CN105986152A - 低成本高延展性的铸造铝合金 - Google Patents

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Abstract

本公开内容提供了一种低成本高延展性的铸造铝合金。提供了一种用于铸造成部件例如汽车部件的铝合金。该铝合金包含量减少的量的硅(Si)，尤其为0.1重量百分比(wt.％)至小于7.0wt.％，并且优选为4.0wt.％或更少，以实现提高的延展性和延伸率。该铝合金还可以包含另外的合金元素以实现期望的性质。例如，可以包含锑、钙和/或铋以抵消低硅含量对热裂行为造成任何不利的影响。可以添加锌以增加强度；并且可以添加铈以进一步增加延展性。铝合金通常通过修改重复利用的锻造铝例如5000系列铝合金或6000系列铝合金形成，或者通过修改重复利用的铸造300系列铝合金形成。

Description

低成本高延展性的铸造铝合金
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2015年3月17日提交的题为“Low Cost HighDuctility Cast Aluminum Alloy(低成本高延展性的铸造铝合金)”的美国临时专利申请序列第62/134,072号的权益，该申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分并且通过引用合并到本文中。
技术领域
本发明一般性涉及用于铸造的铝合金、形成铝合金的方法、由铸造铝合金形成的汽车部件以及制造铸造部件的方法。
背景技术
在汽车工业中常常使用铝合金的铸造来形成重量轻的部件，包括复杂结构部件、白车身部件、悬架部件和底盘部件。存在许多类型的已知的铸造工艺，例如高压模铸、低压铸造和压挤铸造。铸模通常由淬硬工具钢形成。虽然铸造设备昂贵，但是每个所形成的部件的成本相对低，这使得该工艺适于大量生产。
然而，期望对铸造工艺以及在铸造工艺中所使用的材料的改进。例如，期望铝合金能够在不丧失流动性或可铸性的情况下形成具有更高延展性的部件。该铝合金还应该耐受与热裂、钎焊、收缩和腐蚀相关联的损害。另外，虽然期望重量轻的部件，但是所述部件还应该提供高的强度和韧性。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于铸造的改进的铝合金。基于所述铝合金的总重量，该铝合金包含量为至少70重量百分比(wt.％)的铝以及量为0.1wt.％至小于7.0wt.％的硅。与通常包含7.0wt.％至11.0wt.％的硅的用于铸造的其他铝合金相比，该硅的量减少。硅的减少的量提供了较小的共晶相，从而改善了延伸率，而没有损失可铸性。硅的减少的量还降低了铝合金的成本。在铝合金中还可以存在另外的合金元素以提高对热裂、钎焊、收缩和腐蚀的耐受性，并且还实现了期望的强度和韧性或者甚至更高的延展性。
还提供了一种制造用于铸造的改进的铝合金的方法。该方法包括提供铝合金，其中该铝合金选自300系列铝合金、5000系列铝合金和6000系列铝合金。该方法还包括：使铝合金熔融；以及向熔融的铝合金添加硅，使得基于熔融的铝合金的总重量，硅的总量占0.1wt.％至小于7.0wt.％。
本发明的另一方面提供了一种由改进的铝合金形成的铸造部件。与由具有较大量的硅的对比铝合金形成的相同部件相比，该铸造部件具有增加的延展性和延伸率。
还提供了一种通过铸造改进的铝合金来制造部件的方法。
附图说明
在结合附图考虑的情况下并且通过参照下面的详细描述，本发明的其他优点变得更好理解，因此将容易理解本发明的其他优点，在附图中：
图1是示出了硅含量对铝-硅二元合金的流动性的影响的图表；
图2示出了由根据本发明的一个实施方案的铝合金形成的示例性部件的一部分；
图3是图2的部件的显微照片；以及
图4示出了根据一个示例性实施方案的用于形成图2的部件的方法步骤。
具体实施方式
本发明的一个方面提供了一种用于铸造部件例如重量轻的汽车部件的改进的铝合金。这样的部件的实例包括结构部件、白车身部件、悬架部件和底盘部件。该铝合金提供了具有改善的延展性和延伸率，而没有丧失流动性或可铸性的部件。此外，该铝合金没有用于铸造的其他铝合金那么昂贵，这尤其有益于大量生产。
改进的铝合金是铝基的，因而通常基于铝合金的总重量，包含量为至少70重量百分比(wt.％)的铝。在一个实施方案中，铝合金通过修改5000系列合金形成，该5000系列合金包含88.2wt.％至99.8wt.％的铝。在另一实施方案中，铝合金通过修改6000系列合金形成，该6000系列合金包含91.7wt.％至99.6wt.％的铝。然而，可以使用其他量的铝。
