CN105316545B - 铝合金轧制材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种强度和冲压加工性优异、即使在耐酸铝处理后也不易发生斑状外观不良的铝合金轧制材料。一种自行车的曲柄零件中使用的铝合金轧制材料，具有如下的成分组成：含有0.6～1.4质量％的Mg、0.3～1.0质量％的Si、0.1～0.5质量％的Cu、0.02～0.4质量％的Cr、0.1～0.6质量％的Mn，剩余部分由Al和不可避免的杂质构成。

Description

铝合金轧制材料
技术领域
本发明涉及一种自行车的曲柄零件中使用的铝合金轧制材料。更详细而言，涉及一种6000系铝合金轧制材料。
背景技术
以往，在自行车的曲柄零件中使用铝合金的挤压锻造材料，但近年来随着自行车的畅销，曲柄零件的制造数量增加，为了降低成本，人们开始研究使用了轧制材料的曲柄零件。使用轧制材料制造曲柄零件时，若对高强度的铝合金板材直接进行冲压加工，则有时会产生裂纹等，无法得到规定的品质。因此有时进行如下处理，首先使用软质材料(O态材料(日本语称作“O材”)作为原材料施行冲压加工，获得曲柄形状的成型加工零件，进而为了提高曲柄制品的强度，对所得到的成型加工零件进行固溶处理后，施行时效硬化处理(相当于T6处理)，收尾时进行阳极氧化(耐酸铝：alumite)处理。
作为成型加工用铝合金轧制板，例如有如下的轧制板：通过使成分组成达到特定范围、同时特定轧制或固溶处理等各工序的条件，从而维持强度和成型性的同时降低了面内各向异性的轧制板(参照专利文献1)。另外，在Al－Mg－Si系合金方面提案了一种方案，为了防止耐酸铝处理后的光泽度降低，控制其组成、硬度、晶出物的颗粒数和颗粒平均面积等的同时，经过切削加工或研磨工序使表面变得平滑(参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开平5－263203号公报
专利文献2：日本特开2000－54054号公报
但是，使用现有的铝合金轧制板按照前述的方法制造曲柄零件时，在阳极氧化(耐酸铝)处理后的零件上会发生看起来呈斑状的外观不良。这是由于通过冲压加工施加在成型加工品的各部位的应变在每个部位是不同的，因此在之后的固溶处理中的加热后，材料组织是原始不变的加工组织、或是进行了重结晶的组织，因此在耐酸铝处理后的外观上出现不同，看起来呈斑状。关于该现象，即使使用前述的专利文献2中记载的Al－Mg－Si系合金，也无法控制固溶处理后的组织形态，因此无法充分抑制这样的外观不良。
发明内容
因此，本发明主要目的在于提供一种强度和冲压加工性优异、即使在耐酸铝处理后也不易发生斑状外观不良的铝合金轧制材料。
本发明人为了解决所述的课题，进行了深入的实验研究，结果得到了以下所示的认知。作为斑状外观不良的原因之一，可以列举由固溶处理引起的结晶组织的粗大化。另一方面，通过冲压加工形成曲柄形状的成型加工零件时，会在铝合金轧制板中导入应变。而且，还明确了：在该应变较小的部位容易发生由固溶处理引起的晶粒的过度生长。
于是，本发明人对抑制晶粒过剩生长的方法进行了研究，发现通过添加过渡元素或控制析出物的分布密度，可以维持优异的强度或冲压加工性，同时可以抑制耐酸铝处理后的斑状外观不良的发生，由此完成了本发明。
即，本发明的铝合金轧制材料是自行车的曲柄零件中使用的铝合金轧制材料，其具有如下的成分组成：含有0.6～1.4质量％的Mg、0.3～1.0质量％的Si、0.1～0.5质量％的Cu、0.02～0.4质量％的Cr、0.1～0.6质量％的Mn，剩余部分由Al和不可避免的杂质构成。
在本发明的铝合金轧制材料中，Fe可以限制在0.7质量％以下。
