在模腔的任何部分开始凝固之前整个腔充满。因此，注入是在高压下进行的，熔融金属在被压入模具时会受到湍流的影响，并且然后迅速地凝固。由于被熔融合金所替换的空气几乎没有时间逃离，因此空气中的一些被截留并且导致了多孔性。铸件还包含由有机模具壁润滑剂的气体蒸汽分解产物造成的气孔，并且多孔性也可能由凝固过程中的收缩造成。

由hpdc工艺造成的多孔性的一个主要缺点是，由通常具有响应于老化-硬化的能力的铝制成的铝合金铸件不能人工老化，也就是说，它们不能以人工老化条件的高温特性来处理。在传统的高温固溶处理过程中，高压压铸件中含有气体的内部气孔或形成化合物的气体膨胀，导致铸件上形成表面气泡。这些气泡的存在不仅会影响铸件的外观，还会影响尺寸稳定性，并且在某些情况下，还会负面地影响hpdc部件的特定机械性能产生。

显然，本领域中需要一种适用于hpdc的铝合金，而不损害诸如变速器壳体之类的铸造部件的机械性能。

技术实现要素：

本公开提供铸造铝合金，其具有改进的铸造质量和机械性能以用于制造由其制成的制品，诸如由hpdc制成的变速器离合器壳体。

该合金可以包含可铸性和强度增强元素中的至少一种，诸如硅、铜、镁、铬、锆、钒、钴、锶、钠、钡、钛、铁、锰和/或锌。合金的微结构可以包含具有至少一种合金元素的至少一种不溶性固化和/或沉淀颗粒。

在一个示例性实施例(其可以与本文提供的其他示例和特征组合或分离)中，提供了适用于高压压铸的铝合金。铝合金可以包含：约12至约16重量％的硅、约0.0至约6.0重量％的铜、约0.2至约0.5重量％的镁和约0.1至约0.5重量％的铬；铝合金进一步包括各约0至约1.0重量％的铁、锰和锌；铝合金还包括各小于0.1重量％的锶和磷；并且铝合金还包括约0.0至约0.25重量％的其它微量元素，诸如但不限于钛、锆、钒和钴。可以提供附加的特征，包括但不限于铝合金进一步包括约74至约88重量％铝的铝合金。

在又一示例性实施例(其可以与本文提供的其他示例和特征组合或分离)中，铝合金可基本上由以下组成：约13重量％的硅；约0.0至约6.0重量％的铜；约0.35重量％的镁；约0.1至约0.5重量％的铬；约0.4重量％的铁；约0.5重量％的锰；约0.2重量％的锌；各小于0.1重量％的锶和磷；和约0.0至约0.25重量％的其它微量元素，诸如但不限于钛、锆、钒和钴。可以提供附加的特征，包括但不限于铝合金进一步包括约85重量％的铝的余量。

在又一示例性实施例(其可以与本文提供的其他示例和特征组合或分离)中，铝合金可以包括在约550℃处的固相线边界。铝合金可以包括185mpa的铸态屈服强度。铝合金还可包括310mpa的铸态极限屈服强度。铝合金还可以包括室温下2.8％的铸态伸长率。铝合金的其它特征可包括251mpa的t5屈服强度；340mpa的t5极限拉伸强度为；1.9％的t5伸长率。

在又一个示例(其可以与本文提供的其他示例和特征组合或分离)中，铝合金可基本上由以下组成：约13.0至约14.0重量％的硅；约0.0至约2.0重量％的铜；约0.3至约0.4重量％的镁；约0.2至约0.3重量％的铬；约0.3至约0.5重量％的锰；各小于0.5重量％的铁和锌；各小于0.05重量％的锶和磷；约0.0至约0.15重量％的其它微量元素，诸如但不限于钛、锆、钒和钴；并且剩余余量为约83至约86重量％的铝。并且诸如铝合金的另一附加特征包括在大约500℃处的固相线边界。

