铝合金及使用其的车辆部件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及适用于高功率发动机部件的具有相当高的耐热性和耐磨性的铝合金， 并涉及使用其的车辆部件。因此，本发明提供重量较轻且具有相当高的耐热性同时适用于 高功率发动机部件的铝合金，且更具体地，本发明提供相比于目前使用的铝-硅-铜-镍 (Al-Si-Cu-Ni)合金重量更轻并具有改善的耐热性的新型铝合金，从而在相当高温的操作 过程中同时实现发动机部件的重量降低和耐久性改善。
【背景技术】
[0002] 近来，已经加强了多种多样的环境法规且已经开始了抑制环境污染的研究。根据 此类环境法规，已经进行了追寻车辆燃料效率改善的广泛研究，且对高功率汽车发动机的 需求也已增加。
[0003] 由于发动机功率增加，高度耐热的Al-Si-Cu-Ni合金，特别是Al-12Si-3Cu_2Ni合 金的耐热限度估计为约110巴。为了在未来制造用于高功率发电机（例如，130巴或更大） 的活塞，首先须开发高温特性改善的新型耐热铝合金，而且还需要降低发动机部件的重量 以改善燃料效率并减少废气排放。
[0004] 前述仅旨在帮助对本发明背景的理解，并不旨在表明本发明落在本领域技术人员 已知的相关技术的范围内。
【发明内容】
[0005] 因此，本发明提供针对上述相关技术中的技术困难的技术方案，且更具体地提供 适用于高功率发动机部件的具有相当高的耐热性和耐磨性的铝合金，以及使用其的车辆部 件。
[0006] 一方面，本发明提供一种铝合金，其可包括约8. 5~11. Owt %的镁（Mg)、约3. 5~ 5. 8wt %的硅（Si)、约2. 0~3. Owt %的铜（Cu)和余量的铝（Al)。
[0007] Mg与Si的比率（Mg/Si)可为约L 47至3. 10。铝合金还可包括约0· 3~1.0 wt % 的锰（Μη)。铝合金的结构可包括初生硅化镁（Mg2Si)颗粒。铝合金的结构可包括Al-Mg-Cu 金属间化合物颗粒。错合金的结构可包括Al-Mn金属间化合物颗粒。错合金的结构可同时 包括初生Mg2Si颗粒、Al-Mg-Cu金属间化合物颗粒和Al-Mn金属间化合物颗粒。
[0008] 另一方面，本发明提供使用具有上述组成的铝合金通过铸造和热处理而制造的车 辆部件。热处理可在约200~250°C进行约1. 5~4. 5小时。
【附图说明】
[0009] 根据以下【具体实施方式】结合附图将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征 和优点，其中：
[0010] 图IA示出根据本发明一个示例性实施方式的铝合金的示例性显微镜视图；
[0011] 图IB示出常规铝合金的示例性显微镜视图；且
[0012] 图2示出由于在错合金中过量加入Si而引起的Si簇集（clustering)的示例性 显微镜视图。
【具体实施方式】
[0013] 下面将详细描述本发明的示例性实施方式。然而，示例性实施方式仅是说明性的 而不应解释为对本发明的限制，且本发明仅由以下描述的权利要求书的范围限定。
[0014] 应理解，本文使用的术语"车辆"或"车辆的"或其它类似术语包括通常的机动车， 例如，包括多功能运动车（SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶 的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其 它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具 有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
