CN104878250B

CN104878250B - 包含钛化合物的高弹性铝合金及用于生产其方法

Info

Publication number: CN104878250B
Application number: CN201410545611.4A
Authority: CN
Inventors: 朴训模; 李后聃
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2018-09-21
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: KR20150101552A; KR101637639B1; US20150240333A1; DE102014114594A1; CN104878250A; US9920404B2

Abstract

本发明披露了包含钛化合物的高弹性铝合金及用于生产其的方法。具体地，高弹性铝合金包含Ti和B以及Ti和B的成分比是约3.5至约6∶1。此外，在高弹性铝合金中，以约0.5wt％至2wt％的量包含B，以及Al₃Ti和TiB₂相作为增强相包含在其中。

Description

包含钛化合物的高弹性铝合金及用于生产其方法

技术领域

本发明涉及高弹性铝合金以及用于生产高弹性铝合金的方法。具体地，高弹性铝合金包含钛化合物，其包含三铝化钛(Al₃Ti)和二硼化钛(TiB₂)相作为增强相，从而显著改善铝合金的弹性并保持可铸性。

背景技术

本发明涉及用于铸件的高弹性铝材料，用于改善强度和噪声、振动、和粗糙度(NVH)特性。

在相关技术中，为了增加铝合金的弹性，可以以粉末形式形成基于金属的化合物的增强相，如碳纳米管(CNT)等。然而，不可能获得成本竞争力。此外，当在合金的铸造过程中施加粉末形式的增强相时，可能恶化与铝(Al)基质和其分散体的润湿性。尤其是，当使用过共晶体铝铸造材料时，仅可以应用低压铸造过程，并且由于粗糙的Si颗粒，加工过共晶体铝铸造材料可能是困难的。

因此，期望优化基于钛的化合物的形成，其可以大大有助于改善弹性，其中施加三铝化钛(Al₃Ti)和二硼化钛(TiB₂)相作增强相，以及实现高弹性材料，其可以应用于一般的铸造过程，包含高压铸造过程并具有均匀性，以最大化弹性和改善再现性。

已经提供的相关技术的上述描述仅用于帮助理解本发明的背景，而不应该被认为是对应于本领域技术人员已知的相关技术。

发明内容

本发明提供了高弹性铝合金和用于生产高弹性铝合金的方法。具体地，高弹性铝合金可以包含钛化合物，其可以包含Al₃Ti和TiB₂相作为增强相，从而通过降低高弹性铝合金的熔点增加弹性和改善可铸性。

在一个方面，提供了包含钛化合物的高弹性铝合金。

在一种示例性实施方式中，高弹性铝合金可以包含Ti和B。具体地，钛(Ti)和硼(B)的成分(摩尔)比可以是约3.5至约6∶1的范围，基于高弹性铝合金的总重量，可以以约0.5至2wt％的量包含B，以及Al3Ti和TiB2相均可以作为增强相包含在其中。

应当理解的是，除非另有说明，如本文所披露的合金成分的重量百分比是基于高弹性铝合金的总重量。

在一种示例性实施方式中，基于高弹性铝合金的总重量，包含钛化合物的高弹性铝合金可以包含：约5.0至13.0wt％的量的硅(Si)；约0.0至1.3wt％的量的铁(Fe)；约0.0至0.5wt％的量的锰(Mn)；约0.0至0.3wt％的量的镁(Mg)；约0.0至1.0wt％的量的锌(Zn)；约0.0至0.5wt％的量的镍(Ni)；约0.0至0.3wt％的量的锡(Sn)；约1.5至3.5wt％的量的铜(Cu)；约0.5至2wt％的量的硼(B)；包含使得Ti和B的成分比为约3.5至约6∶1的钛(Ti)；以及作为余量的铝。具体地，Al₃Ti和TiB₂相可以作为增强相包含在高弹性铝合金中。

