本發(fā)明涉及含有Cu和C的Al合金及其制造方法。

背景技術(shù)：

作為高強度鋁合金的代表性產(chǎn)品，有被稱作硬鋁(duralumin)、超硬鋁等的Al-Cu系的所謂牌號2000的鋁(Al)合金。牌號2000的鋁合金的主要成分為銅(Cu)，主要通過CuAl₂(θ相)或與此類似的相的析出來強化合金。

還可通過在Al-Cu系合金中添加Mg等元素來實現(xiàn)進一步的強度提高，但這樣的金屬元素的添加所帶來的強度提高是有限度的。另外Al-Cu系合金原本耐腐蝕性并不優(yōu)異，在進一步添加合金元素時，需要在合金設(shè)計上考慮不要使耐腐蝕性降低。另外在Al-Cu二元系合金中，有難以獲得均勻的組織的傾向，而且Cu含量設(shè)定的自由度也有降低傾向。

專利文獻1(該專利的發(fā)明人與本發(fā)明的發(fā)明人重復(fù))中記載，通過在銅中添加石墨形態(tài)的碳(C)，所得Cu-C合金具有更高的拉伸強度。還記載了用于制作這樣的Cu-C合金的方法。發(fā)明人認為，如果可以與Cu同樣在Al-Cu合金中添加C，或許可實現(xiàn)Al-Cu合金的高強度化。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利5397966號公報。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供：在含有Cu的Al合金中，進行可提高該Al合金的強度的C添加的技術(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供制造含有Cu和C的Al合金的方法。該方法包含在含有Cu的Al的熔融液中添加石墨粉末和增碳(加炭)促進劑。

作為增碳促進劑，例如可使用含有硼(B)或硼化合物、例如硼砂的物質(zhì)。

優(yōu)選添加石墨粉末和增碳促進劑時的熔融液的溫度為800-1000℃。低于800℃，則石墨粉末溶解于熔融液中需要時間或者可能未充分溶解。另外，若超過1000℃，則鋁的氧化劇烈，而且熔爐的電費等高漲，不經(jīng)濟。

優(yōu)選將添加石墨粉末和增碳促進劑時的熔融液周圍的氧濃度抑制為較低。低氧濃度氣氛例如可通過使用密閉式的反射爐(例如參照后述實施方案)來實現(xiàn)。通過將氧濃度抑制為較低，可以抑制石墨粉末的氧化、燃燒導(dǎo)致的損耗。需說明的是，代替上述，也可以將熔爐容納于真空室內(nèi)，還可以用包含氬氣等惰性氣體的保護氣體覆蓋熔融液表面。

添加石墨粉末和增碳促進劑時的熔融液的組成優(yōu)選為Al-Cu合金的共晶組成(即Al-33wt%Cu)或其附近的組成(Cu量向亞共晶一側(cè)略微位移或者向過共晶一側(cè)略微位移)。例如熔融液的組成可以是在Al-27-36wt%Cu的范圍內(nèi)。人們熟知在二元系合金中添加第3元素(金屬元素)時，通過在共晶組成或其附近的組成的二元系合金中添加第3元素，可以高效地添加第3元素，但通過發(fā)明人的研究才明確：這也適用于在Al-Cu二元系合金中進行石墨添加的情況。

在添加了石墨粉末和增碳促進劑后的熔融液中至少熔入純Al(例如純Al的錠)，由此可以稀釋熔融液，調(diào)整為所需的Cu濃度和C濃度。也可以在添加了石墨粉末和增碳促進劑后的熔融液中添加Al，以及鎂(Mg)、錳(Mn)等的被稱為硬鋁或超硬鋁的Al-Cu系合金中所含的合金成分，制作具有相當于硬鋁或超硬鋁的組成且含有C的合金。這些合金成分可以以母合金的形態(tài)添加。

代替上述，也可以在具有所需組成的以Cu為主要添加元素的鋁合金、例如具有相當于上述硬鋁或超硬鋁的組成的熔融液中添加石墨粒子和增碳促進劑粒子，由此制備添加了碳的鋁合金。這樣做，也可以在合金中均勻地添加碳。

