CN101590591A - 容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，该方法包括：调整合金步骤，将铝合金的锌(Zn)/镁(Mg)重量百分比比例调整；添加修饰元素步骤，将0.02～1.5wt％锆(Zr)、0.0～0.03wt％钛(Ti)、0.0～0.60wt％铜(Cu)及0.01～0.10wt％钪(Sc)添加于铝合金中；熔铸步骤，将铝合金成份以直接冷激浇铸方式制作成圆棒；热处理步骤，是将圆棒于400－580℃之间进行退火或均质化处理；挤制步骤，是将温度控制330～450℃、挤压比控制于40～200之间及挤速控制于3～20m/min的范围下，将圆棒挤制成型材；抽制步骤，是将型材于400±30℃之间进行退火，再抽制成部份截面缩减率为30～80％的型材。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金型材的制作方法，尤其涉及一种容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法。
背景技术
7xxx系A1-Zn-Mg-(Cu)合金其强化合金范围为4～8％Zn、1～3％Mg、或1～2％Cu，为传统铝合金中强度最高的合金系，而这些高强度铝合金普遍有抗蚀性差、不易加工及焊接等问题，而限制其商业用途，特别是应用于以电弧焊接组装车架的自行车产业时；
因此，现今自行车产业所用的铝合金通常为7000系列中合金添加物较少，其强度中等的7005合金(4.5％Zn、1.4％Mg)，而高强度的7000系列合金，因固/液双相区的温度范围扩大，合金的偏析、晶粒的粗大及容易成长等易诱发焊接热裂等材料基本特性的限制，而无法使用于以焊接工艺为主的自行车架产业；
请参阅下表1所示，是目前市面最普遍的铝合金自行车架型材的各项特性数值：
(表一)
| 型材(合金/状态) | 抗拉强度(TS)(MPa) | 降伏强度(YS)(MPa) | 延长率(El)(％) | 杨氏系数(Young’sModulus)(GPa) |
| 6013-T6 | 359 | 324 | 8 | --- |
| 7005-T6 | 372 | 317 | 12 | 71 |
| 6061-T6 | 310 | 275 | 12 | 69 |
由表一中可知，6xxx系合金其强度很难突破400MPa以上，因此，虽然6xxx系合金的焊接性极佳，但却使自行车架不易再轻薄化而减轻重量，而7005合金为基准的7xxx系高强度合金是适合焊接的，但其Zn/Mg比为2.2左右，且强度也无法再提升；
请再参阅图4所示，为7xxx系列Al-Zn-Mg合金管的显微组织结构，在传统工艺下该型材表层及内部容易形成粗大再结晶组织，不利机械及焊接性质的提升；
请再参阅图5所示，为7xxx系列Al-Zn-Mg合金管于OM×50下观察焊接后的显微组织，因该铝合金型材31为粗晶(约100～300μm)，因此，该型材31焊接时亦造成该焊道32与型材31间的热影响区33，会形成沿晶气孔及裂痕(如图5中箭头所指)，而成为不良品；
再者，于公元1997年WilliamT.Tack等人于美国5,620,652号专利中利用含钪(Sc)铝合金的优越焊接性质，申请含Sc的铝合金及这些合金在娱乐、运动器具零件结构及航天、潜艇等结构零件的运用专利，其中运用于运动器具零件结构的7xxx系的合金范围为
4-9wt％Zn0.6-3.8wt％Mg0.1-3.0wt％Cu0.2-10.0wt％Sc0.10-1.0wt％Zr；
然而，虽发现于7xxx系列中添加钪(Sc)可有效提升合金强度、韧性与焊接性，但该含钪-铝合金其显微组织由表层至内部均为纤维化结构，而如图6所示，而该纤维化结构虽可有效地提升合金对纵向性质的强度，但却不利于合金的横向性质的强度，又该美国5,620,652号专利，添加钪(Sc)元素(0.2-10.0wt％)及目前市场的含钪铝合金中皆需添加较多的钪(Sc)元素，以有效提升合金整体强度、韧性与焊接性，但该钪(Sc)元素系属贵金属，添加量愈多将造成合金成本明显的提升；
又再，公元1994年12月MountainBikeAction期刊第78页发表的″HowtoShaveWeight″论文，解析登山用自行车在维持原有结构强度的前提下，如能有效将自行车减重数百克，将可有效地改善爬坡能力，故现今自行车皆述求轻量化的零组件及车架结构；
