專利名稱：鋁合金材料，它的制造方法以及它的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的鋁基合金材料的制造方法、利用該方法獲得的材料以及該材料的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
近年來，在汽車內(nèi)燃機(jī)方面，可觀察到這樣一種趨勢，即趨向于特定性能得到提高的、重量更輕且結(jié)構(gòu)更緊湊的組件。其中這也導(dǎo)致對使用的活塞的要求越來越高。對于這個(gè)趨勢，既可以通過結(jié)構(gòu)的改變，也可以主要通過合適的新材料來考慮。主要是要求耐高溫且特別輕的材料。
迄今為止，活塞通常是由鑄造鋁硅合金制成。由于良好的鑄造特性，基于鋁硅合金，活塞可以相對價(jià)廉且簡單地用金屬型鑄造法進(jìn)行制造。
通常，這些材料是在含有12-18重量％，個(gè)別情況下可達(dá)24重量％的硅，以及含有1-1.5重量％的鎂雜質(zhì)、1-3重量％的銅雜質(zhì)并且也常常含有1-3重量％的鎳雜質(zhì)的情況下制成合金。為了改善這種合金的熱拉強(qiáng)度，例如根據(jù)US 6 419 769 A1，建議將銅的含量調(diào)整為5.6-8.0重量％。根據(jù)FR 2 690 957 A1，這種合金的強(qiáng)度是通過另外添加元素鈦、鋯和釩得到提高。然而，由于添加這些可提高強(qiáng)度的元素，材料的密度增大。
專利文獻(xiàn)DE 747 355描述了一種對于活塞特別有利的耐高溫合金，該合金的比重小。這種材料的突出特點(diǎn)在于含有4-12重量％的鎂和0.5-5重量％的硅，其中硅含量應(yīng)始終小于鎂含量的一半。此外，還添加有0.2-5重量％的銅和/或鎳。這種材料的特征也應(yīng)在于，在放棄添加可提高強(qiáng)度的成分的同時(shí)，也使熱拉強(qiáng)度得到改善。
專利文獻(xiàn)DE 38 42 812 A1描述了一種鑄造輕材料，該材料是基于含有5-25質(zhì)量％的硅化鎂的鋁合金。除了硅化鎂外，既含有過剩的硅(最多達(dá)12質(zhì)量％)也含有過剩的鎂(最多達(dá)15質(zhì)量％)，這被認(rèn)為是有利的。此外，還可以添加最多達(dá)5質(zhì)量％的銅、鎳、錳和鈷。另外在從屬權(quán)利要求5中，以鋁-硅-鎂三種材料組成的系統(tǒng)的液相線溫度小于700℃作為界限。對于因過剩的鎂或硅而引起在機(jī)械特性方面的優(yōu)點(diǎn)或缺點(diǎn)，沒有明確提到。
這些公開的材料無例外地都是鑄造材料。然而，還是存在一種對密度更小強(qiáng)度更高的材料的需求，迄今為止，這些材料是不能只通過應(yīng)用鑄造方法而制得。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的內(nèi)容是一種制造材料的方法，在該方法中，熔煉、澆鑄或者通過噴射成型法(Spruehkompaktieren)預(yù)先壓制一種鋁基合金，其含有5.5-13.0質(zhì)量％的硅，還含有含量為根據(jù)公式鎂的質(zhì)量％＝1.73×硅的質(zhì)量％+m(m＝1.5-6.0質(zhì)量％)得到的質(zhì)量％的鎂，以及含有1.0-4.0質(zhì)量％的銅(其余為鋁)。然后，該鋁基合金至少經(jīng)過一次熱加工，隨后進(jìn)行熱處理，該熱處理包括固溶退火、淬火和人工時(shí)效。
根據(jù)上述的公式，依賴于每次規(guī)定的硅含量，添加鎂。在這里，一部分鎂(1.73×硅的含量)直接與硅反應(yīng)生成硅化鎂，剩余的1.5-6.0質(zhì)量％的鎂溶解于鋁的混合晶體中并且經(jīng)過合適的熱處理之后與銅一起提高材料的強(qiáng)度。該材料可含有在鋁基合金中常見的雜質(zhì)。此外，為了進(jìn)一步提高強(qiáng)度，添加其他合金元素可能是有意義的。已經(jīng)公開例如添加少量(0.05-0.2％)的鈦、鋯石或者釩，產(chǎn)生提高強(qiáng)度的作用(FR 2 690 957 A1)，同樣已公開0.1-0.5％的銀的作用，這些銀在鋁銅合金中對熱拉強(qiáng)度特性產(chǎn)生正面的影響。添加少量(0.2-2％)其他用于鋁銅鎂合金的合金元素，例如鎳、鈷或鎂或鐵，這也發(fā)生作用，而沒有在機(jī)械特性方面產(chǎn)生負(fù)面影響。然而，通過添加前面提到的元素，大多數(shù)情況下會(huì)增大所需的輕結(jié)構(gòu)材料的密度。
