專利名稱：鋁合金鑄件及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁合金鑄件及其生產(chǎn)方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種具有預(yù)定的合金元素組合物并包含預(yù)定縱橫比和大小的共晶Si晶粒的鋁合金鑄件、使用所述鋁合金鑄件的汽車零件和生產(chǎn)鋁合金鑄件的方法。
背景技術(shù)：
通常，鋁合金以高形狀撓性、高尺寸精度、高生產(chǎn)性以及能夠形成薄厚度和能夠一體化零件設(shè)計(jì)為特性，因而目前已用于汽車零件等廣泛的用途，如活塞火焰零件(body flame part)、車門內(nèi)部零件、懸架零件等。對(duì)于汽車零件中鋁合金的使用，提出向鋁合金添加共晶改性的元素例如Sr或Sb以便修飾鋁合金的共晶Si結(jié)構(gòu)，從而改進(jìn)鋁合金的機(jī)械性能。[引用列表][專利文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)1]日本專利3255560號(hào)
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問(wèn)題然而，存在此類共晶改性元素的添加引起氣體進(jìn)入鋁合金中的量增加的趨勢(shì)。這導(dǎo)致因鋁合金中產(chǎn)生孔隙率而引起的鋁合金機(jī)械性能劣化。因此，本發(fā)明的目的為提供能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械性能而不向其添加昂貴的共晶改性元素如Sr、Sb、Ca、Na等的鋁合金鑄件。本發(fā)明的另一目的為提供使用所述鋁合金鑄件的汽車零件以及生產(chǎn)所述鋁合金鑄件的方法。用于解決問(wèn)題的方案作為廣泛研究的結(jié)果，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)可生產(chǎn)其中共晶Si晶粒具有預(yù)定的縱橫比和大小的鋁合金鑄件，以便通過(guò)在預(yù)定條件下鑄造預(yù)定合金元素組合物的熔融鋁合金而使鋁合金鑄件實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械性能。本發(fā)明以該發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供基本上由7. 0至11. 5質(zhì)量％ Si、0. 9至4. 0質(zhì)量％ Mg、0. 1至0. 65重量％ Fe、0. 1至0. 8質(zhì)量％ Mn以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成，并包含具有縱橫比2. 0以下和平均粒徑1. 0微米以下的共晶Si晶粒的鋁合金鑄件。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供基本上由7. 0至11. 5質(zhì)量％ Si、0. 9至4. 0質(zhì)量％ Mg、0. 1至0. 65質(zhì)量％ Fe、0. 1至0. 8質(zhì)量％ Μη、0. 3至1. 0質(zhì)量％ Cu以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成，并包含具有縱橫比2. 0以下和平均粒徑1. 0微米以下的共晶Si晶粒的鋁合金鑄件。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供使用該鋁合金鑄件的汽車零件。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供生產(chǎn)該鋁合金鑄件的方法，其包括制備基本上由 7. 0 至 11. 5 質(zhì)量 ％ Si、0. 9 至 4. 0 質(zhì)量 ％ Mg、0. 1 至 0. 65 質(zhì)量 ％ Fe、0. 1 至 0. 8 質(zhì)量 ％ Mn以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成或基本上由7. 0至11. 5質(zhì)量％ Si、0. 9至4. 0質(zhì)量％ Mg、0. 1至0. 65質(zhì)量％ Fe、0. 1至0. 8質(zhì)量％ Μη、0. 3至1. 0質(zhì)量％ Cu以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成的熔融鋁合金；以及將所述熔融鋁合金注入鑄模(casting mold)中，從而在所述鑄模中的所述熔融鋁合金的平均流速為12m/s以上的條件下鑄造所述熔融鋁合金。
