CN110512120B

CN110512120B - 制造晶态铝铁硅合金的方法

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Publication number: CN110512120B
Application number: CN201910378306.3A
Authority: CN
Inventors: Z·刘; 齐腾蛟; J·R·萨尔瓦多; R·S·库克雷亚
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: US10913992B2; US20190352748A1; DE102019111382B4; CN110512120A; DE102019111382A1

Abstract

本发明提供了一种制造晶态铝铁硅合金以及任选的包含所述合金的汽车部件的方法，其包括通过在惰性环境中熔化铝、铁和硅原料形成基本上均匀的熔体，随后固化熔体形成包含多个晶相的复合锭，并通过在850℃至1000℃的温度下加热在真空下退火铸锭，得到退火的晶锭，其中主要的晶相是FCC Al₃Fe₂Si。原料可进一步包括一种或多种添加剂，例如锌、锆、锡和铬。熔化可以发生在FCC Al₃Fe₂Si晶相熔点之上，或在约1100℃至约1400℃的温度下。退火可以发生在真空条件下。

Description

制造晶态铝铁硅合金的方法

引言

铁铝化合物(例如，FeAl和Fe₃Al)是具有确定的化学计量和有序晶体结构的金属间化合物。许多铁铝化合物表现出优异的高温抗氧化性、相对低密度、高熔点、高强度重量比、良好的耐磨性、易加工性和低生产成本，因为它们通常不包括稀有元素，其使得它们是在工业应用中不锈钢的有吸引力的替代品。然而，在低至中等温度下，铁铝化合物常常具有差的延展性和低的断裂韧度。在升高的温度下，铁铝化合物已被发现表现出有限的抗蠕变性和高导热性。增加这些材料的铝含量能降低它们的密度并增强在高温下保护性氧化物层的形成，但是由于称为氢脆的现象，也可能显著降低它们在含水环境(例如空气)中的延展性。

三元Al-Fe-Si金属间化合物由于其潜在的有利特性而对合金开发是有意义的。特别地，在Al-Fe二元系统中硅的添加有可能产生具有晶体结构的三元Al-Fe-Si金属间化合物，该晶体结构表现出相对低密度和良好机械性能的结合，例如良好的刚度和延展性。因此，本领域需要一种制造结晶Al-Fe-Si合金的方法，该合金具有确定的化学计量和有序的晶体结构，其表现出相对低的密度和良好的化学、热和机械性能的理想结合。

发明内容

提供一种制造晶态铝铁硅合金的方法，并且包括通过在惰性环境中熔化铝，铁和硅原料以形成基本上均匀的熔体并随后固化熔体来形成包含多个晶相的复合锭，并通过在850℃至1000℃的温度下加热在真空下退火铸锭，得到退火的晶锭。退火的晶锭的主要晶相是FCC Al₃Fe₂Si。熔化可包括加热至约1100℃至约1400℃的温度。熔化可包括加热至高于FCC Al₃Fe₂Si晶相熔点的温度。基本上惰性环境可包括氩气气氛。固化熔体可包括在惰性环境中冷却熔体至至少约1050℃。退火可以发生在低于约60毫托的压力的真空下。复合锭可包含小于约0.01％的FCC Al₃Fe₂Si晶相。退火的晶锭可包括小于约1％的三斜Al-Fe-Si晶相和小于约5％的六方Al-Fe-Si晶相。至少约90％的退火的晶锭可包括晶态FCC Al₃Fe₂Si相。退火的锭可包括小于约1％的非晶相材料。该方法可进一步包括在退火之前研磨复合锭。该熔体可包括约31％至约35％的铝，约50％至约55％的铁和约11％至约13％的硅。

提供一种制造晶态铝铁硅合金的方法。该方法包括通过在至少约1050℃的温度下熔化铝，铁和硅原料并随后固化熔体来形成包含多个晶相的复合锭，并且最后通过在升至约1000℃的温度下加热使铸锭退火得到退火的晶锭。至少约90％的退火的晶锭包含FCCAl₃Fe₂Si晶相。熔化可以发生在惰性环境中。熔体可包括约31％至约35％的铝，约50％至约55％的铁和约11％至约13％的硅。退火可以发生在低于约60毫托的压力的真空下。复合锭可包含小于约0.01％的FCC Al₃Fe₂Si晶相。

提供一种制造汽车部件的方法。该方法包括通过在约1100℃至约1400℃的温度下在惰性环境中熔化铝，铁和硅原料并随后固化熔体形成包含多个晶相的复合锭，并最终通过在850℃至1000℃的温度下加热，在低于约60毫托的真空压力下退火铸锭，并且随后冷却得到退火的晶锭。至少约90％的退火的晶锭包含FCC Al₃Fe₂Si晶相。复合锭可包含小于约0.01％的FCC Al₃Fe₂Si晶相。熔体可包括约31％至约35％的铝，约50％至约55％的铁和约11％至约13％的硅。

