專利名稱：鋁合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有細(xì)晶組織，從而具有極好機(jī)械性能，特別是強(qiáng)度和延伸率極好的鋁合金。
Al-Mg-Si鋁基合金，特別是6000系鋁合金，例如6061、6066、6067和6082通常進(jìn)行熱加工或冷加工或者通過(guò)鍛造、軋制、擠壓等塑性成形。6061合金最通用，但其抗拉強(qiáng)度較低，為27-33kgf/mm2，被用作中強(qiáng)材料。
6000系合金塑性成形成具有增高強(qiáng)度的所需形狀，然后進(jìn)行熱處理，例如T6處理，它包括固溶熱處理和隨后在提供最高時(shí)效強(qiáng)度條件下的人工時(shí)效。但是，該熱處理粗化熱塑性加工形成的再結(jié)晶晶粒，從而降低機(jī)械性能，特別是強(qiáng)度和延伸率。當(dāng)以50%或更大的高壓縮或加工比加工時(shí)，再結(jié)晶晶粒的粗化特別顯著。
日本未審專利公布(公開(kāi))NO.1-283337建議利用添加元素Mn、Cr、Zr等抑制晶粒粗化，該文認(rèn)為，當(dāng)Mn、Cr和Zr以一定量共同加入Al-Mg-Si鋁基合金中時(shí)，在鍛造或其他成形工藝和熱處理過(guò)程中能抑制晶粒長(zhǎng)大，否則會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，從而提供具有細(xì)晶組織的塑性成形制品。
目前的趨勢(shì)是適用于汽車零件，例如車架和懸吊部件的材料，當(dāng)塑性成形和T6熱處理時(shí)，要求40kgf/mm2或更高的抗拉強(qiáng)度和15%或更大的延伸率。但是，上面推薦的鋁合金不滿足這種要求，因?yàn)榘估瓘?qiáng)度、彈限強(qiáng)度和延伸率的機(jī)械性能差，盡管同現(xiàn)有其他材料相比，它具有因細(xì)晶組織而產(chǎn)生的改進(jìn)性能。
常用的鋁合金，例如6000系合金，當(dāng)鑄造材料進(jìn)行熱加工或冷加工和T6熱處理時(shí)，不能提供40kgf/mm2或更高的抗拉強(qiáng)度和15%或更大的延伸率，該熱加工或冷加工通常是與或不與前述熱擠壓一起進(jìn)行的鍛造或軋制。
本發(fā)明的目的是消除Al-Mg-Si鋁基合金的上述傳統(tǒng)問(wèn)題，從而提供一種系統(tǒng)控制合金化元素，如Cu、Cr、Mn和Zr的含量，以改進(jìn)基體強(qiáng)度并抑制晶拉粗化的鋁合金，這樣當(dāng)進(jìn)行塑性加工和T6熱處理時(shí)，就達(dá)到極好的機(jī)械性能，包括40kgf/mm2或更高的抗粒強(qiáng)度和15%或更大的延伸率，以提供特有的輕質(zhì)鋁合金的零件和結(jié)構(gòu)件。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供由上述鋁合金構(gòu)成的塑性成形鋁合金制品。
為達(dá)到本發(fā)明目的，提供化學(xué)成分(重量%)如下的鋁合金Si1.0-1.5，Cu0.4-0.9，Mn0.2-0.6，Mg0.8-1.5，Cr0.3-0.9，Ti0.03-0.05，B0.0001-0.01，余量為Al和不可避免的雜質(zhì);Mn和Cr含量之和不大于1.2%(重量)，作為不可避免的雜質(zhì)之一的Fe含量不大于0.2%(重量)。
本發(fā)明還提供化學(xué)成分(重量%)如下的鋁合金Si1.0-1.5，
Cu0.4-0.9，Mn0.2-0.6，Mg0.8-1.5，Cr0.3-0.9，Ti0.03-0.05，Zr0.1-0.2，B0.0001-0.01，余量為Al和不可避免的雜質(zhì);Mn和Cr含量之和不大于1.2%(重量)，作為不可避免的雜質(zhì)之一的Fe含量不大于0.2%(重量)。
