非銅基鑄造鋁合金及其熱處理方法
2023-09-23 18:03:50
專利名稱：非銅基鑄造鋁合金及其熱處理方法
技術領域：
本發明涉及實質上不含銅的非銅基鑄造鋁合金及其熱處理方法。
在鋁矽系合金中添加少量鎂的合金例如有AC4A、AC4C和AC4CH。這些合金通過藉助Mg2Si中間相析出的熱處理效果而提高了強度。尤其是，AC4C和通過把Fe限定在0.20質量％以下而提高韌性的AC4CH被用作機動車等的車輪用合金。
此外，也使用了在鋁矽系合金中添加少量鎂和銅的合金。這些合金的強度通過Mg2Si中間相的析出硬化和Cu的固溶硬化以及Al2Cu中間相的析出硬化而提高。
如上所述，熱處理型鋁合金強度的提高是通過添加其它元素和時效析出由此所得的中間相而實現的，用於時效析出的熱處理由固溶處理和時效處理組成。固溶處理是這樣的熱處理，是在凝固時結晶的非平衡相固溶，使冷卻時析出的析出相再固溶，在高溫下獲得成分均勻的固溶體。在固溶處理後的時效處理是這樣的熱處理，即力圖實現中間析出相的細微化和均勻化並引起利用中間析出相的析出硬化。通過這些熱處理，提高了鋁合金的機械特性。
過去，雖然把以空氣為熱媒體的隧道式爐等可控氣氛反應爐用於這樣的鋁合金的固溶出來和時效處理，但除了升溫時間漫長外，溫度波動高達約±5℃，因此存在不能進行更高溫度下的固溶處理等問題。
過去，把如上所述地添加在鋁矽合金中添加了多種元素如鎂和銅的合金用作鋁合金，其機械特性中的抗拉強度約為290MPa，名義屈服強度(σ0.2)約為200MPa，延伸率約為8％。在用於機動車車輪的鋁合金中，如果要進一步提高象抗拉強度、名義屈服強度和延伸率這樣的機械特性，則能夠進一步減薄機動車車輪，由此能減輕機動車總重並減小滾動阻力，因而，除了節省燃料費用和提高尾氣淨化性能外，也有助於操作穩定性的提高。
另一方面，如上所述地，雖然往鋁合金中添加銅可提高鋁合金強度，但如果使銅超過預定含量，則出現了鋁合金耐蝕性降低的問題。
鑑於上述現有技術問題而制定了本發明，本發明的一個目的是提供一種平衡良好地具有抗拉強度、屈服強度和延伸性這三種機械特性的非銅基鑄造鋁合金。
本發明的另一個目的是提供一種非銅基鑄造鋁合金的熱處理方法，該方法能夠加速升溫並減小溫度波動地在更高溫度下進行固溶處理。
同樣，本發明的鋁合金最好含有6.5質量％～7.5質量％的矽和0.36質量％以下的鎂，並最佳地還含有20ppm～70ppm的Sr。此外，本發明的鋁合金最好是析出硬化型合金。這種非銅基鑄造鋁合金適用於機動車等的車輪。
根據本發明，提供一種鑄造鋁合金的熱處理方法，它對由鑄造鋁合金構成的工件進行熱處理並隨後進行時效處理工件，由此使工件的機械特性提高，其中至少通過在30分鐘內快速升溫到固溶處理溫度並且保持固溶處理溫度達3小時以內來進行所述固溶處理，由此獲得了具有305MPa以上的抗拉強度、220MPa以上的名義屈服強度和10％以上的延伸率的非銅基鑄造鋁合金。
此外，根據本發明，提供這樣一種鑄造鋁合金的熱處理方法，它對由鑄造鋁合金構成的工件進行熱處理並隨後進行時效處理，由此使工件機械特性提高，其中至少通過使所述工件處於流動層中來進行所述固溶處理，由此獲得了具有305MPa以上的抗拉強度、220MPa以上的名義屈服強度和10％以上的延伸率的非銅基鑄造鋁合金。
在本發明的熱處理方法中，上述時效處理最好通過使工件位於流動層中來進行。同樣，流動層最好由直接吹送熱風而形成。
圖面簡介
圖1是本發明的熱風直吹式流動層的實施例示意圖。
圖2是本發明所用的流動層式固溶處理爐的實施例的示意圖。
圖3是鋁製機動車車輪的實施例的平面圖。
圖4是實施例中的熱處理步驟的圖表。
圖5是表示實施例與對比例的拉伸試驗結果的圖表。
圖6是表示實施例與對比例的衝擊和硬度試驗結果的圖表。
