TWI702295B - 一種耐熱鋁合金 - Google Patents
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Abstract
一種耐熱鋁合金具有如下以重量百分比計之組成：Si為6.5~7.5wt%、Mg為0.4~0.7wt%、Fe為
Description
本發明係關於一種合金，且特別關於一種耐熱鋁合金。
357(Al-7Si-0.6Mg)鋁合金具有良好的鑄造性、焊接性、耐磨耗性與高強度等優點，所以在工業上常被用於製造軍用飛彈外殼、航空載具蒙皮及各類重要動力傳動系統零組件。
飛彈或航空載具在2.05馬赫(2175公里/小時)速度下，進行長時間飛行(100小時以上)，其蒙皮與空氣摩擦產生之溫度可達90~100℃間，當時速為2.4馬赫(2550公里/小時)時，依據理論計算與模擬，其溫度更高達160~190℃，且高功率與低油耗已成為近年來載具渦輪增壓器系統的技術發展趨勢，傳統鋁合金已無法滿足新一代超音速飛機與飛彈外殼等日趨高速的飛行速度，及渦輪增壓器系統組件所需的高溫抗潛變及破壞容忍需求，故開發新式耐熱鋁合金為重要的關鍵議題。
添加微量鈹於357(Al-7Si-0.6Mg)合金，含微量的
Be即為A357合金，添加鈹不僅可以改善針狀富鐵相的形態外，更可以減少富鐵相尺寸與數量，進而有效的提昇合金之強度、延性與破裂韌性，這是現行工業上最常用也是最有效的方法，但Be具有毒性，會對製造與使用人員造成使用上與環安的困擾，所以目前業界極需發展出一種符合高溫抗潛變、破壞容忍及環安需求之鋁合金。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種耐熱鋁合金，係在該合金成份中同時添加少量鈧與鋯元素能與鋁結合行形成高溫穩定強化Al3(Sc,Zr)相的優點達到提高Al-Si-Mg-Zr-Sc合金高溫250℃強度之效果。
本發明之另一目的在於提供一種耐熱鋁合金，係在該合金成份中添加微量鍶元素改善共晶矽之片狀結構，轉為細纖維狀甚至球狀。
本發明之另一目的在於提供一種耐熱鋁合金，並藉由添加鈧與鋯而來取代A357(Al-7Si-0.6Mg-0.05Be)合金中有毒鈹的添加。
本發明之一種耐熱鋁合金具有如下以重量百分比計之組成：Si為6.5~7.5wt%、Mg為0.4~0.7wt%、Fe為
0.2wt%、Ti為0.04~0.2wt%、Be為<0.04wt%、Zr為0.1~0.3wt%、Sc為0.1~0.3wt%及Sr為0.01~0.03wt%，其餘則由Al及不可避免雜質所構成。
上述該耐熱鋁合金，其中溫度大於或等於250℃時，該鋁合金之晶體結構中具有β相Mg2Si。
上述該耐熱鋁合金，其中溫度大於或等於250℃時，該鋁合金之晶體結構中具有高溫熱穩定相之Al3(Sc,Zr)析出，該高溫熱穩定相之Al3(Sc,Zr)係為直徑28~32nm之圓球狀金屬化合物。
本發明之一種耐熱鋁合金具有如下以重量百分比計之組成：Si為6.5~7.5wt%、Mg為0.4~0.7wt%、Fe為
0.2wt%、Ti為0.04~0.2wt%、Be為0.04~0.07wt%、Zr為0.1~0.3wt%、Sc為0.1~0.3wt%及Sr為0.01~0.03wt%，其餘則由Al及不可避免雜質所構成。
上述該耐熱鋁合金，其中溫度大於或等於250℃時，該鋁合金之晶體結構中具有β相Mg2Si。
上述該耐熱鋁合金，其中溫度大於或等於250℃時，該鋁合金之晶體結構中具有高溫熱穩定相之Al3(Sc,Zr)析出，該高溫熱穩定相之Al3(Sc,Zr)係為直徑28~32nm之圓球狀金屬化合物。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
第1圖係本發明依據ASTM B557M規範量取降伏強度之試棒規格圖；
