專利名稱：用于航空和汽車鑄件的可熱處理Al－Zn－Mg合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是用于航空和汽車的異形鑄件的鋁合金、包含該合金的鑄件和制造該合金的鑄造部件的方法。
背景技術(shù)：
鑄鋁零件被用于汽車懸架中的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中以減輕重量。最常用的合金組Al-Si7-Mg具有良好確定的強度極限。為了獲得更輕重量的零件，需要具有確定的設(shè)計材料性能的更高強度的材料。目前，由A356.0制成的鑄造材料，即最常用的Al-Si7-Mg合金能夠可靠地保證290MPa(42060psi)的極限抗拉強度、220MPa(31908psi)的拉伸屈服強度以及8％或更大的延伸率。
存在且登記的許多替代合金表現(xiàn)出比Al-Si7-Mg合金高的強度。但是，這些合金在可鑄性、腐蝕電位或流動性方面表現(xiàn)出不易克服的問題。因此這些替代性合金不適于使用。
在需要高強度的情況下，常使用鍛造產(chǎn)品。這些產(chǎn)品通常比鑄造產(chǎn)品昂貴。如果鑄造產(chǎn)品可用于代替鍛造產(chǎn)品而不損失強度、延伸率、耐腐蝕性、疲勞強度等，那么存在相當大的成本節(jié)約潛力。在汽車和航空應(yīng)用中均是如此。
表現(xiàn)出比Al-Si7-Mg材料高的抗拉強度和抗疲勞性的鑄造合金是所希望的。這些提高可用于減輕新零件或現(xiàn)有零件的重量，可以利用改良材料性能對這些零件進行重新設(shè)計以獲得大的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的合金是用于低壓永久型鑄造或半永久型鑄造、壓擠鑄造、高壓模鑄、壓力鑄造或重力鑄造、消失模鑄造(lost foam)、熔模鑄造、真空模鑄(V-mold casting)或砂模鑄造的Al-Zn-Mg基合金，該合金具有以下成分范圍(均以重量百分比為單位)Zn約3.5～5.5％；Mg約0.8～1.5％；Si小于約1.0％；Mn小于約0.30％；和Fe和其它附帶雜質(zhì)小于約0.30％。
可以使用最高約1.0％的硅以提高可鑄性?？梢允褂酶退降墓枰蕴岣邚姸?。對于一些應(yīng)用，可以使用最高約0.3％的錳以提高可鑄性。在其它應(yīng)用中，錳應(yīng)被避免。
該合金還可包含諸如二硼化鈦、TiB2或碳化鈦TiC的晶粒細化劑和/或諸如鋯或鈧的抗再結(jié)晶試劑。如果使用二硼化鈦作為晶粒細化劑，那么合金中的硼濃度可以為0.0025～0.05％。類似地，如果使用碳化鈦作為晶粒細化劑，那么合金中的碳濃度可以為0.0025～0.05％。典型的晶粒細化劑是包含TiC或TiB2的鋁合金。
如果在固溶熱處理過程中使用鋯以防止晶粒生長，那么它的用量通常低于0.2％。也可以在低于0.3％的范圍中使用鈧。
本發(fā)明的目的在于，提供具有良好強度、適用于形成成形鑄件的良好可鑄性、良好的耐蝕性和良好的抗熱沖擊性的一類鋁合金。細的晶粒尺寸對于強度和外觀通常是所希望的，對于陽極化然后涂覆光亮飾面層的部件尤其如此。
在一個方面中，本發(fā)明是包含約3.5～5.5％的Zn、約0.8～1.5％的Mg的鋁合金。它包含小于約1％的Si、小于約0.30％的Mn以及小于約0.30％的Fe和其它附帶雜質(zhì)。
在另一方面中，本發(fā)明是一種包含約3.5～5.5％Zn、約0.8～1.5％Mg、小于約1％Si、小于約0.30％Mn和小于約0.30％的Fe和其它附帶雜質(zhì)的鋁合金的可熱處理成形鑄件。
在另一方面中，本發(fā)明是一種制備可熱處理鋁合金成形鑄件的方法。該方法包括制備包含約3.5～5.5％Zn、約0.8～1.5％Mg、小于約1％Si、小于約0.30％Mn和小于約0.30％的Fe和其它附帶雜質(zhì)的鋁合金的熔體。該方法還包括在配置為產(chǎn)生成形鑄件的鑄模中鑄造至少一部分熔體；使熔體凝固；和從鑄模中移出成形鑄件。


