專利名稱：用于航空和汽車鑄件的Al－Si－Mg－Zn－Cu合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁合金，且更具體涉及包含硅(Si)、鎂(Mg)、鋅(Zn)和銅(Cu)的鋁鑄造合金。
背景技術(shù)：
鑄造鋁零件廣泛用于航空和汽車工業(yè)中以減輕重量。最為常用的鑄造合金Al-Si7-Mg具有良好確立的強度極限。目前，在E357的鑄造材料中，最為常用的Al-Si7-Mg合金在室溫下能可靠地確保310MPa(45,000psi)的極限拉伸強度、260MPa(37,709psi)的拉伸屈服強度，同時具有5％或更大的伸長率。為了獲得較輕重量的零件，需要具有設(shè)計用的確定材料性能且具有更高強度和更高延展性的材料。
存在并且注冊了許多具有更高強度的可替換的合金。然而，這些合金也表現(xiàn)出可鑄性、腐蝕電位或流動性方面的潛在問題，這些問題不易克服并因此不適于應(yīng)用。因此需要比Al-Si7-Mg合金(例如E357，該合金也具有好的可鑄性、抗腐蝕性和其它希望的性能)具有更高機械性能的合金。
發(fā)明概述本發(fā)明提供具有提高機械性能的發(fā)明性AlSiMg合金，由本發(fā)明合金生產(chǎn)的成型鑄件以及形成由本發(fā)明合金生產(chǎn)的成型鑄件的方法。本發(fā)明AlSiMg合金組成包含Zn、Cu和Mg，其比例適于產(chǎn)生與現(xiàn)有AlSi7Mg合金例如E357相比提高的機械性能，這些機械性能包括但不限于極限拉伸強度(UTS)和拉伸屈服強度(TYS)。
一個方面，本發(fā)明是基本組成如下的鋁鑄造合金
4-9％Si；0.1-0.7％Mg；低于或等于5％Zn；低于0.15％Fe；低于4％Cu；低于0.3％Mn；低于0.05％B；低于0.15％Ti；且余量基本由鋁構(gòu)成。
值得注意的是上述百分比是重量％(wt％)。在本發(fā)明的一些實施方案中，選擇Zn、Cu和Mg的比例以提供與現(xiàn)有AlSi7Mg合金例如E357相比具有提高強度性能的AlSiMg合金。在本發(fā)明的一個實施方案中，術(shù)語“提高的強度性能”表示與相似制備的E357鑄件相比時，在室溫或高溫應(yīng)用中，T6狀態(tài)熔模鑄件的拉伸屈服強度(TYS)約20-30％的提高和極限拉伸強度(UTS)約20-30％的提高，同時保持與E357相似的伸長率。
在本發(fā)明的一些實施方案中，增加合金的Cu含量以提高室溫(22℃)和高溫下合金的極限拉伸強度(UTS)和拉伸屈服強度(TYS)，其中高溫范圍是100-250℃，優(yōu)選150℃。然而，應(yīng)了解的是隨著升高溫度，極限拉伸強度(UTS)和拉伸屈服強度(TYS)通常降低，但值得注意的是，當與沒有Cu引入的相似AlSi7Mg合金比較時，Cu的引入通常增加高溫強度性能。在本發(fā)明的一個實施方案中，最小化Cu含量以提高高溫伸長率。另外值得注意的是，伸長率(E)典型隨更高溫度而增加。
在本發(fā)明的一些實施方案中，選擇合金的Cu含量和Mg含量以提高室溫(22℃)和高溫下的合金的極限拉伸強度(UTS)和屈服拉伸強度(YTS)。在本發(fā)明的一些實施方案中，Zn含量可增加具有Cu和較高Mg濃度組成的合金的伸長率。在本發(fā)明的一些實施方案中，Zn含量可降低具有Cu和較低Mg濃度組成的合金的伸長率。Zn引入除在室溫下影響伸長率之外，在高溫下也觀察到相似的趨勢。
在本發(fā)明的一些實施方案中，Cu組分可低于或等于2％，Zn組分的范圍可以是約3-約5％，其中該公開范圍內(nèi)的增加的Zn濃度通?？商岣吆辖鸬臉O限拉伸強度(UTS)和屈服拉伸強度(TYS)。也已經(jīng)認識到在Cu濃度高于2％的本發(fā)明合金組成中Zn的引入通常可略微降低合金的極限拉伸強度(UTS)。在一個實施方案中，當Cu含量高于2％時將Zn含量減少到低于3％。在一個實施方案中，當Cu含量高于2％時，Zn含量可以是0％。在本發(fā)明的另一個實施方案中，選擇Cu、Zn和Mg的含量以提供增加的伸長率，其中當Zn含量低于約2.5wt％時Mg的引入對本發(fā)明合金具有正面影響(增加伸長率)，而當Zn含量高于2.5wt％時Mg的引入具有負面影響(降低伸長率)。在本發(fā)明的一個實施方案中，合金的極限拉伸強度(UTS)可隨低于.5wt％的Ag添加而提高。
