專利名稱：屈服強(qiáng)度優(yōu)異的鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金及包含它的鑄造構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及屈服強(qiáng)度優(yōu)異的鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金、以及包含它的鑄造構(gòu)件。
背景技術(shù)：
在輕型化、復(fù)雜形狀的加工容易性、降低制造成本等方面有利的鋁合金的鑄造構(gòu)件被廣泛用于各種部件中。尤其是就汽車等來說要求節(jié)能和改善油耗，因而對于構(gòu)成它的鋁合金鑄造構(gòu)件也希望進(jìn)一步輕型化及高品質(zhì)化。一般來說為了滿足對車輛等的構(gòu)成部件所要求的機(jī)械的性質(zhì)，鑄造用鋁合金需要約200MPa以上的屈服強(qiáng)度及約3%以上的伸長率，尤其是構(gòu)成汽車的車體的部件等，應(yīng)當(dāng)具有即使薄壁化也難以塑性變形的強(qiáng)度，需要約 220MPa以上的屈服強(qiáng)度。已知對于鋁合金等金屬材料的屈服強(qiáng)度來說，晶粒越小則越是提高。對晶粒尺寸造成影響的因子之一是凝固速度，如果提高凝固速度，則晶粒變小，屈服強(qiáng)度提高。為了出于提高屈服強(qiáng)度的目的而增大凝固速度，可以考慮采用將鑄造構(gòu)件薄壁化并且利用低壓鑄造法或重力鑄造法來高速地成形的壓力鑄造法。但是，由于鑄造品的形狀及尺寸的不均一化或鑄造缺陷的產(chǎn)生等，僅靠凝固速度的增加在實(shí)現(xiàn)屈服強(qiáng)度的提高方面是有極限的。作為鑄造用鋁合金，有JIS ADC12或AC4B等亞共晶Al-Si系鋁合金。但是，ADC12 合金雖然鑄造性優(yōu)異，然而未加工鑄件狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度很低，約為150MPa。另外，AC4B合金為了確保約200MPa的屈服強(qiáng)度，需要在鑄造后實(shí)施熱處理。然而，如果進(jìn)行熱處理，則會因工序數(shù)或耗能的增加而使制造成本上升，另外在薄壁且復(fù)雜或大型的鑄件的情況下，容易產(chǎn)生變形或應(yīng)變，為了將其矯正就會有成本進(jìn)一步上升的問題。還已知有即使不進(jìn)行熱處理也具有高屈服強(qiáng)度的JIS A⑶14之類的過共晶Al-Si 系合金。該合金在未加工鑄件時(shí)具有250ΜΙ^左右的屈服強(qiáng)度，然而由于高Si含量，因此容易結(jié)晶出使延展性降低的又硬又脆的Si粒子，伸長率非常低，約為小于1%，可以使用的鑄造構(gòu)件受到限制。如果伸長率約為小于1 %，則延展性不足，即使是由落下造成的沖擊，也有可能在鑄造構(gòu)件中產(chǎn)生龜裂或裂紋。根據(jù)對于鑄造用鋁合金的高品質(zhì)化的要求，最近作為與Al-Si系鋁合金不同的鋁合金，開始使用Jis ADC5、ADC6以及AC7A等Al-Mg系的鋁合金。這些鋁合金即使不進(jìn)行熱處理也會顯示出優(yōu)異的延展性，然而強(qiáng)度不足，例如ADC5合金的屈服強(qiáng)度只不過為約 190MPa。另外，Al-Mg系鋁合金與Al-Si系鋁合金相比流動(dòng)性差，容易產(chǎn)生流動(dòng)性缺陷，另外凝固收縮量大，容易產(chǎn)生鑄件內(nèi)部的縮孔或鑄件表面的鑄造裂紋(凝固裂紋)，如此等等， 鑄造性差。換言之，Al-Mg系鋁合金不具有與用于彌補(bǔ)鑄造性的成本增加相抵的屈服強(qiáng)度。作為改善Al-Mg系鋁合金的鑄造性的嘗試，日本特開平5-163546號提出如下的壓鑄用鋁合金，其含有3. 