因此，如何将上述等缺失加以摒除，并提供一种仅须添加少量的修饰元素，即可大幅提升合金强度、韧性与焊接性，同时亦使该合金显微组织呈现两种不同的混合组织结构，以利于该合金的纵向性质与横向性质强度发展的一种容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，即为本案发明人所欲解决的技术困难点的所在。
发明内容
本发明提供一种容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，其包含：
一调整合金步骤，是将铝合金的各成分重量百分比比例调整为2.2-3.5Mg、3.4-4.8Zn、0.05-0.50Mn、0.10-0.30Cr、＜0.3Si、＜0.4Fe、其余为Al；
一添加修饰元素步骤，以上述合金之总重量为计算基础，再加入微量之锆(Zr)、钛(Ti)、铜(Cu)及钪(Sc)于该铝合金中，使此合金最后各成份的重量百分比为：2.2-3.5Mg、3.4-4.8Zn、0.05-0.50Mn、0.10-0.30Cr、＜0.3Si、＜0.4Fe、0.02～1.5Zr、0.0～0.03Ti、0.0～0.60Cu及0.01～0.10Sc、其余为Al(称为本发明合金)；
一熔铸步骤，将铝合金成份以直接冷激浇铸(DirectChillCasting)方式制作成圆棒；
一热处理步骤，是将圆棒于400-580℃之间进行退火或均质化处理；
一挤制步骤，是将温度控制330～450℃、挤压比控制于40～200之间及挤速控制于3～20m/min的范围下，将圆棒挤制成型材；
一抽制步骤，是将型材于400±30℃之间进行退火，再抽制成部份截面缩减率为30～80％的型材；
借由上述各步骤后，将使本发明的铝合金型材其显微组织表层为细微再结晶，但内部却为纤维化结构，而使本发明的铝合金型材具备有高强度的纵向与横向性质，同时亦具备有高韧性及可焊性，进而达到一种容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法。
附图说明
图1是本发明步骤流程图。
图2是本发明显微组织结构式。
图3是本发明于OM×500下观察焊接后的显微组织结构式。
图4是现有技术7xxx系列Al-Zn-Mg合金型材的显微组织结构式。
图5是现有技术7xxx系列Al-Zn-Mg合金型材于OM×50下观察焊接后的显微组织结构式。
图6现有技术钪-铝合金的显微组织结构式。
附图标号说明：11-调整合金步骤；12-添加修饰元素步骤；13-熔铸步骤；14-热处理步骤；15-挤制步骤；16-抽制步骤；21-细微再结晶；22-纤维化结构；31-型材；32-焊道；33-热影响区。
具体实施方式
本发明提供一种容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，其主要是将铝合金配合本发明的各步骤，以工艺适合自行车架使用的铝合金型材，请参阅图1所示，其主要步骤包含有：
一调整合金步骤11，该调整合金步骤11是将铝合金的锌(Zn)/镁(Mg)重量百分比比例调整，以产生锌(Zn)/镁(Mg)的特殊的铝合金；
一添加修饰元素步骤12，该添加修饰元素步骤12是将经调整合金步骤11处理后的铝合金中添加有0.02～1.5wt％锆(Zr)、0.0～0.03wt％钛(Ti)、0.0～0.60wt％铜(Cu)及0.01～0.10wt％钪(Sc)的修饰元素，其中该修饰元素钪(Sc)、锆(Zr)、钛(Ti)的主要作用为晶粒细化及提升焊接性，而铜(Cu)的主要作用为提升强度；
一熔铸步骤13，该熔铸步骤13是将经添加修饰元素步骤12处理后的铝合金以直接冷激浇铸(Direct-ChillCasting)方式制作成圆棒，该圆棒直径为3.5～18时，在此一铸造方法下可确保由液态到固态，获得一定程度的均质及细晶铸棒；
一热处理步骤14，该热处理步骤14是将熔铸步骤13后所产生的圆棒于400-580℃之间进行退火或均质化处理，借此可使熔铸步骤13的材料原子扩散，以利进行下述加工步骤时，而可控制特定组织的目标；
一挤制步骤15，该挤制步骤15是将经热处理步骤14后的圆棒于330～450℃的温度条件，而挤压比则控制于40～200之间，且挤速控制于3～20m/min的范围下，将圆棒挤制成型材，该型材可为圆管或具有一特定截面的型材，借此一特定条件的挤制步骤15与热加工，即可获得足够的塑性变型组织；
