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CN106191534A - 具有优异的成形性和弹性的铝合金及其生产方法 - Google Patents

具有优异的成形性和弹性的铝合金及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有优异的成形性和弹性的铝合金及其生产方法。具有优异的成形性和弹性的铝合金包括Ti、B、Mg、和Al，其中Ti；B:Mg的组成比是1:3.5～4.5:1，并且AlB2和TiB2作为增强相存在。

Description

具有优异的成形性和弹性的铝合金及其生产方法
技术领域
本发明构思的示例性实施方式涉及具有优异的成形性和弹性的铝合金及其生产方法；并且，具体地涉及能最大化硼化合物的生成以具有改善的强度以及噪声、振动和声振粗糙度(NVH)特性的铝合金，及其生产方法。
背景技术
通常，车辆的碰撞吸收构件吸收来自与外部对象碰撞的冲击并减少在与行人的碰撞过程中对行人的伤害，并且有代表性地包括在车辆的前面和后面处设置的保险杆。
车辆保险杆由保险杆盖和保险杆后梁构成。具体地，保险杆盖安装至车辆的最前侧和最后侧以限定其前面和后面的外形，并首先经受碰撞过程中从外部传递的冲击。保险杆盖均设置有在其中的缓冲材料以便更容易地吸收从外部传递的冲击。
同时，每个保险杆后梁定位在相关联的保险杆盖的内部以吸收通过保险杆盖传递的冲击，从而防止如变速器的主要零件的损坏并进一步防止对车辆中的乘坐者的伤害。
保险杆后梁主要由钢材料或玻璃纤维毡热塑性(GMT)材料制成。
具体地，钢材料具有相对高的应力和较重的重量。因此，随着车辆变轻的近期趋势，正积极研究使用轻质材料制造保险杆。在这个过程中，倾向于积极地将轻质铝合金应用于车辆。
通常，增强相(reinforcing phase)如金属化合物或碳纳米管(CNT)被形成为粉末以改善铝合金的弹性，但就成本竞争而言存在限制。
此外，在铸造工艺中加入粉末形式的增强相时，会引起熔融铝中的损失、润湿、和分散问题。在不改善基体合金的情况下仅添加增强相时，由于为了获得想要的弹性的增强相的添加料的增加量会引起成本增加和工艺控制困难。
因此，需要最大化在改善弹性中起到非常重要的作用的硼化合物的生成并在熔融铝内均匀分散通过自发反应产生的硼化合物。
在相关技术中，韩国常规技术题为“An aluminum casting materialincluding titanium boride and a method of producing the same(包括硼化钛的铝铸造材料以及其生产方法)”具体公开了与不使用如碳纳米管(CNT)的昂贵材料的常规铝合金相比具有高弹性的铝合金，并且可适用于包括高压铸造的所有普通铸造工艺。
然而，以上专利文献不能解决加入粉末状的增强材料过程中诸如在熔融铝中的损失、润湿、和分散的问题，以及由于添加增强材料的增加量导致成本增加和工艺控制困难问题。
相关技术描述的内容仅用于帮助理解本发明构思的背景，而不应被认为与本领域技术人员已经已知的现有技术对应。
发明内容
本发明构思的实施方式涉及具有优异的成形性和弹性的铝合金及其生产方法，通过优化组成比以最大化作为增强相的硼化合物如TiB2和AlB2的生成能够改善弹性和成形性。
本发明构思的其他目的和优点可以通过下面的描述来理解，并且通过参考本发明构思的实施方式而变得显而易见。根据本发明构思的实施方式，具有优异的成形性和弹性的铝合金包括Ti、B、Mg、和Al，其中Ti:B:Mg的组成比是1:3.5～4.5:1，并且AlB2和TiB2作为增强相存在。
在某些实施方式中，铝合金可以包括0.4wt％至1.2wt％的Mg、0.2wt％至0.9wt％的Si、1wt％或更少的Ti(不包括0，)、2.5wt％至5.5wt％的B、以及余量的Al。