由該方法制造的含有Cu和C的Al合金可以是含有Cu和C且余量由Al以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的Al-Cu-C三元合金，或者制成含有Cu和C以外的至少一種合金元素的合金。合金中除Al、Cu、C之外還可以含有硅(Si)。即，例如合金可以是在“JIS H5202 鋁合金鑄造物”中規(guī)定的AC2A(Al-Si-Cu合金)中添加了C的合金。

根據(jù)本發(fā)明的其它實施方案，提供含有Cu和C且C分布于金屬組織中的Al合金。該Al合金可通過上述方法制造。該Al合金可以進一步含有C以外的合金元素。

附圖說明

圖1是對合金的熔融所用的爐進行說明的圖，(a)是概略長度方向截面圖，(b)是概略平面圖，(c)是概略正面圖。

圖2是顯示在具有相當于JIS H4000中定義的合金編號2017的組成的鋁合金中添加C時的組織變化的電子顯微鏡照片(二次電子射線圖像)，(a)表示未添加C，(b)表示添加0.1wt%C，(c)表示添加0.3wt%C。

圖3是顯示在含有5wt%Cu且余量由Al和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的Al合金中添加C時的組織變化的電子顯微鏡照片(二次電子射線圖像)，(a)表示未添加C，(b)表示添加0.3wt%C。

圖4是通過電子探針顯微分析(EPMA)得到的X射線分布圖(map)，(a)是對于Al進行顯示，(b)是對于Cu進行顯示，(c)是對于C進行顯示。

圖5是表示圖4(a)的X射線分布圖上較多檢測出C的部位的圖。

具體實施方式

以下對本發(fā)明的具體實施方案進行說明。

<Al-Cu熔融液的制作>

準備共晶組成(Al-33%wtCu)或與其接近的組成、例如亞共晶組成的Al-28wt%Cu的熔融液。這樣組成的熔融液可通過將可商業(yè)性獲得的Al-Cu母合金熔融而容易地制作。當然也可以自己制作這樣組成的合金。該熔融液的溫度設(shè)為800-1000℃。

這里，可以使用例如圖1示意性表示的反射爐10。該反射爐10具有圓頂型的頂棚12。反射爐10的一側(cè)的側(cè)壁14上設(shè)有設(shè)置了重油燃燒器16的燃燒器口18。在反射爐10的頂棚12的側(cè)壁14一側(cè)設(shè)有排氣口20。由燃燒器口16向反射爐10的另一側(cè)側(cè)壁22噴射的燃燒器火焰(通過燃燒產(chǎn)生的氣體)因側(cè)壁22而轉(zhuǎn)向，流向側(cè)壁12，由排氣口20排氣(參照圖1b)。通過該循環(huán)的燃燒氣體的流動逐出存在于爐內(nèi)的空氣，同時，通過燃燒氣體中所含的未燃燒成分的燃燒而消耗掉存在于爐內(nèi)的空氣中的氧。由此，反射爐內(nèi)的氧濃度可抑制為較低。

<增碳處理>

反射爐10內(nèi)的熔融的Al-Cu母合金達到800-1000℃的范圍內(nèi)的規(guī)定溫度、且反射爐10內(nèi)的氧濃度在低的狀態(tài)穩(wěn)定后，由未圖示的加料口向反射爐10內(nèi)加入石墨粒子(可以是粉末也可以是顆粒)和含有硼或硼化合物的增碳促進劑粒子(可以是粉末也可以是顆粒)。石墨粒子附著于增碳促進劑粒子上，隨著熔融液的自然對流分散于熔融液中。通過熔融液的自然對流可以充分確保熔融液的均質(zhì)性。需說明的是，也可以采用非接觸式電磁攪拌裝置(攪拌器)等公知的攪拌裝置來攪拌熔融液，促進石墨粒子和增碳促進劑粒子在熔融液中的更均勻的分散。

石墨(碳)溶入鋁熔融液后，完成了任務(wù)的增碳促進劑形成浮渣狀，浮于熔融液表面。浮渣例如可通過耐火材料制的長柄勺等除去。

需說明的是，若不添加增碳促進劑而只添加石墨粒子，則石墨粒子持續(xù)浮游于熔融液的表面，不會逐漸分散于熔融液中。

<澆鑄>

然后熔融液從設(shè)于反射爐10下部的未圖示的出液口倒入適當?shù)蔫T型內(nèi)，在其中凝固。通過以上，Al-Cu-C三元合金的澆鑄完成。然后，可以根據(jù)需要對這樣得到的Al-Cu-C三元合金錠進行軋制、熱處理等。

