CN101812618B - 具有良好可切割性的铝合金以及制备锻造制品的方法和锻造制品 - Google Patents

Abstract

一种具有良好可切割性的铝合金，包含3～6％质量的Cu，0.2～1.2％质量的Sn，0.3～1.5％质量的Bi，及0.5～1.0％质量的Zn，余量为铝和不可避免的杂质。一种制备锻造制品的方法，所述锻造制品中采用了所述的铝合金。通过该方法得到的锻造制品。

Description

具有良好可切割性的铝合金以及制备锻造制品的方法和锻造制品

本申请是申请日为2003年4月25日、申请号为03123309.0、发明名称为“具有良好可切割性的铝合金以及制备锻造制品的方法和锻造制品”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及具有良好可切割性(切削加工性)的铝合金或铝合金材料。

本发明也涉及采用上述铝合金或铝合金材料制备锻造制品的方法。

本发明还涉及根据上述方法得到的锻造制品。

背景技术

通常，经过加入Pb制备的铝基合金，如JIS 2011合金和JIS 6262合金，被用作具有良好可切割性的铝合金。

但是，近年来由于环境的问题，需要不加入Pb的却具有良好切割性能的铝合金。

尽管已经提出用加Sn和Bi的铝基合金代替JIS 2011合金(通过加入Pb和Bi而制备的)，但是它们的碎片分裂性(chip splittability)通常比通过添加Pb和Bi而制备的合金差。另外，与通常制备的合金相比，当材料的旋转速度降低或刀片的进料速度变慢以满足降低制品表面粗糙度的要求时，碎片分裂性不充分。

此外，当通过添加Sn制备的合金材料经受热锻压时，于锻造后进行的溶液热处理之后的一些水淬火中，发生通过添加Pb和Bi而制备的常规合金中未发现的裂缝。

发明内容

本发明涉及一种具有良好可切割性的铝合金，其包含3～6％质量的Cu，0.2～1.2％质量的Sn，0.3～1.5％质量的Bi，及0.5～1.0％质量的Zn，余量为铝和不可避免的杂质。

此外，本发明涉及一种制备锻造制品的方法，包括在要锻造的材料的锻造温度下锻造上述铝合金的步骤，所述锻造温度为320～450℃。

再者，本发明涉及通过上述制备方法得到的锻造制品。

通过下列的说明，本发明的其它特征和优点将会更加显而易见。

具体实施方式

本发明提供下列内容：

(1)一种具有良好可切割性的铝合金，其包含3～6％质量的Cu，0.2～1.2％质量的Sn，0.3～1.5％质量的Bi，及0.5～1.0％质量的Zn，余量为铝和不可避免的杂质；

(2)一种制备锻造制品的方法，包括在要锻造的材料的锻造温度下锻造上述项(1)的铝合金的步骤，所述锻造温度为320～450℃；及

(3)一种锻造制品，其是根据上述项(2)的方法得到的。

本文所使用的短语“未添加(未补加)Pb”的意思是在锭料中未加Pb，更具体地，是指在所得铝合金中Pb的含量为0.05％质量或更小。

下面将详细说明本发明。

Cu的作用是通过形成CuAl₂等化合物而提高本发明的铝合金的机械强度。当Cu含量低于下限时，这种作用很小；当Cu的含量高于上限时，锭料的表面质量下降。优选的Cu含量范围为4.5～5.5％质量。

低熔点元素，如Sn和Bi，提高碎片分裂性。由于Sn和Bi几乎不与铝形成固溶体，所以它们是以化合物的形式存在的。假设碎片分裂性提高的原因是化合物因工作热而在切割或钻孔刀片顶端熔化，进而在碎片上产生缺口。当Sn和Bi含量低于下限时，这种作用不充分；当高于上限时，则耐腐蚀性降低，这是因为发生了晶界腐蚀。由于Sn-Bi化合物的熔点降低至139℃，而纯Sn的熔点为232℃，纯Bi的熔点为271℃，所以化合物的熔化效果是明显的。因此，优选添加Sn和Bi，并且优选它们的含量为Sn对Bi的质量比等于约43∶57，这可以产生共晶组合物。优选Sn的含量为0.2～0.8％质量。优选Bi的含量为0.3～1.0％质量。

