CN113088767B - 铝合金的制造方法及铝合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种铝合金的制造方法，该方法可以包括：对由包括0.1wt％至0.3wt％的Zr的铝合金制成的铸件进行固溶处理；在固溶处理后，在30℃以下的温度下对铸件进行淬火处理；以及在淬火处理后，对铸件进行时效处理。

Description

铝合金的制造方法及铝合金
技术领域
本公开的示例性实施例涉及一种铝合金的制造方法及通过该方法制造的铝合金，并且特别地，涉及一种用于大功率发动机部件的铝合金。
背景技术
高性能车辆可能极大地吸引寻求驾驶乐趣的消费者，并且高性能车辆的开发和生产也有效地向普通消费者展示了汽车制造商的技术。
这样的高性能车辆不可避免地需要大功率发动机。但是，随着发动机的功率增加，施加到发动机的材料上的物理和热负荷也增加。
常规的高性能车辆的气缸盖铸造中使用的合金具有以下表1所示的成分，并且该气缸盖通过如图1所示的热处理制造。
[表1]
成分 Cu(wt％) Si(wt％) Mg(wt％) Fe(wt％) Mn(wt％) Ti(wt％) Al
AC4CH 0.2以下 6.5～7.5 0.35～0.45 0.2以下 0.03～0.1 0.05～0.2 其余
合金的主要增强元素是Mg和Si。Si是影响合金的铸造性和强度的元素，并且通过在通过Mg进行热处理之后形成Mg2Si析出相来增加合金的强度。
换言之，对合金进行固溶处理以将Si和Mg元素均匀地溶解在Al基体中并进行时效处理(age)以形成Mg2Si化合物，从而导致强度增加。
尽管用于常规汽油发动机的气缸盖的铝材料具有约200℃的耐久极限温度，但对大功率发动机的测试表明，气缸盖的温度从250℃升高至300℃。因此，使用现有材料可能对气缸盖造成无法克服的损坏。
即，由于在测试期间暴露于高温环境，因此大功率发动机在预期耐久性测试时间的1/10之前损坏。因此，可以看出，常规合金成分不能承受大功率发动机的恶劣环境。
以上内容仅旨在帮助理解本公开的背景，而并非旨在意味着本公开落入本领域技术人员已知的现有技术的范围内。
发明内容
本公开的实施例涉及一种具有优异的高温物理性能和有利于性能和燃料效率的高导热率从而可应用于大功率发动机的铝合金及其制造方法。
通过以下描述可以理解本公开的其它目的和优点，并且参照本公开的实施例，本公开的其它目的和优点将变得显而易见。而且，对于本公开所属领域的技术人员而言显而易见的是，本公开的目的和优点可以通过所要求保护的手段及其组合来实现。
根据本公开的一个实施例，提供一种铝合金的制造方法，该方法包括：对由包括0.1wt％至0.3wt％的Zr的铝合金制成的铸件进行固溶处理；在固溶处理后，在30℃以下的温度下对铸件进行淬火处理(quenching)；以及在淬火处理后，对铸件进行时效处理。
固溶处理可以在520℃至560℃的温度范围进行4至48小时。
时效处理可以分两个阶段进行处理，包括一次时效处理和一次时效处理后的二次时效处理。
一次时效处理可以在165℃至195℃的温度范围进行4至48小时。
二次时效处理可以在200℃至225℃的温度范围进行3至7小时。
根据本公开的另一实施例，提供一种铝合金的制造方法，该方法包括：对由包括0.1wt％至0.3wt％的Zr的铝合金制成的铸件进行固溶处理；在固溶处理后，对铸件进行淬火处理；以及在淬火处理后，对铸件进行时效处理，其中时效处理分两个阶段进行处理，包括一次时效处理和一次时效处理后的二次时效处理。
一次时效处理可以在165℃至195℃的温度范围进行4至48小时。
二次时效处理可以在200℃至225℃的温度范围进行3至7小时。
根据本公开的又一实施例，提供一种铝合金，该铝合金包括：作为基材的Al；6.5wt％至7.5wt％的Si；0.35wt％至0.45wt％的Mg；以及0.1wt％至0.3wt％的Zr。
