CN110317981A

CN110317981A - 高强度高耐磨铸造铝合金

Info

Publication number: CN110317981A
Application number: CN201910220175.6A
Authority: CN
Inventors: Q·王; W·杨; 叶兵
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2019-10-11
Also published as: DE102019107445A1; US20190300988A1; US11313015B2

Abstract

本发明公开了一种高强度高耐磨铸造铝合金。该合金包含约13wt％至约17wt％的硅，约0.3wt％至约0.6wt％的镁和至少75wt％的铝。该合金可包含至多约2.0wt％的铜；至多约0.8wt％的铁；至多约1.0wt％的锰；至多约1.0wt％的镍；至多约0.8wt％的锌；至多约0.5wt％的钛；至多约0.5wt％的锆；至多约0.5wt％的钒；以及至多约0.1wt％的其他痕量元素。此外，该合金可含有约50ppm至约1000ppm的锶和约10ppm至约100ppm的磷。还公开了一种压铸制品，例如变速箱离合器壳体。

Description

高强度高耐磨铸造铝合金

技术领域

本发明总体上涉及铝合金，更具体地，涉及具有改进的铸造质量和降低的孔隙率的高强度高耐磨铸造铝合金，以及由其制成的铸造制品，例如变速箱离合器壳体。

背景技术

典型的压铸铝合金是含有约3～4％Cu的Al-Si基合金。普遍认为，无论是经过热处理还是未经过热处理，以及在环境温度下还是在升高的使用温度下，铜(Cu)在所有合金元素中对铝铸造合金的强度和硬度的影响最大。铜还通过提高基体硬度来提高合金的可加工性，从而更容易生成小切削屑和精加工表面。此外，在采矿过程中，难以将铜从铝中除去。

称为高压压铸(HPDC)的工艺由于低成本、紧密的尺寸公差(近净形状)和光滑的表面光洁度而广泛用于金属部件的大规模生产。然而，传统HPDC工艺的一个缺点是部件不适合在高温(例如500℃)下进行固溶处理(T4)，这显著降低了通过完整的T6和/或T7热处理而沉淀硬化的可能性。这是因为由于凝固过程中的收缩，特别是在充模过程中夹带的气体，例如空气、氢气或由模壁润滑油分解形成的蒸气，在成品HPDC组件中存在大量孔隙和空隙。几乎不可能找到无大气泡的传统HPDC组件。在高压压铸件中含有气体或气体形成的化合物的内部孔隙在高温下的常规固溶处理过程中膨胀，导致在铸件上形成表面泡罩。这些泡罩的存在不仅影响铸件的外观，而且影响尺寸稳定性，特别是HPDC组件的机械性能。

针对强度和耐磨性开发了铝390合金，其包含铜、镁和硅。像铜一样，镁已被添加到合金中，以改善经受热处理过程的390合金的加强。硅直接改善了耐磨性。然而，390合金中的铜增加了收缩孔隙率，并且高硅使390铝合金变脆。由于390铝合金脆性的性质，用390铝合金制造的组件的实际性能远低于手册数据中所示。

由于其强度和耐磨性，390铝合金通常用于制造变速箱离合器壳体。然而，由于390铝合金的低延展性，变速箱离合器壳体可能在制造过程中破裂，因此对每个制造的部件进行涡流检查。即使部件通过了涡流检查，它们仍可能在实地失效，因此保修成本很高。

因此，需要开发用于压铸制品的高强度高耐磨铸造铝合金。

发明内容

本发明提供了高强度铸造铝合金，其具有通常在390铝合金中看到的低脆性和低收缩趋势；以及由其制成的铸造制品，例如变速箱离合器壳体。该新合金具有高强度和高耐磨性，铸造性能好，孔隙率低。该新合金还具有理想的延展性和高断裂韧性。该新合金可以采用永久铸模和高压压铸工艺制造。