圖1為示出根據(jù)實(shí)施例1-3的鋁合金鑄件的微結(jié)構(gòu)的顯微照片。圖2為示出根據(jù)比較例1-3的鋁合金鑄件的微結(jié)構(gòu)的顯微照片。圖3為示出鋁合金鑄件的Mg含量與伸長(zhǎng)率(elongation)之間的相關(guān)性的圖。圖4為示出鋁合金鑄件的伸長(zhǎng)率與0. 2%屈服強(qiáng)度的相關(guān)性的圖。
具體實(shí)施例方式以下將詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案的鋁合金鑄件(下文稱作第一鋁合金鑄件)基本上由 7. 0 至 11. 5 質(zhì)量 ％ Si、0. 9 至 4. 0 質(zhì)量 ％ Mg、0. 1 至 0. 65 質(zhì)量 ％ Fe、0. 1 至 0. 8 質(zhì)量 ％ Mn 以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成，并包含具有縱橫比2. 0以下和平均粒徑1. 0微米以下的共晶Si晶粒。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方案的鋁合金鑄件(下文稱作第二鋁合金鑄件)基本上由7. 0至11. 5質(zhì)量％ Si、0. 9至4. 0質(zhì)量％ Mg、0. 1至0. 65重量％ Fe、0. 1至 0. 8質(zhì)量％ Μη、0. 3至1. 0質(zhì)量％ Cu以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成，并包含具有縱橫比2. 0以下和平均粒徑1. 0微米以下的共晶Si晶粒。各第一和第二鋁合金鑄件可通過(guò)以下生產(chǎn)熔融金屬原材料如鋁合金鑄錠來(lái)制備上述特定的合金元素組合物的熔融鋁合金，將該熔融鋁合金注入鑄模(也稱為模(die)) 中，從而在鑄模中的熔融鋁合金的平均流速(下文有時(shí)稱作平均模內(nèi)流速)為12m/s以上的條件下鑄造熔融鋁合金。以下將解釋第一和第二鋁合金鑄件的組成合金元素。Si(硅)具有改進(jìn)鋁合金的模鑄造性(die-castability)的大的效果。當(dāng)鋁合金的Si含量小于7.0質(zhì)量％時(shí)，由于熔融鋁合金的低流動(dòng)性，Si元素的鑄造性改進(jìn)效果變小。 當(dāng)鋁合金的Si含量超過(guò)11. 5質(zhì)量％時(shí)，所得鋁合金鑄件的韌度變低。因此，控制各第一和第二鋁合金鑄件的Si含量(熔融鋁合金的Si含量)為7.0至11. 5質(zhì)量％。在把重點(diǎn)放在合金鑄造性、強(qiáng)度和韌度上的情況下，優(yōu)選控制各第一和第二鋁合金鑄件的Si含量(熔融鋁合金的Si含量)為8. 0至10. 0質(zhì)量％。Mg (鎂)溶于鋁合金的母相(base phase)并通過(guò)與Si化學(xué)結(jié)合形成Mg2Si以便增加鋁合金的強(qiáng)度。當(dāng)鋁合金的Mg含量小于0. 9質(zhì)量％時(shí)，Mg元素的強(qiáng)度改進(jìn)效果變小。 此外，鋁合金鑄件的共晶Si晶粒不能通過(guò)添加如此少量的Mg而有效地降低粒度。當(dāng)以0. 9 質(zhì)量％以上的量包含Mg元素時(shí)，Mg元素顯示共晶Si晶粒的粒度減小效果。另一方面，當(dāng)鋁合金的Mg含量超過(guò)4. 0質(zhì)量％時(shí)，Mg元素的鑄造性和強(qiáng)度改進(jìn)效果變小。也不能有效地改進(jìn)所得鋁合金鑄件的0. 2%屈服強(qiáng)度。因此，將各第一和第二鋁合金鑄件的Mg含量(熔融鋁合金的Mg含量)控制為0.9至4.0質(zhì)量％。