CN101087895A - 铝基合金以及由该合金构成的成型体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝基合金，以重量百分比计，其至少含有：至少约15％至约30％的硅以及至少1％的镍，其中此外存在铁或钛二者的至少之一，镍、铁和钛的比例之和至少为3％，以及一种由这种合金构成的成型体。
Description
技术领域
本发明涉及铝基合金，其至少含有约15重量％至约30重量％的硅以及至少1重量％的镍，以及由该合金构成的成型体。
背景技术
特别是在现代汽车的内燃机的领域中对所用材料提出不断增长的要求，其中要求小的重量和高的热负荷及机械负荷。这是由于更高的燃烧压和燃烧温度以及汽缸之间更小的过梁宽度(Stegbreite)而产生的。已用的、喷雾压缩的轻金属合金，如AlSi25Cu4Mg，特别是在使用柴油时不再符合对汽缸套筒的实际要求。其他非浇铸的而是通过机械加工和/或通过热变形法制备的构件，也不能满足发动机制造中不断增长的要求。在此特别涉及高负荷的构件，如活塞或连杆。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝基合金，其特别是在高温下具有高的机械特性值。此外本发明的目的还在于提供一种由该合金构成的成型体。
对于前述的合金，该目的根据本发明加以解决。
通过至少1％的高比例的镍以及存在铁或钛二者至少之一的事实以及镍、铁和钛的比例之和至少为3％的事实，有利地实现合金具有足够量的通常以精细分布的(分散的)形式沉积并且存在于组织结构中的铝化物。该铝化物的特征在于熔点高，并且产生非常优良的合金耐热性。此外，由于铝化物的溶解度小，而提高了合金的耐蠕变性。
在此，铁、镍和钛的比例之和优选不大于9％。镍存在的浓度特别优选至少为2％，其中镍、铁和钛的比例之和为4％至8％。在该数值范围内，根据本发明的合金具有特别有利的性能。
此外，硅的比例优选为20％至28％，其中硅的比例特别优选为23％至27％。由此，根据本发明的合金在其机械和热性能方面可得到进一步的优化。
此外，该合金优选具有0.1％至1％的比例的镁。镁的比例特别优选为0.2％至0.7％。镁通过形成沉淀，如Mg2Si，也导致合金强度的提高。在存在其他的元素如铜时，可以产生其他的沉淀(例如Al2CuMg)，从而获得其他有利的效果，例如在更高的温度下的高耐热性以及良好的长时间稳定性。
此外，该合金优选具有0.5％至6％，更优选0.5％至2％，特别优选0.7％至1.7％的比例的铜。在存在铜的情况下，合金的可选择的特别优选的组有利地具有1％至3.5％，特别优选1％至3％的比例的铜。在此，给出所述浓度范围内的铜的存在特别连同镁的存在的优点，其中铜的比例与镁的比例之比优选为0至2。在根据本发明的合金的一个可选择的优选的组中，铜的比例与镁的比例之比为2至6。然而在根据本发明的合金中不含铜，从而该合金特别适合于需要高的固相温度的应用。
此外，根据本发明的合金的铁的比例优选为0％至5％。铁的比例特别优选为0％至4％。
此外，在根据本发明的合金中存在0％至1.8％，特别优选0％至1.25％的比例的钴。取决于根据本发明的合金的精细最优化，总是存在的镍可以至少部分地被元素铁和/或钴代替。
此外，通过该合金具有0.05％至0.7％，优选0.1％至0.5％，特别优选0.1％至0.4％的比例的钛，获得根据本发明的合金的有利的性能。还可有利地存在0％至0.7％，特别优选0.1％至0.5％的比例的锆。由于在该合金中的钛和锆的互换性影响，特别优选的可以是，锆的比例与钛的比例之和为0.1％至0.5％。
此外，若该合金具有0％至1％，优选0％至0.8％，特别优选0％至0.5％的比例的铬，则获得该合金的有利的性能。一般而言，元素铬、钛和锆通常以提高重结晶温度并在更高的温度下限制晶界移动性的铝化物的形式形成沉淀。由此导致改善的耐热性。该沉淀，如CrAl7，以细碎的沉淀(分散胶体)的形式存在。此外，根据本发明的合金通过该合金具有0％至2.2％，优选0％至1.5％，特别优选0％至0.8％的比例的锰而有利地得到改善。锰与钴改善了该合金的耐热性，并以globolitisch形式的方向有利地影响Al3Fe的凝固形貌。一般而言，铝化锰和铝化钴(Al6Mn或Co2Al9)同样以分散胶体状沉淀的形式存在。
