CN111770809B - 用于诸如轮的应用的铝合金和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本文中所述的铝合金包含硅、铁、铜、锰、镁和铬。在各种实施方式中，所述铝合金还包含如下中的一种或多种：锌和钛。通常，在所述铝合金中铁和锰的总量不小于0.28重量％且不大于0.45重量％，并且在所述铝合金中所述晶粒具有不大于6mm的平均晶粒长度。可以在选定的温度下对铝合金坯进行锻造以制造轮。

Description

用于诸如轮的应用的铝合金和制造方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2018年1月12日提交的美国临时专利申请62/617018号的优先权，通过参考将其公开内容以其完整形式并入本文中。
技术领域
本公开内容涉及制造铝合金的材料、方法和技术。示例应用涉及铝轮的制备和制造。
背景技术
铝轮可能经历疲劳并且在一个或多个位置处产生裂纹。图1A是示例轮10的局部侧视横截面图。图1B是示例轮10的局部前视平面图。轮10包含在过渡半径20附近连接的轮辋12和盘16。轮辋12包含轮辋凹槽14和封闭侧凸缘18。盘16限定了多个手孔22。在安装部分处，盘16限定了凹盘面24和凸盘面26。通常，由疲劳导致的轮裂纹可能发生在轮辋凹槽中、封闭侧凸缘附近、过渡半径附近、凹盘面处、凸盘面处以及与手孔相邻处。
发明内容
车轮由各种材料如铝合金和钢制成。车轮的安全性和性能考量包括给定的轮在长时间段内抵抗疲劳的能力。用设计得比钢轮更轻的铝轮实现这些目标特别具有挑战性。
本文中公开和设想的材料、方法和技术涉及铝合金。与现有的铝轮相比，用本文中公开的铝合金以及根据此处公开的方法和技术制造的铝轮表现出改善的性能。
在一个方面，公开了一种铝合金。所述铝合金按重量计包含：0.80％～1.20％的硅；0.08％～0.37％的铁；0.35％～0.55％的铜；0.07％～0.37％的锰；0.70％～1.20％的镁；0.05％～0.11％的铬；不超过0.20％的锌；和不超过0.05％的钛，并且剩余的重量百分比包含铝以及偶存元素和杂质。
在另一个方面，公开了一种具有轮辋和盘的铝轮。所述铝轮由铝合金形成，所述铝合金按重量计包含：0.80％～1.20％的硅；0.08％～0.37％的铁；0.35％～0.55％的铜；0.07％～0.37％的锰；0.70％～1.20％的镁；0.05％～0.11％的铬；不超过0.20％的锌；和不超过0.05％的钛，并且剩余的重量百分比包含铝以及偶存元素和杂质。
在另一个方面，公开了一种制备铝合金的方法。所述方法包括接收铝合金坯并在不小于275℃且不大于460℃的温度下锻造铝合金坯。所述铝合金坯按重量计包含：0.80％～1.20％的硅；0.08％～0.37％的铁；0.35％～0.55％的铜；0.07％～0.37％的锰；0.70％～1.20％的镁；0.05％～0.11％的铬；不超过0.20％的锌；和不超过0.05％的钛，并且剩余的重量百分比包含铝以及偶存元素和杂质。
通过考虑详细说明和附图，将使本公开内容的其它方面变得显而易见。对于为了获得根据本公开内容的一些益处而使得材料、技术或方法包括本文中所表征的所有细节没有特殊要求。由此，所表征的具体实例是指所描述的技术的示例性应用，并且替代方案是可能的。
附图说明
图1A是现有技术的铝轮的局部侧视横截面图。图1B是图1A中所示的轮的局部前视平面图。
图2是在显微照片中确定晶粒宽度和晶粒长度的实例。
图3显示了源自蚀刻试验合金的实验结果的照片。
图4显示了蚀刻后各种试验轮的晶粒结构。
图5显示了图4中所示的各试验轮的疲劳性能。
图6显示了图4中所示的试验轮E对于两种不同合金的疲劳性能。
图7显示了当进行ASTM B368并随后进行径向轮疲劳试验时关于图4中所示的两种试验轮的疲劳性能。
图8显示了包含不同合金的两种锻件的吨位-行程图。
图9显示了图8中合金的流动应力曲线图。
图10A、10B和10C显示了三种不同坯的表面的扫描电子显微照片。
图11A、11B和11C显示了图10A～10C中所示的坯的蚀刻表面的光学显微照片。
