專利名稱：可鑄造的耐熱鋁合金的制作方法
可鑄造的耐熱紹合金本發明涉及可鑄造的耐熱鋁合金，其用于高溫應用例如內燃機中的部件，特別是用于高載荷氣缸蓋的制造。更具體而言，本申請中所述的材料可用在高達300°c的溫度，該是未來發動機中所期望的。用于制造氣缸蓋的鋁合金通常來自典型具有5-10%范圍硅的AlSi類族。除降低熔點之外，在鋁中添加硅提供所需的鑄造能力，該鑄造能力是制造幾何復雜性日益增加的零件所必需的。對于氣缸蓋而言，最廣泛使用的鑄造合金屬于2個主要類族，其硅范圍介于5%和10%之間并且銅介于O和3. 5%之間(取決于規格和使用條件)。第一類族涉及AlSi7Mg型的合金(例如SAE標準中的A356)，通常為T7熱處理(完全處理)合金，由于它們優異的鑄造性能、良好的損傷容限和機械性能而被眾所周知，只是除了在高溫下。第二類族涉及AlSi5-10%Cu3Mg (例如SAE標準中的319)通常為T5 (僅時效處理)合金，由于它們的經濟利益、 在高溫下的機械抗性而被眾所周知，但是具有不良的損傷容限。在兩種情形中，可使用這些合金的溫度范圍限于280°C，因為它們的機械性能(特別是屈服強度)在數小時后急劇下降(例如參見
圖1)。從DE 10 2006 059 899 Al 知曉一種耐熱鋁合金，其包含 4. 5-7. 5wt%Si，O. 2-0. 55wt%Mg,0. 03-0. 50wt%Zr 和 / 或 O. 03-1. 5wt%Hf,最大 O. 20wt%Ti,〈O. 3=wt%Fe,〈O. 5Μη，0· 1-1. 0wt%Cu, <0. 07wt%Zn，余量為Al且雜質最大值為O. 03wt%。該文獻似乎關注于Cu含量以便與相對大范圍的Zr和/或Hf組合改善合金的耐熱性。然而未進一步證實或記錄最佳的組合。US2006/0115375涉及一種高強度、耐熱且延性的鑄造鋁合金，其包含5. 5-7. 5wt%Si,0. 20-0. 32wt%Mg,0. 03-0. 50wt%Zr 和 / 或 O. 03-1. 50wt%Hf,0-0. 20wt%Ti,〈O. 20wt%Fe, <0. 50wt%Mn, <0. 05wt%Cu和〈0. 07wt%Zn。使用該已知合金的目的是維持其在等于或高于150°C溫度下的強度值，以及通過相形成的減少以及因此增強的在至多240°C溫度下的熱-機械穩定性來獲得較低的熱膨脹。該合金含有非常低的Cu量(接近零)和相對高的Hf范圍(高達1. 50wt%), Hf是非常昂貴的。本發明提供了一種在高溫下具有改善的強度和蠕變性能的可鑄造耐熱鋁合金。此夕卜，該合金比先前已知的含有Hf的可鑄造合金更廉價，因為使用了最理想的少量Hf。本發明的特征在于如所附獨立權利要求1中所限定的特征。在所附從屬權利要求2-4中進一步限定了本發明的有利技術方案。下面將參照實施例和附圖進一步詳細描述本發明，其中圖1示出了對于A356 T7合金通過硬度測量結果與時間和溫度的關系得到的時效評價。圖2示出了含有條狀或帶狀析出物的合金的顯微組織圖像，所述析出物含有鉿。圖3示出了存在硬化MgSi析出物的合金的顯微組織的另一圖像。圖4 是顯示共存平衡相 β (Mg2Si), Θ (Al2Cu)和 Q(Al5Cu2Mg8Si7)在 300°C下的穩定區域的Thermo-Calc 模擬。圖5示出了幾種選定合金的蠕變測試的結果，在300°C于20MPa的載荷下，示出了總變形與時間的關系。圖6是顯示一些測試合金在不同溫度下的低循環疲勞行為的坐標圖(不同合金在250 °C的疲勞測試期間的模擬(使用穩定化的材料)滯后環(ε=0. OOliT1且Δ ε /2=0. 005))。圖7示出了一些測試合金在低循環疲勞測試期間的壽命(ε=0. OOliT1且Δ ε /2=0. 003)。圖8是顯示利用具有變化Hf含量的一些另外合金的蠕變測試。近些年來，申請人之一已經開發出含O. 5%銅的鑄造合金(AlSi7Cu05Mg)，其是上述合金類族中的令人感興趣的折中物并且允許改善高于200°C溫度下的材料穩定性，相對于參比物A356而言。 此外，申請人之一已開發出一種用于高載荷柴油機缸蓋的AlSil0%Cu0. 5%Mg合金，作為AlSilO%Mg次級合金的改善。下文描述的發明涉及一種關于機械性能的穩定范圍延伸至高達300°C及以上的新材料。在工具鋼以及一些鋁合金中，彌散體析出的優點為人們所知已有許多年。