CN113518833A - 铝合金和铝合金压铸材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有优异的铸造性、兼具高强度和韧性的非热处理型的铝合金。此外，还提供兼具高强度和韧性、由部位引起的特性差异小、而且难以受到时效的影响的铝合金压铸材料。本发明提供一种铝合金，其特征在于，含有：Si：5.0～12.0质量％、Mn：0.3～1.9质量％、Cr：0.01～1.0质量％、Ca：0.001～0.05质量％，余量由Al和不可避免的杂质构成，不可避免的杂质中的Mg的含量低于0.3质量％。

Description

铝合金和铝合金压铸材料

技术领域

本发明涉及一种非热处理型的铝合金、以及使用了该铝合金的铝合金压铸材料。

背景技术

在以汽车为代表的输送用设备中，为了提高耗油性能和降低环境负荷，正在致力于轻量化，作为车辆用部件用的原材料，与铁相比轻量的铝合金受到了关注。虽然存在各种利用铝合金的车辆用部件的制造方法，但作为以低成本大量生产的方法，可以举出压铸法。

在制造复杂形状的部件的情况下，与通过对延展材料施加塑性加工来形成部件的方法相比，在压铸法中，能够在铸造时刻得到接近最终形状的形状，之后的加工工序数减少，在成本方面占优势。然而，为了利用压铸材料获得车辆用部件所需的机械性质，大多需要对铸造后的产品进行热处理。该热处理中包括在高温下长时间加热的固溶处理、在比较低的温度下保持加热的时效处理，但是，任何工序都需要长时间，而且在加热工序中产生无法忽视的燃料费用，此外，在热处理后，还需要矫正伴随加热冷却而产生的部件的变形，存在多种附加的成本的上升因素。鉴于这些情况，很难说在部件的制造中充分地发挥了采用压铸法的成本降低效果。因此，不需要铸造后的热处理的非热处理型合金在能够进一步抑制制造成本的方面受到了重视。

从这样的背景出发，在选择车辆部件的原材料时，在作为对象的部件所要求的机械性质与制造所花费的成本之间存在权衡的关系，因此，对于非热处理型压铸用铝合金赋予高机械性质，特别是对车辆用部件赋予必要的强度和韧性，与扩大非热处理型铝合金的应用范围相关，具有降低车辆制造成本的效果，因此期望该技术的实现。

在此，作为非热处理型的压铸用铝合金，存在Al-Si-Mg-Fe系合金、Al-Si-Cu-Mg系合金、Al-Mg-Mn系合金等。此外，作为面向车辆用部件的压铸材料中的代表性的合金种类，可以举出JIS标准中规定的ADC12。

在铸件-压铸用合金中，Mg是经常添加的元素，通过固溶于基体，或者作为Mg₂Si化合物析出，虽然具有使部件强度提高的作用，但担心如下举出的不良影响。

在车辆中使用的铝合金部件中，对于复杂形状的铝合金部件，存在采用铸件材料或压铸材料的倾向，铸造时使用的模具多成为复杂的形状的情况较多。在对这样的形状的模具进行铸造时，由于部件的部位而导致熔液的冷却速度产生偏差。Mg向基体的固溶在冷却速度高的部分成为较高的浓度，在冷却速度低的部分成为较低的浓度，因此，根据此时产生的固溶量的不同，因部位而导致在机械性质上产生差异。

此外，在将Mg固溶在基质中的合金应用于车辆用部件的情况下，在发动机等的成为高温的区域附近，由于时效的影响，或者在进行了长时间的使用时，由于自然时效的影响，也存在延伸率降低的危险。

此外，作为铸造时的问题，在铝合金熔液中含有Mg的情况下，熔液表面的氧化覆膜的形成变得显著，在制品中成为表面缺陷，根据模具的形状，熔液的合流部分等成为熔液界限，其结果，有时无法赋予部件所要求的机械性质。

此外，关于铸造，正在致力于通过对结构设计进行研究而兼顾部件的轻便性和强度，预计今后也继续需要将部件制作成难以铸造的形状。从这些状况出发，在铝合金中提高铸造性的价值不仅限于能够以稳定的品质供给产品，通过提高结构设计的自由度，还能够提高部件的机械性质。

在此，作为不含Mg或低含量Mg的压铸用合金，代表性的有JIS标准规定的ADC12，其被用作实用合金。但是，由于采用铝合金部件的范围扩大，车辆用部件所要求的韧性成为更高水平，因此，要求开发出具有更高的机械性质的铝合金。