迄今为止，通过添加Sn和Bi而制备的铝基合金材料的碎片分裂性均比在某些情况下通过添加Pb和Bi而制备的材料差。作为创造性研究的结果，本发明人发现了如下理由。由于Sn-Bi化合物的尺寸比Pb-Bi化合物小，所以在某些特殊的切割条件下，不能形成尺寸足以使碎片分裂的缺口。

因此，本发明人发现需要添加Zn，而所添加的Bi的含量为0.3％质量或更高，以增加化合物的尺寸。也就是说，已经发现可以通过在Sn-Bi化合物中引入Zn来提高Sn-Bi化合物的尺寸。例如，在下文所述的实施例中，本发明试样2的Sn-Bi化合物的平均粒径变成8μm大，而对比例试样9的Sn-Bi化合物的平均粒径为5μm。这表明，根据本发明的试样的Sn-Bi化合物的尺寸几乎与作为常规实例的JIS 2011合金的Pb-Bi化合物相等。因而，形成了尺寸足够的缺口，提高了碎片分裂性。优选Sn-Bi化合物的平均粒径为8μm或更大，更优选为10μm或更大。当Zn含量低于下限时，上述作用不充分，当Zn含量高于上限时，耐腐蚀性恶化。优选Zn的含量为0.5～0.8％质量。

在本发明的合金中，对其它元素没有特殊的限制。在不妨碍本发明合金的各种性能如机械强度、可切割性和耐腐蚀性的范围内，可以包含Si、Fe、Mn、Mg、Ti、Ni、Cr、Zr和In等元素。

对本发明合金的制造条件和回火(tempering)没有特殊的限制。可以根据通常的生产条件选择适合使用的淬火。例如，合金可以是通过热处理精加工而进行T1回火(temper)；通过施加溶液热处理和人工老化而进行T6回火；或者通过施加溶液热处理、冷加工和人工老化而进行T8回火。此外，还优选合金在溶液热处理之后经受冷加工或人工老化的T3、T8、T6和T9等回火，因为当机械强度更大时，碎片分裂性将变得更好。

在本发明中，材料的锻造温度优选为320～450℃，更优选为350～420℃，当合金材料进行锻造加工时。

当通过添加Sn而制备的合金材料经受热锻压时，在锻造后进行的溶液热处理之后的某些水淬火情况下，发生了通过添加Pb和Bi而制备的常规合金中未发现的裂缝。本发明人通过深入研究发现如下原因。当合金在超过450℃的高温下锻压时，形成巨大的再结晶晶粒，而且通过溶液热处理之后的水淬火在再结晶晶粒边界施加巨大的应力。材料中具有巨大再结晶晶粒的晶界的总面积如此之小，以至于施加在单位面积晶界上的应力增加，因而容易造成裂缝。尽管当更大的结晶晶粒形成时，通过添加Pb和Bi而制备的常规铝合金材料中也出现裂缝，但是，裂缝的发生率没有通过添加Sn而制备的铝合金材料如本发明的铝合金材料中的大。

另一方面，当锻压期间材料的温度降低时，材料的抗变形性增加。可以推测，通过增加抗变形性，锻压载荷可以超过压机的容量。然而，由于与常规的通过添加Pb和Bi而制备的铝合金材料相比，本发明的合金的抗变形性小，所以低温锻造是可能的。当温度低于320℃时，锻造载荷可以增加，这取决于欲通过锻造而得到的制品的形状。就能耗而言，降低锻造时材料的温度是有利的。

本发明的铝合金可以用于例如经受机加工(如切割和钻孔)的构件或部件。

本发明的铝合金具有良好的可切割性，其相当或优于通过在Al-Cu系列合金中添加Pb而制备的合金，通过添加预定量的Sn和Bi、即使不添加Pb但添加Zn而制备的合金。

根据本发明的制备锻造制品的方法，锻造可以在较低的温度下以较小的载荷进行，使得锻造节能，同时防止锻造过程中产生裂缝(例如，在锻造后的溶液热处理之后的水淬火中)。

现将根据下面给出的实施例更详细地说明本发明，但是这并不意味着本发明受限于这些实施例。

实施例

实施例1

将组成如表1所示的合金熔化，由各个熔化的合金得到直径为220mm的锭料。将这些锭料加热以便在480℃均质化6小时。通过在400℃挤出这些锭料，得到直径为12mm的挤出棒。然后，在500℃下溶液热处理2小时，之后，立即用水使挤出棒淬火。

