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CN102869799B - 铝压铸合金 - Google Patents

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Abstract

铝压铸合金，包括2至6重量%的镍、0.1至0.4重量%的锆、0.1至0.4重量%的钒、任选最高达5重量%的锰、任选最高达2重量%的铁、任选最高达1重量%的钛、任选总量最高为5重量%的过渡元素（包括钪、镧、钇、铪、铌、钽、铬和/或钼）与作为剩余物的铝，以及由于生产带来的总计最高为1重量%的其他元素和杂质。

Description

铝压铸合金
技术领域
本发明涉及铝合金，其可以通过常规高压压铸进行加工并且是弥散强化、可时效硬化的，并且在温度高达至少300℃时具有有用的机械性能。
背景技术
铝合金是在汽车工业中采用的最重要的轻型材料之一，这主要是因为它们具有高的比强度。大部分常规铝铸造合金是基于铝-硅共晶体系，这是由于它具有优异的铸造特性。不幸地，在这个体系中的固相线不超过550℃，且因此铝-硅合金的最高工作温度限制在约200℃。此外，在常规铝基合金中的主要的合金元素（即锌、镁和铜）在铝固溶体中具有高的扩散性。因此，尽管这些元素提高合金的室温强度，它们却损害了合金的热稳定性。例如，基于Al-Zn-Mn、Al-Cu-Mg和Al-Li体系的铝合金能够达到非常高的抗张强度（最高达约700MPa）；然而，当它们在高温下使用时它们的机械性能迅速下降。在许多应用中，高温下的机械性能的稳定性——而不是高强度——是首要的。因此常规的铝合金无法用于此类应用中，并且需要一种重量轻、热稳定的材料。
现有技术
在现有技术中已经尝试提供具有增强的热稳定性的铝铸造合金。在这些尝试中值得注意的是那些使用铝-镍体系且添加了少量锆的合金。以下的期刊文章是这些尝试中的代表：
N.A.Belov，"Structure and Strength of Cast Alloys of the SystemAluminum-Nickel-Zirconium，"Metallov，No.10，第19-22页，1993。
N.A.Belov，"Principles of Optimizing the Structure ofCreep-Resisting Casting Aluminum Alloys using Transition Metals，"Journal of Advanced Materials，第1卷，No.4，第321-329页，1994.
N.A.Belov，V.S.Zolotorevsky，S.Goto，A.N.Alabin，V.V.Istomin-Kastrovsky，and V.I.Mishin，"Effect of Zirconium onLiquidus and Hardening of Al-6% Ni Casting Alloy，"Metals Forum，第28卷，第533-538页，2004.
前述的期刊文章指出，在高温下显示出稳定性的铝合金的最佳结构可以在一种共晶组合物的基础上制备，所述共晶组合物由与至少0.6重量%的锆合金化的铝固溶体（α-铝）相，和具有高蠕变强度的第二相，即镍三铝（nickel tri-aluminide,Al3Ni）组成。
前述的期刊文章也指出，由这些合金制备的物件是通过在约900℃下熔融经过仔细称量的固体合金成分（铝、铝镍中间合金和铝锆中间合金）而制得的。此相对高的熔融温度是为了将高的锆含量（≥0.6重量%的锆）溶解在铝中且得到均一的铝-镍-锆熔体所必需的。此外，前述的期刊文章指出，铝-镍-锆熔体必须在快于10℃/秒的冷却速度下冷却，以使其固化且在室温下保持锆在α-铝中的均一的过饱和固溶体。此外，前述的期刊文章指出，当材料从熔融温度冷却时，其可以通过在模具中铸造而成形为所需的制品。所述模具必须允许材料以超过10℃/秒的速率从熔融温度冷却至室温。最后，前述的期刊文章指出，铸造固体制品可以在350℃和450℃温度之间时效处理，以沉淀使合金硬化的精细锆三铝（Al3Zr）颗粒。