在本發(fā)明的一些實施方案中，選擇Mg、Cu和Zn的含量以便對室溫和高溫下的合金的品質(zhì)指標具有正面影響。品質(zhì)指標是強度和伸長率的表現(xiàn)。盡管Cu的引入提高合金的強度，然而可能以降低合金伸長率作為代價，這又降低了合金的品質(zhì)指標。在一個實施方案中，向包含Cu和大于1wt％Zn的本發(fā)明合金中引入Mg以提高合金的品質(zhì)指標。另外，當Mg含量較高例如大約.6wt％并且Cu含量較低例如低于2.5wt％時Zn能提高品質(zhì)指標。
本發(fā)明合金適用于F、T5或T6熱處理。當與E357比較時該合金的流動性也得到改良。
另一方面，本發(fā)明是基本組成如下的成型鑄件4-9％Si；0.1-0.7％Mg；低于或等于5％Zn；低于0.15％Fe；低于4％Cu；低于0.3％Mn；低于0.05％B；低于0.15％Ti；并且余量基本由鋁構(gòu)成。
在另外的方面，本發(fā)明是制備成型鋁合金鑄件的方法，該方法包括制備基本組成如下的熔融金屬物質(zhì)4-9％Si；0.1-0.7％Mg；低于或等于5％Zn；低于0.15％Fe；低于4％Cu；低于0.3％Mn；低于0.05％B；低于0.15％Ti；余量基本由鋁構(gòu)成；和由所述熔融金屬物質(zhì)形成鋁合金產(chǎn)品。
在本發(fā)明方法的一個實施方案中，形成鋁合金產(chǎn)品包括通過熔模鑄造、低壓或重力鑄造、永久或半永久鑄型、壓擠鑄造、壓鑄、定向鑄造或砂型鑄造方法將熔融金屬物質(zhì)鑄造為鋁合金鑄件。該形成方法可還包括制備具有激冷(chill)和冒口的鑄型。在本發(fā)明的一個實施方案中，熔融金屬物質(zhì)是觸變金屬物質(zhì)，并且形成鋁合金產(chǎn)品包括半固態(tài)鑄造或成型。
附圖的簡要描述

圖1a給出含有約7％Si、約0.5％Mg、還含有各種Zn和Cu量并以1℃/秒定向凝固的鋁合金樣品的室溫拉伸強度數(shù)據(jù)。
圖1b給出含有約7％Si、約0.5％Mg、還含有各種Zn和Cu量并以0.4℃/秒定向凝固的鋁合金樣品的室溫拉伸強度數(shù)據(jù)。
圖2a給出含有約7％Si、約0.5％Mg、還含有各種Zn和Cu量并以1℃/秒定向凝固的鋁合金樣品的室溫屈服強度數(shù)據(jù)。
圖2b給出含有約7％Si、約0.5％Mg、還含有各種Zn和Cu量并以0.4℃/秒定向凝固的鋁合金樣品的室溫屈服強度數(shù)據(jù)。
圖3a給出含有約7％Si、約0.5％Mg、還含有各種Zn和Cu量并以1℃/秒定向凝固的鋁合金樣品的室溫伸長率數(shù)據(jù)。
圖3b給出含有約7％Si、約0.5％Mg、還含有各種Zn和Cu量并以0.4℃/秒定向凝固的鋁合金樣品的室溫伸長率數(shù)據(jù)。
圖4給出含有約7％Si、約0.5％Mg、還含有各種Zn和Cu量鋁合金樣品的流動性測試的結(jié)果。
圖5給出室溫下的品質(zhì)指標，其基于含有約7％Si、約0.5％Mg并還含有各種Zn和Cu量的鋁合金樣品的極限拉伸強度和伸長率。
圖6給出描述Mg、Cu和Zn濃度對使用熔模鑄造和T6熱處理生產(chǎn)的含有7Si-Mg-Cu-Zn的試樣的高溫(約150℃)極限拉伸強度(UTS)影響的曲線圖。
圖7給出描述Mg、Cu和Zn濃度對使用熔模鑄造和T6熱處理生產(chǎn)的含有7Si-Mg-Cu-Zn的試樣的高溫(約150℃)伸長率(E)影響的曲線圖。
圖8給出描述Mg、Cu和Zn濃度對使用熔模鑄造和T6熱處理生產(chǎn)的含有7Si-Mg-Cu-Zn的試樣的高溫(約150℃)品質(zhì)指標(Q)影響的曲線圖。
圖9給出包括根據(jù)本發(fā)明的合金組成的表格并且包括一種現(xiàn)有技術(shù)合金(E357)用于比較目的。圖9還包括取自在大約150℃溫度下T6熱處理的熔模鑄造試樣的每一個所列合金組成的極限拉伸強度(UTS)、拉伸屈服強度(TYS)、伸長率(E)和品質(zhì)指標(Q)。
