CN110564991A - 铝合金的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种含有被微细化的金属间化合物的铝合金的制造方法。本发明的铝合金的制造方法的特征在于，包括：添加工序，向铝熔液(1)中添加在该铝熔液(1)凝固时可生成的金属间化合物(4)的晶核(2)；以及浇铸工序，将含有所述晶核(2)的所述铝熔液(1)注入到模具中。在铝熔液(1)(液相L)中，通过从固相(S)游离到铝熔液(1)(液相L)的晶核(2)和所生成的初级晶核(3)，以高核密度进行成核。

Description

铝合金的制造方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金的制造方法。
背景技术
在现有技术中，已知一种铝合金的制造方法，其通过使铝熔液中形成金属间化合物来对铝合金的晶粒进行微细化(例如参照专利文献1和专利文献2)。利用该制造方法得到的铝合金通过使晶粒微细化而成为强度、延伸率、疲劳等机械特性和加工性(成型性)优异的产品。
这样的铝合金的制造方法在应用于以铝废料为原料的所谓再循环铝合金的制造时，能够将能耗降低至得到原生铝锭的铝冶炼法的3％左右。另外，利用该制造方法得到的再生铝合金通过上述那样使晶粒微细化，据此，与普通的铝二次合金、即ADC12相比，也能够发挥1.5倍左右的强度。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本发明专利公开公报特开2004-292899号
【专利文献2】日本发明专利公开公报特开2000-319741号
发明内容
【本发明所要解决的技术问题】
然而，在现有技术的制造方法(例如参照专利文献1和专利文献2)中，有时所得到的铝合金中的金属间化合物会粗大化。而且，该粗大化的金属间化合物会成为铝合金的破坏的起点，并且使加工性(成型性)显著恶化。另外，在以含有大量Fe的铝废料为原料的情况下，金属间化合物粗大化的倾向尤其显著。
因此，本发明的课题在于提供一种含有被微细化的金属间化合物的铝合金的制造方法。
【用于解决技术问题的技术方案】
解决上述技术问题的本发明的铝合金的制造方法包括：添加工序，向铝熔液中添加在该铝熔液凝固时可生成的金属间化合物的晶核；以及浇铸工序，将含有所述晶核的所述铝熔液注入到模具中。
【发明效果】
根据本发明，能够提供一种含有被微细化的金属间化合物的铝合金的制造方法。
附图说明
图1的(a)是本发明的实施例所涉及的铝合金的制造方法的说明图，图1的(b)是比较例的制造方法的说明图。
图2是表示本发明的实施例所涉及的制造方法的温度保持工序中的保持时间[sec]与金属间化合物的大小[μm]的关系的曲线图。
图3的(a)是在本发明的实施例中用作原料的铝坯料的由扫描电子显微镜得到的反射电子图像照片。图3的(b)是利用本发明的实施例涉及的制造方法所得到的铝合金的由扫描电子显微镜得到的反射电子图像照片。
【附图标记说明】
1：铝熔液；2：晶核；3：初级晶核；4：金属间化合物；4a：金属间化合物；5：铝合金；L：液相；S：固相。
具体实施方式
接着，对本发明的实施方式所涉及的铝合金的制造方法进行说明。
本实施方式的制造方法包括：添加工序，向铝熔液中添加在该铝熔液凝固时可生成的金属间化合物的晶核；温度保持工序，将含有所述晶核的所述铝熔液在规定温度下保持规定时间；以及浇铸工序，将含有所述晶核的所述铝熔液注入到模具中。
《添加工序》
对添加有晶核的铝熔液进行说明。
＜铝熔液＞
在添加晶核之前的铝熔液主要含有Si、Fe、Cu、Mg和Zn。
[Si：6.5～8.5wt％]
通过将Si含量设为6.5～8.5wt％，来提高所得到的铝合金的刚性、耐磨性，降低热膨胀。另外，通过将Si含量设为8.5wt％以下，能够适度地抑制液相线温度，而易于原料的熔化和铝合金的铸造。
[Fe：0～0.9wt％]
通过将Fe含量设为0～0.9wt％，来提高所得到的铝合金的刚性、耐磨性，降低热膨胀。
[Cu：0.15～0.35wt％]
通过将Cu含量设为0.15～0.35wt％，来提高所得到的铝合金在高温下的机械强度，并且降低热膨胀。
