CN101278067B - 模压淬火铝合金6020的方法 - Google Patents
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Abstract
一种模压淬火6020铝合金的方法，包括如下步骤：提供基本组成如下的6020铝合金的锭料或坯料：约0.5％到约0.6％的硅、约0.7％到约0.8％的镁、约0.55％到约0.65％的铜、约0.35％到约0.45％的铁、约0.01％到约0.04％的锰、约1.05％约到1.15％的锡和约0.04％到约0.06％的铬；均匀化所述坯料；冷却所述坯料；再加热所述坯料；挤压所述坯料；淬火所述挤压件；和人工时效所述挤压件。该合金具有提高的生产率、强度和机械加工性能，并且可以被用作含铅合金6262-T6的直接替代物。
Description
发明领域
本发明涉及一种模压淬火6XXX系列铝合金、优选铝合金6020的方法。这种经过模压淬火的铝合金可以被用作含铅合金6262-T6的直接替代物，从而解决了可能引起的任何环境问题。
发明背景
铝合金6020在1992年被开发出用于具有良好机械加工性能的冷加工产品。冷加工产品包括线材、杆材和棒材应用，这些已用于汽车工业和商业中。可将机械加工性能定义为材料可以被机械加工的相对容易性。机械加工处理包括例如粗加工、精加工和研磨这样的处理。良好的机械加工性能是难以测量的，但是一种已被使用了一段时间的评定体系基于字母等级对机械加工性能进行分类，“A”级是机械加工性能为最好，随后是“B”、“C”、“D”和“E”级，该体系考虑到下面的特性：
(1)切屑(chip)尺寸。较小的切屑尺寸比较大的切屑更被期望，因为这样的切屑使机械加工操作简化而且有利于从刀具工件接触面的更有效的热量排出。切屑不能太小，否则在例如通过钻孔或者切削的整个机械加工操作过程中它们会妨碍润滑剂的循环。相比之下，长而细的切屑易于自卷而非破裂。这样的切屑(有时被称为卷边)可能需要手动从机械加工区域除去，并且在散热方面没有较小的切屑有效，因为较大的切屑容易阻挡冷却润滑剂。
(2)刀具磨损。较低的刀具磨损率是期望的，以便通过增加刀具在超过指定工件的规定容限之前可使用的时间量而节省费用。较低的刀具磨损率还通过减少由于刀具更换引起的停工时间而提高生产率。
(3)表面光洁度。在刚机械加工状态下表现出非常平滑的外部表面光洁度的合金是更期望的，以消除或减少对随后的表面精加工操作(例如研磨和去毛刺)的需要。
(4)机械加工力。较低的机械加工力是更期望的，以便：减少功率要求以及在工件、刀具和刀头中产生的摩擦热的量；或者增加可以通过相同的功率需求实现的机械加工或金属去除量；以及
(5)机械和腐蚀性能。诸如强度的机械特性或者诸如抗腐蚀性的其它性能，对于机械加工性能可以是“可选的”。它们也可以是相当重要的，这取决于被机械加工的工件的预期最终用途。
虽然这种从“A”到“E”的评定体系是基于上文讨论的五种参数，但是对于任何给定的合金，每种参数的相对重要性根据预期最终用途而变化。
由于环境原因而希望将铅从合金中去除，这促使了铝合金6020的开发。曾期望将该合金扩展到模压淬火产品以便同样解决与模压淬火铝合金6262-T6相关的环境问题。模压淬火产品是如下从升高的变形挤压温度快速冷却的产品，通过浸入液体浴(例如油或水)以便快速从产品中提取热量。也可以使用空气作为液体的替代物。淬火的目的是抑制相转变从而获得提高的硬度或其它期望的性能。淬火的激烈程度取决于液体或空气从金属快速提取热的能力，这进而取决于其它因素，例如液体或空气的蒸发潜热、热导率、比热和粘性。