可以使用通過上述制造方法得到的Al-Cu-C三元合金的母合金(Cu含量例如為33wt%左右)，制作具有相當于硬鋁(例如JISH4140規(guī)定的A2014或A2017)或超硬鋁(例如JISH4140規(guī)定的A2024)的組成且含有C的合金。這種情況下，將Al-Cu-C母合金，Al-Mg母合金、Al-Mn母合金等含有必要的合金成分的母合金，和純鋁以適當?shù)谋嚷嗜廴?，將其澆鑄在鑄型中即可。

也可以在上述增碳處理之后且澆鑄之前，將純鋁添加到熔融液中，進行熔融液中Cu和C的濃度調(diào)節(jié)，然后澆鑄在鑄型中。

還可以在上述增碳處理之后且澆鑄之前，在熔融液中添加純鋁，并且進一步添加Al-Mg母合金、Al-Mn母合金等含有必要的合金成分的母合金，然后澆鑄在鑄型中。由此可以制作具有相當于硬鋁或超硬鋁的組成且含有C的合金。

上述實施方案是在Al-Cu二元合金的熔融液、特別是共晶組成或接近于共晶組成的組成的熔融液中添加石墨粒子和增碳促進劑粒子，但并不限于此。例如可在具有所需組成的以Cu為主要添加元素的鋁合金、例如具有相當于上述硬鋁或超硬鋁的組成的熔融液中添加石墨粒子和增碳促進劑粒子，由此制備添加有碳的鋁合金。這樣做，可在合金中均勻地添加碳。

實施例

以下對具體的實施例進行說明。

制作后述表1中記載的組成的試樣。表1中示出Cu含量和C含量。在實施例合金(實施例1-5)的試樣的制作時，在具有Al-28wt%Cu的組成的熔融液中添加石墨粒子和增碳促進劑粒子，制成Al-28wt%Cu-Xwt%C(X是稀釋后成為各實施例合金的組成的值)的組成，進而將該熔融液用Al稀釋，由此制成表1中記載的組成，然后在鑄型中制作澆鑄錠。(在制作比較例合金(比較例1、2)時，將具有Al-28wt%Cu的組成的熔融液用Al稀釋，制成上述組成，然后在鑄型中制作澆鑄錠。)

接著對于表1的“處理”一項中記載了“軋制 熱處理”的試樣，將錠切削加工為長160mm×寬30mm×厚6mm的長方體形狀，然后用軋機軋制至厚度為5mm。接著將軋制體切削加工成遵循JISZ2201規(guī)定的13B號的平板拉伸試驗片。試驗片的尺寸設(shè)為：平行部長60mm，平行部寬12.5mm，肩部半徑25mm，厚度3mm，夾持部寬20mm。然后將試驗片在真空中在410℃下保持2小時，然后以每小時30℃的降溫速度冷卻至260℃，然后自然放冷后供拉伸試驗。

對于表1的“處理”一項中未記載“軋制 熱處理”的試樣，由錠直接(無軋制)切削加工成上述試驗片形狀。而且，也不進行上述一系列的熱處理。

對如上所述制作的試驗片，使用島津制作所制造的萬能材料試驗機AG50KNI進行拉伸試驗。拉伸試驗中確認最大應(yīng)力和最大位移?！白畲髴?yīng)力”是將最大載荷(單位N)除以公稱截面積(12.5×3mm²)所得的值，“最大位移”是出現(xiàn)最大載荷時的十字頭位移量(mm)。對于各實施例和各比較例，是對2-3個試驗片進行試驗。其結(jié)果表示在表1中。

[表1]

由上述試驗結(jié)果，具體來說通過實施例4、5與比較例2的比較、或者實施例2與比較例1的比較，表明通過添加C，可實現(xiàn)Al-Cu合金強度的大幅提高。并且可確認，通過添加C，強度的偏差有減少的傾向?？梢哉J為，Al-Cu二元合金難以獲得均勻性高的組織，但通過添加C，不僅強度提高，也實現(xiàn)了組織均勻性的提高。