铝合金可以进一步包括：0.2wt％以下的Cu。
铝合金中可以形成Al3Zr析出强化相。
附图说明
图1示出常规合金的热处理工艺。
图2示出根据本公开的实施例的用于气缸盖的合金的热处理工艺。
图3示出本公开的合金中出现针状Zr结晶体。
图4示出当对合金常规地进行淬火处理时的气缸盖残余应力的测量结果。
图5A示出本公开中当在80℃的温度下对合金进行淬火处理时的结晶相，图5B示出本公开中当在30℃的温度下对合金进行淬火处理时的结晶相。
图6A和图6B示出根据Zr的添加的热力学模拟结果。
图7示出当对本公开的合金进行热处理时的析出相。
具体实施方式
应该参照用于示出本公开的示例性实施例的附图，以充分理解本公开、本公开的优点和通过实施本公开而实现的目的。
在本公开的示例性实施例中，可以减少或省略本领域中公知的技术或重复的描述，以避免使本领域技术人员难以理解本公开。
图2示出根据本公开的实施例的用于气缸盖的合金的热处理工艺。
下面将参照图2描述根据本公开的示例性实施例的铝合金的制造方法及通过该方法制造的铝合金。
本公开涉及用于气缸盖的合金的成分和制造方法，能够实现高温物理性能和高导热率以承受大功率发动机的物理和热负荷。
下表中示出根据本公开的铝合金的成分与根据现有技术的铝合金的成分之间的比较，并且该铝合金通过不同于图1所示的图2所示的T6热处理制备。
[表2]
Figure BDA0002455856200000041
根据本公开的铝合金包括0.1wt％至0.3wt％的Zr。
当铝合金的Zr含量超过0.3wt％时，开始出现粗大的针状Zr相关的结晶相，这不利地影响合金的物理性能。因此，Zr含量被限制在0.1wt％至0.3wt％。
铝合金可以进一步包括Sr、Mn、Ti等。
本公开的铝合金具有以上表2所示的成分，并且对由该合金铸造的气缸盖进行热处理以确保物理性能。特别地，由该合金铸造的产品的示例不仅可以包括需要高温物理性能的气缸盖，而且可以包括需要类似性能的部件。
热处理包括固溶处理、淬火处理、一次时效处理和二次时效处理。
固溶处理在520℃至560℃的温度范围进行4至48小时。作为优选的示例，该图示出固溶处理在535℃的温度下进行6小时。
与现有技术不同，淬火处理在30℃以下的温度下进行。
一次时效处理在165℃至195℃的温度范围进行4至48小时。作为优选的示例，该图示出一次时效处理在180℃的温度下进行6小时。
与现有技术不同，本公开进一步包括二次时效处理。即，二次时效处理在200℃至225℃的温度范围进行3至7小时。作为优选的示例，该图示出二次时效处理在215℃的温度下进行6小时。
在本公开的AC4CH-Zr合金中，在时效处理过程中形成Al3Zr析出强化相。由于析出相在高于现有Mg2Si析出强化相的200℃以上的温度下有效形成，因此对AC4CH-Zr合金进行额外的时效处理。
同时，即使成分Zr的量为0.3wt％以下，也形成细的针状Al3Zr结晶相，这导致物理性能劣化。为了防止物理性能劣化，在本公开中，在固溶处理之后在30℃以下的温度下进行淬火处理。
表3和表4总结了根据本公开的合金成分中的Zr的量的物理性能的测试结果。
[表3]
Figure BDA0002455856200000051
[表4]
Figure BDA0002455856200000052
如表3所示，当向合金添加0.1wt％以上的Zr时，合金的伸长率显著增加。然而，可以看出，与伸长率成反比，合金在室温下的硬度、屈服强度和拉伸强度降低。
另外，当改变时效条件以防止室温下的物理性能劣化时，合金表现出伸长率的增加减小但强度性能提高。
然而，当合金的Zr含量超过0.3wt％时，如图3所示，开始出现粗大的针状Zr相关的结晶相，这不利地影响合金的物理性能。因此，Zr含量优选为从0.1wt％至0.3wt％。
