铝合金铸件及其生产方法专利检索- 压力铸造或喷射模铸造即铸造时金属是用高压压入铸模的专利检索查询-专利查询网

铝合金铸件及其生产方法
申请号	CN201080039995.2	申请日	2010-07-27	公开(公告)号	CN102575323B	公开(公告)日	2015-01-14
申请人	日产自动车株式会社; 日本轻金属株式会社;			发明人	永石裕介; 中川成幸; 板仓浩二; 甲藤晴康; 铃木聪;
摘要	提供一种铝合金铸件，其基本上由7.0至11.5 质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn以及余量的Al和不可避免的杂质组成，或者基本上由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn、0.3至1.0质量％Cu以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并且包含纵横比为2.0以下和平均粒径为1.0微米以下的共晶Si晶粒。还提供由所述铝合金铸件形成的汽车零件以及所述铝合金铸件的生产方法。
权利要求	1.一种铝合金铸件，其由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比 2.0以下和平均粒径1.0微米以下的共晶Si晶粒，所述不可避免的杂质包括0.01质量％以下的锑和0.3质量％以下的铜，所述铝合金铸件通过制备熔融铝合金，将所述熔融铝合金注入铸模，以及在所述铸模中在所述熔融铝合金的平均流速为12m/s以上的条件下铸造所述熔融铝合金来生产。 2.一种铝合金铸件，其由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn、0.3至1.0质量％Cu以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2.0以下和平均粒径1.0微米以下的共晶Si晶粒，所述不可避免的杂质包括0.01质量％以下的锑，所述铝合金铸件通过制备熔融铝合金，将所述熔融铝合金注入铸模，以及在所述铸模中在所述熔融铝合金的平均流速为12m/s以上的条件下铸造所述熔融铝合金来生产。 3.根据权利要求1或2所述的铝合金铸件，其中所述Si的含量为8.0至10.0质量％；和所述Mg的含量为1.0至4.0质量％。 4.一种汽车零件，其包括根据权利要求1至3任一项所述的铝合金铸件。 5.一种生产根据权利要求1至3任一项所述的铝合金铸件的方法，其包括：制备由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn以及余量的Al和包括0.01质量％以下的锑和0.3质量％以下的铜的不可避免的杂质组成或由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn、0.3至1.0质量％Cu以及余量的Al和包括0.01质量％以下的锑的不可避免的杂质组成的熔融铝合金；以及将所述熔融铝合金注入铸模中，从而在所述铸模中的所述熔融铝合金的平均流速为 12m/s以上的条件下铸造所述熔融铝合金。
说明书全文	铝合金铸件及其生产方法技术领域 [0001] 本发明涉及铝合金铸件及其生产方法。更具体地，本发明涉及一种具有预定的合金元素组合物并包含预定纵横比和大小的共晶Si晶粒的铝合金铸件、使用所述铝合金铸件的汽车零件和生产铝合金铸件的方法。背景技术 [0002] 通常，铝合金以高形状挠性、高尺寸精度、高生产性以及能够形成薄厚度和能够一体化零件设计为特性，因而目前已用于汽车零件等广泛的用途，如活塞火焰零件(body flame part)、车门内部零件、悬架零件等。对于汽车零件中铝合金的使用，提出向铝合金添加共晶改性的元素例如Sr或Sb以便修饰铝合金的共晶Si结构，从而改进铝合金的机械性能。 [0003] [引用列表] [0004] [专利文献] [0005] [专利文献1]日本专利3255560号发明内容 [0006] 发明要解决的问题 [0007] 然而，存在此类共晶改性元素的添加引起气体进入铝合金中的量增加的趋势。这导致因铝合金中产生孔隙率而引起的铝合金机械性能劣化。 [0008] 因此，本发明的目的为提供能够实现优异的机械性能而不向其添加昂贵的共晶改性元素如Sr、Sb、Ca、Na等的铝合金铸件。