提供一种铸造制品，诸如变速器离合器壳体，并且本文公开了铝合金的任何一种形式的铸造。

附图说明

附图被提供为仅用于说明目的，并不旨在限制本公开或其所附权利要求。

图1是根据示例性实施例的方面的变速器离合器壳体铸件的俯视图；

图2是根据示例性实施例的方面的变速器离合器壳体铸件的仰视图；

图3是示出根据示例性实施例的各方面的hpdc铝合金的计算相图，其示出了铜(cu)含量的函数的相变；

图4是示出根据示例性实施例的各方面的hpdc铝合金的计算相图，其示出了硅(si)含量的函数的相变；和

图5是示出根据示例性实施例的各方面的hpdc铝合金的计算相图，其示出了镁(mg)含量的函数的相变。

具体实施方式

本发明提供了具有改进的变速器离合器壳体机械性能的铸造铝合金。

在图1中，离合器壳体10具有大致杯形开放式碗状配置，其具有端壁(也称为活塞停止面)12、内轴向轮毂14和外壁16。外壁16包括限定内径的内表面18和限定外径的外表面20。根据离合器壳体10的操作特性，一系列纵向花键22形成在外壁16的内表面18中。花键22可以以不同的间隔、长度和深度形成用于以预定方式操作。在图2中，一系列浅的金属保护袋30形成在端壁12的外背面32中。花键22和金属保护袋30可以以不同的间隔、长度和深度形成用于以预定方式操作。花键22承受冲击和扭转载荷，并且需要，特别是在非常高的速度(＞12000rpm)下，高强度和耐磨性。与其他铝合金相比，这些新合金表现出较低的多孔性率倾向、较好的可铸性和较高的机械性能(见表1)。这些合金还可以表现出改进的延展性和高断裂韧性，以及高强度和耐磨性。结果，可以减小铝铸件的废品率和制造成本。并且由于消除了裂纹并且在制造过程中不需要裂纹检测，因此可以减少了保修成本。

这种新合金可以应用于永久铸模和hpdc工艺两者。

表1：新合金和380/390的机械性能

新合金：al-13％si-0.35％mg-0.4％fe-0.5％mn-0.2％zn

该合金可以包含可铸性和强度增强元素中的至少一种，诸如硅、铜、镁、锰、铁、锌和镍。合金的微结构包含具有至少一种合金元素的一种或多种不溶性固化和/或沉淀颗粒。

与用于变速器离合器壳体或其它制品的其它可商购合金相比，表2中列出了新合金成分范围的两个示例(在这些示例中称为版本1和版本2)。

表2：两个版本的新型合金和商用合金a380、390、a390和b390的化学成分

虽然众所周知铜会增加铝合金的强度和硬度，但从负面来看，铜通常会减小铝的耐腐蚀性；并且在某些合金和温度下，铜增加了应力腐蚀敏感性。铜也增加了合金的凝固范围并降低了进料能力，导致高潜在性的收缩多孔性。另外，铜昂贵且重。

hpdc零件已知的铝合金铸件一般限于回火t5处理老化(天然或人工)。老化通过促进铝合金成分的硬化溶质沉淀来强化铸件。人工老化是将铸件加热到中间温度(例如160-240℃)，并且然后将铸件保持一段时间以通过沉淀实现硬化或强化。考虑到沉淀硬化是一个动力学过程，铸件中残留溶质元素的含量(过饱和)在铸件的老化反应中起着重要作用。因此，hpdc过程后铝软基质溶液中的硬化溶质的可用性和实际量对随后的老化有影响，这取决于合金成分(诸如cu和mg含量)，并且从模具提取铸造后的淬火温度。

在al-si-mg-cu基hpdc铸造铝合金中，像a380合金一样，强化沉淀物包括mg2si、al2cu，并且铸造后的q相(alcumgsi)在高温(诸如490℃)下进行固溶处理。然而，hpdc组分通常不进行固溶处理，cu的硬化效能和贡献可能会令人惊讶地受到限制。虽然典型的hpdc铝合金(诸如，a380、380或383)含有名义成分3～4％的cu，但实际上，剩余在铸态铝基质中用于随后老化的cu溶质会大大减少。然而，合金中过量的cu将形成其它低熔相。含cu的低熔点相会显著地影响合金的可铸性，并增加铸件中的多孔性。合金可铸性的度量中的一个是液相线和固相线之间的凝固范围。凝固范围越大，收缩多孔性越高，可铸性越差。

