专利名称：铝合金铸件及其生产方法
技术领域：
本发明涉及铝合金铸件及其生产方法。更具体地，本发明涉及一种具有预定的合金元素组合物并包含预定纵横比和大小的共晶Si晶粒的铝合金铸件、使用所述铝合金铸件的汽车零件和生产铝合金铸件的方法。
背景技术：
通常，铝合金以高形状挠性、高尺寸精度、高生产性以及能够形成薄厚度和能够一体化零件设计为特性，因而目前已用于汽车零件等广泛的用途，如活塞火焰零件(body flame part)、车门内部零件、悬架零件等。对于汽车零件中铝合金的使用，提出向铝合金添加共晶改性的元素例如Sr或Sb以便修饰铝合金的共晶Si结构，从而改进铝合金的机械性能。[引用列表][专利文献][专利文献1]日本专利3255560号
发明内容
发明要解决的问题然而，存在此类共晶改性元素的添加引起气体进入铝合金中的量增加的趋势。这导致因铝合金中产生孔隙率而引起的铝合金机械性能劣化。因此，本发明的目的为提供能够实现优异的机械性能而不向其添加昂贵的共晶改性元素如Sr、Sb、Ca、Na等的铝合金铸件。本发明的另一目的为提供使用所述铝合金铸件的汽车零件以及生产所述铝合金铸件的方法。用于解决问题的方案作为广泛研究的结果，本发明人已发现可生产其中共晶Si晶粒具有预定的纵横比和大小的铝合金铸件，以便通过在预定条件下铸造预定合金元素组合物的熔融铝合金而使铝合金铸件实现优异的机械性能。本发明以该发现为基础。根据本发明的第一方面，提供基本上由7. 0至11. 5质量％ Si、0. 9至4. 0质量％ Mg、0. 1至0. 65重量％ Fe、0. 1至0. 8质量％ Mn以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2. 0以下和平均粒径1. 0微米以下的共晶Si晶粒的铝合金铸件。根据本发明的第二方面，提供基本上由7. 0至11. 5质量％ Si、0. 9至4. 0质量％ Mg、0. 1至0. 65质量％ Fe、0. 1至0. 8质量％ Μη、0. 3至1. 0质量％ Cu以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2. 0以下和平均粒径1. 0微米以下的共晶Si晶粒的铝合金铸件。根据本发明的第三方面，提供使用该铝合金铸件的汽车零件。根据本发明的第四方面，提供生产该铝合金铸件的方法，其包括制备基本上由 7. 0 至 11. 5 质量 ％ Si、0. 9 至 4. 0 质量 ％ Mg、0. 1 至 0. 65 质量 ％ Fe、0. 1 至 0. 8 质量 ％ Mn以及余量的Al和不可避免的杂质组成或基本上由7. 0至11. 5质量％ Si、0. 9至4. 0质量％ Mg、0. 1至0. 65质量％ Fe、0. 1至0. 8质量％ Μη、0. 3至1. 0质量％ Cu以及余量的Al和不可避免的杂质组成的熔融铝合金；以及将所述熔融铝合金注入铸模(casting mold)中，从而在所述铸模中的所述熔融铝合金的平均流速为12m/s以上的条件下铸造所述熔融铝合金。
图1为示出根据实施例1-3的铝合金铸件的微结构的显微照片。图2为示出根据比较例1-3的铝合金铸件的微结构的显微照片。图3为示出铝合金铸件的Mg含量与伸长率(elongation)之间的相关性的图。图4为示出铝合金铸件的伸长率与0. 2%屈服强度的相关性的图。
具体实施例方式以下将详细描述本发明的示例性实施方案。根据本发明的第一实施方案的铝合金铸件(下文称作第一铝合金铸件)基本上由 7. 0 至 11. 5 质量 ％ Si、0. 9 至 4. 0 质量 ％ Mg、0. 1 至 0. 65 质量 ％ Fe、0. 1 至 0. 8 质量 ％ Mn 以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2. 0以下和平均粒径1. 0微米以下的共晶Si晶粒。另一方面，根据本发明的第二实施方案的铝合金铸件(下文称作第二铝合金铸件)基本上由7. 