根据以下示例性实施例和附图的详细描述，示例性实施例的其他目的、优点和新颖特征将变得更加明显。

附图说明

图1示出了根据一个或多个实施例的熔融复合锭的X射线衍射图案；和

图2示出了根据一个或多个实施例的退火的晶锭的X射线衍射图案。

具体实施方式

铝、铁和硅是相对丰富的材料。理论上，铁铝化合物(例如，准平衡立方Al_xFe_ySi_z三元相)在接近钛的密度下(例如，小于5g/cm³)具有极端性质，但成本比钛低一个数量级。例如，立方Al_xFe_ySi_z相具有优异的刚度，高温强度，延展性(例如，晶体结构中至少有5个滑移系，其中面心立方(FCC)结构中有12个滑移系，并且在体心立方(BCC)系统中有多达48个滑移系)和室温下的拉伸强度(例如，大于或等于450MPa)。由于存在大量铝，这些相还具有高抗氧化性。

在不使用昂贵的粉末材料，机械合金化和/或其他能量密集型工艺的情况下，难以制造具有主要FCC Al₃Fe₂Si晶相的Al-Fe-Si合金。本发明公开的熔融和退火方法可用于制造具有主要包含FCC Al₃Fe₂Si晶相的预期的微结构的晶态铝铁硅合金。此外，目前公开的熔化和退火热处理方法可以与一种或多种粉末冶金工艺结合使用，以制造成形的晶体铝铁硅合金部件。

如本文所用，术语“铝铁硅合金”或“Al-Fe-Si合金”是指包含铝(Al)，铁(Fe)和硅(Si)的材料。Al-Fe-Si合金还可包含一种或多种添加剂，其包括锌(Zn)，铬(Cr)，锆(Zr)和硼(B)等。本文中有意义的的特定Al-Fe-Si合金和所有公开方法的预期产品是金属间FCCAl₃Fe₂Si晶相，其特征在于晶格参数a＝b＝c＝1.0806nm，电池参数

为10.806(2)，Fd-3m空间群，NiTi₂结构型和cF96Pearson符号。尽管为简单起见命名为Al₃Fe₂Si，但应理解FCCAl₃Fe₂Si相可能在组成上表现出微小的偏差。例如，对于FCC相Al_xFe_ySi_z，x可等于约2.99至约3并且y可等于约1.99至约2.25，使得z被归一化为等于1。换句话说，FCC相Al₃Fe₂Si可以包含约48原子％(“at.％”)至约50at.％的Al，约33.3at.％至约36at.％的Fe，和约16at.％至约16.7at.％的Si。除非特别说明，否则百分比(“％”)是指重量百分比。

本文提供了熔融和退火方法，其生产显示FCC Al₃Fe₂Si晶相的Al-Fe-Si合金，其作为主要相和如果有的话的最小的无定形相，或不预期的晶相，例如六方晶相或三斜晶相。作为晶态Al-Fe-Si合金中的主要相的FCC Al₃Fe₂Si晶相的形成，及其在室温下的保存，可以赋予晶态Al-Fe-Si合金某些预期的性能。例如，与Al-Fe-Si合金或其它晶相(即，非FCCAl₃Fe₂Si晶相)占主导的部分非晶Al-Fe-Si合金相比，该合金可能相对轻，在高温下可表现出优异的机械强度，高抗氧化性和相对高的刚度和延展性。如本文所用，关于Al-Fe-Si合金中的特定相，术语“主要”及其各种单词形式和共轭意味着这种相是Al-Fe-Si合金中按重量计单个最大的相，Al-Fe-Si合金中主要相的重量分数大于Al-Fe-Si合金中所有其他相的重量分数，其被单独或组合使用。

该方法包括首先熔化铝、铁和硅原料，以及任选地一种或多种如下所述的添加剂材料。一种或多种起始材料可以是丸，片或粉末等形式。有利地，原料可以以非粉末形式提供，从而避免粉末原料的成本。铝原料纯度可低至95％，但99％纯铝原料通常是可获得并合适的。例如，铝原料可包括铝丸，其纯度为约99％至约99.99％且直径约5mm至约20mm。铁原料纯度可低至95％，但97％纯铁原料通常是可获得并合适的。例如，铁原料可包括纯度为约99％至约99.99％的片(例如，长度和宽度为约5mm至约40mm，并且厚度为约1mm至约10mm)。硅原料纯度可低至95％，但99.9％纯度的铝原料通常是可获得并合适的。例如，硅原料可包括纯度为约99.9％的硅丸或碎片，并具有各种尺寸。

