CN102146543A - 挤压性质和牺牲阳极性质优异的连接件用铝合金挤压材料 - Google Patents

Abstract

具有优异的挤压性质和牺牲阳极性质的连接件用铝合金挤压材料，其由以下组成：0.2～0.8质量％的Si，0.45～0.9质量％的Mg，1.0～3.5质量％的Zn，0.001～0.2质量％的Ti，以及余量的Al和不可避免的杂质。

Description

挤压性质和牺牲阳极性质优异的连接件用铝合金挤压材料

交叉引用

本申请要求2010年2月5日提交的在先日本专利申请2010-024616号和2010年5月19日提交的2010-115284号的优先权，并且将其全部内容引入作为参考。

技术领域

本发明涉及挤压(extrusion)性质和牺牲阳极(sacrificial anode)性质优异的连接件(connector)用铝合金挤压材料，该连接件用于管和热交换器的连接。

背景技术

通常，例如会使用钎焊(brazing)方法将管道与热交换器的连接件连接。这种钎焊方法的优点是连接可靠性，但也具有连接成本高的缺点。就此而言，近年来，主要使用机械型锻方法(swaging process)来代替钎焊方法，从而实现了低成本的连接。然而，为了实现型锻方法，需要在每个中空连接件的内表面上形成一些凹凸槽。

通常，使用以JIS A7N01或A7003为代表的Al-Zn-Mg系合金和以JIS A3004为代表的Al-Mn系合金作为连接件用合金。在通过挤压方法利用上述这样的合金来制造用于型锻方法的连接件时，其中所述连接件在其分别的内表面上具有凹凸槽，由于在挤压中抗变形性较大，会损坏待形成槽的尺寸准确性，从而导致在挤压过程之后必须对槽再次进行机械加工。从这样的观点来看，近年来，压铸方法(die casting process)主要用于生产连接件。然而，在使用压铸方法时，需要进行二次加工。因此，通常的挤压方法和压铸方法在连接件制造上所需的成本较高。

另一方面，使用JIS A6063为代表的Al-Mg-Si系合金和以JIS A3004为代表的Al-Mn系合金作为待连接管的材料。为了满足汽车部件更长寿命的要求，近年来，也需要提高管的耐腐蚀性，所以使用利用连接件材料作为牺牲阳极材料的方法可以满足上述要求。

例如，参考文献1指出可以使用如下的铝合金作为具有牺牲阳极性质的连接件合金，所述铝合金由2～10质量％的Zn，2～7质量％的Si，0.5～1.5质量％的Fe和/或0.1～1.5质量％的Mn，以及余量Al和不可避免的杂质组成。

然而，参考文献1中提到的合金为压铸合金，因此其含有大量Si以提高其流动性，从而导致其不适合用作挤压合金，这是因为在热挤法中的时效硬化使得挤压成型变得困难。另外，如果将Si加入到铝合金中，由含有Si的铝合金制成的连接件的电势变为高电势。在使用铝合金制造连接件时，由于与连接件连接的管可能被腐蚀，因此必须向铝合金中加入大量的Zn，以使铝合金的电势降低。但是，引起了损害铝合金，即由铝合金制造的连接件的耐腐蚀性这样的新问题。此外，需要对含有大量Zn的压铸合金进行热扩散，从而使大量的Zn均匀地扩散，这可能会引起成本的增加。

参考文献2和3提出将0.2～1.0质量％的Zn加入到Al-Mg-Si合金中。由于添加Zn的目的在于减小Al-Mg-Si合金中的晶粒内电势和晶界电势之间的差，从而抑制晶界腐蚀，因此如果将Al-Mg-Si合金用作连接件材料，则不利地是连接件材料所需的牺牲阳极性质是不足的，这是因为连接件和管之间的电势差由于少量的Zn而无法得到充分地增加。

就此而言，为了通过型锻方法来实现(中空)连接件和管的连接，需要具有如下性质的连接件用铝合金，该铝合金对于管而言具有牺牲阳极性质，并且可以将其挤压成复杂的形状从而可以使中空连接件内表面具有凹凸槽。

[参考文献1]JP-A 2007-92113(公开)