在一种示例性实施方式中，高弹性铝合金可以基本上组成自或组成自上文所披露的组分，高弹性铝合金可以基本上组成自或组成自：约5.0至13.0wt％的量的硅(Si)；约0.0至1.3wt％的量的铁(Fe)；约0.0至0.5wt％的量的锰(Mn)；约0.0至0.3wt％的量的镁(Mg)；约0.0至1.0wt％的量的锌(Zn)；约0.0至0.5wt％的量的镍(Ni)；约0.0至0.3wt％的量的锡(Sn)；约1.5至3.5wt％的量的铜(Cu)；约0.5至2wt％的量的硼(B)；包含使得Ti和B的成分(摩尔)比为约3.5至约6∶1的钛(Ti)；以及作为余量的铝，所有上述wt.％值均基于高弹性铝合金的总重量。

在另一个方面，提供了用于生产包含钛化合物的高弹性铝合金的方法。

在一种示例性实施方式中，该方法可以包括以下步骤：加料步骤：将Al、Al-B母合金、Al-Ti母合金、或Ti原材料加入熔炉，使得Ti和B的成分比可以为约3.5至约6∶1的范围内以及可以以约0.5至2wt％的量包含B；初步搅拌步骤：搅拌熔融金属，使得可以形成作为增强相的Al3Ti和TiB2相以促进反应；以及添加步骤：加入另外的元素；以及第二搅拌步骤：搅拌熔融金属，使得可以将形成的增强相均匀分散在熔融金属中。

在某种示例性实施方式中，Al-B母合金可以组成自约3至8wt％的B和余量的Al。

在某种示例性实施方式中，Al-Ti母合金可以组成自约5至10wt％的Ti和余量的Al。

在某种示例性实施方式中，可以以约0.3wt％或更小但大于0wt％的量包含锑(Sb)。

进一步提供了车辆和车辆部件，其包含一种或多种本文披露的合金。优选的是包含如本文所披露的合金的车辆部件。

下文披露本发明的其它方面。

附图说明

依据以下详细描述并参照附图，将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特点和优点，其中：

图1示出按照本发明的示例性实施方式的示例性铝合金的微观视图，其中同时包含Al₃Ti和TiB₂相。

图2示出按照本发明的示例性实施方式的示例性铝合金的微观视图，其中未将Sb加入铝合金。

图3示出按照本发明的示例性实施方式的示例性铝合金的微观视图，其中将Sb加入铝合金。

具体实施方式

本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式而不是旨在限制本发明。如在本文中所使用的，除非上下文另有明确说明，单数形式″一″、″一种″和″该″旨在还包含复数形式。应当进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语″包含″是指明存在陈述的特点、整数、步骤、操作、元素和/或成分，但并不排除存在或添加一种或多种的其它特点、整数、步骤、操作、元素、成分、和/或它们的组。如在本文中所使用的，术语“和/或”包含一个或多个相关所列项的任何和所有组合。

除非特别说明或依据上下文中显而易见的，如在本文中所使用的，术语“约”被理解为在本领域的正常容差的范围内，例如在平均值的两个标准偏差内。“约”可以理解为在规定值有10％。9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％、或0.01％内。除非上下文另有明确规定，本文提供的所有数值都是由术语“约”加以修饰。

应当理解的是，如在本文中所使用的，术语″车辆″或″车辆的″或其它类似术语包含一般的机动车辆如载客汽车，包含多用途运动车(SUV)、公共汽车、货车、各种商用车，船舶，包含各种各样的小船和船舶，飞机等，并且包含混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车辆和其它替代燃料车(例如源自不同于石油的资源的燃料)。如本文中提及的，混合动力车是这样的车辆，其具有两种或更多种动力源，例如汽油动力和电动车辆。

在下文中，将参照附图来描述本发明的示例性实施方式。

本发明提供了高弹性铝合金，其可以包含Al₃Ti和TiB₂相作为增强相，从而增加弹性，改善可铸性(通过降低合金的熔点)，以及抑制夹杂物和气体缺陷(gas defect)。

在一种示例性实施方式中，高弹性铝合金可以包含钛化合物。具体地，高弹性铝合金可以包含量为约0.5至2wt％B的硼(B)并且同时包含Al₃Ti和TiB₂相作为增强相。Ti和B的成分比可以为约3.5至约6∶1的范围。