一抽制步骤16，该抽制步骤16是将经挤制步骤15后的型材于400±30℃之间进行退火，再抽制成部份截面缩减率为30～80％的型材，借此特定条件的抽制步骤16与冷加工，即可获得表层的不同再结晶组织，同时保留内部为纤维化结构，而形成具备优异纵向性质与横向性质的铝合金型材特质；
接着为本发明的第一种实施情形，借由调整合金步骤11与添加修饰元素步骤12，使得本发明的铝合金重量百分比比例成份为：0.3硅(Si)、0.08铁(Fe)、0.2锰(Mn)、3.01镁(Mg)、4.4锌(Zn)、0.18铬(Cr)、0.06锆(Zr)、0.01钛(Ti)、0.05钪(Sc)而其余为铝(Al)，再借由具有特定条件的熔铸步骤13、热处理步骤14、挤制步骤15及抽制步骤16，而工艺适合自行车架使用的铝合金型材，再将此一型材应用于现有技术工艺自行车架的固溶及T6热处理程序500℃×1hrs→风冷→RT×72hrs.→120℃×24hrs后，由T6型材切取试片送测试，其测试结果如下表二所示：
(表二)
| 本发明铝合金代号 | 抗拉强度(TS)(MPa) | 降伏强度(YS)(MPa) | 延长率(El)(％) |
| AlloyA-No.1 | 475 | 386 | 12.6 |
| AlloyA-No.2 | 468 | 382 | 12.6 |
| AlloyA-No.3 | 474 | 391 | 11.4 |
| AlloyA-No.4 | 489 | 405 | 11.3 |
| AlloyA-No.5 | 457 | 378 | 11.2 |
| AlloyA-No.6 | 477 | 389 | 12.1 |
| AlloyA(平均值) | 473 | 388 | 11.9 |
由上表二可知，本发明的铝合金型材于现有技术的自行车架：车削、退火、成型、焊接、及固溶、整型、时效热处理后，本发明的铝合金型材AlloyA其强度、靱性，明显优于现有技术7005铝合金，故本发明的铝合金型材可有助于自行车架产业于不减少车架硬度的前提下，再次轻量化自行车架；
请再参阅图3所示，为本发明的铝合金型材AlloyA于OM×500下观察焊接后的显微组织，本发明的铝合金型材AlloyA于受热最严重的热影响区晶粒细微(约3～10μm)，且亦无焊接裂痕，因此与现有技术的图5比较，可明显得知本发明的焊接性更加优异；
再者，为本发明的第二种实施情形，借由调整合金步骤11与添加修饰元素步骤12，使得本发明的铝合金重量百分比比例成份为：0.3硅(Si)、0.08铁(Fe)、0.2锰(Mn)、3.01镁(Mg)、4.4锌(Zn)、0.18铬(Cr)、0.06锆(Zr)、0.01钛(Ti)、0.05钪(Sc)、0.4铜(Cu)、而其余为铝(Al)，再借由具有特定条件的熔铸步骤13、热处理步骤14、挤制步骤15及抽制步骤16，而工艺适合自行车架使用的铝合金型材，再将此一型材应用于现有技术工艺自行车架的固溶及T6热处理程序500℃×1hrs→水冷→RT×72hrs.→120℃×24hrs后，由T6型材切取试片送测试，其测试结果如下表三所示：
(表三)
| 本发明铝合金代号 | 抗拉强度(TS)(MPa) | 降伏强度(YS)(MPa) | 延长率(El)(％) |
| AlloyB-No.1 | 520 | 450 | 10.6 |
| AlloyB-No.2 | 518 | 444 | 10.5 |
| AlloyB-No.3 | 540 | 462 | 11.0 |
| AlloyB(平均值) | 526 | 452 | 10.7 |
由上表三可知，本发明的铝合金型材于现有技术的自行车架：车削、退火、成型、焊接、及固溶、整型、时效热处理后，本发明的铝合金型材AlloyB其强度、靱性，明显优于现有技术7005铝合金及本发明铝合金型材AlloyA(未加铜)，故本发明的铝合金型材AlloyB可比本发明的铝合金型材AlloyA，更加有助于自行车架产业轻量化自行车架；