[参考文献2]JP-A 2002-69559(公开)

[参考文献3]JP-A 10-130765(公开)

发明内容

本发明的目的是，为了通过型锻方法实现连接件和管之间的连接，提供连接件用铝合金，该铝合金可以挤压成复杂的形状以使得在连接件的内表面具有凹凸槽，并且其对于管而言具有牺牲阳极性质，因此该铝合金具有优异的挤压性质和牺牲阳极性质。

术语“型锻”是指将外径大于管件内径的钻模(jig)无旋转地插入管中，然后通过扩展管件的外径和内径从而将管件连接并固定至在连接件处形成的通孔上。

为了实现本发明的目的，本发明的一个方面涉及具有优异的挤压性质和牺牲阳极性质的连接件用铝合金挤压材料(第一铝合金)，其由以下组成：0.2～0.8％(在下文中，“％”表示“质量％”)的Si，0.45～0.9％的Mg，1.0～3.5％的Zn，0.001～0.2％的Ti，以及余量的Al和不可避免的杂质。

本发明的另一个方面涉及具有优异的挤压性质和牺牲阳极性质的连接件用铝合金挤压材料(第二铝合金)，其由以下组成：0.2～0.8％(在下文中，“％”表示“质量％”)的Si，0.45～0.9％的Mg，1.5～2.5％的Zn，0.001～0.2％的Ti，以及余量的Al和不可避免的杂质。

本发明人对连接件用铝合金进行了深入的多样化的研究。结果，本发明人发现了如下事实。作为连接件用的第一和第二铝合金挤压材料，通过在铝合金中含有Si、Mg、Zn、Ti作为铝合金组分并适当地控制Zn的含量，可以提供能够不损害挤压性质并且对管而言能够具有牺牲阳极性质的所需的铝合金。因此，如果连接件是由该铝合金来制造的，那么该连接件可以简单地通过挤压成型来形成，从而不会腐蚀待连接的管并且使连接件的内表面上具有凹凸槽。

在此，参考文献1(JP-A 2007-92113(公开))提出的铝合金所具有的组成与本发明的铝合金的组成相似。然而，由于在参考文献1中的目标连接件是通过压铸成型的，因此将Si和Zn的含量设定为较高的量。特别地，在参考文献1中设定的Si的含量高于本发明铝合金中的Si的含量。另外，与连接件用第二铝合金相比，设定的Zn的含量高于本发明第二铝合金中的Zn的含量。此外，参考文献1不要求Ti作为必要组分。

因此，参考文献1中的铝合金不同于本发明的铝合金。

参考文献2(JP-A 2002-69559(公开))提出的铝合金所具有的组成与本发明的铝合金的组成相似。参考文献2也提出利用挤压成型用铝合金制造所需挤压材料。然而，参考文献2根本没有教导和暗示铝合金挤压材料作为连接件的用途。因此，参考文献2没有给出铝合金具有牺牲阳极性质的教导。

另外，在参考文献2中，铝合金中所含有的Zn组分的功能是降低铝合金中晶粒内电势和晶界电势之间的差。将本发明的铝合金和参考文献2的铝合金相比，尽管本发明第一铝合金的Zn组分的临界含量(1.0质量％)与参考文献2中铝合金的Zn组分的临界含量相重叠，但是总体来看，参考文献2中所设定的铝合金中的Zn组分的含量小于本发明铝合金中的Zn组分的含量。因此，参考文献2中的铝合金不同于本发明的连接件用铝合金。

参考文献3(JP-A 10-130765(公开))提出的铝合金所具有的组成与本发明的铝合金的组成相似。参考文献3也提出利用轧制(rolling)用铝合金制造所需轧制材料(rolled material)，但没有教导利用挤压成型用铝合金制造目标挤压材料。此外，参考文献3根本没有教导和暗示铝合金挤压材料作为连接件的用途。因此，参考文献3没有给出铝合金具有牺牲阳极性质的教导。

