含鎳過(guò)共晶鋁硅砂型鑄造合金的制作方法
【專利說(shuō)明】含鎳過(guò)共晶鋁硅砂型鑄造合金
[0001]交叉參考相關(guān)串請(qǐng)
[0002]不適用。
[0003]關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)
[0004]不適用。
_5]光盤提交的引用合并資料
[0006]不適用。
【背景技術(shù)】
[0007]鋁硅合金的共晶結(jié)構(gòu)早已進(jìn)行了研究以確定合金的機(jī)械性能，參見美國(guó)專利號(hào)1，387，900和1，410，461。經(jīng)過(guò)80多年對(duì)這種共晶結(jié)構(gòu)的研究，本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在理解，僅以10ppm的濃度將鈉或鍶添加至共晶熔體中就改變了共晶硅相的尺寸和形態(tài)，致使合金的延展性顯著增加。
[0008]而且，過(guò)共晶鋁硅合金沒(méi)有在很大程度上用于砂型鑄造工藝，因?yàn)樗鼈冸y以加工且因?yàn)槌跫?jí)生硅顆粒的尺寸在砂型鑄造冷卻速率下比在使用金屬模具的鑄造工藝的冷卻速率下更大。其結(jié)果是，需要控制鑄造的微觀結(jié)構(gòu)，以達(dá)到可接受的機(jī)械加工性。在過(guò)共晶合金中達(dá)到滿意的機(jī)械加工性通常是通過(guò)將磷添加到合金熔體來(lái)細(xì)化初生硅顆粒的尺寸而實(shí)現(xiàn)的。然而，磷傾向于與普通熔體添加劑，如鍶和鈉，形成磷化物，而不是與鋁反應(yīng)形成磷化鋁。這是有問(wèn)題的，因?yàn)榱谆X是過(guò)共晶鋁硅合金的共晶結(jié)構(gòu)中形成初生硅的晶核。因此，含磷過(guò)共晶鋁硅合金的共晶結(jié)構(gòu)幾乎總是不變的。
[0009]因此，磷細(xì)化的、固溶熱處理的、淬火并老化的過(guò)共晶鋁硅結(jié)構(gòu)提供了用于機(jī)械加工的基線，但這個(gè)基線通常需要金剛石刀具進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸?。相比之下，共晶鋁硅合金和亞共晶鋁硅合金，其中共晶硅結(jié)構(gòu)用添加鍶或鈉改性，增加了延展性并更易于加工。然而，當(dāng)亞共晶合金結(jié)構(gòu)中的改性共晶與未改性結(jié)構(gòu)比較時(shí)，鍶或鈉改性的共晶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出與未改性結(jié)構(gòu)幾乎相同的熱處理狀態(tài)下的機(jī)械加工性。人們認(rèn)為，這種加工性的相同是由于共晶硅相作為連續(xù)相在共晶中存在，無(wú)論共晶改性或未改性。另外，由于相比于鑄造狀態(tài)，加工延展性較差的T6或T7熱處理狀態(tài)始終是更容易的，基礎(chǔ)金屬的性質(zhì)對(duì)機(jī)械加工性存在相當(dāng)顯著的影響。因此，不存在可以改善過(guò)共晶鋁硅合金的機(jī)械加工性的可預(yù)測(cè)處理。
[0010]過(guò)共晶鋁合金B(yǎng)391(AA B391)包括18?20 %的按重量計(jì)的硅以求耐磨損性，0.4?0.7%按重量計(jì)的鎂用于老化以增加強(qiáng)度并具有最大值為0.2%的按重量計(jì)的鐵和銅以求良好的砂型鑄造特性，并且是由鋁業(yè)協(xié)會(huì)注冊(cè)用于砂型鑄造的唯一過(guò)共晶鋁硅合金。按重量計(jì)最大0.2%的銅成分可以確保(對(duì)于任何給定的硅含量)固化范圍，S卩，液相和固相線之間的溫度差，處于最小值。相比較而言，AA 390具有與AA B391相同的元素的范圍，只是AA 390具有4.5%按重量計(jì)的銅成分。因此，AA B391的窄固化范圍的發(fā)生主要是因?yàn)?，相比于AA 390，顯著較低的銅成分提高了近100華氏度的固相線熔點(diǎn)。