图12显示了当在不同温度下锻造时图10A～10C中的三种合金的晶粒长度。
图13显示了细晶粒在轮斜面中的分率，所述轮是使用图10A～10C中在不同温度下锻造的三种合金制备的。
图14显示了细晶粒在轮的安装区域中的分率，所述轮是使用图10A～10C中在不同温度下锻造的三种合金制备的。
图15显示了细晶粒在轮的盘区域中的分率，所述轮是使用图10A～10C中在不同温度下锻造的三种合金制备的。
图16是图10A～10C中所示的合金之一的显微照片。
图17显示了轮失效的循环次数，所述轮是使用图10A～10C中在不同温度下锻造的三种合金制备的。
具体实施方式
本文中描述和设想的铝合金特别良好地适用于铝轮制造。例如，使用本文中描述和设想的材料、技术和方法制造的铝轮具有改善的疲劳性能。广义地讲，本文中公开的铝轮的有利性能能够归因于由本文中公开的组分和技术的选择和性能导致的晶粒结构。
在如下部分中，描述了示例铝合金，包括示例铝合金的各种特性。还描述了制备铝轮的示例方法。最后，提供了关于示例铝合金和用示例铝合金制造的轮的实验试验结果的说明。
I.示例铝合金
本文中描述和设想的铝合金能够例如通过组分、晶粒结构或弥散体来表征。在一些实施方式中，铝合金中铁和锰的总量为不小于0.28重量％且不大于0.45重量％。在一些实施方式中，铝合金中的晶粒具有不大于6mm的平均晶粒长度。
A.示例组分和量
本文中公开和设想的铝合金组合物除了包含铝以外还包含各种重量百分比的各种组分。能够包含在本文中公开和设想的铝合金中的示例组分包括：硅(Si)、铁(Fe)、铜(Cu)、锰(Mn)、镁(Mg)、铬(Cr)、锌(Zn)和/或钛(Ti)。不受特定理论的束缚，认为Si和Cu两者都提高了铝合金的强度和抗疲劳性。
在各种实施方式中，本文中公开和设想的铝合金按重量计包含：0.80％～1.20％的硅；0.08％～0.37％的铁；0.35％～0.55％的铜；0.07％～0.37％的锰；0.70％～1.20％的镁；0.05％～0.11％的铬；并且剩余的重量百分比包含铝以及在特定情况下的偶存元素和杂质。在各种实施方式中，铝合金可以还包含不超过0.20％的锌或不超过0.05％的钛。
在其它实施方式中，本文中公开和设想的铝合金按重量计包含：0.90％～1.00％的硅；0.08％～0.37％的铁；0.40％～0.50％的铜；0.07％～0.37％的锰；1.00％～1.10％的镁；0.05％～0.11％的铬；并且剩余的重量百分比包含铝以及在特定情况下的偶存元素和杂质。在各种实施方式中，铝合金可以还包含不超过0.20％的锌或不超过0.05％的钛。
本文中公开和设想的铝合金还可以通过铁和锰的总量(即，铁的重量百分比和锰的重量百分比之和)来表征。在各种实施方式中，铁和锰的总量不小于0.28重量％。在其它实施方式中，铁和锰的总量不大于0.45重量％。在另外的实施方式中，铁和锰的总量不小于0.28重量％且不大于0.45重量％。在另外的实施方式中，铁和锰的总量不小于0.30重量％且不大于0.37重量％。
所公开的合金中偶存元素和杂质可以包括但不限于镍、钒、锆或其混合物，并且可以以总共不大于1％、不大于0.9％、不大于0.8％、不大于0.7％、不大于0.6％、不大于0.5％、不大于0.4％、不大于0.3％、不大于0.2％、不大于0.1％、不大于0.05％、不大于0.01％或不大于0.001％的量存在于本文中所公开的合金中。
本文中所述的合金可以仅由上述成分构成，可以基本上由这样的成分构成，或者在其它实施方式中，可以包含其它成分。
B.晶粒结构
本文中公开和设想的铝合金组合物还可以通过晶粒结构来表征。如本文中所使用的，“晶粒”是铝合金中的薄饼状独特晶体，通常具有5～25的长度对宽度的长宽比。晶粒尺寸分析能够就晶粒长度和晶粒宽度方面进行讨论，其中晶粒长度和晶粒宽度两者的测量值都是晶粒的平均值。将晶粒宽度202和晶粒长度204的示例标识示于图2中。对于本公开内容，晶粒尺寸通常在毫米量级上来测量。
一般来说，在成形和热处理工序期间，晶粒尺寸发生变化。晶粒尺寸的变化与所使用的成形工序的类型和弥散体的数量有关。弥散体是化学组合物的一部分并且由合金中的那些特定元素(例如Fe、Mn、Cr)形成。弥散体密度能够控制所得的晶粒结构和晶粒尺寸。
