用于结构应用的新型再生铸造铝合金制造技术

本发明专利技术公开了用于结构应用的新型再生铸造铝合金。可以铸造成结构组件的铝合金，其中至少一部分用于制造该合金的原材料来自于再生来源。除了作为主要成分的铝之外，该合金还包含5至14%的硅、0至1.5%的铜、0.2至0.55%的镁、0.2至1.2%的铁、0.1至0.6%的锰、0至0.5%的镍、0至0.8%的锌、0至0.2%的选自基本由钛、锆、钒、钼和钴组成的组的其它痕量元素。在一种优选形式中，大部分铝来自于再生来源。还公开了分析再生铝合金以确定其成分组成的方法，如作为在该合金超出针对其初生来源对应物进行测量时的容限的情况下调节该合金的成分组成的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有改进的铸造品质和机械性质以便于将所述合金铸造成可加工制品如发动机气缸体（engine block）、气缸盖和用于汽车以及利用此类合金中的可控机械性质的其它工业应用的传动构件的可热处理的再生铝合金。
技术介绍
在汽车和其它行业中的结构应用中最常用的铸造铝合金包括但不限于Al-Si系合金，如200和300系列铝合金，其中包含硅（Si）主要用于改进的可铸性和机械加工性。至少有几种尤其可用于形成发动机气缸体和气缸盖的常用铝合金（即319、354和380）受制于固有的缩松问题，这主要是由于存在痕量污染物或合金成分，尤其例如提高强度的铜（Cu）、镁（Mg）或锰（Mn）。通常用于热处理且特别用于固溶热处理的已知方法不能溶解现有商业合金如319和380中的所有的Cu用于后继时效强化步骤。当原料是由再循环或回收原材料如铝罐、飞机、汽车、城市垃圾、夷平建筑等等制成的再生铝（在本文中也称为“再次生产”（secondary production）、“再生合金”等等）时，这一问题——在初生铝合金中已然相当突出——更为严重，其中许多这些回收物品的来源材料通常包含许多不同类型的铝合金的混合物，各自具有不同量的Cu、Mn、Mg和其它金属（尤其如锌(Zn)或铁(Fe)）。其中，提高的Fe和其它外来杂质（tramp material）的存在因它们形成降低合金给料能力和降低合金延性以及降低耐腐蚀性的复杂金属间化合物的趋势而特别成问题。例如，尽管在初生合金中可以以高至约0.2重量%的量包含痕量的铁（固有地，或通过设计作为帮助避免模具粘连或粘模（soldering）的手段），取自再生原料的更大的量可能会污染该合金，使得由此类合金制成的组件达不到热、机械或相关组件设计要求。因此，分离再生铝合金来源以确保合理程度的构成材料均匀性或可预测性是困难或昂贵的。同时，对复杂组件如发动机气缸体或气缸盖的设计者而言困难的是用这样的材料加工。即使该构成成分的精确比例是设计者已知的，提高量的上述成分的存在可能使其难以在铸造的组件上进行二次操作（如热处理、附加合金化等等）以便在最终的铸造组件中实现期望的机械性质和低残余应力。此外，铸造后（post-casting）操作的采用可取决于所用的铸造方法的类型。例如，固溶热处理（其使用相对高的铸造后温度）由于来自高压压铸（HPDC，也称为加压模铸，或更简单地称为压铸）操作中固有的夹带空气形成泡孔而可能难以与高压压铸协调。同样，因为这些再生铝合金具有高收缩倾向，并且特别由于在铸造过程中非常低的凝固速率，某些熔模铸造、砂模铸造或重力铸造可能在用市售再生铝合金如319或354实现高品质方面遭遇挑战。因为采用铸造往往在经济上不可行，不存在某些形式的使用永久（例如金属）或不可重复使用的（例如消失模）模具的大批量生产技术，再生原材料的任何使用还必须与可能需要的二次操作相容。尽管存在与使用再生铝基材料相关的这些困难，它们在大规模生产活动（如通常与汽车组件且特别与发动机气缸体和气缸盖相关的那些）中的使用由于再循环铝相对于来自可比的初生材料来源明显更低的原材料成本而变得合理。事实上，成本问题，以及尽量减少对自然来源的消耗和利用大量目前可用的铝回收基础设施的期望可能令汽车制造商和其它大规模用户追求使用基于这些合金的再生组件。为此，需要改进的可铸再生铝合金，其适于砂模和金属模铸造，并可以制造具有可能改进的用于结构应用的合金强度的高品质铸件（具有降低的孔隙率）。还需要一种方法以确定该再生合金的组成，包括准确测定预期用于这样的铸造操作的合金中的污染物的存在、适当的合金成分等等。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，公开了至少部分由再生铝制得的铝合金。该合金可以含有至少一种可铸性和强度增强元素如Si、Cu、Mg、Mn、Fe、Zn和镍（Ni）。该合金的微结构由一种或多种不溶性凝固和/或沉淀的含有至少一种合金元素的粒子组成。在一种形式中，该合金可以包含按重量计大约5至14%的Si、0至1.5%的Cu、大约0.2至0.55%的Mg、0.2-1.2%的Fe、0.1至0.6%的Mn、0至0.5%的Ni、0至0.8%的Zn和0至0.2%的其它痕量元素如钛（Ti）、锆（Zr）、钒（V）、钼（Mo）和钴（Co），以及余量的铝。还可以根据由该合金制成的最终用途组件的性能要求调节该合金原材料成分组成范围。例如，要求高延性和/或高疲劳强度的应用可以包含按重量计大约5至8%的Si、0至1.0%的Cu、0.2至0.4%的Mg、不超过大约0.4%的Fe、0至0.2%的Mn、0至0.2%的Ni、和0至0.3%的Zn以及前述的痕量元素。可能需要这样的高延性/高疲劳强度的组件的实例包括气缸盖、悬架部件、铝轮毂和冲击塔。同样地，对于高抗张强度应用而言，该合金可以包含按重量计大约8至14%的Si、1.0至1.5%的Cu、0.4至0.55%的Mg、不超过大约0.8%的Fe、0至0.3%的Mn、0至0.5%的Ni和0至0.5%的Zn以及前述痕量元素。可能需要该高抗张强度合金的代表性汽车组件可以包括发动机气缸体、发动机底板（bed plate）、高压油泵、控制臂等等。此外，对仅施以沉淀（人工时效）T5时效过程的铸件（特别是高压压铸(HPDC)）来说，Cu和Mg的含量应保持较低，优选对Cu而言低于大约0.5%且对Mg而言低于大约0.2%。可以由HPDC或其中可不使用固溶热处理的相关操作制成的组件包括发动机气缸体、变速箱外壳、发动机罩、油底壳（oil pan）、变速箱离合器壳体等等。在另一种形式中，由于受控凝固和热处理改进了微结构均匀性和细化，并对特定铸造条件提供了最佳的结构与性质，该合金可以使用优选含量小于0.015重量%的锶（Sr）来改性，并可以用相应浓度分别为大约0.005重量%或大约0.15重量%的硼（B）或前述的Ti来进一步晶粒细化。根据本专利技术的另一方面，公开了形成铸造汽车组件的方法。该方法包括加热（例如在炉中）一定量的原材料至足以通过在模具中铸造其以形成物件的量，随后将其冷却直至其凝固成模具所限定的形状。该材料包含至少一部分再生铝，并且还可以包含其它再生前体成分。熔融材料由（按重量计）大约5至14%的硅、0至1.5%的铜、0.2至0.55%的镁、0.2至1.2%的铁、0.1至0.6%的锰、0至0.5%的镍、0至0.8%的锌、0至0.2%的选自基本由钛、锆、钒、钼和钴组成的组的其它痕量元素，以及余量的铝组成。在一种优选形式中，熔融的原材料可以过热（例如高至1000℃下15至30分钟）；这可能有助于完全破坏金属熔体中的原子团簇和遗传。以这种方式，抵消了可能在液体金属中带来所有类型的元素和相分离的再循环金属的影响（这是再生铝的要点）。例如，由于再生铝合金通常由再循环的铝废料再生产，当首次再生产该再生合金时，需要过热来破坏这些铝废料的所有在先历史。过热的优点不仅在于使该合金元素在材料中均匀，还确保旧材料的遗传信息或特征并未保留在新制得的合金中。由此，再加热减少了微结构中具有更高体积分数的一种或多种相的可能性，并减少了微结构不均匀性的发生，即使在总体合金组成仍满足合金规格的情况下。根据本专利技术的又一方面，公开了验证铝合金的铸造品质的方法。如上所述，当用于制造合金的原本文档来自技高网...