本发明的另一目的为提供使用所述铝合金铸件的汽车零件以及生产所述铝合金铸件的方法。 [0009] 用于解决问题的方案 [0010] 作为广泛研究的结果，本发明人已发现可生产其中共晶Si晶粒具有预定的纵横比和大小的铝合金铸件，以便通过在预定条件下铸造预定合金元素组合物的熔融铝合金而使铝合金铸件实现优异的机械性能。本发明以该发现为基础。 [0011] 根据本发明的第一方面，提供基本上由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65重量％Fe、0.1至0.8质量％Mn以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2.0以下和平均粒径1.0微米以下的共晶Si晶粒的铝合金铸件。 [0012] 根据本发明的第二方面，提供基本上由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn、0.3至1.0质量％Cu以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2.0以下和平均粒径1.0微米以下的共晶Si晶粒的铝合金铸件。 [0013] 根据本发明的第三方面，提供使用该铝合金铸件的汽车零件。 [0014] 根据本发明的第四方面，提供生产该铝合金铸件的方法，其包括：制备基本上由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn以及余量的Al和不可避免的杂质组成或基本上由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn、0.3至1.0质量％Cu以及余量的Al和不可避免的杂质组成的熔融铝合金；以及将所述熔融铝合金注入铸模(casting mold)中，从而在所述铸模中的所述熔融铝合金的平均流速为12m/s以上的条件下铸造所述熔融铝合金。附图说明 [0015] 图1为示出根据实施例1-4的铝合金铸件的微结构的显微照片。 [0016] 图2为示出根据比较例1-3的铝合金铸件的微结构的显微照片。 [0017] 图3为示出铝合金铸件的Mg含量与伸长率(elongation)之间的相关性的图。 [0018] 图4为示出铝合金铸件的伸长率与0.2％屈服强度的相关性的图。 [0019] 具体实施方式 [0020] 以下将详细描述本发明的示例性实施方案。 [0021] 根据本发明的第一实施方案的铝合金铸件(下文称作第一铝合金铸件)基本上由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2.0以下和平均粒径1.0微米以下的共晶Si晶粒。 [0022] 另一方面，根据本发明的第二实施方案的铝合金铸件(下文称作第二铝合金铸件)基本上由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65重量％Fe、0.1至0.8质量％Mn、0.3至1.0质量％Cu以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2.0以下和平均粒径1.0微米以下的共晶Si晶粒。 [0023] 各第一和第二铝合金铸件可通过以下生产：熔融金属原材料如铝合金铸锭来制备上述特定的合金元素组合物的熔融铝合金，将该熔融铝合金注入铸模(也称为模(die))中，从而在铸模中的熔融铝合金的平均流速(下文有时称作平均模内流速)为12m/s以上的条件下铸造熔融铝合金。 [0024] 以下将解释第一和第二铝合金铸件的组成合金元素。 [0025] Si(硅)具有改进铝合金的模铸造性(die-castability)的大的效果。当铝合金的Si含量小于7.0质量％时，由于熔融铝合金的低流动性，Si元素的铸造性改进效果变小。当铝合金的Si含量超过11.5质量％时，所得铝合金铸件的韧度变低。因此，控制各第一和第二铝合金铸件的Si含量(熔融铝合金的Si含量)为7.0至11.5质量％。在把重点放在合金铸造性、强度和韧度上的情况下，优选控制各第一和第二铝合金铸件的Si含量(熔融铝合金的Si含量)为8.0至10.0质量％。 [0026] Mg(镁)溶于铝合金的母相(base phase)并通过与Si化学结合形成Mg2Si以便增加铝合金的强度。