根据其性能，特别优选的本发明合金由以下组份构成：25％的硅、2.5％的铁、2.5％的铜、0.5％的镁、0.15％的钛、2.5％的镍、0.3％的钴以及余量的铝包括常见的杂质。
另一种特别优选的合金由以下组份构成：25％的硅、2.5％的铜、0.5％的镁、0.15％的钛、7％的镍以及余量的铝包括常见的杂质。
另一种特别优选的合金由以下组份构成：25％的硅、4％的铁、1.5％的铜、0.5％的锰、0.5％的镁、0.3％的铬、0.25％的钛、3％的镍以及余量的铝包括常见的杂质。
另一种特别优选的合金由以下组份构成：25％的硅、2.5％的铁、5％的铜、0.5％的钛、2％的镍、0.5％的钴、0.4％的锆以及余量的铝包括常见的杂质。
另一种特别优选的合金由以下组份构成：25％的硅、1.5％的铁、5％的铜、0.3％的铬、0.25％的钛、2％的镍、0.3％的钴、0.4％的锆、0.4％的锑以及余量的铝包括常见的杂质。
另一种特别优选的合金由以下组份构成：25％的硅、4％的铁、0.5％的镁、0.3％的铬、0.15％的钛、3％的镍、0.2％的锆以及余量的铝包括常见的杂质。
另一种特别优选的合金由以下组份构成：25％的硅、3.5％的铁、1％的铜、0.5％的镁、0.3％的铬、0.15％的钛、3％的镍、0.5％的钴、0.2％的锆以及余量的铝包括常见的杂质。
另一种特别优选的合金由以下组份构成：25％的硅、3.5％的铁、1％的铜、0.5％的锰、0.5％的镁、0.3％的铬、0.15％的钛、3％的镍、0.2％的锆以及余量的铝包括常见的杂质。
另一种特别优选的合金由以下组份构成：25％的硅、3.5％的铁、1％的铜、0.5％的锰、0.3％的铬、0.15％的钛、3％的镍、0.2％的锆以及余量的铝包括常见的杂质。
上述根据本发明的合金优选具有最高在技术条件和基本上不可避免的杂质高度的其他的组分。在此，若各杂质对材料性能没有明显影响，则杂质也可以是更高的浓度。
特别优选地，根据本发明的合金的特征在于制备，其中存在高的冷却速率。特别优选地，该合金可以利用喷射压制而制备，其中在该喷射压制方法中通常存在特别高的冷却速率。但选择性地，还可采用传统的粉末冶金法或浇铸技术法。由于冷却速率高，该合金的凝固速率高优选导致前述globolitischen形式的针状铝化物沉淀，如同在缓慢的凝固速率的情况。
由此有助于该合金的强度增加，而不会变脆。
对于成型体而言，本发明的目的是通过成型体至少部分地由根据本发明的合金构成而解决的。在此，该成型体可以是仅部分地由根据本发明的合金构成的部件，其例如在其他的加工步骤中通过其他的材料重铸。该成型体尤其可以是汽车的汽缸座，其中汽缸套由根据本发明的合金构成并与其他的合金重铸。在此，该成型体特别优选是采用喷射压制法以及任选的其他方法步骤制备的。
由下述实施例得出根据本发明的合金和根据本发明的成型体的其他优点和特征。
下面更详细地描述根据本发明的合金的9个特别优选的实施例。
具体实施方式
由下表给出根据本发明的合金L1至L9的不同金属组分的数量比例，其中比例均以重量百分比给出：
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Ti | Ni | Co | Zr | Sb | |
| L1 | 25 | 2.5 | 2.5 | 0.5 | 0.15 | 2.5 | 0.3 | ||||
| L2 | 25 | 2.5 | 0.5 | 0.15 | 7 | ||||||
| L3 | 25 | 4 | 1.5 | 0.5 | 0.5 | 0.3 | 0.25 | 3 | |||
| L4 | 25 | 2.5 | 5 | 0.5 | 2 | 0.5 | 0.4 | ||||
| L5 | 25 | 1.5 | 5 | 0.3 | 0.25 | 2 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | ||