0至11. 5质量％ Si、0. 9至4. 0质量％ Mg、0. 1至0. 65重量％ Fe、0. 1至 0. 8质量％ Μη、0. 3至1. 0质量％ Cu以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2. 0以下和平均粒径1. 0微米以下的共晶Si晶粒。各第一和第二铝合金铸件可通过以下生产熔融金属原材料如铝合金铸锭来制备上述特定的合金元素组合物的熔融铝合金，将该熔融铝合金注入铸模(也称为模(die)) 中，从而在铸模中的熔融铝合金的平均流速(下文有时称作平均模内流速)为12m/s以上的条件下铸造熔融铝合金。以下将解释第一和第二铝合金铸件的组成合金元素。Si(硅)具有改进铝合金的模铸造性(die-castability)的大的效果。当铝合金的Si含量小于7.0质量％时，由于熔融铝合金的低流动性，Si元素的铸造性改进效果变小。 当铝合金的Si含量超过11. 5质量％时，所得铝合金铸件的韧度变低。因此，控制各第一和第二铝合金铸件的Si含量(熔融铝合金的Si含量)为7.0至11. 5质量％。在把重点放在合金铸造性、强度和韧度上的情况下，优选控制各第一和第二铝合金铸件的Si含量(熔融铝合金的Si含量)为8. 0至10. 0质量％。Mg (镁)溶于铝合金的母相(base phase)并通过与Si化学结合形成Mg2Si以便增加铝合金的强度。当铝合金的Mg含量小于0. 9质量％时，Mg元素的强度改进效果变小。 此外，铝合金铸件的共晶Si晶粒不能通过添加如此少量的Mg而有效地降低粒度。当以0. 9 质量％以上的量包含Mg元素时，Mg元素显示共晶Si晶粒的粒度减小效果。另一方面，当铝合金的Mg含量超过4. 0质量％时，Mg元素的铸造性和强度改进效果变小。也不能有效地改进所得铝合金铸件的0. 2%屈服强度。因此，将各第一和第二铝合金铸件的Mg含量(熔融铝合金的Mg含量)控制为0.9至4.0质量％。优选将各第一和第二铝合金铸件的Mg含量(熔融铝合金的Mg含量)控制为1. 0至4. 0质量％以便更确信地保证上述效果。Fe(铁)在防止模铸造加工期间铝合金对模具的磨损(siezing)上是有效的。当铝合金的狗含量小于0. 1质量％时Je元素的防磨损效果变小。当铝合金的含量超过 0. 65质量％时，随着铝合金铸件中针状Al-Fe金属间化合物的量的增加，铝合金铸件的韧度和伸长率变低。因此，将各第一和第二铝合金铸件的狗含量(熔融铝合金的狗含量) 控制为1.0至4.0质量％。Mn (锰)在防止模铸造期间铝合金对模具的磨损上也是有效的。当铝合金的Mn含量小于0. 1质量％时，Mn元素的防磨损效果变小。当铝合金的Mn含量超过0. 8质量％时， 由于在铝合金铸件中形成粗Al-Mn金属间化合物或Al-Fe-Mn金属间化合物，铝合金铸件的韧度和伸长率变低。因此，将各第一和第二铝合金铸件的Mn含量(熔融铝合金的Mn含量) 控制为0. 1至0.8质量％。Cu (铜)具有进一步增加铝合金强度的效果。当铝合金的Cu含量小于0.3质量％ 时，Cu元素的强度改进效果变小。当铝合金的Cu含量超过1. 0质量％时，铝合金铸件的韧度和耐腐蚀性变低。因此，控制第二铝合金铸件的Cu含量为0. 3至1. 0质量％。为了材料再循环的目的，通常是这样的情况退料(return material)在使用中与铸造合金锭混合。因此，在各第一和第二铝合金铸件中，包含除Al和上述合金元素以外的某些元素作为不可避免的杂质。作为第一铝合金铸件的不可避免的杂质，可例举Cu、P (磷)、Zn (锌)、Sn (锡)、 Pb (铅)、Ni (镍)、Cr (铬)、Ti (钛)、B (硼)、Zr (锆)、Sr (锶)、Sb (锑)、Ca (钙)和 Na(钠)。这里，当第一铝合金铸件(熔融铝合金)具有Sr含量0.003质量％以下、Sb含量0. 01质量％以下、Ca含量0. 003质量％以下和Na含量0. 001质量％以下时，Sr、Sb、Ca 和Na元素被认为是不可避免的杂质；当第一铝合金铸件(熔融铝合金)具有Cu含量0. 3 质量％以下时，Cu元素被认为是不可避免的杂质。作为第二铝合金铸件的不可避免的杂质，可例举P、Zn、Sn、Pb、Ni、Cr、Ti、B、Zr、