附圖給出具有和沒有銅的Al-Zn-Mg合金的ASTM G44應(yīng)力腐蝕試驗的結(jié)果。
具體實施例方式
當提到這里的任何數(shù)值范圍時，這些范圍應(yīng)被理解為包含所述范圍最小值和最大值之間的每一個整數(shù)和/或分數(shù)。例如，約3.5～5.5重量％Zn的范圍明顯包含約3.6、3.7、3.8和3.9％一直如此向上并包含5.3、5.35、5.4、5.475和5.499％的Zn的所有中間值。這同樣適用于這里所述的各個其它的數(shù)值性能和/或元素范圍。
與類似的包含銅的Al-Zn-Mg合金相比較，對根據(jù)本發(fā)明的合金進行。使樣品以0.1℃/秒的冷卻速率定向凝固。在表1中給出結(jié)果。
表1

表1中所示的第一種合金是Al-4.5Zn-1.2Mg。對分別為T5和T6狀態(tài)(temper)的兩個樣品進行測試。對于T5和T6狀態(tài)的該合金的兩個樣品，以兆帕斯卡為單位給出抗拉強度和屈服強度，以百分比給出延伸率。該合金是本發(fā)明的實施例。
表1中所示的第二種合金也具有本發(fā)明范圍中的組成。它包含Al-4.5Zn-1.2Mg-0.4Si。在T5狀態(tài)下，該合金的抗拉強度和屈服強度的值比上一種合金低。但是，在T6狀態(tài)下，它的抗拉強度、屈服強度和延伸率的值顯著高于上一種合金。
表1中所示的第三種合金不在本發(fā)明的組成范圍內(nèi)。它的給出是為了比較。第三種合金在T5狀態(tài)下抗拉強度和屈服強度以及延伸率的值比T5狀態(tài)的第二種合金高，但在T6狀態(tài)下，抗拉強度、屈服強度和延伸率的值比第二種合金低。
表1中所示的第四種合金也不在本發(fā)明的組成范圍內(nèi)。它的給出也是為了比較。給出的數(shù)據(jù)說明可能防止晶粒生長的鋯的作用。T6狀態(tài)的結(jié)果表現(xiàn)出非常高的抗拉強度、屈服強度和延伸率的值。
在第一工廠試用中測試根據(jù)本發(fā)明的合金的成形鑄件的力學(xué)性能，并在表2中給出結(jié)果。
表2

用于第一工廠試用的組成是Al-3.5Zn-0.97Mg。表中以兆帕斯卡為單位給出抗拉強度和屈服強度，并以百分比為單位給出延伸率。測試T5狀態(tài)的兩個樣品，并測試鑄態(tài)材料的兩個樣品。注意到鑄態(tài)材料的延伸率具有15.03％和15.95％的異常值。
還在第二工廠試用中對相比表1的合金包含稍多的鎂的合金進行了測試。在表3中給出第二工廠試用的數(shù)據(jù)。
表3

表3中的數(shù)據(jù)是關(guān)于包含Al-3.5Zn-1.1Mg的合金。這是根據(jù)本發(fā)明的合金。給出三種不同的熱處理的數(shù)據(jù)。第一種是160℃保溫1小時，第二種是160℃保溫六小時，第三種是143℃保溫32小時。該表中的抗拉強度和屈服強度值以兆帕斯卡表示，而延伸率以百分比表示。
表4給出與表3中樣品相同的合金的數(shù)據(jù)。對表4中報告的樣品進行T6熱處理，該熱處理為471℃保溫3小時、然后527℃保溫10小時隨后冷水淬火。然后如表4所記錄對樣品進行時效，然后獲得表4中的應(yīng)力結(jié)果。表中的第一行是關(guān)于只進行自然時效的樣品。
表4