| L6 | 25 | 4 | 0.5 | 0.3 | 0.15 | 3 | 0.2 | ||||
| L7 | 25 | 3.5 | 1 | 0.5 | 0.3 | 0.15 | 3 | 0.5 | 0.2 | ||
| L8 | 25 | 3.5 | 1 | 0.5 | 0.5 | 0.3 | 0.15 | 3 | 0.2 | ||
| L9 | 25 | 3.5 | 1 | 0.5 | 0.3 | 0.15 | 3 | 0.2 |
在此，各浓度可保持各自的约10％，优选小于5％的相对精度。
对于该9个特别优选的合金，在试验中给出以下描述或在表中列出的机械性能和热性能(静力学的强度、动力学的强度、弹性模量和固相温度)。作为汽缸套的合金已知的材料A1Si25Cu4Mg，还以商品名DISPALS260而已知，出于对比的原因也列出。
1)静力学的强度：
| 如压制的于室温下试验 | T6于室温下试验 | 如压制的于200℃下试验 | T6于200℃下试验 | |||||||||
| Rp0.2(MPa) | Rm(MPa) | A5(％) | Rp0.2(MPa) | Rm(MPa) | A5(％) | Rp0.2(MPa) | Rm(MPa) | A5(％) | Rp0.2(MPa) | Rm(MPa) | A5(％) | |
| S260 | 199 | 285 | 1.5 | 261 | 314 | 0.8 | 157 | 214 | 3.2 | 203 | 227 | 2.1 |
| L1 | 218 | 367 | 1.6 | 200 | 280 | 2.65 | ||||||
| L2 | 188 | 316 | 1.4 | 479 | 487 | 0.23 | 187 | 255 | 1.63 | 235 | 255 | 2.6 |
| L3 | 259 | 388 | 1.09 | 492 | 503 | 0.23 | ||||||
| L4 | 216 | 352 | 1.2 | 400 | 430 | 0.34 | 188 | 256 | 1.9 | 185 | 256 | 2.1 |
| L5 | 199 | 334 | 1.92 | 414 | 498 | 0.73 | 146 | 192 | 7.98 | 180 | 240 | 2.48 |
| L6 | 206 | 321 | 1.03 | 233 | 326 | 0.76 | 200 | 237 | 2.3 | |||
| L7 | 250 | 392 | 0.85 | 298 | 399 | 0.61 | 211 | 293 | 2.02 | 224 | 297 | 1.16 |
| L8 | 256 | 397 | 1.17 | 296 | 397 | 0.84 | 225 | 308 | 1.9 | 220 | 293 | 1.52 |
| L9 | 251 | 388 | 1.32 | 230 | 368 | 1.21 | 193 | 256 | 4.36 | 189 | 255 | 2.2 |
状态数据“如同经压制的”是实施常用挤压过程的材料。状态数据“T6”对应于根据协定(如标准DIN EN 515)“经固溶退火和人工时效处理直至最大的强度”。所测的材料性能意味着根据常用的协定(如标准DIN EN 10002-1)：
Rp0.2：在不成比例地延伸时的屈服点，0.2％屈服点。
Rm：抗拉强度(由拉伸试验得出)。
A5：断裂伸长率，在使用短的比例拉伸棒时直至断裂出现的总的保持的伸长率。
2)动力学的强度
| 状态 | 轴向的试验操作，R＝0.1试验温度200℃在5×10-6载荷变换时的电压振幅，10％幸存概率(MPa) | |
| S260L1L2L6L7L8 | T6如压制的T6T6T6T6 | 33.863.971.151.468.268.7 |
以上不是实施动力学强度测试的所有9个示例性合金。
3)弹性模量