第2圖係本發明實施例合金A(Al-7Si-0.6Mg)、合金B(Al-7Si-0.6Mg-0.05Be)及合金C(Al-7Si-0.6Mg-0.1Zr-0.1Sc-0.02Sr)經T6熱處理後之TEM圖；
第3圖係本發明實施例合金A(Al-7Si-0.6Mg)、合金B(Al-7Si-0.6Mg-0.05Be)及合金C(Al-7Si-0.6Mg-0.1Zr-0.1Sc-0.02Sr)經熱處理後之TEM圖；
第四圖係本發明實施例合金A、合金B(0.05Be)與合金C(0.1Zr-0.1Sc-0.02Sr)經T6熱處理後，於高溫250℃持溫之時效硬度值與抗拉強度、降伏強度與延伸率圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
本發明之耐熱鋁合金設計是於現行357合金(Al-7Si-0.6Mg)中，添加微量的鈧(Sc)與鋯(Zr)及鍶(Sr)，對其進行改質，藉由鈧與鋯元素能與鋁結合行形成高溫穩定強化Al3(Sc,Zr)相的優點達到提高Al-Si-Mg-Zr-Sc合金高溫250℃強
度之效果，本發明中鋁合金之Zr最佳含量應介於0.1~0.5wt%之間，Sc的含量應介於0.1~0.3wt%之間。
本發明中，添加微量鍶(Sr)元素於鋁合金中，改善共晶矽之片狀結構，轉為細纖維狀甚至球狀，並可藉由添加鈧與鋯而來取代A357(Al-7Si-0.6Mg-0.05Be)合金中有毒鈹的添加，本發明中鋁合金之Sr最佳含量應介於0.01~0.03wt%之間。
本發明之一種耐熱鋁合金具有如下以重量百分比計之組成：Si為6.5~7.5wt%、Mg為0.4~0.7wt%、Fe為
0.2wt%、Ti為0.04~0.2wt%、Be為<0.04wt%、Zr為0.1~0.3wt%、Sc為0.1~0.3wt%及Sr為0.01~0.03wt%，其餘則由Al及不可避免雜質所構成。
本發明之一種耐熱鋁合金具有如下以重量百分比計之組成：Si為6.5~7.5wt%、Mg為0.4~0.7wt%、Fe為
0.2wt%、Ti為0.04~0.2wt%、Be為0.04~0.07wt%、Zr為0.1~0.3wt%、Sc為0.1~0.3wt%及Sr為0.01~0.03wt%，其餘則由Al及不可避免雜質所構成。
實施例
本發明鋁合金合金熔配乃將A356.2鋁矽鎂合金置於電阻式坩鍋爐內加溫至740℃，俟其熔化後，依成份需求，添加純矽、純鎂、Al-10Zr、Al-1.12Sc、Al-10Ti、Al-10Zr與Al-5Sr等母合金，經熔解攪拌後，以氬氣進行環狀除氣30
分鐘，靜置10-15分鐘後除渣，再將熔湯鑄入預熱300℃之125×100×25mm3金屬永久模中，合金成份經分光儀(OES)分析列於表1，分別以合金A(Al-7Si-0.6Mg)、合金B(Al-7Si-0.6Mg-0.05Be)及合金C(Al-7Si-0.6Mg-0.1Zr-0.1Sc-0.02Sr)為代號表示之。
3組合金試片皆經T6熱處理，鑄件分別於540℃空氣爐內固溶處理10小時，然後淬火於室溫的水中，為了避免自然時效的發生，水淬後立刻以160℃油浴時效處理6小時。為得到較佳的析出硬化效果，避免因淬火速率不夠快而導致合金中粗大的平衡相析出，固溶處理後至淬火間的淬火延遲時間控制在5秒以內，T6熱處理程序與條件敘述如下：固溶處理(540℃×10hr)→室溫水淬→人工時效(160℃×6hr)。而為本專利最主要是要探討微量鈧與鋯對Al-7Si-0.6Mg合金熱穩定性之影響，故3組合金經T6熱處理後，放入空氣爐中進行長時間時效熱處理，溫度設定在250℃，時間為100小時，以每十
小時為單位，自空氣爐中取出試片，量測試片硬度值及進行拉伸性質測試，各合金之熱穩定性可依此判斷。
請參閱第一圖，第一圖為本發明依據ASTM B557M規範量取降伏強度之試棒規格圖，使用電腦連線控制的MTS-810閉迴路液壓伺服控制萬能試驗機，其初始速度為0.2mm/min，當應變量達1%時，拉伸速度變為2mm/min，並外接Extensometer以量取應力與應變值。利用Origin 8.0軟體繪製應力-應變曲線，並依據ASTM B557M中Offset Method(offset=0.2%)來量取降伏強度。