另外，在参考文献3中，铝合金中所含有的Zn组分的主要作用是降低铝合金中晶粒内电势和晶界电势之间的差。将本发明的铝合金和参考文献3的铝合金相比，尽管本发明第一铝合金的Zn组分的临界含量(1.0质量％)与参考文献3中铝合金的Zn组分的临界含量相重叠，但是总体而言，参考文献3中所设定的铝合金中的Zn组分的含量小于本发明铝合金中的Zn组分的含量。因此，参考文献3中的铝合金不同于本发明的连接件用铝合金。

在本发明的一个实施方式中，连接件用铝合金挤压材料可成为中空的。

在本发明的另一个实施方式中，铝合金挤压材料的电势可以设置为比待型锻的管部件的电势低100mV或更多，从而可以充分地表现出牺牲阳极效果。

发明效果

如上所述，为了通过型锻方法实现连接件和管之间的连接，本发明可以提供一种连接件用铝合金，该铝合金可以挤压形成复杂的形状以使得连接件的内表面具有凹凸槽，并且其对于管而言具有牺牲阳极性质，因此该铝合金具有优异的挤压性质和牺牲阳极性质。

附图简述

图1是由本发明的连接件用铝合金所制成的连接件的一个实施方式的结构图。

实施本发明的最佳方式

以下，将参考附图对本发明的细节、其他特征和优点进行描述。

(连接件用铝合金挤压材料)

首先，对本发明铝合金挤压材料的组分的添加原因和含量进行说明。

<Si(硅)>

Si与Mg反应在铝合金中形成Mg₂Si化合物，从而在热成型(即挤压成型)之后的人工时效处理中增强铝合金的强度，Si与Mn和Fe形成由微小的Al-Mn-Si系或Al-Fe-Mn-Si系金属间化合物形成的时效析出(aging precipitation)。Si的含量设置在0.2～0.8％(在下文中，“％”表示“质量％”)的范围内。如果设置Si的含量小于0.2％，则无法充分地体现出上述功能/效果。如果设置Si的含量高于0.8％，则由于过度的时效效果可能会损害高温时的成型性质和挤压性质。

<Mg(镁)>

如上所述，Mg与Si反应形成Mg₂Si化合物，从而在挤压成型之后的人工时效处理中增强铝合金的强度，并且Mg固溶(solid solve)于铝合金基质中，从而通过固溶强化来提高铝合金的强度。Mg的含量设定为在0.45～0.9％的范围内。如果设置Mg的含量小于0.45％，则无法充分地体现出上述功能/效果。如果设置Mg的含量高于0.9％，则由于过渡的时效效果可能会损害高温时的成型性质和挤压性质。

<Zn(锌)>

在本发明的连接件用铝合金挤压材料中，Zn起到非常重要的作用，使得铝合金挤压材料对待连接管部件的电势达到基电势(base potential)。Zn的含量设置在1.0～3.5％的范围内。如果设置Zn的含量小于1.0％，则不能充分地使连接件用铝合金挤压材料的电势达到基电势，从而不能充分实现牺牲阳极性质。另一方面，如果设置Zn的含量高于3.5％，则使铝合金电势成为基电势的功能/效果达到饱和，使得无法更多地提高牺牲阳极性质同时会损害铝合金的挤压性质。

考虑到挤压性质和牺牲阳极性质，Zn的含量优选设置在1.5～2.5％的范围内。

另外，当Zn的含量设置在上述范围内时，连接件用铝合金挤压材料的电势可以比管部件低100mV或更多，优选低150mV或更多，其中，所述管部件由例如复合材料如Al-Mg-Si系合金或(例如JIS 6063合金)或Al-Mn系合金(例如JIS 3003合金或JIS 3004合金)所制成。

<Ti(钛)>

Ti起细化(refine)铝合金的铸锭结构(ingot structure)和提高耐腐蚀性的作用。Ti的含量设置在0.01～0.2％的范围内。如果设置Ti的含量少于0.001％，则可能无法充分地实现上述功能/效果。如果设置Ti的含量大于0.2％，则Ti可能会形成巨型金属间化合物从而损害加工性质。Ti的含量优选设置在0.01～0.05％的范围内。