在一种示例性实施方式中，高弹性铝合金可以包含量为约5至13wt％的Si，从而实现可铸性并改善弹性。此外，B的量可以是约0.5至2wt％，以及Ti和B的成分比可以是约3.5至约6∶1，以最大化钛化合物的形成。在钛化合物中，拉伸强度为约570GPa的TiB₂和拉伸强度为约220GPa的Al₃Ti可以是用来改善弹性的最有效的组分，从而构成基本合金体系。

如在本文中所使用的，硅(Si)可以是用于铸件的铝合金的主要元素。硅可以影响流动性和铸件质量并有助于弹性。当Si的包含量是约13wt％或更大时，可以结晶初晶Si(primary Si)，使得微观结构可以变得不均匀并且可以负面影响孔隙度。另外，当添加大于预定量的大量的Si来克服这些问题时，可能需要连续铸造过程和后成形过程来代替一般的铸造过程。因此，Si的量可以是约5至13wt％的量以提供铝合金，其能够适用于一般的铸造过程如高压铸造过程、重力铸造过程、低压铸造过程等。

当在铝合金中包含Ti和B时，可以形成TiB₂和Al₃Ti增强相，其主要有助于弹性。如在本文中所使用的，Ti和B可以是本发明的主要元素以在本发明中提供弹性。当Ti和B的成分比为约3.5∶1或更小时，仅可以形成TiB₂而没有形成Al₃Ti相，使得不可能充分地改善弹性。另外，当Ti和B的成分比为约6∶1或更大时，熔点可以升高至约800℃或更大，使得当合金应用于铸造过程时，在熔融金属中可以生产大量的氧化物夹杂物(oxide inclusion)并且在熔融金属中的气体浓度可能增加，从而对铸造产品的内部质量具有负面影响。

在某些示例性实施方式中，B的含量可以是至少约0.5wt％或更大以形成足够的TiB₂。此外，该含量可以被限于高达约2wt％，从而控制熔融温度的增加，抑制夹杂物，控制材料的组分和成本等。尤其是，Ti的含量的确定可以基于Ti和B的成分比，其可以是约3.5至约6∶1，以同时形成Al₃Ti和TiB₂相。

在某些示例性实施方式中，在高弹性铝合金中，可以包含锑(Sb)。如在本文中所使用的，锑(Sb)可以改善Si的形状和尺寸，其影响铸造材料的伸长率但不可以与B反应，B是本发明的合金的主要成分的一种。此外，相比于在相关技术中使用锶(Sr)等作为现有的改性剂的情况，可以获得控制微观结构的效果。在又一些示例性实施方式中，Sb的含量可以高达约0.3wt％。

按照本发明的不同的示例性实施方式，可以理解的是，ADC12、AC4CH、和AC2B的组成为本发明的合金组合物提供一系列的选项。例如，可以包含等同于ADC12的含量的其它元素如Si、Cu、Mg等，以及余量可以是Al。因此，组合物用于高压铸造和重力/低压铸造。具体地，B的含量可以是约0.5至2wt％，以及Ti和B的成分比可以是约3.5至约6∶1的范围，从而提供高弹性铝合金。此外，通过如上所述的组合物，可以包含Al₃Ti和TiB₂相作为增强相。

在表1中，示出在按照相关技术的常规合金和按照本发明的示例性实施方式的高弹性铝合金中合金组成的实例。

[表1]

在表2中，示出使用Al作为基底材料并向其中添加Si、Ti、和B以证实Ti和B对按照本发明的铝合金的影响进行的实验的结果。

[表2]

如表2所示，当未包含Ti和B时，可以显著降低合金的弹性。

另外，当Ti和B的成分比为约3.5∶1或更大时，可以形成Al₃Ti相。同时，Ti和B的成分比为约7∶1或更大，合金的熔点可以是约800℃或更大。因此，依据如上所述的结果，可以理解，当Ti和B的成分比为约3.5至约6∶1时，可以获得可以改善弹性的Al₃Ti相，并且同时，可以将熔点保持小于约800℃。因此，可以改善可铸性并可以抑制夹杂物和气体缺陷。当熔点升高至约800℃或更大时，可以会恶化熔融金属的流动性并在产物中可以包含气体和氧化物(由于高温)，从而对构建(producta)具有负面影响并在产物中造成缺陷。因此，对于一般铸造条件，可以将熔点控制为小于约800℃。