在根据本公开的图2的热处理应用中，在下表5中示出每个Zr成分的物理性能评估结果。
[表5]
Figure BDA0002455856200000053
下面将更详细地描述淬火温度。
在常规的用于气缸盖的合金的热处理工艺中，淬火温度必须保持在80℃以上。由于气缸盖具有复杂的内部结构，因此根据气缸盖中的每个部分的冷却速度容易产生残余应力。实际上，气缸盖在开发时可能因残余应力而损坏。因此，如图4所示，淬火条件应从水冷改为空冷。
然而，当本公开的合金在80℃以上的温度下进行淬火处理时，如图5A所示，细的针状Zr相结晶。在这种情况下，当将0.3wt％以上的Zr添加到合金时，与出现粗大的结晶相时相比，虽然合金的物理性能没有显著降低，但是提高合金的物理性能的效果较差。
但是，当如本公开的热处理方法，在30℃以下的温度下进行淬火处理时，如图5B所示，Zr相关的结晶相变细，结晶相的形状从针状变为球状，因此可以提高合金的物理性能。
根据Zr结晶相的变化的物理性能的变化可以参考下表6。
[表6]
结晶相的形状 室温下的屈服强度 室温下的拉伸强度 伸长率
针状 244 289 4.4
球状 247 301 6.2
术语“结晶相”是指当熔融的Al冷却时超过固溶极限而未溶解的颗粒保留在Al基体中的相。通常，当使用光学显微镜和SEM分析材料组织时，可以观察到结晶相。作为图6A和图6B的Jmatpro热力学模拟的结果，当添加0.05wt％的Zr时，Zr的固溶体在476℃以下的温度下达到极限，使得Zr相关相开始结晶。即，当添加0.05wt％的Zr时，Zr相关相在通常进行铸造的温度650℃以上不结晶。另一方面，当添加0.25wt％的Zr时，Zr的固溶体在649℃达到极限，因此在冷却期间可能会残留结晶相。该结晶相具有通过物理上阻碍电位漂移来增强材料的效果，但是当形成针状结晶体时，该结晶相通过充当应力集中点而削弱材料的物理性能。
术语“析出相”是指溶解在熔融的Al中的颗粒由于淬火而以过饱和固溶体状态存在并且随后通过热处理析出成固体的相。结晶相在凝固过程中形成，而析出相在热处理(固溶处理+时效处理)过程中形成。由于析出相足够细，从而在一般的组织观察中看不到，因此，如图7所示，可以通过TEM观察来确认。
此外，在本公开中，在30℃以下进行淬火处理后进行一次时效处理，然后进行二次时效处理。
如果不管Zr的最佳成分，仅常规地进行一次时效处理，则可以看出，该处理可能无法同时满足所需的物理性能，即高伸长率、高导热率和高温耐久性。
这是由于针状Zr组织的结晶和不产生Zr相关的析出强化相。Mg2Si析出相是现有AC4CH合金的强化相，当在180℃进行6小时的时效处理时，析出强化效果最佳，而Al3Zr是Zr相关的析出相，在较高温度下析出到基体中而发挥强化效果。因此，通过在165℃至195℃进行4至24小时的时效处理使Mg2Si析出相分布在基体中，然后进一步进行二次时效处理。由于Mg2Si析出相在暴露于200℃以上的高温时开始失去强化相效果，因此需要额外的时效温度和时间来获得Al3Zr析出相，即高温强化相，同时最小化Mg2Si析出相的效果劣化。
通过物理性能测量来测试强化相的效果，并且下表7总结了测试结果。表7示出当在535℃进行6小时的固溶处理、在30℃进行淬火处理、在180℃进行6小时的一次时效处理的条件下，在200℃至225℃进行3至7小时的二次时效处理时的结果。特别地，根据在215℃进行6小时的额外时效处理的结果，可以看出，由于Mg2Si的强化效果消失，室温下的强度性能略有降低，但是由于Al3Zr起到高温强化相的效果，因此高温下的强度性能得到提高。
另外，进行二次时效处理可以消解由于在室温下进行淬火处理而引起的残余应力，并且由于在室温下降低的强度而获得高伸长率和高导热率。