[0015] 本文使用的术语仅仅是为了说明【具体实施方式】的目的而不是意在限制本发明。如 本文所使用的，单数形式"一个、一种"和"该"也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指 明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语"包括"和/或"包含"是指存在所述特征、整 数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、 操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语"和/或"包括一个或多个相关所列 项目的任何和所有组合。
[0016] 除非特别说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语"约"理解为在本领域的 正常容许范围内，例如在均值的2个标准偏差内。"约"可以理解为在所述数值的10%、9%、 8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0· 5%、0· 1%、0· 05%或0· 01% 内。除非另外从上下文 清楚得到，本文提供的所有数值都由术语"约"修饰。
[0017] 下文将参考附图给出本发明示例性实施方式的详细描述。
[0018] 为了制造比目前使用的Al-Si-Cu-Ni合金重量更轻且耐热性更高（例如改善） 的错合金，根据本发明一个方面的错合金可包括：Al ;约8. 5~11. Owt %的Mg,约3. 5~ 5. 8wt %的Si和约2. 0~3. Owt %的Cu。此外，Mg/Si的比率可为约L 47至3. 10以产生 合适量的具有高耐热性和耐磨性的初生Mg2Si颗粒。
[0019] 在常规技术中，尽管加入了 Mg、Si和Cu,但金属间化合物的产生受到抑制。Mg/Si 的比率被限制为约1. 98至2. 5以形成微观结构，且进行声波处理。因此，由这样的技术得 到的合金具有拟二元共晶结构（quasi-binary eutectic structure)的Al_Mg2Si。此外， 由于合金的量增加，理想拟二元共晶结构的共晶条件非常受限，且其质量可能偏离。相反， 根据本发明的示例性方面，为了增加耐热性和耐磨性，可形成复合微观结构以包括用作主 要增强相的初生Mg 2Si ;并可产生大量的Al-Mg-Cu或Al-Mn金属间化合物。其结构可被应 用于典型的铸造方法且可以使合金的制造比市售的合金具有更高的耐热性、更低的密度和 更高的耐磨性。
[0020] 图IA和图IB分别示出从本发明一个示例性实施方式得到的合金的微观结构和在 常规技术中提到的拟二元共晶结构。如图IA所示，根据本发明一个示例性实施方式的合金 可具有复合微观结构，其中分布有初生Mg 2Si颗粒（黑）作为主要增强相且一起分布有多 种金属间化合物，例如Al-Mg-CiuAl-Mn等，作为共晶相。此外，在图IB中，拟二元共晶结构 可具有精细地分布在Al基质中的共晶Mg 2Si颗粒。因此，为了确保铝合金中这样的复合微 观结构，Mg/Si的比率可为约I. 47至3. 10。
[0021] 就本发明中使用的具有高耐热性和耐磨性的合金来说，Mg量的上限可为约 11. Owt %，且因此与现有的合金相比该合金的密度可减少约7~9wt %，从而降低使用该合 金的部件的重量。此外，初生Mg2Si颗粒可被用作主要的耐热增强相；并可形成Al-Mg-Cu 或Al-Mn金属间化合物，这可有助于增强200°C或更高的高温下的抗拉强度和疲劳强度，从 而增加高温操作过程中的耐久性。
[0022] 在本发明的一个示例性实施方式中，合金可包括主要的A1、约8. 5~11. Owt%的 Mg、约3. 5~5. 8wt%的Si、和约2. 0~3. Owt%的Cu。具体地，Mg可有助于Mg2Si和AlMg金 属间化合物的生成，这减少合金密度并增强高温耐热性，且Mg的量可为约8. 5~11. Owt%。 当Mg的量少于约8. 5wt %时，可能不会得到足够量的具有高耐热性和耐磨性的AlMgCu金属 间化合物和Mg2Si颗粒。相比之下，当Mg的量超过11. Owt %时，合金的氧化能力可增加，从 而使得难以在大气中熔融合金，且由于降低的铸造性而引起的产生铸造瑕疵（例如图2中 示出的填充不足（underfills))的可能性可能增加。
