具有改進(jìn)性質(zhì)的Ai-Mg-Si 鋁合金的制作方法
【專(zhuān)利摘要】可擠壓的Al-Mg-Si鋁合金，具有改進(jìn)的強(qiáng)度、耐腐蝕性、壓裂性質(zhì)和溫度穩(wěn)定性，特別是在車(chē)輛前部部件中或接近車(chē)輛前部部件為有用的。該合金的組成限定在Mg-Si圖的以下坐標(biāo)點(diǎn)內(nèi)：a1－a2－a3－a4，其中以wt％計(jì)，a1＝0.60Mg，0.65Si，a2＝0.90Mg，1.0Si，a3＝1.05Mg，0.75Si和a4＝0.70Mg、0.50Si，并且其中該合金在擠壓型材中具有未再結(jié)晶晶粒組織，此外其還包含以wt％計(jì)的以下合金組分：Fe最高至0.30 Cu 0.1－0.4 Mn 0.4－1.0 Cr最高至0.25 Zr最高至0.25和Ti 0.005－0.15偶存雜質(zhì)每種最高至0.1并且包括最高至0.5的Zn，余量為Al。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有改進(jìn)性質(zhì)的Ai-Mg-Si鋁合金
[0001] 本發(fā)明涉及具有改進(jìn)的強(qiáng)度、耐腐蝕性、壓裂（crush)性質(zhì)和溫度穩(wěn)定性的 Al-Mg-Si鋁合金。
[0002] 例如在其中鋁部件暴露于腐蝕性環(huán)境、高溫（當(dāng)在引擎中使用或接近引擎時(shí)）的 車(chē)輛前部結(jié)構(gòu)中需要上面提及的類(lèi)型的合金，并且該合金同時(shí)需要高強(qiáng)度和良好的壓裂性 質(zhì)。
[0003] 龍頭汽車(chē)制造商的材料標(biāo)準(zhǔn)指定了用于汽車(chē)的擠壓錯(cuò)合金的材料性質(zhì)。目前，最 有挑戰(zhàn)的強(qiáng)度級(jí)別（C28)具有以下主要要求：
[0004] · RpO. 2>280MPa
[0005] ?在中空截面的軸向壓裂測(cè)試時(shí)的良好行為（僅允許少量裂紋）
[0006] ?在 15〇Γ 下 1000 小時(shí)之后 Rp〇_ 2>265MPa
[0007] ?良好的腐蝕性質(zhì)
[0008] 對(duì)于下一個(gè)強(qiáng)度級(jí)別（C24)，RpO. 2的要求是在溫度暴露之前最低240MPa和在 150°C下1000小時(shí)之后最低230MPa。
[0009] 本申請(qǐng)中上面和隨后使用的符號(hào)"C24"、"C28"等意指合金的拉伸屈服強(qiáng)度性質(zhì) RpO. 2 ;例如如上所述C28意指RpO. 2>280MPa的要求，并且C24意指RpO. 2>240MPa的要求。
[0010] 已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于汽車(chē)的具有高延展性和強(qiáng)度的多種合金。從us 4525 326/Swiss Aluminum知道這樣的合金的一個(gè)實(shí)例，其公開(kāi)了以wt %計(jì)包含0· 3 - 1. OMg和0. 3 - 1. 2Si的Al-Mg-Si合金，并且其中添加 V用于改進(jìn)合金的延展性。在該專(zhuān)利中聲稱(chēng)0. 05 _ 0. 20wt. % V的添加與限定為Fe含量的1/4至2/3內(nèi)的Μη含量組合，明顯改進(jìn)了寬范圍的 Al-Mg-Si合金的延展性。在該US 4 525 326公開(kāi)中沒(méi)有提及鈦Ti。
[0011] 從EP 2072628(Aleris)知道類(lèi)似的合金，其限定了 0. 6 - 0. 95的Mg和0. 5-0. 95wt%的Si并且還包含釩（V)以及鎳（Ni)。添加 Ni來(lái)改進(jìn)屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度以及熱 穩(wěn)定性。Μη的量為0. 1 - 0. 3wt%。
