简化半固态铸造工艺的铝合金组合物和半固态铸造方法

摘要

本发明公开了一种简化半固态铸造工艺的铝合金组合物和半固态铸造方法，铝合金具有约0.03重量％至约0.50重量％的铌(Nb)、约0.03重量％至约0.50重量％的钒(V)、约0.03重量％至约0.50重量％的钛(Ti)、大于0重量％至约0.50重量％的硼(B)，并且余量为铝(Al)和杂质。该合金包括约1至约5(优选地约2至约3)的(Nb+V)/Ti的重量百分比比例。合金可以包括约1至约15(优选地约5至越10)的重量百分比比例的(Nb+V+Ti)/B。铝合金可以通过将按重量计的1份中间合金(晶粒细化剂)掺入到约27至80份常规铝合金来形成，该中间合金具有约1.5重量％至约4.0重量％的铌(Nb)、约0.5重量％至约2.0重量％的钛(Ti)、和约0.2重量％至约0.8重量％的硼(B)。

权利要求

1.一种铝合金，包括：

4.00重量％至10.00重量％的硅(Si)；

0.10重量％至0.50重量％的铁(Fe)；

0.01重量％至3.00重量％的铜(Cu)；

0.10重量％至1.00重量％的镁(Mg)；

0.03重量％至0.50重量％的铌(Nb)；

0.03重量％至0.50重量％的钒(V)；

0.03重量％至0.50重量％的钛(Ti)；

大于0重量％至0.50重量％的硼(B)；

0.01重量％至0.03重量％的锶(Sr)；

大于0.0重量％但小于或等于0.50重量％的锰(Mn)；

大于0.0重量％但小于或等于0.50重量％的铬(Cr)；

并且余量是铝(Al)和杂质；

其中，(Nb+V+Ti)/B的重量百分比比例为10至15；(Nb+V)/Ti的重量百分比比例为1至5。

2.如权利要求1所述的铝合金，其中所述(Nb+V)/Ti的重量百分比比例为2至3。

说明书

简化半固态铸造工艺的铝合金组合物和半固态铸造方法

技术领域

[0001] 本公开内容涉及铝合金，更具体地涉及用于半固态铸造的铝合金。

背景技术

[0002] 将金属铸造成有用的形状包括：将金属加热到高于其熔点的温度，将熔融金属放入模具中，并将金属冷却到低于其熔点的温度。金属固化并形成模具的形状，并且此后将其从模具中取出。半固态铸造是一种已知的使用处于部分固态和部分液态的浆料(也称为半固态浆料)形式的金属浇注物的金属铸造工艺。通过半固态铸造(特别是在高压压铸工艺中的半固态铸造)制造的铝部件在飞机、电信和汽车工业中是理想的，因为与液态铝铸造部件相比，半固态铸造部件具有孔隙率相对较低、重量较低且强度较高的特性。

[0003] 半固态铸铝部件传统上是通过触变铸造来生产的，即一种利用具有球状微结构的预铸坯料的工艺。感应加热通常用于将预铸坯料加热到半固态温度范围，并且压铸机用于将半固态浆料注入硬化钢模具。触变铸造的缺点是，由于生产预铸坯料和将预铸坯料加热到半固态温度范围的附加步骤，这是一项昂贵且耗时的工艺。

[0004] 触变铸造的可替代方案是流变铸造，其是一种将液态铝冷却到半固态温度范围内，同时剧烈搅拌液态铝以生成球状微结构(初生α‑铝晶粒)用于半固态成形的工艺。流变铸造直接从液体中生成半固态浆料，从而省去了生产和感应加热预铸坯料的步骤。然而，在流变铸造工艺的冷却和搅拌步骤中，半固态浆料中可能会形成氧化物和夹杂物，并截留在成品铸件中。另外，流变铸造需要生产半固态浆料，并将其输送到铸造模具。

[0005] 因此，虽然当前的半固态铝铸造工艺和用于这种工艺的铝铸造合金实现了其预期目的，但是仍然需要更有效的半固态铸造工艺和实现这种工艺的铝合金。

发明内容

[0006] 根据几个方面，一种适用于半固态铸造的铝合金组合物。该铝合金包括约0.03重量％至约0.50重量％的铌(Nb)、约0.03重量％至约0.50重量％的钒(V)、约0.03重量％至约0.50重量％的钛(Ti)、和由铝(Al)和杂质组成的剩余部分或余量。

