專利名稱：：用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，該原料鋁-青銅合金可以用于在不攪動熔融金屬的情況下通過半固態(tài)金屬鑄造制備具有微小晶粒的鋁-青銅合金鑄件。要求在2006年2月13日提交的日本專利申請No.2006-035004的優(yōu)先權(quán)，該日本專利申請的內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
背景技術(shù)：
：作為鋁-青銅合金，包含作為主要組分的銅和鋁的Cu-Al系銅合金是公知的。鋁-青銅合金是通過將10.5質(zhì)量％以下的Al添加到Cu中使機(jī)械性質(zhì)、耐腐蝕性、耐磨損性、耐疲勞性和耐熱性得到提高的銅合金。通常已知的是，鋁-青銅合金的鑄造性質(zhì)差。然而，由于鋁-青銅合金具有優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì)、耐腐蝕性、耐磨損性、耐疲勞性和耐熱性，因此鋁-青銅合金被用作輪船的螺旋槳、螺旋軸、泵、化學(xué)裝置、軸承、齒輪等的材料。通常已知的是，鋁-青銅合金的鑄造性質(zhì)差。主要原因是來源于其組分組成。熔融金屬的流動性差的另一個原因之一是在熔融鋁-青銅合金中產(chǎn)生枝晶-相a初晶。作為改善由于產(chǎn)生枝晶-相a初晶所帶來的鑄造性質(zhì)劣化的方法之一，已知的是半固態(tài)金屬鑄造法，在該半固態(tài)金屬鑄造法中，當(dāng)通過在液相線溫度和固相線溫度之間的溫度范圍內(nèi)，劇烈攪動熔融鋁-青銅合金，以制備漿狀的半熔融鋁-青銅合金，并且鑄造該半熔融鋁-青銅合金時，在固-液混合漿體中產(chǎn)生的枝晶由于攪動而被分?jǐn)?，使在?液混合漿體中的a初晶固體形成球形，由此在高的固相比率下保持流動性。因此，能夠改善鑄造性質(zhì)，并且能夠產(chǎn)生具有包括微小晶粒和粒狀晶體的組織的鋁-青銅合金鑄件(參見，非專利文獻(xiàn)l)。"FifthRevisedEditionofMetalManual,"由THEJAPANINSTITUTEOFMETALS，MARUZEN股份有限公司編輯(在1992年4月20出版)，第1041到P1042頁
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題然而，在進(jìn)行其中對熔融金屬攪動的半固態(tài)金屬鑄造法中，由于需要在控制熔融金屬的溫度下進(jìn)行攪動，因此需要增加裝置的尺寸。因此，在--些條件下，可能將額外的氣體引入到熔融金屬中?？紤]到磨具的損耗，需要降低熔融金屬的溫度。然而，即使當(dāng)己知的鋁-青銅合金在半熔融狀態(tài)被攪動時，也不可能完全抑制枝晶組織的產(chǎn)生。因此，熔融金屬的流動性顯著劣化，由此最終導(dǎo)致可能的鑄造缺陷。本發(fā)明是鑒于上述問題而設(shè)計(jì)的。本發(fā)明的一個目的是提供一種用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，所述原料鋁-青銅合金可以通過在不使用用于攪動熔融金屬的手段的情況下，使用半固態(tài)合金鑄造法制備出具有優(yōu)異鑄造性質(zhì)和微小晶粒的鋁-青銅合金鑄件。用于解決問題的手段因此，為了在不使用用于在液相中分?jǐn)嗪土；У臄噭釉那闆r下，提高半熔融鋁-青銅合金的流動性，以及為了即使在低溫鑄造半熔融鋁-青銅合金時也產(chǎn)生沒有鑄造缺陷的具有微小晶粒的鋁-青銅合金鑄件，本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了研究。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了下面的觀察結(jié)果(A)至(D)。(A)通過使用將0.0005至0.04質(zhì)量％的Zr和0.01至0.25質(zhì)量°/。的P添加到含有5至10質(zhì)量％的Al的鋁-青銅合金中獲得的鋁-青銅合金作為原料合金，將該鋁-青銅合金完全熔融形成液相，并且將熔融鋁-青銅合金冷卻而獲得的半熔融鋁-青銅合金，以及通過將鑄塊再熔融獲得的半熔融鋁-青銅合金等都具有優(yōu)異的流動性。因此，發(fā)現(xiàn)通過鑄造半熔融鋁-青銅合金，能夠制造具有微小晶粒的鋁-青銅合金鑄件，并且發(fā)現(xiàn)與已知實(shí)例的情況不同的是，不需要在半熔融合金中進(jìn)行攪動處理。(B)通過使用將0.5至3質(zhì)量％的Si添加到根據(jù)(A)的含有0.0005至0.04質(zhì)量％的Zr和0.01至0.25質(zhì)量％的P的鋁-青銅合金中獲得的鋁-青銅合金作為原料合金，將所述鋁-青銅合金完全熔融形成液相，并且將該熔融的鋁-青銅合金冷卻而獲得的半熔融鋁-青銅合金，和通過將鑄塊再熔融獲得的半熔融鋁-青銅合金等都具有優(yōu)異的流動性。因此，發(fā)現(xiàn)通過鑄造該半熔融鋁-青銅合金能夠制造具有微小晶粒的鋁-青銅合金鑄件，并且發(fā)現(xiàn)與已知實(shí)例的情況不同的是，不需要在半熔融合金中進(jìn)行攪動處理。