当铝合金的Mg含量小于0.9质量％时，Mg元素的强度改进效果变小。此外，铝合金铸件的共晶Si晶粒不能通过添加如此少量的Mg而有效地降低粒度。当以0.9质量％以上的量包含Mg元素时，Mg元素显示共晶Si晶粒的粒度减小效果。另一方面，当铝合金的Mg含量超过4.0质量％时，Mg元素的铸造性和强度改进效果变小。也不能有效地改进所得铝合金铸件的0.2％屈服强度。因此，将各第一和第二铝合金铸件的Mg含量(熔融铝合金的Mg含量)控制为0.9至4.0质量％。优选将各第一和第二铝合金铸件的Mg含量(熔融铝合金的Mg含量)控制为1.0至4.0质量％以便更确信地保证上述效果。 [0027] Fe(铁)在防止模铸造加工期间铝合金对模具的磨损(siezing)上是有效的。当铝合金的Fe含量小于0.1质量％时，Fe元素的防磨损效果变小。当铝合金的Fe含量超过0.65质量％时，随着铝合金铸件中针状Al-Fe金属间化合物的量的增加，铝合金铸件的韧度和伸长率变低。因此，将各第一和第二铝合金铸件的Fe含量(熔融铝合金的Fe含量)控制为0.1至0.65质量％。 [0028] Mn(锰)在防止模铸造期间铝合金对模具的磨损上也是有效的。当铝合金的Mn含量小于0.1质量％时，Mn元素的防磨损效果变小。当铝合金的Mn含量超过0.8质量％时，由于在铝合金铸件中形成粗Al-Mn金属间化合物或Al-Fe-Mn金属间化合物，铝合金铸件的韧度和伸长率变低。因此，将各第一和第二铝合金铸件的Mn含量(熔融铝合金的Mn含量)控制为0.1至0.8质量％。 [0029] Cu(铜)具有进一步增加铝合金强度的效果。当铝合金的Cu含量小于0.3质量％时，Cu元素的强度改进效果变小。当铝合金的Cu含量超过1.0质量％时，铝合金铸件的韧度和耐腐蚀性变低。因此，控制第二铝合金铸件的Cu含量为0.3至1.0质量％。 [0030] 为了材料再循环的目的，通常是这样的情况：退料(return material)在使用中与铸造合金锭混合。因此，在各第一和第二铝合金铸件中，包含除Al和上述合金元素以外的某些元素作为不可避免的杂质。 [0031] 作为第一铝合金铸件的不可避免的杂质，可例举Cu、P(磷)、Zn(锌)、Sn(锡)、Pb(铅)、Ni(镍)、Cr(铬)、Ti(钛)、B(硼)、Zr(锆)、Sr(锶)、Sb(锑)、Ca(钙)和Na(钠)。这里，当第一铝合金铸件(熔融铝合金)具有Sr含量0.003质量％以下、Sb含量0.01质量％以下、Ca含量0.003质量％以下和Na含量0.001质量％以下时，Sr、Sb、Ca和Na元素被认为是不可避免的杂质；当第一铝合金铸件(熔融铝合金)具有Cu含量0.3质量％以下时，Cu元素被认为是不可避免的杂质。 [0032] 作为第二铝合金铸件的不可避免的杂质，可例举P、Zn、Sn、Pb、Ni、Cr、Ti、B、Zr、Sr、Sb、Ca和Na。如第一铝合金铸件的情况一样，当第二铝合金铸件(熔融铝合金)具有Sr含量0.003质量％以下、Sb含量0.01质量％以下、Ca含量0.003质量％以下和Na含量0.001质量％以下时，Sr、Sb、Ca和Na元素被认为是不可避免的杂质。 [0033] 由于共晶Si晶粒的粒度减小可被铝合金中P的存在所干扰，因此优选各第一和第二铝合金铸件(熔融铝合金)具有P含量0.004质量％以下。 [0034] 由于大量Ti、Zr、B的添加可导致粗金属间化合物的形成并引起铝合金铸件韧度的劣化，因此还优选各第一和第二铝合金铸件(熔融铝合金)具有Ti含量0.25质量％以下、Zr含量0.25质量％以下和B含量0.02质量％以下。 [0035] 考虑到实际应用，进一步优选各第一和第二铝合金铸件(熔融铝合金)具有Zn含量0.8质量％以下、Sn含量0.1质量％以下、Pb含量0.1质量％以下、Ni含量0.1质量％以下和Cr含量0.5质量％以下。 [0036] 铝合金铸件不可避免的杂质不限于上述元素。在第一和第二铝合金铸件二者之一中包含除上述杂质元素以外的任何一种或多种元素作为不可避免的杂质的情况下，优选控制这些其他杂质元素中的每一种的含量为0.05质量％以下并控制这些其他杂质元素的总量为0.5质量％以下。 [0037] 在各第一和第二铝合金铸件中，如上所述，共晶Si晶粒具有纵横比2.0以下和平均粒径1.0微米以下。