[0007] 在本公开内容的另一方面，铝合金进一步包括约1至约5(优选地约2至约3)的(Nb+V)/Ti的重量百分比比例。

[0008] 在本公开内容的另一方面，铝合金进一步包括大于0重量％至约0.50重量％的硼(B)。

[0009] 在本公开内容的另一方面，铝合金进一步包括约1至约15(优选地约5至10)的(Nb+V+Ti)/B的重量百分比比例。

[0010] 在本公开内容的另一方面，铝合金进一步包括约4.00重量％至约10.00重量％的硅(Si)、约0.01重量％至约3.00重量％的铜(Cu)、约0.10重量％至约1.00重量％的镁(Mg)，和约0.01重量％至约0.03重量％的锶(Sr)。

[0011] 根据几个方面，公开了一种半固态铸造的方法。该方法包括：加热铝合金直到铝合金转变成液态铝合金；冷却液态铝合金，直至液态铝合金转变为半固态铝合金；将半固态铝合金浇注到铸造模具当中；冷却半固态铝合金直到半固态铝合金在铸造模具内转变成固态铝合金。实现该方法的铝合金包括约0.03重量％至约0.50重量％的铌(Nb)、约0.03重量％至约0.50重量％的钒(V)、约0.03重量％至约0.50重量％的钛(Ti)、和包括铝(Al)和杂质的剩余部分。

[0012] 在本公开内容的另一方面，铝合金进一步包括约1至约5(优选地约2至约3)的(Nb+V)/Ti的重量百分比比例。

[0013] 在本公开内容的另一方面，铝合金进一步包括大于0重量％至约0.50重量％的硼(B)。

[0014] 在本公开内容的另一方面，铝合金进一步包括约1至约15(优选地约5至越10)的(Nb+V+Ti)/B的重量百分比比例。

[0015] 在本发明内容的另一方面，铝合金进一步包括约4.00重量％至约10.00重量％的硅(Si)、约0.01重量％至约3.00重量％的铜(Cu)、约1.00重量％的镁(Mg)、约0.03重量％的锶(Sr)、大于0.0重量％但小于或等于约0.50重量％的锰(Mn)、以及大于0.0重量％但小于或等于约0.50重量％的铬(Cr)。

[0016] 在本公开内容的另一方面，加热固态铝合金直到铝合金转变成液态铝合金的步骤包括将固态铝合金加热到约30℃至约80℃之间的液相线范围。

[0017] 在本发明内容的另一方面，冷却液态铝合金直到铝合金转变成半固态铝合金的步骤包括以大于每秒5℃的速率冷却液态铝合金。

[0018] 根据几个方面，公开了一种中间合金。该中间合金可以以按重量计的1份中间合金与27至80份常规合金的比例掺入常规铝合金中，以制备适于半固态铸造的铝合金。中间合金包括约1.5重量％至4.0重量％的铌(Nb)、约0.5重量％至2.0重量％的钛(Ti)、约0.2重量％至约0.8重量％的硼(B)、和包括铝(Al)和杂质的剩余部分。

[0019] 根据本文提供的描述，进一步的应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅仅旨在用于说明，而非旨在限制本公开的范围。

附图说明

[0020] 本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

[0021] 图1是示出根据示例性实施例的适用于半固态铸造的铝合金组合物的表格；

[0022] 图2是示出根据示例性实施例的晶粒细化剂组合物的表格；

[0023] 图3是没有晶粒细化剂元素的铝合金的实验室样品的表面光洁度的放大图；

[0024] 图4是根据示例性实施例的具有晶粒细化剂元素的铝合金实验室样品的表面光洁度的放大视图；以及

[0025] 图5是描绘半固态铝铸造方法的步骤的流程图。

具体实施方式

[0026] 以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开内容、应用或用途。参考附图公开了示出的实施例，其中在整个附图中，相同的数字表示相应的部分。附图不一定按比例绘制，并且一些特征可能被放大或缩小以显示特定特征的细节。所公开的特定结构和功能细节不旨在被解释为限制性的，而是作为用于教导本领域技术人员关于如何实践所公开的构思的代表性基础。

[0027] 参考图1，示出了实现简化半固态铸造工艺的铝合金的组合物的表。铝合金按重量百分比(重量％)计包括：约4.00重量％至约10.00重量％的硅(Si)、约0.10重量％至约0.50重量％的铁(Fe)、约0.01重量％至约3.00重量％的铜(Cu)、约0.10重量％至约1.00重量％的镁(Mg)、约0.03重量％至约0.50重量％的铌(Nb)、约0.03重量％至约0.50重量％的钒(V)、约0.03重量％至约0.50％的钛(Ti)、从大于0重量％至约0.50重量％的硼(B)、约0.01重量％至约0.03重量％的锶(Sr)、大于0.0重量％但小于或等于约0.50重量％的锰(Mn)、大于0.0重量％但小于或等于约0.50重量％的铬(Cr)，并且余量是铝(Al)和杂质。

