专利名称：高温应用中的高强度铝合金的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及铝-硅(Al-Si)合金。特别是涉及一种适用于高温应用的高强度铝-硅基合金，用于诸如活塞、汽缸盖、汽缸套、连杆、涡轮增压器、叶轮、制动器、刹车卡钳及刹车盘的浇铸组件。
背景技术：
铝-硅合金是最通用的材料，其包含为汽车工业生产的全部铝浇铸零件的85％到90％。铝-硅合金体系可以根据硅的重量百分比浓度(wt％)分成三个主要种类亚共晶的(＜12％硅)、共晶的(12-13％硅)和过共晶的(14-25％硅)。然而，大多数先前合金不适合高温应用，因为其在500°F-700°F温度范围内不能达到所期望的机械性能如抗张强度和疲劳强度。迄今为止，许多铝-硅浇铸合金倾向不高于约450°F温度时的应用。高于该温度时，主要合金增强相如θ’(Al2Cu)和S’(Al2CuMg)相会变得不稳定，迅速变粗糙并溶解，产生具有高温应用所不希望的微结构的合金。这种合金在高温下具有很少或根本没有实际应用，因为当θ’和S’变得不稳定时，该合金在铝固溶体晶格与增强粒子晶格参数之间缺乏晶格一致性。在晶格一致性上较大失配会促成不希望的微结构，这种微结构在高温下不能保持良好的机械性能。
先前技术采用的一种方法是使用纤维或微粒增强材料来提高铝-硅合金的强度。这种方法称为铝金属基质复合物(Metal Matrix Composites，MMC)技术。例如，美国专利第5,620,791号涉及包含具有所嵌入陶瓷填料的铝-硅基合金的MMC以形成高温应用的刹车盘。R.Bowles也进行了改进铝-硅合金高温强度的尝试，在一篇标题为“Metal Matrix Composites Aid PistonManufacture”(Manufacturing Engineering，1987年5月)的论文中报道他使用陶瓷纤维改进了铝-硅332.0合金的抗张强度。A.Shakesheff提出的另一个尝试是使用陶瓷微粒增强铝-硅合金，如在“Elevated TemperaturePerformance of Particulate Reinforced Aluminum Alloys，”(MaterialsScience Forum，第217-222卷，第1133-1138页，1996年)中所述。P.Robatgi在标题为“Cast Aluminum Matrix Composities for AutomativeApplications”(Journalof Metals，1991年4月)的论文中描述了用于活塞的浇铸铝MMC。应注意，由铝-硅合金加工的大部分微粒增强MMC材料的强度对于高温应用仍然较差，因为在高温下，主要的θ’和S’增强相不稳定，迅速变粗糙并溶解。
先前技术采用的另一种方法是使用陶瓷基质复合物(CMC)技术。例如，W.Kowbel在标题为“Application of Net-Shape Molded Carbon-CarbonComposites in IC engines”(Journal of Advanced Materials，1996年7月)的论文中描述使用非金属碳-碳材料制造高温下工作的活塞。令人遗憾的是，使用这些MMC和CMC技术的制造成本比那些使用习知铝-硅浇铸的成本高得多，这妨碍了它们在用铝-硅合金批量生产用于高温内燃引擎零件和刹车应用中定出具有竞争力价格的能力。
因此，本发明的主要目的是消除先前技术的缺点。
发明内容
根据本发明提供了一种在铝基质中含有具有L12晶体结构的粒子的分散体的铝-硅合金。使用低成本的浇铸技术如永久铸模、砂模浇铸或压铸加工该合金。
由于独特的化学和微结构配方，本发明合金在高温(500°F及以上)下保持比先前技术合金高得多的强度。本发明中用于增强合金的方法包括1)使合金中主要增强θ’和S’相的形成最大化，其化学组分分别为Al2Cu，Al2CuMg。2)通过控制Cu/Mg比率并同时添加钛(Ti)、钒(V)和锆(Zr)元素在高温下稳定该等增强相。3)形成具有L12晶体结构的Al3X(X＝Ti、V、Zr)化合物以在高温下用于另外增强机制。
