CN105018796A - 高弹性铝合金及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高弹性铝合金，其包含碳化物以改善延伸率。进一步，提供一种制造高弹性铝合金的方法。该方法包括以下步骤：在熔化炉中装载纯铝和Al-5B母合金以形成第一熔融金属；在第一熔融金属中装载Al-10Ti母合金以形成第二熔融金属；在第二熔融金属中装载硅(Si)元素以形成第三熔融金属；向第三熔融金属添加碳(C)以形成第四熔融金属；和将第四熔融金属出炉到模具中以铸造第四熔融金属。

Description

高弹性铝合金及其制造方法
技术领域
本发明涉及高弹性铝合金及其制造方法。更具体地，高弹性铝合金可含有碳化物以改善延伸率(elongation)。
背景技术
近来，环境的法规和燃油效率更加严格，减轻车重的期望有所增加。这样，轻质金属合金如铝合金已经越来越多地应用到车辆。
一般而言，使用传统铝合金的车辆部件已在使高强度和产品质量稳定化的方法的基础上进行开发，且该方法主要针对改善拉伸强度而开发，拉伸强度是断裂时材料的性能指标。然而，由于其重量减轻，传统合金的耐久性和噪声振动粗糙度(NVH)可能变差。
因此，对于改善车辆耐久性和NVH的高弹性铝合金的开发是迫切需要的。例如，已经进行了使用硼化物改善铝合金的弹性模量的研究。
硼化物一般是指硼(B)与电负性低于硼(B)的元素的化合物。硼化物的例子可包括TiB2和AlB2，其各自由硼(B)与铝(Al)或钛(Ti)形成。可将硼化物加至熔融铝合金。
例如，在相关技术中，已开发了铝铸材料。铝铸材料可由铝母合金组成，其包括：含量为约8.0wt％至11.5wt％的硅，锰，镁，铁，铜，锌，钼，锆，锶，钠，钙，磷化镓或磷化铟；含量为约1wt％至2wt％的钛；和含量为约1wt％至2wt％的硼。此外，包含12wt％～15wt％的硅和0.1wt％或更少的TiB2形式的钛的铝铸材料也在相关技术中被报道。
为了改善车辆的强度和NVH，已开发了通过添加Ti或B到传统铝合金而获得的高弹性铝合金。当将Ti或B加入到传统铝合金时，形成作为增强颗粒的TiB2、AlB2或Al3Ti，从而将铝合金的弹性模量从约78GPa(基于ADC 12)增加至约90GPa。在这种情况下，可通过添加Ti或B来改善铝合金的强度和NVH。但是这种铝合金的延伸率可能由于针状的Al3Ti增强颗粒而减小。
以上提供的作为本发明相关技术的描述仅仅只是用于帮助理解本发明的背景技术且不应该被解释为包含在由本领域技术人员公知的相关技术中。
发明内容
因此，在优选方面，本发明已被设计成提供解决上述问题的解决方案，且本发明的目的是解决上述问题。因此，提供了高弹性铝合金。具体地，通过Ti和B的添加，高弹性铝合金的延伸率可被改善，同时高弹性铝合金的强度得到维持。
为了实现上述目的，本发明在一方面提供高弹性铝合金，其包括：钛(Ti)；和硼(B)。具体地，铝合金可在其合金内部组织或合金组成体(composition body)或组成网络中包括碳化物，且碳化物中碳的含量可在约0.3wt％～0.5wt％的量之间。在某些示例性实施方式中，碳化物可以是TiC或SiC。
在示例性实施方式中，铝合金可包括：含量为约4wt％至6wt％的钛(Ti)；含量为约0.5wt％至1.5wt％的硼(B)；含量为约10wt％至12wt％的硅(Si)；余量的铝；和不可避免的杂质。
应理解如本文所公开的合金组成的重量百分数(wt％)是基于合金的总重量而言的，除非另外指明。
本发明还提供以下的铝合金，其基本由：含量为约4wt％至6wt％的钛(Ti)；含量为约0.5wt％至1.5wt％的硼(B)；含量为约10wt％至12wt％的硅(Si)；含量为约0.3wt％至约0.5wt％的碳；余量的铝；和不可避免的杂质组成。
另一方面，提供制造高弹性铝合金的方法。