将6020扩展到模压淬火产品的尝试遇到了几个问题。一个问题是，在坯料再加热过程中镁(Mg)与锡(Sn)结合，导致低的强度(例如拉伸强度)，以及差的机械加工性。拉伸强度是产品对趋于将其拉开的力的抵抗性，以产品可以承受而不断裂的最大张力度量。当挤压铝合金产品例如坯料或锭料时，首先将其再加热到并保持在高于析出相在铝基体中的溶解温度(solubility temperature)的合金温度下，例如在由Al-Mg-Si合金制成的坯料中镁(Mg)-硅(Si)相的溶解温度，直到这些相溶解。产品然后被快速冷却或淬火到期望的挤压温度，以防止这些相在合金组织中的新析出。在426.67℃(800°F)到493.33℃(920°F)之间的温度，镁与锡快速结合形成镁锡。高于493.33℃(920°F)时，镁和锡不结合并且实际上将彼此分离。低于426.67℃(800°F)时，反应缓慢，并且在坯料再加热过程中典型没有足够的时间容许这两种元素充分结合。模压淬火6020合金的期望产品形式是杆材、棒材和线材应用。对于这种性质的模压淬火产品，典型使用440.56-482.22℃(825-900°F)的坯料温度。如上文所述，该温度范围将不允许合金6020在模压淬火产品中实现可接受的机械加工性。
此外，遇到的其它问题有：当克服这种镁-锡结合问题时与6262相比生产率低，并且在销售限度内缺少优化的组成。在挤压中，坯料温度越高，可以实现的挤压速度就越慢。正如所述，先前对于例如6262的合金的优选坯料温度范围是426.67-493.33℃(800-920°F)。如前面提到的，这些温度导致对于6020合金而言无法接受的机械加工性能。到达更高的坯料温度导致挤压生产率的严重损失。此外，对于模压淬火产品来说，组成未被优化。发现更高的镁水平导致机械加工性能的更大劣化。更高的镁水平提供更高的驱动力促使在低于约493.33℃(920°F)下Mg2Sn的形成。为了抵消这种效应，镁水平被朝向销售限度的较低侧优化。此外，锡水平被最大化以保持较高体积分数的期望Sn相，该Sn相提供了6020的有利的机械加工特性。但是，对于较低的镁水平，最终产品的强度受到危害。为了抵消这种危害，Si水平被朝向销售限度的更高侧优化。
本发明的主要目的是提供可模压淬火的基本不含铅的合金。
本发明的另一个目的是提供具有提高的挤压生产率和良好的机械性能和机械加工性能的模压淬火合金。
本发明的另一个目的是提供可用作含铅合金6262-T6的直接替代物的模压淬火合金。
发明概述
本发明涉及一种制造模压淬火的6020铝合金产品的方法。该方法包括如下步骤：(a)提供基本组成如下的6020铝合金的锭料或坯料：约0.5％到约0.6％的硅、约0.7％到约0.8％的镁、约0.55％到约0.65％的铜、约0.35％到约0.45％的铁、约0.01％到约0.04％的锰、约1.05％约到1.15％的锡、约0.04％到约0.06％的铬、不多于0.034％的铅、余量主要为铝和偶存的元素和杂质；(b)于优选为551.67℃(1025°F)到565.56℃(1050°F)的温度均匀化坯料持续四小时的时段；(c)以约每小时约204.44℃(400°F)的冷却速率冷却均匀化的坯料；(d)将坯料再加热到优选为约412.78℃(775°F)到约426.67℃(800°F)的温度，优选持续少于约五分钟；(e)以优选约0.762m/s(150fpm)到约0.889m/s(175fpm)范围内的速度挤压该坯料，并且出口温度优选为537.78℃(1000°F)到546.11℃(1015°F)；(f)将挤压件淬火到约93.33℃(200°F)到约176.67℃(350°F)的出口温度；(g)将挤压件伸展至少约1％；和(h)在171.11℃(340°F)到179.44℃(355°F)范围的温度下人工时效该挤压件持续约8小时的时段。
在上述方法之后产生优选适用于杆材、棒材和线材应用的模压淬火6020铝合金。该合金具有提高的生产率、强度和机械加工性能，并且可以被用作含铅合金6262T-6的直接替代物。