優(yōu)選將各第一和第二鋁合金鑄件的Mg含量(熔融鋁合金的Mg含量)控制為1. 0至4. 0質(zhì)量％以便更確信地保證上述效果。Fe(鐵)在防止模鑄造加工期間鋁合金對(duì)模具的磨損(siezing)上是有效的。當(dāng)鋁合金的狗含量小于0. 1質(zhì)量％時(shí)Je元素的防磨損效果變小。當(dāng)鋁合金的含量超過(guò) 0. 65質(zhì)量％時(shí)，隨著鋁合金鑄件中針狀A(yù)l-Fe金屬間化合物的量的增加，鋁合金鑄件的韌度和伸長(zhǎng)率變低。因此，將各第一和第二鋁合金鑄件的狗含量(熔融鋁合金的狗含量) 控制為1.0至4.0質(zhì)量％。Mn (錳)在防止模鑄造期間鋁合金對(duì)模具的磨損上也是有效的。當(dāng)鋁合金的Mn含量小于0. 1質(zhì)量％時(shí)，Mn元素的防磨損效果變小。當(dāng)鋁合金的Mn含量超過(guò)0. 8質(zhì)量％時(shí)， 由于在鋁合金鑄件中形成粗Al-Mn金屬間化合物或Al-Fe-Mn金屬間化合物，鋁合金鑄件的韌度和伸長(zhǎng)率變低。因此，將各第一和第二鋁合金鑄件的Mn含量(熔融鋁合金的Mn含量) 控制為0. 1至0.8質(zhì)量％。Cu (銅)具有進(jìn)一步增加鋁合金強(qiáng)度的效果。當(dāng)鋁合金的Cu含量小于0.3質(zhì)量％ 時(shí)，Cu元素的強(qiáng)度改進(jìn)效果變小。當(dāng)鋁合金的Cu含量超過(guò)1. 0質(zhì)量％時(shí)，鋁合金鑄件的韌度和耐腐蝕性變低。因此，控制第二鋁合金鑄件的Cu含量為0. 3至1. 0質(zhì)量％。為了材料再循環(huán)的目的，通常是這樣的情況退料(return material)在使用中與鑄造合金錠混合。因此，在各第一和第二鋁合金鑄件中，包含除Al和上述合金元素以外的某些元素作為不可避免的雜質(zhì)。作為第一鋁合金鑄件的不可避免的雜質(zhì)，可例舉Cu、P (磷)、Zn (鋅)、Sn (錫)、 Pb (鉛)、Ni (鎳)、Cr (鉻)、Ti (鈦)、B (硼)、Zr (鋯)、Sr (鍶)、Sb (銻)、Ca (鈣)和 Na(鈉)。這里，當(dāng)?shù)谝讳X合金鑄件(熔融鋁合金)具有Sr含量0.003質(zhì)量％以下、Sb含量0. 01質(zhì)量％以下、Ca含量0. 003質(zhì)量％以下和Na含量0. 001質(zhì)量％以下時(shí)，Sr、Sb、Ca 和Na元素被認(rèn)為是不可避免的雜質(zhì)；當(dāng)?shù)谝讳X合金鑄件(熔融鋁合金)具有Cu含量0. 3 質(zhì)量％以下時(shí)，Cu元素被認(rèn)為是不可避免的雜質(zhì)。作為第二鋁合金鑄件的不可避免的雜質(zhì)，可例舉P、Zn、Sn、Pb、Ni、Cr、Ti、B、Zr、
Sr、Sb、Ca和Na。如第一鋁合金鑄件的情況一樣，當(dāng)?shù)诙X合金鑄件(熔融鋁合金)具有 Sr含量0. 003質(zhì)量％以下、Sb含量0. 01質(zhì)量％以下、Ca含量0. 003質(zhì)量％以下和Na含量 0. 001質(zhì)量％以下時(shí)，Sr、Sb、Ca和Na元素被認(rèn)為是不可避免的雜質(zhì)。由于共晶Si晶粒的粒度減小可被鋁合金中P的存在所干擾，因此優(yōu)選各第一和第二鋁合金鑄件(熔融鋁合金)具有P含量0. 004質(zhì)量％以下。由于大量Ti、Zr、B的添加可導(dǎo)致粗金屬間化合物的形成并引起鋁合金鑄件韌度的劣化，因此還優(yōu)選各第一和第二鋁合金鑄件(熔融鋁合金)具有Ti含量0. 25質(zhì)量％以下、Zr含量0. 25質(zhì)量％以下和B含量0. 02質(zhì)量％以下?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步優(yōu)選各第一和第二鋁合金鑄件(熔融鋁合金)具有Si含量0. 8質(zhì)量％以下、Sn含量0. 1質(zhì)量％以下、Pb含量0. 1質(zhì)量％以下、Ni含量0. 1質(zhì)量％ 以下和Cr含量0. 5質(zhì)量％以下。鋁合金鑄件不可避免的雜質(zhì)不限于上述元素。在第一和第二鋁合金鑄件二者之一中包含除上述雜質(zhì)元素以外的任何一種或多種元素作為不可避免的雜質(zhì)的情況下，優(yōu)選控制這些其他雜質(zhì)元素中的每一種的含量為0. 