本發(fā)明還提供由本發(fā)明鋁合金構(gòu)成的塑性成形制品。
按照本發(fā)明，該鋁合金和由本發(fā)明合金構(gòu)成的塑性成形制品，當(dāng)進(jìn)行塑性成形、固溶處理和提供最高強(qiáng)度的時(shí)效時(shí)，具有40kgf/mm2或更高的抗拉強(qiáng)度和15%或更大的延伸率。
該Al-Mg-si鋁基合金具有的高強(qiáng)度是由沉淀在固溶體基體相中的Mg2Si相顆粒來(lái)保護(hù)的。該合金的強(qiáng)度靠添加元素，如Cu、Cr和Mn作用于基體的固溶強(qiáng)化進(jìn)一步提高。
為提供具有高于普通6061合金強(qiáng)度的鋁合金，最初的想法是通過(guò)增加Si和Mg含量提高M(jìn)g2Si沉淀相的量。但是，單純地增加Si和Mg含量不僅降低延伸率和韌性，而且破壞提供打算增加的強(qiáng)度。
本發(fā)明對(duì)Mg2Si沉淀相對(duì)機(jī)械性能的影響和T6熱處理對(duì)已塑性加工的宏觀組織的晶粒長(zhǎng)大的影響進(jìn)行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)必要的是采用合金化元素和確定其含量，同時(shí)考慮之間的相互影響，以便利用Mg2Si沉淀相的有利作用并抑制宏觀組織的晶粒長(zhǎng)大。
為了保證Mg2Si沉淀相的必要作用，并也細(xì)化宏觀組織，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，Si和Mg含量必須分別為1.0-1.5%(重量)和0.8-1.5%(重量)。但是，Si和Mg含量落入這些范圍內(nèi)并不能完全避免宏觀組織粗化和機(jī)械性能，如強(qiáng)度和延伸率的降低，因?yàn)楫?dāng)熱擠壓材料進(jìn)行T6熱處理時(shí)或者熱鍛或冷鍛材料進(jìn)行T6熱處理時(shí)，再結(jié)晶晶粒迅速長(zhǎng)大。
同時(shí)添加Cr和Mn(下面稱“共同加入”)，當(dāng)熱加工或冷加工的組織進(jìn)行熱處理時(shí)，有利地抑制再結(jié)晶晶粒粗化，否則會(huì)發(fā)生再結(jié)晶晶粒粗化，這樣獲得的鋁合金具有細(xì)晶組織和改進(jìn)的強(qiáng)度和延伸率。共同加入Cr和Mn帶來(lái)的這種有利作用被認(rèn)為是由于防止熱加工或冷加工的材料在T6熱處理時(shí)再結(jié)晶晶粒粗大。
共同加入Zr與Cr和Mn進(jìn)一步提高延伸率并進(jìn)一步細(xì)化晶粒組織，因?yàn)楫?dāng)以高加工比進(jìn)行塑性加工時(shí)，此時(shí)Cr和Mn不再起抑制再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的作用，而Zr有效地細(xì)化再結(jié)晶晶粒。
按照本發(fā)明，各合金化元素必須以各自規(guī)定的量存在，原因如下。
硅(si)通過(guò)沉淀硬化作用，即Si與共存的Mg形成Mg2Si化合物，提高鋁合金的強(qiáng)度。當(dāng)硅以1.0%(重量)或更高的量存在時(shí)，Si的強(qiáng)化作用是顯著的。但是，過(guò)分增加Si含量不僅提高合金的液相線溫度，這不利于合金的熔煉和鑄造，而且降低擠壓、鍛造等時(shí)的成形性。因此，Si含量必須為1.0%(重量)或更高，但不大于1.5%(重量)。
銅(Cu)固溶強(qiáng)化合金基體相，并也通過(guò)Mg2Si沉淀相促進(jìn)沉淀強(qiáng)化，所以，Cu含量必須為0.4%(重量)或更高。但是，當(dāng)Cu含量大于0.9%(重量)時(shí)，降低合金的抗腐蝕性。因此，Cu含量必須為0.4-0.9%(重量)。