【技术保护点】
基本由按重量计大约5至14%的硅、0至1.5%的铜、0.2至0.55%的镁、0.2至1.2%的铁、0.1至0.6%的锰、0至0.5%的镍、0至0.8%的锌、0至0.2%的选自基本由钛、锆、钒、钼和钴组成的组的其它痕量元素和余量的铝的原材料组成的铝合金，其中至少一部分的所述余量的铝包含再生铝。

【技术特征摘要】
2015.02.26 US 14/632,3081.基本由按重量计大约5至14%的硅、0至1.5%的铜、0.2至0.55%的镁、0.2至1.2%的铁、0.1至0.6%的锰、0至0.5%的镍、0至0.8%的锌、0至0.2%的选自基本由钛、锆、钒、钼和钴组成的组的其它痕量元素和余量的铝的原材料组成的铝合金，其中至少一部分的所述余量的铝包含再生铝。2.权利要求1的铝合金，其中至少大部分的所述余量的铝包含再生铝。3.权利要求1的铝合金，其中基本全部的所述余量的铝包含再生铝。4.权利要求1的铝合金，其中所述硅为按重量计大约5至8%，所述铜为按重量计大约0至1.0%，所述镁为按重量计大约0.2至0.4%，所述铁为按重量计不超过大约0.4%，所述锰为按重量计大约0至0.2%，所述镍为按重量计大约0至0.2%并且所述锌为按重量计大约0至0.3%。5.权利要求1的铝合金，其中所述硅为按重量计大约8至14%，所述铜为按重量计大约1.0至1.5%，所述镁为按重量计大约0.4至0.55%，所述铁为按重量计不超过大约0.8%，所述锰为按重量计大约0至0.3%，所述镍为按重量计大约0至0.5%并且所述锌为...

【专利技术属性】
技术研发人员：Q王，JR特劳布，MJ沃克，AK萨赫德夫，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US