CN100371483C - 塑性加工用铝合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供可以用作自行车部件、钓鱼用具、高尔夫用具或船形雪橇等高性能构件的高拉伸强度、高杨氏模量及高延展性的塑性加工用铝合金及其制造方法。将在包含Si：0.4～2.0重量%、Mg：0.4～2.0重量%和合计0.5～2.0重量%的选自Fe、Mn、Cr中的一种或一种以上，余量是不可避免地含有杂质的Al构成的铝合金粉末中，混合10～25重量%的氧化铝所得的混合粉末在室温下加压成形，将该成形体在200～450℃真空脱气，进一步将在500～600℃的高温下烧结的成形体加压烧结，之后进行锻造加工，得到室温下的杨氏模量在80GPa或以上，水淬处理后的室温拉伸强度是300MPa或以上，且延伸率是5%或以上的成品结构构件。
Description
技术领域
本发明涉及可以用作例如自行车部件、钓鱼用具、高尔夫用具或船形雪橇(スノ一ボ一ド)等高性能构件的高拉伸强度、高杨氏模量及高延展性的塑性加工用铝合金及其制造方法。
背景技术
近年，进行了在通过急冷凝固法得到的铝合金粉末中添加陶瓷并使之分散，试图使其特性，特别是刚性提高的尝试。例如，对Al-高Si系、Al-Fe-Mo系、Al-Cu系、Al-Si-Mg系或Al-Zn-Mg系的组成进行了研究(例如参照专利文献1)。
另外，将铝合金进行挤出或锻造等热成形加工时，在这之前在低温下，在压粉成形得到的粉末成形体的内部或表面含有水合物或空气，就这样直接进行热加工的话，在热加工时或之后的热处理工序中会发生起泡(膨胀)等缺陷。因此，为了不发生缺陷，通常在热加工之前进行脱气。
[专利文献1]日本专利第2546660号公报(权利要求书)
发明内容
但是，在现有的铝合金中，有以下问题，不能充分地得到用作例如自行车部件、钓鱼用具、高尔夫用具或船形雪橇等高性能构件的高拉伸强度、高杨氏模量及高延展性。
鉴于上述情况，本发明以提供可以用作例如自行车部件、钓鱼用具、高尔夫用具或船形雪橇等高性能构件的高拉伸强度、高杨氏模量及高延展性的塑性加工用铝合金及其制造方法为课题。
为了解决上述课题，第1发明其特征在于，是将包含Si：0.4～2.0重量％、Mg：0.4～2.0重量％、合计0.5～2.0重量％的选自Fe、Mn、Cr中的一种或一种以上，和余量是不可避免地含有杂质的Al构成的铝合金粉末和10～25重量％氧化铝混合而形成的固化成形材料，其室温下的杨氏模量为80GPa或以上，水淬处理后的室温拉伸强度是300MPa或以上，且延伸率是5％或以上。
第2发明其特征在于，在第1发明所述的塑性加工用铝合金中，上述铝合金粉末是含有Si：0.4～2.0重量％、Mg：0.4～2.0重量％、Fe：0.10～0.3重量％、Mn：0.05～0.6重量％、Cr：0.05～0.6重量％的Al合金粉末。
在此，Si的添加量为0.4～2.0重量％是因为，添加的Si与Mg形成化合物Mg2Si，为使铝基体在热处理后的强度为300MPa或以上，最低添加0.4重量％是必要的，Si的添加量如果超过2.0重量％，不能得到5％或以上的延伸率，给锻造加工带来困难。
另外，Mg的添加量为0.4～2.0重量％是因为，为了提高热处理后的强度，添加的Mg与Si形成化合物Mg2Si是必要的，为了得到300MPa或以上的拉伸强度，最低添加0.4重量％是必要的，Mg的添加量如果超过2.0重量％，塑性加工性降低。
Fe与Si形成化合物Al-Fe-Si，可以降低剩余Si的负面影响，即，使延伸率降低。Fe的添加量为0.10～0.3重量％是因为，添加量不足0.10重量％时，没有雾化粉的组织微细化效果，添加量如果超过0.3重量％，导致延伸率的降低。
通过适量添加Mn和Cr有抑制固热加工而产生的组织粗化的效果。Mn和Cr的添加量分别为0.05～0.6重量％是因为，不足0.05重量％时，没有上述效果，添加量如果超过0.6重量％，会使延展性降低。
另外，氧化铝的添加量为10～25重量％是为了提高杨氏模量和耐磨性，如果添加量不足10重量％则杨氏模量降低，如果超过25％则延伸率降低。
第3发明，其特征在于，在第1和第2发明的塑性加工用铝合金中，上述铝合金粉末的平均粒径是10～150μm，氧化铝的平均粒径是5～20μm。
在此，铝合金粉末的平均粒径为10～150μm是因为，不足10μm引起铝合金粉末之间的凝聚，与氧化铝均匀混合变得困难，强度和延伸率的偏差变大，给塑性加工性带来困难，如果超过150μm，粗粒子变多，氧化铝的均匀分散变得困难，强度和延伸率的偏差变大，给塑性加工性带来困难。
另外，氧化铝的平均粒径为5～20μm是因为，氧化铝用于提高杨氏模量和耐磨性，平均粒径不足5μm时，不能均匀地混合，如果超过20μm，粗大的氧化铝粒子变多，使延伸率和塑性加工性降低。
