[发明专利]改进的铸造铝合金

说明书

技术领域

本发明通常涉及铝合金，更特别地涉及在升高的温度具有改进的机械性质尤其是防腐蚀性的可热处理的铝合金。

背景技术

在汽车和其他工业中的结构应用中最常用的铸造铝合金包括Al-Si族合金，例如200和300系列铝合金。其主要由于其铸造性和机械加工性而使用。关于铸造性，已经知道低硅浓度制备固有较差的铸造性。类似地，尽管已经开发Al-Cu合金用于高强度应用，但由于非常高的热撕裂趋势而使其受困于差的铸造性。

在Al-Si铸造合金（例如合金319、356、390、360、380）中，在添加包括但不限于Cu和Mg的各种合金化元素，通过铸造之后热处理实现了增强。铸造铝的热处理至少包括描述为时效硬化或沉淀增强的机理。热处理通常包括以下三个步骤中的至少一个或其组合：（1）在低于该合金的熔点的较高温度进行固溶处理（也定义为T4），处理时间通常超过8小时或更高以溶解其合金化（溶质）元素并均化或改变微结构；（2）在固溶处理之后快速冷却或骤冷到冷或暖的液体介质（例如水）中以将该溶质元素保留在过饱和的固溶体中；和（3）通过将该合金在适于通过沉淀实现硬化或增强的中间温度保持一段时间而进行人为老化（T5）。固溶处理（T4）用于三个主要目的：（1）溶解随后将造成时效硬化的元素；（2）球化未溶解的组分；和（3）均化该材料中的溶质浓度。在T4固溶处理后的骤冷将该溶质元素保留在过饱和的固溶体（SSS）中，还产生了空穴的过饱和，这增强了沉淀物的扩散和分散。为使该合金的强度最大化，在骤冷过程中应当防止所有增强性相的沉淀。老化（T5，自然或人工老化）导致增强性沉淀物的受控分散。

添加增强性元素（例如Cu、Mg和Mn）能够对该材料的物理性质具有显著影响。已经报道具有高铜含量（约3-4%）的铝合金经历不可接受的腐蚀速率，尤其是在含盐的环境中。用于传动和发动机部件的典型高压模铸（HPDC）铝合金（例如A 380或383）包含2-4%铜。能够预期这些合金的腐蚀问题将变得越来越显著，特别是在需要较长的保证时间和较高的车辆里程时。

图1显示了已经腐蚀的铝传动盖的照片。图2是显示由于存在Q相10（Al₅Cu₂Mg₈Si₅）而有凹坑的表面空穴。

尽管有商业合金360（标称重量组成为：9.5% Si、1.3% Fe、0.3% Mn、0.5% Cu、0.5% Mg、0.5% Ni、0.5% Zn、0.15% Sn，其余为Al）设计用于防腐蚀应用，但该合金随着使用时间可能呈现热疲劳问题，尤其是在高性能发动机应用中。美国专利号6,733,726中所述的合金也可能发生类似的问题。

因此，存在对改进的可铸造的铝合金及其制备方法的需求。

发明内容

本发明提供了在合金化优化以及铸造和热处理工艺控制方面的方法和技术，以制备对于室温和升高的温度的结构应用而言具有改进的机械性质和防腐蚀性的可铸造且可热处理的铝合金。

本发明的一个方面是铝合金。通常，该合金可以包含约0-2wt%稀土元素、约0.5-约14wt%硅、约0.25-约2.0wt%铜、约0.1-约3.0wt%镍、约0.1-1.0%铁、约0.1-约2.0wt%锌、约0.1-约1.0wt%镁、0-约1.0wt%银、约0.01-约0.2wt%锶、0-约1.0wt%钪、0-约1.0wt%锰、0-约0.5wt%钙、0-约0.5wt%锗、0-约0.5wt%锡、0-约0.5wt%钴、0-约0.2wt%钛、0-约0.1wt%硼、0-约0.2wt%锆、0-0.5%钇、0-约0.3wt%镉、0-约0.3wt%铬、0-约0.5wt%铟，其余为铝。

本发明的另一方面包括制造铸造铝部件的方法。在一种实施方案中，该方法包括：提供基本上由以下组成的铝合金：0-约2.0wt%至少一种稀土元素、约0.5-约14wt%硅、约0.25-约2.0wt%铜、约0.1-约3.0wt%镍、约0.1-约1.0wt%铁、约0.1-约2.0wt%锌、约0.1-约1.0wt%镁、0-约1.0wt%银、约0.01-约0.2wt%锶、0-约1.0wt%钪、0-约1.0wt%锰、0-约0.5wt%钙、0-约0.5wt%锗、0-约0.5wt%锡、0-约0.5wt%钴、0-约0.2wt%钛、0-约0.1wt%硼、0-约0.2wt%锆、0-0.5%钇、0-约0.3wt%镉、0-约0.3wt%铬、0-约0.5wt%铟，其余为铝；将该铝合金加热到高于熔点；将该经加热的铝合金在模具中铸造；冷却该铝合金以形成该部件；和任选地热处理该部件。