圖7是對比例中的熱處理步驟的圖表。
本發明的鑄造鋁合金是實質上不含銅的非銅基鑄造鋁合金，其機械特性如抗拉強度、名義屈服強度和延伸率在預定值以上，具體地說，抗拉強度為305MPa以上，名義屈服強度為220MPa以上，延伸率為10％以上。
在此，「實質上不含銅」的意思是指，鋁合金含有0.1質量％以下的銅。當鋁合金中的銅含量為0.1質量％以下時，銅沒有提高強度的作用，另一方面，鋁合金耐蝕性也不降低。在本發明中，以這種非銅基鑄造鋁合金為研究對象。
本發明的非銅基鑄造鋁合金具有295MPa以上的抗拉強度且最好是305MPa以上的抗拉強度並最佳地是320MPa以上的抗拉強度、220MPa以上的名義屈服強度且最好是240MPa以上的名義屈服強度並最佳地是260MPa以上的名義屈服強度、10％以上的延伸率且最好是12％以上的延伸率並最佳地是14％以上的延伸率。
在此，依照由JIS(日本工業標準)Z2201規定的試驗方法來測定鋁合金的機械特性，如抗拉強度、名義屈服強度和延伸率。
具有上述預定值以上的機械特性的本發明的非銅基鑄造鋁合金具有這樣的成分，即以鋁為主要成分，它含有6.5質量％～7.5質量％的矽、0.36質量％以下的鎂，最好還含有20ppm～70ppm的Sr。即，當矽含量為6.5質量％～7.5質量％時，鋁合金的鑄造特性提高了，矽含量更好地是在6.8質量％～7.2質量％的範圍內。當矽含量超過6.5質量％～7.5質量％的範圍時，鋁合金的鑄造特性變差。
鎂含量最好為0.36質量％以下。通過熱處理，鎂和矽析出Mg2Si中間相，通過這樣的析出而產生了顯著的時效硬化。當其超過0.36質量％時，抗拉強度或類似特性提高了，但相反地出現了延伸率減小的問題。
而且，Sr起到了鋁合金共晶組織細微化元素的作用，Sr含量最好為20ppm～70ppm，最佳地在30ppm～60ppm的範圍內。
如上所述，本發明的非銅基鑄造鋁合金最好是通過熱處理而析出如Mg2Si等中間相的析出硬化型合金。而且，由於機械特性如抗拉強度、名義屈服強度和延伸率在預定值以上而出色並且平衡更好地具有這三種特性，所以本發明的非銅基鑄造鋁合金能極其有效地被用於機動車等的車輪。
按照JIS的規定，AC4C鋁合金含有0.25質量％以下的銅和0.55質量％以下的鐵，AC4CH鋁合金含有0.2質量％以下的銅和0.2質量％以下的鐵。只要滿足本發明的上述成分，這些AC4C合金和AC4CH鋁合金就是有效的。
其次，具有上述機械特性和成分的本發明的非銅基鑄造鋁合金可通過以下所述的熱處理方法來生產。
首先，在用普通方法製造的鋁合金(工件)鑄件接受固溶處理之後，通常進行淬火併隨後進行時效處理。通過使鑄件接受這些處理，能夠提高鋁合金的機械特性，以便適用到機動車車輪等理想用途上。
在本發明中，進行這樣的固溶處理是很重要的，即在短短30分鐘內使工件溫度急升到固溶處理溫度並且在固溶處理溫度下使工件保溫3小時以內。確切地說，為防止形成球形共晶組織並防止共晶組織粗大化，最好在約3分鐘-30分鐘內把工件加熱到530℃～550℃的固溶處理溫度並且在530℃～550℃的固溶處理溫度下保持3小時以內並最好是1小時以內。結果，提高了鋁合金的強度和延伸性。
在本發明的固溶處理中，如上所述地，在短時間內快速加熱工件是很重要的。例如，在機動車車輪的情況下，最好在3分鐘-10分鐘內升溫至530℃～550℃。從防止共晶組織粗大化的角度出發，這是非常適當的。
在本發明的固溶處理中，只要能快速加熱工件就足夠了，其加熱方式沒有特殊限制。即，可以控制氣氛溫度地快速加熱工件，例如高頻加熱、低頻加熱或遠紅外線加熱也是適用的，但最好是採用流動層的快速加熱。
用流動層快速加熱是通過將工件置於流動層中來進行的。
流動層的特點是，通過吹送氣體加熱顆粒物質如粉末並且均勻混合地形成顆粒，在流動層內部溫度大致一致的情況下，傳熱效率高。