錳(Mn)抑制晶粒長(zhǎng)大，以保證細(xì)的熱處理組織，所以其含量必須是0.2%(重量)或更高。但是，Mn含量超過(guò)0.6%(重量)降低熱加工和冷工成形性。所以，Mn含量必須為0.2-0.6%(重量)。
鎂(Mg)與Si反應(yīng)形成Mg2Si化合物相，它沉淀在鋁合金的基體相中提高強(qiáng)度。為保證這種沉淀強(qiáng)化作用，Mg含量必須是0.8%(重量)或更高。但是，Mg含量大于1.5%(重量)不進(jìn)一步提供沉淀作用。所以，Mg含量必須為0.8-1.5%(重量)。
鉻(Cr)與Mn配合抑制晶粒粗化，為此目的，其含量必須是0.3%(重量)或更高，但當(dāng)其含量大于0.9%(重量)時(shí)，降低成形性。所以，Cr含量必須為0.3-0.9%(重量)。
Mn和Cr含量之和必須不大于1.2%(重量)，以保證共同加入這些元素的上述有利作用，而不引起對(duì)合金性能的不希望的影響。當(dāng)Mn和Cr含量之和大于1.2%(重量)時(shí)，粗顆粒的Al-Mn-Cr化合物的沉淀顯著地降低延伸率。
鈦(Ti)細(xì)化鑄造組織晶粒，特別是當(dāng)其含量為0.03%(重量)或更高時(shí)。細(xì)化的晶粒不僅有利于最終產(chǎn)品的機(jī)械性能，而且抑制鑄造裂紋和其它坯缺陷的產(chǎn)生。但是，Ti含量必須不大于0.05%(重量)，以保證鋁合金的韌性。
硼(B)，像Ti一樣細(xì)化晶粒，特別是其含量為0.0001%(重量)或更高時(shí)。B含量的上限必須為0.01%(重量)，理由同Ti。
鐵(Fe)作為雜質(zhì)元素不可避免地存在于鋁合金中，并形成Al-Fe-Si化合物，以顆粒狀分散于合金基體中，以致引起對(duì)延伸率和耐腐蝕不希望的影響。因此Fe含量必須盡可能的低，但是降低Fe含量由于相應(yīng)增加熔煉過(guò)程的困難而實(shí)際上受限制。所以，F(xiàn)e含量的上限確定為0.2%(重量)，在此含量和低于此含量Fe基本上不引起對(duì)合金性能的不良影響。
鋯(Zr)與Mn和Cr配合抑制晶粒粗化。Zr通過(guò)保持?jǐn)D壓時(shí)產(chǎn)生的纖維組織也改善擠壓和鑄造制品的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)Zr含量為0.1%(重量)或更高時(shí)，其有利作用尤其顯著。Zr含量必須不大于0.2%(重量)，因?yàn)楦蟮腪r含量對(duì)成形性產(chǎn)生不良影響。
本發(fā)明的一種鋁合金是鑄造的，例如連鑄成坯，再熱加工和/或冷加工成所需形狀，然后進(jìn)行T6熱處理得到產(chǎn)品。熱加工一般是鍛造，與或不與上述擠壓一起進(jìn)行，以制成棒或圓柱形。這樣獲得的產(chǎn)品具有40kgf/mm2或更高的抗拉強(qiáng)度和0.5%或更大的延伸率。
鑄坯在鍛造前最好擠壓，以進(jìn)一步提高強(qiáng)度和延伸率。
實(shí)施例1將列于表1的不同化學(xué)成分的鋁合金在500kg電阻爐中在大氣下熔煉并連鑄成直徑325mm、長(zhǎng)600mm的坯。通過(guò)感應(yīng)加熱將坯加熱到450-500℃的溫度，用3900噸間接熱擠壓機(jī)，以5-8m/分的速度將坯熱擠壓成直徑74mm的圓棒并冷卻到室溫。然后在熱吹風(fēng)電爐中將熱擠壓圓棒再加熱到450±10℃的溫度，用400噸油壓機(jī)沿棒直徑方向?qū)魺徨懸淮纬尚危_(kāi)鍛溫440-450℃，終鍛溫度390-410℃，加工比(Re)為60%，按照式Re(%)＝100×(HO-H)/HO計(jì)算其值，HO是擠壓材的最初高度或直徑，H是鐓鍛材的最終高度。
省去擠壓制備一些試樣，即通過(guò)表面機(jī)加工直徑84mm的鑄坯，在540℃加熱8小時(shí)均勻化或熱平衡，然后在上述同樣的條件下鍛造。