請參閱第二圖，第二圖為本發明實施例合金A(Al-7Si-0.6Mg)、合金B(Al-7Si-0.6Mg-0.05Be)及合金C(Al-7Si-0.6Mg-0.1Zr-0.1Sc-0.02Sr)經T6熱處理後之TEM圖，鑄態Al-7Si-0.6Mg合金經T6熱處理可析出非平衡β'-Mg2Si強化相以強化合金，因此在圖二合金A、合金B(0.05Be)與合金C(0.1Zr-0.1Sc-0.02Sr)經T6熱處理後之TEM微觀結構中，可觀察到鋁基上均散佈著針狀長度約100nm之非平衡β'-Mg2Si強化相，且在圖二合金C(0.1Zr-0.1Sc)之鋁基TEM微結構中，僅發現針狀非平衡β'-Mg2Si強化相，並無發現有Al3(Sc,Zr)相的析出，推論此現象是因Al3(Sc,Zr)為高溫熱穩定相，因此Al3(Sc,Zr)相需要較高的能量才能穩定的成核與成長才會密集的析出，但T6時效溫度僅為160℃，尚不足以有足夠能量可以使Al3(Sc,Zr)相析出。
請參閱第三圖，第三圖為本發明實施例合金A(Al-7Si-0.6Mg)、合金B(Al-7Si-0.6Mg-0.05Be)及合金C(Al-7Si-0.6Mg-0.1Zr-0.1Sc-0.02Sr)經熱處理後之TEM圖，將T6態三組合金經高溫250℃熱暴露20小時後，由圖中可發現T6態合金A、合金B(0.05Be)中之非平衡β′-Mg2Si相均已明顯成長粗化成為平衡之β-Mg2Si相，但在合金C(0.1Zr-0.1Sc)之鋁基地中除可發現粗大之平衡β-Mg2Si相的存在，值得注意的是鋁基地中亦可觀察到有大量且直徑約為30nm的圓球狀Al3(Sc,Zr)相的析出，這些Al3(Sc,Zr)相有阻擋差排移動與阻礙晶界遷移的效果，預期Al3(Sc,Zr)相將可抑制熱暴露過程中的晶粒成長，且同時具有散佈強化的效果。
請參閱第四圖，第四圖為本發明實施例合金A、合金B(0.05Be)與合金C(0.1Zr-0.1Sc-0.02Sr)經T6熱處理後，於高溫250℃持溫之時效硬度值與抗拉強度、降伏強度與延伸率圖，由圖4可發現，在高溫250℃持溫的過程中，初期0至20小時區間，四組合金之硬度與抗拉強度均呈明顯的下降趨勢，但含鈧與鋯之合金C(0.1Zr-0.1Sc)硬度明顯高於合金A與合金B(0.05Be)。而當持溫20小時後，含鈧與鋯之合金C(0.1Zr-0.1Sc)硬度與抗拉強度則約維持於55HRF及220MPa間且無顯著下降的趨勢，但合金A與合金B(0.05Be)之硬度與抗拉強度則隨持溫時間的增加而持續下降，甚將250℃持溫時間延長至100Hr時，合金C(0.1Zr-0.1Sc)之硬度與抗拉強度仍無
明顯下降，顯示添加鈧與鋯可有效提升Al-7Si-0.6Mg合金於250℃之熱穩定性。
鑄態Al-7Si-0.6Mg合金經T6熱處理後，因Mg2Si相回溶至鋁基地，形成細小針狀之β′-Mg2Si析出強化相，致使硬度上升，為合金主要的強化機制，但T6態Al-7Si-0.6Mg合金在高溫250℃熱暴露的過程中其硬度明顯下降，是因合金中主要強化相β′-Mg2Si與晶粒會在高溫250℃熱暴露的過程中持續成長與粗化，且當強化相β′-Mg2Si形成與基地無整合關係之平衡β-Mg2Si相，會使合金強度明顯降低，但當合金中添加鈧與鋯後會有較佳的熱穩定性，是因鋁基地中會析出細小且均勻分佈的Al3(Sc,Zr)相，而此Al3(Sc,Zr)相可以抑制差排之移動，且晶粒成長與粗化是晶界的遷移過程，藉由Zener方程式Pz=3fγ GB/2r(r與f分別為散佈物的半徑與體積比；γ GB為晶界能)可知，如當析出物越密集細小，拖曳晶界的力越大，而能有效阻礙晶界的移動使合金硬度提高，因此很明顯的添加微量鈧與鋯比添加微量鈹的Al-7Si-0.6Mg合金具有更佳之耐熱暴露之能力。