在示例性实施方式中，该方法可包括以下步骤：在熔化炉中装载纯铝和Al-5B母合金以形成第一熔融金属；在第一熔融金属中装载Al-10Ti母合金以形成第二熔融金属；在第二熔融金属中装载硅(Si)元素以形成第三熔融金属；向第三熔融金属添加碳(C)以形成第四熔融金属；和将第四熔融金属出炉到模具中以铸造第四熔融金属。具体地，在形成第四熔融金属的步骤中，碳(C)以约0.3wt％至0.5wt％的量添加。
本发明的其他方面或实施方式在下文公开。
附图说明
根据以下详细描述并结合附图，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中：
图1是示出在示例性的常规高弹性铝合金中形成的Al3Ti颗粒的照片视图；
图2A和图2B是示出在根据本发明示例性实施方式的示例性高弹性铝合金中形成的TiC颗粒的照片视图；
图3A-3C示出显示示例性的常规ADC12-5Ti-1B合金(图3A)和根据本发明示例性实施方式的示例性高弹性铝合金(图3B-3C)的拉伸强度和屈服强度的照片视图；
图4A-4F示出显示根据本发明示例性实施方式的示例性高弹性铝合金的相分数依据Ti和C含量而变化的示例性曲线图。
图5A-5D示出显示根据本发明示例性实施方式的示例性高弹性铝合金的相分数依据Ti和C含量而变化的示例性曲线图。
具体实施方式
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。
本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式，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、该(a、an、the)”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合，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/或其组合。
除非另有定义，否则本文所用的所有术语包括技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员之一所通常理解的那些相同的含义。应当进一步理解的是，术语(例如那些在常用字典中定义的术语)应被理解为具有与在相关技术和本公开的情景中它们的含义相一致的含义，且将不会以理想化的或过于正式的观念解释，除非本文明确地这样定义。
下文中，将参考附图详细地描述本发明的各个示例性实施方式。
如本文所用的，通过添加Ti或B到铝铸合金如ADC12合金，可形成作为增强颗粒的TiB2、Al3Ti或AlB2。包括TiB2颗粒的铝铸合金利于高压铸造；包括Al3Ti颗粒的铸造铝合金通常用于动力传动系部件；且包括AlB2颗粒的铸造铝合金具有热力学优先级。
虽然Al3Ti和AlB2增强颗粒具有适中的热力学稳定性，但TiB2增强颗粒可能是热力学上最稳定的。例如，当将5Ti加入到铝合金时，Al3Ti增强颗粒大量产生，由此可改善铝合金的弹性。然而，铝合金的延伸率可能因为Al3Ti增强颗粒是针状颗粒而降低。
图1是示出在示例性常规ADC12-5Ti-1B合金中形成的Al3Ti颗粒的照片视图。如图1所示，Al3Ti颗粒是粗糙的和针状的。因此，该ADC12-5Ti-1B合金可能相比于常规铝铸合金ADC12合金具有较小的延伸率。因此，为了改善ADC12-5Ti-1B合金的延伸率，可通过碳(C)的添加使Al3Ti颗粒的形成最小化并可改善ADC12-5Ti-1B合金的强度。
图2A和图2B是示出在根据本发明示例性实施方式的示例性高弹性铝合金中形成的TiC颗粒的照片视图。如图2A和图2B所示，形成约亚微米尺寸的TiC颗粒。此外，TiC颗粒不是针状的，且比Al3Ti颗粒精细。结果，铝合金的延伸率可改善。
在示例性实施方式中，高弹性铝合金可包括：钛(Ti)；和硼(B)。具体地，铝合金可在铝合金的内部组织中包括碳化物，且碳化物中的碳含量可在约0.3wt％至0.5wt％的范围。