<不可避免的杂质>

不可避免的杂质是由不同的途径所导致的污染，例如原样金属(bare metal)、添加的元素合金等。特别地，Fe是最常见的在相应铝原样金属中含有的元素。如果设置Fe的含量超过0.35％，在铸造中形成的Al-Fe-Si系结晶产物会损害加工性质。因此，设置Fe的含量不超过0.35％。每种其他不可避免的杂质的含量设置为不超过0.05％，且其他不可避免的杂质的总含量设置为不超过0.15％，以使得铝合金不会受其他不可避免的杂质的影响。

(连接件用铝合金挤压材料的性质)

如果铝合金具有上述组成，则可以将该铝合金挤压成各种形状。在使用铝合金作为管部件用型锻连接件材料的情况下，特别地，如果将铝合金挤压成中空形状，则由于在挤压步骤后不需要研磨步骤，因此可以减少加工成本。在这种情况下，优选凹凸槽形成在中空铝合金(中空连接件)的内表面上。

如果铝合金(连接件)和管部件之间的电势差小于100mV，则铝合金挤压材料的牺牲阳极性质将不足，无法满足管部件的预定寿命。因此，优选连接件用铝合金挤压材料的电势应比管材料的电势低100mV或更多，更优选低150mV或更多。

如果按照上述组成来限定铝合金挤压材料并且按照上述组成来限定管材料，则能够固有地满足上述要求。

(型锻连接件用铝合金挤压材料)

首先，通过通常方法生产铝合金挤压材料。

(固溶(solution)、铸造、均质化热处理)

在固溶和铸造过程中，相应的铝合金熔体，其组成以溶解状态调节至上述范围，通过适当选自连续铸-轧方法、半连续铸造方法(DC铸造方法)等的通常的熔融铸造方法对该铝合金熔体进行铸造。然后，对由此得到的铸造Al合金铸锭进行均质化热处理。根据通常的均质化热处理，将均质化热处理的温度设定为不低于500℃，同时低于Al合金铸锭的熔点。

(固溶处理和淬火处理)

根据情况的需要，在本发明中可以进行固溶处理和淬火处理。利用固溶处理和淬火处理，可以使粗Mg₂Si金属间化合物充分地固溶。如果在固溶处理之后，粗Mg₂Si没有充分地固溶，则粗Mg₂Si会在人工时效处理之后引起Al合金铸锭强度的恶化。为了充分地体现出固溶处理的功能/效果，优选在500～560℃的温度范围进行固溶处理。

在固溶处理之后的淬火处理中，如果冷却速度低，则Si、Mg₂Si等可能会在Al合金铸锭的晶界处析出，其可能会在成型时形成裂纹起始点，并因此损害成型性质。为了确保冷却速度，优选选择利用风机的空冷或利用喷雾、喷溅或浸渍的水冷来进行淬火处理，从而将冷却速度设定为10℃/秒或更高的快冷速度。

<挤压加工>

在Al合金铸锭如上所述的成型之后，对Al合金铸锭实施挤压加工以形成具有所需形状和尺寸的目标挤压材料(在本实施方式中，挤压材料为连接件)。可以利用多孔挤压方法(porthole extrusion method)、芯棒挤压方法(mandrel method)等来实施挤压加工。

<型锻加工>

图1是由本发明铝合金挤压材料制成的连接件的一个实施方式的结构图。

在这个实施方式中，如图1所示，连接件10成形为较大的钥匙孔形坟堆(keyhole-shaped tomb mound)形状，使得用于在其中插入螺栓作为固定手段的第一通孔13形成在方形部分11处，并且用于在其中插入管部件的第二通孔14形成在圆形部分12处。然后，两对凹凸部分15形成在第二通孔14的侧面处。

因此，在当在管部件插入到图1中连接件10的第二通孔14后对管部件进行型锻时，管部件通过凹凸部分15固定在连接件10上，并从而可以与连接件10连接。

实施例

下面，将基于实施例对本发明进行详细说明。然而，应当理解，本发明不限于这些实施例，这是因为这些实施例仅是用于说明本发明效果的实施例。

通过半连续铸造方法生产出分别具有表1所列组成的多种坯料，然后，于565℃在均质化时进行热处理4小时。加热所得坯料至500℃，然后利用多孔挤压方法以5米/分钟的挤压速度进行挤压，从而成型得到图1所示的连接件10。将连接件10的圆形部分12的宽度“W”设为30mm，并将连接件10的长度“L，，设为50mm。然后，设置第一通孔13的直径“r”为10mm及第二通孔14的直径“R”为16mm。