5 8. 5重量％的Mg、1. 5 4. 0重量％的Si、0. 3 1. 0重量％的狗及0. 2 0. 6重量％的Mn，余部包含Al及不可避免的雜質(zhì)。Mg及Si協(xié)同地有助于強(qiáng)度及鑄造性，防止鑄造裂紋。日本特開平5-163546號記載，該鋁合金也可以作為雜質(zhì)含有Cr、Cu、Ti、Zr 及 Zn。但是，在日本特開平5-163546號中雖然有鑄造裂紋率、熱膨脹系數(shù)及拉伸強(qiáng)度的記載，然而沒有涉及屈服強(qiáng)度及伸長率的記載。如果以作為代表性的機(jī)械的性質(zhì)的拉伸強(qiáng)度為參考進(jìn)行推定，則預(yù)計(jì)日本特開平5-163546號的Al-Mg系鋁合金的屈服強(qiáng)度為ISOMPa 左右，不夠充分。如此所述，以往的鑄造用Al-Si系或Al-Mg系的鋁合金在未加工鑄件時(shí)不具有足夠的伸長率及屈服強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
所以，本發(fā)明的目的在于，提供即使在未加工鑄件狀態(tài)下也具有足夠的伸長率及高屈服強(qiáng)度、能夠應(yīng)對車輛等的輕型化的鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金、以及包含該鋁合金的鑄造構(gòu)件。鑒于上述目的，對具有各種組成的Al-Mg-Si系鋁合金的壓力鑄造品的未加工鑄件狀態(tài)下的機(jī)械的性質(zhì)進(jìn)行了研究，其結(jié)果是，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，如果將MgJi及Mn的含量最佳化，并且添加適量的Cr及Cu，就會在合金組織中共存Cr及Cu，提高Al-Mg-Si系鋁合金的屈服強(qiáng)度及伸長率，從而形成了本發(fā)明。即，具有優(yōu)異的屈服強(qiáng)度的本發(fā)明的鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金的特征在于，以質(zhì)量比計(jì)，含有4 6%的Mg、3. 1 4. 5%的Si、0. 5 的Mn、0. 1 0. 3 %的Cr、以及 0. 1 0. 4%的Cu，余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金也可以還含有0. 05 0. 3質(zhì)量％的Ti。本發(fā)明的鑄造構(gòu)件由上述Al-Mg-Si系鋁合金構(gòu)成。本發(fā)明的鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金由于即使在未加工鑄件狀態(tài)下也具有足夠的伸長率及高屈服強(qiáng)度，因此包含它的鑄造構(gòu)件具有即使薄壁化也不會塑性變形的強(qiáng)度，可以應(yīng)對輕型化。而且，本發(fā)明的鑄造構(gòu)件不需要熱處理，因此可以低成本地制造。
具體實(shí)施例方式[1]鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金以下對本發(fā)明的Al-Mg-Si系鋁合金進(jìn)行詳細(xì)說明。各合金元素的含量只要沒有特別指出，就以質(zhì)量％表示。(I)Mg 4 ~ 6%Mg固溶于Al-Mg-Si系鋁合金的基體中而使屈服強(qiáng)度提高。另外與Si形成Mg2Si, 特別是在Mg與Si的重量比為0. 92 <Mg/Si < 1. 93的組成時(shí)就會在晶界結(jié)晶出共晶Mg2Si, 抑制鑄造裂紋。如果Mg含量小于4. 0%，則屈服強(qiáng)度的提高效果不足，如果超過6. 0 %，則與Si含量的平衡惡化，鑄造裂紋的抑制效果降低。所以，Mg含量為4 6%，優(yōu)選為4. 5 6%，更優(yōu)選為5 6%。(2)Si :3. 1 4. 5%Si固溶于鋁合金的基體中而有助于提高屈服強(qiáng)度。另外與Mg—起防止鑄造裂紋。 如果Si小于3. 1 %，則無法充分地發(fā)揮屈服強(qiáng)度提高效果，如果超過4. 5%，則與Mg含量的平衡惡化，鑄造裂紋防止效果降低，并且導(dǎo)致延展性的明顯的降低。所以，Si含量為3. 1 4. 5%，優(yōu)選為 3. 5 4. 3%。