接著對添加C帶來的組織變化進行說明。圖2是顯示在具有相當于JISH4000中定義的合金編號2017的組成的鋁合金中添加了C時的組織變化的電子顯微鏡照片(二次電子射線圖像)，(a)表示未添加C，(b)表示添加0.1wt%C，(c)表示添加0.3wt%C。圖3是顯示在含有5wt%Cu、且余量由Al和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的Al合金中添加了C時的組織變化的電子顯微鏡照片(二次電子射線圖像)，(a)表示未添加C，(b)表示添加0.3wt%C。試樣的制作按照與上述表1的合金的制作相同的方法進行。圖2和圖3的組織是鑄態(tài)(As Cast)的狀態(tài)的組織，未進行軋制、熱處理等。各照片的畫面下的白色條的長度表示照片中的100μm。

圖2和圖3兩者中均可見C添加帶來的組織的微細化。圖3(b)所示的Al-5wt%Cu-0.3wt%C合金得到了與圖2(a)所示的未添加C的相當于2017合金的合金大致同等的微細的組織。發(fā)明人認為該組織的微細化是使合金強度提高的主要原因。

圖4是通過電子探針顯微分析儀(EPMA)得到的X射線分布圖，(a)是對于Al進行顯示，(b)是對于Cu進行顯示，(c)是對于C進行顯示。需說明的是，這里所示的X射線分布圖是將最高濃度部以紅色、最低濃度部以藍色(中間濃度按照色相環(huán)的顏色順序)顯示的彩色版的原本直接進行黑白復(fù)印所得。X射線分布圖(a)、(b)中，大的塊狀的部分為Al的初晶。X射線分布圖(a)、(b)中，小塊聚集的部分為Al-Cu的共晶。(c)中可見呈白色的部分含有較多C。

圖5中示出將圖4 X射線分布圖(a)上較多檢測出C的部位疊加而得的圖。發(fā)明人由該形態(tài)判斷，C主要分布在晶界上。發(fā)明人目前還認為，分布于晶界上的C導(dǎo)致晶粒的微細化，有助于機械性質(zhì)的提高。取決于合金種類，元素在晶界上的析出也可能使合金的延性降低，但該Al-Cu-C系合金未見這樣的延性降低的現(xiàn)象，強度和延性兩者通過添加C而提高。

需說明的是，對于C是如何參與了合金的強化，目前尚未完全明確。但是通過在含有Cu的Al的熔融液中添加石墨粒子、和含有硼或硼化合物的增碳促進劑粒子，具有再現(xiàn)性地確實地獲得了組織微細化、強度提高的Al-Cu-C系合金，這是明確的事實。因此不應(yīng)根據(jù)C是如何參與合金的強化的理論而不當?shù)鬲M窄地限制本發(fā)明。

C的添加量即使非常少也可見合金的強度提高的效果。目前，例如即使僅以約80ppm(0.008wt%)左右添加C也可確認合金強度的提高。而且，目前即使將C的添加量升高至約0.4wt%左右，對其他特性也沒有帶來特別損害，可確認合金的強度提高。即，可認為合金中的C的添加量的允許范圍非常廣，C的添加量考慮所需的合金強度和材料成本(不添加超出必要量的C)適當確定即可。即，不應(yīng)根據(jù)C的含量而不當?shù)鬲M窄地限制本發(fā)明。

C的添加帶來的組織的改良和強度的提高當然在鑄造物用合金中也可確認。這通過實驗也可確認。以下簡單敘述實驗結(jié)果。

將AC2A合金(JIS H5202)的錠熔融，在該熔融液中按照與上述實施例相同的方法添加石墨粒子和增碳促進劑粒子，然后在鑄型中制作澆鑄錠。然后由錠直接(無軋制且無熱處理)進行切削加工，由此得到與在上述實施例中使用的試驗片相同形狀的試驗片。這里所使用的AC2A合金錠使用了含有3.67wt%的Cu和5.3%的Si、余量為不可避免的雜質(zhì)的材料。添加0.04wt%的C。

拉伸試驗的結(jié)果如下所述，可知通過添加C，拉伸強度和伸長率提高。

[表2]