[0012] EP 2 103 701B1 (Bi^kelmann)描述了一種合金組合物，就Mg(0.58-0.67wt°% )和Si(0.68 _ 0.77wt% )而言其非常窄并且其還包含少量的Cu(0. 24 _ 0· 32?t% )和Μη(0· 68 _ 0· 77wt% )。該合金據(jù)稱(chēng)改進(jìn)了屈服和拉伸強(qiáng)度，但是比具有更 高的Mg/Si比的合金可能為較少溫度穩(wěn)定的。
[0013] EP 1 041 165(Kobe)涉及具有 0· 30 - 0· 70wt% Mg 和 0· 10 - 0· 50wt% Si 的 Al-Mg-Si合金組合物。然而，由于Mn、Cr和Zr的低含量，該已知的合金在大部分情況下將 在擠壓型材中產(chǎn)生再結(jié)晶組織。
[0014] EP 2 157 200A1 (Aisin/Sumitomo)和 DE 10 2008048 374A1 (Honsel)也是這種 情況，其也是元素（Mn、Cr和Zr)少，從而在均勻化過(guò)程期間產(chǎn)生彌散體顆粒（參見(jiàn)隨后討 論這些顆粒的章節(jié)）。
[0015] 本發(fā)明提供的Al-Mg-Si合金不僅具有髙拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而且同時(shí)具有改 進(jìn)的壓裂性質(zhì)且是溫度穩(wěn)定的。
[0016]開(kāi)發(fā)該合金用于擠壓產(chǎn)品，其中需要良好的壓裂行為、延展性等，然而，其可用于 其它目的（例如鑄造坯料的鍛造）。
[0017] 本發(fā)明的特征在于所附獨(dú)立權(quán)利要求1和從屬權(quán)利要求2 - 12限定的特征。
[0018] 下面將通過(guò)實(shí)施例并參考附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中：
[0019] 圖1是顯示本申請(qǐng)的初始部分中解釋的現(xiàn)有技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)中描述的一些 Al-Mg-Si合金的Mg和Si含量的圖表，
[0020] 圖2顯示相同的圖表，但是描繪了根據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求1的Mg和Si窗口。
[0021] 圖3顯示了較窄Mg-Si窗口 bl-b4和cl-c4形式的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案和研究 的合金以及由Honsei和描述的現(xiàn)有技術(shù)合金中的一些的Mg-Si含量。
[0022] 圖4顯示了由包括在表1和2以及圖3中的不同合金擠壓的型材的橫截面。
[0023] 圖5顯示了系列1的測(cè)試中不同合金的拉伸測(cè)試之后的Rp〇. 2,其中數(shù)字0、500和 1000表示在185°C下6小時(shí)的時(shí)效循環(huán)之后在150?下的溫度暴露的小時(shí)數(shù)。
[0024]圖6顯示了系列1中不同合金的拉伸測(cè)試之后的Rp〇. 2,其中數(shù)字〇、5〇〇和1000 表示在205°C下5小時(shí)的時(shí)效循環(huán)之后在150°C下的溫度暴露的小時(shí)數(shù)。
[0025] 圖7顯不了合金A1的壓裂樣品與型材的橫截面中相應(yīng)的晶粒組織（RpO. 2 = 284MPa)。
[0026] 圖8顯示了合金A2的壓裂樣品與型材的橫截面中相應(yīng)的晶粒組織（RpO. 2 = 284MPa)。
[0027] 圖9顯示了合金B(yǎng)1的壓裂樣品與型材的橫截面中相應(yīng)的晶粒組織（RpO. 2 = 281MPa)。
[0028] 圖10顯示了合金B(yǎng)2的壓裂樣品與型材的橫截面中相應(yīng)的晶粒組織（RpO. 2 = 289MPa)。
[0029] 圖11顯示了合金Cl的壓裂樣品與型材的橫截面中相應(yīng)的晶粒組織（Rp〇. 2 = 277MPa)。