在本发明中，向铝-硅合金中加入关键合金元素Ti、V和Zr，通过形成具有L12晶体结构的Al3X(X＝Ti、V和Zr)型化合物以调整铝基质的晶格参数。为了在高温下保持高的强度，铝固溶体基质和Al3X化合物粒子应具有相似的面心立方(face-centered-cubic，FCC)晶体结构，并且由于其各自的晶格参数和尺寸紧密匹配，这二者会共格在一起。当获得晶格大体上一致的条件时，该等分散体的粒子高度稳定，这导致合金在长期暴露于高温时具有较高机械性能。
除合金组分和微结构之外，本发明提供一种独特的热处理程序以优化合金增强机制和合金内的相形成的性能。本发明的优点会随其描述而变得显而易见。
图1是表明具有与周围铝基质原子相似的晶格参数和晶体结构关系的共格粒子的图示。
图2是表明与周围铝基质原子不具有晶体结构关系的非-共格粒子的图示。这种合金在高温下具有很少或根本不具有实际应用。
图3所示是显示先前技术合金在室温下所观察到的θ’和S’共格相的尺寸和形状的电镜照片。
图4所示是显示本发明合金在室温下所观察到的合金增强θ’和S’共格相的尺寸、形状和数量的电镜照片。
图5所示是显示先前技术的合金在暴露于600°F 100小时后，如图3所观察到的θ’和S’共格相向不希望的θ和S非共格相的转变的电镜照片。θ和S相是非共格的，因为他们变得不稳定、迅速变粗糙并溶解，生成具有高温应用所不希望微结构的合金。
图6所示是显示本发明合金在暴露于600°F 100小时后，高度稳定的θ’和S’共格相的电镜照片。与先前技术不同，本发明合金仍保留θ’和S’共格相，这是高温应用所希望的微结构。
图7所示是显示本发明合金与三种众所周知先前技术合金(332、390和413)相比较的图表。该图表分别比较了全部检测样品暴露于500°F、600°F、700°F温度下100小时后的最终抗张强度(500°F、600°F、700°F下测试)。
具体实施例方式
本发明包括详细的组分、微结构和通过习知浇铸方法的加工外形。本发明铝-硅合金的特征在于铸造成型方面的能力，这适合高温应用。按重量百分比计其由以下元素组成硅 6.0-25.0铜 5.0-8.0铁 0.05-1.2镁 0.5-1.5镍 0.05-0.9锰 0.05-1.2钛 0.05-1.2锆 0.05-1.2钒 0.05-1.2锌 0.05-0.9锶 0.001-0.1
磷 0.001-0.1铝 余量硅使合金具有高弹性模数和低热膨胀系数。添加硅主要是为了改进熔化铝的流动性以提高根据本发明铝-硅合金的可铸性。在高硅含量时，合金展示出良好的表面硬度和耐磨性能。
在铝基质中，铜与镁共存并形成固溶体以赋予合金老化-变硬性能，从而改进高温强度。铜也形成9’相化合物(Al2Cu)，并且是这种新合金中最有效的增强元素。如果铜wt％含量不能得到保证，则会影响高温下已提高的高强度。此外，仅能通过向合金中适当添加相对于铜和硅元素的镁而同时形成θ’(Al2Cu)和S’(Al2CuMg)金属化合物，来使合金强度达到最大。在实验中，发现具有明显较高含量镁的合金主要形成具有少量θ’相的S’相。另一方面，具有较低含量镁的合金主要包含具有少量S’相的θ’相。
为使θ’和S’相的形成最大化，将合金组分具体配制成铜与镁(Cu/Mg)的比率范围为4到15，镁的含量最小不低于0.5％。除Cu/Mg比率外，硅与镁(Si/Mg)比率保持在10到25范围内优选为14到20，从而在主要的θ’和S’相之外适当地形成Mg2Si金属化合物作为次要增强相。此外，独特的Cu∶Mg比率极大地提高铝(Al)、铜(Cu)和镁(Mg)原子之间的化学反应。这些化学反应允许合金内较高体积分数的增强相θ’和S’的沉积。图4所示为本发明的合金在室温下观察到的显示合金增强θ’和S’共格相的形成、形状、尺寸和数量的电镜照片。如图4所示，本发明的高体积分数和共格θ’的组合导致高温下额外的抗张强度和微结构稳定性。
