CN104946941A - 铝合金及铝合金制高强度螺栓 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝合金及铝合金制高强度螺栓。本发明提供一种用于获得作为汽车零件具有充分的耐热性、抗拉强度和耐应力腐食裂纹性的构件的铝合金及将该种铝合金锻造而成的锻造零件、铝合金制高强度螺栓。使铝合金组成(以质量比计)含有1.0％～1.7％的Si、0.05％～0.5％的Fe、0.8％～1.5％的Cu、0.6％～1.2％的Mn、0.9％～1.5％的Mg、0.05％～0.5％的Zn、0.05％～0.3％的Zr以及0.01％～0.2％的V，依据需要含有大于0且在0.05％以下的Ti，进一步依据需要含有大于0且在0.7％以下的Ni，余量由Al和不可避免的杂质构成。

Description

铝合金及铝合金制高强度螺栓

本申请是申请日为2010年12月14日、申请号为201080039246.X、发明名称为“铝合金及铝合金制高强度螺栓”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用作高强度构件的原料的铝合金和使用该种合金形成的各种构件，例如锻造零件、紧固用零件、特别是具有450MPa以上的强度的铝合金制高强度螺栓。

背景技术

近几年，对汽车的燃料经济性提高的需求日益增加，为了提高燃料经济性，要求各构件轻型化。作为轻型化的具体方案，将钢制零件替换成铝合金、镁合金等轻合金是有效的。

例如在将发动机和变速箱等镁合金化而谋求轻型化时，从防止电蚀、轻型化的观点出发，对于用于固定这些发动机和变速箱等的紧固构件(螺栓等)，最好也从钢改为铝合金。

作为该种铝合金制的紧固构件，公知对6000系铝合金(Al–Mg–Si系)进行锻造而成的高强度铝合金制螺钉(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本特许第3939414号公报

但是，在专利文献1所公开的那样的6000系铝合金制螺钉中，室温的抗拉强度为400MPa左右，耐热强度也比钢制螺栓低，因此需要增大螺栓尺寸或增加紧固点的数量等，以进行应对。

另一方面，在利用现有的7000系铝合金(Al–Zn系)制造了螺栓的情况下，室温强度能够获得500MPa以上，但是耐热性比6000系合金低，而且对应力腐食裂纹的敏感性也较高，因此需要对表面进行铝阳极化处理(alumite treatment)等对策，存在成本增加的问题。

发明内容

本发明是着眼于螺栓等紧固构件所代表的以往的铝合金制构件中的上述问题而完成的，其目的在于，提供一种用于获得作为汽车零件具有充分的耐热性、抗拉强度和耐应力腐食裂纹性的构件的铝合金。另外，其目的还在于，提供由该种铝合金形成的各种构件，例如对上述合金进行锻造而成的锻造零件、铝合金制的高强度螺栓。

本发明人为了达到上述目的，对合金成分、热处理方法等反复进行了潜心研究，结果发现通过将Si、Fe、Mn、Zr、V等合金成分的含量分别限定在特定范围内，能够达到上述目的，由此完成了本发明。

即，本发明是基于上述见解的发明，本发明的铝合金的特征在于，以质量比计含有1.0％～1.7％的Si、0.05％～0.5％的Fe、0.8％～1.5％的Cu、0.6％～1.2％的Mn、0.9％～1.5％的Mg、0.05％～0.5％的Zn、0.05％～0.3％的Zr以及0.01％～0.2％的V，依据需要含有大于0且为0.05％以下的Ti，进一步依据需要含有大于0且为0.7％以下的Ni，余量由Al和不可避免的杂质构成。

另外，本发明的锻造零件和铝合金制高强度螺栓的特征均在于，由本发明的上述铝合金形成，上述高强度螺栓的特征在于，具有450MPa以上的抗拉强度。

采用本发明，由于分别在特定的范围内添加了铝合金的成分元素，特别是Si、Fe、Mn、Zr、V等，因此通过实施适当的热处理，能够获得耐热性、抗拉强度和耐应力腐食裂纹性优异的铝合金制的锻造零件、高强度螺栓等。