(C)發(fā)現(xiàn)，在上述(A)或(B)記載的鋁-青銅合金中，還可進(jìn)一步包含0.005至0.45質(zhì)量％的Pb、0.005至0.45質(zhì)量％的Bi、0.03至0.45質(zhì)量％的Se和0.01至0.45質(zhì)量％的Te中的一種或多種的組分組成的鋁-青銅合金表現(xiàn)出相同的優(yōu)點(diǎn)。(D)發(fā)現(xiàn)，半熔融合金狀態(tài)的根據(jù)(A)至(C)的鋁-青銅合金具有優(yōu)異流動性的原因在于在固化過程中產(chǎn)生微小的粒狀a初晶，而不是產(chǎn)生枝晶。本發(fā)明基于上述研究結(jié)果提供下列方面(1)一種用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，所述原料鋁-青銅合金的組分組成包含5至10質(zhì)量％的Al、0.0005至0.04質(zhì)量％的Zr、0.01至0.25質(zhì)量n/。的P，以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)。(2)—種用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，所述原料鋁-青銅合金的組分組成包含5至10質(zhì)量％的Al、0.0005至0.04質(zhì)量％的Zr、0.01至0.25質(zhì)量。/。的P、0.5至3質(zhì)量y。的Si，以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)。(3)根據(jù)(l)或(2)的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金的組分組成可以進(jìn)一步包含0.005至0.45質(zhì)量％的Pb、0.005至0.45質(zhì)量％的Bi、0.03至0.45質(zhì)量％的Se和0.01至0.45質(zhì)量％的Te中的一種或多種。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)下面，將詳細(xì)描述本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，其組分組成包含5至10質(zhì)量％的Al、0.0005至0.04質(zhì)量％的Zr、0.01至0.25質(zhì)量°/0的P，以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，其組分組成包含5至10質(zhì)量％的Al、0.0005至0.04質(zhì)量％的Zr、0.01至0.25質(zhì)量％的P、0.5至3質(zhì)量y。的Si，以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，其組分組成包含5至10質(zhì)量％的Al、0.0005至0.04質(zhì)量％的Zr、0.01至0.25質(zhì)量％的P、0.5至3質(zhì)量％的Si，以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)，并且進(jìn)一步包含0.005至0.45質(zhì)量％的Pb、0.005至0.45質(zhì)量％的Bi、0.03至0.45質(zhì)量％的Se和0.01至0.45質(zhì)量％的Te中的一種或多種。預(yù)先制備和儲存成分調(diào)節(jié)好的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金的鑄塊，取出所需量并將其再熔融，制備出半熔融鋁-青銅合金，并且可以通過鑄造該半熔融鋁-青銅合金，而制造出具有微小晶粒的半熔融鋁-青銅合金鑄件。將描述對根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金的組分組成進(jìn)行如上所述的限定的原因。Al:Al具有通過將其添加到Cu中而提高機(jī)械性質(zhì)、耐腐蝕性、耐磨損性、耐疲勞性和耐熱性的功能，并且具有通過其脫氧作用而防止Zr被氧化的功能。當(dāng)其含量小于5質(zhì)量％時，由于不能得到足夠的效果而不優(yōu)選。另一方面，當(dāng)其含量大于10質(zhì)量％時也是不優(yōu)選的，因?yàn)殍T造性質(zhì)劣化并且所得的鑄件硬且脆，由此降低機(jī)械強(qiáng)度。因此，包含在根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金中的Al含量被限定在5質(zhì)量％至10質(zhì)量％的范圍內(nèi)。Zr:在其與P共存的情況下，Zr具有促進(jìn)微小粒狀oc初晶在半熔融狀態(tài)中的產(chǎn)生，提高半熔融鋁-青銅合金的流動性以及降低鋁-青銅合金鑄件的晶粒的尺寸的功能。當(dāng)其含量小于0.0005質(zhì)量％時，由于晶粒的尺寸的降低不夠而不優(yōu)選。另一方面，當(dāng)該含量大于0.04質(zhì)量％時，由于鑄件的晶粒的尺寸增加而不優(yōu)選。因此，包含在根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金的Zr含量被限定在0.0005質(zhì)量％至0.04質(zhì)量％的范圍內(nèi)。