CN117987695A - 铝合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为铝合金及其制造方法。提供抑制了自然时效的铝合金及其制造方法。本发明涉及一种Al‑Si系铝合金，其是包含Si、Mg、Mn、Fe和不可避免的杂质的Al‑Si系铝合金，其包含Al‑Si‑Mg‑Fe‑Mn系化合物。而且，本发明涉及通过铸造时的合金熔液的冷却工序的控制来制造该Al‑Si系铝合金的方法。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金及其制造方法。
背景技术
通过将汽车部件轻量化，能够提高燃料经济性，降低耗电。因此，进行着将以往所使用的铁系材料置换为铝材料或铝合金的研究。
例如，在专利文献1中记载了一种铸造性和加工性优异的高强度铝合金，其特征在于，在将整体设为100质量％时，包含3.5质量％～7.5质量％的硅(Si)、0.45质量％～0.8质量％的镁(Mg)和0.05质量％～0.35质量％的铬(Cr)，余量由铝(Al)和不可避免的杂质构成。
在专利文献2中记载了一种铝合金板，其特征在于，由Al-Mg-Si系铝合金构成，在升温速度为20℃/分钟的差示扫描量热分析曲线中，在150～230℃的温度范围具有1.0～5.0mW/g的高度a的吸热峰，在230～270℃的温度范围具有2个以上的发热峰，该发热峰的低温侧的峰高度b1和高温侧的峰高度b2的比b1/b2为0.80以下。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-18875号公报
专利文献2：日本特开2017-14541号公报
发明内容
在现有技术中，对铸造后的铝合金实施固溶热处理和/或时效热处理的追加的热处理。通过该热处理，在铝合金中析出Mg-Si系的析出物，该析出物提供部件所需要的硬度，抑制自然时效。因此，在现有技术中，通过利用析出物提高铝合金的硬度来谋求高强度化。
另一方面，存在以下课题：在上述热处理工序中，会对部件造成由热处理变形所致的变形，并且，由于消耗热能，因此成本变高，并会导致高CO2排出量。
因此，本发明的课题在于提供抑制了自然时效的铝合金。而且，本发明的课题在于提供即使在铸造后不进行热处理工序也能够制造具有充分的硬度的铝合金的铝合金的制造方法。
本发明人对于用于解决上述课题的手段进行了各种研究。其结果，本发明人发现：在包含Si、Mg、锰(Mn)、铁(Fe)的铝合金材料的制造中，通过控制铸造时的合金熔液的冷却工序，能够制造抑制了自然时效且具有充分的硬度的铝合金，从而完成了本发明。认为在本发明的铝合金中，通过铸造时的合金熔液的冷却工序的控制，优先地析出Al-Si-Fe-Mn系化合物，并抑制了以往会析出的Mg-Si系化合物的析出。
即，本发明的主旨如下。
(1)一种Al-Si系铝合金，是包含Si、Mg、Mn、Fe和不可避免的杂质的Al-Si系铝合金，该Al-Si系铝合金包含Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物。
(2)根据(1)所述的Al-Si系铝合金，在通过EPMA映射以80μm×80μm的视野观察Al-Si系铝合金时，在Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物中，关于Mg、Mn和Fe，Mg的K-α的强度为50％以上的部位、Mn的K-α的强度为10％～20％的部位和Fe的K-α的强度为5％～14％的部位一致，关于Mn和Fe，Mn的K-α的强度为80％以上的部位和Fe的K-α的强度为44％以上的部位一致。
(3)一种Al-Si系铝合金的制造方法，包含：
(i)原料准备工序，准备包含Si、Mg、Mn、Fe和不可避免的杂质的Al-Si系铝合金的原料；
(ii)熔液制备工序，将在(i)原料准备工序中准备的原料加热来制备合金熔液；
(iii)浇注工序，将在(ii)熔液制备工序中制备的合金熔液浇注到铸模(铸型)中；和
(iv)冷却工序，将在(iii)浇注工序中浇注了的合金熔液冷却来使其凝固，
(iv)冷却工序包含在合金熔液的温度成为510℃～470℃时将合金熔液在该温度范围保持20分钟～40分钟的凝固保持工序。
根据本发明，能提供抑制了自然时效的铝合金。而且，根据本发明，能提供即使在铸造后不进行热处理工序也能够制造具有充分的硬度的铝合金的铝合金的制造方法。