[0023] 另一方面，Si可与Mg反应且因此可有助于产生具有高耐热性和耐磨性的Mg2Si颗 粒。当Si的量少于约3. 5wt%时,可能不会形成初生Mg2Si颗粒,从而使得难以增强耐热性 和耐磨性。此外，当Si的量超过5. 8wt%时,粗糙的初生Mg2Si颗粒的形成及其簇集可能出 现，从而不合意地使耐热性和机械特性劣化。因此，形成具有高耐热性和耐磨性的颗粒所需 的Mg/Si的比率可在约1. 47至3. 10的范围内。
[0024] 另一方面，Cu通过与Mg反应可有助于Al-Cu-Mg金属间化合物颗粒的形成，其为另 一种耐热材料。当Cu的量少于约2. Owt%时,耐热性的改善可能变得不显著。此外，当Cu的 量超过3. Owt%时，额外的增强效果可能变得不显著。因此，Cu的量可在约2. 0~3. Owt% 的范围内。
[0025] 以下是对本发明实施例和比较例的描述，其被阐述以示例说明，而不被解释为限 制本发明。在实施例和比较例中，关于以合适量形成耐热Mg 2Si颗粒以向根据本发明的 Al-Mg-Si-Cu-Mg合金赋予高耐热性，根据Mg的量确定Si的量的可用范围。
[0026] 当Mg的量为约8. Owt %时，可以以合适量形成Mg2Si颗粒的Si的范围可能无法得 到保持。当Mg的量为8. 5wt %或更大时，能够实现大量生产的Si的量的可用范围可被保 持。当Mg的量超过11. Owt%时，可降低熔融复合物的流动性，可产生如图2所示的作为铸 造瑕疵的大量填充不足，从而不合意地使大量生产劣化。因此，Mg的量可在约8. 5~llwt% 的范围内。结合上文，Si的量可在约3. 4wt %至5. 8wt %的范围内以产生合适量的Mg2Si颗 粒。当Si的量超过5. 8wt%时，可导致Mg2Si簇集，从而使得难以得到所需的特性并增加产 品的瑕疵率。
[0027] 在表1的其它实施例和比较例中，评价了根据本发明的Al-Mg-Si-Cu-Mn合金的机 械特性。如表1中所示，该合金的机械特性通过改变Al-10Mg-5Si-0. 5Mn合金中Cu的量而 测量。
[0028] 表1 :根据Cu量的Al-10Mg-5Si-0. 5Mn合金的机械特件的夺化
[0029]
【主权项】
1. 一种铝合金，包括： 约 8. 5 ~11.Owt% 的镁（Mg); 约 3. 5 ~5. 8wt% 的硅（Si); 约2. 0~3.Owt%的铜（Cu);和 余量的铝（Al)。
2. 根据权利要求1所述的铝合金，其中Mg与Si的比率为约1. 47至3. 10。
3. 根据权利要求1所述的铝合金，还包括： 约 0? 3 ~I.Owt% 的猛（Mn)。
4. 根据权利要求1所述的铝合金，其中所述铝合金的结构包括初生硅化镁（Mg2Si)颗 粒。
5. 根据权利要求1所述的铝合金，其中所述铝合金的结构包括Al-Mg-Cu金属间化合物 颗粒。
6. 根据权利要求1所述的铝合金，其中所述铝合金的结构包括Al-Mn金属间化合物颗 粒。
7. 根据权利要求1所述的铝合金，其中所述铝合金的结构同时包括初生Mg2Si颗粒、 Al-Mg-Cu金属间化合物颗粒和Al-Mn金属间化合物颗粒。
8. -种使用根据权利要求1所述的铝合金通过铸造和热处理而制造的车辆部件。
9. 根据权利要求8所述的车辆部件，其中所述热处理在约200~250°C进行约1. 5~ 4. 5小时。
【专利摘要】本发明提供一种铝合金和由该铝合金制造的车辆部件。该铝合金包括约8.5～11.0wt％的Mg、约3.5～5.8wt％的Si、约2.0～3.0wt％的Cu和余量的Al。
【IPC分类】C22C21-08, C22F1-047
【公开号】CN104726751
【申请号】CN201410309331
【发明人】姜熙三
【申请人】现代自动车株式会社
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2014年7月1日
【公告号】DE102014212460A1, US20150167127