在某些实施方式中，铝合金可以包括0.4wt％至6.5wt％的Zn、0.4wt％至1.2wt％的Mg、1wt％或更少的Ti(不包括0，)、2.5wt％至5.5wt％的B，以及余量的Al。
在某些实施方式中，铝合金可具有77GPa或更大的弹性模量、低于30μm的枝晶臂间距(dendrite arm spacing)(DAS)、低于380J/g的潜热、以及低于54的屈服强度/拉伸强度比。
根据本发明构思的另一个实施方式，生产铝合金的方法包括将Al-Ti中间合金(master alloy)、Al-B中间合金、或包含75wt％Al的盐化合物进料到容纳在熔炼炉中的熔融铝中，其中Ti:B:Mg以1:3.5～4.5:1的比例存在于熔融金属中，并使用搅拌棒搅拌熔融铝，其中通过自发反应产生并分散增强相AlB2和TiB2。
在某些实施方式中，搅拌棒可具有等于或大于0.4倍的熔炼炉的直径的长度。在某些实施方式中，搅拌可以500rpm或更大的速度进行。
在某些实施方式中，Al-Ti中间合金可以包括5wt％至20wt％的Ti和余量的Al。在某些实施方式中，Al-B中间合金可以包括3wt％至10wt％的B和余量的Al。
附图说明
图1是示出各增强材料的特性及其相应对弹性的贡献水平的示图。
具体实施方式
在下文中将参考附图更详细地描述本发明构思的示例性实施方式。但是，本发明构思可以体现成不同的形式并且不应该被解释为限于这里阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式是为了使本公开详尽和完整，并且将本发明构思的范围完整地传达给本领域的技术人员。在整个公开内容中，在所有本发明构思的各个附图和实施方式中，相同的标号用于指相同的部件。
本发明构思涉及具有优异的成形性和弹性的铝合金及其生产方法，并且通过在最大化通过自发反应产生的作为增强相的TiB2和AlB2的生成的同时抑制不利地影响成形性的作为增强相的Al3Ti的生成同时改善弹性和成形性。
图1是使用嘎呐灰(digimat)程序示出各增强相的特性和及其相应对弹性的贡献水平的示图。
如图1示，对弹性的贡献水平是通过增强相的形状、密度等的组合以及增强相本身的简单弹性(simple elasticity)产生的，并且即使增强相本身的弹性高，弹性的增长率也会根据诸如密度的特性而改变。
此外，本发明构思涉及具有优异的成形性和弹性的铝合金。铝合金应当具有高成形性以及弹性以便改善强度和NVH特性，并且应当具有轻的重量以便减少车身的重量。
因此，增强相本身的弹性和其形状、密度等应当被复杂的考虑，并且具有接近相对球形的形状并且具有相对高的弹性增长率的TiB2、AlB2等被优选作为增强相。
根据本发明构思的实施方式的具有优异的成形性和弹性的铝合金由Ti、B、Mg和Al组成，并且在某些实施方式中，Ti:B:Mg的组成比满足1:3.5～4.5:1重量比。
当Ti和B被添加至铝时，可以形成对弹性具有最高的贡献水平的增强相TiB2和AlB2。可以通过最大化TiB2和AlB2的生成同时改善弹性和成形性，在抑制降低材料的成形性的Al3Ti的生成的同时，同时改善弹性和成形性。在某些实施方式中，当Ti:B:Mg的重量比满足1:3.5～4.5:1时,形成在主轴和短轴之间具有巨大差异的椭圆球体形状的材料。
根据本发明构思的实施方式的用于车辆活塞的铝合金可以由0.4wt％至1.2wt％的Mg、0.2wt％至0.9wt％的Si、1wt％或更少的Ti(不包括0)、2.5wt％至5.5wt％的B、和余量的Al组成，并且Ti:B:Mg可具有1:3.5～4.5:1的组成比。
因此，以上铝合金与商业6000系铝合金(作为Al-Mg-Si系铝合金，包括0.4wt％至1.2wt％的Mg和11wt％至14wt％的Si)相比可具有改善的弹性和成形性。