本發明把這種流動層的特點用在了工件的固溶處理中。通過使流動層內部溫度一致(約±2℃～3℃)，可以進行更高溫度下的固溶處理，並且由於傳熱效率高，所以能夠縮短達到固溶處理溫度的升溫時間。這些特徵對以空氣為熱媒體的過去的可控氣氛反應爐是很有利的。
在工件接受固溶處理之後，它被淬火至室溫並接著接受時效處理。時效處理的方式沒有特殊限制，能夠使用過去的以空氣為熱媒體的(隧道式爐)可控氣氛反應爐，但最好與固溶處理一樣地選擇利用流動層的方式。除了縮短時效處理時間外，在把流動層用於固溶處理的場合下，從控制和操作整個加工的觀點出發，最好使用相同的流動層。
雖然已經知道且可使用間接加熱系統和結合發光管的發光管系統，間接加熱系統如加熱流動層容器外部的容器加熱系統作為流動層系統，從過程整個的控制、操作的觀點出發，最好使用同一個流動層。
另外，至於流動層方式，除了從流動層容器外面加熱的容器加熱方式以及流動層內藏輻射管的輻射管方式等間接加熱方式外，還知道通過直接吹送熱風的直接加熱方式，任何一種方式通常都能適用，但為了使流動層中的溫度分布良好，優選通過利用直接吹送熱風的直接加熱方式形成流動層。
接著，描述本發明熱處理方法的處理條件。
首先，在工件的固溶處理中，將工件在約5分鐘-30分鐘內加熱至530℃～550℃並且保溫幾分鐘至3小時，最好是幾分鐘至1小時。固溶處理溫度最好為540℃～550℃並且最佳為545℃～550℃。然後，工件被淬火至室溫。
接著，工件接受時效處理。時效處理最好將工件在幾分鐘內加熱至160℃～200℃並保溫幾十分鐘至幾小時。時效處理溫度最好在170℃～190℃。
接著，參考圖來進一步描述本發明的熱處理方法。
圖1是本發明所用的熱風直吹式流動層的一個例子的示意圖。10是容器，在容器10中，如粉粒物等顆粒物12被填充在多孔板16上，這些顆粒物12被由來自多孔板16底部的熱風流化並均勻混合，從而形成流動層18。
圖2是本發明所用的流動層式固溶處理爐的一個例子的示意圖。在圖2中，數字20是熱風發生器，來自未示出的鼓風機的空氣被來自燒嘴22的火焰加熱至熱風形成溫度700℃～800℃。此熱風經過熱風溫度監控器24被吹入流動層式固溶處理爐26。在流動層式固溶處理爐26內，熱風經多孔管28被吹入流動層30，在使顆粒物32流化的同時，加熱了顆粒物32。由此一來，流動層30內被加熱至530℃～550℃，因而獲得了爐內溫度波動約為6℃(±3℃)且在一點的波動約為3℃的爐內均溫性。此外，在流動層30內的工件34被快速加熱。顆粒物排出閥36被用於適當地排出顆粒物32。
雖然未示出，但是如圖1、2所示的流動層可被用在本發明的時效處理中。
現在，根據實施例來詳細描述本發明。(實施例)採用圖2所示的流動層式固溶處理爐並且把有同樣結構的流動層式熱處理爐用作時效處理爐地實施本發明的熱處理。
流動層式固溶處理爐是由這樣的流動層容器構成的，即它成內徑為1500mm的圓筒體狀並且其圓筒形爐身高度為750mm且底部成倒錐形。時效處理爐也具有與固溶處理爐相同的結構。把平均粒徑為50μm-500μm的沙子用作顆粒物。
要熱處理的對象是如圖3所示的鑄造的鋁製機動車車輪(20kg)，從外輪緣凸緣和輪輻切取試驗片。上述鋁製車輪含有7.0質量％的矽、0.34質量％的鎂、50ppm的Sr和餘量為鋁。
熱處理條件是，固溶處理溫度是550℃，時效處理溫度是190℃，固溶處理溫度的升溫時間是7分鐘，固溶處理溫度的保持時間是53分鐘，並且按照圖4所示的進度進行熱處理。