当被适当地加工后，前述的期刊文章阐述的合金与常规的铝铸造合金相比在提高的温度下具有更好的机械性能。然而，除非合金中锆的含量超过0.4重量%，否则在前述的期刊文章阐述的合金中不会出现硬化，且除非合金中锆的含量至少为0.6重量%，否则不会出现显著硬化。较少量的锆将不会产生具有足够诱导α-铝固溶体的显著硬化的体积的第二相颗粒（此情况下为Al3Zr）。图1描述了对于现有技术的合金，熔体中存在的固体含量随温度的变化。该图显示出合金只有在温度超过850℃时才会完全熔化。如此高的熔化温度使得前述的期刊文章阐述的合金无法通过常规高压压铸而加工为成形制品，因为可引入到常规高压压铸机的压室中的熔体的温度不应超过750℃。
一个高的冷却速率——超过10℃/秒——对于在室温下在α-铝中保持0.6重量%的锆在固溶体中是必须的。除了高压压铸之外，如此快的冷却速率在大多数通过常规的铸造工艺所铸造的制品中无法达到。因此，除了在石墨或铜模具中铸造极小的制品，前述的期刊文章阐述的合金无法通过常规的铸造工艺加工为成形制品。
发明内容
本发明涉及一类铝合金，其（i）是弥散强化的，（ii）可进行时效硬化以改进机械性能，且（iii）可以通过常规高压压铸加工以生成在高达至少300℃温度下具有有用的机械性能的成形制品。
本发明的一个目的是提供重量轻、耐磨损和耐腐蚀的材料，其可以通过常规高压压铸方法来铸造且在高达至少300℃温度下是热稳定的。
前述的目的根据本发明通过一种铝压铸合金达到，其包括
2至6重量%的镍，
0.1至0.4重量%的锆，
0.1至0.4重量%的钒，
任选地最高达5重量%的锰，
任选地最高达2重量%的铁，
任选地最高达1重量%的钛，
和作为剩余物的铝，以及由于生产而总共最高为1重量%的杂质。
一个优选镍范围是4至6重量%，一个优选的锆范围是0.1至0.3重量%，且一个优选的钒范围是0.3至0.4重量%。
本发明的合金具有通用的化学组成：铝-镍-锆-钒，且其化学组成最优化为使得其液相线温度低于750℃。
熔体固化后，镍和铝形成了一种共晶结构，由镍在铝中的固溶体（称为α-铝相）和由镍三铝（Al3Ni）构成的第二相组成。与微观结构中不含有共晶组分的合金相比，在微结构中含有共晶组分的合金具有更窄的固化范围，因此较不倾向于产生热裂。Al3Ni相是以细棒的形式存在，所述细棒的直径在300至500nm范围内。如果从熔融温度冷却至室温进行得足够快（例如，以超过10℃/秒的速率），则锆和钒也将溶于α-铝相。经过随后固体合金的受控热时效处理后，锆和钒通过固相反应与铝结合，形成化学组成为Al3ZrxV1-x的强化沉淀相。亚微米尺寸的亚稳定的Al3ZrxV1-x颗粒具有L12立方晶体结构，且均一地分布在α-铝固溶体中。
本发明的合金也可以包括最高达5重量%的锰和最高达2重量%的铁。除了形成金属铝化物（其可以进一步强化合金）外，铁和锰在高压压铸合金中也是有用的成分，因为它们倾向于减轻合金对冲模零部件的焊接。
本发明的合金也可以包括最高达2重量%的镁、最高达2重量%的铪、最高达1重量%的钛、最高达1重量%的钼、最高达1重量%的铬、最高达0.5重量%的硅、最高达0.5重量%的铜和最高达0.5重量%的锌。
本发明的合金优选包括基本均一分散的Al3ZrxV1-x颗粒，其中x是一的一部分，其取决于合金中Zr：V的比例，所述颗粒具有小于约50nm且优选小于约30nm的当量直径。
本发明的合金优选包括具有小于约500nm、优选小于约300nm和特别地小于约100nm的当量直径的Al3Ni颗粒。
本发明的合金可以包括基本均一分散的铝化锰颗粒，其具有小于约50nm、优选小于约30nm的当量直径。