参照图3，其示出了al-cu-14重量％si-0.35重量％mg-0.4重量％fe-0.5重量％mn-0.25重量％cr-0.25重量％zn基合金的计算相图50，其中优选合金具有从0至2重量％变化的cu含量。图50包括合金材料在其上保持液态的液相线边界线55和合金材料在其下变为固态的固相线边界线60。液相线55和固相线60之间的温度范围是合金凝固范围65。当cu含量在4.0和6.0重量％之间时，冻结范围65最大化，并且几乎保持恒定。当cu含量小于2％时，凝固范围显著减小。相图50还指示，以合金成分范围特别是对于所提出的fe和mn含量，在铸件中没有形成β-fe相(alfesi)。β-fe相(alfesi)在2d中看起来像针而在3d中像板，其是脆性的并且其通过在材料中导致裂纹而显著降低了材料的延展性。

硅是用于铸造铝合金的重要元素。si通过增加流动性和在凝固过程中释放高潜热以减少收缩和改善进料来提高合金的铸造性能。高硅含量也降低了合金的凝固范围。例如，参照图4，提供了al-si-1.5重量％cu-0.35重量％mg-0.4重量％fe-0.5重量％mn-0.25重量％c-0.25重量％zn基合金的计算相图70，其中新合金具有在12至16重量％之间变化的si含量。图50包括合金材料在其上保持液态的液相线边界线75和合金材料在其下变为固态的固相线边界线80。液相线75和固相线80之间的温度范围是合金凝固范围85。当si含量在12-16.0重量％之间时凝固范围85很小并且几乎保持恒定。这改善了合金可铸性。在优选的合金成分的情况下，在材料中没有脆性β-fe相形成，这将有助于该进机械性能，特别是延展性。

为了进一步改进铸造铝合金的老化响应，用于变速器离合器部件的新合金中的镁含量应保持不低于0.2重量％，并且优选水平高于0.3重量％。最大mg含量应保持在0.6重量％以下，其中优选的水平为0.35重量％，使得在hpdc后，大部分mg添加物将停留在al固溶体中，以主要只形成q相(alcusi)沉淀。图5示出了al-mg-14重量％si-15重量％cu-0.4重量％fe-0.5重量％mn-0.25重量％cr-0.2重量％zn基合金的相图100，其中新合金具有在0.2至约0.45重量％之间变化的镁含量。图100包括合金材料在其上保持液态的液相线边界线105和合金材料在其上变为固态的固相线边界线110。液相线105和固相线110边界线之间的温度范围是合金凝固范围115。当mg含量在0.2和0.4重量％之间时凝固范围115很，并且几乎保持恒定。较小的凝结范围导致良好的可铸性。在优选的合金成分的情况下，在材料中没有脆性β-铁相形成，这将有助于改善机械性能，特别是延展性。

添加磷以细化主要的si颗粒尺寸，也使主要的硅颗粒分布更均匀。添加锶来改性和细化共晶硅颗粒，并将共晶硅颗粒从薄片转化为纤维，使得材料的延展性显著改善。铝合金包括各低于0.1重量％的锶和磷。

可以提供附加的特征，诸如：以一定量各自提供铁、锰和铬含量使得沉淀因子小于或等于1.6，其中沉淀因子通过以下等式计算：沉淀因子＝(1×重量％的铁)+(2×重量％的锰)+(3×重量％的铬)，并且其中铝合金可以包含高达0.5％的铬；该铝合金包含小于或等于锰含量的铁量，并且基本上不包含β-铁相(β-fe相)。

本文描述的合金可以被用于制造永久铸模或高压压铸制品，诸如变速器离合器壳体。因此，本公开延伸到包含改进的合金(包括其示例、版本和变体)的铸造制品(包括变速器离合器壳体)也在本发明人的预期之内。

另外，尽管单独地描述了上述实施例，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解的是，在所附权利要求的范此外，虽然以上示例是单独描述的，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，在所附权利要求的范围内，可以从各种示例中混合和匹配这里描述的元素的量。围内，可以从各种示例中混合和匹配本文所述的元素的量。

还可以理解的是，上述概念中的任何一个可以独自使用或与任何或所有其它上述概念组合使用。尽管已经公开了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员将认识到，某些修改将落入本发明的范围内。为此，应当研究以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。