此外，根据本发明构思的另一实施方式的用于车辆活塞的铝合金可以由0.4wt％至6.5wt％的Zn、0.4wt％至1.2wt％的Mg、1wt％或更少的Ti(不包括0)、2.5wt％至5.5wt％的B、和余量的Al组成，并且Ti:B:Mg具有1:3.5～4.5:1的组成比。
因此，以上铝合金与商业7000系铝合金(作为Al-Zn-Mn系铝合金，包括0.4wt％至6.5wt％的Zn和0.4wt％至1.2wt％的Mg)相比可具有改善的弹性和成形性。
就是说，根据本发明的实施方式的铝合金被生产为具有满足1:3.5～4.5:1的Ti:B:Mg的组成比，从而使弹性和成形性与传统商业6000系铝合金和商业7000系铝合金相比得到改善。
根据本发明构思的实施方式，弹性、成形性、和碰撞能量吸收可以同时改善：77GPa或更大的弹性模量、低于30μm的DAS、低于380J/g的潜热、和低于54的屈服强度/拉伸强度比例。这是因为在抑制降低成形性的Al3Ti的生成的同时最大化TiB2和AlB2的生成来同时改善弹性和成形性。因此，可以同时改善材料的弹性和成形性。
实施例
[表1]
α指由Al4.01SiMn0.74构成的铝α相。
[表2]
表1显示根据Ti:B:Mg的组成比的增强分数，并且表2显示物理性能随Ti:B:Mg的组成比而改变(初始冷却速度是50℃/s)。在表2中，各组分的量的单位是wt％。
如在表1和表2中显示的，当Mg含量超过组成比时，生成的AlB2相增加，但如Al6Mn和Mg2Si的增强相的含量同时增加。因此，因为表现出如比热处理中(specific heat treatment)的合金特点并且屈服/拉伸比增加，所以可以看出降低了碰撞能量吸收。
此外，当Ti含量过量并且B含量不足时，可以看出弹性和晶粒细化因数不能满足参考值并且因此弹性和成形性不满足参考值。
同时，当B含量小于同时生成AlB2和TiB2的2.5wt％的阈值时，可以看出碰撞能量吸收是优异的，但弹性和成形性降低。
另一方面，当满足根据本发明构思的实施方式的Ti:B:Mg的组成比并且B含量是2.5wt％至5.5wt％时，可以最大化对弹性和成形性有利的AlB2和TiB2的生成并且可以同时改善弹性和成形性。
[表3]
表3显示商业6000系铝合金(6061)和商业7000系铝合金(7075)的物理性能和根据本发明构思的实施方式的具有优异的弹性和成形性的铝合金的物理性能。在表3中，各组分的量的单位是wt％。
如表3中显示的，根据本发明构思的实施方式的铝合金的弹性，与商业6000系铝合金和商业7000系铝合金相比，可以改善约10％。此外，可以看出表现成形性的DAS和潜热是相似的或稍微降低的并且成形性与相关技术相比稍微增加。
因此，根据本发明构思的实施方式的具有优异的弹性和成形性的铝合金，与商业6000系铝合金和商业7000系铝合金相比，具有改善的弹性、成形性、和碰撞能量吸收。因此，可以改善碰撞吸收构件的强度和NVH特性。
生产根据本发明构思的实施方式的具有优异弹性和成形性的铝合金的方法包括：进料步骤，将Al-Ti中间合金、Al-B中间合金、或含75wt％Al的Al盐化合物进料到容纳在熔炼炉中的熔融铝中；以及搅拌步骤，搅拌Al熔融金属以生成并分散增强相AlB2和TiB2。
在进料步骤中，进料Al-Ti中间合金、Al-B中间合金、和含75wt％Al的Al盐化合物中的一种或多种并且熔融金属的组成比满足Ti:B:Mg＝1:3.5～4.5:1。
在这种情况下，进料到熔融金属中的Al-Ti中间合金可以由5wt％至20wt％的Ti和余量的Al组成，并且Al-B中间合金可以由3wt％至10wt％的B和余量的Al组成。
通过维持以上比例，可以同时生成TiB2和AlB2来同时改善弹性和成形性并且最小化对成形性和冲击特性不利的Al3Ti的生成。
在某些实施方式中，在搅拌步骤中，为了同时生成并分散作为增强相的AlB2和TiB2，以500rpm或更大速度搅拌熔融金属。在某些实施方式中，搅拌是使用具有等于或大于0.4倍的熔炼炉的直径的长度的搅拌棒进行的。