在可与本文提供的其他实例和特征组合或分离的一个实例中，提供了适用于压铸的铝合金。铝合金可含有：约13.0wt％至约17.0wt％的硅，约0.3wt％至约0.6wt％的镁，含量不超过2.0wt％的铜，以及至少75wt％的铝。

在可与本文提供的其他实例和特征组合或分离的另一实例中，提供了适用于压铸的铝合金。铝合金可含有：约13.0wt％至约15.9wt％的硅，约0.3wt％至约0.6wt％的镁，以及至少75wt％的铝。

可以提供附加特征，包括但不限于以下：铝合金还包含不超过2.0wt％的铜；铝合金还包含不超过0.8wt％的铁；铝合金还包含不超过1.0wt％的锰；其中，铁和锰之间的含量相差不超过25％；铝合金还包含不超过1.0wt％的镍；铝合金还包含不超过0.5wt％的钛；铝合金还包含不超过0.5wt％的锆；铝合金还包含不超过0.5wt％的钒；铝合金还包含约50ppm至约1000ppm的锶；铝合金还包含约10ppm至约100ppm的磷；铝合金包含至少0.1wt％的镍；铝合金包含至少0.1wt％的钛；铝合金包含至少0.1wt％的锆；铝合金包含至少0.1wt％的钒；铝合金包含不超过0.5wt％的锌；铝合金包含约15wt％的硅；铝合金包含约1.5wt％的铜；铝合金包含约0.4wt％的镁；铝合金包含约0.1wt％至约0.6wt％的镍；铝合金包含约0.1wt％至约0.3wt％的钛；铝合金包含约0.1wt％至约0.3wt％的锆；铝合金包含约0.15wt％至约0.3wt％的钒；铝合金包含约50ppm至约100ppm的锶；铝合金包含含有约10ppm至约50ppm的磷；其中，镁的含量不超过0.5wt％。

在可与本文提供的其他实例和特征组合或分离的另一实例中，铝合金具有以下元素或基本上由以下元素组成：13wt％至17wt％的硅；0.3wt％至0.6wt％的镁；0wt％至2.0wt％的铜；0wt％至0.8wt％的铁；0wt％至1.0wt％的锰；0wt％至1.0wt％的镍；0wt％至0.8wt％的锌；0wt％至0.5wt％的钛；0wt％至0.5wt％的锆；0wt％至0.5wt％的钒；50ppm至1000ppm的锶；10ppm至100ppm的磷；0wt％至0.1wt％的其他痕量元素；并且余量为铝。

可以提供另外的附加特征，例如：铝合金含有约15wt％的硅，约1.5wt％的铜，约0.4wt％的镁，0wt％至0.4wt％的铁，0wt％至0.5wt％的锰，0.1wt％至0.6wt％的镍，0wt％至0.5wt％的锌，0.1wt％至0.3wt％的钛，0.1wt％至0.3wt％的锆，0.15wt％至0.3wt％的钒，50ppm至100ppm的锶，10ppm至50ppm的磷。在一些变体中，硅能够以14.5wt％至15.5wt％的量提供，铜能够以1.0wt％至2.0wt％的量提供，并且镁能够以0.35wt％至0.45wt％的量提供。

提供了压铸制品，例如变速箱离合器壳体，并且其是由本文公开的任何形式的铝合金铸造的。

附图说明

仅出于说明的目的提供附图，并且不旨在对本发明或所附的权利要求进行限制。

图1是示出了显示作为硅(Si)含量的函数的相变的合金形式计算相图的一部分的图表；

图2是示出了显示作为铜(Cu)含量的函数的相变的合金形式计算相图的一部分的图表；

图3是示出了显示作为镁(Mg)含量的函数的相变的合金形式计算相图的一部分的图表；以及

图4是根据本发明的原理，由铝合金形成的变速箱离合器壳体的透视图。

具体实施方式

提供了高强度高耐磨的铝合金。相较于其他铝合金，这些合金显示出改善的材料强度、耐磨性和所需的延展性和可铸性。因此，这些合金具有降低的孔隙率和脆性。结果是，可以降低铝铸件的废品率和制造成本。在一些实例中，可以改善合金的高温性能和发动机性能。