表1化學(xué)成分(重量%,余量為Al和雜質(zhì))合金附注No.SiFeCuMnMgCrTiZrBMn+Cr11.260.160.310.250.990.410.03≤0.0020.660.000321.190.150.760.380.950.390.03≤0.0020.770.0003本發(fā)明3 1.210.140.320.250.930.370.030.130.0020.624 1.210.150.830.411.010.360.040.140.0030.7751.600.150.500.391.600.900.03≤0.0021.290.000360610.660.200.320.011.000.120.01≤≤0.130.00030.0016066 1.39 0.24 1.02 0.84 1.12 0.010.02≤≤0.85比較例0.00030.00160701.410.220.290.670.860.010.01≤≤0.680.00030.00160821.020.220.010.500.900.080.01≤≤0.580.00030.00161.230.160.490.251.000.400.04≤0.0030.650.00037 1.16 0.15 0.47 0.39 0.95 0.39 0.03≤0.0020.78本發(fā)明0.00038 1.210.150.470.350.970.410.030.130.0020.7891.700.140.520.401.610.880.03≤0.0021.280.00036061 0.60 0.260.300.011.100.120.03≤0.0020.130.0003比較例6066 1.33 0.230.910.871.140.010.03≤0.0020.880.00036070 1.43 0.210.280.680.890.010.03≤0.0020.690.0003
通過(guò)在530℃加熱2小時(shí)，水淬使鍛造的材料進(jìn)行T6熱處理，并再加熱或在175℃時(shí)效8小時(shí)。通過(guò)放大4倍的光學(xué)顯微觀察測(cè)定經(jīng)熱處理材料的晶粒直徑，具體是在沿鍛造或鐓鍛方向切取的20mm寬、6mm厚的橫截面上計(jì)算貫穿2mm長(zhǎng)水平和垂直假設(shè)線的晶粒數(shù)，并用計(jì)算的數(shù)去除總長(zhǎng)度4mm或4000μm。例如當(dāng)計(jì)算的晶粒數(shù)為20，估計(jì)晶粒直徑為200μm。為了進(jìn)行這種觀測(cè)，橫截面上的晶界通過(guò)腐蝕來(lái)顯示，使用Tucker腐蝕劑，其成分為10gHCl、15gHF、15gHNO3和25gH2O。
也進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)定抗拉強(qiáng)度，彈限強(qiáng)度和延伸率。
得到的結(jié)果列于表2。
表2合金工藝晶粒直徑抗拉強(qiáng)度0.2%彈限延伸率強(qiáng)度附注No. μm kgf/mm2kgf/mm2%1200-60043.537.815.5C2150-40044.338.517.0↓本發(fā)明3120-35043.137.817.7E4120-25043.638.117.35↓150-40041.040.06.06061F400-100033.128.820.96066250-65036.732.014.4比較例↓6070300-60036.331.511.8T66082400-50033.130.28.76120-30040.735.515.1C7120-22041.236.415.0本發(fā)明8↓120-21040.135.715.29F120-20038.036.06.06061↓250-40032.428.314.7比較例6066260-30038.031.99.2T66070300-45038.432.67.5(注) C鑄造，E擠壓，F(xiàn)鍛造 T6T6熱處理。
