用于机动车辆发动机应用的具有高温性能的高级铸铝合金制造技术

用于机动车辆发动机应用的具有高温性能的高级铸铝合金。一种高疲劳强度的铝合金包括以重量百分比计：铜3.0至3.5％、铁0至1.3％、镁0.24至0.35％、锰0至0.8％、硅6.5至12.0％、锶0至0.025％、钛0.05至0.2％、钒0.20至0.35％、锌0至3.0％、锆0.2至0.4％、最多0.5％其他元素和平衡铝加杂质。该合金限定了具有铝基体的微观结构，该基体在凝固后在固溶体中具有Zr和V。基体在热处理后具有至少0.16％的固溶体Zr和在热处理后具有至少0.20％的固溶体V，并且Cu和Mg两者在热处理期间溶解在铝基体中并且随后在热处理期间沉淀。热处理Al‑Si‑Cu‑Mg‑Fe‑Zn‑Mn‑Sr‑TMs合金的工艺包括对合金进行热处理，以产生具有基体的微观结构，该基体在凝固后在固溶体中具有Zr和V。

Advanced Cast Aluminum Alloy with High Temperature Performance for Motor Vehicle Engine Applications

Advanced cast aluminium alloy with high temperature performance for motor vehicle engine applications. A high fatigue strength aluminium alloy consists of copper 3.0 to 3.5%, iron 0 to 1.3%, magnesium 0.24 to 0.35%, manganese 0 to 0.8%, silicon 6.5 to 12.0%, strontium 0 to 0.025%, titanium 0.05 to 0.2%, vanadium 0.20 to 0.35%, zinc 0 to 3.0%, zirconium 0.2 to 0.4%, up to 0.5% other elements and balanced aluminium impurities. The alloy defines the microstructure of the aluminium matrix, which has Zr and V in the solid solution after solidification. The matrix has at least 0.16% solid solution Zr after heat treatment and at least 0.20% solid solution V after heat treatment, and both Cu and Mg dissolve in the aluminum matrix during heat treatment and then precipitate during heat treatment. Heat treatment of Al_Si_Cu_Mg_Fe_Zn_Mn_Sr_TMs alloys involves heat treatment of the alloys to produce a microstructural matrix with Zr and V in the solid solution after solidification.