合金可含有中等至高含量的硅以促进耐磨性，具有少量的铜和锌以降低孔隙率。一些镁和锌被包含在其中，以通过自然硬化提高性能。能够包含锶以改变硅形态，尤其是共晶硅形态以改善合金延展性。能够包含少量的磷以促进初级硅成核，使得第一固化相是硅，并且增加了小硅颗粒的数量。

按重量计，该铝合金可包含约13.0至约17.0重量百分比(wt％)的硅(Si)，约0.3wt％至约0.6wt％的镁(Mg)和至少75wt％的铝。

该铝还可以包含至多约2.0wt％的铜(Cu)(或0wt％至2.0wt％的铜)，至多约0.5wt％的铁(Fe)(或0wt％至0.5wt％的铁)，至多约1.0wt％的锰(Mn)(或0wt％至1.0wt％的锰)，至多约1.0wt％的镍(Ni)(或0wt％至1.0wt％的镍)，至多约0.8wt％的锌(Zn)(或0wt％至0.8wt％的锌)，至多约0.5wt％的钛(Ti)(或0wt％至0.5wt％的钛)，至多约0.5wt％的锆(Zr)(或0wt％至0.5wt％的锆)，至多约0.5wt％的钒(V)(或0wt％至0.5wt％的钒)；至多约0.1wt％的其他痕量元素(或0wt％至0.1wt％的其他痕量元素)。该铝合金还可包含约50ppm至约1000ppm的锶(Sr)(或50ppm至1000ppm的锶)和约10ppm至约100ppm的磷(P)(或10ppm至100ppm的磷)。

优选地，该合金组合物可包含约15wt％的硅，约1.5wt％的铜，约0.4wt％的镁，最大约0.4wt％的铁(或0wt％至0.4wt％的铁)，最大约0.5wt％的锰(或0wt％至0.5wt％的锰)，最大约0.6wt％的镍(或0wt％至0.6wt％的镍)，最大约0.5wt％的锌(或0wt％至0.5wt％的锌)，最大约0.3wt％的钛(或0wt％至0.3wt％的钛)，最大约0.3wt％的锆(或0wt％至0.3wt％的锆)，最大约0.3wt％的钒(或0wt％至0.3wt％的钒)，最大约0.1wt％(或0wt％至0.1wt％)的各种其他痕量元素，约50ppm至约100ppm的锶，约10ppm至约50ppm的磷，余量为铝(Al)。

在一些形式中，钛和锆各自以约0.1wt％至约0.3wt％的量提供，钒以约0.15wt％至约0.3wt％的量提供，并且镍以约0.1wt％至约0.6wt％的量提供。铁和锰优选以大致相等的比例提供；例如，铁和锰能够以彼此不大于25％的量，或相对于彼此的比例不大于1：1.25的量提供。

表1中列出了新合金(在这些实施例中称为形式1、形式2、形式3和形式4)的组成范围的四个实例。然而，各个形式示出的范围的任意组合能够与另一形式互换使用。

表1.新合金的四种形式的化学组成

相较于传统390及其变体，新铝合金中的Si含量得到优化。

尽管通常已知硅增加了铝合金的耐磨性，但如果提供过多的硅，则存在更高(不期望的)凝固范围。降低凝固范围FR_Si降低了收缩孔隙率。例如，图1示出了新合金形式的计算相图的图，显示了作为硅(Si)含量的函数的相变。纵轴表示温度(摄氏度)，横轴表示硅(wt％)。凝固范围显示在液相线L_Si和固相线S_Si之间的FR_Si处。对于含有约1.5wt％的铜、约0.4wt％的镁、约0.4wt％的铁、约0.5wt％的锰、约0.6wt％的镍和约0.5wt％的锌的铝合金而言，发现硅含量在约13.0wt％和约17.0wt％之间(优化范围O)，凝固范围FR_Si最小化。因此，新合金以优化范围O内的量包含硅。典型的390合金的硅含量在优化范围O内外，在脆性范围B以内。