附图说明
图1是示出比较例1和2以及实施例1和2的Al-Si系铝合金的铸造后以及强制时效后的维氏硬度的图。
图2是示出实施例1的Al-Si系铝合金的EPMA映射(80μm×80μm)的图。
图3是示出比较例1的Al-Si系铝合金的EPMA映射(80μm×80μm)的图。
具体实施方式
以下，对本发明的优选的实施方式进行详细说明。
在本说明书中，适当参照附图来说明本发明的特征。再者，本发明的铝合金及其制造方法并不限定于以下的实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内以实施了本领域技术人员能够进行的变更、改良等而得到的各种的方式来实施。另外，在本发明中，“数值(下限)～数值(上限)”的表达表示包含下限和上限的范围。
本发明涉及一种Al-Si系铝合金，其是包含Si、Mg、Mn、Fe和不可避免的杂质的Al-Si系铝合金，其包含Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物。
Si的含量不被限定。Si的含量，按金属计，基于Al-Si系铝合金的总质量，通常为0.1质量％～15质量％，在一实施方式中，为4质量％～12质量％。在此，Si的含量能够采用ICP发射光谱分析法(ICP optical emission spectrometry)进行测定。
Mg的含量不被限定。Mg的含量，按金属计，基于Al-Si系铝合金的总质量，通常为0.01质量％～1质量％，在一实施方式中，为0.1质量％～1质量％。在此，Mg的含量能够采用ICP发射光谱分析法进行测定。
Mn的含量不被限定。Mn的含量，按金属计，基于Al-Si系铝合金的总质量，通常为0.01质量％～1质量％，在一实施方式中，为0.1质量％～1质量％。在此，Mn的含量能够采用ICP发射光谱分析法进行测定。
Fe的含量不被限定。Fe的含量，按金属计，基于Al-Si系铝合金的总质量，通常为0.01质量％～1质量％，在一实施方式中，为0.1质量％～1质量％。在此，Fe的含量能够采用ICP发射光谱分析法进行测定。
本发明的Al-Si系铝合金，可以还适当包含其他的改性合金元素、例如选自铜(Cu)、钛(Ti)、镍(Ni)、锆(Zr)、钴(Co)、钼(Mo)、钨(W)、锌(Zn)、锂(Li)、银(Ag)、镓(Ga)、锗(Ge)、钪(Sc)、锶(Sr)、铟(In)、钒(V)、镨(Pr)、钐(Sm)、钽(Ta)、金(Au)、铍(Be)、铬(Cr)、砷(As)、硒(Se)、钇(Y)、铌(Nb)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、镉(Cd)、锡(Sn)、锑(Sb)、碲(Te)、铈(Ce)、钕(Nd)、钷(Pm)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、镥(Lu)、铪(Hf)、铼(Re)、铱(Ir)、铂(Pt)、汞(Hg)、铋(Bi)和钍(Th)中的一种以上的金属(其他金属)。
其他金属的各自的含量不被限定。其他金属的各自的含量，按金属计，基于Al-Si系铝合金的总质量，通常为0.0001质量％～0.1质量％，在一实施方式中，为0.001质量％～0.05质量％。其他金属总计的含量，按金属计，基于Al-Si系铝合金的总质量，通常为0.01质量％～1质量％，在一实施方式中，为0.03质量％～0.1质量％，在另一实施方式中，为0.04质量％～0.06质量％。再者，其他金属的含量能够采用在该技术领域中公知的方法进行测定，可根据合金元素而不同，但例如能够采用ICP发射光谱分析法进行测定。
本发明的Al-Si系铝合金中的上述金属以外的剩余部分(余量)由铝(Al)以及不可避免的杂质构成。
在此，作为不可避免的杂质，可列举磷(P)、硫(S)。磷(P)、硫(S)的含量不被限定。磷(P)、硫(S)的各自的含量，基于铝合金的总质量，通常为0.01质量％以下。再者，磷(P)、硫(S)的含量能够采用在该技术领域中公知的方法进行测定，可根据要测定的元素而不同，但例如能够采用ICP发射光谱分析法进行测定。
在本发明的Al-Si系铝合金中，Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物能够通过Al-Si系铝合金的EPMA映射来进行鉴定。在Al-Si系铝合金的EPMA映射中，Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物具有以下的(i)和(ii)特征。