[表7]
Figure BDA0002455856200000081
如上所述，可以看出，如表7所示，包括范围内的Zr的本公开的合金在室温下具有约272MPa的拉伸强度并且在高温下具有约146MPa的拉伸强度。然而，可以看出，如以下表8所示，当不满足每种热处理条件时，合金不具有期望的物理性能。因此，可以得出如表9所示的最佳热处理条件。
[表8]
Figure BDA0002455856200000082
[表9]
Figure BDA0002455856200000091
如上所述，根据本公开的合金可以表现出如下表10所示的以下效果。
与现有材料相比，该合金在室温下的伸长率增加50％，导热率增加10％。与现有材料相比，尽管该合金在室温下强度性能有所降低(硬度：HB93→HB78)，但在驱动发动机的高温下强度性能提高，例如，屈服强度增加11％，拉伸强度增加17％。总体而言，由于伸长率、屈服强度和拉伸强度的增加，该合金在高温下的疲劳强度增加30％以上。另外，当气缸盖的导热率增加10％时，发动机的扭矩增加，从而导致性能提高，这也有助于减少爆震并因此提高燃料效率。
此外，在80℃以上的温度下进行淬火处理以减小残余应力的当前工艺导致将水保持在高温的成本以及水的过度蒸发的成本，而与现有技术相比，本公开由于在30℃以下的温度下进行淬火处理，因此预期实现成本降低。
[表10]
Figure BDA0002455856200000092
根据本公开的示例性实施例，由于铝合金具有优异的高温物理性能和有利于性能和燃料效率的高导热率，从而可应用于大功率发动机的气缸盖。
更具体地，与现有材料相比，该铝合金在室温下的伸长率增加50％，导热率增加10％。与现有材料相比，尽管该铝合金在室温下强度性能有所降低(硬度：HB93→HB78)，但在驱动发动机的高温下强度性能提高，例如，屈服强度增加11％，拉伸强度增加17％。总体而言，由于伸长率、屈服强度和拉伸强度的增加，该铝合金在高温下的疲劳强度增加30％以上。另外，当气缸盖的导热率增加10％时，发动机的扭矩增加，从而导致性能提高，这也有助于减少爆震并因此提高燃料效率。
此外，在80℃以上的温度下进行淬火处理以减小残余应力的当前工艺导致将水保持在高温的成本以及水的过度蒸发的成本，而与现有技术相比，本公开由于在30℃以下的温度下进行淬火，因此预期实现成本降低。
尽管参照附图描述了特定实施例，但是本公开不限于此。对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书所限定的本公开的宗旨和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。因此，只要对本领域技术人员显而易见，这些改变和修改将落入本公开的范围内，并且本公开的范围应基于所附权利要求书中阐述的全部内容来限定。

Claims (2)

1.一种铝合金的制造方法，包括：
对由包括0.1wt％至0.3wt％的Zr的铝合金制成的铸件进行固溶处理；
在所述固溶处理后，在30℃以下的温度下对所述铸件进行淬火处理；以及
在所述淬火处理后，对所述铸件进行时效处理，
其中，所述时效处理分两个阶段进行处理，包括一次时效处理和所述一次时效处理后的二次时效处理，
所述一次时效处理在165℃至195℃的温度范围进行4至48小时，
所述二次时效处理在200℃至225℃的温度范围进行3至7小时，并且
所述铝合金中形成Al3Zr析出强化相。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述固溶处理在520℃至560℃的温度范围进行4至48小时。
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