铝合金还包含一定量的硅(Si)，其有助于在降低成本的情况下实现提高的延伸率和延展性。基于铝合金的总重量，硅的量为0.1wt.％至小于7.0wt.％，并且通常为2.0wt.％至4.0wt.％。与通常包含7.0wt.％至11.0wt.％的硅的用于铸造的其他铝合金相比，该硅的量减少。在改进的铝合金中存在较少量的硅产生较小的共晶相，这导致成品部件中的增大的延伸率，原因是共晶相是延伸率的主要限制之一。由具有减少硅含量的改进的铝合金形成的部件的延伸率通常为8％至10％。
硅的减少的量还降低了铝合金的总成本。还可以基于硅的量来调节铝合金的可铸性、强度和韧性。另外，发现当与包含7.0wt.％或更高的硅的其他铝合金相比时，硅的减少的量没有牺牲铝合金的流动性或可铸性。在一些情况下，改进的铝合金的可铸性优于包含7.0wt.％或更高的硅的其他铝合金的可铸性。图1是示出了硅含量对铝-硅二元合金的流动性的影响的图表。
在改进的铝合金中还可以存在另外的合金元素以进一步提高延伸率和延展性或者实现期望的强度和韧性。例如，可以添加镁(Mg)、锰(Mn)、铈(Ce)和/或铁(Fe)以进一步提高延展性、可铸性、强度和/或韧性。优选地在没有不利地影响抗腐蚀性的情况下，铝合金还可以包含铜(Cu)和锌(Zn)中的至少之一以提高强度。所述另外的合金元素还可以提供其他的冶金效果，例如提高的对热裂、钎焊、收缩和腐蚀的耐受性。可以通过添加钛(Ti)、锶(Sr)、钙(Ca)、锆(Zr)、铋(Bi)、锑(Sb)、硼(B)、钼(Mo)、钪(Sc)和铼(Re)中的至少之一来实现特定性质或其他冶金效果。在示例性实施方案中，添加锑、钙和/或铋以抵消(counter)低硅含量对热裂行为的任何不利影响；添加锌以提高强度，并且添加铈以进一步增加延展性。图2示出了由改进的铝合金形成的示例性部件10的一部分，以及图3是图2中所示的部件10的一部分的显微照片12。
本发明的另一方面提供了一种制造铝合金的方法。图4示出了根据示例性实施方案的方法的步骤。铝合金优选地由重复利用(recycled)的锻造铝(例如5000系列铝合金或6000系列铝合金)形成。可替代地可以使用300系列的重复利用的铸造铝合金例如Al-Si-Mg合金作为基础材料。Cosma International或Magna International出售能够用于形成改进的铝合金的其他铝基材料，例如Aural-4或Promatek自硬化的Al-Si-Mg-Zn合金。由重复利用的材料之一制造改进的铝合金使原材料成本降低，原因是重复利用的铝合金比由原始元素(primary element)制造铝合金少消耗95％的能量。
方法通常从使重复利用的锻造铝或其他基础铝合金熔融开始。可以通过感应熔炉或其他热源来进行熔融步骤。一旦基础铝合金熔融，该方法包括向熔体添加硅至并且使硅与基础铝合金混合，使得基于熔融的铝合金(即，最终合金组合物)的总重量，硅的总量占0.1wt.％至小于7.0wt.％，并且优选4.0wt.％或更小。可以将上文所讨论的另外的合金元素添加至熔融的混合物，以形成改进的铝合金。可替代地，在锻造铝或其他基础铝合金中可以存在另外的合金元素。一旦所有的元素混合在一起，铝合金准备好用于铸造。
本发明的另一方面提供了一种由改进的铝合金形成的用于汽车的铸造部件以及用于制造该铸造部件的方法。对于改进的铝合金可以使用用于形成由铝基材料形成的部件的任意铸造工艺，例如高压模铸、低压铸造或压挤铸造。在一个示例性实施方案中，铸造工艺是模铸工艺，其通常包括在压力下迫使熔融的铝合金进入未加热的铸模或模具(mold)腔。该铸模通常由淬硬工具钢形成。如上所讨论的，具有减少量的硅的熔融铝合金的可铸性和流动性等于或稍优于具有较多量的硅的其他铝合金的可铸性和流动性。熔融的铝被形成为具有模具形状的固体部件，该形状可以是复杂的形状。可以通过铸造工艺形成许多不同类型的部件，例如结构部件、白车身部件、悬架部件或底盘部件。在铸造工艺之后，该方法可以包括可选的热处理工艺或其他精加工工艺。然而，发现在部件由改进的铝合金形成时，可以不需要热处理工艺，这会提供减少工艺时间和成本的优点。
由于在铝合金中硅的量更少，所以由改进的铝合金形成的部件具有改进的延展性和延伸率。另外，铝合金可以包含另外的合金元素以提高对热裂、钎焊、收缩和腐蚀的耐受性并且还实现了期望的强度和韧性或者甚至更高的延展性。
显然，鉴于上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且这些修改和变化可以不同于所具体描述的来实施，只要在所附权利要求的范围内即可。