附图简述
图1示出了坯料再加热时间和温度对极限拉伸强度的影响。
图2示出了坯料再加热时间和温度对拉伸屈服强度的影响。
图3示出了坯料再加热温度和时间对机械加工性能的影响。
图4示出了Sn相的DSC峰值区与机械加工性能的关系。
图5示出了平均屈服强度与挤压速度和位置的关系。
图6示出了出口温度与坯料位置和挤压速度关系的一组曲线。
优选实施方案详述
本发明的模压淬火6020合金含有硅、镁、铜、铁、锰、铬和锡。硅含量范围优选为约0.5％到约0.6％，本文中所有的百分比都是重量百分比。镁优选的存在量是约0.7％到约0.8％。据认为将镁保持在该范围内会产生具有改善的机械加工性能的坯料。除了硅和镁各自的百分比之外，在实施本发明时硅的存在量优选超过以Mg2Si被理论消耗的量。但是，同样重要的是该过量程度应是相对轻微的。这主要是通过将镁的量控制为超过硅量约0.1％至约0.3％来实现，然而在组成窗口的镁(Mg)最高-硅(Si)最低的角落中轻微的镁过量是容许的。这个关系的重要性在于提供高的屈服和拉伸强度。将硅的过量限制为小的过量使得能够将这种强度与改善的韧度和抗冲压性结合。铜的存在量优选为约0.55％到约0.65％。铁的存在量为约0.35％到约0.45％。锰量的范围是约0.01％到约0.04％，优选量为约0.02％。锡的存在范围为约1.05％到约1.15％，优选量为约1.10％。铬的优选存在范围为约0.04％到约0.06％。认为铬和镁接近于零水平对于获得细晶粒尺寸是最为期望的。
在实施本发明时，重要的是坯料应该经受非常高的预加热或均匀化温度持续约四小时的时段，例如约548.89℃(1020°F)到约576.67℃(1070°F)，优选约551.67℃(1025°F)到约565.56℃(1050°F)。通过用于加热坯料的任何方法预加热坯料，但是对于本发明，使用电炉。在该温度范围内，锡(Sn)相粗化的的可能性被最小化。粗化是Sn相生长成不期望的尺寸，这导致可能不利影响机械加工性能的分布(每单位体积的颗粒)。使锡相粗化最小化产生具有更高拉伸性能和更期望的机械加工性能的挤压件，所述拉伸性能是例如拉伸强度(TS)、拉伸屈服强度(TYS)和极限拉伸强度(UTS)。对于本发明，前面提到的拉伸强度可以被定义为材料在断裂之前其可以承受的最大应力的量。此外，拉伸屈服强度可以被定义为如下点：在该点下材料的变形不可恢复，并且外力(例如应力)产生的功不以弹性能量被存储而是将导致收缩、裂纹和最终的结构破坏，而极限拉伸强度是材料实际断裂时的极限应力。
然后以约每小时约204.44℃(400°F)的冷却速率冷却坯料。通过将均匀化的锭料装料放入专门设计的冷却室中来实现冷却，该冷却室迫使空气或其它冷却介质穿过坯料以便实现冷却速率。该冷却速率使可能负面影响机械加工性能的镁锡(Mg2Sn)的形成最小化。然后，坯料被再加热到约315.56℃(600°F)到约482.22℃(900°F)，优选约412.78℃(775°F)到约426.67℃(800°F)范围内的温度。坯料被再加热少于约三十分钟，优选少于约五分钟。可以使用任何方法再加热坯料，但是对于本发明，通过使用煤气炉(gas furnace)和电炉来再加热坯料。图1-4示出在该优选温度下再加热坯料并持续该时间量产生最高的强度和最好的机械加工性能。图1和2示出了坯料温度和时间对极限拉伸强度和拉伸屈服强度的影响。从这些图可以清楚，较长的保持时间导致强度的降低。此外，454.44℃(850°F)导致比426.67℃(800°F)或482.22℃(900°F)再加热温度更低的强度。对于下文将描述的，将坯料再加热至426.67℃(800°F)或以下的温度，增加了在离开挤压时获得510℃到523.89℃(950°F到975°F)的优选坯料出口温度的机会。极限拉伸强度优选至少约282.687MPa[41千磅每平方英寸(ksi)]，而拉伸屈服强度优选至少约241.318MPa(35ksi)。