与此相对，作为即使不实施热处理也能够实现高水平的韧性的铝合金，并且将Mg抑制为比较低的浓度的铝合金，例如，在专利文献1(日本专利第6446785号公报)中公开了一种铝合金铸件，其特征在于，含有：以质量比计，6.00％以上7.50％以下的Si、0.02％以上且小于0.20％的Mg、0.05％以上0.20％以下的Zr、0.20％以下的Fe、0.15％以上0.80％以下的Mn、0.03％以上0.20％以下的Mo、0.20％以下的Ti，余量由Al和不可避免的杂质构成。根据该发明，该铸件合金具有优异的铸造性和铸件状态下的高延展性，能够抑制或防止铸造后的时效。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6446785号公报

发明内容

[发明所要解决的技术问题]

然而，由于车辆轻量化的需求的提高，要求具有与上述专利文献1中提出的铝合金以及铝合金压铸材料相比更优异的铸造性、高强度以及韧性。

鉴于上述那样的现有技术中的问题点，本发明的目的在于，提供一种具有优异的铸造性、兼具高强度和韧性的非热处理型的铝合金。此外，本发明的目的还在于提供一种铝合金压铸材料，其兼具高强度和韧性，其由部位引起的特性上的差异小，并且难以受到时效的影响。

[用于解决技术问题的手段]

本发明人等为了实现上述目的，对压铸用铝合金和铝合金压铸材料反复进行了深入研究，结果发现：避免Mg引起的固溶强化-析出物强化，添加适当量的Cr和Ca等是极其有效的，从而完成了本发明。

即，本发明提供一种铝合金，其特征在于，含有：Si：5.0～12.0质量％、Mn：0.3～1.9质量％、Cr：0.01～1.00质量％、Ca：0.001～0.050量％，余量由Al和不可避免的杂质构成，上述不可避免的杂质中的Mg的含量小于0.3质量％。

在本发明的铝合金中，在不可避免的杂质中，特别是Mg的含量被严格地限制为低的值。其结果是，由于人工时效及自然时效引起的部件的经年劣化的影响变小。此外，由Mg的含量的差异引起的因部件的位置导致的特性的偏差减轻。进一步，铸造时的熔液氧化减轻，熔液流动性变好，实现了优异的铸造性。

在此，在本发明的铝合金中无法利用Mg的强化，但通过添加Cr及Ca来实现高强度及韧性。具体而言，通过使Cr固溶在基体中，主要提高屈服强度；通过添加Ca使共晶Si组织微细化，主要提高延伸率(韧性)。此外，通过使这些元素的添加量最佳化，能够对铝合金赋予高强度和韧性。

此外，本发明的铝合金通过含有适量的Si，实现良好的熔液流动，具有良好的铸造性。此外，通过含有适量的Mn，能够防止铸造时熔液烧结于模具。进一步，通过规定与这些元素相关的含量的上限值，抑制铝合金的韧性降低。

在本发明的铝合金中，上述Cr的含量优选为0.1～0.5质量％。通过使Cr的含量为0.1质量％以上，能够充分得到由Cr添加带来的强度提高的效果，通过设为0.5质量％以下，能够抑制无助于固溶强化的Cr的添加。即，能够防止由不需要的Cr的添加所引起的成本增加。

此外，在本发明的铝合金中，优选上述不可避免的杂质中的Fe为0.4质量％以下。通常，添加Fe是为了防止铸造时熔液向模具烧结的目的。但是，通过Fe的添加而生成Al-Fe-Si系化合物、Fe-Si系化合物，这些化合物使铝合金的延展性降低。在本发明的铝合金中，需要表现出高的韧性(延展性)，因此Fe的含量优选为0.4质量％以下，更优选为0.2质量％以下。

此外，在本发明的铝合金中，通过进一步添加Ti：0.05～0.20质量％、B：0.005～0.100质量％、Zr：0.05～0.20质量％中的一种以上，能够使铝合金部件中的组织微细化，因此能够赋予更高的韧性。

进一步，本发明还提供一种铝合金压铸材料，其特征在于，由上述的本发明的铝合金构成，具有0.2％屈服强度为110MPa以上、延伸率为10％以上的拉伸特性。

本发明的铝合金压铸材料不仅具有高屈服强度和延伸率(韧性)，而且由铸造性优异的本发明的铝合金得到，因此能够形成为复杂形状。此外，由于抑制了由压铸时的冷却速度等引起的因部位导致的组成上的偏差，因此不依赖于部位而具有均质的机械性质。此外，通过压铸制造后的时效的影响小，能够维持大致相同的拉伸特性。

