合金铸材与合金制品的形成方法
【专利说明】合金铸材与合金制品的形成方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及合金铸材，更特别涉及其组成与成形方式。 【【背景技术】】
[0002] 近年来石油价格飞涨，在能源与环境的议题逐渐受重视的情况下，汽车、机车等运 输工具的动力元件（如：润轮增压器、汽缸头、排气岐管等零组件）运用轻质的铅合金材料 成为目前主要趋势。目前汽机车等运输工具的动力元件大多W传统铸造方式所制成，此传 统制程对于产品外型与结构设计有所局限，需要繁琐的CNC后加工与热处理制程，其过程 费时、耗能、耗材，且对于形状复杂的动力元件的加工难度则更高，加工程序复杂再加上加 工时间长，导致加工成本相当高。综上所述，传统铸造方式非常不适合用于复杂结构且需兼 具多元需求的汽车、机车零组件开发。
[0003] 综上所述，目前亟需新的铅合金材料及其加工方式，W克服现有技术耗工耗时的 问题。 【
【发明内容】
】
[0004] 本发明一种实施方式提供合金铸材，包括；97至99重量份的Al与Si ;0. 25至0. 4 重量份的化；W及0. 15至1. 35重量份的Mg、Ni、与Ti中至少两者的组合。
[0005] 本发明一种实施方式提供合金制品的形成方法，包括：将上述合金铸材气体喷制 成粉末，再W激光增材制造 （laser additive manu化Cturing)烧结粉末W成形烧结体；W 及时效热处理所述烧结体，W完成合金制品。 【【具体实施方式】】
[0006] 在下述内容中，将公开W激光增材制造烧结的方式制作运输工具的动力元件。利 用激光增材制造烧结技术，可将传统的H阶段制程（成形+CNC后加工+热处理）缩减成 增材烧结的单一制程。烧结体可近似成型（near net-shape),降低材料使用量，同时可W 解决难W加工成型结构件W及需要内部水路设计的动力元件的加工问题，同时降低材料用 量。为了使铅合金粉体具耐高温性与机械强度W达到汽、机车等运输工具的动力元件规格 需求，同时能符合激光增材制造烧结制程，需调整铅合金粉体组成W提升铅合金粉体的高 温机械强度。另一方面，可采用气体喷粉使铅合金块材形成高真圆度的铅合金粉体。
[0007] 在本发明一种实施方式中，合金铸材粉体包括；97至99重量份的Al与Si ;0. 25 至0. 4重量份的化；W及0. 15至1. 35重量份的Mg、Ni、与Ti中至少两者的组合。若化的 比例过高，则会降低铸造流动性与耐蚀性。若化的比例过低，则降低铅合金机械强度与机 械加工性。
[000引在本发明一种实施方式中，合金铸材中的Si占6至8重量份，而合金铸材中的Al 占89至93重量份。若Si的比例过高，则造成合金的延展性变差。若Si的比例过低，则会 降低铸造流动性，铸材硬度会降低。
[0009] 在本发明一种实施方式中，合金铸材中的Mg占0.7至0.9重量份。若Mg的比例 过高，则造成合金的延展性变差。若Mg的比例过低，则降低铅合金强度与耐磨性。在本发 明一种实施方式中，合金铸材中的Ni占0. 1至0. 25重量份。若Ni的比例过高，则会造成 合金的延展性变差。若Ni的比例过低，则无法提升铅合金材料的高温机械性质。在本发明 一种实施方式中，合金铸材中的Ti占0.05至0.2重量份之间。若Ti的比例过高，则易与 铅合金材料中其他元素形成化合物，对合金材料的机械性质会造成负面影响。
[0010] 在本发明一种实施方式中，上述合金铸材可用于形成合金制品。举例来说，可先依 上述比例将A1、Si、化、Ni、Mg、与Ti烙融成合金块材。接着将合金块材气体喷粉成粉末， 再W激光增材制造烧结喷出的粉末，W形成烧结体。在本发明一种实施方式中，上述粉末的 尺寸介于5 y m至35 y m之间。若粉末尺寸过大，则造成激光增材制造烧结后的烧结体表面 粗糖度过高，影响烧结体的精度。若粉末尺寸过小，则易造成粉体团聚，降低粉体的流动性， 影响激光增材制造制程中每一层粉体铺粉后粉体厚度均匀性。在本发明一种实施方式中， 激光增材制造烧结的温度介于66(TC至240(TC之间。若激光增材制造烧结的温度过高，贝U 会造成铅合金材料汽化。若激光增材制造烧结的温度过低，则铅合金材料会无法烙解。接 着时效热处理烧结体，W完成合金制品。在本发明一种实施方式中，时效热处理的温度介于 15(TC至18(TC之间。若时效热处理的温度过高，则会过时效，析出相粒径增大、颗粒数减少 及析出相密度变低，降低合金的硬度。若时效热处理的温度过低，则析出相析出不充分，硬 度提升效果变差。上述气体喷粉、激光增材制造烧结、与时效热处理的原理即所谓的3D列 印，烧结的合金粉末堆迭成形，可省略传统车床加工消耗的原料，或传统模具成形的模具。
[0011] 为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举多个实施 例，作详细说明如下：
[001引【实施例】
[001引 实施例1
[0014] 依据表1的41、51、化、1旨、化、与1'1的重量比例，先^高温炉烙炼成铅合金。接着 依序经过气体喷粉、激光增材制造烧结、和时效热处理（165°C，时间为6小时），且铅合金烧 结体在时效热处理前和时效热处理后的硬度分析结果（W洛氏硬度机进行HRB标准硬度测 试，依据ASTM E18规范）如表1所示。铅合金烧结体具有时效析出硬化的特性，其中W铜 含量为0. 3重量份和0. 4重量份的烧结体经时效热处理后的硬度提升幅度最大。
