CN104797727B - 耐晶间腐蚀的铝合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝合金、铝合金带或铝合金板的使用以及制造铝合金带或铝合金板的方法。本发明的目的在于提供一种铝合金，该铝合金仅具有轻微的晶间腐蚀的倾向，同时提供高的强度和良好的变形性并含有标准的合金成分，从而简化了铝合金的回收，该目的通过一种具有以下组成成分(重量％)的合金实现：2.91％＜Mg＜4.5％，0.5％＜Mn＜0.8％，0.05％＜Cu＜0.30％，0.05％＜Cr＜0.30％，0.05％＜Zn＜0.9％，Fe＜0.40％，Si＜0.25％，Ti＜0.20％，剩余Al和单独小于0.05％，总量最大为0.15％的杂质，其中，下式适用于合金成分Zn、Cr、Cu和Mn：(2.3×％Zn+1.25×％Cr+0.65×％Cu+0.05×％Mn)+2.4＞％Mg。

Description

耐晶间腐蚀的铝合金

技术领域

本发明涉及一种铝合金、铝合金带或铝合金板的应用以及一种制造铝合金带或铝合金板的方法。

背景技术

AA5xxx类型的铝镁(AlMg-)合金以板、片或带的形状应用在轮船、汽车和飞机制造中的焊接或者嵌接结构的构造。镁铝合金的特点在于具有特别高的强度，其中，AlMg合金的强度随着镁含量的增加而提高。AA5xxx类型的铝镁合金的典型代表例如是AA5049、AA5454或AA5918类型的铝合金。该合金涉及AlMg2Mn(5049)、AlMg3Mn(5454)或AlMg3.5Mn(5918)铝合金。为了提供理想的强度，对于额外的质量减小的需求要求铝合金具有更高强度和由此具有相应更高的镁(Mg)含量。但问题在于，当铝合金长时间暴露在升高的温度下，镁含量大于2.4重量％的AlMgMn铝合金会越来越多倾向于晶间腐蚀。已经证实，镁含量大于2.4重量％的AlMgMn铝合金在70℃至200℃的温度下，β-Al₅Mg₃相沿晶界析出。当晶界不断地由β微粒占据时，当出现腐蚀介质时β相的溶解会导致选择性的沿晶界的腐蚀攻击。因此会导致，具有高镁含量的铝合金不能够使用在热负荷的区域，或者为了耐热设计必须具有减少的镁含量，从而减少β-Al₅Mg₃微粒的析出并停止β-Al₅Mg₃微粒引起的持续的晶界占据。现有技术中已有针对该问题的解决方案。例如，德国公开专利申请文献DE10231437A1提出，通过特定的合金组成成分即使是在通过热的敏化作用之后明显地降低了易受晶间腐蚀性。为此，该申请提出了以下的铝合金组成成分：

3.1％＜Mg＜4.5％,

0.4％＜Mn＜0.85％,

0.4％＜Zn＜0.8％,

0.06％＜Cu＜0.35％,

Cr＜0.25％,

Fe＜0.35％,

Si＜0.2％,

Zr＜0.25％,

Ti＜0.3％,

杂质分别≤0.05％并且总量最大为0.15％，剩余铝。

但显示，按照ASTM G67标准测量和评价的易受晶间腐蚀性的结果还可以进一步改进。另外，该铝合金还允许有含量最大为0.25重量％的锆，锆视为不利于铝合金的回收。除此之外，国际专利申请WO99/42627已知一种含锆的铝合金，该铝合金虽然在ASTM G67测试中得到了非常好的结果，但是由于必须存在的锆含量使应用成为问题。

发明内容

由此出发，本发明的目的在于，提供一种铝合金，该铝合金仅具有微弱的晶间腐蚀的倾向，即在ASTM G67测试中质量损失值＜15mg/cm²,同时具有高强度和良好的变形性并含有标准的合金成分，从而简化了铝合金的回收。除此之外，还提出了该铝合金的应用以及制造由该铝合金构成的产品的方法。