当共晶Si晶粒的纵横比超过2.0时，并当共晶Si晶粒的平均粒径超过1.0微米时，铝合金铸件不能获得期望的性能。在本发明中，将共晶Si晶粒的纵横比定义为晶粒的长径(长)与短径(宽)的比，并通过以下测定，例如采集铝合金铸件特定区域的金属结构的显微照片，在显微照片上观察10个不同视野(视野大小：0.087mm乘以0.063mm)，计算各视野中共晶Si晶粒的纵横比，然后获得所计算的纵横比的平均值。此外，共晶Si晶粒的平均粒径由以下来测定：例如采集铝合金铸件特定区域的金属结构的显微照片，在显微照片上观察10个不同视野(视野大小：0.087mm乘以0.063mm)，借助图像分析设备计算各视野中共晶Si晶粒的当量圆直径，然后获得所计算的晶粒直径的平均值。 [0038] 优选地，各第一和第二铝合金铸件可通过以下来生产：在例如650至750摄氏度下熔融包含Al和上述合金元素的金属原材料，在铸造压力30至70MPa、熔融金属注入速度1.0至4.0m/s和真空度100mbar以下的条件下将熔融铝合金铸入铸模。采用如此高的真空模铸造加工使其可以减少气体进入铝合金铸件以及铝合金铸件中孔隙率的产生。此外，铝合金铸件的共晶Si晶粒可通过在真空模铸造加工期间控制熔融铝合金的平均模内流速为 12m/s以上来有效地减小粒度并使其粒度更加细化。 [0039] 第一和第二铝合金铸件二者均适用于需要高强度和高韧度的汽车零件例如活塞火焰零件、车门内部零件、悬架零件等。汽车零件可仅由第一和第二铝合金铸件二者之一生产。任选地，汽车零件可由第一或第二铝合金铸件与任意其他材料的结构组件的组合来生产。在其他结构组件的材料在铸造条件下是稳定的情况下，可以在其他结构组件置于铸模的状态下，通过在铸模中铸造铝合金来生产汽车零件。 [0040] 以下将参考以下实施例更详细描述本发明。然而，应注意的是，以下实施例仅为说明性的并不意于限制本发明。 [0041] 实施例1-1至1-4、实施例2-1至2-6、实施例3-1至3-3、比较例1-1至1-8、比较例2-1至2-6和比较例3-1至3-2的试样的生产和评价通过以下步骤进行。 [0042] 在各实施例中，熔融金属原材料以制备具有铝和示于表1的合金元素的组合物的熔融铝合金。熔融铝合金的温度控制在690至750摄氏度。然后在铸造压力60MPa、熔融金属注入速度1.6m/s和真空度50mbar以下的条件下使用350-t高真空模铸造机将熔融铝合金注入铸模中。用该方法获得110mm长、110mm宽和3.5mm或5mm厚的板状铝合金铸件。此处，在各实施例中，铝合金铸件的Sr、Na、Ca和Sb含量分别为小于0.001质量％、小于0.0005质量％、0.001质量％和小于0.001质量％。此外，根据以下等式确定熔融铝合金的平均模内流速。 [0043] [等式1] [0044] [0045] 以其原样将生产的铝合金铸件用作试样。因此，根据JISH0001，试样的加热符号为F。 [0046] 用显微镜观察各铝合金铸件的微结构以检测铝合金铸件的共晶Si晶粒的粒度减小。此处，在铝合金铸件的中心、大厚度部分进行共晶Si晶粒的观察。基于显微镜观察结果测定共晶Si晶粒的纵横比和平均粒径。认为当共晶Si晶粒的粒度小于或等于1微米时共晶Si晶粒发生粒度减小，而当共晶Si晶粒的粒度大于1微米时共晶Si晶粒不发生粒度减小。 [0047] 实施例1-1至1-4、2-1至2-6和3-1至3-3以及比较例1-1至1-8、2-1至2-6和3-1至3-2的铝合金铸件的组成、熔融铝合金的平均模内流速以及共晶Si晶粒的纵横比和平均粒径示于表1中2。在表2中，○表示发生共晶Si晶粒的粒度减小；×表示未发生共晶Si晶粒的粒度减小。 [0048] [表1] [0049] [0050] [表2] [0051] [0052] 此外，根据JIS Z 2201将铝合金铸件加工成14B号试验片。根据JIS Z 2241对各试验片进行拉伸试验以测定铝合金铸件断裂时的拉伸强度、0.2％屈服强度和伸长率。更具体地，由断裂时的载荷和试验片的平行部分的原始截面积来测定拉伸强度。通过参考应力-应变曲线使用伸长计(extensometer)测定0.2％应变下的应力，由0.2％应变下的应力和试验片的截面积确定0.2％屈服强度。此外，通过用40mm标距(gauge length)的所谓的对接法(butt method)测定断裂时的伸长率。