向铝-硅合金中加入钛、钒和锆，通过形成具有L12晶体结构的Al3X(X＝Ti、V、Zr)型化合物来调整铝基质的晶格参数。为了在非常接近合金熔点的高温下保持高程度的强度，铝固溶体基质和Al3X化合物的粒子都具有相似的面心立方(FCC)晶体结构，并且因为其各自的晶格参数和尺寸紧密匹配而共格在一起。例如，图1是与周围铝基质原子具有相似晶格参数和晶体结构关系的共格粒子的图示。Al3X(X＝Ti、V、Zr)型化合物粒子也作为在从浇铸过程中固化的熔融铝合金上粒度精细化的核。具有与铝固溶体相似的L12晶格结构的钛和钒还作为分散增强剂，以改进高温机械性能。锆在基质中也形成少量的固溶体，从而提高Al-Cu-Mg体系中富含Cu-Mg的区域GP(Guinier-Preston)带和θ’相的形成以改进老化-变硬性能。尽管稳定的θ’(Al2Cu)是高温下的主要增强相，但是仍不能低估合金中具有Ti、V和Zr元素的重要性。在从浇铸过程中固化的熔融合金上，这些元素与铝反应形成Al3X(X＝Ti、V、Zr)化合物，这些化合物沉淀作为成核位点用于有效的粒度精细化。此外，Al3X(X＝Ti、V、Zr)沉淀物也充当分散增强剂，有效地阻断位错的趋势并提高高温机械性能。如果Ti、V和Zr不以适当的量同时用于形成Al3(Ti、V、Zr)沉淀物，则本发明合金的高温强度特征将受到不利影响。
图6所示是本发明合金暴露在600°F温度下100小时后高度稳定的θ’和S’共格相的电镜照片。与先前技术的合金不同，本发明合金仍保留θ’和S’共格相，这是高温应用所希望的微结构。由于本发明合金独特的Cu/Mg比率，即使于600°F温度下浸泡100小时后，θ’仍保持与基质的一致性。在于600°F温度下浸泡期间，θ’的厚度轻微增长，但并不变粗糙，并仍保持小直径和一致性，这对于在高温下实现高强度很重要。铝基质与θ’相之间的一致性引起θ’沉淀物与基质晶体结构之间的限定关系。结果是，在θ’相与基质界面上的位错趋势得以阻止，并发生明显增强。图5所示为先前技术的合金于600°F温度下暴露100小时后，如图3中所观察，θ’和S’共格相向不希望的θ和S非共格相转变的电镜照片。在图5中，其它先前技术合金的θ’相在高温下显著变粗糙，并失去其一致性，从而导致高温应用强度的急剧下降。图2所示是与周围铝基质原子不具有晶体结构关系的非共格粒子的示意图。这种合金在高温下具有很少或根本不具有实际应用。
镍通过与铝反应形成Al3Ni2和Al3Ni化合物来改进合金在高温下的抗张强度，这些化合物是稳定的冶金相以抵抗来自长期暴露于高温环境的分解效应。
使用锶调整铝-硅合金的共晶相。具有少于或等于12重量％硅的铝-硅合金的强度和展延性通过使用锶作为铝-硅合金改性剂得以充分改进并具有更细颗粒。当硅浓度大于12重量％优选14重量％到20重量％时，使用磷调整硅的主要粒子尺寸。在极低添加量下实现有效调整，但通常使用0.001到0.1重量％范围的回收锶和磷。
为了使这些增强机制在合金中适当发挥作用，该浇铸制品必须具有化学组分和热处理历程的独特组合。此热处理经特殊设计以使该独特化学组分的性能最大化。如上讨论，通过以下增强机制的组合利用独特的热处理程序获得本发明合金的优异性能。展开本发明合金的热处理，通过控制Cu/Mg比率使合金中θ’和S’相(高体积分数)的形成达到最大、稳定在高温下的θ’相，并以同时添加Ti、V和Zr的机制使用于额外增强的Al3(Ti、V、Zr)化合物的形成最大化。
当使用由在400°F到500°F温度下老化4到12小时组成的T5热处理时，本发明获得最大的高温强度。该热处理程序补足了该独特合金组分以形成具有均匀分布和最优粒子尺寸的最大量沉淀物。因此，本合金由于其化学组分和热处理工艺的独特组合而具有优于先前技术合金的性能。
在1325°F到1450°F温度范围内，在没有外部压力的帮助下，使用习知重力浇铸加工本发明合金以实现在500°F到700°F温度下抗张强度的显著改进。然而，可以预期当使用压力浇铸技术如模压铸造来浇铸本发明合金时可获得进一步改进的抗张强度。