[001引 表1
[0016]
[0017] 上述试片A1-A9的常温抗拉强度（W Gleeble3500进行材料常温拉伸强度测试， 依据ASTM E8规范）、常温降伏强度（yield Strength) ( W Gleeble3500进行材料常温降伏 强度测试，依据ASTM E8规范）、常温伸长率（WGleeble3500进行材料常温伸长率测试， 依据ASTM E8规范）、高温抗拉强度（W Gleeble3500进行材料高温拉伸强度测试，依据 ASTM E8 (E8M)&E21规范）、高温降伏强度（W Gleeble3500进行材料高温降伏强度测试，依 据ASTM E8 (E8M)&E21规范）、与高温伸长率（W Gleeble3500进行材料高温伸长率测试，依 据ASTM E8 (E8M)&E21规范）如表2所示。在考量材料强度与延性须兼顾的情况下，W Alg i.esSiyCuojMgo.sNio.isTio.i (A。和 Al9i.55Si7Cu〇.3Mg〇.7Ni〇.25Ti〇.2(A8)两组铅合金工件经过时效 处理后，常温与高温（25(TC )下的机械强度和伸长率最符合需求。
[001引 表2
[0019]
[0020」 头她例Z
[0021] 固定娃、镇、媒和铁含量，并改变铅合金粉体中铜含量进行合金烙炼，其成份重量 百分比如表3所示，再依序经过气体喷粉、激光增材制造烧结、和时效热处理（165°C，时间 为6小时）。表4为改性后铅合金烧结体时效处理前和时效处理后的硬度，表5为试片 B1-B4的常温抗拉强度、常温降伏强度、常温伸长率、高温抗拉强度、高温降伏强度、与高温 伸长率，其测量标准同前述。在考量材料强度与延性须兼顾的情况下，W Algi.sSi本Ue.sMgc.sN 1。.21'1。.2度：3)经过时效处理后，硬度可达皿8 74.5且常温下和高温（250°〇下的机械强度 和伸长率也最符合需求。
[0022] 表 3
[0023]
[0027] 比较例I
[002引取市售的铅合金材料AlSii0Mg(A360 ;振寓有限公司和AC4B(AlSi9Fei.2Cu4M%5Mgi. 0化0.52叫.。1'1。.25;振寓有限公司）同样依序经过气体喷粉、激光增材制造烧结、和时效热处理 (165°C，时间为6小时），进行常温下和高温下的机械强度比较，结果如表5所示。本发明 开发的铅合金粉体，在高温环境（25(TC )下的高温机械强度如抗拉强度扣T巧与降伏强度 灯巧均高于市售商品，因此更适于应用在汽机车动力元件相关产业。
[0029]表 5 [00301
[00引]比较例2
[0032] 选用与本发明的元素范围W外的铅合金材料，如表6所示，也同样依序经过气体 喷粉、激光增材制造烧结、和时效热处理（165°C，时间为6小时），进行常温下和高温下的机 械强度比较，结果如表7所示。本发明开发的铅合金粉体，在高温环境（25(TC)下的高温机 械强度如抗拉强度扣T巧与降伏强度灯巧均高于表6中四组铅合金材料，因此更适于应用 在汽机车动力元件相关产业。
[0033] 表 6
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[003引虽然本发明已W多个实施例掲露如上，然其并非用W限定本发明，任何本技术领 域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的 保护范围当W所附权利要求书所界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种合金铸材，包括： 97至99重量份的A1与Si ; 0.25至0.4重量份的Cu ;以及 0. 15至1. 35重量份的Mg、Ni、与Ti中至少两者的组合。2. 如权利要求1所述的合金铸材，其中Si占6至8重量份。3. 如权利要求1所述的合金铸材，其中A1占89至93重量份。4. 如权利要求1所述的合金铸材，其中Mg占0. 7至0. 9重量份。5. 如权利要求1所述的合金铸材，其中Ni占0. 1至0. 25重量份。6. 如权利要求1所述的合金铸材，其中Ti占0. 05至0. 2重量份。7. -种合金制品的形成方法，包括： 将权利要求1所述的合金铸材气体喷粉成粉末，再以激光增材制造烧结粉末以成形烧 结体；以及 时效热处理该烧结体，以完成合金制品。8. 如权利要求7所述的合金制品的形成方法，其中该合金铸材的粉末粒径为5 μ m至 35 μ m〇9. 如权利要求7所述的合金制品的形成方法，其中激光烧结温度为660°C至2400°C。10. 如权利要求7所述的合金制品的形成方法，其中时效热处理该制品的温度为150°C 至 180°C。
【专利摘要】本发明提供合金铸材，其包括：97至99重量份的Al与Si；0.25至0.4重量份的Cu；以及0.15至1.35重量份的Mg、Ni、与Ti中至少两者的组合。上述合金铸材经气体喷粉成粉末，再以激光增材制造烧结粉末以成形烧结体。时效热处理烧结体，可完成合金制品。
【IPC分类】C22C21/02, C22C1/04
【公开号】CN105714161
【申请号】CN201410723012
【发明人】周育贤, 杨智超, 侯彦羽, 翁鋕荣, 陈溪山
【申请人】财团法人工业技术研究院