[Mg：0.25～0.45wt％]
通过将Mg含量设为0.25～0.45wt％，能够提高所得到的铝合金的强度。另外，通过将Mg含量设为0.45wt％以下，能够赋予铝合金优异的韧性。
[Zn：0.3～0.6wt％]
通过将Zn含量设为0.3～0.6wt％，能够提高所得到的铝合金的强度。
[Al和不可避免的杂质：剩余部分]
铝熔液的除了上述Si、Fe、Cu、Mg和Zn以外的剩余部分由Al和不可避免的杂质构成。
另外，理想的是在将晶核添加到铝熔液中之前，还加入Mn和Be。
Mn能够在铝熔液凝固时使结晶的AlFeSi系金属间化合物成为粒子状。理想的是将Mn的混合量设为铝熔液中的Fe含量的0.6倍。
Be发挥抑制铝熔液的氧化的效果，尤其是抑制Mg的氧化消耗。另外，Be能够在铝熔液凝固时使结晶的AlFeSi系金属间化合物成为粒子状。Be的混合量可以设定为使其在铝熔液中的含量为0.01～0.1wt％左右。
<晶核>
作为添加到铝熔液中的晶核，选择与在铝熔液凝固时可生成的金属间化合物的结晶匹配性良好的晶核。
作为晶核的添加量，可以设定为铝熔液质量的1/10～1/3左右。
作为这样的晶核，可列举有根据错配度δ选择的晶核、上述金属间化合物本身。
[基于错配度δ的晶核]
作为根据错配度δ选择的晶核，可列举有由下述Bramfitt公式所示的错配度δ为10％以下的晶核。
【数学式2】
(其中，在所述式中，(hkl)s是异质核粒子的低指数晶面，[uvw]s是(hkl)s晶面的低指数方向，(hkl)n是成核(Nucleation，晶核形成)的金属的低指数晶面，[uvw]n是(hkl)n晶面的低指数方向，d[uvw]s是沿着[uvw]s方向的原子间距离，d[uvw]n是沿着[uvw]n方向的原子间距离，θ是[uvw]s与[uvw]n之间的角度)。
作为这样的晶核，例如可列举有VC、TiC、TiB2、AlB2、ZrC、NbC、W2C等，但并不限定于此。其中，优选TiC。
[金属间化合物]
作为被选择为晶核的金属间化合物，例如可列举有MgSi系、AlFe系、AlMn系、AlNi系、AlCu系、AlFeSi系、AlFeMn系、AlFeMnSi系、AlFeMnSiCr系、AlFeNi系、AlMnNi系、AlFeMnNi系、AlCr系、AlTi系、AlZr系、AlFeNi系的金属间化合物等，但并不限定于此。其中，优选Fe系金属间化合物，尤其是优选AlFeSi系金属间化合物。这些金属间化合物可选择一种或两种以上来用作晶核。
《温度保持工序》
在本实施方式的制造方法的温度保持工序中，将含有所述晶核的所述铝熔液在规定温度下保持规定时间。
本实施方式中的规定温度假定为在铝熔液的温度下降的过程中能够在铝熔液内形成初级晶核的温度。
作为本实施方式中的保持时间，假定为几十秒至1分钟左右，但不限定于此，可以适宜地设定。
在该温度保持工序中，当在铝熔液中形成初级晶核时，与所添加的晶核一并使铝熔液内的核密度迅速增加。
另外，通过将铝熔液在规定温度下保持规定时间，由此，如后所述，铝熔液内的核尺寸变得微小。
《浇铸工序》
在本实施方式的制造方法的浇铸工序中，将温度保持工序后的铝熔液注入到规定模具内。
铝熔液以在模具内增加的核(添加的晶核和初级晶核)为起点而成长出金属间化合物。此时，由于核的增加，金属间化合物瞬间结晶，使铝熔液凝固而得到的铝合金中的金属间化合物微细化。另外，与通过温度保持工序使核尺寸变得微小的情况相互作用，铝合金中的金属间化合物进一步可靠地微细化。
《作用效果》
接着，对本实施方式所涉及的铝合金的制造方法所实现的作用效果进行说明。
在本实施方式的制造方法中，由于在铝熔液中添加金属间化合物的晶核，因此，使铝熔液凝固而得到的铝合金中的金属间化合物微细化。
据此所得到的铝合金的强度、延伸率、疲劳等机械特性和加工性(成形性)优异。
另外，本实施方式的制造方法具有将铝熔液在规定温度下保持规定时间的温度保持工序，因此，使金属间化合物结晶的核尺寸微小化。据此，铝合金中的金属间化合物进一步可靠地微细化。
另外，对于本实施方式的制造方法而言，在添加工序中，向含铁的铝熔液中添加铍和锰，而进一步添加晶核。