(对接法是用于测定样品断裂时的伸长率的方法，其基于试验前预先设置在样品上的两个量规(gauge)标记间的距离和通过试验后将样品断端放回一起测定的两个量规标记间的距离来测定。) [0053] 实施例1-1至1-4、2-1至2-6和3-1至3-3以及比较例1-1至1-8、2-1至2-6和3-1至3-2的拉伸试验结果示于表3。 [0054] [表3] [0055] [0056] 图1示出实施例1-4的铝合金铸件的显微照片。如图1所示，实施例1-4的铝合金铸件的共晶Si晶粒具有与其中添加共晶改性元素如Sr的那些相似的非常精细的微结构。尽管未具体显示，实施例1-1至1-3、2-1至2-6和3-1至3-3的铝合金铸件的共晶Si晶粒与实施例1-4的情况一样，也具有非常精细的微结构。在各实施例1-1至1-4、2-1至2-6和3-1至3-3中，共晶Si晶粒的粒度减小并精细到0.55至0.85微米的非常小的平均粒径，由此铝合金铸件具有高强度和高韧度的金属结构。 [0057] 图2示出比较例1-3的铝合金铸件的显微照片。如图2所示，比较例1-3的铝合金铸件的共晶Si晶粒具有通常的针状结构。类似地，比较例1-1至1-2、1-4至1-8、2-1至2-6和3-1至3-2的铝合金铸件的共晶Si晶粒具有通常的针状结构。在比较例1-1至1-8、 2-1至2-6和3-1至3-2中，共晶Si晶粒具有2.5至7.3微米的大平均粒径，并且粒度不减小也未更精细，以致铝合金铸件的韧度和延性(ductility)低于实施例1-1至1-4、2-1至2-6和3-1至3-3的韧度和延性。在比较例2-4中，即使共晶Si晶粒具有0.61微米的非常小的平均粒径，但由于小于7.0质量％的低Si含量，铝合金铸件的0.2％屈服强度也是低的。在比较例2-5中，即使共晶Si晶粒具有0.91微米的非常小的平均粒径，但由于超过4.0质量％的高Mg含量，铝合金铸件的延性也是低的。在比较例2-6中，即使共晶Si晶粒具有0.75微米的非常小的平均粒径，但由于超过0.65质量％的高Fe含量和超过0.8质量％的高Mn含量，铝合金铸件的延性也是低的。 [0058] 因此，如表3所示，与比较例1-1至1-8、2-1至2-6和3-1至3-2的韧度和延性相比，实施例1-1至1-4、2-1至2-6和3-1至3-3的铝合金铸件显示更加改进的韧度和延性。 [0059] 基于实施例1-1至1-4和比较例1-1至1-8的试验结果，图3示出了铝合金铸件的Mg含量和静态拉伸伸长率之间的关系。在比较例1-4至1-8中，熔融铝合金的平均模内流速低，铝合金铸件具有小于6％的低伸长率，并显示随着Mg含量的增加伸长率降低的趋势。这被认为：因为通过未溶解的Mg和Si的化学结合而形成Mg2Si并且通过在Al中溶解Mg而强化Al母相，导致铝合金铸件的伸长率随着铝合金强度的增加而降低。在实施例1-1至1-4和比较例1-1至1-3中，熔融铝合金的平均模内流速高，铝合金铸件具有较高的伸长率并也显示随着Mg含量的增加伸长率降低的趋势。然而，在0.9质量％的Mg含量时存在拐点。在精细的共晶Si范围中，Mg含量高于或等于0.9质量％，伸长率的降低量减小。这被认为：因为共晶Si晶粒的粒度减小导致延迟了断裂时铝合金铸件的伸长率随着铝合金铸件中破裂的发展而增加。 [0060] 基于实施例1-1至1-4和比较例1-1至1-8的试验结果，图4示出铝合金铸件的伸长率与0.2％屈服强度的关系。与共晶Si晶粒的粒度未减小和未变得更精细的比较例1-1至1-8的那些相比，共晶Si晶粒粒度减小并变得更加精细的实施例1-1至1-4的铝合金铸件具有0.2％屈服强度和延性间良好的平衡。各实施例1-1至1-4的铝合金铸件实现了供汽车零件所需的190MPa以上的0.2％屈服强度和5.0％以上的伸长率。 [0061] 因此已显示出，实施例1-1至1-4、2-1至2-6和3-1至3-3的铝合金铸件具有优异的机械性能如高强度和高韧度。 [0062] 如上所述，根据本发明可通过在预定条件下铸造预定合金组合物的熔融铝合金来生产实现优异机械性能，而不向其添加昂贵的共晶改性元素的铝合金铸件。 [0063] 尽管已参考具体实施方案描述了本发明，但本发明不受限于上述实施方案。本领域技术人员将根据上述教导对上述实施方案进行各种修饰和变化。本发明的范围参考以下权利要求来限定。

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