[0028] 优选的是，Mg在约0.3重量％至约0.5重量％之间以使得能够形成硅化镁(Mg2Si)沉淀物。优选的是，Cu在约0.3重量％至约1.0重量％之间以使得能够形成Q‑相沉淀物。优选的是，在半固态铸造工艺中，对于宽固相线‑液相线范围，硅在约5.0重量％至约8.0重量％之间。铁的优选范围根据所生产的铸件的延展性要求来确定。

[0029] 铝合金中包含Nb、V、Ti和B，以通过形成球状微结构来细化晶粒。已发现，Nb、V、Ti和B的重量比的某些组合在铝合金中会使晶粒细化异常，使得铝合金能够用于半固态铸造而不需要预铸坯料和将坯料再加热到熔化温度的附加步骤，或者将液态铝冷却到半固态温度范围同时剧烈搅拌或搅动液态铝以生成半固态所需的球状微结构的步骤。

[0030] Nb和V的组合重量百分比与Ti的重量百分比的比例[(Nb+V)/Ti]应控制在约1至约5，优选地为约2至约3。换句话说，对于每1重量％的Ti、Nb和V的组合重量％为约1重量％至5重量％，优选地为2重量％至3重量％，这使得铝合金适合简化的半固态铸造。

[0031] Nb、V和Ti的组合重量百分比与B的重量百分比的比例[(Nb+V+Ti)/B]应控制在约1至约15，优选地为约5至约10。换句话说，对于每1重量％的B、Nb、V和Ti的组合重量％为约1重量％至15重量％，优选地为5重量％至10重量％，这使得铝合金适合简化的半固态铸造。

[0032] 参考图2，示出了用于生产铝合金以实现简化的半固态铸造工艺的晶粒细化剂的组合物的表。晶粒细化剂(也称为中间合金)可以引入可商购的铝合金，包括但不限于A380、A383和A360铝合金，以将可商购的铝合金转化以形成球状微结构。中间合金包括约1.5重量％至约4.0重量％的铌(Nb)、约0.5重量％至约2.0重量％的钛(Ti)、约0.2重量％至约0.8重量％的硼(B)，并且余量为铝(Al)和杂质。

[0033] 中间合金可以以按重量计约1∶80至1∶27的比例掺入可商购的铝合金中以制备目前公开的铝合金。换句话说，适用于简化半铸造工艺的铝合金可以通过将按重量计的1份中间合金加入到约27至80份常规铝合金中来制备。

[0034] 图3示出了根据示例性实施例的没有晶粒细化元素的铝合金300的实验室样品的表面光洁度的放大视图。铝合金300呈现枝晶微结构302，其不适合半固态铸造。

[0035] 图4示出了根据示例性实施例的具有细晶粒微结构402的铝合金400的实验室样品的表面光洁度的放大视图。细晶粒微结构402比图3的枝晶微结构302更细。

[0036] 图5是描绘使用具有图1所示组合物的改进的铝合金的半固态铝铸造方法500的步骤的流程图。该方法包括：步骤502，加热固体合金直到固体合金转变成液体合金；步骤504，冷却液态合金直到液态合金转变为半固态合金并将半固态合金浇注到铸造模具中；以及步骤506，冷却半固态合金直到半固态合金在铸造模具内转变成固态合金。

[0037] 加热固体合金直到固体合金转变成液体合金的步骤502包括将固体合金加热到约30℃至约80℃之间的液相线范围。冷却液态合金直到合金转变成半固态合金的步骤504包括以大于每秒5℃的速率冷却液态合金。冷却速率使得能够形成如图4所示的球状微结构。

[0038] 本文已经以范围格式呈现了数字数据。本文使用的术语“约”是本领域技术人员所公知的。可替换地，术语“约”按重量计包括+/‑0.05。应当理解的是，使用这种范围格式仅仅是为了方便和简洁，并且应当灵活地解释为不仅包括作为该范围的极限而明确列举的数值，而且还包括该范围内涵括的所有单个数值或子范围，就好像每个数值和子范围都被明确列举一样。虽然已经详细描述了示例，但是熟悉本公开所涉及的领域的人员将会认识到在所附权利要求的范围内用于实践所公开的方法的各种可替代的设计和示例。

[0039] 本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变化旨在落入本公开的范围内。这种变化不应被视为脱离本公开的精神和范围。