通过外切割对这些棒进行切割试验。切割条件是：旋转速度3000rpm，切割深度2mm，进料速度0.1mm/rev。以每100片碎片的质量评价碎片分裂性。评价的标准是：质量为2g或更小的为A；质量大于2g但小于4g的为B；质量大于4g但小于6g的为C；及质量大于6g的为D。碎片的质量越小，可以判定可切割性(碎片分裂性)越好。

从表1的结果可以看出，对比例的试样9～12以及常规实例的试样13(JIS2017合金)的试样的可切割性差，因为它们不含Pb。相反，根据本发明的试样1～8，其中未添加Pb，具有类似的或优于补充了Pb的常规实例的合金(即JIS 2011合金，试样14)的可切割性(碎片分裂性)。因此，可以理解，本发明的同时补充了Cu、Sn、Bi和Zn的合金具有特别优良的碎片分裂性。

表1

质量％，余量为铝

实施例2

利用两种合金(即本发明的合金和常规的JIS 2011合金)得到直径340mm的锭料，如表2所示。将这些锭料在480℃下加热均质化6小时。通过在400℃下的挤出，将锭料加工成直径35mm的挤出棒。将这些棒切割成35mm的长度，作为锻造毛坯，并将这些毛坯镦锻(upset)，镦锻比为80％，锻造温度如表2所示。表2示出了每一锻造温度下加工所需的最小锻造载荷(吨)。在500℃下经过2小时的溶液热处理之后，将试样立即用水淬火。就下列方面对试样进行评价：(1)每一锻造温度下锻造载荷的大小；及(2)在用水淬火后借助于染色探伤(可见染料)观察是否产生裂缝。

有关染色探伤(可见染料，例如参见MIL-STD-6866)的试验方法解释如下。将渗透剂(红色)喷在上述每个锻造制品的试样上，然后将喷过的锻造制品试样放置15分钟。从锻造制品试样的表面擦除渗透剂之后，将展开液(白色)喷射在锻造制品试样的表面上。如果锻造制品试样上存在任何裂缝，则将展开液喷射在锻造制品上之后渗透剂(红色)从裂缝区渗出，因为渗透剂已经浸入裂缝部分。观察是否有红色溶液从样品的裂缝中渗出，当未观察到渗出的红色溶液时，可以判定没有裂缝；当观察到有红色溶液渗出时，则可以判定有裂缝。

从表2可以看出，在相同锻造温度下，常规JIS 2011合金的锻造载荷明显地大于合金A。相反，当满足本发明之定义的合金A在预定的锻造温度下(320～450℃)加工时，锻造载荷显著降低，且所锻造的制品没有裂缝。然而，即使采用满足本发明之定义的合金A，在更高的锻造温度下则产生裂缝，且在较低的温度下需要较大的锻造载荷。这些结果表明，当锻造加工本发明的合金时，优选将材料的温度调节为前述的锻造温度。

表2

[注]合金A：5.24％质量的Cu，0.58％质量的Sn，0.67％质量的Bi，及0.52％质量的Zn，余量为铝；

JIS 2011合金：5.18％质量的Cu，0.51％质量的Pb，0.54％质量的Bi，余量为铝。

已经就本发明的实施方案描述了本发明，除非另有说明，本发明不受说明书具体内容的限制，而应当在所附权利要求书中所阐述的精神和范围内作广义的理解。

Claims (4)

1.一种具有良好可切割性的铝合金，其实质上由3～6％质量的Cu、0.2～1.2％质量的Sn、0.3～1.5％质量的Bi、0.5～1.0％质量的Zn、以及余量为铝和不可避免的杂质组成，其中不含Pb，并且，Sn和Bi以Sn-Bi化合物的形式存在，且Sn-Bi化合物的平均粒径为8μm以上。

2.根据权利要求1所述的具有良好可切割性的铝合金，其中，以产生共晶组合物的重量比Sn∶Bi＝43∶57含有Sn和Bi。

3.一种制备锻造制品的方法，包括在要锻造的材料的锻造温度下锻造权利要求1或2的铝合金的步骤，所述锻造温度为320～450℃。

4.一种锻造的制品，其是根据权利要求3的方法得到的。