[發明專利]改進的鑄鋁合金部件

有效

• 申請號: 201510216760.0
• 申請日: 2015-04-30
• 公開（公告）號: CN105039798B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: H.W.多蒂
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: C22C21/02
• 分類號: C22C21/02;C22C21/18;C22C21/16;C22C21/00;C22F1/043;C22F1/057;C22F1/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 韋欣華,徐厚才

發明領域

本發明大體上涉及鋁合金，更特別涉及具有改進的機械性質，特別是在室溫和升高的溫度下的強度的可熱處理的鋁合金。

背景技術

鋁合金由于它們的高強度-重量比而獲得廣泛使用并因此已廣泛用于減重努力。這已成為汽車工業中的重要主題，其中燃料經濟性和減排已促使制造商降低重量以改進效率。隨著效率目標擴展到更高水平，減重已經與功率密度的提高相結合以滿足要求。但是，較高的功率密度促成工作環境中的較高負荷和溫度。

過去，已經為室溫或近室溫用途發展了鋁合金和它們的熱處理。在材料科學中，如果工作環境包括在合金的同系熔融溫度的一半以上的任何非短暫暴露，該合金的用途被視為高溫。同系溫度是絕對溫標上的熔點的分數（鋁T_MP=660℃ + 273 = 933 K；0.5 T_MP = 465.5 K或193.5℃）。因此，在194℃以上的任何用途被視為高溫用途。在0.5 T_MP以上，不同破壞機制在部件中變明顯。對于氣缸蓋，運行溫度常常超過這一值并在不久的將來，預計提高到0.55至0.58 T_MP。

大規模商業鋁合金主要通過兩種機制增強：加工硬化和沉淀硬化。對于需要大批量生產的復雜形狀的用途，如汽車發動機部件，加工硬化合金不實際或不經濟，以使通過熱處理沉淀硬化成為實現所需機械性質的主要方法。通過控制微結構的不同熱處理步驟實現沉淀硬化，以通過改變在老化過程中的溫度下的時間而以受控方式形成極精細的強化相。這些強化機制已用于要在室溫或略升高的溫度下使用的系統和產品。但是，一旦運行環境的溫度升至150 – 220℃的典型老化溫度范圍以上，這些性質會隨溫度提高和在溫度下的時間增加而快速變差。

沉淀硬化通過從合金元素在母體鋁相中的過飽和固溶體中沉淀出原子簇（“沉淀物”）而改變鋁合金的機械性質。隨著沉淀物形成，它們使晶格變形，以阻礙位錯的運動。正是對位錯運動的阻礙造成性質的改變；硬度和強度提高且延性降低。

沉淀物的形成受時間和溫度影響；在低溫下，沉淀反應緩慢并花費大量時間，在較高溫度下，由于較高的原子遷移率，該反應進行得更快。

在給定溫度下，強度和硬度隨在溫度下的停留時間提高，直到形成大多數潛在的第二相。隨著停留時間增加，各沉淀物發生兩種基本變化；首先，一些粒子以另一些粒子為代價生長。通過合金元素的擴散，一些粒子會收縮并最終消失，而另一些粒子的尺寸增長。這導致數量較少的較大沉淀物。較少沉淀物之間的較大距離改進了導致硬度和強度降低及延性提高的位錯運動性。另外，隨著沉淀物的尺寸增長，沉淀物與鋁晶格之間的應變能提高到在能量上可以使界面原子鍵斷裂并形成分相邊界的程度。這以兩種方式降低應變能；跨邊界鍵斷裂，以致分隔更大和因此晶格畸變更小，并且由于母體晶格與沉淀物晶格的晶體結構不同，在該簇-母體界面處不再迫使它們同時適應這兩組晶格參數。

當該界面仍完好時，這兩個相中歸因于錯配的畸變相等并反向。畸變區伸出該化學界面，以擾亂母體相中的晶格的有序排列。這種畸變使得沉淀物對機械性質具有不相稱地大的影響。沉淀物的有效半徑是化學半徑加上畸變區的一部分，因為畸變區也阻礙位錯的運動且位錯負責該材料對變形載荷的機械響應。隨著化學半徑逐漸提高，該界面破壞；其首先變得部分相干，然后不相干。在高的不相干水平下，隨著沉淀物進一步生長，該系統的機械性質開始降低，因為由于母體相中的晶格應變的損失，沉淀物的有效半徑現在降低。有效半徑的損失以及上述沉淀物密度的降低伴隨著機械性質的損失和相反，拉伸延性的提高，這種現象被稱作過度老化。

因此，需要改進的可鑄造鋁合金部件及其制造方法，尤其是在升高的溫度條件下。

發明內容

本發明提供合金優化以及鑄造和熱處理工藝控制中的方法和技術以制造在室溫和升高的溫度結構用途中具有增強的機械性質和強度的可鑄造和可熱處理的鋁合金部件。

本發明涉及以下[1]至[16]：

[1]. 一種鑄鋁基部件，其包含，以重量百分比計：0.6 – 14.5 Si；0 – 0.7 Fe；1.8 – 4.3 Cu；0 – 1.22 Mn；0.2 – 0.5 Mg；0 – 1.2 Zn；0 – 3.25 Ni；0 – 0.3 Cr；0 – 0.5 Sn；0.001 – 0.4 Ti；0.002 – 0.07 B；0.001 – 0.07 Zr；0.001 – 0.14 V；0.00 – 0.67 La；余量主要為鋁+任何殘余物；其中Mn/Fe的重量比為大約0.5至3.5。