在示例性实施方式中，碳化物可以是TiC或SiC。在某些实施方式中，TiC或SiC可以是颗粒形式。当TiC颗粒形成时，铝合金中针状Al3Ti颗粒的分数可减少，并且可形成多角状的TiC颗粒。所形成的TiC颗粒可具有亚微米的粒径，且具有优良的铝(Al)润湿性，因此与TiB2颗粒的析出相比，TiC颗粒的析出可改善。
在示例性实施方式中，添加的碳(C)的含量可在约0.3wt％至0.5wt％的量之间。在铝合金中，碳(C)可与Ti或Si反应形成碳化物。当碳(C)的含量小于约0.3wt％时，可能不能充分形成碳化物，且因此铝合金的延伸率可能不能改善。另外，当其含量大于0.5wt％时，TiC的形成可能不能增加，而对延伸率造成负面影响的SiC的形成可能增加。因此，碳(C)的含量可在上述范围内。
在示例性实施方式中，铝合金可包括：含量为约4wt％至6wt％的钛(Ti)，含量为约0.5wt％至1.5wt％的硼(B)，和含量为约10wt％至12wt％的硅(Si)。
如本文所用的钛(Ti)可以是用于形成TiC的元素。尽管Ti的含量增加至大于约6wt％，但铝合金中TiC的含量可能并不相应地增加。另外，随着Ti的含量减少，Ti可能代替形成TiB2，因此可能不能充分形成TiC。因此，Ti的含量可在约4wt％至6wt％的范围内。
如本文所用的硼(B)可以是用于维持铝合金高弹性的元素。当B的含量低于约0.5wt％的预定量时，铝合金的弹性可能不能通过B的添加而改善。当B的含量大于约1.5wt％的预定量时，析出增强相可显著形成，因此铝合金的延伸率可能变差。因此，B的含量可在约0.5wt％至1.5wt％的范围内。
如本文所用的硅(Si)可以是改善铝合金的强度和可铸性的重要元素。当Si的含量小于约10wt％的预定量时，可能不能充分获得增强效果和可铸性。此外，当Si的含量大于约12wt％的预定量时，可形成粗硅颗粒，因此铝合金的成形性和加工性可能变差。因此，Si的含量可在约10wt％至12wt％的范围内。
在某些示例性实施方式中，铝合金可进一步包括铁(Fe)、铜(Cu)、锰(Mn)、镁(Mg)、镍(Ni)、锌(Zn)等，以改善铝合金的各种结构特征，如强度、延伸率、抗疲劳性和耐腐蚀性。
另一方面，提供制造高弹性铝合金的方法。
在示例性实施方式中，该方法可包括以下步骤：在熔化炉中装载纯铝和Al-5B母合金以形成第一熔融金属；在第一熔融金属中装载Al-10Ti母合金以形成第二熔融金属；在第二熔融金属中装载硅(Si)元素以形成第三熔融金属；向第三熔融金属添加碳(C)以形成第四熔融金属；和将第四熔融金属出炉到模具中以铸造第四熔融金属。
如本文所用的，第一熔融金属可通过在熔化炉中装载纯铝和Al-5B母合金而形成。通常情况下，硼(B)可以以粉末的形式加入。具体地，在示例性实施方式中，硼(B)可以Al-5B母合金的形式加入以形成均匀的TiB2颗粒。第一熔融金属可在约800℃的温度下维持约30分钟。
如本文所用的，第二熔融金属可通过在第一熔融金属中装载Al-10Ti母合金而形成。在示例性实施方式中，钛(Ti)可以Al-10Ti母合金的形式加入以形成均匀的析出物。第二熔融金属可在约800℃的温度下维持约20分钟。
如本文所用的，第三熔融金属可通过在第二熔融金属中装载硅(Si)元素而形成。装载硅(Si)之后，第三熔融金属可被加热到约1000℃的温度，然后维持约30分钟。
如本文所用的，第四熔融金属可通过向第三熔融金属添加碳(C)而形成，且碳化物可在铝合金中形成。具体地，铝合金中Al3Ti的分数可通过TiC的形成而减少，因此铝合金的延伸率可被改善。在示例性实施方式中，碳(C)可以以约0.3wt％至0.5wt％的量添加。随后，第四熔融金属可在约1000℃的温度下维持约10分钟。
在示例性实施方式中，可通过出炉到模具中而铸造第四熔融金属。
图3A-3C示出将本发明铝合金的拉伸强度和屈服强度与示例性常规ADC12-5Ti-1B合金进行比较的示例性曲线图。如图3A-3C所示，ADC12-5Ti-1B的延伸率约为0.5％，ADC12-5Ti-1B-0.3C的延伸率约为0.8％且ADC12-5Ti-1B-0.5C的延伸率约为0.7％。因此，根据本发明示例性实施方式的铝合金的延伸率可改善，且其拉伸强度和屈服强度可以是原样而不变差。