1.挤压性质

作为对挤压性质的评价，将表面和内表面不具有裂纹的连接件规定为“优异”，将仅在内表面的凹凸部分具有一些微小裂纹的连接件规定为“良好”，以及将在表面和内表面具有一些裂纹的连接件规定为“较差”。

2.拉伸实验

根据JIS Z2201进行拉伸实验，从进行了人工时效处理之后的连接件中切出JIS No.4拉伸实验块，其中人工时效处理在180℃的条件下进行6小时。

3.耐腐蚀性实验

作为耐腐蚀性实验，对由分别具有表1所列组成的相应合金通过挤压制造的连接件与由JIS 6063合金通过挤压制成的管部件进行型锻以分别形成测试块。然后，对各测试块进行盐水喷雾实验，因此在暴露1000小时后，测量测试块的最大点腐蚀深度，并对制造测试块的管部件进行泄露检验。

4.连接件的自发电极电势的测量

按照下述方法测量自发电极电势。对作为测试块的连接件进行预处理，预处理方法为，将连接件浸没在5％的NaOH溶液中，并维持温度在60℃持续30秒钟，然后将连接件浸没在30％HNO₃溶液中。随后，将连接件浸没在5％ NaCl-15mL/L乙酸溶液中，在经过30分钟之后测量各个连接件的自发电极电势。另外，将6063-T5材料制备成为管部件，并且按照与连接件相同的方法测量该部件的自发电势，从而可以测量连接件(即，表1所列出的合金)和部件之间的电势差。测试结果列于表2中。

[表1]

(质量％)

[表2]

下面对表2所列出的测量结果进行说明。编号A～编号J表示的合金被权利要求1所包括，因此其具有优异的机械性质、牺牲阳极性质、挤压性质和耐腐蚀性。特别地，由于编号B和编号D～J表示的合金分别被各自金属元素的相应优选范围所包括，合金中电势差为150mV或更大并且合金的挤压性质优异。编号K和N表示的合金未包含在权利要求1内，这是因为Si和Mg的含量分别低于权利要求1限定的下限值。因此，编号K和N所表示的合金在强度方面变差，致使无法满足连接件所需要的强度。编号L和M所表示的合金未包含在权利要求1内，这是因为Si和Mg的含量分别高于权利要求1限定的上限值。因此，在挤压过程中会产生表面缺陷因此连接件的性质不优异。编号O所表示的合金未包含在权利要求1内，这是因为Zn的含量低于权利要求1限定的下限值，因此管部件和连接件之间的电势差不接近于100mV，从而使得连接件对于管部件无法显示出充分的牺牲阳极性质。另外，编号P所表示的合金未包含在权利要求1内，这是因为Zn的含量高于权利要求1限定的上限值，因此在耐腐蚀性实验中连接件被严重地腐蚀。

尽管参照上述实施例对本发明进行了详述，但是本发明并不限于上述公开的内容，在不脱离本发明的范围下，可以进行任意地变化和修改。

Claims (5)

1.具有优异的挤压性质和牺牲阳极性质的连接件用铝合金挤压材料，其由以下组成：

 0.2～0.8质量％的Si，0.45～0.9质量％的Mg，1.0～3.5质量％的Zn，0.001～0.2质量％的Ti，以及余量的Al和不可避免的杂质。

2.权利要求1所述的铝合金挤压材料，其中，Zn的含量范围从1.0～3.5质量％变为1.5～2.5质量％。

3.权利要求1所述的铝合金挤压材料，其中，铝合金挤压材料成型为中空形状。

4.权利要求1所述的铝合金挤压材料，其中，铝合金挤压材料的电势比待型锻的管部件的电势低100mV或更多。

5.权利要求1所述的铝合金挤压材料，其中，管部件由Al-Mg-Si系合金或Al-Mn系合金制成。

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