含鎳過共晶鋁硅砂型鑄造合金的制作方法
【專利說明】含鎳過共晶鋁硅砂型鑄造合金
[0001]交叉參考相關(guān)串請
[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)早已進行了研究以確定合金的機械性能，參見美國專利號1，387，900和1，410，461。經(jīng)過80多年對這種共晶結(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，過共晶鋁硅合金沒有在很大程度上用于砂型鑄造工藝，因為它們難以加工且因為初級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)，以達到可接受的機械加工性。在過共晶合金中達到滿意的機械加工性通常是通過將磷添加到合金熔體來細化初生硅顆粒的尺寸而實現(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，而不是與鋁反應形成磷化鋁。這是有問題的，因為磷化鋁是過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，磷細化的、固溶熱處理的、淬火并老化的過共晶鋁硅結(jié)構(gòu)提供了用于機械加工的基線，但這個基線通常需要金剛石刀具進行適當?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，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)下的機械加工性。人們認為，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)對機械加工性存在相當顯著的影響。因此，不存在可以改善過共晶鋁硅合金的機械加工性的可預測處理。
[0010]過共晶鋁合金B(yǎng)391(AA B391)包括18?20 %的按重量計的硅以求耐磨損性，0.4?0.7%按重量計的鎂用于老化以增加強度并具有最大值為0.2%的按重量計的鐵和銅以求良好的砂型鑄造特性，并且是由鋁業(yè)協(xié)會注冊用于砂型鑄造的唯一過共晶鋁硅合金。按重量計最大0.2%的銅成分可以確保(對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%按重量計的銅成分。因此，AA B391的窄固化范圍的發(fā)生主要是因為，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。
[0011]AA B391的窄固化范圍是很重要的，因為初生硅比熔融合金密度小，比較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，并且對于固化緩慢的砂型鑄造過共晶鋁硅合金特別有吸引力。當在緩慢冷卻期間鐵相變大時，AA B391的機械性能顯著降低，因為鐵相的針樣形態(tài)導致了機械特性的下降。
[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(按重量計銅4%，按重量計鎳2%，按重量計鎂1.5%，余量的招)的必要元素。現(xiàn)今只存在于3個在招協(xié)會注冊的合金中，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度。AA 242具有的配方是
3.7?4.5%按重量計的銅，1.2?1.7%按重量計的鎂，1.8?2.3%按重量計的鎳和余量為鋁。AA 336具有11?13%按重量計的硅，最大1.2%按重量計的鐵，0.5?1.5%按重量計的銅，0.7?1.3%按重量計的鎂，2.0?3.0 %按重量計的鎳和余量為鋁。同樣地，AA393具有的過共晶配方是21?23%按重量計的硅，按重量計最多1.3%的鐵，0.7?1.1%按重量計的銅，0.7到1.3%按重量計的鎂，2.0?2.5%按重量計的鎳和余量為招。
[0013]此外，四十多年前，人們對于單向固化的、作為纖維增強材料的Al-N1-Al3共晶有相當大的興趣，特別是用于高溫應用。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[巴特沃斯出版有限公司，1976]，通過定向固化，共晶可被使得與在生長方向上對齊的附六13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)生有實用價值的二元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有被研究。這是因為，已知的2%或更少的按重量計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，美國專利號6，168，675描述了具有2.5?4.5%按重量計的鎳的過共晶鋁硅合金，但有最大1.2%按重量計的非常高的錳含量和最大1.2%按重量計的非常高的鐵含量。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器組件。因為高的錳和鐵的含量，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度、抗拉強度和伸長率，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，因為即使有高水平的錳也會形成大針狀鐵相顆粒，，從而阻礙了固化期間的給料，其導致增加的孔隙率水平和降低的延展性水平。
[0016]砂型鑄造工藝越來越多地被用于鑄造復合金屬制品。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)濟的是帶壓消失模鑄造。這樣的方法在美國專利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備”，其主題通過引用并入本文。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明涉及一種具有改進的機械加工性的過共晶鋁硅合金，其添加了鎳，本質(zhì)上包含了按重量計18?20%的硅，按重量計0.3?1.2%的鎂，按重量計3.0?6.0%的鎳，按重量計最大0.4%的銅，按重量計最大0.8%的錳，按重量計最大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4.5%?6%，并且實質(zhì)上不含鐵和錳的。本發(fā)明的合金具有額外的好處，特別是當與含有過共晶鋁硅合金的銅相比。這些好處包括:十個大氣壓的等靜氣體壓力下通過Al-NiAl3共晶結(jié)構(gòu)的改進的縮松給料和改善的微米水平上的電偶兼容性(通過鋁鎳電偶)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)明公開了一種過共晶合金組合物，在固化時，經(jīng)歷Al-NiAl3*晶反應，并在緩慢冷卻時(相對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，同時提供半連續(xù)斷裂路徑，通過共晶將良好機械加工性的賦予到通常難加工的過共晶鋁硅合金。此外，很重要的是，本發(fā)明的合金實質(zhì)上不含鐵和錳，因為如果鐵相和錳相在微結(jié)構(gòu)中，它們會堵塞枝間通路并阻礙給料，降低可加工性，即使在施加了 10個大氣壓的等靜壓力。
[0019]因此，NiAl3中文字形態(tài)存在于整個本發(fā)明合金的微結(jié)構(gòu)中，以提高機械加工性和促進改善的升溫性能。這一發(fā)現(xiàn)非常令人驚奇是因為通常提高機械加工性的微觀結(jié)構(gòu)特征，如在鋼中的硫化物，也會降低機械性能。
[0020]本發(fā)明的過共晶鋁硅合金還預期地使用在用于發(fā)動機部件的消失模鑄造工藝中，如發(fā)動機座、發(fā)動機頭、活塞，尤其在鹽水中使用的發(fā)動機部件，因此無論是在環(huán)境溫度或升高的溫度下都需要高耐腐蝕性和高機械特性(通過低孔隙率水平)。
[0021]因此，本發(fā)明的過共晶鋁硅砂型鑄造合金實質(zhì)上包含按重量計18?20%的硅，按重量計0.3?1.2%的鎂，按重量計3.0?6.0%的鎳，按重量計最大0.8%的鐵，按重量計最大0.4%的銅，按重量計最大0.6%的錳，按重量計最大0.5%的鋅，和余量的鋁?；蛘撸~含量可以為按重量計最大0.2%的銅，鐵的含量可為按重量計最大0.6 %的鐵，鋅含量可以是按重量計最大0.1%的鋅?；蛘撸景l(fā)明的鋁硅砂型鑄造合金可實質(zhì)上包含按重量計18?20%的硅，按重量計0.3?0.7%的鎂，按重量計3.0?6.0%的鎳，按重量計最大0.2%的鐵，按重量計最大0.2%的銅