根据这样的制造方法，能够使在铝合金中结晶的金属间化合物成为粒子状，从而能够使金属间化合物进一步微细化。另外，根据这样的制造方法，能够抑制铝熔液中的成分氧化。
在本实施方式所涉及的制造方法中，晶核选自由Bramfitt公式所示的错配度δ为10％以下的晶核。
根据这样的制造方法，能够使铝合金中的金属间化合物更可靠地微细化。
在本实施方式所涉及的制造方法中，晶核选自金属间化合物。根据这样的制造方法，能够使铝合金中的金属间化合物更可靠地微细化。
在本实施方式所涉及的制造方法中，通过选择由AlFeSi系金属间化合物或TiC构成晶核，能够使铝合金中的金属间化合物更可靠地微细化。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更。
在上述实施方式中，作为铝熔液，例示了含有Si、Fe、Cu、Mg和Zn的铝熔液，但本发明并不限定于此，可以使用还含有公知的铝合金所含的构成成分的铝熔液。另外，铝熔液不必含有全部所述构成成分，只要以规定量含有至少能够构成公知的金属间化合物的元素即可。
【实施例】
接着，一边比较本发明的实施例所涉及的铝合金的制造方法和比较例所涉及的铝合金的制造方法，一边对本发明进一步具体地进行说明。
图1的(a)是实施例所涉及的铝合金的制造方法的工序说明图。图1的(b)是作为比较例的现有技术的铝合金的制造方法的工序说明图。
(实施例1)
《添加工序》
如图1的(a)所示，对于本实施例的制造方法而言，在其添加工序中，在铝熔液1(液相L)冷却之前，向铝熔液1中添加了晶核2(固相S)。
通过加热熔融作为原料的规定的铝坯料来制备了铝熔液1。铝坯料使用了Si为10wt％、Fe为1wt％、剩余部分为Al和小于0.01wt％的不可避免成分的铝坯料。作为晶核2，使用了含有α-AlFeSi的晶核。
铝熔液的温度为720℃。晶核2的添加量被设定为铝熔液质量的1/3。添加时的晶核2的温度为500℃。
《温度保持工序》
如图1的(a)所示，对于本实施例的制造方法而言，在温度保持工序中，使铝熔液1(液相L)的温度逐渐降低到590℃。在铝熔液1的温度下降的过程中，在铝熔液1内生成了初级晶核3。即，在铝熔液1(液相L)中，通过从固相S游离到铝熔液1(液相L)的晶核2和所生成的初级晶核3，以高核密度进行了成核。
在本实施例的制造方法中，通过将铝熔液1在规定温度下保持规定时间来进行这样的“成核”。
铝熔液(省略附图标记)在温度下降的过程中形成初级晶核。本实施例中的温度保持工序例如在能够形成初级晶核的温度下将铝熔液保持规定时间。该保持时间与铝熔液凝固而得到的铝合金中的金属间化合物的大小具有相关关系。
图2是表示保持时间[sec]与金属间化合物的大小[μm]的关系的曲线图。
如图2所示，当使保持时间[sec]从0[sec]开始增加时，金属间化合物的大小[μm]在逐渐减少，并且达到最小值。然后，当进一步增加保持时间[sec]时，金属间化合物的大小[μm]以最小值为临界而反向增加。
在本实施例中，将金属间化合物的大小[μm]变小的保持时间[sec]的范围(t1～t2)设定为优选时间范围。具体而言，在本实施例的制造方法中，在590℃的保持温度下，将保持时间[sec]设定在20～90[sec]的范围内。
《浇铸工序》
接着，在本实施例的制造方法中，通过将图1的(a)所示的温度保持工序后的铝熔液1(液相L)注入到规定模具(省略图示)中而进行了浇铸工序。铝熔液以模具内增加的核(添加的晶核2和初级晶核3)为起点而成长出金属间化合物4。此时，由于核的增加，金属间化合物4瞬间结晶，使铝熔液1(参照温度保持工序)凝固而得到的铝合金5(固相S)中的金属间化合物4微细化。另外，与通过温度保持工序使核尺寸变微小的情况相互作用，铝合金5中的金属间化合物4可靠地微细化。并且，经由温度保持工序而得到的铝合金5与不进行该温度保持工序而得到的铝合金5相比，金属间化合物4的大小[μm]减小了23％。
图3的(a)是在本实施例中作为铝熔液1的原料的铝坯料的由扫描电子显微镜(SEM)得到的反射电子图像照片(200倍)。图3的(b)是利用本实施例的制造方法所得到的铝合金5(固相S)的由扫描电子显微镜(SEM)得到的反射电子图像照片(200倍)。