图4A-4F示出显示根据本发明示例性实施方式的高弹性铝合金的相分数依据Ti和C含量而变化的示例性曲线图。如图4A-4F所示，TiC和SiC的形成率和形成温度可依据Ti和C的含量而变化。随着Ti的含量增加，TiC的形成温度可降低，而其形成率约为1.5wt％，其与常规铝合金相同。相反，随着Ti的含量减少，Ti可形成TiB2，因此TiC的形成可降低，且所添加的碳(C)可形成SiC颗粒。同时，随着C的含量增加，TiC的形成率增加，但有助于延伸率降低的SiC的形成率也可增加。因而，C的含量可少于约0.5wt％。
图5A-5D示出显示根据本发明示例性实施方式的高弹性铝合金的相分数依据Ti和C含量而变化的示例性曲线图。比较图5A-5D的结果与图4A-4F的结果，相较于TiC含量，Si含量的变化可对SiC的形成率提供更大的影响。当Si的含量减少时，TiC的形成率可依据Ti含量的变化而没有显著变化，而SiC的形成率降低。
如上描述，根据本发明的各个示例性实施方式，可通过添加钛(Ti)和硼(B)到铝合金中得到高弹性铝合金，且其延伸率可由常规铸铝合金改善约30％，同时其强度得以维持。因此，当根据本发明的高弹性铝合金被用作车辆的铸造材料时，铸造材料的强度和NVH可由常规的铸铝合金(如市售的ADC12-5Ti-1B产品)有显著改善。
虽然本发明的各个示例性实施方式已出于示例说明性的目的而公开，但应当了解的是，本发明不限于此，且本领域技术人员应了解，各种修改、添加和替换是可能的，而不背离本发明的范围和精神。
因此，任何和所有修改、变型或等效布置应被认为在本发明的范围内，且本发明的具体范围将通过所附权利要求而公开。

Claims (8)

1.一种高弹性铝合金，包括：钛(Ti)和硼(B)，
其中所述铝合金在其内部组织中包括碳化物，且所述碳化物中碳的含量在约0.3wt％至约0.5wt％的范围内。
2.根据权利要求1所述的高弹性铝合金，其中所述碳化物为碳化钛(TiC)或碳化硅(SiC)。
3.根据权利要求1所述的高弹性铝合金，其中所述铝合金包括：含量为约4wt％至6wt％的钛(Ti)；含量为约0.5wt％至1.5wt％的硼(B)；含量为约10wt％至12wt％的硅(Si)；余量的铝；和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的高弹性铝合金，其中所述铝合金基本上由含量为约4wt％至6wt％的钛(Ti)；含量为约0.5wt％至1.5wt％的硼(B)；含量为约10wt％至12wt％的硅(Si)；含量为约0.3wt％至约0.5wt％的碳；余量的铝；和不可避免的杂质组成。
5.一种制造高弹性铝合金的方法，包括以下步骤：
在熔化炉中装载纯铝和Al-5B母合金以形成第一熔融金属；
在所述第一熔融金属中装载Al-10Ti母合金以形成第二熔融金属；
在所述第二熔融金属中装载硅(Si)元素以形成第三熔融金属；
向所述第三熔融金属添加碳(C)以形成第四熔融金属；和
将所述第四熔融金属出炉到模具中以铸造所述第四熔融金属。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在形成所述第四熔融金属的步骤中，碳(C)以约0.3wt％至0.5wt％的量添加。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述高弹性铝合金包括含量为约4wt％至6wt％的钛(Ti)；含量为约0.5wt％至1.5wt％的硼(B)；含量为约10wt％至12wt％的硅(Si)；余量的铝；和不可避免的杂质。
8.一种车辆部件，其由根据权利要求1所述的高弹性铝合金制造。
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