除了拉伸性能，还对挤压件进行机械加工性能的评价。图3示出了坯料再加热温度和时间对机械加工性能的影响。从该图观察到，较长的保持时间和454.44℃(850°F)的再加热温度对机械加工性能是有害的。大体上，426.67℃(800°F)坯料再加热持续少于约5分钟的保持时间产生最好的机械加工性能。为了理解显微组织中什么受到各种坯料再加热条件的影响，进行差式扫描量热测量(DSC)。DSC是在材料的加热或冷却过程中每单位质量的能量消耗或释放的精确测量。可以通过该技术检测相转变，例如前面提到的Sn到Mg2Sn，并且能量变化量是相的存在体积分数的函数。图4示出了锡(Sn)相的DSC峰值区与机械加工性能结果的关系。这里可以观察到，当在约426.67℃(800°F)下再加热坯料持续少于约5分钟时出现的较大的峰值区导致改善的机械加工性能。但是，C+级和A级之间的峰值区差别小，再次表明显微组织的差别微小。
在挤压之前，将坯料放入容器中，该容器具有约398.89℃(750°F)的温度。对于本发明，使用挤压模压容器。然后通过直接或间接挤压对坯料进行挤压。直接挤压是其中压模保持固定而移动的臂或压头驱使坯料穿过压模的过程。间接挤压是其中坯料保持固定而压模对着坯料运动产生金属流过压模所需的压力的过程。对于本发明，直接挤压是优选的。压模可以是用于挤压合金的任何类型的压模。对于本发明，使用单孔平端面压模。使用单孔压模实现了更高的挤压比，因为其具有更好的机会来从坯料“破坏”和重新分布粗化的锡相。挤压比是坯料横截面面积与挤压件横截面面积的比值。使用平端面或浅腔(shallow pocket)压模可防止大的发热并避免有害的速度。平端面压模和浅腔压模不具有在金属流经压模开口时允许将两个挤压件焊接在一起的焊接槽口。这在金属流经压模开口时产生更小的功和更少的热积聚。以能够实现510℃到546.11℃(950°F到1015°F)、优选537.78-546.11℃(1000-1015°F)的出口温度的速度进行挤压。基于在约498.89℃(930°F)开始的锡(Sn)到镁锡(Mg2Sn)的转变，优选地出口温度应该高于510℃(950°F)。但是，基于使已经在从锭料均匀化冷却的过程中或者在坯料再加热过程中发生的Sn到Mg2Sn的任何转变回复的观点，约537.78℃(1000°F)的温度是更加期望的。
以英尺每分钟(fpm)测量速度，且速度范围是从约0.762m/s(150fpm)到约0.889m/s(175fpm)，优选的速度为约0.889m/s(175fpm)。图5绘出了屈服强度与挤压速度和位置的关系曲线。这证实性能是从前部向后部增加的。因为对于给定的挤压速度和温度条件组出口温度从前部向后部增加，因此低的前端性能是低挤压出口温度的结果。图6中的坐标图示出了出口温度与坯料位置和挤压速度关系的一组推测性曲线。产品速度以0.127m/s(25fpm)的增量从0.508m/s(100fpm)到1.016m/s(200fpm)变化。基于该曲线图，由于前端出口温度高于优选的950°F温度，因此约0.762m/s(150fpm)到约0.889m/s(175fpm)的速度将在挤压件前端产生边缘性能。由于前面讨论的原因，高于510℃(950°F)且优选约537.78℃(1000°F)的出口温度是期望的以实现最大性能。