第4发明是上述塑性加工用铝合金的制造方法，其特征在于，将在由Si：0.4～2.0重量％、Mg：0.4～2.0重量％、合计0.5～2.0重量％的选自Fe、Mn、Cr中的一种或一种以上，余量是包含不可避免的杂质的Al构成的铝合金粉末中，混合10～25重量％的氧化铝所得的混合粉末在室温下加压成形，将该成形体在200～450℃真空脱气，进一步地，将在500～600℃的高温下烧结的成形体加压烧结，之后，进行锻造加工，得到室温下的杨氏模量在80GPa或以上，水淬处理后的室温拉伸强度是300MPa或以上，且延伸率是5％或以上的不发生起泡的成品结构构件。
根据本发明，可以得到下述塑性加工用铝合金，其可以用作自行车部件、钓鱼用具、高尔夫用具或船形雪橇等高性能构件，具有高拉伸强度、高杨氏模量，相对于现有制品氧化铝的含量即使是10重量％，延伸率也不足5％，本发明中氧化铝的含量即使是10重量％以上，延伸率也达到5％，具有优异的延展性，适当的塑性加工性。另外，抑制脱气后气体的再吸附，不发生起泡(膨胀)等加工缺陷。
具体实施方式
以下，参照图1详细说明本发明涉及的塑性加工用铝合金的制造方法的最佳实施方式。
首先，按重量％(以下仅以％表示)，制备包含Si：0.4～2.0％(例如0.8％)、Mg：0.4～2.0％(例如1.0％)和合计0.5～2.0％的选自Fe、Mn、Cr中的一种或一种以上(例如Fe：0.15％、Mn：0.05％、Cr：0.3％)，余量是包含不可避免的杂质的Al构成的铝合金急冷凝固粉末(工序1-1，铝合金粉末制备工序)。作为制备急冷凝固粉末的方法，可以按照喷雾法、超急冷凝固法(メルトスピニング法)、转盘法、旋转电极法等公知的制造方法进行，从适合于工业生产方面考虑，优选喷雾法(特别是高压气体喷雾法(ガスアトマイズ法))。另外，制备该铝合金粉末时，考虑到均匀地混合、强度和延伸率的偏差，优选铝合金粉末的平均粒径是10～150μm。其理由是因为，铝合金粉末的平均粒径不足10μm时，就会在铝合金粉末之间引起凝聚，使与氧化铝均匀混合变得困难，另外，铝合金粉末的平均粒径超过150μm时，粗粒子增多，氧化铝的均匀分散变得困难，强度和延伸率的偏差增大，给塑性加工性带来困难。
接下来，在上述铝合金急冷凝固粉末中，将平均粒径是5～20μm(例如15μm)的氧化铝(Al2O3)在球形磨中以10～25％(例如15％)的量混合分散得到混合粉末，将该混合粉末经冷等压成形(CIP)临时成形(工序1-2，加压成形工序)。在此，Al2O3的平均粒径为5～20μm的理由是因为平均粒径不足5μm时，均匀混合变得困难，超过20μm时，粗Al2O3增多，使延伸率和塑性加工性降低。
接着，将临时成形的混合粉末通过抽真空进行脱气处理(工序1-3，脱气处理工序)。脱气处理在加热下进行易除去气体，也进行部分烧结，因此在200～450℃进行真空脱气。炉内温度如果超过200℃，能除去在临时成形体中吸收的空气或水分，炉内温度如果超过300℃，能分解除去水合物。这些现象即使在450℃以上也发生，但临时成形体的温度如果超过450℃就会引起烧结，堵塞了除去空气、水分的临时成形体内部粉末间的间隙。因此，本发明为了在烧结开始前充分进行脱气，在炉内温度400℃的炉内将成形体保持1～6小时(例如1.5小时)。
接着，进一步地，将在500～600℃(例如550℃)的高温下保持1～6小时(例如4小时)的烧结成形体，通过热挤压或热轧加压烧结(工序1-4，加压烧结工序)。在该加压烧结工序中，温度不足500℃时，覆盖在粉末表面的氧化物等对烧结有干扰，烧结速度变缓，使烧结基本不进行，因此优选在上述温度(550℃)以上进行加热。如果在该温度(550℃)以上，粉末本身变松软，表面的一部分熔融。熔融后得到的熔融液从覆盖在粉末表面的氧化物等的裂缝等中渗出，填埋在粉末间的缝隙中，使烧结快速进行。另外，如果保持在超过600℃的温度下，引起合金粉末的熔融，会显著降低热加工材料的机械特性。另外，如果保持时间比1小时短，不能充分进行烧结，因此保持时间在1小时以上是必要的。相反的，如果保持时间比6小时长，引起合金粉末中的晶析物的粗化，使热加工材料的机械性质降低。因此，优选保持时间为1～6小时。
加压烧结后，进行锻造加工得到成品的结构构件(工序1-5，锻造加工工序)。
附图说明
图1表示本发明的塑性加工用铝合金制造方法的工序流程图。
实施例
以下，对经过上述工序得到的成品结构部件塑性加工用铝合金的特性和表面观察的实验进行说明。