【技术实现步骤摘要】
用于机动车辆发动机应用的具有高温性能的高级铸铝合金
本专利技术涉及一种铝合金组合物和用于高周疲劳和高温应用的制造方法，例如用于机动车辆的汽缸盖和发动机缸体。
技术介绍
本部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。本领域中已经采用的两种提高乘客车辆中的燃料经济性的方法包括减轻车辆的重量并开发高性能发动机。为了提高发动机效率，发动机部件的最高工作温度已经从早期发动机的大约170℃增加到近代发动机中的远高于200℃的峰值温度。工作温度的增加需要材料在拉伸、蠕变和疲劳强度方面具有改进的性能。基于具有Cu和Mg添加物的Al-Si共晶系统的铸造铝合金(诸如AA319、AA356和AS7GU)，由于它们具有低密度，高导热性，良好的可铸性以及优异的低温强度，已经被广泛用于机动车辆发动机缸体和缸盖。这些铸造铝合金主要通过在后凝固热处理期间形成的相干或半相干沉淀物(例如θ'-Al2Cu、Q'-Al5Cu2Mg8Si6和β'-Mg2Si沉淀物)来实现其强度。这些小沉淀物通常是亚稳态的，而不是处于平衡相。结果是，上述铝合金在升高的温度下失去了它们的强度，因为这些亚稳态强化沉淀物溶解到Al基体中或粗化到不提供相同强化水平的平衡相。实验数据表明，当暴露于170℃和200℃之间的温度时，具有T7热处理的AA319合金的屈服强度和极限拉伸强度急剧下降。另外，合金耐久极限从室温下的88±6MPa降低至120℃下的62±8MPa。改善铸造铝合金的高温性能的常用策略是通过添加过渡金属(TM)来对合金进行改性。这些TMs形成热稳定的沉淀物L12-Al3TM，其耐高温下的粗化。然而，对于这些Al-TM合金的绝大多数，TM被添加到稀释的铝合金中，导致非常差的室温性能，因为TMs在Al基体中的溶解度如此小使得这些沉淀物的体积分数和密度不足以提供显著的强度。例如，Ti、V和Zr在Al中的最大溶解度分别为1重量％、0.6重量％和0.25重量％，远小于常用强化元素诸如Cu(4.7重量％)和Mg(14.9重量％)的溶解度。本公开解决了改善具有选择TMs，特别是机动车辆发动机应用中的铸造铝合金在高温下的高周疲劳和性能。
技术实现思路
在本公开的一种形式中，提供了一种高疲劳强度的铝合金。该合金以重量％计包括：该合金限定了具有铝基体的微观结构，该基体在固化后在固溶体中具有Zr和V。基体在热处理后具有至少0.16％的固溶体Zr和在热处理后具有至少0.20％的固溶体V，并且Cu和Mg在热处理期间溶解在铝基体中并且随后在热处理期间沉淀。在一种形式中，在测试温度下浸泡100小时后，该合金能够在高达180℃下以高达107次循环承受高达98MPa。在本公开的另一种合金中，该合金包括以重量％计：Si6.5至8.0％、Fe0至0.2％、Mn0至0.4％和Zn为0％而不改变其他元素的组成范围并且能够通过半永久性模铸形成气缸盖。在本公开的另一种合金中，合金包括以重量％计：Si8.0至12.0％、Fe0.2至1.3％和Sr为0％，而不改变其他元素的组成范围并且使发动机缸体能够通过高压压铸形成。本公开的另一种合金，该合金包括以重量％计：Si7.2至7.7％、Cu3.2至3.5％、Mg0.24至0.28％、Zr0.33至0.38％、V0.22至0.28％、Mn0至0.15％和Ti0.08至0.1％，而不改变其他元素的组成范围。本公开的这种合金的形式包括以重量％计：Si7.5％、Cu3.4％、Mg0.25、Zr0.35％、V0.25％、Ti0.1％、Fe0％、Mn0％和Sr0％而不改变其他元素的组成范围。在本公开的一种合金中，该合金包括以重量％计：Zr0.33至0.38％和V0.22至0.28％而不改变其他元素的组成范围。本公开的这种合金的形式包括以重量％计：Zr0.35％和V0.25％。在本公开的一种形式中，通过包括Zr和V作为TMs的工艺来提供热处理Al-Si-Cu-Mg-Fe-Zn-Mn-Sr-TM合金的工艺。该工艺包括对合金进行热处理，以产生具有铝基体的微观结构，该基体在凝固后在固溶体中含有Zr和V。铝基体在热处理后包含至少0.16％的固溶体Zr和至少0.20％的固溶体V两者。铝基体包括在热处理期间溶解在铝基体中并且随后在热处理期间沉淀的Cu和Mg。在本公开的一个工艺中，该工艺的合金包括以重量％计：6.5至8.0％的Si、3.0至3.5％的Cu、0.24至0.35％的Mg、0.2至0.4％的Zr、0.20至0.35％的V、0至0.2％的Fe、0至0.40％的Mn、0至0.025％的Sr、0.05至0.2％的Ti、最多0.5％的其它元素以及平衡Al。其中该工艺的合金是通过半永久性铸模然后进行三阶段热处理而形成的。在本公开的另一工艺中，该合金包括以重量％计：7.2至7.7％的Si、3.2至3.5％的Cu、0.24至0.28％的Mg、0.33至0.38％的Zr、0.22至0.28％的V、0.08至0.1％的Ti和0至0.15％的Mn而不改变其他元素的组成范围。在本公开的另一工艺中，该合金包括以重量％计：7.5％的Si、3.4％的Cu、0.25％的Mg、0.35％的Zr、0.25％的V、0.1％的Ti、0％的Fe、0％的Mn和0％的Sr而不改变其他元素的组成范围。在本公开的另一工艺中，该合金包括以重量％计：0.33至0.38％的Zr和0.22至0.28％的V而不改变其他元素的组成范围。在本公开的另一工艺中，该合金包括0.35重量％的Zr和0.25重量％的V。在本公开的另一工艺中，三阶段热处理包括在375℃处理持续6小时，在此期间Cu和Mg被溶解；在495℃处理持续0.5小时，在此期间Cu和Mg被进一步溶解；以及在230℃处理持续3小时，在此期间Cu和Mg沉淀。在本公开的另一工艺中，该合金包括以重量％计：8.0至12.0％的Si、3.0至3.5％的Cu、0.24至0.35％的Mg、0.2至0.4％的Zr、0.20至0.35％的V、0.2至1.3％的Fe、0.05至0.2％的Ti、0至0.8％的Mn、0至3％的Zn、最多0.5％的其他元素和平衡Al。其中该工艺的合金是通过高压压铸然后进行单阶段T5热处理形成。在本公开的工艺中，单阶段T5热处理包括205℃持续4小时，在此期间至少0.16％的Zr保持在铝基体中，并且至少0.20％的V保持在铝基体中，并且Cu和Mg在热处理期间沉淀。在本公开的另一工艺中，在测试温度下浸泡100小时后，该合金可以在高达180℃下以高达107次循环承受高达98Mpa。根据本文提供的说明书，其他应用领域将变得显而易见。应该理解，说明书和具体示例仅用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。附图说明为了能够很好地理解本公开，现在将描述其作为示例给出的参考附图的各种形式，附图中：图1是描绘Mg(水平轴)和Cu(垂直轴)在选定溶液处理温度495℃下的溶解度的热力学计算的图示，根据现有技术，曲线上的黑色文字说明了合金在不同的区域的相位；图2分别是根据本公开的教导的Al-Si-TM系统(蓝色)中L12-(Al，Si)3TM的生长动力学的图示和根据现有技术的Al-TM系统中L12-Al3TM沉淀物的生长动力学的图示；图3是三种不同热处理的比较的图示，第三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高疲劳强度的铝合金，包括以重量％计：3.0至3.5％之间的Cu；0至1.3％之间的Fe；0.24至0.35％之间的Mg；0至0.8％之间的Mn；6.5至12.0％之间的Si；0至0.025％之间的Sr；0.05至0.2％之间的Ti；0.20至0.35％之间的V；0至3.0％之间的Zn；0.2至0.4％之间的Zr；最多0.5％的其他元素；和平衡铝，其中所述合金限定了具有基体的微观结构，所述基体在凝固后在固溶体中具有所述Zr和所述V，在热处理后具有至少0.16％的固溶体Zr，以及在所述热处理后具有至少0.20％的固溶体V，并且在所述热处理期间所述Cu和所述Mg溶解在所述基体中，并且随后在所述热处理期间沉淀。