晶粒尺寸能够使用如下方法来确定。首先，用最终的胶体二氧化硅(0.04μm)抛光剂对样品进行金相抛光。在一些情况下，样品得自铝轮的盘斜面部分。然后用凯勒(Keller)试剂(2mL HF、3mL HCL、5mLHNO3、190mL H2O)进行约1分钟拭子蚀刻(swab etch)。然后，可以通过ASTM E112线方法在水平(长度)和垂直(宽度)方向上进行光学显微镜和晶粒尺寸的测量。
在将本文中公开和设想的铝合金用于制造轮的实施方式中，晶粒尺寸影响轮的疲劳性能。如下面的实验例中所示，平均晶粒长度不大于6.0mm的合金改善了轮的疲劳性能。
更细的晶粒通常更好地抵抗疲劳裂纹的形成。细晶粒可以定义为在铸造期间形成的未重结晶晶粒、具有在热锻期间形成的亚晶粒的未重结晶晶粒和/或在热锻期间形成的动态重结晶晶粒。
由本文中公开和设想的铝合金形成的铝轮在轮的盘部分中具有小于50％面积分率的细晶粒。在各种实施方式中，铝轮在轮的盘部分中具有小于45％、少于40％、少于30％、少于25％或小于20％面积分率的细晶粒。
本公开内容显示，由于车辆的安装构造而使得在疲劳裂纹扩展之后的微动疲劳是在轮的盘面上的常见失效模式。中等的重结晶晶粒能够明显增强轮对在轮的这些部位中的微动疲劳和疲劳裂纹扩展的抵抗性。此外，中等的重结晶晶粒结构对在轮的其它部分中的疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展两方面均具有良好的抵抗性。
根据本文中公开和设想的技术和方法锻造的铝合金具有不大于6.0mm的平均晶粒长度。在各种实施方式中，本文中公开和设想的铝合金具有不大于4mm的平均晶粒长度。在其它实施方式中，本文中公开和设想的铝合金具有不小于0.4mm且不大于6mm的平均晶粒长度。作为特定的实例，本文中公开和设想的铝合金具有如下的平均晶粒长度：不大于5.50mm；不大于5.00mm；不大于4.75mm；不大于4.50mm；不大于4.25mm；不大于4.00mm；不大于3.75mm；不大于3.50mm；不大于3.25mm；不大于3.00mm；不大于2.75mm；不大于2.50mm；不大于2.25mm；不大于2.00mm；不大于1.75mm；不大于1.50mm；不大于1.25mm；不大于1.00mm；不大于0.75mm；不大于0.50mm；或不大于0.40mm。
晶粒尺寸也可以在平均晶粒宽度方面确定。即使当平均晶粒长度大于4mm且小于6mm时，本文中公开和设想的铝合金也通常具有不大于0.40mm的晶粒宽度。在一些情况下，晶粒宽度不大于0.30mm。在其它情况下，晶粒宽度不小于0.25mm。
晶粒尺寸的确定通常包括确定一个或多个样品内的晶粒的平均晶粒长度和宽度。样品是轮的二维截面。可以在各样品中确定晶粒尺寸，并且在所述确定中使用多个样品的情况下，可以对晶粒尺寸取平均值。作为实例，得到沿着轮的轮廓的多个样品，并且各样品可以具有25mm的长度和等于轮厚度的宽度。
C.弥散体
本文中公开和设想的铝合金组合物也可以通过弥散体来表征。术语“弥散体”在本领域中是已知的，并且通常是指各种合金组分的片。例如，弥散体可以是具有各种化学计量比的(Al-Fe-Si、Al-Mn、Al-Cr、Al-Fe(Mn,Cr)-Si、Al-V、Al-Zr、Al-Ti)的富集铁、锰、铬、钛和/或硅的金属间化合物。
一般而言，期望的晶粒结构(例如晶粒尺寸和分布)受到铝合金中弥散体的数量、尺寸和分布的影响。对于常见的商购获得的铝合金，铝合金中弥散体的数量可能与铁、锰或铬的量以及铸坯的均质化温度有关。
可以采用均质化方法以获得如本文中所公开和设想的一种或多种期望性能。作为实例，均质化可以包括将坯缓慢加热至550℃～575℃之间的温度，持续2小时～8小时，然后在空气中进行风扇冷却。在一些情况下，均质化发生在550℃～560℃的温度下。在一些情况下，均质化加热发生约4小时。
在各种实施方式中，在本文中公开和设想的铝合金中的弥散体具有不大于0.20/μm2的分布。在其它实施方式中，在本文中公开和设想的铝合金中的弥散体具有不大于0.10/μm2的分布。在另外的实施方式中，在本文中公开和设想的铝合金中的弥散体具有0.06/μm2～0.10/μm2的分布。低于0.03/μm2的分布可能会导致晶粒结构过度粗化。