本發明之「耐熱鋁合金」不但可成功提升357(Al-7Si-0.6Mg)合金之250℃硬度值，拉伸強度、降伏強度與延伸率亦可有效提升，顯示其可改善現行357合金高溫之熱穩定性，且在此新式鑄造Al-Si-Mg-Zr-Sc合金可避免有毒鈹的添加，且可以廣泛應用於其他高強度鋁合金鑄件上。
鍛造鋁合金可藉由擠製、滾壓等手段減少缺陷，細化晶粒提高緻密度，但對設備與模具要求高，程序複雜，因此鍛造鋁合金生產週期長與成本高，然鑄造鋁合金具有價格低廉易於生產形狀複雜的零件且可批量生產，因此，本發明藉由微量元素的添加進而開發出能夠替代部分鍛造鋁合金之高強韌鑄造鋁合金材料，可以達到以鑄代鍛、縮短製造週期、降低製造成本的目的。
A357(Al-7Si-0.6Mg)合金在正常的金屬模鑄造冷卻凝固下所晶出之共晶矽粒子是很薄的板狀結晶(顯微鏡下為粗針狀)，此薄板狀組織在受到張應力作用時，很容易成為破裂的起源，而嚴重的降低A357合金之延性與強度，因此本發明藉由添加Sr作為共晶矽之改良劑可使共晶矽由粗大板狀進而有效細化與圓球化，使延性獲有效提升，解決在金屬模具鑄造下延性不足之問題，而Sc與Zr複合的添加除可有效細化合金晶粒提升合金強度，並可在合金中分別起到固溶強化、析出強化及抑制再結晶等作用，使合金能在高溫下保持高的機械性質，有效解決鑄造製品高溫強度低之問題，滿足航空載具技術進步的要求。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如
後述之申請專利範圍所列。
Claims (4)
- 一種鋁合金，具有如下以重量百分比計之組成：Si為6.5~7.5wt%、Mg為0.4~0.7wt%、Fe為0.2wt%、Ti為0.04~0.2wt%、Be為<0.04wt%、Zr為0.1~0.3wt%、Sc為0.1~0.3wt%及Sr為0.01~0.03wt%，其餘則由Al及不可避免雜質所構成，其中溫度大於或等於250℃時，該鋁合金之晶體結構中具有β相Mg2Si及高溫熱穩定相之Al3(Sc,Zr)析出。
- 根據申請專利範圍第1項之鋁合金，其中該高溫熱穩定相之Al3(Sc,Zr)係為直徑28~32nm之圓球狀金屬化合物。
- 一種鋁合金，具有如下以重量百分比計之組成：Si為6.5~7.5wt%、Mg為0.4~0.7wt%、Mn為0.1wt%、Fe為
0.2wt%、Cu為
0.2wt%、Zn為
0.1wt%、Ti為0.04~0.2wt%、Be為0.04~0.07wt%、Zr為0.1~0.3wt%、Sc為0.1~0.3wt%及Sr為0.01~0.03wt%，其餘則由Al及不可避免雜質所構成，其中溫度大於或等於250℃時，該鋁合金之晶體結構中具有β相Mg2Si及高溫熱穩定相之Al3(Sc,Zr)析出。
- 根據申請專利範圍第3項之鋁合金，其中該高溫熱穩定相之Al3(Sc,Zr)係為直徑28~32nm之圓球狀金屬化合物。
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| CN115198149A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-10-18 | 栋梁铝业有限公司 | 免热处理压铸铝合金及其制备方法 |
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| JP2002047525A (ja) * | 2000-05-26 | 2002-02-15 | Kobe Steel Ltd | 切削用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材 |
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