相较于传统的390及其变体，新铝合金中的Cu含量降低。

尽管通常已知铜会增加铝合金的强度和硬度，但在不利的方面，铜通常会降低铝的耐腐蚀性，并且，在某些合金中和回火中，铜会增加应力腐蚀敏感性。铜还会增加合金的凝固范围并降低进料能力，从而导致收缩孔隙率的高潜力。此外，铜昂贵且重。

降低凝固范围FR_Cu减少了收缩孔隙形成。图2显示了新合金形式的计算相图的图，显示了作为铜(Cu)含量的函数的相变。纵轴表示温度(摄氏度)，横轴表示铜(wt％)。凝固范围显示在液相线L_Cu和固相线S_Cu之间的FR_Cu处。对于含有约15wt％的硅、约0.4wt％的镁、约0.4wt％的铁、约0.5wt％的锰、约0.6wt％的镍和约0.5wt％的锌的铝合金，发现当铜最小化时，凝固范围FR_Cu最小化(最小化范围M)。因此，新合金以在最小化范围M内的量包含铜，其中铜以wt％计示于水平轴上。典型的390合金包含的铜的量超出了最佳最小化范围M，在多孔范围PR内。这是因为铜有助于对铸造铝合金进行热处理，但如果铸造铝合金不经过热处理，则可以省去铜或使铜最小化以降低孔隙率。

相较于传统的390及其变体，新铝合金中的Mg含量降低。

与铜一样，镁在对铝合金进行热处理时改善了性能，但是镁也允许在室温下冷却/硬化时改善性能。因此，镁可用于铝合金中。但是，镁也会增加合金的凝固范围。

图3示出了新合金形式的计算相图的图表，显示了作为镁(Mg)含量的函数的相变。纵轴表示温度(摄氏度)，横轴表示镁(wt％)。凝固范围显示在液相线L_Mg和固相线S_Mg之间的FR_Mg处。降低凝固范围FR_Mg减少了收缩孔隙形成。例如，对于含有约15wt％的硅、约1.5wt％的铜、约0.4wt％的铁、约0.5wt％的锰、约0.6wt％的镍和约0.5wt％的锌的铝合金，发现当镁最小化时，凝固范围FR_Mg最小化。然而，镁有助于自然硬化，因此确定优化的镁含量范围在区域N处，以将凝固范围FR_Mg最小化的同时，保持一些镁在硬化过程中的益处。因此，新合金以优化范围N内的量包含镁。典型的390合金所含有的镁的量超出了优化的范围N，在脆性范围C内。这是因为镁有助于对铸造铝合金进行热处理，但如果铸造铝合金不经过热处理，则可以减少镁以降低孔隙率。

新合金中的其他合金元素得到优化

相较于传统的390合金，新合金具有略低含量的Si和损害延展性的其他元素，例如Fe、Cu和Zn。Sr和P用于对初级和共晶Si颗粒的形态进行控制以改善延展性。为了维持合金模具耐焊接性，可以以类似的量提供锰和铁。例如，提供的铁和锰的量彼此不超过25％；换句话说，它们的比例能够以相对于彼此不超过1：1.25的比例提供。应该注意的是，在新合金中对Fe/Mn的比例进行优化，以消除β-Fe(Al₅FeSi)的形成。为了在高温下进一步改善合金性能，该合金可含有Cr、Ti、Zr和/或V。

示例

在一个实例中，新合金可含有铝和约15wt％的Si、约1.5wt％的铜、约0.4wt％的Mg、约0.6wt％的Ni、约0.5wt％的Zn、约0.4wt％的Fe、约0.5wt％的Mn、约0.3wt％的Zr、约0.3wt％的Ti和约0.3wt％的V(形式5)。表2示出了相较于传统B390铝合金，具有形式5构成的新合金的机械性能。可以看出，新合金(形式5)具有更高的屈服强度(YS)、更高的极限拉伸强度(UTS)和改进的伸长率(E1)百分比。