在各种实施方式中，弥散体具有230nm～260nm的平均尺寸。在其它实施方式中，弥散体具有230nm～250nm的平均尺寸。在另外的实施方式中，弥散体具有228nm～248nm的平均尺寸。
D.锻造
本文中公开和设想的铝合金组合物的坯能够在常规的闭式模锻压机上锻造以制造各种产品。例如，可以使用闭式模锻压机将铝合金坯锻造成轮的预机械加工的盘部分。
假设大气压条件，铝合金坯锻造可以在各种温度下进行。大气压条件是指在运行本公开内容的工序的位置处的外部环境的压力。作为实例，铝合金坯可以在不小于275℃且不大于460℃的温度下锻造。在其它实施方式中，铝合金坯在不小于350℃且不大于400℃的温度下锻造。在另外的实施方式中，铝合金坯在不低于370℃且不大于427℃或450℃的温度下锻造。在另外的实施方式中，铝合金坯在不小于275℃且不大于427℃的温度下锻造。作为具体实例，铸造的铝合金坯在260℃、270℃、280℃、290℃、300℃、310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、420℃、427℃、430℃、440℃、450℃或460℃的温度下锻造。
通常，锻造温度越高，越提供好的模具寿命。在更高的锻造温度下，本文中公开和设想的合金和轮能够具有上述公开的晶粒结构。因此，本文中公开的合金和轮的相关益处可以是改善的模具寿命。
II.制备铝轮的示例方法
用于制备铝轮的示例方法包括首先将铸造且均质化的铝合金坯接收，其中所述铝合金坯包括上述的一种或多种性能和组分。然后将所述铸造的铝合金坯加热到260℃～460℃的温度。
在加热坯之后，在一个以0.0254～2.54cm/cm/秒的应变速率连续碰撞坯的条件下使用常规的闭式模锻压机锻造轮的轮廓。在该操作期间，锻压机内的材料经历动态重结晶。
在锻造轮的轮廓之后，在21℃～316℃的温度下将轮辋轮廓进行流动成形。接下来，在510℃～566℃的温度下进行固溶热处理。在固溶热处理期间，盘中的材料经历静态重结晶、晶粒生长或所述两者，以得到期望的晶粒尺寸。在一些情况下，在热处理期间盘中的材料为约538℃。
其它锻造工序是可行的，例如多步锻造工序。例如，示例方法可以包括：锻造薄饼，然后锻造碗形，然后锻造轮辋。作为另一个实例，示例方法可以包括：锻造薄饼，然后锻造碗，再将轮辋进行旋转成形(spin forming)。
然后，将锻件淬火。淬火后，将锻件在148℃～233℃的温度下进行老化。最后，从锻件的中心部分对轮进行机械加工。
III.实验例
制备了以上公开的铝合金的实验例并进行了试验。在一些情况下，将实验例形成为轮，并与现有的商用轮进行了比较。特别地，对合金和轮进行的实验包括性能试验如疲劳性能的确定、实验制造方法以及晶粒和弥散体的分析。
A.实验晶粒尺寸的发展
用示例合金进行实验以评价各种铝轮的晶粒尺寸。特别地，实验的一个目的是优化晶粒尺寸以在使用优选不大于427℃的锻造温度的同时改善轮的疲劳性能。对两种不同的合金进行了试验并且将各种合金在371℃、399℃、427℃和454℃的温度下锻造。下表1中列出了所述两种合金。
表1.在闭式模传统锻造操作中试验的示例合金。
试验合金 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
1 1.09 0.21 0.45 0.21 0.95 0.18 0.01 0.017
2 0.92 0.28 0.46 0.17 1.06 0.19 0.02 0.025
在实验中，仅对盘的斜面进行了晶粒尺寸分析。晶粒尺寸是晶粒的平均长度。实验不包括收集盘中一部分重结晶和未重结晶晶粒的数据。还对各种合金进行了疲劳试验，其中疲劳寿命是根据雅固拉试验标准CE-006(Accuride Test Standard CE-006，遵循SAEJ267)评价的。将各种试验合金的晶粒尺寸的分析数据示于下表2中。
表2.表1中试验合金的实验结果。表2中通过出现的位置来记录失效，即：CC＝凹面；HH＝手孔；TR＝在胎唇座下面的盘到轮辋的过渡部分。