(i)在通过EPMA映射以80μm×80μm的视野观察Al-Si系铝合金时，关于Mg、Mn和Fe，Mg的K-α的强度为50％以上的部位、Mn的K-α的强度为10％以上(在一实施方式中，为10％～20％)的部位和Fe的K-α的强度为5％以上(在一实施方式中，为5％～14％)的部位一致。
(ii)在通过EPMA映射以80μm×80μm的视野观察Al-Si系铝合金时，关于Mn和Fe，Mn的K-α的强度为50％以上(在一个实施方式中，为80％以上)的部位和Fe的K-α的强度为25％以上(在一个实施方式中，为44％以上)的部位一致。
在此，关于80μm×80μm的视野中的某个特定部位的各种金属的K-α的强度(％)，例如在为Mg的情况下，表示将来自80μm×80μm的视野整体的Mg的K-α射线设为100％时的、来自该视野中的某个特定部位的Mg的K-α射线的比例(％)。
再者，在Al-Si系铝合金中的Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物中存在Si也能够与Mg、Mn以及Fe同样地通过EPMA确认出。
Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物的形状不被限定。Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物的形状例如为球状、多边形形状、块状等。
Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物的平均粒径不被限定。Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物的平均粒径，按TEM照片中的100个粒子的等效圆直径的平均值计，通常为30nm～300nm，在一实施方式中，为50nm～100nm。
本发明的Al-Si系铝合金的维氏硬度不被限定。本发明的Al-Si系铝合金的维氏硬度通常为40HV～100HV，在一实施方式中，为50HV～60HV。
本发明的Al-Si系铝合金的强制时效后的维氏硬度不被限定。本发明的Al-Si系铝合金的强制时效(210℃×90分钟)后的维氏硬度通常为50HV～120HV，在一实施方式中，为50HV～60HV。
也就是说，本发明的Al-Si系铝合金，强制时效前后的维氏硬度的变化，按{|强制时效后的维氏硬度-强制时效前的维氏硬度|/强制时效前的维氏硬度}×100计，通常为4％以下，在一实施方式中，为2％以下。
在此，本发明的Al-Si系铝合金的维氏硬度能够通过维氏硬度试验进行测定。
因此，本发明的Al-Si系铝合金，自然时效得到抑制。而且，对于本发明的Al-Si系铝合金，可以不实施铸造后的各种热处理。
本发明的Al-Si系铝合金为Al-Si系铝合金铸造物。所谓铸造物是指通过铸造而制造的成型物。因此，铸造物包括通过低压铸造、重力铸造、压铸铸造等而制造的成型物。
本发明中的铝合金，通过铸造而成型，由此能够使用于代替铁系材料的轻量的材料、例如汽车车身部件等。
本发明的Al-Si系铝合金能够采用在下面说明细节的(i)～(iv)工序来制造。
(i)原料准备工序
在(i)工序中，Al-Si系铝合金的原料不被限定。作为Al-Si系铝合金的原料，可列举各种金属的纯金属、化合物、合金等。作为铝的原料，能够使用铝铸块、铝废料。而且，作为Al-Si系铝合金的原料，包括粉末等的状态、熔液的状态、铸造物(例如铝合金锭)的状态的原料。再者，基本上熔点高的金属能够以与其他添加元素的母合金的形式添加，熔点低的金属能够以纯金属的形式添加。
Al-Si系铝合金的原料的组成被调整以使得在制造后所得到的Al-Si系铝合金中的各种金属的含量成为上述说明的范围的含量。因此，Al-Si系铝合金的原料的组成，只要不使用在制造中由于挥发等而丧失的物质作为原料，则与Al-Si系铝合金的组成相同。
(ii)熔液制备工序
在(ii)工序中，合金熔液例如能够通过将Al-Si系铝合金的原料在熔化炉、例如电弧熔化炉中加热至产生液相的温度(通常为680℃～1200℃，在一实施方式中，为1000℃～1200℃)来制备。