图1示出按照本发明的示例性实施方式的示例性Al-12Si-1B-5Ti合金的微观视图。铝合金可以同时包含Al₃Ti和TiB₂相。

在表3中，通过比较在相关技术中常规ADC12合金和按照本发明的示例性实施方式的示例性铝合金的弹性模量和熔点，同时改变Ti和B的成分比，所获得的测试结果。

[表3]

常规ADC12合金包含量为约0.3wt％或更少的Ti并且未添加B。在表3的实施例中，按照本发明的一种示例性实施方式，在如上所述的常规ADC12合金的组成中，改变Ti和B的成分比，并保持在常规ADC 12合金中的Si的含量。例如，在本发明的实施例中，ADC12-1B-5Ti指通过调节组成所获得的铝合金，使得B的包含量为约1wt％，Ti的包含量为约5wt％，其它另外的元素的包含量则等于常规ADC12的包含量，以及余量是Al。

在其它方面，提供了用于生产铝合金的方法。

在一种示例性实施方式中，该方法可以包括以下步骤：加料步骤：将Al、Al-B母合金、Al-Ti母合金、或Ti原材料加入熔炉；初步搅拌步骤：搅拌熔融金属，使得形成作为增强相的Al₃Ti和TiB₂相；添加步骤：加入除Ti的B之外的剩余的另外的元素；以及第二搅拌步骤：搅拌熔融金属，使得将形成的增强相均匀分散在熔融金属中。

在某些示例性实施方式中，Al-B母合金可以组成自量为约3至8wt％的B和余量的Al。另外，Al-Ti母合金可以组成自量为约5至10wt％的Ti和余量的Al。在又一些示例性实施方式中，作为Ti原材料，可以使用但不限于100wt％的Ti原材料或高浓度Ti原材料，其具有约75至95wt％的Ti含量，并向其中加入添加无钠助熔剂等作为反应活化剂。在又一些示例性实施方式中，使用具有约75wt％的Ti含量的Ti原材料。

具体地，Sb的含量可以是约0.3wt％或更少但大于0wt％。

如图3所示，在按照本发明的示例性实施方式的示例性高弹性铝合金中，由于添加约0.3wt％的Sb，可以小型化或改性共晶Si颗粒。此外，通过共晶Si颗粒的小型化，可以改善伸长率而没有恶化物理性能。图2示出其中不包含Sb的示例性高弹性铝合金，以及图3示出其中包含Sb的示例性高弹性铝合金。因此，不与B反应的Sb可以用作改性剂以改善高弹性合金的伸长率。在某些示例性实施方式中，没有恶化物理性能(由于其过量使用)的有效量的Sb可以是约0.3wt％。

同时，在过程期间的搅拌中，搅拌器的技术参数可以是显著重要的。通常，搅拌力是与N³d²成比例的，其中N是每分钟转数以及d是搅拌棒的直径。

在某些示例性实施方式中，可以将搅拌棒的叶片数目从8改变为4并可以加长其长度以最大化湍流度(turbulence)。具体地，搅拌棒可以占熔炉直径的约至少40％，以及还可以将搅拌棒的直径从约18cm增加至约24cm，使得可以最大化分散性。在又一种示例性实施方式中，搅拌速率可以是约500转/分或更大。因为搅拌棒的直径和速率影响形成的增强颗粒的反应促进和分散性，所以直径可以是熔炉直径的约40％或更大。当搅拌速率是500转/分或更小时，产物的流动性可能会恶化(由于剩余的粗糙Al₃Ti)，弹性可以降低(由于形成的TiB2的量的不足)，并可以发生偏差，其取决于熔融金属区等。