附图说明

图1是表示在本发明的实施例中用于评价螺栓性能的螺栓形状·尺寸的说明图。

图2是表示在本发明的实施例中用在螺栓的应力腐食裂纹试验中的治具(jig)的形状·尺寸的说明图。

图3是表示本发明的实施例中的螺栓的应力腐食裂纹试验要点的说明图。

图4是表示本发明的一实施方式中的锻造零件的应用例的示意说明图。

具体实施方式

下面，关于本发明的铝合金、由该合金形成的零件，连同合金成分的作用、这些合金成分的限定理由而一并进一步详细说明。另外，在本说明书中，只要没有特别记载，则“％”表示质量百分率。

铝合金

(1)Si含量：1.0％～1.7％

Si(硅)是本发明的合金的主要元素之一，与Mg、Cu一起有助于提高室温强度。

利用人工时效处理使Mg₂Si析出，提高强度，但当Si的含量大于1.7％时，会使耐应力腐食裂纹性、耐腐蚀性下降。另一方面，当Si的含量低于1.0％时，不能发挥上述功能，则铝合金的强度会不够。

(2)Fe含量：0.05％～0.5％

Fe(铁)是与Mn、Al、Ni等形成化合物而有助于提高耐热性、加工性的成分。

当Fe的含量低于0.05％时，不能获得提高耐热性、加工性的效果，而缺乏耐热性。另一方面，当大于0.5％地过度添加Fe时，耐腐蚀性会下降。另外，会产生粗大的夹杂物，而对该铝合金的拉伸特性、加工性也产生不良影响。

(3)Cu含量：0.8％～1.5％

Cu(铜)是和Si、Mg一起有助于提高室温强度的元素，但当Cu的含量低于0.8％时，不能获得添加的效果，则铝合金的强度会不够。反之当Cu的含量高于1.5.％时，在固溶处理时容易过烧，除此之外合金的耐腐蚀性、锻造加工性也会下降。

(4)Mn含量：0.6％～1.2％

Mn(锰)是帮助固溶强化的元素。另外，Mn也与Fe等形成化合物(例如Al–Fe–Mn–Si系)而有助于提高耐热性、加工性。而且，具有提高与锻造时的模之间的耐粘着性的效果。

在Mn的添加量低于0.6％的情况下，不能发挥上述效果，不仅无法获得期望的强度，而且在锻造时容易与模之间发生粘着。另一方面，在Mn的添加量高于1.2％时，会产生粗大的夹杂物(MnAl₆等)，而对拉伸特性(特别是伸长率)、加工性产生不良影响。

(5)Mg含量：0.9％～1.5％

Mg(镁)是与Si、Cu一起有助于提高室温强度的元素，但是在Mg的含量低于0.9％时，不能充分地获得添加的效果，强度会不够。

另一方面，在Mg的含量高于1.5％时，不利于强度提高的粗大的析出物会变多，耐应力缓和性、耐腐蚀性和加工性会下降。

(6)Zn含量：0.05％～0.5％

Zn(锌)是利用Al–Mg–Zn系粒子的时效析出而有助于强化合金的元素。另外，虽然Zn能够提高电镀等的表面处理性，但是在过量地添加Zn时，耐腐蚀性会下降，而且强度也会受影响，因此需使Zn在0.05％～0.5％的范围内。

(7)Zr含量：0.05％～0.3％

Zr(锆)具有防止热处理时的晶粒的粗大化、稳定晶粒直径的效果，但是在Zr的添加量少于0.05％时，不能充分地发挥防止粗大化的效果，因晶粒的粗大化而使拉伸特性和耐应力腐食裂纹性下降。

另一方面，在Zr的添加量高于0.3％时，粗大的夹杂物会成长，则加工性和拉伸特性会下降。

(8)V含量：0.01％～0.2％

V(钒)与Al等形成化合物而提高耐热性。并且，V具有如下优点，即，通过添加V而产生的对耐应力腐食裂纹性的不良影响较小。

在V的添加量少于0.01％的情况下，不能充分地获得提高耐热性的效果。反之在V的添加量高于0.2％时，会生成粗大的夹杂物，则耐腐蚀性、铸造性和加工性会下降。

(9)Ti含量：大于0％且在0.05％以下

Ti(钛)与Zr相同，也是有效防止晶粒的粗大化的元素，因此是能以同样的目的依据需要而添加的任意成分。

但是，在过量地添加Ti时，加工性和拉伸特性会下降，因此即使要添加，也需使Ti的含量在0.05％以下的范围内。另外，为了获得晶粒的充分的微细化效果，最好添加0.01％以上的Ti。