按照本發(fā)明的方法獲得的材料的突出特點(diǎn)在于它的密度小而且強(qiáng)度特性特別好，其強(qiáng)度特性即使在高溫下也優(yōu)越于目前使用的活塞合金。
其他有利特征可以從屬權(quán)利要求中得出。
鋁基合金可用所有已知的熱加工方法，例如擠壓、熱軋或者鍛造進(jìn)行處理。熱加工應(yīng)在變形程度大于5倍的情況下進(jìn)行。
為了不影響材料的質(zhì)量，所使用的鋁或鋁基合金只能含有微量的雜質(zhì)元素，具體地說，每種雜質(zhì)元素的含量分別不能大于1質(zhì)量％。
為了獲得最好的強(qiáng)度特性，優(yōu)選在熱成型之后進(jìn)行熱處理。熱處理可以以本身已知的方式通過固溶退火、淬火和人工時(shí)效進(jìn)行。
本發(fā)明的材料適合用于制造所有種類的部件，特別是內(nèi)燃機(jī)活塞。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將各個(gè)成分按照通常的方法制成合金，并借助噴射成型法將其鑄造成圓柱件，通過這樣制造一種由下列成分組成的合金A8.1質(zhì)量％的硅；17.2質(zhì)量％的鎂；1.7質(zhì)量％的銅；0.3質(zhì)量％的鐵50ppm的鈹；其余為鋁。
將得到的預(yù)制材料預(yù)先加熱到400-500℃，通過擠壓使其發(fā)生10倍的變形，接著使其硬化。此外，還進(jìn)行熱處理，包括在500℃下歷時(shí)為2小時(shí)的固溶退火、在水中淬火和在210℃下歷時(shí)10個(gè)小時(shí)的人工時(shí)效。
添加鈹，以減少熔融液的氧化。鐵是作為雜質(zhì)進(jìn)行分析。
實(shí)施例2將各個(gè)成分按照通常的方法制成合金，并借助連續(xù)澆鑄法將其鑄造成圓柱件，通過這樣制造一種由下列成分組成的合金B(yǎng)6.0質(zhì)量％的硅；12.5質(zhì)量％的鎂；2.1質(zhì)量％的銅；0.2質(zhì)量％的鐵50ppm的鈹；1.0重量％的磷酸鎂；其余為鋁。
將得到的預(yù)制材料預(yù)先加熱到400-500℃，通過擠壓使其發(fā)生10倍的變形，接著使其硬化。此外，還進(jìn)行熱處理，包括在500℃下歷時(shí)為2小時(shí)的固溶退火、在水中淬火和在210℃下歷時(shí)10個(gè)小時(shí)的人工時(shí)效。
添加鈹，以減少熔融液的氧化。磷酸鎂用于細(xì)化最初凝固的硅化鎂顆粒。鐵是作為雜質(zhì)進(jìn)行分析。
實(shí)施例3將各個(gè)成分按照通常的方法制成合金，并借助連續(xù)澆鑄法將其鑄造成圓柱件，通過這樣制造一種由下列成分組成的合金C12.9質(zhì)量％的硅；25.1質(zhì)量％的鎂；1.9質(zhì)量％的銅；0.15質(zhì)量％的鐵50ppm的鈹；0.9重量％的磷酸鎂；其余為鋁。
將得到的預(yù)制材料預(yù)先加熱到400-500℃，通過擠壓使其發(fā)生10倍的變形，接著使其硬化。此外，還進(jìn)行熱處理，包括在500℃下歷時(shí)為2小時(shí)的固溶退火、在水中淬火和在210℃下歷時(shí)10個(gè)小時(shí)的人工時(shí)效。
添加鈹，以減少熔融液的氧化。磷酸鎂用于細(xì)化最初凝固的硅化鎂顆粒。鐵是作為雜質(zhì)進(jìn)行分析。
制成的材料顯現(xiàn)出如下特性