Figure BDA0002576534090000111
如上表2所示，通常，随着锻造温度的升高，晶粒尺寸也升高。此外，随着晶粒尺寸的减小，评价的疲劳寿命改善。不受特定理论的束缚，认为两种试验合金在更高温度下的性能转变与晶粒粗化和细晶粒稳定化的组合有关。
图3显示了在371℃、399℃、427℃和454℃下蚀刻两种试验合金1和2的实验结果的照片。蚀刻是通过如下操作实施的：(1)用120目SiC进行均匀研磨；和(2)在室温下在300mLH2O、75g FeCl3、450mL HNO3和150mL HCl的溶液中蚀刻5分钟。如图3中的在454℃下的合金1和合金2的照片所示，存在晶粒粗化和细晶粒的稳定化。对于在低于400℃的温度下锻造的合金，盘部分的晶粒长度小于4.0mm，并显示中等的重结晶晶粒结构。同样，对于试验合金2，当在不大于399℃的温度下锻造时，能够实现不大于4.0mm晶粒长度的期望晶粒结构。
B.与可用轮相比的实验性能
在具有示例合金的轮上进行了实验，以将本文中公开和设想的合金与商购获得的轮进行比较。具体地，对五种轮的晶粒结构和疲劳性能进行了分析。各种轮为行业标准的22.5英寸×8.25英寸(57.15cm×20.955cm)轮毂导向轮。下表3中提供了五种轮中各轮的组成和轮的重量。
表3.试验轮的组成和轮的重量。
Figure BDA0002576534090000121
图4显示了蚀刻后各种试验轮的晶粒结构，其中F＝细晶粒(小于0.4mm的晶粒)，M＝中晶粒(0.4mm～4mm的晶粒)，并且C＝粗晶粒(大于4mm的晶粒)。蚀刻是通过如下操作实施的：(1)用120目SiC进行均匀研磨；和(2)在室温下在300mL H2O、75g FeCl3、450mL HNO3和150mL HCl的溶液中蚀刻5分钟。图4显示，试验轮E是唯一具有中晶粒尺寸结构的试验轮。另外，试验轮E在整个轮的盘部分中显示了中晶粒尺寸的结构。
图5显示了表3中列出的各种试验轮的疲劳性能，其中疲劳性能是至少两个轮的平均值。在各条形图的上方列出了轮的重量(单位为kg)。使用Accuride CE-006(遵循SAEJ267)得到了疲劳性能。试验轮E在五种试验轮中具有最佳的疲劳性能，并且比相同轮重量的试验轮A具有明显更好的性能。
图6显示了试验轮E的疲劳性能，但是所述试验轮E是用两种不同的合金(AA6061和AA6099)制造的。这些轮是在相似的温度下锻造的并且两者都显示了小于4mm的中等的重结晶晶粒尺寸。使用Accuride CE-006(遵循SAE J267)得到了疲劳性能。图6中所示的值是12个以上轮的平均值。不受任何特殊理论的束缚，具有AA6099的轮E相对于具有AA6061的轮E具有改善的性能能够归因于：源自Cu、Si和Mg的高强度；因更高的Mn而更好地控制晶粒结构；和/或因更高的Mg而对疲劳裂纹传播具有改善的抵抗性。
图7显示了在经过ASTM B368(12小时醋酸铜盐雾(CASS)试验)和随后根据Accuride CE-006进行的径向轮疲劳试验时，试验轮E和试验轮A的疲劳性能，所述疲劳性能具体地与腐蚀行为有关。不受任何特定理论的束缚，图5中的试验轮A的结果与图7中所示的结果的比较表明，当轮暴露于CASS疲劳下时试验轮A的失效模式增强。再次不受任何特定理论的束缚，表明差的晶粒结构控制影响了腐蚀的和未腐蚀的两种轮的轮疲劳性能。
C.AA6061和AA6099的闭式模锻造工序的实验例
实验例对在锻造操作期间形成轮的轮廓需要的所需力进行了评价。特别地，使用称为AA6061的合金和称为AA6099的合金形成轮的轮廓。合金AA6061按重量百分比计包含0.4％～0.8％的硅、0.15％～0.4％的铜、0.15％的锰、0.8％～1.2％的镁、0.04％～0.35％的铬、0.7％的铁、0.25％的锌、0.15％的钛以及剩余的铝。合金AA6099按重量百分比计包含0.8％～1.2％的硅、0.1％～0.7％的铜、0.1％～0.4％的锰、0.7％～1.2％的镁、0.04％～0.35％的铬、0.7％的铁、0.25％的锌、0.1％的钛和剩余的铝。