按照本发明的第一教导，上述针对铝合金的目的通过包含由以下以重量％表示的组成成分所构成的合金成分得到解决：

2.91％≤Mg≤4.5％,

0.5％≤Mn≤0.8％,

0.05％≤Cu≤0.30％,

0.05％≤Cr≤0.30％,

0.05％≤Zn≤0.9％,

Fe≤0.40％,

Si≤0.25％,

Ti≤0.20％,

剩余Al和分别地小于0.05％，总量最大为0.15％的杂质，其中，下式适用于合金成分Zn、Cr、Cu和Mn：

(2.3×％Zn+1.25×％Cr+0.65×％Cu+0.05×％Mn)+2.4≥％Mg。

“％Zn”、“％Cr”、“％Cu”、“％Mn”和“％Mg”等于各个以重量百分比表示的合金成分含量。按照本发明的组成成分是基于这样的认识，即在镁含量为至少2.91重量％时，通过合金成分Zn、Cr、Cu和Mn的存在促进τ相形成，这些合金成分抑制了β-Al₅Mg₃微粒的析出。AlCuMgZn类型的τ相在很大程度上抑制了β相的形成，从而即使在更高镁含量下也仅有非常微弱的在晶界形成β相或β-Al₅Mg₃微粒的倾向。除此之外，合金元素Cr和Mn的存在也会形成AlCrMgMn类型的ε相，该ε相同样地抑制β相的形成。因此，相应的铝合金不易受到晶间腐蚀。另外还发现，各个合金成分Zn、Cr、Cu和Mn的补偿效率大小不同。例如，合金成分锌可以用作2.91重量％镁含量的2.3倍补偿，从而合成的铝合金仅表现出有非常微弱的晶间腐蚀倾向。抑制晶间腐蚀或β相析出的效率随合金成分铬、铜和锰下降。因此，无论如何都可以提供一种具有相对较高的镁含量和表现出更高的强度的铝合金，而在受到温度影响之后不会倾向于晶间腐蚀。在具有能够比较的耐腐蚀性时，通过最小为3.0重量％的镁含量实现更高的强度。

为了可以经济地制造按照本发明的铝合金，并且为了不需要另外接受例如在铸造和轧制时对铝合金的变形性的负面影响以及对物理特性的改变或仅极小程度的改变，按照本发明铝合金的第一个有利的设计，下式适用于合金成分Zn、Cr、Cu和Mn：

(2.3×％Zn+1.25×％Cr+0.65×％Cu+0.05×％Mn)+1.4≤％Mg。

因此，对于本发明的一个设计，为了尽可能经济地实现该铝合金的制造，给出了合金成分Zn、Cr、Cu和Mn的添加的上限。超过该上限的合金成分的添加并没有显示出对于耐晶间腐蚀性额外的积极作用。除此之外，按照本发明铝合金的设计中，可以排除因更高的合金成分含量所导致的不希望出现的不良作用。

根据按照本发明的铝合金的另一个实施方式，为了设计铝合金更耐腐蚀，该合金成分Cu优选地具有以下的重量％的含量：

0.05％≤Cu≤0.20％。

根据按照本发明的铝合金的下一个实施方式，通过合金成分Cr具有以下的重量％的含量可以使变形性最大化：

0.05％≤Cr≤0.20％。

根据按照本发明的铝合金的另一个实施方式，在合金成分的添加上可以通过合金成分Mg和Zn具有以下重量％的含量来提供进一步优化的、耐晶间腐蚀的铝合金：

2.91％≤Mg≤3.6％,

0.05％≤Zn≤0.75％。

镁含量上限的降低实现了进一步降低最大锌浓度，从而可以得到成本最优化的、具有非常高的耐晶间腐蚀性的铝合金。该设计的Mg含量优选为3.0重量％至3.6重量％，特别是3.4重量％到3.6重量％。