(3)Μη:0·5 Mn固溶于鋁合金的基體中而使強(qiáng)度提高，此外還通過結(jié)晶出塊狀的Al-Mn金屬間化合物來防止熔融金屬粘附在模具上。如果Mn小于0. 5%，則這些效果就很小，如果超過 1%，則會結(jié)晶出針狀的Al-Mn金屬間化合物，延展性降低。所以，Mn含量為0.5 1%，優(yōu)選為0. 7 0. 9%。(4)Cr :0. 1 0. 3%Cr固溶于基體中，利用與Cu的共存不會阻礙延展性地提高屈服強(qiáng)度。如果Cr小于0. 1 %，則該效果不足，如果超過0. 3 %，則會結(jié)晶出粗大的Al-Mn-Si-Cr化合物而阻礙延展性，無法穩(wěn)定地確保伸長率。所以，Cr含量為0. 1 0. 3%，優(yōu)選為0. 2 0. 3%。(5)Cu :0. 1 0. 4%Cu與Cr相同地固溶于基體中，使屈服強(qiáng)度提高。另外，利用Cu與Cr的共存，與單獨(dú)添加Cu的情況相比，屈服強(qiáng)度的提高效果更大。如果Cu小于0. 1%，則該效果不足。 在0. 4%之前都會固溶于初晶中而提高屈服強(qiáng)度，然而如果超過0. 4%，則Cu在未加工鑄件時(shí)難以固溶于初晶中，不僅無法期待屈服強(qiáng)度的提高，而且耐腐蝕性降低。所以，Cu含量為 0. 1 0. 4%，優(yōu)選為 0. 2 0. 35%。如上所述，本發(fā)明的鑄造用鋁合金通過含有Cr及Cu雙方，可以在未加工鑄件狀態(tài)下也不導(dǎo)致伸長率的降低地大幅度提高屈服強(qiáng)度。雖然Cr及Cu都對基體進(jìn)行固溶強(qiáng)化， 然而如果單獨(dú)添加則無法期待相同程度的屈服強(qiáng)度的提高。在單獨(dú)添加Cr的情況下，剩余的Cr作為粗大的Al-Mn-Si-Cr化合物在晶界中結(jié)晶，不僅無助于鋁合金的屈服強(qiáng)度提高， 而且還會明顯地阻礙延展性。另外，在單獨(dú)添加Cu的情況下，隨著凝固在合金液相中Cu發(fā)生富集及偏析，在初晶的晶界中形成Cu富集部，無助于屈服強(qiáng)度的提高。但是，詳細(xì)觀察了添加有Cr及Cu雙方的合金的凝固組織，結(jié)果確認(rèn)，Cr及Cu雙方在相同的部位與Al、Si及 Mg共存，不僅由Cr引起的Al-Mn-Si-Cr化合物相對地減少，而且由Cu引起的初晶晶界的 Cu富集部的比例也減少。雖然其理由尚不清楚，然而根據(jù)Cr及Cu的存在形態(tài)可以推測， 因Cr及Cu雙方不使阻礙伸長率的含有Cr的金屬間化合物或Cu的偏析增加地共存在初晶中，從而有效地提高了屈服強(qiáng)度。Cr及Cu的合計(jì)量(Cr+Cu)優(yōu)選為0. 2 0. 7 %，更優(yōu)選為0. 3 0. 65%，最優(yōu)選為0. 4 0. 6%。(6)Ti :0· 05 0. 3%Ti不僅使晶粒微細(xì)化而提高鋁合金的強(qiáng)度及延展性，而且還具有克服合金熔融金屬凝固收縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力而防止鑄造裂紋的作用。為了有效地發(fā)揮這些作用，優(yōu)選含有 0. 05%以上的Ti。由于在高純度Al粗錠中作為不可避免的雜質(zhì)含有的Ti小于0. 