首先，用高压气体喷雾法制造(制备)含有表1中所示成分的元素和Al2O3的铝合金急冷凝固粉末。将得到的铝合金粉末进行冷等压成形，形成直径325nm的坯段。将得到的坯段在真空炉中380℃温度下保持1小时，进行脱气处理，之后将在560℃的高温(但是，表1的No.20和No.21仅是480℃)下烧结2小时的成形体冷却至常温后，通过感应加热加热至500℃，用圆辊挤出加压，水淬(T6)处理，即在540℃下保持2小时后水冷，在180℃下进行6小时人工时效处理，得到的结果如表2所示。
表1
(单位：重量％)
| NO | 铝合金粉末 | Al2O3 | 烧结温度℃ | ||||||||
| Si | Mg | Fe | Mn | Cr | Al | 平均粒径μm | Al2O3 | 平均粒径μm | |||
| 本发明合金 | 1 | 2.0 | 0.4 | 0.3 | 0.6 | 0.6 | 余量 | 150 | 25 | 20 | 560 |
| 2 | 1.0 | 2.0 | 0.2 | 0.3 | 0.05 | 余量 | 80 | 15 | 10 | 560 | |
| 3 | 0.4 | 1.5 | 0.1 | 0.05 | 0.3 | 余量 | 10 | 10 | 5 | 560 | |
| 4 | 0.8 | 1.0 | 0.15 | 0.05 | 0.3 | 余量 | 100 | 15 | 15 | 560 | |
| 比较合金 | 5 | 1.0 | 1.0 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 30 | 10 | 560 |
| 6 | 1.0 | 1.0 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 5 | 10 | 560 | |
| 7 | 1.0 | 1.0 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 25 | 560 | |
| 8 | 1.0 | 1.0 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 200 | 20 | 10 | 560 | |
| 9 | 1.0 | 1.0 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 5 | 20 | 10 | 560 | |
| 10 | 0.2 | 1.5 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 11 | 1.5 | 0.2 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 12 | 1.0 | 1.0 | 0.05 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 13 | 1.0 | 1.0 | 0.2 | 0.04 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 14 | 1.0 | 1.0 | 0.2 | 0.5 | 0.04 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 15 | 2.5 | 1.0 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 16 | 1.0 | 2.5 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 17 | 1.0 | 1.0 | 0.4 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 18 | 1.0 | 1.0 | 0.2 | 0.8 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 19 | 1.0 | 1.0 | 0.2 | 0.5 | 0.8 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 20 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 21 | 2.5 | 2.5 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 560 | |
| 22 | 1.0 | 1.0 | 0.5 | 0.8 | 0.8 | 余量 | 80 | 20 | 10 | 480 | |
| 23 | 1.0 | 2.0 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 余量 | 80 | 10 | 10 | 480 | |