另外，本发明的铝合金轧制材料可以含有0.05～0.15质量％的Zr。
另一方面，本发明的铝合金轧制材料每1μm3可以包含500个以上的10～300nm大小的分散颗粒。
发明效果：
根据本发明，由于使成分组成处于特定范围，因此作为自行车曲柄用零件可以维持优异的强度和冲压加工性，同时可以抑制斑状外观不良的发生。
具体实施方式
下面，对用于实施本发明的方式进行详细说明。需要说明的是，本发明并不限于以下所说明的实施方式。
本发明的实施方式所涉及的铝合金轧制材料是6000系铝合金，在自行车的曲柄零件中使用。具体而言，本实施方式的铝合金轧制材料具有如下的成分组成：含有0.6～1.4质量％的Mg、0.3～1.0质量％的Si、0.1～0.5质量％的Cu、0.02～0.4质量％的Cr和0.1～0.6质量％的Mn，剩余部分由Al和不可避免的杂质构成。另外，本实施方式的铝合金轧制材料，根据需要，可以限制Fe在0.7质量％以下，还可以含有0.05～0.15质量％的Zr。
[Mg：0.6～1.4质量％]
Mg具有通过固溶强化提高铝合金轧制材料的强度的作用效果。另外，Mg还具有在固溶处理和人工时效处理后通过与Si结合形成Mg－Si系析出物来提高铝合金轧制材料的强度的作用效果。但是，在Mg含量不足0.6质量％时，无法充分得到上述的作用效果，而若Mg含量超过1.4质量％，则成型加工性降低，在冲压加工中产生裂纹。因此，在本实施方式的铝合金轧制材料中，Mg含量设为0.6～1.4质量％。
[Si：0.3～1.0质量％]
Si具有在固溶强化和固溶处理以及人工时效处理后通过与Mg结合形成Mg－Si系析出物来提高铝合金轧制材料的强度的作用效果。但是，在Si含量不足0.3质量％时，无法充分得到该作用效果。另一方面，若Si含量超过1.0质量％，则容易生成Al－Fe－Si系金属间化合物或Al－Fe－Mn－Si系金属间化合物等粗大的金属间化合物。这种粗大的金属间化合物在成型时容易成为裂纹的起点，因此若铝合金轧制材料中存在这些粗大的金属间化合物，则在冲压加工中容易产生裂纹。因此，在本实施方式的铝合金轧制材料中，Si含量设为0.3～1.0质量％。
[Cu：0.1～0.5质量％]
Cu具有在固溶强化和固溶处理以及人工时效处理后促进Mg－Si系析出物的形成从而提高铝合金轧制材料的强度的作用效果。但是，在Cu含量不足0.1质量％时，无法充分得到该作用效果，而若Cu含量超过0.5质量％，则成型加工性降低，在冲压加工中容易产生裂纹。因此，在本实施方式的铝合金轧制材料中，Cu含量设为0.1～0.5质量％。
[Cr：0.02～0.4质量％]
Cr具有如下的作用效果：抑制铝合金轧制材料的重结晶以提高强度，同时使所制造的曲柄零件在耐酸铝处理后外观变得均匀且良好。但是，在Cr含量不足0.02质量％时，无法充分得到该作用效果。另一方面，若Cr含量超过0.4质量％，则容易生成Al－Mg－Cr系金属间化合物等粗大的金属间化合物。这种粗大的金属间化合物在成型时容易成为裂纹的起点，因此若铝合金轧制材料中存在这些粗大的金属间化合物，则在冲压加工中容易产生裂纹。另外，固溶处理时的淬火敏感性变得敏锐，时效处理后的强度降低。因此，在本实施方式的铝合金轧制材料中，Cr含量设为0.02～0.4质量％。
[Mn：0.1～0.6质量％]
Mn具有如下的作用效果：通过固溶强化提高铝合金轧制材料的强度，同时使所制造的曲柄零件在耐酸铝处理后外观变得均匀且良好。但是，在Mn含量不足0.1质量％时，无法充分得到该作用效果。另一方面，若Mn含量超过0.6质量％，则容易生成Al－Fe－Mn系金属间化合物或Al－Fe－Mn－Si系金属间化合物等粗大的金属间化合物。这种粗大的金属间化合物在成型时容易成为裂纹的起点，因此若铝合金轧制材料中存在这些粗大的金属间化合物，则在冲压加工中容易产生裂纹。另外，固溶处理时的淬火敏感性变得敏锐，时效处理后的强度降低。因此，在本实施方式的铝合金轧制材料中，Mn含量设为0.1～0.6质量％。