P:在與Zr共存的情況下，P具有促進(jìn)微小粒狀cx初晶在半熔融狀態(tài)中產(chǎn)生，提高半熔融鋁-青銅合金的流動性以及降低鋁-青銅合金鑄件的晶粒的尺寸的功能。當(dāng)其含量小于0.01質(zhì)量％時，由于晶粒尺寸的降低不夠而不優(yōu)選。另一方面，當(dāng)該含量大于0.25質(zhì)量％時，由于產(chǎn)生低熔點(diǎn)的金屬間化合物而使其變脆，因而不優(yōu)選。因此，包含在根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金中的P含量被限定在0.01質(zhì)量％至0.25質(zhì)量%的范圍內(nèi)。Si:Si具有進(jìn)一步提高半熔融鋁-青銅合金的流動性、降低熔點(diǎn)和提高耐腐蝕性、強(qiáng)度和切削性的功能，因此根據(jù)需要而加入。當(dāng)其含量小于0.5質(zhì)量％時，由于不能得到所需的作用而不優(yōu)選。另一方面，當(dāng)該含量大于3質(zhì)量％時，由于鑄件的流動性降低并且鑄件脆而不優(yōu)選。因此，包含在根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金中的Si含量被限定在0.5質(zhì)量％至3質(zhì)量％的范圍內(nèi)。其它組分根據(jù)需要，根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金可以進(jìn)一步包含Pb、Bi、Se和Te中的一種或多種。當(dāng)這些組分包含在鋁-青銅合金中時，優(yōu)選的是，Pb含量在0.005質(zhì)量％至0.45質(zhì)量％的范圍內(nèi)，Bi含量在0.005質(zhì)量％至0.45質(zhì)量％的范圍內(nèi)，Se含量在0.03質(zhì)量°/。至0.45質(zhì)量％的范圍內(nèi)，而Te含量在0.01質(zhì)量％至0.45質(zhì)量％的范圍內(nèi)。通過使根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金具有上述組分組成，當(dāng)用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金被熔融以制造固-液混合漿體形式的半熔融鋁-青銅合金并且使用常規(guī)方法鑄造該半熔融鋁-青銅合金時，產(chǎn)生微小粒狀a初相或oc固相共存于半熔融鋁-青銅合金的液相中。因此，即使不使用攪動裝置時，也能夠在不損害半熔融鋁-青銅合金的流動性的情況下鑄造該半熔融鋁-青銅合金。此外，有利的是，通過鑄造半熔融鋁-青銅合金獲得的鋁-青銅合金鑄件的晶粒在尺寸上被進(jìn)一步降低，由此進(jìn)一步提高了機(jī)械強(qiáng)度。實(shí)施方案(實(shí)施方案1)準(zhǔn)備作為原料的常規(guī)電解銅，將該電解銅進(jìn)料到電爐中，將電解銅在Ar氣氛中熔融，當(dāng)熔融銅的溫度為1200°C時，向其中添加A1和P，根據(jù)需要向其中添加Si、Pb、Bi、Se、Te等，最后向其中添加Zr，從而制備出熔融鋁-青銅合金。通過鑄造該熔融鋁-青銅合金，制造出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1至45的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金(下面，稱作根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的原料鋁-青銅合金)的鑄塊以及根據(jù)比較例1至6的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金(下面，稱作根據(jù)比較例的原料鋁-青銅合金)的鑄塊，這些原料鋁-青銅合金具有表1至4中所示的組分組成。通過將包含9質(zhì)量％的Al以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)并且在市場上可獲得的鋁-青銅合金在Ar氣氛中熔融，制造出1200。C溫度的熔融的鋁-青銅合金。通過鑄造該熔融的鋁-青銅合金，制造出用于半固態(tài)金屬鑄造的常規(guī)的原料鋁-青銅合金(下面，稱作常規(guī)原料鋁-青銅合金)的鑄塊，該原料鋁-青銅合金具有表4所示的組分組成。通過切割根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1至45的原料鋁-青銅合金、根據(jù)比較例1至6的原料鋁-青銅合金和常規(guī)原料鋁-青銅合金的鑄塊中的部分，并且將切割出的鑄塊在介于固相線溫度和液相線溫度之間的預(yù)定溫度加熱以使這些鑄塊再熔融，制造出半熔融鋁-青銅合金。通過將該半熔融鋁-青銅合金快速冷卻，制造出快速冷卻樣品。通過用光學(xué)顯微鏡觀察快速冷卻樣品的組織，推定其在半熔融鋁-青銅合金中與液相共存的a固相的形狀，并且測量其平均粒度。結(jié)果顯示于表1至4中。