在本发明的铝合金压铸材料中，优选为：在截面组织观察中，共晶Si组织的当量圆直径的平均值为3μm以下，Cr系晶体析出物在整体中所占的面积率为10％以下。通过将共晶Si组织的当量圆直径的平均值和Cr系晶体析出物在整体中所占的面积率设为这些值，能够提高屈服强度和延伸率。

[发明效果]

根据本发明，能够提供具有优异的铸造性、兼具高强度和韧性的非热处理型的铝合金。此外，根据本发明，还能够提供兼具高强度和韧性、由部位引起的特性上的差异小、而且难以受到时效的影响的铝合金压铸材料。

附图说明

图1为实施铝合金压铸材料1的截面的光学显微镜照片。

图2为实施铝合金压铸材料2的截面的光学显微镜照片。

图3为实施铝合金压铸材料3的截面的光学显微镜照片。

图4为比较铝合金压铸材料1的截面的光学显微镜照片。

具体实施方式

以下，对本发明的铝合金及铝合金压铸材料的代表性的实施方式进行详细说明，但本发明并不仅限定于这些。

1.铝合金

本发明的铝合金含有：Si：5.0～12.0质量％、Mn：0.3～1.9质量％、Cr：0.01～1.00质量％、Ca：0.001～0.050质量％，余量由Al和不可避免的杂质构成，不可避免的杂质中的Mg低于0.3质量％。以下，对各成分进行详细说明。

(1)添加元素

Si：5.0～12.0质量％

Si具有使熔液流动性良好、改善铸造性的作用。在不足下限值的情况下，铸造性变得不充分；在含量超过上限值时，由于成为破坏的起点的晶体析出物的形成，对延伸率造成不良影响；因此，需要限制在上述范围内。为了以更良好的水准兼顾铸造性和延伸率，优选设为Si：7.0～12.0质量％，更优选设为Si：8.0～11.0质量％。

Mn：0.3～1.9质量％

在铸造时为了防止熔液烧结于模具而必须含有一定量的Mn。在不足指定范围的下限值的情况下，其效果不充分；在超过上限值的情况下产生Al-Mn系化合物的初晶，若其形成粗大的晶体析出物，则对延展性造成不良影响；因此，被限制在上述范围内。为了兼顾韧性和铸造性，Mn的上限值优选为1.4质量％，更优选为1.0质量％，最优选为0.8质量％。

Cr：0.01～1.00质量％

Cr固溶在基质中，从而主要提高屈服强度。若低于下限值，则其效果小；在添加量超过上限值的情况下，虽然与屈服强度相关的不良影响少，但形成粗大的Cr系晶体析出物，成为因应力集中引起的破坏的起点，从而对延展性造成不良影响；因此，需要限制在上述范围内。为了更可靠地得到固溶强化的效果，优选添加0.10质量％以上。需要说明的是，添加0.50质量％左右时，会出现不粗大但含有Cr的晶体析出物，因此，认为：在本组成中Cr作为固溶强化元素而有助于屈服强度的限度大致为该值。由于其以上的添加是成本增加的主要因素，因此，上限优选设定为0.50质量％，更优选设定为0.40质量％。

Ca：0.001～0.050质量％

Ca通过使共晶Si组织微细化，主要有助于延伸率。低于下限值时，其效果小；当添加量超过上限值时，由于共晶Si组织已经充分微细化，因此没有效果。此外，如果过度地含有Ca，则晶体析出物粗大化，对韧性产生不良影响。此外，Ca的添加是成本增加的主要因素，因此，对于上限，需要限制在上述范围内。需要说明的是，通过添加Sr、Sb、Na也能够得到共晶Si组织改良的效果，但在本发明的组成中，与Ca的情况相比，这些元素存在延伸率劣化的倾向。

此外，也可以进一步添加Ti：0.05～0.20质量％、B：0.005～0.100质量％、Zr：0.05～0.20质量％中的一种以上。Ti、B、Zr通过使组织微细化，主要有助于韧性，因此优选添加。如果其含量低于下限值，则其效果小；如果其含量超过上限值，由于已经充分微细化而没有效果，而且，如果过剩地添加的话，则由于形成粗大晶体析出物而对延展性造成不良影响；因此，需要限制在上述范围内。