在本发明的各种示例性实施方式中，可以通过控制成分比优化钛化合物改善铝合金的性能如弹性、强度、耐磨性、加工性能等，使得可以最佳化钛化合物的形成，可以均匀分布微TiB₂相，并可以同时形成Al₃Ti相。另外，本发明的铝合金可以具有能够适用于实际铸造过程的温度范围，使得在溶解时通过原位反应并借助于通过搅拌的反应促进，可以形成以母合金形式加入的增强相。因此，任何类型的一般使用的铸造过程可以适用于本发明的铝合金。

本发明还提供了包含本发明的高弹性铝合金的车辆部件。

按照各种示例性实施方式，高弹性铝合金可以包含具有上述结构的钛化合物并且可以同时包含Al₃Ti和TiB₂相作为增强相。因此，可以改善弹性，同时，可以保持本发明的合金的熔点，从而抑制夹杂物和气体缺陷并改善可铸性。

虽然已说明和描述了本发明的示例性实施方式，但对于本领域技术人员而言，将是明显的是，可以进行改进和变化而没有偏离如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种包含钛化合物的高弹性铝合金，包含Ti和B，其中，Ti和B的成分比在3.5至6:1的范围内，基于所述高弹性铝合金的总重量，以0.5wt％至2wt％的含量包含B、以0.3wt％或更少但大于0wt％的量包含锑以及以5.0wt％至13.0wt％的量包含硅，以及包含Al₃Ti和TiB₂这两相作为增强相，其中所述铝合金的熔点小于800℃。

2.一种包含钛化合物的高弹性铝合金，基于所述高弹性铝合金的总重量，包含：

5.0wt％至13.0wt％的量的硅；

0.0至1.3wt％的量的铁；

0.0至0.5wt％的量的锰；

0.0至0.3wt％的量的镁；

0.0至1.0wt％的量的锌；

0.0至0.5wt％的量的镍；

0.0至0.3wt％的量的锡；

1.5wt％至3.5wt％的量的铜；

0.5wt％至2wt％的量的硼；

包含使得钛和硼的成分比为3.5至6:1的钛；

0.3wt％或更少但大于0wt％的量的锑，以及

作为余量的铝，

其中，Al₃Ti和TiB₂这两相作为增强相包含在其中，

其中所述铝合金的熔点小于800℃。

3.根据权利要求2所述的高弹性铝合金，基于所述高弹性铝合金的总重量，基本由以下组成：

5.0wt％至13.0wt％的量的硅；

0.0至1.3wt％的量的铁；

0.0至0.5wt％的量的锰；

0.0至0.3wt％的量的镁；

0.0至1.0wt％的量的锌；

0.0至0.5wt％的量的镍；

0.0至0.3wt％的量的锡；

1.5wt％至3.5wt％的量的铜；

0.5wt％至2wt％的量的硼；

包含使得钛和硼的成分比为3.5至6:1的钛；

0.3wt％或更少但大于0wt％的量的锑，以及

作为余量的铝。

4.一种用于生产包含钛化合物的高弹性铝合金的方法，包括以下步骤：

加料步骤：将Al、Al-B母合金、Al-Ti母合金、或Ti原材料加入熔炉，Ti和B的成分比为3.5至6:1，以及基于所述高弹性铝合金的总重量，以0.5wt％至2wt％的量包含B；

初步搅拌步骤：搅拌熔融金属使得Al₃Ti和TiB₂这两相在内部作为增强相形成以促进反应；

添加步骤：加入另外的元素，基于所述高弹性铝合金的总重量，以0.3wt％或更少但大于0wt％的量包含锑以及以5.0wt％至13.0wt％的量包含硅；以及

第二搅拌步骤：搅拌所述熔融金属使得将所形成的增强相均匀分散在所述熔融金属中，并且

其中所述铝合金的熔点小于800℃。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述Al-B母合金由以下组成：3wt％至8wt％的B以及余量的Al。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述Al-Ti母合金由以下组成：5wt％至10wt％的量的Ti以及余量的Al。

7.一种机动车部件，包含根据权利要求1所述的高弹性铝合金。