在(ii)工序中，作为Al-Si系铝合金的原料的铝以及各种金属的添加顺序、添加方法、添加温度、添加时间、混合方法等不被限定。在(ii)工序中，合金熔液以使得各金属变得均匀的方式被制备。
例如，在本发明的(ii)工序中，向将铝加热至680℃而制备的铝熔液中添加各种金属，然后，使熔液温度上升至合金系熔融的温度、例如1000℃而制备合金熔液。
(iii)浇注工序
在(iii)工序中，铸模不被限定。作为铸模，能够使用在该技术领域中公知的铸模。
(iv)冷却工序
在(iv)工序中，通过将合金熔液冷却而使其凝固。(iv)工序包含凝固保持工序。在凝固保持工序中，当在凝固的过程中合金熔液的温度成为凝固开始的510℃～470℃(在一实施方式中，成为500℃～480℃)时，在该范围的温度下保持20分钟～40分钟(在一实施方式中，保持30分钟)。
再者，在(iv)工序中，合金熔液的冷却速度不被限定。合金熔液的冷却速度例如通常为50℃/秒～200℃/秒，在一实施方式中，为80℃/秒～120℃/秒。
在(iv)工序中，通过将合金熔液在上述特定的温度范围中保持上述特定的时间，在合金熔液中，优先地析出Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物，另一方面，Mg2Si的析出被抑制。由于Mg2Si能引起自然时效，因此抑制Mg2Si的析出的结果，在(iv)工序后得到的Al-Si系铝合金中，自然时效被抑制。因此，采用本发明的制造方法得到的Al-Si系铝合金，能够抑制由时效所致的硬度变化。
在本发明的Al-Si系铝合金的制造方法中，除了(iv)冷却工序中的凝固保持工序以外，可以为在该技术领域中公知的铸造。
在此，所谓铸造是指将在高温下熔化了的金属(包括合金)熔液浇注到由砂、金属等制成的铸模的空洞部分(模腔)并冷却凝固。
作为铸造，例如可列举连续铸造法、连续铸造轧制法、半连续铸造法(DC铸造法)、热顶铸造法等的通常的熔化铸造法或压铸铸造法。
[实施例]
以下，对关于本发明的几个实施例进行说明，但并不意图将本发明限定于这样的实施例所示的方案。
I.样品制备和硬度测定
(i)准备包含表1中所记载的化学成分的铝合金的原料。
(ii)将在(i)原料准备工序中准备的原料加热至700℃来制备出合金熔液。
(iii)将在(ii)熔液制备工序中制备的合金熔液浇注到铸模中。
(iv)将在(iii)浇注工序中浇注了的合金熔液冷却至合金熔液的温度成为520℃(比较例1)、500℃(实施例1)、480℃(实施例2)、或460℃(比较例2)，合金熔液的温度一到达各温度就将该各温度保持30分钟。
(v)在(iv)凝固保持工序之后，将铸模冷却至250℃，从铸模取出Al-Si系铝合金，进一步空冷至25℃。
再者，作为以往的Al-Si系铝合金，将上述(i)～(v)工序之中的(iv)和(v)的冷却工序变更为“将在(iii)浇注工序中浇注了的合金熔液冷却至400℃，从铸模取出Al-Si系铝合金，进一步空冷至25℃”，来制造了以往的Al-Si系铝合金(比较例3)。
表1.实施例以及比较例的各种成分含量(质量％)
| No. | Si | Mg | Fe | Mn | Cu | Sr | Zn | Sn | Ni | Ti | Al |
| 实施例1 | 9.03 | 0.27 | 0.11 | 0.42 | 0.01 | 0.001 | 0.005 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 余量 |
| 实施例2 | 9.03 | 0.27 | 0.11 | 0.42 | 0.01 | 0.001 | 0.005 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 余量 |
| 比较例1 | 9.03 | 0.27 | 0.11 | 0.42 | 0.01 | 0.001 | 0.005 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 余量 |
| 比较例2 | 9.03 | 0.27 | 0.11 | 0.42 | 0.01 | 0.001 | 0.005 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 余量 |