另一个设计中，通过合金成分Mg的含量为最小3.6重量％且最大为4.5重量％，进一步优化按照本发明的铝合金的强度。增加的镁含量导致良好变形性的同时，铝合金强度明显的升高。根据按照本发明铝合金的特殊的组成成分，该铝合金尽管有较高的镁含量但仅表现出微小的质量损失＜15mg/cm²,而且因此按照ASTM G67没有晶间腐蚀。为了改善耐腐蚀特性，Mg含量优选地控制为最大4.0重量％。

如上所述，按照本发明的铝合金的特点在于，除了有非常高的强度和变形性之外还具有非常好的耐晶间腐蚀性。就这点而言，按照本发明的另一个教导通过使用由按照本发明铝合金构成的铝合金带或铝合金板在汽车、飞机或轮船制造中生产底盘构件或结构部件，上述目得以实现。

车辆、机动车或飞机的底盘或者结构部件通常暴露在热源下，例如内燃机的排气或者其他热源，从而在此不能使用受热后倾向于晶间腐蚀的铝合金。由于非常好的耐晶间腐蚀性，按照本发明的铝合金带或铝合金板在底盘和结构部件制造中的应用实现了更高强度的、具有最小2.91重量％的镁含量的铝合金也在该应用领域中的使用。更高强度的铝合金带或铝合金板由于强度的提高实现了壁厚的减小。就这点而言，该铝合金带或铝合金板对汽车、轮船或飞机的重量进一步减轻做出了贡献。

由按照本发明的铝合金制成的铝合金带或铝合金板优选应用于底盘构件或者结构部件的制造，所述构件设置在发动机、排气装置或机动车的其他热源的区域中。对此，一个典型的例子就是机动车的弹簧或者横向导臂。特别是当这些构件设置在近发动机的位置时，这些构件的区域会持续受到在升高的热量产生。特别是在机动车制造中，还有火车、飞机和轮船制造中，按照本发明铝合金构成的带或板的使用开发出了新的应用领域，这些应用领域的特点在于升高的热量产生。

如果底盘构件或结构部件有至少一个焊缝，那么由按照本发明的铝合金制成的铝合金带或铝合金板的应用是特别有利的。焊缝通常是热量引入金属的区域。如果铝合金倾向于晶间腐蚀，该热量引入会导致晶间腐蚀。与之相反，按照本发明的铝合金最大程度地抑制了与晶间腐蚀有关的β相析出，从而该构件可以容易地焊接，而不会倾向于晶间腐蚀。

最后，当由按照本发明的铝合金制成的铝合金带或铝合金板的壁厚为0.5mm至0.8mm，可选地为1.5mm至5mm时，该铝合金带或铝合金板的应用是特别有利的。该壁厚非常适合提供底盘部分或结构部分所必需的强度。

按照本发明的另一个教导，现应给出一种经济的铝合金带或铝合金板的制造方法，铝合金带或铝合金板由按照本发明的铝合金构成。该方法包括以下步骤：

-铸造轧制铸块，

-在500℃至550℃均质化该轧制铸块至少2小时，

-在280℃至500℃的热轧温度热轧该轧制铸块成为热轧带材，

-在进行或者不进行中间退火的条件下，冷轧该热轧带材至最终厚度并且，

-在间歇式炉中，在300℃至400℃软化退火冷轧带材。

与现有经验相反，在按照本发明的铝合金中不需要特定的热处理步骤，例如在制造过程最后的固溶退火步骤，而是该铝合金可以以传统的设备，例如间歇式炉，高经济性地制造。还能够考虑以直接铸带代替轧制铸块的铸造，随后冷轧和/或热轧该铸带。

具体实施方式

现借助实施例进一步说明本发明。

表1

首先，表1示出了标准合金ST5049、ST5454和ST5918以及按照本发明的铝合金V1、V2、V3和V4的化学分析。另外，表1中还给出了通过合金成分对镁量的补偿，以“Mg补偿”表示并通过以下公式计算：