(10)Ni含量：大于0％且在0.7％以下

Ni(镍)是与Al、Fe等形成化合物而提高耐热性的元素，因此是能以这样的目的依据需要而添加的任意成分。

但是，大于0.7％的过量添加会使Ni成为粗大的夹杂物，对耐应力腐食裂纹性、拉伸特性和加工性也产生不良影响，因此即使要添加，也需要将Ni的含量抑制在0.7％以下。另外，为了发挥充分的提高耐热性的效果，最好添加0.01％以上的Ni。

本发明的铝合金的热处理方法没有特别限定，例如可以实施T6处理(固溶处理→人工时效处理)、T8处理(固溶处理→加工→人工时效处理)、T9处理(固溶处理→人工时效处理→冷加工)，而能够形成为具有450MPa以上的抗拉强度，且耐热性、耐拉伸特性、耐应力缓和特性和耐应力腐食裂纹性也优异的零件。

另外，除此之外，如果是作为铝合金的热处理而公知的T5处理、T7处理、T10处理等含有人工时效处理的热处理的话，可以通过适当地选择热处理·加工的条件来获得高强度。

本发明的铝合金例如可以用作各种轧制板材、异型截面的挤出材料。

由铝合金形成的锻造零件

另外，作为锻造零件例如汽车用的锻造零件，可以较佳地用在悬挂梁等的车身零件、发动机、变速器中的各种支架类以及发动机的油盘、各种壳体·盖类紧固用的螺栓中，也可以较佳地用在用于紧固变速器、电动车和混合动力车用电动机的壳体等的螺栓、螺钉、螺母等中。另外，本发明的锻造零件的锻造方法没有特别限定，例如也包含400℃～500℃左右的温度下的热锻、螺栓的镦锻加工那样的冷锻在内。

这些零件能够采用通常的方法容易地进行制造，并且通过实施上述那样的热处理，这些零件会作为汽车零件发挥充分的耐热性、拉伸特性和耐应力腐食裂纹性，因此能够有助于实现车辆的轻型化。另外，由于这些零件显示出较高的耐应力缓和特性，因此也能较佳地用在发动机、变速器、电动机等放置在高温环境中的零件中。

特别是在采用了镁合金作为发动机、变速箱的情况下，当使用本发明的铝合金制的高强度螺栓时，不仅能够有效地防止电蚀，而且与以往的铝制螺栓相比，还能够减少紧固根数或减小螺栓的尺寸。

图4是表示本发明的锻造零件的一实施方式的示意图。附图标记1表示设于汽车用发动机的铝合金(例如ADC12)制缸体的、油盘安装用的内螺纹部。附图标记2表示设于耐热镁合金(例如MRI153、AE44合金)制油盘的座面部。

在本实施方式中，作为本发明的锻造零件的铝合金制螺栓3通过贯穿油盘的座面部2而与缸体的内螺纹部1螺纹接合，从而紧固油盘和缸体。该铝合金制螺栓3由本发明的铝合金形成，且实施了上述的热处理，典型地为T6处理(固溶处理→人工时效处理)、T8处理(固溶处理→加工→人工时效处理)、T9处理(固溶处理→人工时效处理→冷加工)。

在本实施方式中，铝合金制螺栓3发挥充分的耐热性、拉伸特性和耐应力腐食裂纹性，因此能够有助于实现发动机的轻型化。另外，即使在发动机的油盘部这样的高温环境下，该铝合金制螺栓3也能显示出较高的耐应力缓和特性。另外，该铝合金制螺栓3能够防止电蚀，并且与采用以往的铝制螺栓的情况相比，能够减少紧固根数或避免螺栓的尺寸增加。