特別地，已經為高溫下的特殊應用開發出諸如含鋯AlCu5的合金。然而，由于大的凝固范圍，這些合金非常難以鑄造并且因此不適合于制造幾何形狀復雜的部件例如氣缸蓋。彌散體在鋁工業中也是眾所周知的，作為用于控制形變合金組織的要素，或者避免再結晶或者控制再結晶顯微組織的尺寸。下述發明涉及在常規鋁硅合金中實現彌散體(納米級)析出物，以便增加在高溫下工作的部件的壽命。通過個人技能和實驗，發明人獲得了如下的創新性合金組成 硅6.5_10wt% 鎂0. 25-0. 35wt% 銅0. 3-0. 7wt% 鉿0· 025-0. 55wt%且任選添加有 鈦0_0.2wt% 鋯0_0.3wt%余量由Al和不可避免的雜質(包括Fe)構成。在本發明的優選實施方案中，銅應介于O. 4wt%和O. 6wt%之間。取決于合金的化學組成，應當優選以300°C /h的加熱速率進行熱處理，如下■在475_550°C (目標525)下固溶處理5-10小時(目標5)。■急冷(通過不同的介質主要為水，但是可能為空氣)。■在180_250°C (目標200)下時效2-8小時(目標5)。根據本發明，已發現在常規A356合金(也稱為AlSi7Mg)中添加銅且特別是鉿，連同特殊的熱處理工藝，導致獨特顯微組織的形成，正如透射電子顯微鏡(TEM)觀察結果所證實的。在α鋁相中可看到條狀或帶狀的含鉿析出物的存在，如附圖2所示。這些析出物寬60_240nm并且長幾微米至幾十微米。
在α鋁相中常規β ” (Mg2Si)析出物的高密度(從圖3中可見)確保該合金在熱處理之后具有獨特的性能組合，特別是室溫下的強度。顯然，O. 4-0. 6%范圍內的銅添加對β "(Mg2Si)析出物的粗化動力學具有影響。通常認為，在高于200°C溫度下人工時效之后(Τ7回火)，Mg2Si逐步形成粗的β ’或β析出物，從而導致材料內聚力(coherency)損失和軟化。由于銅的添加，本發明明顯延緩了該粗化過程。銅也可能存在于析出物的細分布中處于Q’相(Al5Cu2Mg8Si7)的形式，正如300°C下的熱力學模擬所暗示。圖4 呈現了共存平衡相 β (Mg2Si), Θ (Al2Cu)和 Q(Al5Cu2Mg8Si7)在 300°C下的穩定區域的Thermo-Calc 模擬。圖4中所示的“叉號”表示合金名義組成點。
任選地,可向本發明的合金添加至多O. 3wt%的Zr和至多O. 2wt%的Ti。對添加Zr和Ti的合金的TEM檢測揭示了在熱處理期間形成的顯微組織中存在桿形的AlSiZr和AlSiZrTi析出物。實驗使用下表I中詳示的合金進行測試以便比較本發明合金與不同合金(具有或沒有Hf和/或Cu)的性能。對這些合金進行熱處理，即根據也在下表中示出的溫度和時間安排進行固溶處理和時效。表I
權利要求
1.可鑄造的耐熱鋁合金，該合金用于高溫應用例如內燃機中的部件，特別是用于高載荷氣缸蓋的制造， 其特征在于，該合金包含下列組成 S1:6. 5-10wt% Mg:O. 25-0. 35wt% Cu:O. 3-0. 7wt% Hf:O. O. 025-0. 55wt% 且任選添加有 T1:0-0. 2wt% Zr :0-0. 3wt% 余量由Al和包括Fe在內的不可避免的雜質構成。
2.根據權利要求1所述的合金， 其特征在于，該合金含有O. 4-0. 6wt%的Cu。
3.根據權利要求1和2所述的合金， 其特征在于，該合金含有O. 1-0. 3wt%的Hf。
4.根據前述權利要求1-3所述的合金， 其特征在于，該合金含有O. 10-0. 20wt%的Ti和O. 10-0. 20wt%的Zr。
全文摘要
本發明涉及可鑄造的耐熱鋁合金，該合金用于高溫應用例如內燃機中的部件，特別是用于高載荷氣缸蓋的制造，該合金包含下列組成Si:6.5-10wt%；Mg:0.25-0.35wt%；Cu:0.3-0.7wt%；Hf:0.025-0.55wt%；且任選添加有Ti:0-0.2wt%；Zr:0-0.3wt%，余量由Al和包括Fe在內的不可避免的雜質構成。
文檔編號C22C21/02GK103025902SQ201180029265
公開日2013年4月3日 申請日期2011年6月16日 優先權日2010年6月16日
發明者T·伊維蘭德, S·布魯塞陶格, P·阿紹爾特, B·巴爾拉斯, D·馬西諾, P·梅耶爾 申請人:諾爾斯海德公司, 美特倍股份有限公司