[0011]AA B391的窄固化范圍是很重要的，因?yàn)槌跎璞热廴诤辖鹈芏刃。容^不太可能在窄固化范圍的合金中漂浮及沉淀而分離。AA B391的低鐵和錳含量是可取的，并且對(duì)于固化緩慢的砂型鑄造過(guò)共晶鋁硅合金特別有吸引力。當(dāng)在緩慢冷卻期間鐵相變大時(shí)，AA B391的機(jī)械性能顯著降低，因?yàn)殍F相的針樣形態(tài)導(dǎo)致了機(jī)械特性的下降。
[0012]從歷史上看，鎳是在第一次世界大戰(zhàn)期間開發(fā)的Y合金中(按重量計(jì)銅4%，按重量計(jì)鎳2%，按重量計(jì)鎂1.5%，余量的招)的必要元素?，F(xiàn)今只存在于3個(gè)在招協(xié)會(huì)注冊(cè)的合金中，鎳的濃度為2%?3%的鎳。因此，已知鎳作為微量成分使用在一些鋁銅合金中，例如AA 242、AA 336和AA 393，其中該元素在高溫下賦予了高強(qiáng)度。AA 242具有的配方是
3.7?4.5%按重量計(jì)的銅，1.2?1.7%按重量計(jì)的鎂，1.8?2.3%按重量計(jì)的鎳和余量為鋁。AA 336具有11?13%按重量計(jì)的硅，最大1.2%按重量計(jì)的鐵，0.5?1.5%按重量計(jì)的銅，0.7?1.3%按重量計(jì)的鎂，2.0?3.0 %按重量計(jì)的鎳和余量為鋁。同樣地，AA393具有的過(guò)共晶配方是21?23%按重量計(jì)的硅，按重量計(jì)最多1.3%的鐵，0.7?1.1%按重量計(jì)的銅，0.7到1.3%按重量計(jì)的鎂，2.0?2.5%按重量計(jì)的鎳和余量為招。
[0013]此外，四十多年前，人們對(duì)于單向固化的、作為纖維增強(qiáng)材料的Al-N1-Al3共晶有相當(dāng)大的興趣，特別是用于高溫應(yīng)用。如參考B.K.Agrawal，Met A 6，152605所確定的，在L.F.Mondolfo的《鋁合金:結(jié)構(gòu)和屬性》這本書中339頁(yè)[巴特沃斯出版有限公司，1976]，通過(guò)定向固化，共晶可被使得與在生長(zhǎng)方向上對(duì)齊的附六13纖維結(jié)晶，且纖維之間的間距取決于固化率。該參考資料指出將鋇、鈰、銫添加至單向固化的Al-NiAl3共晶將固化模式從集落改變至枝晶。還已知，從高溫淬火后老化不產(chǎn)生有實(shí)用價(jià)值的二元Al-Ni合金的硬化。
[0014]然而，濃度接近6%的鎳加入鋁娃鎂鑄造合金、鋁銅娃鑄造合金、鋁銅娃鎂合金或鋁銅合金鑄件還沒(méi)有被研究。這是因?yàn)?，已知?%或更少的按重量計(jì)的鎳的添加具有在一些鑄件中降低熱脆性的效果，也具有降低熱膨脹系數(shù)的效果。
[0015]此外，美國(guó)專利號(hào)6，168，675描述了具有2.5?4.5%按重量計(jì)的鎳的過(guò)共晶鋁硅合金，但有最大1.2%按重量計(jì)的非常高的錳含量和最大1.2%按重量計(jì)的非常高的鐵含量。這種合金適用于壓鑄工藝或永久型鑄造工藝，以制造車輛用盤式制動(dòng)器組件。因?yàn)楦叩腻i和鐵的含量，這種合金具有非常高的較重金屬含量，其需要高的保持溫度以防止較重金屬脫出。此外，高錳含量是必要的，以將針形的β鐵鋁相改性成α鐵鋁相并提高屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，既在環(huán)境溫度下又在高溫下。盡管高水平的錳和鐵賦予了合金以特性，美國(guó)專利6，168，675的合金將不適合于緩慢冷卻工藝如砂型、消失?；蛉勰ｈT造，因?yàn)榧词褂懈咚降腻i也會(huì)形成大針狀鐵相顆粒，，從而阻礙了固化期間的給料，其導(dǎo)致增加的孔隙率水平和降低的延展性水平。