從表2可以看出，本發(fā)明合金No.1-4和6-8具有40kgf/mm2或更高的抗拉強(qiáng)度和15%或更大的延伸率，不論在鍛造前是否進(jìn)行擠壓。
在傳統(tǒng)合金6061、6066、6070和6082中，在犧牲延伸率的情況下，最大抗拉強(qiáng)度低到38.4kgf/mm2，如所示，合金6067具有7.5%的很小延伸率。
具有過(guò)量的Si和Mn、(Mn+Cr)含量大于1.2%(重量)的比較合金No.5具有41kgf/mm2的高抗拉強(qiáng)度，但具有6%的很小延伸率。比較合金No.9也含過(guò)量的Si、Mn和(Mn+Cr)，而其Si含量比合金No.5大得多，它呈現(xiàn)38kgf/mm2的低抗拉強(qiáng)度和6%的延伸率。
為了分別說(shuō)明(Mn+Cr)含量的單獨(dú)作用，制備表3所示的含過(guò)量(Mn+Cr)和規(guī)定含量的其他元素的比較合金No.10，制備過(guò)程是，在與上述合金同樣的條件下熔煉、鑄造、擠壓、鍛造和T6熱處理，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。從表3可以看出，具有1.28%(重量)的(Mn+Cr)含量(這大于規(guī)定的上限1.2%(重量))的合金No.10具有8.6%的低延伸率。
表3
為了進(jìn)一步搞清銅含量的影響，制備具有表4所示化學(xué)成分4種合金(No.11-14)，制備過(guò)程是，在與合金No.10同樣條件下按照相同的工藝步驟，除將97mm直徑鑄坯擠壓成20mm直徑的棒之外，然后進(jìn)行T6熱處理。將這樣制備的合金試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)。結(jié)果列于表5。
表4化學(xué)成分(重量%)合金No.SiFeCuTiMnMgZnCrBMn+Cr111.310.160.380.030.401.05 0.01≥ 0.39 0.002 0.7912 1.27 0.16 0.61 0.030.401.010.01≥0.400.0030.80131.280.160.800.030.401.03 0.01≥ 0.40 0.003 0.80141.260.161.020.030.401.01 0.01≥ 0.40 0.005 0.80注合金No.12和13的銅含量在規(guī)定范圍內(nèi)。
合金No.11和14的銅含量分別小于規(guī)定范圍的下限和大于其上限。
表5合金抗拉強(qiáng)度0.2%彈延伸率平均腐蝕坑深度No. kgf/mm2限強(qiáng)度 % (μm)kgf/mm2500小時(shí)1000小時(shí)1139.736.815.482.195.01242.939.515.088.9105.81343.840.314.992.5126.61444.641.314.1115.4197.7注1在1000小時(shí)鹽霧試驗(yàn)中平均腐蝕坑深度大于150μm是疲勞強(qiáng)度降低的象征，這有害于汽車底座組裝的部件。
注2試片是用保持35℃的3.5%NaCl溶液進(jìn)行連續(xù)噴霧，噴霧后顯微觀察試片表面。
從表5可以看出，銅含量必須等于或大于0.4%(重量)，以保證40kgf/mm2或更高的抗拉強(qiáng)度，但必須等于或小于0.9%(重量)，以保護(hù)良好的抗腐蝕性，就此而言，例如在1000小時(shí)鹽霧試驗(yàn)中平均腐坑深度小于150μm。