發(fā)明詳述表1給出根據(jù)本發(fā)明的各種合金的組成以及用于比較的現(xiàn)有技術(shù)合金E357。對表1合金進行包括機械性能測試的各種測試，并在圖1a-圖5中給出測試結(jié)果。
表1合金組成
表1的2-8欄中的值是測試樣品中各種元素的實際重量百分比。第1欄中除最后一行的記錄項之外的所有記錄項是合金中銅和鋅的目標值。最后一行的記錄項表示現(xiàn)有技術(shù)合金E357。
表1中第一欄之后的欄分別給出Cu、Zn、Si、Mg、Fe、Ti、B和Sr的實際重量百分比。
在定向凝固測試模具中對具有表1中所述組成的樣品進行鑄造用于機械性能評價。然后將所得的鑄件熱處理到T6條件。在具有不同凝固速率的不同區(qū)域中的鑄件中取得樣品。在室溫下評價樣品的拉伸性能。
現(xiàn)在注意圖1a，如圖所示，該圖給出含有約7％Si、約0.5％Mg和各種Cu和Zn量的鋁合金樣品的拉伸強度數(shù)據(jù)。圖1中列舉的樣品以約1℃/秒凝固。對于這些樣品，枝晶臂間距(DAS)約30微米?？梢钥闯龊辖鹄鞆姸入S著Zn濃度增加而提高直到所研究的最高水平約3.61％Zn。同樣，拉伸強度隨著銅濃度增加而提高直到所研究的最高水平約3％Cu。具有Cu和/或Zn添加的所有樣品具有高于現(xiàn)有技術(shù)合金E357的強度。
圖1b給出與圖1a相似的數(shù)據(jù)，不同的是圖1b中顯示的樣品的凝固較慢，約0.4℃/秒，使得枝晶臂間距約64微米。具有最大拉伸強度的樣品是具有約3％Cu和約3.61％Zn的樣品。圖1b中具有Cu和/或Zn添加的所有樣品都具有高于現(xiàn)有技術(shù)合金E357的強度。
圖2A給出具有約7％Si、約0.5％Mg以及各種Zn和Cu濃度的鋁合金樣品的屈服強度數(shù)據(jù)，這些樣品以約1℃/秒凝固，并且具有約30微米的枝晶臂間距。屈服強度隨著Cu的增加顯著提高，隨著Zn增加而趨于提高。具有最大屈服強度的樣品具有約3％的Cu濃度和約4％的Zn濃度。具有Cu或Zn添加的所有樣品均表現(xiàn)出高于現(xiàn)有技術(shù)合金E357的屈服強度。
圖2b給出如圖2a所示的相同鋁合金的屈服強度數(shù)據(jù)；然而，它們的凝固較慢，約0.4℃/秒。相應(yīng)的枝晶臂間距約6 4微米。具有最大屈服強度的樣品具有約3％的Cu濃度和約4％的Zn濃度。具有Cu或Zn添加的所有樣品均表現(xiàn)出高于現(xiàn)有技術(shù)合金E357的屈服強度。
圖3a給出現(xiàn)有技術(shù)合金E357和具有Zn和Cu添加的各種合金的伸長率數(shù)據(jù)。凝固速率是約1℃/秒，枝晶臂間距是約30微米。具有0％Cu的合金獲得最好的伸長率。然而Zn濃度從2％到約4％的增加引起增加的伸長率。具有2-4％Zn的合金具有大于現(xiàn)有技術(shù)合金E357的伸長率。
圖3b給出如圖3a所示的合金的伸長率數(shù)據(jù)，但凝固較慢，0.4℃/秒。枝晶臂間距是約64微米。如前，具有約0％Cu的合金具有最大的伸長率。的確，現(xiàn)有技術(shù)合金E357獲得最大的伸長率。然而，在這方面具有0％Cu和2-4％Zn的合金僅略差于E357。具有2-4％Zn的合金是令人感興趣的，因為它們的拉伸強度和屈服強度值優(yōu)于E357。
圖4給出流動性鑄模中的鑄造結(jié)果。如上，對含有約7％Si、約0.5％Mg以及各種Zn和Cu量的鋁合金進行測試。具有Cu或Zn添加的圖4中的多數(shù)合金具有優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)合金E357的流動性。實際上，對于3％Cu、4％Zn獲得最好的流動性。對于成型鑄件，流動性是關(guān)鍵的，因為它決定著合金流過鑄模中的狹小通道向鑄件所有部分提供液態(tài)金屬的能力。