【技术特征摘要】
2017.07.28 US 15/663,5101.一种高疲劳强度的铝合金，包括以重量％计：3.0至3.5％之间的Cu；0至1.3％之间的Fe；0.24至0.35％之间的Mg；0至0.8％之间的Mn；6.5至12.0％之间的Si；0至0.025％之间的Sr；0.05至0.2％之间的Ti；0.20至0.35％之间的V；0至3.0％之间的Zn；0.2至0.4％之间的Zr；最多0.5％的其他元素；和平衡铝，其中所述合金限定了具有基体的微观结构，所述基体在凝固后在固溶体中具有所述Zr和所述V，在热处理后具有至少0.16％的固溶体Zr，以及在所述热处理后具有至少0.20％的固溶体V，并且在所述热处理期间所述Cu和所述Mg溶解在所述基体中，并且随后在所述热处理期间沉淀。2.根据权利要求1所述的合金，其中所述合金在测试温度下浸泡100小时后，能够在高达180℃下以高达107次循环承受高达98MPa。3.根据权利要求1所述的合金，其中所述Si在6.5至8.0％之间，所述Fe为0至0.2％，所述Mn为0至0.4％，所述Sr为0至0.025％，以及所述Zn为0％。4.一种具有根据权利要求3所述的合金并且通过半永久模铸形成的气缸盖。5.根据权利要求1所述的合金，其中所述Si为8.0至12.0％，并且所述Fe为0.2至1.3％。6.一种具有根据权利要求5所述的合金并且通过高压压铸形成的发动机缸体。7.根据权利要求1所述的合金，其中：所述Cu在3.0至3.5％之间；所述Mg在0.24至0.35％之间；所述Mn在0至0.4％之间；所述Si在6.5至8.0％之间；所述Ti在0.05至0.2％之间；所述V在0.20至0.35％之间；和所述Zr在0.20至0.40％之间。8.根据权利要求7所述的合金，其中：所述Cu在3.2至3.5％之间；所述Mg在0.24至0.28％之间；所述Mn在0至0.15％之间；所述Si在7.2至7.7％之间；所述Ti在0.08至0.1％之间；所述V在0.22至0.28％之间；和所述Zr在0.33至0.38％之间。9.根据权利要求8所述的合金，其中：所述Cu为3.4％；所述Fe为0％；所述Mg为0.25％；所述Mn为0％；所述Si为7.5％；所述Sr为0％；所述Ti为0.1％；所述V为0.25％；和所述Zr为0.35％。10.根据权利要求1所述的合金，其中：所述Zr在0.33至0.38％之间；和所述V在0.22至0.28％之间。11.根据权利要求10所述的合金，其中：所述Zr为0.35％；和所述V为0.25％。12.根据权利要求1所述的合金，其中：所述Cu在3.0至3.5之间；所述Fe在0.20至1.3之间；所述Mg在0.24至0.35之间；所述Mn在0至0.80之间；所述Si在8.0至12.0之间；所述Ti在0.05至0.2之间；所述V在0.20至0.35之间；所述Zn在0至3.0之间；和所述Zr在0.20至0.40之间。13.根据权利要求12所述的合金，其中：所述Cu在3.2至3.5之间；所述Fe在0.20至1.0之间；所述Mg在0.24至0.28之间；所述Mn在0.35至0.50之间；所述Si在9.0至11.0之间；所述Ti在0.08至0.10之间；所述V在0.22至0.28之间；所述Zn在0至1.5之间；和所述Zr在0.33至0.38之间。14.根据权利要求13所述的合金，其中：所述Cu为3.4％；所述Fe为0.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李梅，雅各布·韦斯利·津德尔，拉里·艾伦·高特莱夫斯基，碧塔·加法里，霍阳，卡洛斯·恩格勒平托，赖威任，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US