[Fe：0.7质量％以下]
Fe会形成Al－Fe－Mn系金属间化合物、Al－Fe－Si系金属间化合物和Al－Fe－Mn－Si系金属间化合物等，特别是Fe含量超过0.7质量％时，存在着这些金属间化合物变得粗大、或者形成大量的这种金属间化合物的趋势。粗大的金属间化合物在成型时容易成为裂纹的起点，因此若铝合金轧制材料中存在这些粗大的金属间化合物，则在冲压加工中容易产生裂纹。因此，Fe含量优选限制在0.7质量％以下。
[Zr：0.05～0.15质量％]
Zr具有如下的作用效果：抑制铝合金轧制材料的重结晶以提高强度，同时使所制造的曲柄零件在耐酸铝处理后外观变得均匀且良好，因此根据需要可以添加Zr。但是，在Zr含量不足0.05质量％时，无法充分得到该作用效果。另一方面，若Zr含量超过0.15质量％，则容易生成Al3Zr等粗大的金属间化合物。若铝合金轧制材料中存在这种粗大的金属间化合物，则成型时其成为裂纹的起点，在冲压加工中容易产生裂纹。另外，固溶处理时的淬火敏感性变得敏锐，时效处理后的强度降低。因此，在添加Zr时，其含量优选达到0.05～0.15质量％的范围。
[其他添加元素]
在本实施方式的铝合金轧制材料中，还可以以0.005～0.2质量％的范围含有Ti，由此可以将铸锭微细化。通常，在添加Ti的情况下，在金属溶液中添加Ti：B＝5：1的比例的铸锭细化剂(Al－Ti－B)。因此，也必然添加符合含有比例的B。
[剩余部分：Al和不可避免的杂质]
前述的各成分以外的成分、即剩余部分是Al和不可避免的杂质。作为本实施方式的铝合金轧制材料中的不可避免的杂质，例如可以列举Zn、V、Ga、In、Sn、Sc、Ni、C、Na、Ca、Bi和Sr等。这些不可避免的杂质的含有比例分别在0.05质量％以下时，不会妨碍本发明的效果，可以接受。
[分散颗粒：500个以上/1μm3]
本实施方式的铝合金轧制材料优选每1μm3含有500个以上的10～300nm大小的分散颗粒，更优选含有700个以上。如上所述，在曲柄零件的制造中，作为在耐酸铝处理后发生斑状外观不良的原因，可以列举在固溶处理时在一部分部位发生晶粒组织的粗大化。在通过冲压加工导入的应变较小的部位上容易发生该晶粒组织的粗大化，为了抑制该粗大化现象，利用抑制微细分散颗粒的晶间移动的、所谓的钉扎作用是有效的。
这里，作为铝合金轧制材料中的分散颗粒，例如有Al－Fe－Cu－Si－Mn－Cr、Al－Cu－Si－Mn－Cr和Al－Cu－Si－Mn等，各颗粒的大小为10～300nm。而且，若每1μm3分布500个以上的这样的微细分散颗粒，则可以抑制在耐酸铝处理后的曲柄零件中发生斑状的外观不良。
[制造方法]
本实施方式的铝合金轧制材料例如可以按照以下所示的方法来制造。首先，溶解前述的成分组成的铝合金进行铸造，制作铸锭。接下来，对该铸锭施行平面切削，之后在500℃以上且低于铝合金熔点的温度下进行均质化热处理。之后，将均质化热处理后的铸锭热轧，形成轧制材料。
热轧后，再进行冷轧，可以使板厚变薄。另外，还可以将轧制板加热至300～450℃，并施行保持0.5小时以上的退火，形成O态材料。
如以上所详述，本实施方式的铝合金轧制材料由于添加了特定量的过渡元素，因此可以抑制由固溶处理引起的晶粒组织的粗大化，可以抑制斑状外观不良的发生。另外，本实施方式的铝合金轧制材料，其强度和冲压加工性优异，适合用作自行车曲柄用零件。
实施例
