[发明专利]可铸造的耐热铝合金

说明书

本发明涉及可铸造的耐热铝合金，其用于高温应用例如内燃机中的部件，特别是用于高载荷气缸盖的制造。更具体而言，本申请中所述的材料可用在高达300℃的温度，该是未来发动机中所期望的。

用于制造气缸盖的铝合金通常来自典型具有5-10%范围硅的AlSi类族。除降低熔点之外，在铝中添加硅提供所需的铸造能力，该铸造能力是制造几何复杂性日益增加的零件所必需的。对于气缸盖而言，最广泛使用的铸造合金属于2个主要类族，其硅范围介于5%和10%之间并且铜介于0和3.5%之间（取决于规格和使用条件）。第一类族涉及AlSi7Mg型的合金（例如SAE标准中的A356），通常为T7热处理（完全处理）合金，由于它们优异的铸造性能、良好的损伤容限和机械性能而被众所周知，只是除了在高温下。第二类族涉及AlSi 5-10%Cu3Mg（例如SAE标准中的319）通常为T5（仅时效处理）合金，由于它们的经济利益、在高温下的机械抗性而被众所周知，但是具有不良的损伤容限。

在两种情形中，可使用这些合金的温度范围限于280℃，因为它们的机械性能（特别是屈服强度）在数小时后急剧下降（例如参见图1）。

从DE 10 2006 059 899 A1知晓一种耐热铝合金，其包含4.5-7.5wt%Si，0.2-0.55wt%Mg，0.03-0.50wt%Zr和/或0.03-1.5wt%Hf，最大0.20wt%Ti，<0.3=wt%Fe，<0.5Mn，0.1-1.0wt%Cu，<0.07wt%Zn，余量为Al且杂质最大值为0.03wt%。该文献似乎关注于Cu含量以便与相对大范围的Zr和/或Hf组合改善合金的耐热性。然而未进一步证实或记录最佳的组合。

US2006/0115375涉及一种高强度、耐热且延性的铸造铝合金，其包含5.5-7.5wt%Si，0.20-0.32wt%Mg，0.03-0.50wt%Zr和/或0.03-1.50wt%Hf，0-0.20wt%Ti，<0.20wt%Fe，<0.50wt%Mn，<0.05wt%Cu和<0.07wt%Zn。使用该已知合金的目的是维持其在等于或高于150℃温度下的强度值，以及通过相形成的减少以及因此增强的在至多240℃温度下的热-机械稳定性来获得较低的热膨胀。该合金含有非常低的Cu量（接近零）和相对高的Hf范围（高达1.50wt%），Hf是非常昂贵的。

本发明提供了一种在高温下具有改善的强度和蠕变性能的可铸造耐热铝合金。此外，该合金比先前已知的含有Hf的可铸造合金更廉价，因为使用了最理想的少量Hf。

本发明的特征在于如所附独立权利要求1中所限定的特征。

在所附从属权利要求2-4中进一步限定了本发明的有利技术方案。

下面将参照实施例和附图进一步详细描述本发明，其中：

图1示出了对于A356 T7合金通过硬度测量结果与时间和温度的关系得到的时效评价。

图2示出了含有条状或带状析出物的合金的显微组织图像，所述析出物含有铪。

图3示出了存在硬化MgSi析出物的合金的显微组织的另一图像。

图4是显示共存平衡相β（Mg₂Si）、θ（Al₂Cu）和Q(Al₅Cu₂Mg₈Si₇)在300℃下的稳定区域的Thermo-Calc^TM模拟。

图5示出了几种选定合金的蠕变测试的结果，在300℃于20MPa的载荷下，示出了总变形与时间的关系。

图6是显示一些测试合金在不同温度下的低循环疲劳行为的坐标图（不同合金在250℃的疲劳测试期间的模拟（使用稳定化的材料）滞后环（ε=0.001s^-1且△ε/2=0.005））。

图7示出了一些测试合金在低循环疲劳测试期间的寿命（ε=0.001s^-1且△ε/2=0.003）。

图8是显示利用具有变化Hf含量的一些另外合金的蠕变测试。

近些年来，申请人之一已经开发出含0.5%铜的铸造合金(AlSi7Cu05Mg)，其是上述合金类族中的令人感兴趣的折中物并且允许改善高于200℃温度下的材料稳定性，相对于参比物A356而言。

此外，申请人之一已开发出一种用于高载荷柴油机缸盖的AlSi10%Cu0.5%Mg合金，作为AlSi10%Mg次级合金的改善。