05質(zhì)量％以下并控制這些其他雜質(zhì)元素的總量為0.5質(zhì)量％以下。在各第一和第二鋁合金鑄件中，如上所述，共晶Si晶粒具有縱橫比2. 0以下和平均粒徑1. 0微米以下。當(dāng)共晶Si晶粒的縱橫比超過(guò)2. 0時(shí)，并當(dāng)共晶Si晶粒的平均粒徑超過(guò)1. 0微米時(shí)，鋁合金鑄件不能獲得期望的性能。在本發(fā)明中，將共晶Si晶粒的縱橫比定義為晶粒的長(zhǎng)徑(長(zhǎng))與短徑(寬)的比，并通過(guò)以下測(cè)定，例如采集鋁合金鑄件特定區(qū)域的金屬結(jié)構(gòu)的顯微照片，在顯微照片上觀察10個(gè)不同視野(視野大小0. 087mm乘以
0.063mm)，計(jì)算各視野中共晶Si晶粒的縱橫比，然后獲得所計(jì)算的縱橫比的平均值。此外， 共晶Si晶粒的平均粒徑由以下來(lái)測(cè)定例如采集鋁合金鑄件特定區(qū)域的金屬結(jié)構(gòu)的顯微照片，在顯微照片上觀察10個(gè)不同視野(視野大小0. 087mm乘以0. 063mm)，借助圖像分析設(shè)備計(jì)算各視野中共晶Si晶粒的當(dāng)量圓直徑，然后獲得所計(jì)算的晶粒直徑的平均值。優(yōu)選地，各第一和第二鋁合金鑄件可通過(guò)以下來(lái)生產(chǎn)在例如650至750攝氏度下熔融包含Al和上述合金元素的金屬原材料，在鑄造壓力30至70MPa、熔融金屬注入速度
1.0至4. Om/s和真空度IOOmbar以下的條件下將熔融鋁合金鑄入鑄模。采用如此高的真空模鑄造加工使其可以減少氣體進(jìn)入鋁合金鑄件以及鋁合金鑄件中孔隙率的產(chǎn)生。此外，鋁合金鑄件的共晶Si晶?？赏ㄟ^(guò)在真空模鑄造加工期間控制熔融鋁合金的平均模內(nèi)流速為 12m/s以上來(lái)有效地減小粒度并使其粒度更加細(xì)化。第一和第二鋁合金鑄件二者均適用于需要高強(qiáng)度和高韌度的汽車零件例如活塞火焰零件、車門內(nèi)部零件、懸架零件等。汽車零件可僅由第一和第二鋁合金鑄件二者之一生產(chǎn)。任選地，汽車零件可由第一或第二鋁合金鑄件與任意其他材料的結(jié)構(gòu)組件的組合來(lái)生產(chǎn)。在其他結(jié)構(gòu)組件的材料在鑄造條件下是穩(wěn)定的情況下，可以在其他結(jié)構(gòu)組件置于鑄模的狀態(tài)下，通過(guò)在鑄模中鑄造鋁合金來(lái)生產(chǎn)汽車零件。以下將參考以下實(shí)施例更詳細(xì)描述本發(fā)明。然而，應(yīng)注意的是，以下實(shí)施例僅為說(shuō)明性的并不意于限制本發(fā)明。實(shí)施例1-1至1-4、實(shí)施例2-1至2-6、實(shí)施例3-1至3-3、比較例1-1至1-8、比較例2-1至2-6和比較例3-1至3-2的試樣的生產(chǎn)和評(píng)價(jià)通過(guò)以下步驟進(jìn)行。在各實(shí)施例中，熔融金屬原材料以制備具有鋁和示于表1的合金元素的組合物的熔融鋁合金。熔融鋁合金的溫度控制在690至750攝氏度。然后在鑄造壓力60MPa、熔融金屬注入速度1. 6m/s和真空度50mbar以下的條件下使用350_t高真空模鑄造機(jī)將熔融鋁合金注入鑄模中。用該方法獲得IlOmm長(zhǎng)、IlOmm寬和3. 5mm或5mm厚的板狀鋁合金鑄件。此處，在各實(shí)施例中，鋁合金鑄件的Sr、Na、Ca和Sb含量分別為小于0. 001質(zhì)量％、小于0. 0005質(zhì)量％、0. 001質(zhì)量％和小于0. 001質(zhì)量％。此外，根據(jù)以下等式確定熔融鋁合金的平均模內(nèi)流速。[等式1]
平均模內(nèi)流速(m/s)
=[注入速度(m/s) ]x[套管截面積(mm2)] [產(chǎn)品截面積(mm2)]以其原樣將生產(chǎn)的鋁合金鑄件用作試樣。因此，根據(jù)JISH0001，試樣的加熱符號(hào)為F。