圖5給出測試合金的品質(zhì)指標(Q)的數(shù)據(jù)。品質(zhì)指標(Q)是計算的指標，包括極限拉伸強度(UTS)加上有關(guān)伸長率(E)對數(shù)的項(term)。圖5中的兩條曲線對應(yīng)于在前研究中使用的兩種枝晶臂間距。在以1℃/秒冷卻的樣品中發(fā)現(xiàn)30微米的間距，在以0.4℃/秒冷卻的樣品中發(fā)現(xiàn)64微米的間距。從圖5中可以看出，通常，對于高濃度的Zn和低濃度的Cu獲得最好的品質(zhì)指標。
表2給出根據(jù)本發(fā)明的各種合金的組成，其中選擇Cu、Mg和Zn的濃度以便在室溫和高溫下提供改良的機械性能。表2的2-7欄中的值是所測樣品中各種元素的實際重量百分比。每種合金的余量基本由鋁構(gòu)成。值得注意的是，包括Sr作為晶粒細化劑。
表2熔模鑄造的AlSiMg試樣的組成
由上述組成生產(chǎn)的試樣用于機械測試。通過熔模鑄造形成的試樣的形式為vΛ″厚的測試板。熔模鑄造的冷卻速率低于約.5℃/秒并提供約60微米或更大量級的枝晶臂間距(DAS)。鑄造后，接著將測試板熱處理到T6狀態(tài)。典型地，T6狀態(tài)包括固溶熱處理、淬冷和人工時效。將測試板切割并測試它們的機械性能。具體地，測試包括表2中所列合金組成的試樣的室溫(22℃)極限拉伸強度(UTS)、高溫(150℃)極限拉伸強度(UTS)、室溫(22℃)拉伸屈服強度(TYS)、高溫(150℃)拉伸屈服強度(TYS)、高溫(150℃)伸長率(E)、室溫(22℃)伸長率(E)、高溫(150℃)品質(zhì)指標(Q)和室溫(22℃)品質(zhì)指標(Q)。下表3中給出測試結(jié)果。
表3具有表2所列合金組成的試樣的機械性能
由表3中的數(shù)據(jù)，獲得如下室溫(22℃)拉伸屈服強度(TYS)、室溫(22℃)極限拉伸強度(UTS)和室溫(22℃)伸長率(E)的回歸模型室溫(22℃)TYS(MPa)＝322.04-25.9466*Mg(wt％)+19.5276Cu(wt％)-4.8189Zn(wt％)+1.3576Si(wt％)+19.08Mg(wt％)Zn(wt％)-2.1535Cu(wt％)Zn(wt％)-119.57Sr(wt％)室溫(22℃)UTS(MPa)＝373.188-71.5565*Mg(wt％)+14.5255Cu(wt％)-6.0743Zn(wt％)+4.57744Si(wt％)+23.212Mg(wt％)Zn(wt％)-3.42964Cu(wt％)Zn(wt％)+79.2381Sr(wt％)室溫(22℃)E(％)＝7.119-11.548*Mg(wt％)-1.055Cu(wt％)-0.117Zn(wt％)+0.739Si(wt％)-0.801Mg(wt％)Zn(wt％)+0.173Cu(wt％)Zn(wt％)+16.903Sr(wt％)由表3中的上述數(shù)據(jù)，獲得如下高溫(150℃)拉伸屈服強度(TYS)、高溫(150℃)極限拉伸強度(UTS)和高溫(150℃)伸長率(E)和高溫(150℃)品質(zhì)指標(Q)的回歸模型高溫(150℃)TYS(MPa)＝279.465+29.792*Mg(wt％)+14.0Cu(wt％)+0.4823Zn(wt％)-0.503Si(wt％)+6.566Mg(wt％)Zn(wt％)-1.998Cu(wt％)Zn(wt％)-3.686Sr(wt％)高溫(150℃)UTS(MPa)＝293.3+15.723*Mg(wt％)+18.32Cu(wt％)+0.441Zn(wt％)+1.2264Si(wt％)+9.811Mg(wt％)Zn(wt％)-3.7344Cu(wt％)Zn(wt％)-145.682Sr(wt％)高溫(150℃)E(％)＝13.575-20.454*Mg(wt％)-1.672Cu(wt％)-4.812Zn(wt％)+1.184Si(wt％)+8.138Mg(wt％)Zn(wt％)+0.014Cu(wt％)Zn(wt％)-26.65Sr(wt％)高溫(150℃)Q(MPa)＝447.359-138.331*Mg(wt％)-0.4381Cu(wt％)-65.285Zn(wt％)+14.36Si(wt％)+130.69Mg(wt％)Zn(wt％)-6.043Cu(wt％)Zn(wt％)+4 05.71Sr(wt％)然后在圖6-8中繪制上述的高溫(150℃)極限拉伸強度(UTS)、高溫(150℃)伸長率(E)和高溫(150℃)品質(zhì)指標(Q)的回歸模型的曲線。