Claims (15)

1.一种用于铸造成部件的铝合金，包含：
基于所述铝合金的总重量，量为至少70重量百分比(wt.％)的铝和量为0.1wt.％至小于7.0wt.％的硅。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其中基于所述铝合金的总重量，所述硅的量占2.0wt.％至4.0wt.％。
3.根据权利要求1所述的铝合金，还包含镁(Mg)、锰(Mn)、铈(Ce)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钛(Ti)、锶(Sr)、钙(Ca)、锆(Zr)、铋(Bi)、锑(Sb)、硼(B)、钼(Mo)、钪(Sc)和铼(Re)中的至少之一。
4.根据权利要求3所述的铝合金，包含：锌(Zn)；铈(Ce)；以及钙(Ca)、锑(Sb)和铋(Bi)中的至少之一。
5.一种铸造部件，包括：
铝合金，基于所述铝合金的总重量，所述铝合金包括量为至少70wt.％的铝和量为0.1wt.％至小于7.0wt.％的硅。
6.根据权利要求5所述的铸造部件，其中基于所述铝合金的总重量，所述硅的量占2.0wt.％至4.0wt.％；并且
所述铝合金还包含镁(Mg)、锰(Mn)、铈(Ce)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钛(Ti)、锶(Sr)、钙(Ca)、锆(Zr)、铋(Bi)、锑(Sb)、硼(B)、钼(Mo)、钪(Sc)和铼(Re)中的至少之一。
7.根据权利要求6所述的铸造部件，其中，所述铝合金包含锌(Zn)和铈(Ce)；并且所述铝合金还包含钙(Ca)、锑(Sb)和铋(Bi)中的至少之一。
8.根据权利要求5所述的铸造部件，其中，所述部件的延伸率为8％至10％，并且所述部件是用于汽车的结构部件、白车身部件、悬架部件或底盘部件。
9.一种制造用于铸造成部件的铝合金的方法，包括以下步骤：
提供铝合金，其中所述铝合金选自300系列铝合金、5000系列铝合金和6000系列铝合金；
使所述铝合金熔融；以及
向熔融的铝合金添加硅，使得所述硅的总量占所述熔融的铝合金的总重量的0.1wt.％至小于7.0wt.％。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述添加硅的步骤包括添加的硅量使得所述硅存在的总量占所述熔融的铝合金的总重量的2.0wt.％至4.0wt.％；在所述熔融步骤之后所述铝合金包含镁(Mg)、锰(Mn)、铈(Ce)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钛(Ti)、锶(Sr)、钙(Ca)、锆(Zr)、铋(Bi)、锑(Sb)、硼(B)、钼(Mo)、钪(Sc)和铼(Re)中的至少之一。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述熔融步骤之后所述铝合金包含锌(Zn)和铈(Ce)；在所述熔融步骤之后所述铝合金包含钙(Ca)、锑(Sb)和铋(Bi)中的至少之一。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述提供铝合金的步骤包括重复利用300系列铝合金、5000系列铝合金或6000系列铝合金。
13.一种制造铸造部件的方法，包括以下步骤：
提供铝合金，其中所述铝合金选自300系列铝合金、5000系列铝合金和6000系列铝合金；
使所述铝合金熔融；
向熔融的铝合金添加硅，使得基于所述熔融的铝合金的总重量，所述硅的总量占0.1wt.％至小于7.0wt.％；以及
铸造所述熔融的铝合金。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述铸造步骤包括高压模铸、低压铸造或压挤铸造。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述添加硅的步骤包括向所述熔融的铝合金添加硅，使得基于所述熔融的铝合金的总重量，所述硅存在的总量占2.0wt.％至4.0wt.％；
所述铸造步骤包括形成延伸率为8％至10％的部件；以及
所述铸造步骤包括将所述熔融的铝合金形成为汽车的结构部件、白车身部件、悬架部件或底盘部件。
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