[0030] 圖12顯示了合金6061的壓裂樣品與型材的橫截面中相應(yīng)的晶粒組織（RpO. 2 = 288MPa)。
[0031] 圖13顯示了合金C28-C2的壓裂樣品（Rp〇. 2 = 285MPa)。
[0032] 圖14顯示了合金C28-C3的壓裂樣品（Rp〇. 2 = 281MPa)。
[0033] 圖15顯示了用于評(píng)價(jià)不同材料的彎曲行為的設(shè)備和裝置。
[0034]圖I6顯示了從24小時(shí)IGC腐蝕測(cè)試之后的合金C28-C2的擠壓型材取得（接近 表面）的橫截面的兩幅圖片。兩幅圖片顯示樣品的相同區(qū)域，左邊圖片顯示腐蝕侵蝕深度 并且右邊圖片顯示在將樣品陽(yáng)極化之后的晶粒組織。
[0035]圖I7顯示了從24小時(shí)IGC腐蝕測(cè)試之后的合金C28-C3的擠壓型材取得（接近 表面）的橫截面的兩幅圖片。兩幅圖片顯示樣品的相同區(qū)域，左邊圖片顯示腐蝕侵蝕深度 并且右邊圖片顯示在將樣品陽(yáng)極化之后的晶粒組織。
[0036]圖is顯示了 7〇〇3合金的壓裂樣品的圖片，其中左邊顯示了在不完全時(shí)效條件下 Rp〇_ 2 = 294MPa的樣品（T6x-在130°C下時(shí)效8小時(shí)）并且右邊顯示了在過(guò)時(shí)效條件下 Rp〇_ 2 = 28〇MPa的樣品（T7 -在17(TC下時(shí)效6小時(shí)）。
[0037]圖I9顯示了根據(jù)本發(fā)明的合金C28_B2的壓裂樣品的圖片，其中左邊圖片顯示了 在過(guò)時(shí)效條件下RpO· 2 = 289MPa的樣品（T7-在205?下時(shí)效5小時(shí)）并且右邊顯示了在 峰值強(qiáng)度條件下Rp〇. 2 = 3〇3MPa的樣品（T6 -在185°C下時(shí)效6小時(shí)）。
[0038]圖20顯示了用于與本發(fā)明有關(guān)的第一和第二測(cè)試系列的Mg-Si窗口和測(cè)試的合 金組成。
[0039]圖21是顯示合金第二系列測(cè)試合金al-a4的機(jī)械性質(zhì)的條形圖。
[0040]圖22是顯不第二系列測(cè)試的合金cl-c4加上具有較高M(jìn)g/Si比的"Honsel"合金 的機(jī)械性質(zhì)的另一個(gè)條形圖。
[0041]圖23是顯示具有不同Cu含量的合金XI的機(jī)械性質(zhì)的又一條形圖。
[0042] 圖24是顯示具有不同Cu含量的合金C2的機(jī)械性質(zhì)的條形圖。
[0043]圖25是顯示具有不同Ti含量的合金XI的機(jī)械性質(zhì)的另一條形圖。
[0044]圖26是顯示具有不同Ti含量的合金C2的機(jī)械性質(zhì)的又一條形圖。
[0045] 圖27顯示了圖28中顯示的類(lèi)型的壓裂測(cè)試試樣所取得的照片實(shí)例。
[0046]圖28顯示了用于額外的第三系列合金的壓裂測(cè)試的試樣。
[0047]圖29是Cu合金的壓裂測(cè)試試樣的照片，顯示了在T7條件下不同合金變體的壓裂 行為。
[0048] 本發(fā)明人通過(guò)他們與本發(fā)明相關(guān)的Al-Mg-Si合金的研究發(fā)現(xiàn)：
[0049] ?溫度穩(wěn)定性隨著增加的Mg/Si比和增加的Cu含量而改進(jìn)。
[0050] · Al-Mg-Si合金的強(qiáng)度隨著減小的Mg/Si比而提高。
[0051] 魯隨著增加的Cu含量，強(qiáng)度提高并且保持壓裂行為。
[0052] · Ti改進(jìn)耐腐蝕性并且還可改進(jìn)壓裂行為。
[0053] 籲在相同的屈服強(qiáng)度水平下，過(guò)時(shí)效條件（T7)比不完全時(shí)效條件（T6x)在壓裂測(cè) 試中表現(xiàn)更好。
[0054] ?使用未再結(jié)晶組織相對(duì)于再結(jié)晶組織對(duì)壓裂和腐蝕行為存在顯而易見(jiàn)的益處。
