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CN100503857C - 铝合金材料，它的制造方法以及它的应用 - Google Patents

铝合金材料，它的制造方法以及它的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铝基合金材料的制造方法，所述铝基合金含有5.5-13.0质量%的硅、含量为根据公式：镁的质量%＝1.73×硅的质量%+m(m＝1.5-6.0质量%)得到的质量%的镁，以及1.0-4.0质量%的铜。然后，该铝基合金至少经过一次热加工，随后进行热处理，该热处理包括固溶退火、淬火和人工时效。根据上述的公式，依赖于每次规定的硅含量，添加镁。按照本发明获得的材料的突出特点在于密度小且强度高。

Description

铝合金材料，它的制造方法以及它的应用
技术领域
本发明涉及一种铝基合金材料的制造方法、利用该方法获得的材料以及该材料的应用。
背景技术
近年来，在汽车内燃机方面，可观察到这样一种趋势，即趋向于特定性能得到提高的、重量更轻且结构更紧凑的组件。其中这也导致对使用的活塞的要求越来越高。对于这个趋势，既可以通过结构的改变，也可以主要通过合适的新材料来考虑。主要是要求耐高温且特别轻的材料。
迄今为止，活塞通常是由铸造铝硅合金制成。由于良好的铸造特性，基于铝硅合金，活塞可以相对价廉且简单地用金属型铸造法进行制造。
通常，这些材料是在含有12-18重量％，个别情况下可达24重量％的硅，以及含有1-1.5重量％的镁杂质、1-3重量％的铜杂质并且也常常含有1-3重量％的镍杂质的情况下制成合金。为了改善这种合金的热拉强度，例如根据US 6 419 769 A1，建议将铜的含量调整为5.6-8.0重量％。根据FR 2 690 957 A1，这种合金的强度是通过另外添加元素钛、锆和钒得到提高。然而，由于添加这些可提高强度的元素，材料的密度增大。
专利文献DE 747 355描述了一种对于活塞特别有利的耐高温合金，该合金的比重小。这种材料的突出特点在于含有4-12重量％的镁和0.5-5重量％的硅，其中硅含量应始终小于镁含量的一半。此外，还添加有0.2-5重量％的铜和/或镍。这种材料的特征也应在于，在放弃添加可提高强度的成分的同时，也使热拉强度得到改善。
专利文献DE 38 42 812 A1描述了一种铸造轻材料，该材料是基于含有5-25质量％的硅化镁的铝合金。除了硅化镁外，既含有过剩的硅(最多达12质量％)也含有过剩的镁(最多达15质量％)，这被认为是有利的。此外，还可以添加最多达5质量％的铜、镍、锰和钴。另外在从属权利要求5中，以铝-硅-镁三种材料组成的系统的液相线温度小于700℃作为界限。对于因过剩的镁或硅而引起在机械特性方面的优点或缺点，没有明确提到。
这些公开的材料无例外地都是铸造材料。然而，还是存在一种对密度更小强度更高的材料的需求，迄今为止，这些材料是不能只通过应用铸造方法而制得。
发明内容
因此，本发明的内容是一种制造材料的方法，在该方法中，熔炼、浇铸或者通过喷射成型法(Spruehkompaktieren)预先压制一种铝基合金，其含有5.5-13.0质量％的硅，还含有含量为根据公式：镁的质量％＝1.73×硅的质量％+m(m＝1.5-6.0质量％)得到的质量％的镁，以及含有1.0-4.0质量％的铜(其余为铝)。然后，该铝基合金至少经过一次热加工，随后进行热处理，该热处理包括固溶退火、淬火和人工时效。
根据上述的公式，依赖于每次规定的硅含量，添加镁。在这里，一部分镁(1.73×硅的含量)直接与硅反应生成硅化镁，剩余的1.5-6.0质量％的镁溶解于铝的混合晶体中并且经过合适的热处理之后与铜一起提高材料的强度。
该材料可含有在铝基合金中常见的杂质。此外，为了进一步提高强度，添加其他合金元素可能是有意义的。已经公开例如添加少量(0.05-0.2％)的钛、锆石或者钒，产生提高强度的作用(FR 2 690 957 A1)，同样已公开0.1-0.5％的银的作用，这些银在铝铜合金中对热拉强度特性产生正面的影响。添加少量(0.2-2％)其他用于铝铜镁合金的合金元素，例如镍、钴或镁或铁，这也发生作用，而没有在机械特性方面产生负面影响。然而，通过添加前面提到的元素，大多数情况下会增大所需的轻结构材料的密度。
按照本发明的方法获得的材料的突出特点在于它的密度小而且强度特性特别好，其强度特性即使在高温下也优越于目前使用的活塞合金。
铝基合金可用所有已知的热加工方法，例如挤压、热轧或者锻造进行处理。热加工应在变形程度大于5倍的情况下进行。
为了不影响材料的质量，所使用的铝或铝基合金只能含有微量的杂质元素，具体地说，每种杂质元素的含量分别不能大于1质量％。
为了获得最好的强度特性，优选在热成型之后进行热处理。热处理可以以本身已知的方式通过固溶退火、淬火和人工时效进行。
本发明的材料适合用于制造所有种类的部件，特别是内燃机活塞。
具体实施方式
实施例1：
将各个成分按照通常的方法制成合金，并借助喷射成型法将其铸造成圆柱件，通过这样制造一种由下列成分组成的合金A：
8.1质量％的硅；
17.2质量％的镁；
1.7质量％的铜；
0.3质量％的铁
50ppm的铍；
其余为铝。
将得到的预制材料预先加热到400-500℃，通过挤压使其发生10倍的变形，接着使其硬化。此外，还进行热处理，包括在500℃下历时为2小时的固溶退火、在水中淬火和在210℃下历时10个小时的人工时效。
添加铍，以减少熔融液的氧化。铁是作为杂质进行分析。
实施例2：
将各个成分按照通常的方法制成合金，并借助连续浇铸法将其铸造成圆柱件，通过这样制造一种由下列成分组成的合金B：
6.0质量％的硅；
12.5质量％的镁；
2.1质量％的铜；
0.2质量％的铁
50ppm的铍；
1.0质量％的磷酸镁；
其余为铝。
将得到的预制材料预先加热到400-500℃，通过挤压使其发生10倍的变形，接着使其硬化。此外，还进行热处理，包括在500℃下历时为2小时的固溶退火、在水中淬火和在210℃下历时10个小时的人工时效。
添加铍，以减少熔融液的氧化。磷酸镁用于细化最初凝固的硅化镁颗粒。铁是作为杂质进行分析。
实施例3：
将各个成分按照通常的方法制成合金，并借助连续浇铸法将其铸造成圆柱件，通过这样制造一种由下列成分组成的合金C：
12.9质量％的硅；
25.1质量％的镁；
1.9质量％的铜；
0.15质量％的铁
50ppm的铍；
0.9质量％的磷酸镁；
其余为铝。
将得到的预制材料预先加热到400-500℃，通过挤压使其发生10倍的变形，接着使其硬化。此外，还进行热处理，包括在500℃下历时为2小时的固溶退火、在水中淬火和在210℃下历时10个小时的人工时效。
添加铍，以减少熔融液的氧化。磷酸镁用于细化最初凝固的硅化镁颗粒。铁是作为杂质进行分析。
制成的材料显现出如下特性：
 