參考圖6中所示曲線圖，繪制具有變化的Mg和Cu濃度的合金組成的以MPa為單位的高溫(150℃)極限拉伸強度(UTS)作為增加Zn濃度(wt％)的函數(shù)的曲線。具體地，參考線15表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和3wt％Cu的合金的曲線；參考線20表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和3wt％Cu的合金的曲線；參考線25表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和2wt％Cu的合金的曲線；參考線30表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和2wt％Cu的合金的曲線；參考線35是根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和1wt％Cu的合金的曲線；參考線40是根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和1wt％Cu的合金的曲線；參考線45是根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和0wt％Cu的合金的曲線；并且參考線50是根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和0wt％Cu的合金的曲線。
根據(jù)圖6中所示曲線圖以及表3中提供的數(shù)據(jù)，值得注意的是，當合金的Cu濃度增加到約2wt％或更大時，Zn的引入對合金的高溫極限拉伸強度(UTS)有負面影響，如參考線15、20、25和30顯示的合金曲線所描繪。還值得注意的是，當合金Cu濃度減少到少于約2wt％時，Zn的引入對合金的高溫極限拉伸強度(UTS)有正面影響，如參考線3 5、40、45和50顯示的合金曲線所描繪。不希望受理論限制，認為Zn對具有高Cu含量的合金組成的強度的負面影響是Zn和Cu相互作用形成的顆粒的結(jié)果，其中不希望的顆粒在T6熱處理過程的固溶熱處理期間不溶解到固溶體中。據(jù)認為不溶顆粒會降低鑄件的強度和伸長率性能。
仍然參考圖6，在本發(fā)明的一些實施方案中，參考線15、25、35和45所示的合金曲線所描繪的包含.6wt％Mg的合金與參考線20、30、40和50顯示的合金曲線所描繪的具有約.5wt％量級Mg濃度的相似組成的合金相比，具有較高的高溫極限拉伸強度(UTS)。
現(xiàn)在參考圖7中所示曲線圖，繪制具有變化Mg和Cu濃度的合金組成的高溫伸長率(％)作為增加Zn濃度(wt％)的函數(shù)的曲線。具體地，參考線55表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和3wt％Cu的合金的曲線；參考線60表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和3wt％Cu的合金的曲線；參考線65表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和2wt％Cu的合金的曲線；參考線70表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和2wt％Cu的合金的曲線；參考線75表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和1wt％Cu的合金的曲線；參考線80表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和1wt％Cu的合金的曲線；參考線85表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和0wt％Cu的合金的曲線；并且參考線90表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和0wt％Cu的合金的曲線。