Sr、Sb、Ca和Na。如第一铝合金铸件的情况一样，当第二铝合金铸件(熔融铝合金)具有 Sr含量0. 003质量％以下、Sb含量0. 01质量％以下、Ca含量0. 003质量％以下和Na含量 0. 001质量％以下时，Sr、Sb、Ca和Na元素被认为是不可避免的杂质。由于共晶Si晶粒的粒度减小可被铝合金中P的存在所干扰，因此优选各第一和第二铝合金铸件(熔融铝合金)具有P含量0. 004质量％以下。由于大量Ti、Zr、B的添加可导致粗金属间化合物的形成并引起铝合金铸件韧度的劣化，因此还优选各第一和第二铝合金铸件(熔融铝合金)具有Ti含量0. 25质量％以下、Zr含量0. 25质量％以下和B含量0. 02质量％以下。考虑到实际应用，进一步优选各第一和第二铝合金铸件(熔融铝合金)具有Si含量0. 8质量％以下、Sn含量0. 1质量％以下、Pb含量0. 1质量％以下、Ni含量0. 1质量％ 以下和Cr含量0. 5质量％以下。铝合金铸件不可避免的杂质不限于上述元素。在第一和第二铝合金铸件二者之一中包含除上述杂质元素以外的任何一种或多种元素作为不可避免的杂质的情况下，优选控制这些其他杂质元素中的每一种的含量为0. 05质量％以下并控制这些其他杂质元素的总量为0.5质量％以下。在各第一和第二铝合金铸件中，如上所述，共晶Si晶粒具有纵横比2. 0以下和平均粒径1. 0微米以下。当共晶Si晶粒的纵横比超过2. 0时，并当共晶Si晶粒的平均粒径超过1. 0微米时，铝合金铸件不能获得期望的性能。在本发明中，将共晶Si晶粒的纵横比定义为晶粒的长径(长)与短径(宽)的比，并通过以下测定，例如采集铝合金铸件特定区域的金属结构的显微照片，在显微照片上观察10个不同视野(视野大小0. 087mm乘以
0.063mm)，计算各视野中共晶Si晶粒的纵横比，然后获得所计算的纵横比的平均值。此外， 共晶Si晶粒的平均粒径由以下来测定例如采集铝合金铸件特定区域的金属结构的显微照片，在显微照片上观察10个不同视野(视野大小0. 087mm乘以0. 063mm)，借助图像分析设备计算各视野中共晶Si晶粒的当量圆直径，然后获得所计算的晶粒直径的平均值。优选地，各第一和第二铝合金铸件可通过以下来生产在例如650至750摄氏度下熔融包含Al和上述合金元素的金属原材料，在铸造压力30至70MPa、熔融金属注入速度
1.0至4. Om/s和真空度IOOmbar以下的条件下将熔融铝合金铸入铸模。采用如此高的真空模铸造加工使其可以减少气体进入铝合金铸件以及铝合金铸件中孔隙率的产生。此外，铝合金铸件的共晶Si晶粒可通过在真空模铸造加工期间控制熔融铝合金的平均模内流速为 12m/s以上来有效地减小粒度并使其粒度更加细化。第一和第二铝合金铸件二者均适用于需要高强度和高韧度的汽车零件例如活塞火焰零件、车门内部零件、悬架零件等。汽车零件可仅由第一和第二铝合金铸件二者之一生产。任选地，汽车零件可由第一或第二铝合金铸件与任意其他材料的结构组件的组合来生产。在其他结构组件的材料在铸造条件下是稳定的情况下，可以在其他结构组件置于铸模的状态下，通过在铸模中铸造铝合金来生产汽车零件。以下将参考以下实施例更详细描述本发明。然而，应注意的是，以下实施例仅为说明性的并不意于限制本发明。实施例1-1至1-4、实施例2-1至2-6、实施例3-1至3-3、比较例1-1至1-8、比较例2-1至2-6和比较例3-1至3-2的试样的生产和评价通过以下步骤进行。在各实施例中，熔融金属原材料以制备具有铝和示于表1的合金元素的组合物的熔融铝合金。熔融铝合金的温度控制在690至750摄氏度。然后在铸造压力60MPa、熔融金属注入速度1. 6m/s和真空度50mbar以下的条件下使用350_t高真空模铸造机将熔融铝合金注入铸模中。用该方法获得IlOmm长、IlOmm宽和3. 5mm或5mm厚的板状铝合金铸件。此处，在各实施例中，铝合金铸件的Sr、Na、Ca和Sb含量分别为小于0. 001质量％、小于0. 0005质量％、0. 001质量％和小于0. 001质量％。此外，根据以下等式确定熔融铝合金的平均模内流速。[等式1]
