CN1041399A - 生产长期受热后仍保持良好疲劳强度的铝合金件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生产在热态使用时仍保持良好疲劳强度的铝合金零件的方法。该方法包括生产含有(重量比)11-26％硅、2-5％铁、0.5-5％铜、0.1-2％镁、0.1-0.4％锆和0.5-1.5％锰的合金，使熔融态的合金快速固化，使之成型为部件或零件。必要时对成型件在490-520℃进行热处理，接着用水淬火并在170-210℃退火。本方法特别选用于连杆、活塞杆和活塞等零件的制造。

Description

本发明涉及长期受热后仍保持良好疲劳强度的铝合金件的生产方法。

众所周知，铝比钢轻三倍，具有良好的抗腐蚀性。将其与铜和镁等金属制成合金，可极大地提高机械强度。此外，加入硅后制得的产品具有良好的耐磨性。这些合金与其它元素，例如铁、镍、钴、铬和锰掺合，则提高了热状态下的特性。这些添加元素调和的结果使得铝非常有利于制作汽车零件，例如发动机身、活塞、汽缸等。

因此，EP-A-144898提出了一种铝合金，它含有10-36%（重量）硅、1-12%（重量）铜、0.1-3%（重量）镁以及2-10%（重量）至少一种选自Fe、Ni、Co、Cr和Mn的元素。

这种合金可被用来制造为航空工业和汽车工业所设计的部件，所述部件经粉末冶金制取，其中除压制成型和轧制成型外，还涉及在250-550℃中间热处理阶段。虽然这些部件或零件满足上述性能的要求。但并未考虑到与之相关的疲劳强度。

内行人都清楚，疲劳相当于在受到连续不连贯应力作用的材料中金属结构持久的、局部的和渐进的变化。随着运转同期的增加，上述应力便不断施于零件上，可导致零件出现裂缝甚至断裂。通常零件的强度大大低于连续向材料施加的应力，结果出现了受拉断裂或折断，便是这种情况。因此，EP-A-144898给出的弹性模量、抗拉强度和硬度值没有考虑到合金的疲劳强度。

然而，对于像连杆或活塞杆这样的部件，因其受到动态应力作用和经受周期性的应力和外力作用，所以重要的是要具有良好的疲劳强度。

考虑到这一问题，申请人发现。虽然用上述文献范围内的合金制成的部件具有适于某些用途的疲劳强度，但是通过改进其组成，所述性能还可以明显提高。为此，申请人开发了由铝合金制成的部件或零件，所述铝合金含有11-22%（重量）硅、2-5%（重量）铁、0.5-4%（重量）铜、0.2-1.5%（重量）镁，其特征在于还含有0.4-1.5%（重量）锆。本发明也构成了法国专利申请87-17674的主题。

然而，申请人发现，从20℃时的应力极限观点看，锆导致了应力极限明显的提高（由于应力极限是从150MPa上升到185MPa），但是在150℃保持1000小时后（大体代表发动机寿命过半后连杆的工作条件），所述极限降至143MPa，即降低了22%多。

申请人在持续的研究中发现，通过将锰的作用与锆的作用结合，可以排除这一不利因素。因此本发明涉及长期受热后仍保持良好疲牢强度的铝合金零件的生产方法，所述铝合金件含有11-26%（重量）硅、2-5%（重量）铁、0.5-5%（重量）铜、0.1-2%（重量）镁以及少量任选的镍和/或钴，其特征在于还含有0.1-0.4%（重量）锆和0.5-1.5%（重量）锰。

这些范围包括锆和锰的添加值，其值低于上述范围时，效果不明显，其值高于上述范围时，或是添加的锆不再起决定作用，或是添加的锰导致部件的脆化，从而导致凹形或槽形的（即具有不规则表面，如螺纹、嵌条等）部件应力极限下降。

与上述专利申请中所述的组成相比，用锰取代了部分锆，一方面，由于锰比锆价廉，使初始原料更加经济，另一方面，由于含有1%锆的二元合金液态温度为875℃，而在含有1%锰的情况下，这一温度保持在660℃左右，因此降低了合金的熔化条件。

然而，除了所采用的合金特定组成外，本发明的特征还在于将其制成零件前，使合金以熔融态进行快速固化。由于铁、锆、和锰等元素仅在合金中微溶，为得到具有所需特性的零件，重要的是要防止所述元素剧烈的、不均匀沉淀，使其尽快冷却，可防止这一现象发生。此外，合金宜在700℃以上的温度熔化，以防止过早沉淀现象。

有几种方式可实现快速固化：

1）借助于一种气体雾化熔融的金属，或用机械手段雾化然后在气体（例如空气、氦气、氩气）中冷却，或通过离心雾化，或其它有关方法，使熔融合金成为微珠的形式，从而得到粒度低于400μm的粉末，然后根据已知的粉末冶金方法，在同轴或等压压机中进行热压制或冷压制成型，接着进行轧制和/或锻造。