還使用名為“Standard Practice for Exposure of Metals andAlloys by Alternate Immersion in Neutral 3.5％ Sodium ChlorideSolution”的ASTM G44進行腐蝕試驗。在該試驗中，對加有應(yīng)力的試樣進行1小時循環(huán)，該循環(huán)包括浸入3.5％NaCl溶液中10分鐘然后放在實驗室空氣中50分鐘。對樣品施加應(yīng)力到它們的屈服強度的75％，并且運行該試驗180天。
附圖顯示了該試驗的結(jié)果。可以看出，在高的鎂水平下，需要銅以防止應(yīng)力腐蝕開裂。但是，對于本發(fā)明的低的鎂水平(約1.2％Mg)，不需要銅。
上面給出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但應(yīng)理解，可以在附屬權(quán)利要求的范圍內(nèi)以另外的方式實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于成形鑄件的可熱處理鋁合金，所述鋁合金按重量百分比包含以下合金成分Zn約3.5～5.5％；Mg約0.8～1.5％；Si小于約1％；Mn小于約0.30％；和Fe和其它附帶雜質(zhì)小于約0.30％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鋁合金，還包含選自硼、碳及其組合的至少一種晶粒細化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的鋁合金，其中所述至少一種晶粒細化劑包含約0.0025～0.05％的硼。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的鋁合金，其中所述至少一種晶粒細化劑包含約0.0025～0.05％的碳。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的鋁合金，還包含選自鋯、鈧及其組合的至少一種抗再結(jié)晶試劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的鋁合金，其中所述至少一種抗再結(jié)晶試劑包含低于0.2％的鋯。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的鋁合金，其中所述至少一種抗再結(jié)晶試劑包含低于0.3％的鈧。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的鋁合金，其中所述鋅的濃度為約4.2～4.8％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的鋁合金，其中所述鋅的濃度為約4.4～4.6％。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的鋁合金，其中所述鎂的濃度為約1.0～1.4％。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的鋁合金，其中所述鎂的濃度為約1.1～1.3％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的鋁合金，其中所述合金中的鐵的濃度小于約0.3％。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的鋁合金，其中所述合金中的錳的濃度小于約0.3％。
14.一種鋁合金的成形鑄件，其中所述合金包含以下合金成分Zn約3.5～5.5％；Mg約0.8～1.5％；Si小于約1％；Mn小于約0.30％；和Fe和其它附帶雜質(zhì)小于約0.30％。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的成形鑄件，該成形鑄件是T5熱處理后的成形鑄件。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的成形鑄件，該成形鑄件是T6熱處理后的成形鑄件。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的成形鑄件，其中所述鋅的濃度為約4.2～4.8％。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的成形鑄件，其中所述鋅的濃度為約4.4～4.6％。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的成形鑄件，其中所述鎂的濃度為約1.0～1.4％。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的成形鑄件，其中所述鎂的濃度為約1.1～1.3％。
21.一種制造鋁合金成形鑄件的方法，所述方法包括制備鋁合金的熔體，所述合金包含以下合金成分Zn約3.5～5.5％；Mg約0.8～1.5％；Si小于約1％；Mn小于約0.30％；Fe和其它附帶雜質(zhì)小于約0.30％；在配置為產(chǎn)生所述成形鑄件的鑄模中鑄造所述熔體的至少一部分；使所述熔體在所述鑄模中凝固；和從所述鑄模中移出所述成形鑄件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，還包含對所述成形鑄件進行T5熱處理。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，還包含對所述成形鑄件進行T6熱處理。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述鋅的濃度為約4.2～4.8％。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述鋅的濃度為約4.4～4.6％。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述鎂的濃度為約1.0～1.4％。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述鎂的濃度為約1.1～1.3％。
全文摘要
一種用于成形鑄件的可熱處理鋁合金，包含約3.5～5.5％的Zn、約1～1.5％的Mg、小于約1％的Si、小于約0.30％的Mn和小于約0.3％的Fe和其它附帶雜質(zhì)。
文檔編號C22C21/10GK1965098SQ200580018220
公開日2007年5月16日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月22日
發(fā)明者J·C·林, C·亞納爾, M·K·布蘭特, 嚴新炎, 張文平 申請人:美鋁公司