选择Al-Fe-Si合金中Al、Fe和Si各自的量以提供给合金在制造期间形成预期的晶体结构的能力。特别地，选择Al-Fe-Si合金中Al，Fe和Si各自的量以提供给合金形成主要包含FCC相Al₃Fe₂Si的晶体结构的能力。已经发现，在实践中，晶态Al-Fe-Si合金中FCCAl₃Fe₂Si晶相中的铝，铁和硅各自的量可以与通过上述经验式预测的量稍微不同。例如，熔体中的原料可包含约31％至约35％的铝，约50％至约55％的铁和约11％至约13％的硅。

如下所述，Al-Fe-Si合金可任选地进一步包括一种或多种添加剂，例如锌、铬、锆和/或硼等。这些添加剂可以以合金的约3％至约10％的量存在。尽管如此，非有意地引入Al-Fe-Si合金组合物中的附加元素可以以相对小的量固有地存在于合金中，例如，以Al-Fe-Si合金的重量计小于4.5％，优选小于2.0％，并且更优选小于0.02％。例如，这些元素可以作为用于制备Al-Fe-Si合金组合物的原料中的杂质存在。

在一些实施例中，原料的组成可包含约34％至约35％的铝，约53％至约54％的铁和约11.5％至约12.5％的硅。在一个这样的实施例中，原料的组成可包含约34.5％的铝，约53.5％的铁和约12％的硅。

在一些实施例中，原料的组成可包含约32.5％至约33.5％的铝，约52.25％至约53.25％的铁，约11.25％至约12.25％的硅，和约2％至约3％的锌。在一个这样的实施例中，原料的组成可包含约33％的铝，约52.7％的铁，约11.8％的硅和约2.5％的锌。例如，由于包含锆，这种合金可以表现出增加的晶态孪晶和改善的延展性。

在一些实施例中，原料的组成可包含约33％至约34％的铝，约51％至约52％的铁，约11％至约12％的硅，约2.25％至约3.25％的铬，约0.1％至约0.4％的锆，和至多约0.1％的硼。在一个这样的实施例中，原料的组成可包含约33.4％的铝，约51.9％的铁，约11.6％的硅，约2.8％的铬，约0.2％的锌和约0.07％的硼。例如，这种合金可以表现出增强的晶界细化和改善的延展性。

在一些实施例中，原料的组成可包含约31.5％至约32.5％的铝，约50.5％至约51.5％的铁，约11％至约12％的硅，约2％至约3％的锌，约1.55％至约3.25％的铬，约0.1％至约0.4％的锆，和至多约0.1％的硼。在一个这样的实施例中，原料的组成可包含约32％的铝，约51.1％的铁，约11.4％的硅，约2.4％的锌，约2.7％的铬，约0.2％的锌和约0.07％的硼。例如，这种合金可以表现出增加的晶态孪晶，增强的晶界细化和改善的延展性。

在一些实施例中，原料的组成可包含约32％至约33％的铝，约51.75％至约52.75％的铁，约11％至约12％的硅，和约3％至约4％的锆。在一个这样的实施例中，原料的组成可包含约32.6％的铝，约52.3％的铁，约11.7％的硅和约3.4％的锆。例如，由于包含锆，这种合金可以表现出增加的颗粒细化。

在一些实施例中，原料的组成可包含约32％至约33％的铝，约51.25％至约53.25％的铁，约11％至约12％的硅，和约4％至约5％的锡。在一个这样的实施例中，原料的组成可包含约32.3％的铝，约51.7％的铁，约11.6％的硅和约4.4％的锡。例如，由于包含锡，这种合金可以表现出增加的晶态孪晶。

在至少高于FCC Al₃Fe₂Si相的熔点(～1050℃)的温度下熔化原料以形成一般均匀的熔体。熔化温度保持低于铁的熔点(～1538℃)和硅的熔点(～1414℃)，并且任选地低于任何添加剂，锌和锡除外。因此，在一些实施例中，在约1050℃的温度，约1100℃至约1400℃的温度下熔化原料。增加Al-Fe-Si合金中的添加剂可能需要更高的熔化温度。例如，原料可以在氮化硼坩埚中熔化。可替代地，原料可以在模具中熔化，例如汽车部件模具。在利用汽车部件模具等的这种实施例中，复合锭包括汽车部件。原料可以在惰性环境中熔化，从而排除不预期的氧化或相形成。例如，惰性环境可包含氩气和/或氖气气氛。

