微孔率降低的铝硅合金制造技术

一种铝硅模铸合金，具有非常低的铁含量和相对较高的锶含量，用来防止在模铸过程中焊接在模具上。当存在铁时，本发明专利技术的合金还具有改性的共晶硅和改性的铁形态，从而导致低微孔率和高冲击性。该合金包含６－２２ｗｔ％硅、０．０５－０．２０ｗｔ％锶和余量的铝。优选的，本发明专利技术的合金以重量计包含有：６－２０％硅；０．０５至０．１０％锶；最多０．４０％并且最优选为０．２０％铁；最多４．５％铜；最多０．５０％锰；最多０．６０％镁；最多３．０％锌；以及余量的铝。在从固溶温度冷却时，锶用来改变共晶硅结构并且在存在铁的情况下产生出铁相形态改变，从而有助于通过铝枝晶间基质增长。这又产生具有非常低的微孔隙缺陷的最终模铸产品。所含的锶还表现为即使在非常低的铁含量下也在熔融铸件的表面上形成锶原子不润湿单层，从而防止铸模焊接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铝硅合金，其具有降低的微孔率。
技术介绍
铝硅(AlSi)合金在铸造业是公知的。金属学家一直在寻找具有高强度和高延展性的AlSi合金，它能够用来以相对较低的成本铸造各种零件。这里描述的是一种具有降低的微孔率、高的强度和延展性的AlSi合金，并且在用于模铸时不会焊接在模铸模具上。大多数AlSi模铸合金含有镁(Mg)以提高合金的强度。但是，添加Mg也降低了合金的延展性。另外，在模铸固化过程中，含Mg的AlSi合金在熔融铸造目标的外表面上形成表面膜。由于大部分铝合金都含有一些Mg(通常小于1wt％)，所以预计形成被称为“尖晶石”的MgO-Al2O3的表面膜。在固化过程开始期间，尖晶石最初防止熔融铸造物体与模铸模具焊接在一起。但是，随着熔融铸造物体继续固化，运动的熔融金属伸展并且破坏尖晶石，从而暴露出新的铝，它会与金属模具焊接在一起。基本上，在模具中的铁(Fe)在热动力学上趋向溶解到无铁铝中。为了降低这种热动力驱动力，通常要增大铝合金的铁含量。因此，如果铝合金已经包含有所期望的铁(通常加入1wt％的Fe)，铝合金不会具有相同的将铁原子溶解在模具中的趋向。因此，为了防止模具焊接，AlSi合金并且甚至是含Mg的AlSi合金通常包含有用来防止合金焊接在模铸模具上的铁。显然，在这种合金的微观结构中，铁以细长针状相形式出现，已经发现其存在降低了AlSi的强度和延展性并且提高了微孔率。固化范围，即使得合金固化的温度范围，为在液相线温度和恒定共晶温度之间的范围。固化范围越宽或越大，则合金在给定冷却速度下固化所需的时间越长。在经过该固化范围产生亚共晶(即，包含有＜11.6wt％Si)AlSi合金的期间，首先形成铝树枝晶。随着时间消逝并且冷却过程进行，铝树枝晶长得越来越大，最终接触并且形成树枝晶网络。在这个时间段中，并且有时甚至在初生铝相的析出之前，细长铁针状相也形成并且会堵塞铝树枝晶网络的狭窄通道，从而限制了共晶液体的流动。这种现象会增大在最终铸造结构中出现微孔性的情况。高的微孔率是不理想的，尤其在将该合金用于发动机本体时，因为高微孔率在所机加工的缸盖上侧上在O形环密封件下产生泄漏，并且降低了机加工螺纹承受扭矩的能力。另外，亚共晶AlSi合金发动机本体设计成在气缸内孔表面上具有用于耐磨的电沉积材料例如铬。微孔性妨碍了电沉积铬镀层的附着。同样，采用高压模铸方法铸造的AlSi合金由于在缸孔母材中的微孔性而也导致多孔的表面结构，如果用在发动机部件中则尤为有害，因为它导致了高油耗。一般来说，过共晶(即，含有＞11.6wt％Si)AlSi合金已经用来在娱乐造船业中生产用于舷外船尾驱动马达的发动机本体。因为它们具有高拉伸强度、高弹性模量、低热膨胀系数并且耐磨，从而这种合金是有利的。另外，在机械部件中的微孔性是有害的，因为微孔性会降低合金的总体延展性。已经发现微孔性降低了AlSi铸件的延展性，而不管该工件是由过共晶、亚共晶、共晶或是改性的共晶AlSi合金铸成。在美国制造的所有铸铝产品的接近70％是采用模铸工艺铸成的。如上所述，传统AlSi合金含有大约1wt％的铁以避免模具焊接。但是，添加铁与和铝一起使用的商业合金元素的任一种相比在更大程度上降低了机械性能，尤其是该合金的延展性。因此，在其中需要高机械性能的合金的应用中通常不推荐使用模铸合金。可以使用费用高很多的工艺包括永久模铸工艺和砂型铸造工艺来满足模铸工艺通常不能满足的这些应用。