| 比较例3 | 9.18 | 0.28 | 0.15 | 0.35 | 0.01 | 0.001 | 0.004 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 余量 |
对于得到的各Al-Si系铝合金，测定了维氏硬度。
Al-Si系铝合金中的自然时效的有无，能够通过强制时效来确认。因此，接着，将测定了维氏硬度的各Al-Si系铝合金在210℃下进行90分钟的热处理(强制时效)。
对于所得到的强制时效后的各Al-Si系铝合金，再次测定了维氏硬度。将结果示于表2和图1。
表2.实施例以及比较例的维氏硬度
由表2和图1可知，在冷却工序的期间，在510℃～470℃、特别是500℃～480℃下进行了20分钟～40分钟、特别是30分钟的保持的Al-Si系铝合金，强制时效前后的维氏硬度的变化被抑制。因此可知：这样制造的Al-Si系铝合金，自然时效得到抑制。
II.样品的EPMA分析
通过EPMA来分析了实施例1和比较例1的Al-Si系铝合金。
图2示出实施例1的Al-Si系铝合金的EPMA映射(80μm×80μm)。
图3示出比较例1的Al-Si系铝合金的EPMA映射(80μm×80μm)。
从图2可知，在实施例1的Al-Si系铝合金中，Si、Mg、Mn以及Fe的K-α射线的峰位置大致一致，Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物析出。具体而言，在Mg、Mn和Fe的EPMA映射中，在80μm×80μm的视野中，Mg的K-α的强度为50％以上的部位、Mn的K-α的强度为10％以上特别是10％～20％的部位、和Fe的K-α的强度为5％以上特别是5％～14％的部位一致。另外，在Mn和Fe的EPMA映射中，在80μm×80μm的视野中，Mn的K-α的强度为50％以上特别是80％以上的部位和Fe的K-α的强度为25％以上特别是44％以上的部位一致。
另一方面，从图3可知，在比较例1的Al-Si系铝合金中，Si、Mg、Mn以及Fe的K-α射线的峰位置不一致，Fe-Mn-Si系化合物和Mg2Si化合物这两者析出。
Mg2Si化合物，通过热处理(时效处理)，使硬度稳定地上升，对Al-Si系铝合金赋予抑制自然时效的能力，进而赋予作为铝合金的特性所需要的硬度。换言之，在铝合金中存在Mg2Si化合物的情况下，如果不实施热处理，则发生自然时效，会产生硬度的上升。在本发明的Al-Si系铝合金中，析出物是Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物。也就是说，在本发明的Al-Si系铝合金中，由于在200℃以下的环境下Mg2Si化合物的析出被抑制，因此不产生由Mg2Si化合物引起的自然时效、即硬度的上升。因此，本发明的Al-Si系铝合金，不需要追加的热处理、例如固溶热处理和/或时效热处理，其结果，能够抑制由热处理变形所致的影响，而且抑制由热能消耗所致的成本以及CO2排出量的上升。
Claims (3)
1.一种Al-Si系铝合金，是包含Si、Mg、Mn、Fe和不可避免的杂质的Al-Si系铝合金，该Al-Si系铝合金包含Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物。
2.根据权利要求1所述的Al-Si系铝合金，
在通过EPMA映射在80μm×80μm的视野中观察Al-Si系铝合金时，在Al-Si-Mg-Fe-Mn系化合物中，关于Mg、Mn和Fe，Mg的K-α的强度为50％以上的部位、Mn的K-α的强度为10％～20％的部位和Fe的K-α的强度为5％～14％的部位一致，关于Mn和Fe，Mn的K-α的强度为80％以上的部位和Fe的K-α的强度为44％以上的部位一致。
3.一种Al-Si系铝合金的制造方法，包含：
(i)原料准备工序，准备包含Si、Mg、Mn、Fe和不可避免的杂质的Al-Si系铝合金的原料；
(ii)熔液制备工序，将在(i)原料准备工序中准备的原料加热来制备合金熔液；
(iii)浇注工序，将在(ii)熔液制备工序中制备的合金熔液浇注到铸模中；和
(iv)冷却工序，将在(iii)浇注工序中浇注了的合金熔液冷却来使其凝固，
(iv)冷却工序包含：在合金熔液的温度成为510℃～470℃时将合金熔液在该温度范围保持20分钟～40分钟的凝固保持工序。
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