下面，列举本发明的实施例和比较例，对本发明的效果进行具体说明。在本实施例中，制作成分组成不同的实施例和比较例的铝合金轧制板，评价其性能。
＜铝合金轧制板的制作＞
首先，溶解下述表1所示的组成的铝合金进行铸造，形成铸锭。接下来，对该铸锭施行平面切削，之后在520℃下施行4小时的均质化热处理。之后，对进行了均质化的铸锭施行热轧，再施行冷轧，形成板厚为2.0mm的铝合金板。另外，将冷轧后的轧制板加热至380℃，在该温度下施行保持4小时的退火，形成评价用的板材(O态材料)。
【表1】
＜O态材料的机械性质评价＞
从实施例和比较例的各评价用板材(O态材料)中以轧制方向构成垂直方向的方式切出来JIS 5号试验片(JIS：Japanese Industrial Standards，日本工业标准)。对于该试验片，依照JIS Z2241使用株式会社岛津制作所(SHIMADZU CORPORATION)制落地式万能拉伸试验机AG－I(床置形万能引張試験機AG－Ⅰ)进行拉伸试验，测定拉伸强度(MPa)、0.2％耐力(MPa)和伸长率(％)。此时，十字头速度为5mm/分钟，以恒定速度进行试验直至试验片断裂。
＜冲压加工性评价＞
对于实施例和比较例的各评价用板材(O态材料)，使用自行车用曲柄零件的冲压加工设备进行加工试验，评价其加工性。其结果，能够无裂纹地成型、例如加工品的角部部位不存在粗糙这样的加工不良的板材视为“加工性优异”，评价为合格(○)，而将产生了裂纹或出现了粗糙或收缩的板材视为“加工性不良”，评价为不合格(×)。
＜固溶·时效处理后的强度评价＞
在制造自行车用曲柄零件时，为了提高强度，对已冲压加工成规定形状的成型品进行固溶处理，之后进行人工时效固化处理。因此，在本实施例中，将冲压加工性评价中制作的冲压成型品加热至520℃的温度，在此状态下保持1小时，之后进行强制空冷，再于170℃下施行8小时的人工时效处理。从时效处理后的成型品的尽可能平坦的部位以轧制垂直方向构成纵向的方式切出来JIS 5号拉伸试验片。
对于该试验片，依照JIS Z2241使用株式会社岛津制作所(SHIMADZUCORPORATION)制落地式万能拉伸试验机AG－I进行拉伸试验，测定拉伸强度(MPa)。此时，十字头速度为5mm/分钟，以恒定速度进行试验直至试验片断裂，测定3次，以平均值计算拉伸强度。其结果，拉伸强度为300MPa以上时判断为优异。
＜耐酸铝处理后的外观评价＞
使用对前述冲压加工性评价中制作的冲压加工品在前述的固溶·时效处理后的强度评价中以所述的条件下施行了固溶处理和时效处理而获得的加工品。研磨完该加工品的表面，再施行硫酸耐酸铝处理，作为最终的产品(曲柄零件)外观。将耐酸铝表面外观均匀且良好的情形评价为合格(○)，将表面到处产生斑点、或者没有均匀地形成耐酸铝覆膜而成为缺陷的情形评价为不合格(×)。
＜分散颗粒的分布评价＞
使用透过型电子显微镜(TEM)观察、测定进行了退火而形成O态材料的铝合金轧制材料中存在的Al－Fe－Cu－Si－Mn－Cr、Al－Cu－Si－Mn－Cr和Al－Cu－Si－Mn等分散颗粒的分布。此时，将测定样品的薄膜厚度调整至400nm，在观察倍率5万倍下进行拍摄。然后，使用所得的分散颗粒的照片，求出每1μm3的分散颗粒数。
以上的结果汇总显示在下述表2中。
【表2】
如上述表2所示，在本发明的范围内制作的实施例1～17的铝合金轧制板，在O态材料的机械性质(拉伸强度、耐力以及伸长率)、冲压加工性、以及固溶·时效处理后的强度(拉伸强度)方面均良好。另外，实施例1～17的铝合金轧制板，在其分散颗粒的分布评价中，每1μm3含有700个以上的10～300nm大小的分散颗粒，耐酸铝处理后的外观也良好。