一旦坯料已经被挤压，然后对挤压件进行淬火。对于本发明，通过使用驻波水淬法对挤压件进行淬火。驻波是长度几英尺而高度足以完全浸没挤压件的水墙。使用泵和管来产生所述波以及提供冷却水的持续补充。但是，可以使用对挤压件进行淬火的任何方法，例如空气淬火。挤压件被淬火时的速度可以是高达约1.016m/s(200fpm)的速度，但是约0.762m/s(150fpm)左右的速度是优选的。在离开淬火时，挤压件优选处在低于约204.44℃(400°F)的温度。为了实现所要求的强度水平必须达到低于约204.44℃(400°F)。在挤压被淬火之后，然后将其伸展至少约1％。对于本发明，使用挤压伸展机。但是，也可以使用其它装置来伸展挤压件。将挤压件伸展这个百分比增加了挤压件的可生产性(producability)。最后，优选在约171.11℃(340°F)到约179.44℃(355°F)下对挤压件进行人工时效持续约8小时。典型地但是不限于在分批式时效炉中进行人工时效。在分批式炉中将挤压件加热到上面列出的温度。该过程是实现要求强度所需的最后处理步骤。该过程依赖于正确进行所有前面的处理步骤。
在上面概述的方法之后将产生显示出良好强度和伸长率的细晶粒、完全再结晶、模压淬火的产品。它显然能够满足6262-T6性能最低限度，同时具有良好的模压生产率。
已经描述了当前优选的实施方案，应当理解还可以在所附权利要求的范围内以其它方式实施本发明。
Claims (14)
1.一种挤压模压淬火的6020铝合金产品的方法，包括如下步骤：
(a)提供6020铝合金的锭料或坯料；
(b)均匀化所述坯料；
(c)冷却所述均匀化的坯料；
(d)再加热所述坯料至398.89℃(750°F)至426.67℃(800°F)范围内的温度持续少于五分钟；
(e)以0.762m/s(150fpm)到0.889m/s(175fpm)的速度挤压所述坯料以提供温度至少510℃(950°F)的挤压件；
(f)淬火所述挤压件；
(g)伸展所述挤压件；和
(h)人工时效所述挤压件，
其中所述合金的组成为：0.5％到0.6％的硅、0.7％到0.8％的镁、0.55％到0.65％的铜、0.35％到0.45％的铁、0.01％到0.04％的锰、1.05％到1.15％的锡、0.04％到0.06％的铬、不多于0.034％的铅、余量为铝和偶存的元素和杂质。
2.根据权利要求1的方法，其中所述再加热步骤的温度在412.78℃(775°F)至426.67℃(800°F)的范围内。
3.根据权利要求1的方法，其中在进行挤压之前将所述坯料放到容器中，所述容器具有398.89℃(750°F)的温度。
4.根据权利要求1的方法，其中所述速度为0.889m/s(175fpm)。
5.根据权利要求1的方法，其中在所述挤压之后所述挤压件处在510℃(950°F)到546.11℃(1015°F)范围内的温度。
6.根据权利要求1的方法，其中所述挤压步骤提供温度高于537.78℃(1000°F)的挤压件。
7.根据权利要求1的方法，其中在所述淬火之后所述挤压件的所述温度在93.33℃(200°F)到176.67℃(350°F)的范围内。
8.根据权利要求1的方法，其中所述淬火包括空气淬火或水淬火。
9.根据权利要求1的方法，其中将所述挤压件伸展1％。
10.根据权利要求1的方法，其中所述人工时效发生在171.11°℃(340°F)到179.44℃(355°F)范围内的温度下持续8小时的时间段。
11.根据权利要求1的方法，其中所述挤压件包括棒材、杆材或线材。
12.根据权利要求1的方法，其中所述挤压件具有至少282.687MPa(41ksi)的极限拉伸强度。
13.根据权利要求1的方法，其中所述挤压件具有至少241.318MPa(35ksi)的拉伸屈服强度。
14.根据权利要求1的方法，其中所述挤压件具有至少282.687MPa(41ksi)的极限拉伸强度和至少241.318MPa(35ksi)的拉伸屈服强度。
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