| 合金 | 在室温下的E模量(GPa) | 在200℃下的E模量(GPa) |
| S260L1L2L3L4L5L6L7L8L9 | 89102104113108105102105105102 | 839598-897296999999 |
在此L3、L4、L5和L9的数值来自拉伸试验，而其他数值来自谐振激励。
4)固相温度
合金固相温度(℃)
S260 505
L1 532
L2 534
L3 535
L4 533
L5 531
L6 549
L7 532
L8 533
L9 532
这表明，特别是固相温度可以例如相对于合金S260明显地向高的固相温度移动的。合金L6作为唯一不含铜的合金，具有特别高的固相温度，并且可以优选地应用于相应的需求。
此外浇铸试验表明，所有的合金与S260相比具有改善的变形性能(Verzugsverhalten)。合金均没有显示出浇铸件的完全熔化或胀形。Si颗粒的不利的粗化可以通过在浇铸时发生的温度升高和/或随后的热处理而极为有效地减小。
对优选的示例性合金的浇铸试验的目的方向在于，将合金应用于内燃机的经浇铸的汽缸套。然而由于良好的热性能和机械性能，其他的应用也是优选的，特别是在内燃机的领域内，例如应用于连杆、活塞或汽缸体。
Claims (47)
1、铝基合金，以重量百分比计，其至少含有：
至少约15％至约30％的硅以及
至少1％的镍，其中
此外存在铁或钛二者的至少之一，并且镍、铁和钛的比例之和至少为3％。
2、根据权利要求1的合金，其特征在于，铁、镍和钛的比例之和不大于9％。
3、根据权利要求1或2的合金，其特征在于，存在至少2％的镍，其中镍、铁和钛的比例之和为4％至8％。
4、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，硅的比例为20％至28％。
5、根据权利要求4的合金，其特征在于，硅的比例为23％至27％。
6、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，该合金具有0.1％至1％的比例的镁。
7、根据权利要求6的合金，其特征在于，镁的比例为0.2％至0.7％。
8、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，该合金具有0.5％至6％的比例的铜。
9、根据权利要求8的合金，其特征在于，铜的比例为0.5％至2％。
10、根据权利要求9的合金，其特征在于，铜的比例为0.7％至1.7％。
11、根据权利要求8的合金，其特征在于，铜的比例为1％至3.5％。
12、根据权利要求11的合金，其特征在于，铜的比例为1％至3％。
13、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，铜的比例与镁的比例之比为0至2。
14、根据权利要求1至13之一的合金，其特征在于，铜的比例与镁的比例之比为2至6。
15、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，该合金具有0％至5％的比例的铁。
16、根据权利要求15的合金，其特征在于，铁的比例为0％至4％。
17、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，该合金具有0％至1.8％的比例的钴。
18、根据权利要求17的合金，其特征在于，钴的比例为0％至1.25％。
19、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，该合金具有0.05％至0.7％的比例的钛。
20、根据权利要求19的合金，其特征在于，钛的比例为0.1％至0.5％。
21、根据权利要求19的合金，其特征在于，钛的比例为0.1％至0.4％。
22、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，该合金具有0％至0.7％的比例的锆。
23、根据权利要求22的合金，其特征在于，锆的比例为0.1％至0.5％。