表2
| NO | 拉伸强度(MPa) | 延伸率(％) | 杨氏模量(GPa) | 有无起泡 | |
| 本发明合金 | 1 | 305 | 6.8 | 85 | ○ |
| 2 | 350 | 5.2 | 87 | ○ | |
| 3 | 320 | 7.5 | 80 | ○ | |
| 4 | 367 | 8.5 | 86.5 | ○ | |
| 比较合金 | 5 | 340 | 1.8 | 88 | ○ |
| 6 | 335 | 5.2 | 75～86 | ○ | |
| 7 | 350 | 3.4 | 82 | ○ | |
| 8 | 330 | 2.5 | 79 | ○ | |
| 9 | 290～340 | 3～5 | 74～82 | ○ | |
| 10 | 280 | 4.2 | 82 | ○ | |
| 11 | 250 | 4.6 | 78 | ○ | |
| 12 | 290 | 4.0 | 82 | ○ | |
| 13 | 305 | 4.8 | 82 | ○ | |
| 14 | 320 | 4.7 | 81 | ○ | |
| 15 | 335 | 2.8 | 84 | ○ | |
| 16 | 340 | 3.2 | 80 | ○ | |
| 17 | 310 | 3.5 | 80 | ○ | |
| 18 | 325 | 2.8 | 83 | ○ | |
| 19 | 330 | 3.6 | 83 | ○ | |
| 20 | 240 | 4.5 | 75 | ○ | |
| 21 | 350 | 2.2 | 82 | ○ | |
| 22 | 280 | 3.9 | 76 | × | |
| 23 | 290 | 4.8 | 75 | × |
*关于“有无起泡”，完全没有起泡的表示为“○”，发生起泡的表示为“×”。
*氧化铝径、铝合金粉末径小时(NO.6，No.9)，偏差变大，使平均特性值降低。
上述实验结果，本发明合金(No.1～No.4)显示足够高的拉伸强度、杨氏模量和延伸率，拉伸强度是305～367MPa，杨氏模量是80～87GPa，延伸率是5.2～8.5％。进而在脱气后也可以抑制气体的再吸附，可以得到不发生起泡等加工缺陷的塑性加工用铝合金。与此相对，比较合金中(No.5～No.23)铝合金粉末和Al2O3成分量与平均粒径以及烧结温度不合适，因此可判断可能是拉伸强度、杨氏模量和延伸率不足，偏差变大或发生起泡。
因此，在按重量％(以下同)计，通过在由Si：0.4～2.0％、Mg：0.4～2.0％和合计0.5～2.0％的选自Fe、Mn、Cr中的一种或一种以上(具体地Fe：0.10～0.3％、Mn：0.05～0.6％、Cr：0.05～0.6％)、余量是包含不可避免的杂质的A1构成的铝合金粉末中，分散Al2O310～25％，可以得到室温下的杨氏模量是80GPa或以上，水淬处理后的室温拉伸强度是300MPa或以上，且延伸率是5％或以上，不发生起泡的塑性加工用铝合金。
Claims (4)
1.一种塑性加工用铝合金，其特征在于，所述塑性加工用铝合金是将含有Si：0.4～2.0重量％、Mg：0.4～2.0重量％和合计0.5～2.0重量％的选自Fe、Mn、Cr中的一种或一种以上、余量是不可避免地含有杂质的Al构成的铝合金粉末和以铝合金粉末为基准的10～25重量％的氧化铝混合而形成的固化成形材料，其室温下的杨氏模量是80GPa或以上，水淬处理后的室温拉伸强度是300MPa或以上，且延伸率是5％或以上.
2.如权利要求1所述塑性加工用铝合金，其特征在于，所述铝合金粉末是包含Si：0.4～2.0重量％、Mg：0.4～2.0重量％、Fe：0.10～0.3重量％、Mn：0.05～0.6重量％、Cr：0.05～0.6重量％的Al合金粉末。
3.如权利要求1或2所述塑性加工用铝合金，其特征在于，所述铝合金粉末的平均粒径是10～150μm，氧化铝的平均粒径是5～20μm。
4.一种塑性加工用铝合金的制造方法，其特征在于，将在包含Si：0.4～2.0重量％、Mg：0.4～2.0重量％和合计0.5～2.0重量％的选自Fe、Mn、Cr中的一种或一种以上，余量是不可避免地含有杂质的Al构成的铝合金粉末中，混合以铝合金粉末为基准的10～25重量％的氧化铝所得的混合粉末在室温下加压成形，将该成形体在200～450℃真空脱气，进一步将在500～600℃的高温下烧结的成形体加压烧结，然后进行锻造加工，得到室温下的杨氏模量为80GPa或以上，水淬处理后的室温拉伸强度是300MPa或以上，且延伸率是5％或以上的成品结构构件。
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