随后将熔体固化以形成复合锭。熔化完成后，熔体可在惰性环境中冷却，直至熔体凝固或基本上固化(一般约在FCC Al₃Fe₂Si相的熔点附近)，以最小化宏观孔隙度。在一些实施例中，熔体在惰性环境中缓慢冷却，直至达到约1100℃低至约1000℃的温度。复合锭可以在环境大气条件下进一步冷却至环境温度。在退火之前，可任选地将复合锭研磨至粒径，其表现出适用于粉末冶金工艺的特征(例如，振实密度和流动性)。研磨可以用辊磨机，球磨机或其他合适的方法进行。例如，可以将复合锭研磨至约50μm至约500μm的粒径。

复合锭可包含一种或多种晶相，和任选的一种或多种非晶相。例如，复合锭可包含Fe_1.7Al₄Si六方(P63/mmc)晶相，Fe₃Al_0.25Si_0.75立方(Fm-3m)

晶相和Fe₃Al立方(Pm-3m)晶相。因此，可以存在一种或多种非Al-Fe-Si晶相(例如，Fe₃Al立方(Pm-3m)晶相)。在一些实施例中，复合锭可包含小于约0.01％的FCC Al₃Fe₂Si晶相，或基本上不含FCC Al₃Fe₂Si晶相。

随后在低于FCC Al₃Fe₂Si晶相的熔点的温度下对复合锭退火，以得到退火的晶锭。退火得到退火的晶锭，其中FCC Al₃Fe₂Si晶相是主要的晶相。此外，退火的晶锭包含非常少或基本上没有非晶相或低对称晶相，例如三斜Al-Fe-Si(例如，Al₃Fe₂Si)晶相。在一些实施例中，至少约80％，至少约85％或至少约90％的退火的晶锭包含晶态FCC Al₃Fe₂Si相。另外或可替代地，在一些实施例中，退火的晶锭包含小于约1％的非晶相材料。另外或可替代地，在一些实施例中，退火的晶锭包含小于约1％的三斜Al-Fe-Si晶相。另外或可替代地，在一些实施例中，退火的晶锭包含小于约5％的六方Al-Fe-Si(例如，Al₃Fe₂Si)晶相。

退火发生在至少约800℃，至少约825℃或至少约850℃的温度下。在一些实施例中，退火发生在约850℃至约950℃，或约850℃至约1000℃的温度下。提高退火温度可以减少退火时间，其可以针对特定的合金成分进行优化。复合锭可以退火一段时间，其适当地形成预期量的FCC Al₃Fe₂Si晶相。在一些实施例中，复合锭可退火约2小时至约24小时。

退火可以在真空环境和/或惰性环境中进行。在一些实施例中，退火发生在高真空下。“高真空”条件可包括约60毫托至约0.001毫托，或更优选地约6毫托至约0.001毫托。真空环境可以实现与惰性环境(例如，氩气环境)相同的目的，但是对于包含相对挥发性添加剂的合金(例如锌)不太适用。在一些实施例中，退火发生在氩气气氛中。在一些实施例中，退火发生在真空和氩气气氛中。在一些实施例中，退火发生在N₂气氛中，例如其中在复合锭上形成氮化物层是预期的。退火后，可以冷却退火的晶锭。

稳定的FCC Al₃Fe₂Si晶相合金的质量使它们适用于汽车或其他车辆(例如摩托车，船)的部件。例如，稳定的FCC Al₃Fe₂Si晶相合金可适用于形成较轻的发动机阀门或其他轻质阀门，为了形成轻质活塞，为了形成内燃机的旋转和往复部件，和/或为了用于涡轮增压器应用(例如，形成涡轮增压器轮)。稳定的FCC Al₃Fe₂Si晶相合金也可用于各种其他工业和应用，包括作为非限制性实例的航天部件、工业设备和机械、农场设备和/或重型机械。在一些实施例中，组分可在熔融步骤期间形成预期的形状。可替代地，退火的晶锭随后可以使用任何合适的技术形成部件(例如，汽车部件)，例如轧制、锻造、冲压、粉末冶金或铸造(例如，压铸、砂铸、永久模铸等)等。