本发明的合金可以包括基本均一分散的铝化铁颗粒，其具有小于约50nm、优选小于约30nm的当量直径。
本发明的合金的一个将其与现有技术的包含镍和锆，但不包含钒的铝合金（描述于N.A.Belov的期刊文章中）区分开来的特征为本发明的合金具有低得多的液相线温度（通常小于750℃，相对于现有技术合金的高于850℃）。更低的液相线温度使得本发明的合金可通过常规高压压铸而加工为成形制品，而现有技术的合金不能通过常规高压压铸而加工为成形制品，并因此被限制于在石墨模具中铸造小制品。
本发明的合金的另一个将其与现有技术的包含镍和锆，但不包含钒的铝合金区分开来的特征为本发明合金中的沉淀硬化颗粒是Al3ZrxV1-x颗粒（与现有技术合金中的Al3Zr颗粒相比）。由于与锆原子的尺寸（0.159nm）相比，钒原子的尺寸（0.132nm）更小，所以Al3ZrxV1-x晶格的晶格参数小于Al3Zr晶格的晶格参数，且其更匹配α-铝基体的晶格参数。由于此原因，用Al3ZrxV1-x沉淀硬化的铝-镍合金比用Al3Zr沉淀硬化的铝-镍合金更热稳定。
本发明的前述和其他特征以及优势将从以下的详细描述和附图中变得更清楚。
附图说明
图1是一个计算机生成的铝-6重量%镍-0.6重量%锆合金的固化路径；
图2是一个计算机生成的铝-6重量%镍-0.1重量%锆-0.4重量%钒合金的固化路径。
具体实施方式
铝合金的弥散强化依赖于合金基体中弥散粒子的产生。这种强化机制以基于铝-镍体系的合金为典型。亚共晶和共晶的铝-镍合金在一种含有精细分散的镍三铝（Al3Ni）颗粒的结构中固化，所述颗粒处于由镍在铝中的固溶体（α-铝）组成的基体中。由于镍三铝在最高达约855℃时基本上不溶于铝，铝-镍合金在提高的温度下比铝-硅合金更稳定。然而，铝-镍二元合金对大多数汽车应用来说不具备足够的机械性能，因为它们的室温抗拉屈服强度不超过80MPa；并因此这些合金需要额外的强化。
沉淀强化是众所周知的强化以基于铝-铜体系的合金为典型的铝合金的机制。在这些合金中，α-铝基体中铝化铜颗粒的沉淀受热控制，以产生合金基体的有效强化。
本发明结合先前描述的两种类型的硬化机制的特性，来得到对于大多数汽车应用具有足够的提高温度机械强度的铝合金。本发明的合金含有精细分散的抗蠕变镍三铝颗粒和基于锆和钒的强化沉淀，即Al3ZrxV1-x。
在现有技术的包含镍和锆，但不包含钒的合金（描述于N.A.Belov的期刊文章中）中，形成一种具有化学组成Al3Zr的强化相。在本发明合金中，强化相也是基于Al3Zr结构，但钒原子取代了部分锆原子。在本发明合金中的强化相的精确表示为Al3ZrxV1-x，其中x是一的一部分，其大小取决于锆：钒比例。钒在本发明合金中发挥的作用对于使得合金可通过高压压铸而加工为制品是很重要的。由沉淀诱导的强化的程度与沉淀的体积分数和沉淀颗粒的尺寸有关。大体积分数的小尺寸颗粒对于强化是很重要的。现有技术合金为了产生约0.83体积%的Al3Zr强化相采用最小0.6重量%的锆。已显示出，此含量足够用于合金的显著强化。然而，对图1的考察显示出，含有0.6%锆的合金的液相线温度超过850℃。此相对高的熔融温度不允许使用常规的高压压铸，因此现有技术的合金不能通过高压压铸操作来大量生产。本发明合金的一个优选的形式采用仅0.1重量%的锆和0.4重量%的钒。此混合物产生约0.84体积%的Al3ZrxV1-x强化相。在本发明合金中采用钒的主要优势是本发明合金的液相线温度仅为约730℃——见图2，其允许在由本发明合金生产成形制品时使用常规高压压铸。
本发明材料在最优处理后的一个宽泛描述是，它是一种α-铝（镍在铝中的极稀释固溶体）基体，其含有约0.8-1.0体积%的基于锆和钒的且具有由化学式Al3ZrxV1-x表示的结构的均一分布强化相，以及约1-10体积%的均一分散在合金基体中的镍三铝颗粒。在本发明的已加工为具有最大强度的材料中，Al3ZrxV1-x强化颗粒是亚稳定的，具有L12立方结构，与α-铝基体连接在一起，且具有小于约25nm的平均直径。