图8显示了吨位-行程图，该图描绘了在所述操作的该步骤期间形成轮部分需要的所需力。这些数据在形成所述部分期间得自锻压机并且表明，当比较AA6099和AA6061时，形成锻造部分所需的力没有明显差异，从而表明两种合金的成形性相似。这通过如图9中所示的流动应力曲线得到进一步支持，所述流动应力曲线能够用于表征具体材料的成形性。尽管吨位曲线包括其它变量如模具温度、锻造润滑剂和模具几何形状，但流动应力数据通常不包括这些变量并且所述流动应力数据通过如下操作得到：从铸造坯原料中提取小的压缩样品；将其加热到成形温度；以及在实验室规模的压机上对其进行试验。这些数据进一步支持了如下结论：在相似的热变形参数下，合金AA6099和AA6061的成形性和流动应力大致相当。
D.对于不同的Cr和Mn水平的实验晶粒结构分析
在改变Cr和Mn水平的条件下对三种不同的合金组合物进行了试验。可以理解，其它组分的重量百分比因正常的制造波动而略有不同。下表4中提供了相对地具有低Cr和Mn、中Cr和Mn以及高Cr和Mn的三种组合物。中合金具有AA6099的组成。
表4.试验的“低Cr和Mn”、“中Cr和Mn”和“高Cr和Mn”的合金的组成。
合金 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
低 0.9 0.26 0.43 0.07 0.98 0.05 0.01 0.05
中 0.95 0.26 0.45 0.17 1.02 0.18 0.02 0.03
高 0.87 0.25 0.43 0.32 0.98 0.20 0.01 0.03
在常规的闭式模锻压机上，在371℃～482℃的五种不同的锻造温度下锻造了各种低合金、中合金和高合金。具体地，在371℃、399℃、427℃、454℃和482℃下锻造了合金。试验数据表明，随着Cr和Mn的浓度增加，流动应力和压机吨位增加。旋转、热处理和机械加工工序对于各种低合金、中合金和高合金是相同的。进行了如下分析：针对各种合金/温度组合对轮进行了三种径向疲劳试验；宏观结构；拉伸性能；以及在盘安装面、盘斜面和轮辋凹槽处的微观结构。
下表5提供了各种合金的坯的各种特性数据。
表5.表4中合金的坯特性数据。
Figure BDA0002576534090000151
表6.构成源自表5的Al-Fe-Si第二相成分粒子的元素的化学组成。
Figure BDA0002576534090000152
随着合金中锰和铬的增加，这些元素的分率在Al-Fe-Si第二相成分粒子中不均匀地增加，并且形成更多的这些粒子(表5中更高的体积分率)。理论上，这导致用于形成由Mg-Si和Al-Mg-Si-Cu粒子构成的强化相的可用Si减少。此外，理论上，当合金中锰和铬的量低时，Al-Fe-Si的体积分率更低，而相中的Si浓度更高。理论上，这将限制形成强化沉淀物所需的游离硅。
还测量了各坯的弥散体。在晶粒的中心测量了弥散体。表7显示了实验结果。按照1/分布来计算间距。分析的“高”坯弥散体为长度为289nm且宽度为138nm的盘状。
表7.表5中坯的弥散体数据
坯 弥散体尺寸(nm) 分布(#/μm<sup>2</sup>) 间距(μm)
低 248 0.06 16.7
中 226 0.29 3.4
高 214 0.50 2.0
图10A、10B和10C显示了低、中和高坯的表面的显微照片。图10A、10B和10C使用设置为如下的扫描电子显微镜(SEM)得到：20.0kV的超高压(EHT)电压、5.0mm的工作距离(WD)、20000X的放大倍数。将弥散体402、404和406标记在图10A、10B和10C中。并非对所有的弥散体都进行了标记。从图10A、10B和10C能够看出，随着Cr和Mn的增加，弥散体的数量也增加。
图11A、11B和11C显示了低、中和高坯的蚀刻表面的光学显微照片。使用如下方法得到了图11A、11B和11C。首先，用最终的胶体二氧化硅(0.04μm)抛光剂对样品进行金相抛光。然后用凯勒试剂(2mL HF、3mL HCL、5mL HNO3、190mL H2O)进行约1分钟拭子蚀刻。然后，通过ASTM E112线方法在水平(长度)和垂直(宽度)方向上进行光学显微镜和晶粒尺寸测量。