[0055] 關(guān)于后者，合金化元素 Mn、Cr和Zr在均勻化過(guò)程期間產(chǎn)生彌散體顆粒。這些顆粒 在加熱階段期間析出并且在保持溫度下均熱期間生長(zhǎng)和粗化。Μη和Cr均與Al、Si和Fe - 起形成彌散體顆粒，而如果Si含量低那么Zr僅與A1 -起形成彌散體顆粒，并且對(duì)于在本 合金中更高的Si含量與A1和Si -起形成彌散體顆粒。顆粒的數(shù)密度取決于合金化元素 的量、均勻化溫度和保持時(shí)間。
[0056] 為了在擠壓型材中獲得未再結(jié)晶晶粒組織，需要彌散體顆粒的一定數(shù)密度。該需 要的數(shù)密度取決于型材形狀、坯料溫度、擠壓速度和擠壓型材的表面區(qū)域中可允許的再結(jié) 晶層。對(duì)于厚型材、低擠壓速度并且如果允許相對(duì)厚的再結(jié)晶晶粒層，彌散體顆粒的數(shù)密度 可相當(dāng)?shù)?。?duì)于厚壁中空型材并且采用最大可能的擠壓速度和幾乎不允許再結(jié)晶層，彌散 體顆粒的數(shù)密度需要為高得多。
[0057] 如上所解釋的，可通過(guò)三種提及的合金化元素中的僅一種獲得彌散體的高數(shù)密 度，但是兩種或更多種元素的組合可為有益的，以便獲得彌散體顆粒的良好分布。還通過(guò)均 勻化溫度確定數(shù)密度。低溫促進(jìn)高數(shù)密度，而高溫給出彌散體顆粒的較低數(shù)密度。彌散體 顆粒的數(shù)密度將隨著在溫度下增加的保持時(shí)間而降低。因此，對(duì)于給定的形成彌散體的合 金化元素的添加，在較低范圍內(nèi)的均勻化溫度下的短時(shí)間給出彌散體顆粒的最高數(shù)密度。
[0058] 產(chǎn)生主要是未再結(jié)晶組織和可接受的壓裂性能的彌散體顆粒的最低數(shù)密度會(huì)是 理想的。任何過(guò)量的彌散體顆粒是不必要的并且不是想要的。對(duì)此的原因是彌散體顆粒引 起變形抗力增加，導(dǎo)致較低的最大擠壓速度和較低的生產(chǎn)率。因此希望平衡彌散體顆粒的 數(shù)目。均勻化參數(shù)的選擇會(huì)基于所需要的彌散體顆粒的數(shù)密度、合金化元素例如Mg、Si和 Cu的濃度梯度的消除以及在鑄造期間形成的一次含F(xiàn)e顆粒的球化處理和破碎。
[0059] 530至590?之間的任何保持溫度會(huì)是可能的。低于530?，合金中的Mg和Si將 不完全溶解并且大的Mg2Si顆粒將存在于坯料中。高于590°C，在坯料中的反偏析區(qū)域（在 鑄造過(guò)程期間形成的坯料中富集的外層）中存在變得過(guò)度熔融的相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。例如僅添 加 Μη(作為形成彌散體的元素）和朝向合金窗口的下端，會(huì)需要使用低的均勻化溫度以便 產(chǎn)生的彌散體顆粒的數(shù)密度高得足以避免在擠壓期間的再結(jié)晶。在該低溫下，一次顆粒的 球化處理將非常緩慢。因此，較高量的形成彌散體的元素與稍微較高的均勻化溫度組合會(huì) 是有益的。Μη和Cr 一起添加和540至580°C之間的均勻化溫度似乎給出彌散體顆粒的最 好分布、彌散體顆粒所必要的數(shù)密度和一次顆粒可接受的球化處理。均勻化溫度下的時(shí)間 通常會(huì)是2 _ 10小時(shí)。
[0060] 如上所述，本發(fā)明涉及可擠壓的Al-Mg-Si鋁合金，其具有改進(jìn)的強(qiáng)度、耐腐蝕性、 壓裂性質(zhì)和溫度穩(wěn)定性，并且特別是在車(chē)輛的前部結(jié)構(gòu)中其為有用的。
[0061] 本發(fā)明的合金的組成限定在Mg-Si圖的以下坐標(biāo)點(diǎn)內(nèi)：
[0062] al-a2-a3-a4,
[0063] 其中以 wt%計(jì)，al = 0· 60Mg，0_ 65Si，a2 = 0· 90Mg，1· OSi，a3 = 1. 05Mg，0_ 75Si 和a4 = 0· 70Mg、0. 50Si，并且其中該合金在擠壓型材中具有未再結(jié)晶晶粒組織，此外其還 包含以wt%計(jì)的以下合金組分：
[0064] Fe 最高至 0· 30