因此，在铝协会(Aluminum Association)登记的所有AlSi模铸合金包含有1.2至2.0wt％铁，包括以下铝协会型号343、360、A360、364、369、380、A380、B380、383、384、A384、385、413、A413和C443。另外，试验已经表明，AlSi合金的拉伸强度、延伸率和质量指标随着铁含量的增加而降低。例如，具有10.8wt％的Si和0.29wt的％Fe的AlSi合金具有大约31100psi的拉伸强度、14.0的延伸率和386MPa的质量指标(即，静态韧性)。相反，具有10.1wt％的Si和1.13wt％Fe的AlSi合金具有大约24500psi的拉伸强度、2.5的延伸率和229MPa的质量指标。另外，具有10.2wt％的Si和2.08wt％Fe的AlSi合金具有11200psi的拉伸强度、1.0的延伸率和77MPa的质量指标。因此，最好如此降低模铸AlSi合金的铁含量，从而降低铁针状相以便于枝晶间增长并且因此降低微孔率。但是，还重要的是，要防止模铸AlSi工件焊接在铸模上，即在传统上通过向合金添加铁来解决的问题。另外，AlSi合金尤其是亚共晶AlSi合金由于针状共晶硅相具有较大的不规则形状并且由于存在β-(Fe，Al，Si)型针状相所以通常具有较差的延展性。上述铁针状体和针状共晶硅堵塞了在初生铝树枝晶之间的枝晶间通道，并且妨碍了随后在固化过程中的增大，从而导致微孔性(如上所述)，并且还降低了机械性能例如延展性。已经认识到，可以通过添加少量钠(Na)或锶(Sr)对共晶硅相的生长进行改进，由此提高了亚共晶AlSi合金的延展性。这种改变还降低了微孔率，因为更小的共晶硅相结构便于枝晶间增长。US5234514涉及具有细化初生硅和改性的共晶的过共晶AlSi合金。该‘514专利涉及通过添加磷(P)和晶粒细化物质来改变初生硅相和共晶硅相。当从固溶体将该合金冷却至液相线温度以下的温度时，磷按照一般的方式用来析出磷化铝颗粒，它们用作初生硅的活性晶核，因此产生出其尺寸通常小于30微米的更小的细化初生硅颗粒。但是，‘514专利指出，该工艺不能用于用P和Na或Sr改性的过共晶AlSi合金，因为Na和Sr中和了磷的作用，并且合金的铁含量仍然造成铁相析出，这妨碍了枝晶间增长。US6267829涉及一种降低在含铁AlSi合金尤其是Al-Si-Mn-Fe合金中形成初生片晶状β相的方法。该‘829专利没有考虑合金的快速冷却，因此没有考虑在其中给出的合金的模铸。该‘829专利需要包含用于晶粒细化的钛(Ti)或锆(Zr)或钡(Ba)和用于共晶硅改性的Sr、Na或钡(Ba)。‘829专利的精神在于，通过形成Al8Fe2Si相来抑制初生片晶状β相。形成Al8Fe2Si相需要向熔体中加入硼(B)，因为Al8Fe2Si相利于在混合硼化物上成核。因此，Ti或Zr和Sr、Na或Ba和B是根据该‘829专利教导的基本元素，而Fe为以至少0.4wt％连续存在于所有组分中的元素。US6364970涉及一种亚共晶铝硅合金。根据该‘970专利的合金包含有高达0.15wt％的铁以及30至300ppm(0.003至0.03wt％)的锶细化剂。本领域普通技术人员可以理解，对于用来改变共晶硅的这个最小量锶而言，绝对必要的是，与Sr反应并且中和它的磷(P)必须以少于0.01wt％的量存在。‘970专利的亚共晶合金由于细化的共晶硅相并且由于向该合金添加了Sr所以具有高断裂强度。该合金还含有0.5至0.8wt％的锰(Mn)。本领域普通技术人员将理解的是，加入Mn用来将铁相改变成“汉字”微观结构，并且防止模具焊接。在‘970专利中所披露的合金在工业中被称为Silafont 36。由Aluminum-Verl本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝硅模铸合金，它基本上由以下组分构成：６－２０ｗｔ％Ｓｉ；０．０５至０．１０ｗｔ％锶；最多０．４０ｗｔ％铁；最多４．５ｗｔ％铜；最多０．５０ｗｔ％锰；最多０．６０ｗｔ％镁；最多３．０ｗｔ％锌；以及余量的铝，其中所述合金避免了焊接在模铸模具上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：雷蒙德J多纳休，特伦斯M克利里，凯文R安德森，
申请(专利权)人：不伦瑞克公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]