在蚀刻期间，弥散体消失并产生点蚀。从图11A、11B和11C能够看出，点蚀量随着Cr和Mn的增加而增加。
在五种不同的锻造温度下，确定了三种合金中每一种的晶粒尺寸，示于图12的图中。通常，对于三种合金中的每一种，晶粒长度随着预热温度的升高而增加。对于平均晶粒长度大于0mm且不大于4mm的合金，在把手(hand hold)和螺母边缘(EON)位置处观察到可接受的径向疲劳。
还在三个轮的位置处确定了三种合金中每一种的细晶粒的百分比。图13显示了细晶粒在轮的斜面中的分率。图14显示了细晶粒在轮的安装区域中的分率。不受特定理论的束缚，似乎细晶粒在安装区域中的百分比越高，导致疲劳性能越差。例如，当细晶粒在安装区域中的分率不大于50％时，在安装区域中观察到可接受的径向疲劳。图15显示了细晶粒在轮的盘部分中的分率。图16是一种合金的显微照片，其中晶粒902是中晶粒的实例并且晶粒904是细晶粒的实例。
另外对于在五个不同温度下锻造的三种合金，对轮进行了径向疲劳循环直至失效的实验。图17是对数图，显示了用在五个不同温度下锻造的三种合金组合物制备的轮的失效循环数。
区域1002显示了观察到封闭侧凸缘的裂纹的锻造温度和组成范围，该裂纹可能由粗晶粒导致。区域1004显示了观察到安装面裂纹的锻造温度和组成范围，该裂纹可能由晶粒太细导致。区域1006显示了观察到手孔裂纹的锻造温度和组成范围，该裂纹可能由晶粒太粗导致。
作为实例，在371℃下锻造的“中”合金轮中观察到封闭侧凸缘的裂纹。在371℃下锻造的“低”合金轮中，观察到中等的重结晶晶粒，并且在导致371℃的“中”合金开裂的相同循环次数之后，没有观察到封闭侧凸缘的裂纹。在427℃锻造的“高”合金中观察到了螺母裂纹的边缘。在454℃锻造的“低”合金和在371℃锻造的“中”合金两者中均观察到手孔裂纹。不受特定理论的束缚，基于这些实验数据，似乎在至少371℃但低于427℃的温度下锻造“低”合金可提供最佳的疲劳性能。
E.对于不同Fe和Mn水平的实验晶粒结构分析
制造了实验例的组成的合金并进行了试验以分析不同Fe和Mn水平并评价所得的晶粒结构。更具体地，在427℃的温度下制造并锻造了五种不同的试验组合物。对各种试验组合物进行了晶粒尺寸分析，所述分析包括确定平均晶粒长度和平均晶粒宽度，所述两者的单位均为毫米(mm)。下表8中提供了所述五种试验组合物和确定的平均晶粒尺寸。
表8.对于不同量的Fe+Mn的晶粒尺寸分析。
Figure BDA0002576534090000181
图18是显示作为Fe+Mn含量的函数的晶粒长度(mm)的图，所述Fe+Mn含量的单位为重量百分比(重量％)。不受特定理论的束缚，似乎为了得到具有不大于4.0mm的平均晶粒长度的合金，Fe+Mn重量％应不小于0.28重量％。实验结果还表明，当Fe+Mn含量大于0.45重量％时，不期望的细晶粒得到了稳定。
F.更高温度下的实验晶粒结构分析
制造了实验例的轮，并对于晶粒尺寸和疲劳性能进行了试验。在399℃、427℃和454℃下锻造了具有表9中的组成的轮。合金中Fe和Mn的总量为0.28重量％。
表9.在各种锻造温度下试验的示例合金。
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
组分(重量％) 0.91 0.18 0.39 0.10 1.02 0.06 0.01 0.02
在实验中，仅对盘斜面进行了晶粒尺寸分析。晶粒尺寸是平均晶粒长度和平均晶粒宽度。还对各种合金进行了疲劳试验，其中疲劳寿命是根据Accuride Test StandardCE-006(遵循SAE J267)评价的。下表10中显示了各种轮合金的晶粒尺寸和疲劳寿命数据。
表10.用表9中的试验合金制造的轮的实验径向疲劳寿命结果。
Figure BDA0002576534090000191
如表10所示，在盘斜面中具有大于4.00mm但小于6.00mm的平均晶粒长度的轮显示了改善的径向疲劳寿命。对于在427℃或更高温度下锻造的轮，更细的晶粒似乎可提供良好的疲劳性能。