如上所述，本發(fā)明提供一種具有Mg2Si沉淀相賦予高強(qiáng)度的Al-Mg-Si鋁基合金，在該合金中，系統(tǒng)控制合金化元素，例如Cu、Cr、Mn和Zr的含量，以抑制塑性加工和熱處理過(guò)程中的晶粒粗化，否則就會(huì)發(fā)生晶粒粗化，從而改進(jìn)機(jī)械性能，例如抗拉強(qiáng)度，彈限強(qiáng)度和延伸率，以致于該合金能用于汽車和其他車輛的零件和機(jī)械的結(jié)構(gòu)件。
權(quán)利要求
1.一種鋁合金，其成分(重量%)為Si1.0-1.5，Cu0.4-0.9，Mn0.2-0.6，Mg0.8-1.5，Cr0.3-0.9，Ti0.003-0.05，B0.0001-0.01，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；Mn和Cr含量之和不大于1.2%(重量)，作為不可避免的雜質(zhì)之一的Fe含量不大于0.2%(重量)。
2.一種按照權(quán)利要求1所述的鋁合金，當(dāng)進(jìn)行塑性成形、固溶熱處理和提供最高強(qiáng)度的時(shí)效時(shí)，它具有40kgf/mm2或更高的的抗拉強(qiáng)度和15%或更大的延伸率。
3.一種由鋁合金構(gòu)成的塑性成形制品，該鋁合金成分(重量%)為Si1.0-1.5，Cu0.4-0.9，Mn0.2-0.6，Mg0.8-1.5，Cr0.3-0.9，Ti0.03-0.05，B0.0001-0.01，余量為Al和不可避免的雜質(zhì);Mn和Cr含量之和不大于1.2%(重量)，作為不可避免的雜質(zhì)之一的Fe含量不大于0.2%(重量)。
4.一種鋁合金，其成分(重量%)為Si1.0-1.5，Cu0.4-0.9，Mn0.2-0.6，Mg0.8-1.5，Cr0.3-0.9，Ti0.03-0.05，Zr0.1-0.2，B0.0001-0.01，余量為Al和不可避免的雜質(zhì);Mn和Cr含量之和不大于1.2%(重量)，作為不可避免的雜質(zhì)之一的Fe含量不大于0.2%(重量)。
5.一種按照權(quán)利要求4所述的鋁合金，當(dāng)進(jìn)行塑性成形，固溶熱處理和提供最高強(qiáng)度的時(shí)效時(shí)，它具有40kgf/mm2或更高的抗拉強(qiáng)度和15%或更大的延伸率。
6.一種由鋁合金構(gòu)成的塑性成形制品，該鋁合金成分(重量%)為Si1.0-1.5，Cu0.4-0.9，Mn0.2-0.6，Mg0.8-1.5，Cr0.3-0.9，Ti0.03-0.05，Zr0.1-0.2，B0.0001-0.01，余量為Al和不可避免的雜質(zhì);Mn和Cr含量之和不大于1.2%(重量)，作為不可避免的雜質(zhì)之一的Fe含量不大于0.2%(重量)。
全文摘要
一種鋁合金，其成分(重量％)為Si1.0—1.5，Cu0.4—0.9，Mn0.2—0.6，Mg0.8—1.5，Cr0.3—0.9，Ti0.03—0.05，B0.0001—0.01，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)；Mn和Cr含量之和不大于1.2(重量)，作為不可避免的雜質(zhì)之一的Fe含量不大于0.2％(重量)。該合金可進(jìn)一步含Zr0.1—0.2％(重量)，以促進(jìn)晶粒細(xì)化，當(dāng)進(jìn)行塑性成型，固溶熱處理和提供最高強(qiáng)度的時(shí)效時(shí)，該合金具有40kgf/mm
文檔編號(hào)C22C21/02GK1071970SQ9211087
公開(kāi)日1993年5月12日 申請(qǐng)日期1992年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月28日
發(fā)明者神尾一, 山田達(dá), 土屋健二 申請(qǐng)人:日本輕金屬株式會(huì)社, 株式會(huì)社日輕技研