此结构的产生需要：（1）从熔融温度快速冷却，和（2）固化制品的受控热时效处理。
从熔融温度快速冷却是必须的，以确保锆和钒在室温下以溶体保留在α-铝基体中；即，在室温下含有Al3Ni共晶相和第二相（锆和钒在α-铝中过饱和固溶体）的合金。对于本发明合金，超过10℃/秒的冷却速率是必须的，以得到一种锆和钒在α-铝中的过饱和固溶体。本发明合金相比现有技术合金的优势之一是，它被设计为能够通过常规高压压铸而加工为成形制品，其中在约750℃温度下的熔融合金直接引入到到压铸机的压室中。随后它在高压下被喷射入到一个钢制模具中；保持合金上的压力直至固化完全，然后排出固化制品。已知在常规高压压铸操作中冷却速率通常超过10℃/秒。因此，使制品成形的铸造方法也提供为获得强化元素（锆和钒）在α-铝中的均一的过饱和固溶体所必需的淬火。
用本发明合金制备的固化铸造制品的受控热时效处理是必须的，以将亚稳定的L12立方的Al3ZrxV1-x强化颗粒沉淀在α-铝固溶体中。这可以通过一种优化的热时效处理程序来完成。一个这种程序包括将固化铸造制品保持在250℃和350℃的温度之间2-6小时，随后将其保持在350℃和450℃的温度之间2-6小时。一种优选的热时效处理程序包括将固化铸造制品保持在350℃3小时，随后将其在450℃再保持3小时。与将Al3ZrxV1-x强化颗粒沉淀在α-铝固溶体中同时，指定的热时效处理程序打碎和改变了Al3Ni共晶棒的形状而成为亚微米尺寸的颗粒。Al3Ni共晶棒的碎裂和球化提高了铸造制品的整体展延性。
尽管本发明已经就其详细实施方案进行了展示和描述，本领域技术人员可以理解的是，在不脱离所要求保护的本发明的精神和范围内，可以做出形式和细节上的各种改变。

Claims (13)

1.铝压铸合金，其包括
4至6重量％的镍，
0.1至0.3重量％的锆，
0.3至0.4重量％的钒，
任选地最高达5重量％的锰，
任选地最高达2重量％的铁，
任选地最高达1重量％的钛，
和作为剩余物的铝，以及由于生产的总计最高为1重量％的杂质。
2.权利要求1的铝压铸合金，其还包括
最高达2重量％的铪，
最高达2重量％的镁，
最高达1重量％的铬，
最高达1重量％的钼，
最高达0.5重量％的硅，
最高达0.5重量％的铜，
最高达0.5重量％的锌。
3.权利要求1至2中任一项的铝压铸合金，其包括基本均一分散的Al3ZrxV1-x颗粒，其中x是一的一部分，其取决于合金中Zr：V的比例，所述颗粒具有小于50nm的当量直径。
4.权利要求3的铝压铸合金，其中Al3ZrxV1-x颗粒具有小于30nm的当量直径。
5.权利要求1至2中任一项的铝压铸合金，其包括具有小于500nm的当量直径的Al3Ni颗粒。
6.权利要求5的铝压铸合金，其包括小于300nm的当量直径的Al3Ni颗粒。
7.权利要求5的铝压铸合金，其包括小于100nm的当量直径的Al3Ni颗粒。
8.权利要求1至2中任一项的铝压铸合金，其包括基本均一分散的铝化锰颗粒，所述颗粒具有小于50nm的当量直径。
9.权利要求8的铝压铸合金，其中铝化锰颗粒具有小于30nm的当量直径。
10.权利要求1至2中任一项的铝压铸合金，其包括基本均一分散的铝化铁颗粒，所述颗粒具有小于50nm的当量直径。
11.权利要求10的铝压铸合金，其中铝化铁颗粒具有小于30nm的当量直径。
12.由权利要求1至6中任一项的铝合金制备的压铸部件。
13.一种生产由权利要求1至6中任一项的铝合金制备的压铸部件的方法，其中合金通过将固化压铸部件在250℃和350℃之间的温度下保持2-6小时，随后在350℃和450℃之间的温度下保持2-6小时而被时效硬化。
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