根據(jù)圖7中所示的曲線圖以及表3中提供的數(shù)據(jù)，值得注意的是，增加本發(fā)明合金中的Cu含量對合金的伸長率具有負面影響。例如參見參考線55、65、75和85顯示的曲線，其中每種合金中的Mg濃度等于.6wt％，當Cu濃度增加時，合金的伸長率降低。此外，Cu濃度對參考線60、70、80和90描述的其中每種合金內(nèi)的Mg濃度等于約.5wt％的合金具有相似的影響。
仍然參考表3和圖7，在本發(fā)明的一個實施方案中，當鎂含量低例如為.5wt％的量級時，本發(fā)明合金中Zn含量的增加能增加合金的伸長率，如參考線60、70、80和90所描繪。在本發(fā)明的一個實施方案中，當鎂含量高例如為.6wt％的量級時，本發(fā)明合金中Zn含量的增加能降低合金的伸長率，如參考線55、65、75和85所描繪。當Zn含量高于2.5wt％時鎂對伸長率具有正面影響，而當Zn含量低于2.5wt％時具有負面影響。例如，參見由參考線55和60所示的曲線，其中兩種合金中的Cu濃度均等于3.0wt％，當Mg濃度從.5wt％增加到.6wt％時，如果合金的Zn含量高于或等于2.5wt％，則品質(zhì)指標(Q)提高。此外，Mg濃度對具有少于3.0wt％Cu的合金具有相似的影響。
現(xiàn)在參考圖8描繪的曲線，繪制根據(jù)本發(fā)明的具有變化Cu和Mg濃度的AlSiMg合金的高溫(150℃)品質(zhì)指標(Q)作為Zn含量的函數(shù)的曲線。具體地，參考線95表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和3wt％Cu的合金的曲線；參考線100表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和2wt％Cu的合金的曲線；參考線105表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和3wt％Cu的合金的曲線；參考線110表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和1wt％Cu的合金的曲線；參考線115是根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和2wt％Cu的合金的曲線；參考線120是根據(jù)本發(fā)明的包括約.5wt％Mg和0wt％Cu的合金的曲線；參考線125表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和1wt％Cu的合金的曲線；并且參考線130表示根據(jù)本發(fā)明的包括約.6wt％Mg和0wt％Cu的合金的曲線。如上文所述，品質(zhì)指標(Q)是計算的指標，其包括極限拉伸強度(UTS)加上有關(guān)伸長率(E)對數(shù)的項。
參考圖8并參考表3中描述的數(shù)據(jù)，盡管Cu含量通?？稍黾颖景l(fā)明合金的極限拉伸強度(UTS)和/或拉伸屈服強度(TYS)，然而Cu通常會降低伸長率，因此在一些實施方案中，可能降低合金的品質(zhì)指標(Q)。Mg典型對包括Cu和Zn的本發(fā)明合金的品質(zhì)指標具有正面影響，其中Zn含量高于或等于1.2wt％。例如，參見由參考線95和105表示的曲線，其中兩種合金中的Cu濃度等于3.0wt％，當Mg濃度由.5wt％增加到.6wt％時，如果合金的Zn含量高于或等于1.2wt％，則品質(zhì)指標(Q)增加。此外，Mg濃度對具有低于3.0wt％Cu的合金具有相似的影響。在本發(fā)明的一些實施方案中，對于包括增加的Cu濃度的AlSiMg合金，例如由參考線95、100、105和120表示的合金曲線，當增加Cu濃度時具有降低的品質(zhì)指標(Q)值。在本發(fā)明的一些實施方案中，當Mg含量為.6wt％量級且Cu含量低于約2.5wt％時，Zn的引入能增加合金的品質(zhì)指標(Q)，如由參考數(shù)字115、125和130表示的合金曲線所示。