(2)不可避免的杂质

Mg：低于0.3质量％

本发明的铝合金是假定了背景技术中所述的Mg带来的不良影响在产品中不希望的状况或场景中的使用。因此，需要以较低的水平限制Mg。为了更可靠地避免上述不良影响，优选将Mg的含量限制为小于0.1质量％，更优选小于0.08质量％。

Fe：0.4质量％以下

通常，添加Fe大多是出于防止铸造时熔液向模具烧结的目的。与此相对，在本发明的铝合金中，通过Fe的添加而形成Al-Fe-Si系化合物、Fe-Si系化合物，对延展性造成不良影响。因此，Fe优选限制在0.4质量％以下，更优选限制在0.2质量％以下。

关于具有上述组成的本发明的铝合金的制造方法，只要不损害本发明的效果就没有特别限定，只要通过以往公知的各种方法熔炼具有所期望的组成的铝合金熔液即可。

在大气气氛下熔炼的熔液中混入有氢气、氧化物等杂质，在直接铸造该熔液的情况下，凝固时成为气孔等缺陷而出现，阻碍所生成的部件的韧性。为了防止这些缺陷，在熔液熔炼后且压铸的前阶段，利用氮气、氩气等惰性气体进行鼓泡是有效的。从熔液的下部供给的惰性气体在上浮时，具有补充熔液中的氢气、杂质并向熔液表面除去的作用。

2.铝合金压铸材料

本发明的铝合金压铸材料是由本发明的铝合金构成的压铸材料，具有0.2％屈服强度为110MPa以上、延伸率为10％以上的拉伸特性。

铝合金压铸材料兼顾优异的0.2％屈服强度和延伸率基本上是通过使组成严格地最佳化来实现的，不依赖于铝合金压铸材料的形状和尺寸，均具有该拉伸特性。在此，0.2％屈服强度优选为115MPa以上，延伸率优选为15％以上。

此外，本发明的铝合金压铸材料优选为：共晶Si组织的当量圆直径的平均值为3μm以下，Cr系晶体析出物在整体中所占的截面积率为10％以下。通过该组织，能够得到高屈服强度和延伸率。此时，对于共晶Si组织的当量圆直径的平均值、Cr系晶体析出物在整体中所占的截面积率的求出方法没有特别限定，只要利用以往公知的各种方法进行测定即可。例如，可以通过切断铝合金压铸材料，用光学显微镜或扫描型电子显微镜观察得到的截面试样，计算共晶Si组织或Cr系晶体析出物的尺寸来求出。需要说明的是，根据观察方法，对截面试样实施机械研磨、抛光研磨、电解研磨及蚀刻等即可。

需要说明的是，只要不损害本发明的效果，则对铝合金压铸材料的形状及尺寸没有特别限定，可以设为以往公知的各种部件。作为该部件，例如可以举出车身结构件。

3.铝合金压铸材料的制造方法

本发明的铝合金压铸材料是由本发明的铝合金构成的压铸材料。用于得到铝合金压铸材料的压铸方法只要不损害本发明的效果就没有特别限定，只要使用以往公知的各种方法和条件即可。以下，对压铸用铝合金的制造条件的一个例子进行说明。

作为本发明的铝合金压铸材料的原材料的铝合金含有以固溶强化为目的的元素，因此在压铸材料的制造时需要注意冷却速度。如果铸造时的冷却速度慢，则无法使Mn、Cr及Ca充分地固溶于基体中，因此，在铸造时，优选确保50℃/秒以上的冷却速度。此时，铸造压力可以设定为50MPa～150MPa。

此外，在使用压铸法的部件制作中，因为是以高压高速向模具注入熔液的关系，有时在熔液中卷入模具内的空气，或者因凝固收缩而在部件上产生气泡、气孔等铸造缺陷。如果存在大量这样的缺陷，则会对部件的韧性造成不良影响，因此，在铸造时，优选实施减少这些缺陷的对策。

此外，铝合金压铸材料由非热处理型的铝合金构成，在压铸材料中，例如，不需要进行为了得到车辆用部件所需的机械特性而对铸造后的制品所实施的热处理。其结果，能够削减热处理工序以及与通过该热处理工序产生的变形的矫正等相关的成本。