相对于此，比较例1的铝合金轧制板，由于其Mg含量不足本发明范围的下限，因此与实施例的铝合金轧制板相比其O态材料的拉伸强度以及耐力和固溶·时效处理后的拉伸强度差。另一方面，比较例2的铝合金轧制板，由于其Mg含量超过了本发明范围的上限，因此O态材料的伸长率小，冲压加工性不良。
比较例3的铝合金轧制板，由于其Si含量不足本发明范围的下限，因此与实施例的铝合金轧制板相比固溶·时效处理后的拉伸强度差。另一方面，比较例4的铝合金轧制板，由于其Si含量超过了本发明范围的上限，因此O态材料的伸长率小，冲压加工性不良。
比较例5的铝合金轧制板，由于其Cu含量不足本发明范围的下限，因此与实施例的铝合金轧制板相比固溶·时效处理后的拉伸强度差。另一方面，比较例6的铝合金轧制板，由于其Cu含量超过了本发明范围的上限，因此O态材料的伸长率小，冲压加工性不良。
比较例7的铝合金轧制板，由于其Cr含量不足本发明范围的下限，因此耐酸铝处理后的外观评价结果不合格。另一方面，比较例8的铝合金轧制板，由于其Cr含量超过了本发明范围的上限，因此O态材料的伸长率小，冲压加工性不良，而且固溶·时效处理后的拉伸强度较实施例的铝合金轧制板差。
比较例9的铝合金轧制板，由于其Mn含量不足本发明范围的下限，因此耐酸铝处理后的外观评价结果不合格。另一方面，比较例10的铝合金轧制板，由于其Mn含量超过了本发明范围的上限，因此O态材料的伸长率小，冲压加工性不良，而且固溶·时效处理后的拉伸强度较实施例的铝合金轧制板差。
比较例11的铝合金轧制板，由于其Fe含量并不处于杂质的水平而是超过了本发明范围的上限，因此O态材料的伸长率小，冲压加工性不良。
比较例12的铝合金轧制板，由于其Zr含量并不处于杂质的水平而是超过了本发明范围的上限，因此O态材料的伸长率小，冲压加工性不良，而且固溶·时效处理后的拉伸强度较实施例的铝合金轧制板差。
比较例13的铝合金轧制板，由于其Mg含量和Si含量均超过了本发明范围的上限，因此O态材料的伸长率小，冲压加工性不良。另一方面，比较例14和比较例16的铝合金轧制板，由于其Mg含量和Si含量均不足本发明范围的下限，并且Cu含量超过了本发明范围的上限，因此O态材料的伸长率小，冲压加工性不良，而且固溶·时效处理后的拉伸强度较实施例的铝合金轧制板差。
比较例15的铝合金轧制板，由于其Cr含量和Mn含量均超过了本发明范围的上限，因此O态材料的伸长率小，冲压加工性不良，而且固溶·时效处理后的拉伸强度较实施例的铝合金轧制板差。
由以上的结果确认到：本发明的铝合金轧制材料，其O态材料和固溶·时效处理后的强度良好，具有优异的冲压加工性，同时可以抑制斑状外观不良的发生。因此，本发明的铝合金轧制材料适合用作自行车曲柄用零件，这种情况下，其作为自行车曲柄用零件可以维持优异的强度和冲压加工性，同时可以抑制斑状外观不良的发生。

Claims (3)

1.一种铝合金轧制材料，是自行车的曲柄零件中使用的铝合金轧制材料，所述铝合金轧制材料含有：
Mg：0.6～1.4质量％、
Si：0.3～1.0质量％、
Cu：0.1～0.5质量％、
Cr：0.02～0.4质量％、
Mn：0.1～0.6质量％，
剩余部分由Al和不可避免的杂质构成；
所述铝合金轧制材料中，每1μm3含有500个以上的10～300nm大小的分散颗粒。
2.根据权利要求1所述的铝合金轧制材料，其中，Fe限制在0.7质量％以下。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金轧制材料，其中，还含有0.05～0.15质量％的Zr。
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