盡管表3中列出的合金組成用于說明本發(fā)明的組成，但不應(yīng)認為本發(fā)明局限于此，因為具有本公開權(quán)利要求中所述的成分或范圍的任何組成均在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。圖9描述的表中列出本發(fā)明范圍內(nèi)的合金組成的其它實施例。圖9還包括所列合金組成的拉伸屈服強度(TYS)、極限拉伸強度(UTS)、伸長率(E)和品質(zhì)指標(Q)，其中TYS、UTS、E和Q均得自室溫(22℃)下的T6狀態(tài)的試樣。
圖9中表的最后行包括通過熔模鑄造形成的處于T6狀態(tài)的E357合金試樣(E357-T6)的組成和室溫(22℃)機械性能(拉伸屈服強度(TYS)、極限拉伸強度(UTS)、伸長率(E)和品質(zhì)指標(Q))，其中E357合金試樣為現(xiàn)有技術(shù)，這里將其引入用于比較。仍然參見圖9，E357在22℃具有275MPa左右的的極限拉伸強度(UTS)和約5％的伸長率(E)。在約150℃的溫度下，熔模鑄造和T6狀態(tài)的E357測試樣品具有260MPa的極限拉伸強度(UTS)、250MPa拉伸屈服強度和約7％的伸長率(E)和387MPa的品質(zhì)指標。
在本發(fā)明的一個實施方案中，對用于150℃左右并進行T6熱處理的熔模鑄件，包括4-9％Si、0.1-0.7％Mg、低于5％Zn、低于0.15％Fe、低于4％Cu、低于0.3％Mn、低于0.05％B和低于0.15％Ti的本發(fā)明的鋁合金具有比相似制備的E357鑄件大20-30％的極限拉伸強度(UTS)。
在本發(fā)明合金的一個優(yōu)選實施方案中，其中Cu含量低于或等于2wt％且Zn含量為3-5wt％，用于150℃左右并進行T6熱處理的熔模鑄件的極限拉伸強度(UTS)比相似制備并測試的E357鑄件高10-20％。
在本發(fā)明合金的另一個優(yōu)選實施方案中，其中Cu含量高于2wt％且Zn不存在或存在量低于3％，用于150℃左右并進行T6熱處理的熔模鑄件的極限拉伸強度(UTS)比相似制備并測試的E357鑄件高20-30％。
對于具有高拉伸屈服強度(TYS)和高極限拉伸強度(UTS)的合金，推薦含有約7％Si、約0.45％-約0.55％Mg、約2-3％Cu和約0％Zn的合金。
對于具有高拉伸屈服強度(TYS)和高極限拉伸強度(UTS)的合金，推薦含有約7％Si、約0.55-約0.65％Mg、低于2％Cu和3-5％Zn的合金。
對于同時具有良好強度和良好伸長率的合金，推薦含有約7％Si、約0.5％Mg、非常少的Cu和約4％Zn的合金。
對于具有良好流動性的合金，推薦含有約7％Si、約0.5％Mg、約3％Cu和4％Zn的合金。
上述數(shù)據(jù)啟示了一族具有各種希望性能的鑄造合金。這些不同的希望性能適合于不同應(yīng)用。
可以通過熔模鑄造、低壓或重力鑄造、永久或半永久鑄型、壓擠鑄造、高壓壓鑄或砂型鑄造將根據(jù)本發(fā)明的合金鑄造成有用的產(chǎn)品。
盡管這里公開了本發(fā)明的說明性實施方案，可以清楚的是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計出許多改變和其它實施方案。因此，應(yīng)理解的是附屬的權(quán)利要求旨在涵蓋滿足本發(fā)明主旨和范圍的所有這些改變和實施方案。
權(quán)利要求
1.鋁鑄造合金，其基本組成為4-9％Si；0.1-0.7％Mg；低于或等于5％Zn；低于0.15％Fe；低于4％Cu；低于0.3％Mn；低于0.05％B；低于0.15％Ti；并且余量基本由鋁構(gòu)成。
2.權(quán)利要求1的鋁鑄造合金，其中所述Cu的存在量低于或等于約2％且所述Zn的存在范圍是約3-約5％。
3.權(quán)利要求2的鋁鑄造合金，其中所述Mg的存在量是0.55-0.65％且所述Si具有約7％的濃度。