2）将熔融合金喷射到冷却的金属表面上，例如通过熔体旋流或平流浇铸（见美国专利4389258和欧洲专利135508），或通过熔体溢流和其它相关方法，得到厚度小于100μm的带材，然后用上述方法成型。

3）将气流中雾化的熔融合金喷射到基体上，例如根据英国专利1379261所述的喷雾附着法或喷雾浇铸法，形成凝固的沉积层，该沉积层的可锻性，足以通过锻造、轧制或模压的方法成型。

显然，上述举例并不完全。

为了进一步改善沉淀结构，在经过所必需的机加工之后，在490-520℃将部件热处理1-10小时，然后用水淬火。在170-210℃退火2-32小时，以提高其机械性能。

通过下述实例可进一步理解本发明。在大约900℃熔化含有18%（重量）硅、3%（重量）铁、1%（重量）铜、1%（重量）镁和余量为铝的基底合金材料，然后分成8份，编号0-7。向编号1-7的样品中加入不同量的锆和锰，0样品作为对照。

将这些样品用粉末冶金法或喷雾附着法处理。

粉末冶金法（PM）包括在氮气氛中雾化为粒度小于200μm的颗粒，接着用等压压机在300MPa下压制，然后轧制成直径40mm的棒。

喷雾附着法采用英国专利1379261的步骤，可以得到柱形坯，然后轧制成直径40mm的棒。

将这些合金部件在490-520℃处理2小时，然后用水淬火，并使其在170-200℃暴露8小时。

对这些金属件的每一样品进行下述常规种类的性能测定：

弹性模量E（GPa）;

常规弹性极限（0.2%）：RO，2（MPa），断裂负载Rm（MPa），延伸率A（用a%表示），上述测定是在20℃中进行的，然后于150℃保持100小时后再测量一次;

经10⁷运转周期后20℃时的应力极限：Lf（以MPa为量纲），（根据铝联合会T₆态在平滑试件上测量，并施加旋转弯曲应力）;

试件于150℃保持1000小时后，重复上述测定;

20℃时的疲劳比Lf/Rm;

如上所述，在20℃时的应力极限，但在Kt＝2.2的凹形试件上进行的;

凹形敏感系数q＝ (Kf-1)/(Kt-1)

其中Kf是平滑件上测得的应力极限与凹形试件上测得的应力极限的比值（q越大，合金对凹形敏感越强）。

这些测定的所有结果列于下表中。

由这些测定可以看出，对于不含锆也不含锰的合金（No.0），150℃保持1000小时后的应力极限是120MPa，加入1%锆（No.1）使这一特性为148MPa，而同时加入锆和锰，降低锆量（No.5）可使此值达到177MPa。

此外，同时存在锆和锰显著地降低了在150℃保持一段时间后出现的应力极限下降。编号1的合金没有锰，Lf由185MPa降至143MPa，即下降了42MPa，而编号5的合金含有1.2%锰，Lf由193MPa降至177MPa，即下降了16MPa，大大低于前述值。

这些测定同时显示，所用元素也提高了凹形部件的应力极限，但过量会导致这一特性变坏并且使脆性增加。上述应力极限值由编号0试件的100MPa升至编号3（0.1%锆-0.6%锰）试件的125MPa，但含有较多锆和锰的试件7却降到105MPa。

因此，根据本发明的比例同时添加锆和锰（合金号5、4、3和6）所导致的凹形敏感系数（0.51、0.48、0.43、0.51）要比现有技术中该系数约为0.6的合金低。合金编号为0的合金由于其机械强度不足而不能使用。

根据本发明，以限量的锆和锰的组合以及快速固化所得合金有助于提高表面不规则的部件或零件（例如螺纹或嵌条）的疲劳强度，无论是热态中的疲劳强度还是冷态中的疲劳强度。这些部件或零件用于汽车工业，特别是用于生产连杆，活塞杆和活塞。

Claims (5)

1、生产长期受热后仍保持良好疲劳强度的铝合金部件的方法，铝合金含有(重量比)11-26%硅、2-5%铁、0.5-5%铜、0.1-2%镁以及可任选的少量镍和/或钴，其特征在于所用的合金还含有0.1-0.4%锆和0.5-1.5%锰，使合金在熔融态进行快速固化，并将得到的产物制成零件。

2、权利要求1的方法，其特征在于快速固化包括将熔融合金分离为微珠。

3、权利要求1的方法，其特征在于快速固化包括将熔融合金喷到冷却的金属表面上。

4、权利要求1的方法，其特征在于快速固化包括将气流中雾化的合金喷到基体上。

5、权利要求1的方法，其特征在于部件在490-520℃进行热处理，用水淬火并在170-210℃退火。