05%， 因此在將高純度Al粗錠用于原料的情況下，為了獲得上述效果需要主動(dòng)添加Ti。但是，在將展伸材的5000系合金、ADC12合金等鋁合金廢料、低純度Al粗錠等作為原料的情況下， Ti通常來說作為不可避免的雜質(zhì)混入0. 05%以上。但是，如果Ti超過0. 3%，則會結(jié)晶出 Al-Ti金屬間化合物，鋁合金的延展性反而降低。所以，在添加Ti的情況下，Ti設(shè)為0. 05 0. 3%，優(yōu)選設(shè)為0. 1 0. 2%。當(dāng)然，即使在不主動(dòng)添加Ti的情況下，也可以將少于上述下限的量的Ti作為雜質(zhì)含有。[2]鑄造構(gòu)件本發(fā)明的鑄造構(gòu)件可以利用重力鑄造法、低壓鑄造法、高壓鑄造法等模具鑄造法來制造。其中，如果使用作為高壓鑄造法之一的壓力鑄造法，則可以利用驟冷凝固獲得晶粒微細(xì)且致密的鑄造組織，并且由于壓縮應(yīng)力作用于鑄件表面，因此可以獲得提高了強(qiáng)度及延展性的鑄造構(gòu)件。由于可以利用壓力鑄造法將熔融金屬可靠地填充到薄壁部位，因此能夠以高材料利用率獲得尺寸精度優(yōu)良、鑄件表面潔凈的鑄造構(gòu)件，并且可以縮短生產(chǎn)周期。 此外，如果使用真空壓力鑄造法，則可以抑制由空氣或氣體的卷入造成的空孔的產(chǎn)生，另外由于熔融金屬的流動(dòng)順暢，因此可以減少冷疤等流動(dòng)性缺陷。真空壓力鑄造法適于獲得具有優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì)、特別是具有高屈服強(qiáng)度的鑄造構(gòu)件。本發(fā)明的包含Al-Mg-Si系鋁合金的鑄造構(gòu)件即使在鑄造后不實(shí)施熱處理也具有大的伸長率及高屈服強(qiáng)度。例如本發(fā)明的Al-Mg-Si系鋁合金的壓力鑄造構(gòu)件在未加工鑄件時(shí)具有7 μ m的平均DAS (枝晶間距)、3%以上的伸長率、以及220MPa以上的屈服強(qiáng)度。 這里的平均DAS是表示晶體粒徑的參數(shù)。在要求更高強(qiáng)度及延展性的情況下，也可以在鑄造后實(shí)施溶體化處理、老化處理等熱處理。像這樣在確保良好的伸長率的同時(shí)具有優(yōu)異的屈服強(qiáng)度的本發(fā)明的鑄造構(gòu)件適于需要高機(jī)械性質(zhì)的車輛等的構(gòu)成鑄造部件，例如適用于汽車或摩托車的底盤構(gòu)件、動(dòng)力總成構(gòu)件等(空間框架、方向盤的心軸、座椅框架、懸掛構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)組、氣缸蓋罩、傳動(dòng)鏈?zhǔn)?、變速器體、集油盤、帶輪、變速桿、儀表板、進(jìn)氣用穩(wěn)壓箱、踏板支架等)中。利用下面的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明，然而本發(fā)明并不限定于它們。實(shí)施例1 22、以及比較例1 41表1-1及表1-2表示實(shí)施例1 22及比較例1 41的鋁合金的組成(表中所示的合金元素以外實(shí)質(zhì)上是Al及不可避免的雜質(zhì))、及其壓力鑄造品的機(jī)械的性質(zhì)。比較例 29 31是相當(dāng)于ADC12的合金。為了除組成以外還調(diào)查平均DAS對機(jī)械性質(zhì)的影響，由實(shí)施例及比較例的各合金利用下述的方法制作出三種鑄造品A C。(A)鑄造品 A由實(shí)施例1 9、12 22、以及比較例1 21、28、29、32 34、37、40及41的 Al-Mg-Si系鋁合金，利用以下的方法制作出具有均勻的壁厚的截面為-字形的鑄造品 A (寬25mm、長80mm、高20mm、并且壁厚3mm)。