用顯微鏡觀察各鋁合金鑄件的微結(jié)構(gòu)以檢測(cè)鋁合金鑄件的共晶Si晶粒的粒度減小。此處，在鋁合金鑄件的中心、大厚度部分進(jìn)行共晶Si晶粒的觀察?；陲@微鏡觀察結(jié)果測(cè)定共晶Si晶粒的縱橫比和平均粒徑。認(rèn)為當(dāng)共晶Si晶粒的粒度小于或等于1微米時(shí)共晶Si晶粒發(fā)生粒度減小，而當(dāng)共晶Si晶粒的粒度大于1微米時(shí)共晶Si晶粒不發(fā)生粒度減小。實(shí)施例1-1至1-4,2-1至2-6和3-1至3-3以及比較例1-1至1_8、2_1至2-6和 3-1至3-2的鋁合金鑄件的組成、熔融鋁合金的平均模內(nèi)流速以及共晶Si晶粒的縱橫比和平均粒徑示于表1中2。在表2中，〇表示發(fā)生共晶Si晶粒的粒度減小；X表示未發(fā)生共晶Si晶粒的粒度減小。[表 1]
權(quán)利要求
1.一種鋁合金鑄件，其基本上由7. 0至11. 5質(zhì)量％ Si、0. 9至4. 0質(zhì)量％ Mg、0. 1至 0. 65質(zhì)量％ Fe,0. 1至0. 8質(zhì)量％ Mn以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成，并包含具有縱橫比2. 0以下和平均粒徑1. 0微米以下的共晶Si晶粒。
2.—種鋁合金鑄件，其基本上由7. 0至11. 5質(zhì)量％ Si、0. 9至4. 0質(zhì)量％ Mg、0. 1至 0. 65質(zhì)量％ Fe、0. 1至0. 8質(zhì)量％ Μη、0. 3至1. 0質(zhì)量％ Cu以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成，并包含具有縱橫比2. 0以下和平均粒徑1. 0微米以下的共晶Si晶粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋁合金鑄件，其中所述Si的含量為8.0至10. 0質(zhì)量％ ； 和所述Mg的含量為1.0至4.0質(zhì)量％。
4.一種汽車零件，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的鋁合金鑄件。
5.一種生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的鋁合金鑄件的方法，其包括制備基本上由7. 0至11. 5質(zhì)量％ Si、0. 9至4. 0質(zhì)量％ Mg、0. 1至0. 65質(zhì)量％ Fe、0. 1至0. 8質(zhì)量％ Mn以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成或基本上由7. 0至11. 5質(zhì)量％ Si、0. 9至4. 0質(zhì)量％ Mg、0. 1至0. 65質(zhì)量％ Fe、0. 1至0. 8質(zhì)量％ Μη、0. 3至1. 0質(zhì)量％ Cu以及余量的Al 和不可避免的雜質(zhì)組成的熔融鋁合金；以及將所述熔融鋁合金注入鑄模中，從而在所述鑄模中的所述熔融鋁合金的平均流速為12m/s以上的條件下鑄造所述熔融鋁合金。
全文摘要
提供一種鋁合金鑄件，其基本上由7.0至11.5質(zhì)量％Si、0.9至4.0質(zhì)量％Mg、0.1至0.65質(zhì)量％Fe、0.1至0.8質(zhì)量％Mn以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成，或者基本上由7.0至11.5質(zhì)量％Si、0.9至4.0質(zhì)量％Mg、0.1至0.65質(zhì)量％Fe、0.1至0.8質(zhì)量％Mn、0.3至1.0質(zhì)量％Cu以及余量的Al和不可避免的雜質(zhì)組成，并且包含縱橫比為2.0以下和平均粒徑為1.0微米以下的共晶Si晶粒。還提供由所述鋁合金鑄件形成的汽車零件以及所述鋁合金鑄件的生產(chǎn)方法。
文檔編號(hào)C22C21/02GK102575323SQ20108003999
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月10日
發(fā)明者中川成幸, 板倉(cāng)浩二, 永石裕介, 甲藤晴康, 鈴木聰 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社, 日本輕金屬株式會(huì)社