[0065] Cu 0. 1 - 0. 4
[0066] Μη 0· 4 - 1. 0
[0067] Cr 最高至 0· 25
[0068] Zr 最高至 0· 25
[0069] Ti 0· 005 _ 0· 15 和
[0070] 偶存雜質(zhì)每種最高至0. 1并且包括最高至〇· 5的Zn，余量為Al。
[0071] 圖1是顯示本申請(qǐng)的特別部分中初始解釋的現(xiàn)有技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)中描述的一些 Al-Mg-Si合金的Mg和Si含量的圖表。
[0072]圖2顯示了相同的圖表，但是其中描繪了根據(jù)本發(fā)明的Mg和Si窗口并且其用如 上所述的坐標(biāo)al、a2、a3、a4限定。
[0073] 由坐標(biāo)al、a2、a3、a4限定的Mg和Si窗口的下部（Mg和Si的最低和）包括C24 合金，而上部包括未來(lái)可能的C32合金。該Mg-Si窗口限定了本發(fā)明合金的外部限制。應(yīng) 當(dāng)注意該窗口在B:r6kelamaan專(zhuān)利中顯示的實(shí)施例之外。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)一步 如圖3中的Mg-Si窗口 bl-b4和cl-c4所示。最窄的Mg-Si窗口僅包括滿(mǎn)足C28要求的合 金。
[0074] 第一測(cè)試系列
[0075] 在第一測(cè)試系列中測(cè)試了總共6種不同的根據(jù)本發(fā)明的合金。將這些合金鑄造為 Φ2〇3πιπι圓材。在下表1中顯示了合金組成。由于大量的形成彌散體的元素胞和Cr,標(biāo)記 C28的全部5種合金在擠壓型材中將全部給出未再結(jié)晶組織。彌散體，如之前所述在均勻化 熱處理期間形成，充當(dāng)?shù)挚刮诲e(cuò)和晶界移動(dòng)的阻擋體。如果彌散體的數(shù)密度足夠高，那么將 保留在擠壓期間形成的變形組織。通常，由于在該區(qū)域中非常高的變形速率，經(jīng)常在擠壓型 材的表面中觀察到再結(jié)晶層。隨著彌散體顆粒的數(shù)密度降低，再結(jié)晶層的厚度將增加。彌 散體顆粒的不均勻分布將可能給出與較低數(shù)密度類(lèi)似的結(jié)果。對(duì)于壓裂行為的對(duì)比，包括 了標(biāo)準(zhǔn)6061合金。該合金通常在擠壓型材中產(chǎn)生再結(jié)晶晶粒組織。
[0076] 均勻化循環(huán)如下：從約200°C加熱直到575°C;在575°C下2小時(shí)15分鐘的保持時(shí) 間，并且以約400°C /小時(shí)冷卻至低于200°C的溫度。
[0077] 表1測(cè)試的第一合金系列的C28合金的合金組成
[0078]
【權(quán)利要求】
1. 可擠壓的Al-Mg-Si鋁合金，具有改進(jìn)的強(qiáng)度、耐腐蝕性、壓裂性質(zhì)和溫度穩(wěn)定性，特 別是在車(chē)輛的前部結(jié)構(gòu)中為有用的，其特征在于 ： 該合金的組成限定在Mg-Si圖的以下坐標(biāo)點(diǎn)內(nèi)： al - a2 - a3 - a4， 其中以 wt%計(jì)，al = 0· 60Mg，0. 65Si，a2 = 0· 90Mg，1. 0Si，a3 = 1. 05Mg，0. 75Si 和 a4 =0. 70Mg、0. 50Si，并且其中該合金在擠壓型材中具有未再結(jié)晶晶粒組織，此外其還包含以 wt %計(jì)的以下合金組分： Fe最高至0. 30 Cu 0. 1 - 0. 4 Μη 0. 4 - 1. 0 Cr最高至0. 25 Zr最高至0. 25和 Ti 0. 005 - 0. 15 偶存雜質(zhì)每種最高至〇. 1并且包括最高至〇. 5的Zn，余量為Al。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的合金，其特征在于：Mg/Si比為0. 9 - 1. 4。