平均模内流速(m/s)
=[注入速度(m/s) ]x[套管截面积(mm2)] [产品截面积(mm2)]以其原样将生产的铝合金铸件用作试样。因此，根据JISH0001，试样的加热符号为F。
用显微镜观察各铝合金铸件的微结构以检测铝合金铸件的共晶Si晶粒的粒度减小。此处，在铝合金铸件的中心、大厚度部分进行共晶Si晶粒的观察。基于显微镜观察结果测定共晶Si晶粒的纵横比和平均粒径。认为当共晶Si晶粒的粒度小于或等于1微米时共晶Si晶粒发生粒度减小，而当共晶Si晶粒的粒度大于1微米时共晶Si晶粒不发生粒度减小。实施例1-1至1-4,2-1至2-6和3-1至3-3以及比较例1-1至1_8、2_1至2-6和 3-1至3-2的铝合金铸件的组成、熔融铝合金的平均模内流速以及共晶Si晶粒的纵横比和平均粒径示于表1中2。在表2中，〇表示发生共晶Si晶粒的粒度减小；X表示未发生共晶Si晶粒的粒度减小。[表 1]
权利要求
1.一种铝合金铸件，其基本上由7. 0至11. 5质量％ Si、0. 9至4. 0质量％ Mg、0. 1至 0. 65质量％ Fe,0. 1至0. 8质量％ Mn以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2. 0以下和平均粒径1. 0微米以下的共晶Si晶粒。
2.—种铝合金铸件，其基本上由7. 0至11. 5质量％ Si、0. 9至4. 0质量％ Mg、0. 1至 0. 65质量％ Fe、0. 1至0. 8质量％ Μη、0. 3至1. 0质量％ Cu以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并包含具有纵横比2. 0以下和平均粒径1. 0微米以下的共晶Si晶粒。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金铸件，其中所述Si的含量为8.0至10. 0质量％ ； 和所述Mg的含量为1.0至4.0质量％。
4.一种汽车零件，其包括根据权利要求1至3任一项所述的铝合金铸件。
5.一种生产根据权利要求1至3任一项所述的铝合金铸件的方法，其包括制备基本上由7. 0至11. 5质量％ Si、0. 9至4. 0质量％ Mg、0. 1至0. 65质量％ Fe、0. 1至0. 8质量％ Mn以及余量的Al和不可避免的杂质组成或基本上由7. 0至11. 5质量％ Si、0. 9至4. 0质量％ Mg、0. 1至0. 65质量％ Fe、0. 1至0. 8质量％ Μη、0. 3至1. 0质量％ Cu以及余量的Al 和不可避免的杂质组成的熔融铝合金；以及将所述熔融铝合金注入铸模中，从而在所述铸模中的所述熔融铝合金的平均流速为12m/s以上的条件下铸造所述熔融铝合金。
全文摘要
提供一种铝合金铸件，其基本上由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn以及余量的Al和不可避免的杂质组成，或者基本上由7.0至11.5质量％Si、0.9至4.0质量％Mg、0.1至0.65质量％Fe、0.1至0.8质量％Mn、0.3至1.0质量％Cu以及余量的Al和不可避免的杂质组成，并且包含纵横比为2.0以下和平均粒径为1.0微米以下的共晶Si晶粒。还提供由所述铝合金铸件形成的汽车零件以及所述铝合金铸件的生产方法。
文档编号C22C21/02GK102575323SQ20108003999
公开日2012年7月11日 申请日期2010年7月27日 优先权日2009年9月10日
发明者中川成幸, 板仓浩二, 永石裕介, 甲藤晴康, 铃木聪 申请人:日产自动车株式会社, 日本轻金属株式会社