请参阅图2所示，为本发明的铝合金管AlloyB的显微组织结构，由图2中可知借由本发明的各步骤制作成的铝合金型材AlloyB(或AlloyA)容易形成表层细微再结晶21，但型材内部是高强度的纤维化结构22，借由型材内部为纤维化结构22，使得本发明的铝合金型材具备有高强度的纵向性质，而型材表层为细微再结晶21，则可以补强横向强度的不足，而使本发明为两者混合的结晶结构，因而具备有高强度的纵向性质，同时亦可提高横向强度，又借由添加有少量的钪(Sc)、锆(Zr)及钛(Ti)，使得本发明铝合金型材的可焊性提升，故当本发明的铝合金型材应用于自行车架时，可大幅减少自行车架的厚度，仍可保持最佳的强度，进而减少自行车架的重量，进而达到一种容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法。
Claims (8)
1.一种容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
调整合金步骤：该调整铝合金的各成分重量百分比比例调整为2.2-3.5Mg、3.4-4.8Zn、0.05-0.50Mn、0.10-0.30Cr、＜0.3Si、＜0.4Fe
、其余为Al；
一添加修饰元素步骤，该添加修饰元素步骤是将前一步骤的铝合金中添加0.02～1.5wt％锆(Zr)、0.0～0.03wt％钛(Ti)、0.0～0.60wt％铜(Cu)及0.01～0.10wt％钪(Sc)的修饰元素，使该合金最后各成份重量百分比为2.2-3.5Mg、3.4-4.8Zn、0.05-0.50Mn、0.10-0.30Cr、＜0.3Si、＜0.4Fe、0.02～1.5Zr、0.0～0.03Ti、0.0～0.60Cu及0.01～0.10Sc、其余为Al；
一熔铸步骤，该熔铸步骤是将前一步骤的铝合金以直接冷激浇铸(Direct-ChillCasting)方式制作成圆棒；
一热处理步骤，该热处理步骤是将前一步骤的圆棒于400-580℃之间进行退火或均质化处理；
一挤制步骤，该挤制步骤是将前一步骤的圆棒控制于330～450℃的温度条件，而挤压比则控制于40～200之间，且挤速控制于3～20m/min的范围下，以将圆棒挤制成型材；
一抽制步骤，该抽制步骤是将前一步骤的型材于400±30℃之间进行退火，再抽制成部份截面缩减率为30～80％的型材。
2.如权利要求1所述的容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，其特征在于，该调整合金步骤中的原料铝合金为铝合金。
3.如权利要求1所述的容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，其特征在于，该修饰元素钪(Sc)、锆(Zr)、钛(Ti)的主要作用为晶粒细化及提升焊接性，而铜(Cu)的主要作用为提升强度。
4.如权利要求1所述的容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，其特征在于，该熔铸步骤中的圆棒直径为3.5～18时。
5.如权利要求1所述的容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，其特征在于，该熔铸步骤中的铝合金成份为0.3硅(Si)、0.08铁(Fe)、0.2锰(Mn)、3.01镁(Mg)、4.4锌(Zn)、0.18铬(Cr)、0.06锆(Zr)、0.01钛(Ti)、0.05钪(Sc)而其余为铝(Al)。
6.如权利要求1所述的容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，其特征在于，该熔铸步骤中的铝合金成份为0.3硅(Si)、0.08铁(Fe)、0.2锰(Mn)、3.01镁(Mg)、4.4锌(Zn)、0.18铬(Cr)、0.06锆(Zr)、0.01钛(Ti)、0.05钪(Sc)、0.4铜(Cu)及其于为铝(Al)。
7.如权利要求1所述的容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，其特征在于，该挤制步骤或抽制步骤中的型材可为圆管。
8.如权利要求1所述的容易焊接的高强度铝合金型材的制作方法，其特征在于，该挤制步骤或抽制步骤中的型材可为具有一特定截面的型材。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110803 Termination date: 20140530 |