合金A 合金B 合金C 2618 AlSi12Cu6MgTiZrV
密度(g/cm<sup>3</sup>) 2.50 2.60 2.46 2.77 2.75
热膨胀系数(1/K)      23×10<sup>-6</sup> 23.5×10<sup>-6</sup> 22.5×10<sup>-6</sup> 24×10<sup>-6</sup> ./.
弹性模量(GPa)    79.3 78 82 72 ./.
 
抗拉强度(N/mm<sup>2</sup>)  390 390 390 420 270
屈服强度(N/mm<sup>2</sup>)  335 335 335 350 235
断裂延伸率(％)       2.4 1.5 1.1 7.0 ./.
疲劳强度(N/mm<sup>2</sup>) 
室温 255 255 250 200 131
200℃ 140 135 135 115 97
250℃ 100 100 100 95 76
同英国的铝标准2618相比，本发明的材料的突出特点在于密度更小且弹性模量(E-Modul)更大。获得的静态强度特性可与高强度的可锻合金2618相比。算出的疲劳强度明显超过在可锻合金2618中获得的值。本发明的材料既在静态试验也在动态试验中优越于专利文献US 6 419 769 A公开的铸造合金。本发明的材料由于这些特性而特别适合用于制造内燃机活塞。

Claims (12)

1.一种材料的制造方法，其中制得一种铝基合金，其含有5.5-13.0质量％的硅、含量为根据公式：镁的质量％＝1.73×硅的质量％+m，其中m＝1.5-6.0质量％，得到的质量％的镁、以及1.0-4.0质量％的铜，然后，该铝基合金至少经过一次热加工，以及随后进行热处理，该热处理包括固溶退火、淬火和人工时效。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的铝基合金是借助喷射成型法进行制造。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的铝基合金是借助连续浇铸法进行制造。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的铝基合金是借助金属型铸造法进行制造。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述的铝基合金含有0.5-1.5质量％的磷酸镁，其用于细化形成的最初的硅化镁颗粒。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的铝基合金是借助挤压、热轧或者锻造进行热加工。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的热加工在变形程度大于5倍的情况下进行。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在使用的铝基合金中，每种杂质元素的含量不大于1质量％。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理包括：所述的材料在500℃加热2小时，在水中淬火，以及接着在210℃下进行人工时效10个小时。
10.基于铝基合金的材料，该材料是通过权利要求1至9中任一项所述的方法获得。
11.如权利要求10所述的材料用于制造部件。
12.如权利要求10所述的材料用于制造内燃机活塞。
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