自合金来浇铸制品如汽缸盖、发动机组或活塞，然后使该浇铸制品在900°F到1000°F温度下溶液化15分钟到4小时。该溶液化步骤的目的是要溶解非想要的沉淀物并减少合金中存在的任何隔离。对于500°F到700°F温度范围内的应用，可以不需要进行溶液化处理。
溶液化之后，该浇铸制品在淬火介质中有利地淬火，其温度是在120°F到300°F范围内，最优选为170°F到250°F。最佳的萃取介质为水。淬火之后，将浇铸制品在425°F到485°F温度范围内老化6到12小时。
图7所示是表明根据本发明生产的浇铸制品在高温下的最终抗张强度(UTS)的显著改进的图表。该图表显示了根据本发明合金与三种众所周知先前技术合金(332、390和413)的比较。该图表比较了所有测试样品在分别暴露于500°F、600°F、700°F温度下100小时后的UTS(在500°F、600°F和700°F下所测试)。应注意，当在700°F测试时，根据本发明制备的浇铸制品的抗张强度比从习知共晶413.0合金制备的浇铸制品高三倍，比从过共晶332.0合金和亚共晶390.0合金制备的高四倍。
本发明的合金可以大块合金形式使用。它也可用作用于制造铝金属基质复合物(MMC)的合金基质。该等复合物包含作为含有填料的基质的本发明铝合金，该铝合金可为粒子、晶须、短切纤维和连续纤维的形式。一种生产MMC的最流行方法是将各种小粒子或晶须形式的陶瓷材料机械混合并搅拌成熔融铝合金。这种方法称为金属复合物的复合-浇铸或搅拌-浇铸。在搅拌-浇铸技术中，该方法涉及机械混合并搅拌填料使其形成熔融金属熔体。设备通常是由一个容纳熔融铝合金的加热熔炉和一个驱动桨状混合叶轮的电动机组成，该叶轮浸没在熔融金属中。将填料以受控速率且在熔化表面上缓慢注入熔炉以保证平滑和连续进料。温度通常保持在液相线温度以下以保持铝合金处于半固态状态从而提高填料的混合均匀性。
当混合叶轮以中速旋转时，产生将增强粒子从表面拉入熔体的涡流。设计叶轮以产生高水平剪切力，该剪切力有助于除去粒子表面所吸附的气体。这种高剪切力还卷入熔融铝合金中的粒子，其促进粒子湿润以提高填料在MMC中的均匀分布。
金属复合物中的填料不应与于通常具有小于100纳米(nm)尺寸的θ’和S’粒子或Al3X(X＝Ti、V、Zr)粒子相混。加入到铝MMC中的填料或增强材料通常具有极大高于500纳米的最小尺寸，通常在1到20微米范围内。
用于制造铝金属基质复合物的合适增强材料包括普通材料，如碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)、碳化硼(B4C)、氮化硼(CN)、碳化钛(TiC)、氧化钇(Y2O3)、石墨、金刚石粒子及其混合物。这些增强材料的体积分数可高达约60体积％，最佳为5-35体积％。
本发明已关于某些优选实施方式进行了详细说明。应理解，在不偏离本发明精神和范围情况下，如先前附加的权利要求书中所界定，可在所述细节上进行变化和修改。
权利要求
1.一种来自铝合金的浇铸制品，其在高温下具有改进的机械性能，该浇铸制品按重量百分比计含有以下组分硅 6.0-25.0铜 5.0-8.0铁 0.05-1.2镁 0.5-1.5镍 0.05-0.9锰 0.05-1.2钛 0.05-1.2锆 0.05-1.2钒 0.05-1.2锌 0.05-0.9锶 0.001-0.1磷 0.001-0.1铝 余量其中硅与镁(Si/Mg)比率为10-25，且铜与镁(Cu/Mg)比率为4-15。
2.根据权利要求1所述的浇铸制品，其包含铝固溶体基质，该基质含有三种类型Al3X化合物粒子(X＝Ti、V、Zr)的同时分散体，该等化合物粒子具有L12晶体结构和与铝基质晶格一致的晶格参数。
3.根据权利要求2所述的浇铸制品，其中该铝固溶体基质含有三种类型Al3X化合物粒子(X＝Ti、V、Zr)的同时分散体，该等粒子直径的平均尺寸小于约100纳米。
4.根据权利要求2所述的浇铸制品，其中该铝固溶体基质含有来自θ’和S’相的两种类型粒子的同时分散体，且其中在室温下θ’相的平均粒子尺寸为直径小于300纳米。