表2.新合金的机械性能(形式5)

可以通过将除了形态改善元素(例如，Sr和P)之外的合金元素熔融和合金来生产本文中的合金。接下来，可以将熔融合金脱气。然后，可以添加Sr和/或P。然后可以对合金进行铸造以生产制品并例如自然硬化或人工硬化。

本文所述的合金可用于制造铸造制品，例如变速箱离合器壳体。因此，以下在本发明人的考虑范围内：本发明延伸至例如包含改进的合金(包括其实例、形式和变体)的铸造制品，包括变速箱离合器壳体、活塞和发动机缸体。例如，参考图4，示出了变速箱离合器壳体20，其由本文所述的铝合金的任何变体制成。

此外，虽然上述实施例是单独描述的，但是受益于本发明内容的本领域技术人员将理解，本文所述的元素的量可以在所附权利要求范围内的各种实施例中混合和匹配。

还应理解，任何上述概念可单独使用或与任何其他上述概念或所有其他上述概念组合使用。尽管已经公开了本发明的实施方案，但是本领域普通技术人员将认识到某些修改将落入本发明的范围内。因此，应研究以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims

1.一种适用于压铸的铝合金，所述铝合金包含：

约13.0wt％至约17.0wt％的硅；

约0.3wt％至约0.6wt％的镁；

含量不超过2.0wt％的铜；以及

至少75wt％的铝。

2.根据权利要求1所述的铝合金，所述铝合金还包含：

含量不超过0.8wt％的铁；以及

含量不超过1.0wt％的锰，其中，所述铁和锰之间的用量差不超过25％。

3.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，所述铝合金还包含：

含量不超过1.0wt％的镍；

含量不超过0.5wt％的钛；

含量不超过0.5wt％的锆；

含量不超过0.5wt％的钒；

约50ppm至约1000ppm的锶；以及

约10ppm至约100ppm的磷。

4.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其中，所述铝合金包含：

至少0.1wt％的镍；

至少0.1wt％的钛；

至少0.1wt％的锆；以及

至少0.1wt％的钒。

5.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，所述铝合金还包含不超过0.5wt％的锌。

6.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其中，所述铝合金包含：

约15wt％的硅；

约1.5wt％的铜；以及

约0.4wt％的镁。

7.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，所述铝合金还包含：

约0.1wt％至约0.6wt％的镍；

约0.1wt％至约0.3wt％的钛；

约0.1wt％至约0.3wt％的锆；

约0.15wt％至约0.3wt％的钒；

约50ppm至约100ppm的锶；以及

约10ppm至约50ppm的磷。

8.一种适用于压铸的铝合金，所述铝合金基本上由以下组成：

13wt％至17wt％的硅；

0.3wt％至0.6wt％的镁；

0wt％至2.0wt％的铜；

0wt％至0.8wt％的铁；

0wt％至1.0wt％的锰；

0wt％至1.0wt％的镍；

0wt％至0.8wt％的锌；

0wt％至0.5wt％的钛；

0wt％至0.5wt％的锆；

0wt％至0.5wt％的钒；

50ppm至1000ppm的锶；

10ppm至100ppm的磷；

0wt％至0.1wt％的其他痕量元素；并且

余量为铝。

9.根据权利要求8所述的铝合金，其中，所述铝合金包含：

14.5wt％至15.5wt％的硅；

1.0wt％至2.0wt％的铜；

0.35wt％至0.45wt％的镁；

0wt％至0.4wt％的铁；

0wt％至0.5wt％的锰；

0.1wt％至0.6wt％的镍；

0wt％至0.5wt％的锌；

0.1wt％至0.3wt％的钛；

0.1wt％至0.3wt％的锆；

0.15wt％至0.3wt％的钒；

50ppm至100ppm的锶；以及

10ppm至50ppm的磷。

10.一种由根据前述权利要求中任一项所述的铝合金铸造而成的压铸制品。