同英國的鋁標(biāo)準(zhǔn)2618相比，本發(fā)明的材料的突出特點(diǎn)在于密度更小且彈性模量(E-Modul)更大。獲得的靜態(tài)強(qiáng)度特性可與高強(qiáng)度的可鍛合金2618相比。算出的疲勞強(qiáng)度明顯超過在可鍛合金2618中獲得的值。本發(fā)明的材料既在靜態(tài)試驗(yàn)也在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中優(yōu)越于專利文獻(xiàn)US 6 419 769 A公開的鑄造合金。本發(fā)明的材料由于這些特性而特別適合用于制造內(nèi)燃機(jī)活塞。
權(quán)利要求
1.一種材料的制造方法，其中制得一種鋁基合金，其含有5.5-13.0質(zhì)量％的硅、含量為根據(jù)公式鎂的質(zhì)量％＝1.73×硅的質(zhì)量％+m，其中m＝1.5-6.0質(zhì)量％，得到的質(zhì)量％的鎂、以及1.0-4.0質(zhì)量％的銅，然后，該鋁基合金至少經(jīng)過一次熱加工，以及隨后進(jìn)行熱處理，該熱處理包括固溶退火、淬火和人工時(shí)效。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鋁基合金是借助噴射成型法進(jìn)行制造。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鋁基合金是借助連續(xù)澆鑄法進(jìn)行制造。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鋁基合金是借助金屬型鑄造法進(jìn)行制造。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述的鋁基合金含有0.5-1.5重量％的磷酸鎂，其用于細(xì)化形成的最初的硅化鎂顆粒。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述的鋁基合金是借助擠壓、熱軋或者鍛造進(jìn)行熱加工。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的熱加工應(yīng)在變形程度大于5倍的情況下進(jìn)行。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，添加1.5-3.0質(zhì)量％的銅。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在使用的鋁中，每種雜質(zhì)元素的含量不大于1質(zhì)量％。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的材料在500℃加熱2小時(shí)，在水中淬火，以及接著在210℃下進(jìn)行人工時(shí)效10個(gè)小時(shí)。
11.基于鋁基合金的材料，該材料是通過權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法獲得。
12.如權(quán)利要求11所述的材料用于制造部件。
13.如權(quán)利要求12所述的部件是內(nèi)燃機(jī)活塞。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁基合金材料的制造方法，所述鋁基合金含有5.5－13.0質(zhì)量％的硅、含量為根據(jù)公式鎂的質(zhì)量％＝1.73×硅的質(zhì)量％+m(m＝1.5－6.0質(zhì)量％)得到的質(zhì)量％的鎂，以及1.0－4.0質(zhì)量％的銅。然后，該鋁基合金至少經(jīng)過一次熱加工，隨后進(jìn)行熱處理，該熱處理包括固溶退火、淬火和人工時(shí)效。根據(jù)上述的公式，依賴于每次規(guī)定的硅含量，添加鎂。按照本發(fā)明獲得的材料的突出特點(diǎn)在于密度小且強(qiáng)度高。
文檔編號C22F1/04GK1918311SQ200580004905
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月16日
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