(2.3×％Zn+1.25×％Cr+0.65×％Cu+0.05×％Mn)+2.4。

“被补偿”的Mg含量的数值以最小补偿给出，该数值必须至少通过合金成分Zn、Cr、Cu和Mn补偿。因此，表1中给出的数值等于各自铝合金的Mg含量。

由于Mg补偿值仅对镁含量最小为2.91重量％的铝合金重要，因此标准合金ST5049的该数值未记录。其他的标准合金ST5454以及ST5918具有小于该合金的镁含量的Mg补偿值。正如已知的，该合金在一定情况下倾向于晶间腐蚀。对此的原因被认为是，该铝合金的Mg含量没有充分地补偿。这在按照本发明的铝合金V1、V2、V3和V4中表现不同，这些合金的Mg补偿值明显的高于各自铝合金的Mg的重量％含量。

表2

测量变量		Rp0.2	Rm	Ag	A50mm
						合金		MPa	MPa	％	％
ST5049	传统	99	215	16.4	21.9
						ST5454	传统	118	246	17.4	21.8
ST5918	传统	129	264	18.1	19,8
						V1	按照本发明	115	246	16.2	20.7
V2	按照本发明	125	271	18.5	21.3
						V3	按照本发明	132	288	15.8	20.6
V4	按照本发明	133	289	18.7	22.0

由所有七种铝合金铸造轧制铸块并在500℃至550℃均质化该轧制铸块至少2小时。这样得到的轧制铸块在280℃至500℃的热轧温度热轧成为热轧带材，并随后冷轧至最终厚度，其中，进行中间退火并最后在间歇式炉中在300℃至400℃的温度之间进行冷轧带材的软化退火。带厚为1.5mm。

铝合金板从制得的铝合金带获得，其机械特征值在按照DIN EN10002-1的垂直于轧制方向的拉伸试验中确定。测量值在表2中示出。测量值显示，例如按照本发明的实施例V1比标准合金ST5049具有明显更高的抗拉强度和屈服强度。按照本发明的合金带和标准合金的均匀延伸的延伸率A_g和A_50mm差别并不明显，从而可以认为按照本发明的铝合金具有像标准合金一样的变形性。

与标准合金ST5454相比，合金变体V2同样具有更高的抗拉强度和屈服强度。按照本发明的变体V2的均匀延伸率A_g和延伸率A_50mm也得出与标准合金ST5454近乎一样的数值。这同样也适用于变体V3和V4，与传统的铝合金变体ST5918相比，变体V3和V4表现出改善的抗拉强度值和屈服强度。因此，按照本发明的铝合金具有非常好的机械特征值并且可以同样地加工成为能够比较的标准合金。

按照本发明的实施例和传统的实施例现进行按照ASTM G67的耐腐蚀测试，该测试可以通过质量损失的测量测得铝合金的易受晶间腐蚀性。在该测试中，在经过或没经过热学预处理的情况下，从铝合金板或铝合金带裁下的长50mm且宽60mm的测试条在高浓度硝酸中在30℃保存24小时。只要样品中存在沿晶界析出的β相，硝酸优先从晶界上溶解β相并由此引起在稍后的重量测量中明显的质量损失。

为了确定在热负荷使用区域中的易受晶间腐蚀性，在按照ASTMG67的质量损失测定之前，样品进行在升高的温度下保存的形式的预处理。为此，样品在130℃保存17、100和500小时并随后进行质量损失测试。除此之外，为了实现按照本发明的铝合金和现有技术已知的铝合金能够比较，还进行了在100℃保存100小时的处理。

表3

表3中示出了各个保存的条件和按照ASTM G67测得的质量损失(mg/cm²)。根据ASTM G67，耐晶间腐蚀的铝合金达到1至15mg/cm²质量损失，反之，不耐晶间腐蚀的铝合金有25至75mg/cm²质量损失。

可以明显地看出，含相对低的2.05重量％镁含量的标准合金ST5049具有最强的耐晶间腐蚀性。该铝合金即使在130℃保存500h也没有在测试中改变其耐腐蚀特性。但是，该合金具有最低的机械强度值。