对于在此列举的数值范围，可以设想，在它们之间的具有相同精确度的各中间数字。例如，对于6～9的范围，除了6和9之外，数字7和8也是可以设想的；对于6.0～7.0的范围，数字6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9和7.0是可以设想的。对于另一个实例，当将压力范围描述为在环境压力与另一个压力之间时，明确地可以设想作为环境压力的压力。
应理解，前述详细描述和所附实例仅是说明性的，并且不应视为对本公开内容范围的限制。对于本领域的技术人员而言，所公开的实施方式的多种变化和变体将是显而易见的。在不背离本公开内容的主旨和范围的条件下，可以完成这样的变化和变体，包括但不限于与化学结构、取代基、衍生物、中间体、合成、组成、制剂或使用方法有关的变化和变体。

Claims (16)

1.一种铝合金，所述铝合金按重量计包含：
0.80％～1.20％的硅；
0.08％～0.37％的铁；
0.35％～0.55％的铜；
0.07％～0.37％的锰；
0.70％～1.20％的镁；
0.05％～0.11％的铬；
不超过0.20％的锌；和
不超过0.05％的钛，
并且剩余的重量百分比包含铝以及偶存元素和杂质，
其中所述铝合金包含多个铝合金晶粒，所述多个铝合金晶粒具有不小于0.4mm且不大于6mm的平均晶粒长度。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其中铁和锰的总量不小于0.28重量％。
3.根据权利要求1所述的铝合金，其中铁和锰的总量不大于0.45重量％。
4.根据权利要求3所述的铝合金，其中铁和锰的总量不小于0.30重量％且不大于0.37重量％。
5.根据权利要求1所述的铝合金，其中所述多个铝合金晶粒具有不大于0.4mm的平均晶粒宽度。
6.根据权利要求5所述的铝合金，其中所述平均晶粒长度不大于4mm，并且其中所述平均晶粒宽度不大于0.3mm。
7.根据权利要求1所述的铝合金，还包含弥散体，所述铝合金中的弥散体分布不大于0.2/μm2。
8.一种具有轮辋和盘的铝轮，所述铝轮由铝合金形成，所述铝合金按重量计包含：
0.80％～1.20％的硅；
0.08％～0.37％的铁；
0.35％～0.55％的铜；
0.08％～0.37％的锰；
0.70％～1.20％的镁；
0.05％～0.11％的铬；
不超过0.20％的锌；和
不超过0.05％的钛，
并且剩余的重量百分比包含铝以及偶存元素和杂质，
其中所述铝合金的铁和锰的总量不小于0.28重量％且不大于0.45重量％，
所述盘还包含多个铝合金晶粒，所述多个铝合金晶粒具有不小于0.4mm且不大于6mm的平均晶粒长度。
9.根据权利要求8所述的铝轮，其中铁和锰的总量不小于0.30重量％且不大于0.37重量％。
10.根据权利要求8所述的铝轮，其中所述铝合金晶粒具有不大于0.40mm的平均晶粒宽度。
11.根据权利要求8所述的铝轮，其中所述盘具有盘区域，所述盘区域包含小于50％面积分率的细晶粒。
12.一种制备铝合金的方法，所述方法包括：
接收铝合金坯，所述铝合金坯按重量计包含：
0.80％～1.20％的硅；
0.08％～0.37％的铁；
0.35％～0.55％的铜；
0.08％～0.37％的锰；
0.70％～1.20％的镁；
0.05％～0.11％的铬；
不超过0.20％的锌；和
不超过0.05％的钛，
并且剩余的重量百分比包含铝以及偶存元素和杂质；并且
在不小于275℃且不大于460℃的温度下锻造所述铝合金坯，
其中在锻造后，所述铝合金包含多个铝合金晶粒，所述多个铝合金晶粒具有不小于0.4mm且不大于6mm的平均晶粒长度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中锻造所述铝合金坯包括使用闭式模锻压机来形成轮的预机械加工的盘部分。
14.根据权利要求12所述的方法，所述温度不小于370℃。
15.根据权利要求14所述的方法，所述温度不大于425℃。
16.根据权利要求13所述的方法，其中铁和锰的总量不小于0.28重量％且不大于0.45重量％。
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