通過用硝酸蝕刻快速冷卻樣品的切割表面，然后用光學(xué)顯微鏡觀察該切割表面，測量a固相的平均粒度。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>從表1至4所示的結(jié)果可推定出，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1至45的原料鋁-青銅合金的半熔融狀態(tài)中，微小粒狀ot固相與液相共存，因?yàn)樗锌焖倮鋮s樣品的a固相都呈微小的粒狀。另一方面，可推定出，在常規(guī)原料鋁-青銅合金的半熔融狀態(tài)中產(chǎn)生了枝晶，因?yàn)樵摽焖倮鋮s樣品的oc固相全都呈枝晶相。因此，可以看出，由根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例l至45的原料鋁-青銅合金制造的半熔融鋁-青銅合金在流動性上比由常規(guī)原料鋁-青銅合金制造的半熔融鋁-青銅合金好，并且在通過將根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1至45的原料鋁-青銅合金熔融而獲得的半烙融鋁-青銅合金的液相中產(chǎn)生微小粒狀a固相，由此，即使在沒有攪動的情況下鑄造半熔融鋁-青銅合金時，也獲得具有微小晶粒的鑄件。還可以看出，根據(jù)比較例1至6的、包含不合本發(fā)明條件(本發(fā)明的組分組成的范圍)的Al、Zr和P的原料鋁-青銅合金是不優(yōu)選的，因?yàn)樵谄浒肴廴跔顟B(tài)中產(chǎn)生枝晶，或晶粒的尺寸降低不夠，或合金是脆性的。(實(shí)施方案2)通過切割在實(shí)施方案1中制造出的、根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1至45原料鋁-青銅合金、根據(jù)比較例1至6的原料鋁-青銅合金以及常規(guī)原料鋁-青銅合金的鑄塊中的部分，并且將切割出的鑄塊完全熔融，從而制造出液相形式的熔融鋁-青銅合金。之后，通過將該熔融鋁-青銅合金冷卻，制造出保持在介于固相線溫度和液相線溫度之間的預(yù)定溫度的半熔融鋁-青銅合金。通過將該半熔融鋁-青銅合金快速冷卻，制造出快速冷卻樣品。通過使用光學(xué)顯微鏡觀察該快速冷卻樣品的組織，推定在半熔融鋁-青銅合金中所產(chǎn)生的a固體晶體的形狀，并且測量其平均粒度。所得結(jié)果與實(shí)施方案1相同。盡管已經(jīng)對本發(fā)明的示例性實(shí)施方案進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不限于所述實(shí)施方案。在不背離本發(fā)明精神的情況下，實(shí)施方案的要素可以增添、省略、替換或修改。本發(fā)明并不限于上述的描述，而是僅由后附權(quán)利要求限定。工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，由于在不使用熔融金屬攪動設(shè)備的情況下提高了半熔融鋁-青銅合金的流動性，即使在低溫鑄造該半熔融鋁-青銅合金時，也能夠制造出具有微小晶粒的鋁-青銅合金鑄件而無鑄造失敗。權(quán)利要求1.一種用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，所述原料鋁-青銅合金的組分組成包含5至10質(zhì)量％的Al、0.0005至0.04質(zhì)量％的Zr、0.01至0.25質(zhì)量％的P，以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)。2.—種用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，所述原料鋁-青銅合金的組分組成包含5至10質(zhì)量％的Al、0.0005至0.04質(zhì)量％的Zr、0.01至0.25質(zhì)量。/。的P、0.5至3質(zhì)量W的Si，以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，其中所述組分組成進(jìn)一步包含0.005至0.45質(zhì)量％的Pb、0.005至0.45質(zhì)量％的Bi、0.03至0.45質(zhì)量％的Se和0.01至0.45質(zhì)量％的Te中的一種或多種。全文摘要本發(fā)明公開一種用于半固態(tài)金屬鑄造的原料鋁-青銅合金，所述原料鋁-青銅合金的組分組成包含5至10質(zhì)量％的Al、0.0005至0.04質(zhì)量％的Zr、0.01至0.25質(zhì)量％的P，以及余量的Cu和不可避免的雜質(zhì)，根據(jù)需要，還包含0.5至3質(zhì)量％的Si，并且根據(jù)需要，還包含0.005至0.45質(zhì)量％的Pb、0.005至0.45質(zhì)量％的Bi、0.03至0.45質(zhì)量％的Se和0.01至0.45質(zhì)量％的Te中的一種或多種。文檔編號B22D17/00GK101384740SQ20078000510公開日2009年3月11日申請日期2007年2月13日優(yōu)先權(quán)日2006年2月13日發(fā)明者大石惠一郎申請人:三菱伸銅株式會社;三菱麻鐵里亞爾株式會社