搅拌棒的长度和搅拌速度影响增强相的反应速度和分散度。因此，在某些实施方式中，搅拌棒应具有等于或大于40％的熔炼炉直径的长度。当搅拌速度小于500rpm时，TiB2的生成量由于对成形性和冲击特性不利的Al3Ti的生成而不足。
此外，因为产生的增强相在熔融金属中不是均匀分散的，所以会引起取决于熔融金属部分的物理性能偏差。
本发明构思可以通过控制组成比在抑制对成形性和冲击特性不利的Al3Ti的生成的同时，在熔融金属中同时产生并均匀分散TiB2和AlB2。因此，可以改善诸如弹性、成形性、和碰撞能量吸收的特性。
根据本发明构思的示例性实施方式，可以通过优化Ti、B、和Mg的组成比最大化作为增强相的TiB2和AlB2的生成来同时改善材料的弹性和成形性。
此外，可以通过搅拌在最佳条件下通过自发反应产生的TiB2和AlB2在熔融铝内均匀分散作为增强相的硼化合物。
尽管本发明构思已经针对特定实施方式进行了描述，但是对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离如权利要求所限定的本发明构思的精神和范围的情况下，可以进行各种变化和修改。

Claims (11)

1.一种具有优异的成形性和弹性的铝合金，包括：
Ti、B、Mg和Al，
其中Ti:B:Mg的组成比是1:3.5～4.5:1，并且AlB2和TiB2作为增强相存在。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其中，所述铝合金包括0.4wt％至1.2wt％的Mg，0.2wt％至0.9wt％的Si，1wt％或更少的Ti，不包括0，2.5wt％至5.5wt％的B，以及余量的Al。
3.根据权利要求1所述的铝合金，其中，所述铝合金包括0.4wt％至6.5wt％的Zn，0.4wt％至1.2wt％的Mg，1wt％或更少的Ti，不包括0，2.5wt％至5.5wt％的B，以及余量的Al。
4.根据权利要求1所述的铝合金，其中，所述铝合金具有77GPa或更大的弹性模量、低于30μm的枝晶臂间距(DAS)、低于380J/g的潜热、以及低于54的屈服强度/拉伸强度比。
5.一种生产铝合金的方法，包括：
将Al-Ti中间合金、Al-B中间合金、或包含75wt％Al的盐化合物进料至容纳在熔炼炉中的Al熔融金属中，其中Ti:B:Mg以1:3.5～4.5:1的比例存在于熔融金属中；以及
使用搅拌棒搅拌所述Al熔融金属，其中通过自发反应产生并分散增强相AlB2和TiB2。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，
所述搅拌棒具有的长度等于或大于0.4倍的所述熔炼炉的直径。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述搅拌以500rpm或更大的速度进行。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述Al-Ti中间合金包括5wt％至20wt％的Ti和余量的Al。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述Al-B中间合金包括3wt％至10wt％的B和余量的Al。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述Al-Ti中间合金包括5wt％至20wt％的Ti和余量的Al。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述Al-B中间合金包括3wt％至10wt％的B和余量的Al。
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