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2的合金，其特征在于：更優(yōu)選地，該合金限定在坐標(biāo)點(diǎn)bl - b2 - b3 - b4 內(nèi)，其中以 wt% 計(jì)，bl = 0· 76Mg，0. 55Si，b2 = 1. 02Mg，0. 74Si，b3 = 0· 90Mg， 0·91Si 和 b4 = 0· 67Mg、0. 68Si。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 3的合金，其特征在于：更優(yōu)選地，該合金限定在坐標(biāo)點(diǎn)cl 一 c2 - c3 - c4 之間，其中以 wt % 計(jì)，cl = 0· 80Mg，0. 59Si，c2 = 0· 94Mg，0. 70Si，c3 = 0· 85Mg，0. 84Si 和 c4 = 0· 72Mg、0. 71Si。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 4的合金，其特征在于：Mg/Si比為1. 0 - 1. 3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 5的合金，其特征在于：它優(yōu)選包含0. 10 - 0. 28wt% Fe。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 6的合金，其特征在于：它優(yōu)選包含0. 15 - 0. 30wt% Cu。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 7的合金，其特征在于：它優(yōu)選包含0.50 - 0.70wt% Μη和0. 10 - 0. 20wt% Cr，其中Μη和Cr 一起存在于合金中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 8的合金，其特征在于：在520 - 590°C的溫度下將該合金均勻化 0. 5 - 24小時(shí)并且均勻化之后的冷卻速率在從520到250°C的間隔中大于200°C /小時(shí)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 9的合金，其特征在于：更優(yōu)選在540 - 580°C的溫度下將該合 金均勻化2 - 10小時(shí)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 10的合金，其特征在于：將該合金鑄造成坯料然后進(jìn)行均勻化。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 11的合金，其特征在于：將該合金再加熱至優(yōu)選的溫度然后進(jìn) 行擠壓。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 12的合金，其特征在于：優(yōu)選將由該合金制備的擠壓型材從 500 - 580的溫度水淬火降至低于200°C的溫度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 13的合金，其特征在于：優(yōu)選將該合金在185 - 215°C的溫度下 過(guò)時(shí)效1 一 25小時(shí)的時(shí)間。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1 - 13的合金，其特征在于：更優(yōu)選將該合金在200 - 210°C的溫度 下過(guò)時(shí)效2 - 8小時(shí)的時(shí)間。
【文檔編號(hào)】C22F1/05GK104245981SQ201380021642
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月25日
【發(fā)明者】U·通達(dá)爾, O·雷索, S·R·斯基耶沃爾德, A·D·庫(kù)比亞克 申請(qǐng)人:諾爾斯海德公司