另外，本发明并不限定于本实施方式的结构。例如也可以利用镁合金制成座面部2和内螺纹部1，或在温度上升较少的部位使用AZ91D等通用镁合金。

实施例

下面，根据实施例进一步详细说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。

(1)拉丝性

在利用电炉溶解表1所示的组成的铝合金后，铸造成直径为155mm的钢坯，对获得的铸锭实施540℃×4小时的均质化处理。

接着，在450℃～500℃的温度下进行挤出加工，获得了直径为13mm的圆棒。评价了获得的各圆棒的拉丝性。

表1

在对由挤出加工获得的直径为13mm的上述圆棒实施了350℃～400℃×3小时的退火处理后，对该圆棒进行拉丝加工而加工至直径9mm，并调查了是否有断线。并且，将没有断线的情况评价为“○”，将在拉丝加工至直径9mm的期间内发生了断线的情况评价为“×”，评价结果均如表2所示。

结果，确认到在实施例合金1～18中均未发生断线，相对于此，在Si、Mg、V、Ti的含量高于这些成分各自的上限值的规格的铝合金即比较例合金20、31、32中发生了断线，这些合金的拉丝性较差。

(2)拉伸性能

在将利用上述方法获得的直径为13mm的圆棒切割为规定的长度后，实施以550℃的温度保持了1小时之后进行水冷的固溶处理，而后进一步进行了180℃×6小时的人工时效处理。

然后，将该圆棒加工成拉伸试验片形状(平行段Φ10mm、计量标点间的距离为50mm)，进行了拉伸试验，调查了抗拉强度、0.2屈服强度、断裂伸长率。一并在表2中表示其结果。

结果，在Cu含量高于本发明的上限值的比较例合金22中，伸长率显著下降。这是因为，由于Cu含量过多，因此在固溶处理温度时出现液相，而发生了过烧。

另外，在Si、Cu、Mn的含量低于下限值且未添加V的比较例合金19、Fe和Mn的含量低于下限值的比较例合金23、Mg含量低于下限值的比较例合金25、Zn含量高于上限值的比较例合金27、Zr含量高于上限值的比较例合金28以及Zn含量低于下限值的比较例合金33中，抗拉强度为450MPa以下。

(3)螺栓性能

对于上述实施例及比较例合金中的、除了在拉丝加工中发生了断线的比较例合金20、31、32和在拉伸试验中未伸长的比较例合金22以外的合金，在对由上述挤出加工获得的直径为13mm的圆棒进行了350℃～400℃×3小时的退火后，实施拉丝加工，拔丝加工至直径7mm。此时，对中途断线了的合金再次实施了同样条件的退火。使用所获得的线材按照下述要点进行了螺栓加工。

(a)螺栓镦锻的加工性

在将获得的线材切割后，对螺栓头部形状(M8)实施了镦锻加工。加工后的螺栓的头部形状是图1所示的那样的六边形，凸缘直径为17mm。目视观察凸缘部是否有裂纹，并以下述的基准进行了评价，一并在表2中表示其结果。

○：在凸缘上没有裂纹

△：在凸缘上看到轻微的龟裂，但利用润滑剂、模具的调制能够成形

×：在凸缘上看到裂纹

结果，确认到在Fe及Ni、Mn、Mg、Zr的含量高于这些成分的各自的上限值的规格的铝合金即比较例合金21、23、26、29和Fe及Mn的含量低于这些成分的各自的下限值的比较例合金23中，凸缘产生裂纹，这些合金的加工性较差。

(b)耐应力缓和特性

对于在上述试验中结果比较良好的实施例合金1～18和比较例合金19、25、27、28、30、33，按照与上述同样的要点实施了挤出加工(直径13mm)、拔丝加工(直径7mm)和镦锻加工。并且，实施了在以550℃的温度保持了1小时后进行水冷的固溶处理，而后进一步进行了180℃×6小时的人工时效处理。然后，实施了滚轧成形加工，制成图1所示那样的公称直径为8mm、螺距为1.25mm的螺栓(M8×1.25)。

随后，使用蠕变试验机进行了150℃下的应力缓和试验。将初始应力设为预先求得的屈服强度的70％，测量了经过100小时后的应力保持率，将高于由比较例合金30形成的螺栓的应力保持率的螺栓评价为“○”，将低于其应力保持率的螺栓评价为“×”。