以上，对本发明的代表性的实施方式进行了说明，但本发明并不仅限定于这些实施方式，能够进行各种设计上的变更，这些设计上的变更全部包含在本发明的技术范围内。

实施例

实施例1

熔炼在表1中作为实施例1所示的组成的铝合金后，通过压铸得到实施铝合金压铸材料1。需要说明的是，表1的值为质量％，余量为Al。

[表1]

	Si	Mn	Ti	Fe	Ca	Cr	Mg
								实施例1	9.7	0.53	0.15	0.12	0.010	0.19	-
实施例2	9.2	0.48	0.14	0.13	0.010	0.45	-
								实施例3	9.4	0.49	0.13	0.12	0.008	0.73	-
比较例1	9.5	0.49	0.08	0.10	0.010	-	-
								比较例2	9.5	0.48	0.09	0.15	0.006	-	0.43

作为压铸的方法，采用无孔压铸法制作了压铸材料。此时使用的模具的尺寸为110mm×110mm×3mm，压铸时的铸造压力为120MPa，在熔液温度为730℃、模具温度为160℃的条件下进行铸造。需要说明的是，脱模剂使用水溶性的脱模剂。

实施例2

对表1中作为实施例2所示的组成的铝合金进行了熔炼，除此以外，按照与实施例1同样地进行制备，得到实施铝合金压铸材料2。

实施例3

对表1中作为实施例3所示的组成的铝合金进行了熔炼，除此以外，按照与实施例1同样地进行制备，得到实施铝合金压铸材料3。

比较例1

对表1中作为比较例1所示的组成的铝合金进行了熔炼，除此以外，按照与实施例1同样地进行制备，得到比较铝合金压铸材料1。

比较例2

对表1中作为比较例2所示的组成的铝合金进行了熔炼，除此以外，按照与实施例1同样地进行制备，得到比较铝合金压铸材料2。

[拉伸试验]

由所得到的实施铝合金压铸材料1～3和比较铝合金压铸材料1、2，采用JIS-Z2241中规定的14B号试验片，在室温下进行拉伸试验，其结果，0.2％屈服强度和断裂延伸率分别如表2所示。

[表2]

	0.2％屈服强度(Mpa)	断裂延伸率(％)
			实施例1	119	15
实施例2	110	16
			实施例3	112	16
比较例1	103	14
			比较例2	151	8

对于实施铝合金压铸材料1～3而言，均满足0.2％屈服强度为110MPa以上、延伸率为10％以上。另一方面，对于比较铝合金压铸材料1而言，由于未添加适量的Cr，因此，0.2％屈服强度停留在103MPa。此外，对于比较铝合金压铸材料2而言，通过添加Mg得到了高的屈服强度，但确认到了由Mg-Si系化合物引起的延展性的降低，延伸率为8％。

[组织观察]

对实施铝合金压铸材料1～3和比较铝合金压铸材料1的截面进行镜面研磨，进行光学显微镜观察。实施铝合金压铸材料1的光学显微镜照片如图1所示，实施铝合金压铸材料2的光学显微镜照片示于图2，实施铝合金压铸材料3的光学显微镜照片示于图3，比较铝合金压铸材料1的光学显微镜照片示于图4。

将从实施铝合金压铸材料3的光学显微镜照片中选择的100μm×100μm的视野作为图像分析的对象，测定共晶Si组织的当量圆直径的平均粒径和Cr系晶体析出物在整体中所占的截面积率，其结果：共晶Si组织的当量圆直径的平均粒径为2μm，Cr系晶体析出物在整体中所占的截面积率为7％。

Claims (6)

1.一种铝合金，其特征在于，

含有：

Si：5.0～12.0质量％、

Mn：0.3～1.9质量％，

Cr：0.01～1.00质量％、

Ca：0.001～0.050质量％，

余量由Al和不可避免的杂质构成，

所述不可避免的杂质中的Mg的含量小于0.3质量％。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，

所述Cr的含量为0.10～0.50质量％。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，

所述不可避免的杂质中的Fe为0.4质量％以下。

4.根据权利要求3所述的铝合金，其特征在于，

所述Fe为0.2质量％以下。

5.一种铝合金压铸材料，其特征在于，

由权利要求1～4中任一项所述的铝合金构成，

具有0.2％屈服强度为110MPa以上、延伸率为10％以上的拉伸特性。

6.根据权利要求5所述的铝合金压铸材料，其特征在于，

在截面组织观察中，共晶Si组织的当量圆直径的平均值为3μm以下，

Cr系晶体析出物在整体中所占的面积率为10％以下。

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