如图3的(b)所示，能够确认与图3的(a)的铝坯料中的金属间化合物4的大小相比，利用本实施例的制造方法所得到的铝合金5中的金属间化合物4的大小显著地变小。
(实施例2)
《添加工序》
如图1的(a)所示，对于本实施例的制造方法而言，在其添加工序中，在铝熔液1(液相L)冷却之前，向铝熔液1中添加了Al-TiC母合金(固相S)。
作为铝熔液1，使用了Si为7wt％、Fe为0.5wt％、Cu为0.2wt％、Mg为0.4wt％、Zn为0.5wt％、剩余部分为Al和小于0.01wt％的不可避免成分的铝熔液。使用了含有TiC的晶核作为晶核2。
铝熔液的温度为720℃。晶核2的添加量被设定为铝熔液质量的1/10。添加时的晶核2的温度为500℃。
《温度保持工序》
如图1的(a)所示，对于实施例的制造方法而言，在温度保持工序中，使铝熔液1(液相L)的温度逐渐降低到590℃。在铝熔液1的温度下降的过程中，在铝熔液1内生成了初级晶核3。即，在铝熔液1(液相L)中，通过从固相S游离到铝熔液1(液相L)的晶核2和所生成的初级晶核3，以高核密度进行了成核。
在本实施例的制造方法中，通过将铝熔液1在规定温度下保持规定时间来进行这样的“成核”。
在本实施例的制造方法中，在590℃的保持温度下，将保持时间[sec]设定在20～90[sec]的范围内。
《浇铸工序》
接着，在本实施例的制造方法中，通过将图1的(a)所示的温度保持工序后的铝熔液1(液相L)注入到规定模具(省略图示)中而进行了浇铸工序。
铝熔液以模具内增加的核(添加的晶核2和初级晶核3)为起点而成长出金属间化合物4。此时，由于核的增加，金属间化合物4瞬间结晶，使铝熔液1(参照温度保持工序)凝固而得到的铝合金5(固相S)中的金属间化合物4微细化。另外，与通过温度保持工序使核尺寸变微小的情况相互作用，铝合金5中的金属间化合物4可靠地微细化。并且，经由温度保持工序而得到的铝合金5与不进行该温度保持工序而得到的铝合金5相比，金属间化合物4的大小[μm]减小了11％。
(比较例)
如图1的(b)所示，在比较例的制造方法中，与本实施方式不同，在冷却前的铝熔液1(液相L)中不存在晶核2(固相S)。接着，通过将铝熔液1冷却到规定温度，而在铝熔液1中成形初级晶核3。当铝熔液1进一步冷却时，在初始晶核3周围成长出金属间化合物，从而形成粗大化的金属间化合物4a，并且对铝熔液1进行凝固，从而形成铝合金5(固相S)。

Claims (7)

1.一种铝合金的制造方法，其特征在于，包括：
添加工序，向铝熔液中添加在该铝熔液凝固时可生成的金属间化合物的晶核；以及
浇铸工序，将含有所述晶核的所述铝熔液注入到模具中。
2.根据权利要求1所述的铝合金的制造方法，其特征在于，
在所述添加工序和所述浇铸工序之间还包括温度保持工序，在所述温度保持工序中，将含有所述晶核的所述铝熔液在规定温度下保持规定时间。
3.根据权利要求1所述的铝合金的制造方法，其特征在于，
在所述添加工序中，向含有铁的所述铝合金熔液中添加铍和锰，而进一步添加所述晶核。
4.根据权利要求1所述的铝合金的制造方法，其特征在于，
所述晶核是选自由下述Bramfitt公式所示的错配度δ为10％以下的晶核中的一种或两种以上，
【数学式1】
其中，在所述式中，(hkl)s是异质核粒子的低指数晶面，[uvw]s是(hkl)s晶面的低指数方向，(hkl)n是成核的金属的低指数晶面，[uvw]n是(hkl)n晶面的低指数方向，d[uvw]s是沿着[uvw]s方向的原子间距离，d[uvw]n是沿着[uvw]n方向的原子间距离，θ是[uvw]s与[uvw]n之间的角度。
5.根据权利要求1所述的铝合金的制造方法，其特征在于，
所述晶核是选自所述金属间化合物中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的铝合金的制造方法，其特征在于，
所述晶核由AlFeSi金属间化合物构成。
7.根据权利要求1所述的铝合金的制造方法，其特征在于，
所述晶核由TiC构成。
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