例子

将铝、铁和硅原料组合以形成包含35％铝、53％铁和12％硅的400g熔体。将原料在1200℃下熔化5分钟，以形成直径约3.8cm，高7.7cm的圆柱形复合锭。在使用铜Kα辐射的Bragg Brentano构型中使用D8-Advance Davinci衍射仪对所得复合锭进行X射线衍射(XRD)。使用0.02°步长和1秒/步的积分时间从10°-90°2θ收集数据。使用DIFFRAC.SUITETOPAS软件进行Rietveld精修。图1示出了所制备的复合锭的XRD图案。所制备的复合锭的XRD图案表明了约Fe_1.7Al₄Si六方(P63/mmc)晶相(由图1中的三角形表示)，约23％Fe₃A_l0.25Si_0.75立方(Fm-3m)晶相(由图1中的圆圈表示)，约5％Fe₃Al立方(Pm-3m)晶相(由图1中的星形表示)和不可识别的相(由图1中的方块表示)的组成。

随后将复合锭在0.01毫托的真空下在950℃下退火24小时以形成退火的晶锭。在使用铜Kα辐射的Bragg Brentano构型中使用D8-Advance Davinci衍射仪对所得晶锭进行XRD。使用0.02°步长和1秒/步的积分时间从10°-90°2θ收集数据。使用DIFFRAC.SUITETOPAS软件进行Rietveld精修。图2示出了所制备的退火的晶锭的XRD图案。所制备的晶锭的XRD图案表明了约92％Fe₂Al₃Si FCC(Fd-3m)晶相(由图2中的三角形表示)，约5％Fe₃Al_0.25Si_0.75FCC(Fm-3m)晶相(由图2中的圆圈表示)和约3％Fe₂₃Al₈1Si₁₅Hexagonal(P63/mmc)晶相(由图2中的星号表示)的组成。这些结果表明，在不使用粉末原料或机械合金化的情况下，可以用大量FCC Fe₂Al₃Si晶相形成晶锭或汽车部件。在类似条件下仅退火约8小时即可获得类似的结果。

虽然以上描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了权利要求所包含的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应当理解的是在不背离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或示出的本发明的进一步实施例。虽然各种实施例可以被描述为提供优势或在一个或多个预期特征方面优于其他实施例或现有技术实现，本领域普通技术人员认识到可以折衷一个或多个特性或特征以实现预期的整体系统属性，其取决于特定的应用和实现。这些属性可包括但不限于成本，强度，耐久性，生命周期成本，可销售性，外观，包装，尺寸，可维护性，重量，可制造性，易于组装等。因此，在一个或多个特征方面比其他实施例或现有技术实现不太理想的所描述的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。

Claims

1.一种制造晶态铝铁硅合金的方法，所述方法包括：

通过在惰性环境中熔化铝、铁和硅原料以形成基本上均匀的熔体并随后固化所述熔体，形成包含多个晶相的复合锭，其中所述熔体包含31重量%至35重量%的铝，50重量%至55重量%的铁和11重量%至13重量%的硅；和

通过在850℃至1000℃范围的温度下加热，在真空下退火所述锭以得到退火的晶锭，其中退火的晶锭包含至少90重量%的FCC Al₃Fe₂Si，

其中熔化包含加热至高于所述FCC Al₃Fe₂Si晶相熔点的温度。

2.一种制造晶态铝铁硅合金的方法，所述方法包括：

通过在至少1050℃的温度下熔化铝、铁和硅原料并随后固化熔体，形成包含多个晶相的复合锭，其中所述熔体包含31重量%至35重量%的铝，50重量%至55重量%的铁和11重量%至13重量%的硅；和

通过在高达1000℃的温度下加热来退火所述锭以得到退火的晶锭，其中退火的晶锭包含至少90重量%的FCC Al₃Fe₂Si晶相。

3.一种制造汽车部件的方法，所述方法包括：

通过在1100℃至1400℃的温度下在惰性环境中熔化铝、铁和硅原料并随后固化熔体，形成包含多个晶相的复合锭，其中所述熔体包含31重量%至35重量%的铝，50重量%至55重量%的铁和11重量%至13重量%的硅；和

通过在850℃至1000℃范围的温度下加热，在低于60毫托的压力的真空下退火所述锭并随后冷却以得到退火的晶锭，其中退火的晶锭包含至少90重量%的FCC Al₃Fe₂Si晶相。

4.根据权利要求1所述的方法，其中熔化包含加热至1100℃至1400℃的温度。

5.根据上述权利要求1-3中任一项所述的方法，其中退火发生在低于60毫托的压力的真空下。

6.根据上述权利要求中1-3任一项所述的方法，其中所述复合锭包含小于0.01重量%的FCC Al₃Fe₂Si晶相。

7.根据上述权利要求中1-3任一项所述的方法，其中所述退火的晶锭包含小于1重量%的三斜Al-Fe-Si晶相和小于5重量%的六方Al-Fe-Si晶相。

8.根据上述权利要求中1-3任一项所述的方法，其中所述退火的晶锭包含小于1重量%的非晶相材料。