從經過熱處理的鋁製機動車車輪上切取試驗片(n＝4)並且試驗片接受拉伸試驗(抗拉強度、名義屈服強度和延伸率)、衝擊試驗和硬度試驗。結果示於圖5、6中。(對比例)過去的隧道式爐(可控氣氛反應爐)被用作固溶處理爐和時效處理爐，在固溶處理溫度為540℃、時效處理溫度為155℃、固溶處理升溫時間為1小時12分鐘和固溶處理溫度保持時間為4小時的條件下，按圖7所示的進度對鑄造的鋁製機動車車輪進行熱處理。其它條件與實施例一樣。
從經過熱處理的鋁製機動車車輪上切取試驗片(n＝4)並且試驗片接受拉伸試驗(抗拉強度、名義屈服強度和延伸率)、衝擊試驗和硬度試驗。結果顯示於圖5、6中。
把JIS所規定的夏氏衝擊試驗法用作上述衝擊試驗地測定衝擊強度。把JIS Z2245所規定的試驗方法用作硬度試驗地測定洛氏硬度。(考察)如從實施例和對比例的拉伸試驗、衝擊試驗和硬度試驗結果中清楚看到的那樣，通過實施例獲得的鋁製機動車車輪具有334MPa以上的抗拉強度、262MPa以上的名義屈服強度和12％以上的延伸率。這些值完全滿足拉伸試驗的定性值，尤其是，抗拉強度與過去相比顯著提高。
尤其要說明的是，當使用實施例所用的流動層式固溶處理爐和時效處理爐時，與過去的隧道式爐相比，約70％地大幅度縮短了總的熱處理時間。
工業實用性如上所述，根據本發明的熱處理方法，通過快速升溫、縮小溫度波動並在更高溫度下進行固溶處理，能夠與過去相比明顯縮短總的熱處理時間。
而且，根據本發明，能夠提供一種平衡良好地具有抗拉強度、屈服強度和延伸率這三個機械特性的非銅基鑄造鋁合金。
權利要求
1.一種實質上不含銅的非銅基鑄造鋁合金，其中，其抗拉強度是305MPa以上，其名義屈服強度是220MPa以上，其延伸率10％以上。
2.如權利要求1所述的非銅基鑄造鋁合金，其特徵在於，它含有6.5質量％～7.5質量％的矽和0.36質量％以下的鎂。
3.如權利要求2所述的非銅基鑄造鋁合金，其特徵在於，所述非銅基鑄造鋁合金含有20ppm～70ppm的Sr。
4.如權利要求1-3之一所述的非銅基鑄造鋁合金，其特徵在於，所述非銅基鑄造鋁合金是析出硬化型合金。
5.如權利要求1-4之一所述的非銅基鑄造鋁合金，其特徵在於，所述非銅基鑄造鋁合金被用於機動車車輪。
6.一種鑄造鋁合金的熱處理方法，它對由鑄造鋁合金構成的工件進行固溶處理並隨後進行時效處理，由此使工件的機械特性提高，其特徵在於，至少如此進行所述固溶處理，即在30分鐘內快速升溫固溶處理溫度並且保持該固溶處理溫度3小時以內，由此獲得了具有305MPa以上的抗拉強度、220MPa以上的名義屈服強度和10％以上的延伸率的非銅基鑄造鋁合金。
7.一種鑄造鋁合金的熱處理方法，它對由鑄造鋁合金構成的工件進行固溶處理並隨後進行時效處理，由此使工件的機械特性提高，其特徵在於，至少通過使所述工件位於流動層中地進行所述固溶處理，從而獲得了具有305MPa以上的抗拉強度、220MPa以上的名義屈服強度和10％以上的延伸率的非銅基鑄造鋁合金。
8.如權利要求7所述的熱處理方法，其特徵在於，通過使所述工件位於流動層中來進行所述時效處理。
9.如權利要求7或8所述的熱處理方法，其特徵在於，通過直接吹送熱風形成所述流動層。
全文摘要
實質上不含銅的非銅基鑄造鋁合金,它具有305MPa以上的抗拉強度、220MPa以上的名義屈服強度和10%以上的延伸率。在鑄造鋁合金的熱處理方法中,通過使用流動層18來實施固溶處理,固溶處理是通過在30分鐘內快速升溫到固溶處理溫度並在3小時以內保持固溶處理溫度來進行的。因為該熱處理方法通過在高溫下快速升溫來實施溫度波動小的固溶處理,所以與常規方法相比,總的熱處理時間顯著縮短。可提供一種平衡良好地具有抗拉強度、屈服強度和延伸率這三種機械特性的非銅基鑄造鋁合金。
文檔編號C22F1/04GK1382228SQ00814553
公開日2002年11月27日 申請日期2000年8月22日 優先權日1999年8月31日
發明者酒井崇之 申請人:旭技術株式會社