4.權(quán)利要求1的鋁鑄造合金，其中所述Cu的存在量高于2％且所述Zn的存在量低于約3％。
5.權(quán)利要求4的鋁鑄造合金，其中所述Mg的存在量是0.45-0.55％且所述Si具有約7％的濃度。
6.權(quán)利要求1的鋁鑄造合金，該合金與E357合金鑄件相比具有提高的強度性能。
7.成型鑄件，其基本組成為4-9％Si；0.1-0.7％Mg；低于或等于5％Zn；低于0.15％Fe；低于4％Cu；低于0.3％Mn；低于0.05％B；低于0.15％Ti；且余量基本由鋁構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的成型鑄件，將其熱處理到T5條件或到T6條件。
9.權(quán)利要求8的成型鑄件，其中所述Cu的存在量是低于或等于約2％、所述Zn的存在范圍是約3-約5％、所述Mg的存在量是0.55-0.65％且所述Si具有約7％的濃度。
10.權(quán)利要求9的成型鑄件，其中在高溫下，熱處理到所述T6條件的所述成型鑄件具有比相似處理的由E357合金形成的鑄件高10-20％的極限拉伸強度。
11.權(quán)利要求10的成型鑄件，其中所述高溫范圍為100-250℃。
12.權(quán)利要求8的成型鑄件，其中所述Cu的存在量高于2％、Zn的存在量低于約3％、所述Mg的存在量是0.45-0.55％且所述Si具有約7％的濃度。
13.權(quán)利要求12的成型鑄件，其中在高溫下，熱處理到所述T6條件的所述成型鑄件具有比相似處理的由E357合金形成的鑄件高20-30％的極限拉伸強度。
14.權(quán)利要求13的成型鑄件，其中所述高溫范圍為100-250℃。
15.制備成型鋁合金鑄件的方法，所述方法包括制備基本組成如下的熔融金屬物質(zhì)4-9％Si；0.1-0.7％Mg；低于或等于5％Zn；低于0.15％Fe；低于4％Cu；低于0.3％Mn；低于0.05％B；低于0.15％Ti；且余量主要由鋁構(gòu)成；和由所述熔融金屬物質(zhì)形成鋁合金產(chǎn)品。
16.權(quán)利要求15的方法，其中形成所述鋁合金產(chǎn)品包括通過熔模鑄造、低壓或重力鑄造、永久或半永久鑄型、壓擠鑄造、壓鑄、定向鑄造或砂型鑄造將所述熔融金屬物質(zhì)鑄造為鋁合金鑄件。
17.權(quán)利要求16的方法，還包括制備具有激冷和冒口的鑄型；和將所述熔融金屬物質(zhì)澆注到所述鑄型中以形成所述鋁合金產(chǎn)品。
18.權(quán)利要求15的方法，還包括熱處理所述鑄件到T5條件或T6條件。
19.權(quán)利要求15的方法，其中所述Cu的存在量是高于2％、所述Zn的存在量是低于約3％、所述Mg的存在量是0.45-0.55％且所述Si具有約7％的濃度。
20.權(quán)利要求15的方法，其中所述Cu的存在量是低于或等于約2％、所述Zn的存在量是約3-約5％、所述Mg的存在量是0.55-0.65％且所述Si具有約7％的濃度。
21.權(quán)利要求15的方法，其中所述熔融金屬物質(zhì)包括觸變金屬物質(zhì)，并且所述形成所述鋁合金產(chǎn)品包括半固態(tài)鑄造或成型。
全文摘要
本發(fā)明提供了鋁鑄造合金，該合金的組成包括4－9％Si；0.1－0.7％Mg；低于或等于5％Zn；低于0.15％Fe；低于4％Cu；低于0.3％Mn；低于0.05％B；低于0.15％Ti；且余量基本由鋁構(gòu)成。本發(fā)明的AlSiMg組成在室溫和高溫下提供了與相似制備的E357合金相比提高的機械性能(拉伸屈服強度和極限拉伸強度)。本發(fā)明還包括由本發(fā)明組成形成的成型鑄件和由本發(fā)明組成形成成型鑄件的方法。
文檔編號C22C21/02GK101018881SQ200580030999
公開日2007年8月15日 申請日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月28日
發(fā)明者J·C·林, 嚴新炎, C·亞納爾, L·D·澤爾曼, X·杜曼特, R·湯姆巴利 申請人:美鋁公司