与之相反，标准合金ST5454和标准合金ST5918具有不同的表现。ST5454在130℃下500h的预敏化中有16.2mg/cm²的质量损失。当样品在130℃下保存100小时或500小时，ST5918在浓硝酸中保存之后同样显示出明显升高的质量损失，最大可达到30.9mg/cm²。对此如果比较按照本发明的铝合金在130℃下保存500小时的结果，那么按照本发明的铝合金尽管具有同样高的镁含量但对晶间腐蚀明显更加稳定。

按照本发明的铝合金V4在130℃下保存500小时的最大质量损失为8.9mg/cm²，并比标准合金ST5918低三倍多。由于其质量损失小于15mg/cm²，因此铝合金V4按照ASTM G67可视为耐晶间腐蚀。尽管与各个标准合金ST5454或ST5918相比具有更高的镁含量和更高的强度值，按照本发明的铝合金的特点在于还具有突出的耐晶间腐蚀性。

特别是，与现有技术已知的高镁含量铝合金的结果比较显示出，在所选的铝合金范围内能够实现铝合金耐晶间腐蚀性显著的提高，而不必承受回收或高生产成本的问题。

最后还可能的是，为了提供高镁含量且耐晶间腐蚀的铝合金和合金产品，最高经济性的间歇式炉可用于完成软化退火。到目前为止，人们认为在连续的工艺生产线中，固溶退火为实现耐晶间腐蚀性是必要的。

Claims (12)

1.一种铝合金，所述铝合金包含的合金成分具有以下以重量％表示的组成成分：

2.91％≤Mg≤4.5％,

0.5％≤Mn≤0.8％,

0.05％≤Cu≤0.30％,

0.05％≤Cr≤0.30％,

0.05％≤Zn≤0.9％,

Fe≤0.40％,

Si≤0.25％,

Ti≤0.20％,

剩余Al和单独小于0.05％，总量最大为0.15％的杂质，并且其中，下式适用于所述合金成分Zn、Cr、Cu和Mn：

(2.3×％Zn+1.25×％Cr+0.65×％Cu+0.05×％Mn)+2.4≥％Mg。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，下式适用于所述合金成分Zn、Cr、Cu和Mn：

(2.3×％Zn+1.25×％Cr+0.65×％Cu+0.05×％Mn)+1.4≤％Mg。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，所述合金成分Cu具有以下重量％的含量：

0.05％≤Cu≤0.20％。

4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述合金成分Cr具有以下重量％的含量：

0.05％≤Cr≤0.20％。

5.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述合金成分Mg和Zn具有以下重量％的含量：

2.91％≤Mg≤3.6％,

0.05％≤Zn≤0.75％。

6.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述合金成分Mg的含量最小为3.6重量％和最大为4.5重量％。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的铝合金制成的铝合金带或铝合金板在汽车、飞机或轮船制造中用于制造底盘构件或者结构部件的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述铝合金带或铝合金板用于制造底盘构件或者结构部件，所述构件设置在发动机、排气装置或机动车的其他热源的区域中。

9.根据权利要求7或8所述的应用，其特征在于，所述底盘构件或者结构部件具有至少一个焊缝。

10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述铝合金带或铝合金板的壁厚为0.5mm到0.8mm。

11.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述铝合金带或铝合金板的壁厚为1.5到5mm。

12.一种制造铝合金带或铝合金板的方法，所述铝合金带或铝合金板由根据权利要求1至6中任意一项所述的铝合金构成，所述方法包括以下步骤：

-铸造由所述铝合金制成的轧制铸块，

-在500℃至550℃均质化所述轧制铸块至少2小时，

-在280℃至500℃的热轧温度下热轧所述轧制铸块成为热轧带材，

-在进行或不进行中间退火的条件下，冷轧所述热轧带材至最终厚度并且，

-在间歇式炉中，在300℃至400℃软化退火冷轧带材。