首先，作為各合金用的原料將工業(yè)用的純Al、 純Mg、純Si以及必需的金屬元素以表1-1及表1-2中所示的比例裝入石墨制坩堝，在大氣中以750 770°C熔化，對所得的熔融金屬進(jìn)行借助氬氣鼓泡的脫氣處理，除去夾雜物及氫。使用合模壓力為350噸、并且沖頭直徑為60mm的壓力鑄造機(jī)，以150 300°C的模具溫度、700 740°C的供液溫度、以及2 3m/s的注射速度，對各合金熔融金屬進(jìn)行壓力鑄造。 對所得的各鑄造品A進(jìn)行空氣冷卻，直接以未加工鑄件的狀態(tài)用于機(jī)械性質(zhì)的測定。(B)鑄造品 B由實(shí)施例10、以及比較例22 對、30、；35及38的Al-Mg-Si系鋁合金，在與鑄造品 A相同的條件下制造出平板形狀的鑄造品B (寬100mm、長200mm、并且壁厚3mm)。(C)鑄造品 C由實(shí)施例11、以及比較例25 27、31、36及39的Al-Mg-Si系鋁合金，在與鑄造品 A相同的條件下制造出平板形狀的鑄造品C(寬100mm、長200mm、并且壁厚2mm)。從各鑄造品(未進(jìn)行熱處理)中切出兩面為未加工鑄件面的寬4mm的拉伸試驗(yàn)片，依照J(rèn)IS-Z2241在常溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測定出0. 2%屈服強(qiáng)度及斷裂伸長率。另外在拉伸試驗(yàn)中斷裂了的試驗(yàn)片當(dāng)中沒有塑性變形的部位，以“枝晶間距測定步驟”(“輕金屬” 第38卷、M 60頁、1988年)中記載的交線法求出組織中的初晶α相的平均DAS。具體來說，在光學(xué)顯微鏡照片GOO倍)的3個(gè)任意的視野中分別引出與初晶α相交叉的10條直線，根據(jù)各直線的長度及其所交叉的枝晶的個(gè)數(shù)，利用下式求出各視野中的DAS，針對3 個(gè)視野將其加以平均。DAS = [L1/ (Ii1-I) +L2/ (η2_1) +··· L10/ (η10_1) ] /10(其中，L1,L2、…Lltl表示各直線的長度，ηι、η2···η1(1表示各直線所交叉的枝晶的個(gè)數(shù)。)表1-1中表示出實(shí)施例1 22的試驗(yàn)結(jié)果，表1-2中表示出比較例1 41的試驗(yàn)結(jié)果。表 1-權(quán)利要求
1.一種屈服強(qiáng)度優(yōu)異的鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金，其特征在于，以質(zhì)量比計(jì)，含有4 6% 的 Mg、3. 1 4. 5% 的 Si、0. 5 的 Mn、0. 1 0. 3% 的 Cr、以及 0. 1 0.4% 的 Cu， 余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金，其特征在于，還含有0.05 0. 3 質(zhì)量％的Ti。
3.一種鑄造構(gòu)件，其特征在于，包含權(quán)利要求1或2所述的鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鑄造用Al-Mg-Si系鋁合金，其以質(zhì)量比計(jì)，含有4～6％的Mg、3.1～4.5％的Si、0.5～1％的Mn、0.1～0.3％的Cr、以及0.1～0.4％的Cu，余部包含Al及不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號C22C21/02GK102365379SQ20108001401
公開日2012年2月29日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者山浦秀樹, 渡邊秀綱 申請人:日立金屬株式會社