24、根据权利要求22或23的合金，其特征在于，锆的比例与钛的比例之和为0.1％至0.7％。
25、根据权利要求24的合金，其特征在于，锆的比例与钛的比例之和为0.1％至0.5％。
26、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，该合金具有0％至1％的比例的铬。
27、根据权利要求26的合金，其特征在于，铬的比例为0％至0.8％。
28、根据权利要求26的合金，其特征在于，铬的比例为0％至0.5％。
29、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，该合金具有0％至2.2％的比例的锰。
30、根据权利要求29的合金，其特征在于，锰的比例为0％至1.5％。
31、根据权利要求29的合金，其特征在于，锰的比例为0％至0.8％。
32、根据上述权利要求之一的合金，其以约10％的相对精度由以下组份构成：
硅：25％；
铁：2.5％；
铜：2.5％；
镁：0.5％；
钛：0.15％；
镍：2.5％；
钴：0.3％；
以及余量的铝包括杂质。
33、根据权利要求1至31之一的合金，其以约10％的相对精度由以下组份构成：
硅：25％；
铜：2.5％；
镁：0.5％；
钛：0.15％；
镍：7％；
以及余量的铝包括杂质。
34、根据权利要求1至31之一的合金，其以约10％的相对精度由以下组份构成：
硅：25％；
铁：4％；
铜：1.5％；
锰：0.5％；
镁：0.5％；
铬：0.3％；
钛：0.25％；
镍：3％；
以及余量的铝包括杂质。
35、根据权利要求1至31之一的合金，其以约10％的相对精度由以下组份构成：
硅：25％；
铁：2.5％；
铜：5％；
钛：0.5％；
镍：2％；
钴：0.5％；
锆：0.4％；
以及余量的铝包括杂质。
36、根据权利要求1至31之一的合金，其以约10％的相对精度由以下组份构成：
硅：25％；
铁：1.5％；
铜：5％；
铬：0.3％；
钛：0.25％；
镍：2％；
钴：0.3％；
锆：0.4％；
锑：0.4％；
以及余量的铝包括杂质。
37、根据权利要求1至31之一的合金，其以约10％的相对精度由以下组份构成：
硅：25％；
铁：4％；
镁：0.5％；
铬：0.3％；
钛：0.15％；
镍：3％；
锆：0.2％；
以及余量的铝包括杂质。
38、根据权利要求1至31之一的合金，其以约10％的相对精度由以下组份构成：
硅：25％；
铁：3.5％；
铜：1％；
镁：0.5％；
铬：0.3％；
钛：0.15％；
镍：3％；
钴：0.5％；
锆：0.2％；
以及余量的铝包括杂质。
39、根据权利要求1至31之一的合金，其以约10％的相对精度由以下组份构成：
硅：25％；
铁：3.5％；
铜：1％；
锰：0.5％；
镁：0.5％；
铬：0.3％；
钛：0.15％；
镍：3％；
锆：0.2％；
以及余量的铝包括杂质。
40、根据权利要求1至31之一的合金，其以约10％的相对精度由以下组份构成：
硅：25％；
铁：3.5％；
铜：1％；
锰：0.5％；
铬：0.3％；
钛：0.15％；
镍：3％；
锆：0.2％；
以及余量的铝包括杂质。
41、根据权利要求1至31之一的合金，其特征在于，其他组分最高作为杂质存在。
42、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，该合金是以高的冷却速率制备的。
43、根据上述权利要求之一的合金，其特征在于，该合金是采用喷射压制法制备的。
44、成型体，其至少部分地由根据权利要求1至43的合金构成。
45、根据权利要求44的成型体，其特征在于，该成型体是采用喷射压制法以及任选的其他方法步骤制备的。
46、根据权利要求44或45的成型体，其特征在于，该成型体包括用于内燃机的汽缸套。
47、根据权利要求44或45的成型体，其特征在于，该成型体包括用于内燃机的活塞。
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