5.根据权利要求4所述的浇铸制品，其中在于600°F温度下浸泡100小时后θ’粒子相的平均尺寸小于250纳米。
6.根据权利要求4所述的浇铸制品，其中在于600°F到700°F之间的温度下浸泡100小时后，θ’相仍与基质保持半共格。
7.一种用于从铝合金制造在高温下具有改进机械性能的浇铸制品的方法，该方法包括a.从按重量百分比计具有以下组分的铝合金浇铸物品硅 6.0-25.0铜 5.0-8.0铁 0.05-1.2镁 0.5-1.5镍 0.05-0.9锰 0.05-1.2钛 0.05-1.2锆 0.05-1.2钒 0.05-1.2锌 0.05-0.9锶 0.001-0.1磷 0.001-0.1铝 余量；其中硅与镁(Si/Mg)比率为10-25，并且铜与镁(Cu/Mg)比率为4-15；b.通过将该浇铸制品暴露于900°F到1000°F范围内的温度下15分钟到4小时的时间段来将浇铸制品暴露于溶液化步骤；然后c.将该浇铸制品在400°F到500°F范围内的温度下老化4到16小时。
8.根据权利要求7所述的方法，其中该浇铸制品在425°F到485°F范围内的温度下老化6到12小时。
9.根据权利要求7所述的方法，其中该溶液化步骤之后在温度在120°F到300°F范围内的介质中淬火。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该淬火介质温度在170°F到250°F范围内。
11.一种包含铝合金的金属基质复合物，按重量百分比计其含有以下组分硅 6.0-25.0铜 5.0-8.0铁 0.05-1.2镁 0.5-1.5镍 0.05-0.9锰 0.05-1.2钛 0.05-1.2锆 0.05-1.2钒 0.05-1.2锌 0.05-0.9锶 0.001-0.1磷 0.001-0.1铝 余量；其中硅与镁(Si/Mg)比率为10-25，并且铜与镁(Cu/Mg)比率为4-15；该铝合金在铝固溶体中包含具有L12晶体结构的Al3X(X＝Ti、V、Zr)化合物粒子，且该铝合金充当含有高达约60体积％次级填料的基质，该填料具有选自由粒子、晶须、短切纤维或连续纤维组成的群组的几何形状。
12.根据权利要求11所述的金属基质复合物，其中该次级填料选自由碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)、碳化硼(B4C)、氮化硼(CN)、碳化钛(TiC)、氧化钇(Y2O3)、石墨和金刚石粒子组成的群组，并以在5体积％与35体积％之间的体积分数而存在。
13.一种按重量百分比计含有以下组分的铝合金硅 6.0-25.0铜 5.0-8.0铁 0.05-1.2镁 0.5-1.5镍 0.05-0.9锰 0.05-1.2钛 0.05-1.2锆 0.05-1.2钒 0.05-1.2锌 0.05-0.9锶 0.001-0.1磷 0.001-0.1铝 余量其中硅与镁(Si/Mg)比率为10-25，且铜与镁(Cu/Mg)比率为4-15。
14.根据权利要求13所述的铝合金，其包含铝固溶体基质，该固溶体基质含有三种类型Al3X化合物粒子(X＝Ti、V、Zr)的同时分散体，该等粒子具有Ll2晶体结构和与铝基质晶格一致的晶格参数。
全文摘要
一种来自于铝合金的浇铸制品在高温下具有改进的机械性能。该浇铸制品按重量百分比计具有以下组分硅6.0－25.0，铜5.0－8.0，铁0.05－1.2，镁0.5－1.5，镍0.05－0.9，锰0.05－1.2，钛0.05－1.2，锆0.05－1.2，钒0.05－1.2，锌0.05－0.9，锶0.001－0.1，磷0.001－0.1，余量为铝，其中硅与镁比率为10－25，并且铜与镁比率为4－15。该铝合金含有具有L文档编号C22C32/00GK1643171SQ03807118
公开日2005年7月20日 申请日期2003年4月3日 优先权日2002年4月10日
发明者乔纳森·A·李, 陈柏寿 申请人:美国国家航空暨太空总署