结果，如表2中一并表示的那样，判定了特别是在由V含量小于下限值的比较例合金19、30形成的螺栓中，与由其他合金形成的螺栓相比，耐应力缓和特性较差。

(c)耐应力腐食裂纹特性

对与上述应力缓和试验所用的螺栓同样地制成的螺栓实施了应力腐食裂纹试验。

即，如图3所示，借助具有图2的(b)所示那样的直径为9mm的通孔的方形片，在塑性区内将上述螺栓紧固到图2的(a)所示那样的具有内螺纹部的治具上。并且，在将该治具浸在10％的NaCl溶液中10分钟后，放置在大气中(约20℃、湿度为60％)24个小时，之后利用扭矩检查来判定是否有龟裂。

在没有龟裂的情况下，再次重复进行同样的循环(浸在10％的NaCl溶液中10分钟，然后放置在大气中24个小时)，结果在经过了1周的时刻，如表2中一并表示的那样，只有由V含量小于下限值的比较例合金30形成的螺栓在头下部分发生了龟裂，而其他螺栓并未发生龟裂。

另外，图2所示的治具由在T6处理(固溶处理→人工时效处理)后实施了铝阳极化处理的A6061合金(Al–Mg–Si系)形成。

表2

根据以上结果可明确判定，以Si、Fe、Mn、Zr、V为首的合金成分的量在这些合金成分的各自的特定范围内的实施例合金1～18的线材加工性和螺栓成形性均优异。另外，确认到通过对由这些合金形成的螺栓进行固溶处理后实施人工时效处理，这些螺栓能显示出450MPa以上的抗拉强度、400MPa以上的0.2屈服强度、9％以上的伸长率，且拉伸性能优异，并且在耐应力缓和性能和耐应力腐食裂纹性能方面也表现出良好的特性。

相对于此，在比较例合金19～33中，由于合金组成均不在上述特定范围内，因此这些比较例合金的上述各特性均较差，综合评价较低。

另外，上述实施例中的螺栓制造方法是通常的方法，除此之外例如可以应用进行固溶处理→加工(螺纹滚轧成形)→时效处理的T8处理等。

另外，在上述实施例中说明了螺栓，但本发明的铝合金不仅能够应用在螺栓中，如上所述还可以应用在轧制板材、挤出材料等中。此外，作为锻造零件也可以较佳地用在悬挂梁、发动机、变速器的各种支架类零件以及螺钉、螺母等紧固零件类零件中。

Claims (5)

1.一种铝合金，其特征在于，

该铝合金以质量比计由以下组成：1.0％～1.7％的Si、0.05％～0.5％的Fe、0.8％～1.5％的Cu、0.6％～1.2％的Mn、0.9％～1.5％的Mg、0.05％～0.5％的Zn、0.05％～0.3％的Zr以及0.01％～0.2％的V，余量的Al和不可避免的杂质。

2.一种铝合金，其特征在于，

该铝合金以质量比计由以下组成：1.0％～1.7％的Si、0.05％～0.5％的Fe、0.8％～1.5％的Cu、0.6％～1.2％的Mn、0.9％～1.5％的Mg、0.05％～0.5％的Zn、0.05％～0.3％的Zr、0.01％～0.2％的V以及大于0且在0.05％以下的Ti，余量的Al和不可避免的杂质。

3.一种铝合金，其特征在于，

该铝合金以质量比计由以下组成：1.0％～1.7％的Si、0.05％～0.5％的Fe、0.8％～1.5％的Cu、0.6％～1.2％的Mn、0.9％～1.5％的Mg、0.05％～0.5％的Zn、0.05％～0.3％的Zr、0.01％～0.2％的V、大于0且在0.05％以下的Ti以及大于0且在0.7％以下的Ni，余量的Al和不可避免的杂质。

4.一种锻造零件，其特征在于，

该锻造零件由权利要求1～3中任意一项所述的铝合金形成。

5.一种铝合金制高强度螺栓，其特征在于，

该铝合金制高强度螺栓由权利要求1～3中任意一项所述的铝合金形成，其抗拉强度为450MPa以上。