[0016]砂型鑄造工藝越來(lái)越多地被用于鑄造復(fù)合金屬制品。砂型鑄造工藝包括消失模鑄造、帶壓消失模鑄造、綠色砂型鑄造、砂型鑄造、精密砂型鑄造和熔模鑄造。也許這些類型鑄造中最有利和經(jīng)濟(jì)的是帶壓消失模鑄造。這樣的方法在美國(guó)專利6，763，876中描述，題為“使用外部壓力的消失模鑄造金屬制品的方法和設(shè)備”，其主題通過(guò)引用并入本文。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明涉及一種具有改進(jìn)的機(jī)械加工性的過(guò)共晶鋁硅合金，其添加了鎳，本質(zhì)上包含了按重量計(jì)18?20%的硅，按重量計(jì)0.3?1.2%的鎂，按重量計(jì)3.0?6.0%的鎳，按重量計(jì)最大0.4%的銅，按重量計(jì)最大0.8%的錳，按重量計(jì)最大0.5%的鋅和余量的鋁。本發(fā)明的合金的鎳含量可被改性成按重量計(jì)4.5%?6%，并且實(shí)質(zhì)上不含鐵和錳的。本發(fā)明的合金具有額外的好處，特別是當(dāng)與含有過(guò)共晶鋁硅合金的銅相比。這些好處包括:十個(gè)大氣壓的等靜氣體壓力下通過(guò)Al-NiAl3共晶結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的縮松給料和改善的微米水平上的電偶兼容性(通過(guò)鋁鎳電偶)用于含鹽水的濕墊片連接的微結(jié)構(gòu)中的成分。
[0018]本發(fā)明公開了一種過(guò)共晶合金組合物，在固化時(shí)，經(jīng)歷Al-NiAl3*晶反應(yīng)，并在緩慢冷卻時(shí)(相對(duì)于壓鑄工藝的快速冷卻)涉及到形成Al-NiAlJg，其酷似“中文字”的形態(tài)。此微觀形態(tài)嵌入在圍繞初生硅的共晶中，勾勒和分割初生硅顆粒，同時(shí)提供半連續(xù)斷裂路徑，通過(guò)共晶將良好機(jī)械加工性的賦予到通常難加工的過(guò)共晶鋁硅合金。此外，很重要的是，本發(fā)明的合金實(shí)質(zhì)上不含鐵和錳，因?yàn)槿绻F相和錳相在微結(jié)構(gòu)中，它們會(huì)堵塞枝間通路并阻礙給料，降低可加工性，即使在施加了 10個(gè)大氣壓的等靜壓力。
[0019]因此，NiAl3中文字形態(tài)存在于整個(gè)本發(fā)明合金的微結(jié)構(gòu)中，以提高機(jī)械加工性和促進(jìn)改善的升溫性能。這一發(fā)現(xiàn)非常令人驚奇是因?yàn)橥ǔＬ岣邫C(jī)械加工性的微觀結(jié)構(gòu)特征，如在鋼中的硫化物，也會(huì)降低機(jī)械性能。
[0020]本發(fā)明的過(guò)共晶鋁硅合金還預(yù)期地使用在用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件的消失模鑄造工藝中，如發(fā)動(dòng)機(jī)座、發(fā)動(dòng)機(jī)頭、活塞，尤其在鹽水中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，因此無(wú)論是在環(huán)境溫度或升高的溫度下都需要高耐腐蝕性和高機(jī)械特性(通過(guò)低孔隙率水平)。
[0021]因此，本發(fā)明的過(guò)共晶鋁硅砂型鑄造合金實(shí)質(zhì)上包含按重量計(jì)18?20%的硅，按重量計(jì)0.3?1.2%的鎂，按重量計(jì)3.0?6.0%的鎳，按重量計(jì)最大0.8%的鐵，按重量計(jì)最大0.4%的銅，按重量計(jì)最大0.6%的錳，按重量計(jì)最大0.5%的鋅，和余量的鋁?；蛘?，銅含量可以為按重量計(jì)最大0.2%的銅，鐵的含量可為按重量計(jì)最大0.6 %的鐵，鋅含量可以是按重量計(jì)最大0.1%的鋅?；蛘撸景l(fā)明的鋁硅砂型鑄造合金可實(shí)質(zhì)上包含按重量計(jì)18?20%的硅，按重量計(jì)0.3?0.7%的鎂，按重量計(jì)3.0?6.0%的鎳，按重量計(jì)最大0.2%的鐵，按重量計(jì)最大0.2%的銅