CN1071970A - 铝合金 - Google Patents

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神尾一
山田达
土屋健二
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Nippon Light Metal Co Ltd
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Abstract

一种铝合金，其成分(重量％)为：Si：1.0—1.5， Cu：0.4—0.9，Mn：0.2—0.6，Mg：0.8—1.5，Cr：0.3— 0.9，Ti：0.03—0.05，B：0.0001—0.01，余量为Al和不 可避免的杂质；Mn和Cr含量之和不大于1.2(重 量)，作为不可避免的杂质之一的Fe含量不大于 0.2％(重量)。该合金可进一步含Zr0.1—0.2％(重 量)，以促进晶粒细化，当进行塑性成型，固溶热处理 和提供最高强度的时效时，该合金具有40kgf/mm2 或更高的抗拉强度和15％或更大的延伸率。

Description

本发明涉及一种具有细晶组织，从而具有极好机械性能，特别是强度和延伸率极好的铝合金。
Al-Mg-Si铝基合金，特别是6000系铝合金，例如6061、6066、6067和6082通常进行热加工或冷加工或者通过锻造、轧制、挤压等塑性成形。6061合金最通用，但其抗拉强度较低，为27-33kgf/mm2，被用作中强材料。
6000系合金塑性成形成具有增高强度的所需形状，然后进行热处理，例如T6处理，它包括固溶热处理和随后在提供最高时效强度条件下的人工时效。但是，该热处理粗化热塑性加工形成的再结晶晶粒，从而降低机械性能，特别是强度和延伸率。当以50%或更大的高压缩或加工比加工时，再结晶晶粒的粗化特别显著。
日本未审专利公布（公开）NO.1-283337建议利用添加元素Mn、Cr、Zr等抑制晶粒粗化，该文认为，当Mn、Cr和Zr以一定量共同加入Al-Mg-Si铝基合金中时，在锻造或其他成形工艺和热处理过程中能抑制晶粒长大，否则会发生晶粒长大，从而提供具有细晶组织的塑性成形制品。
目前的趋势是适用于汽车零件，例如车架和悬吊部件的材料，当塑性成形和T6热处理时，要求40kgf/mm2或更高的抗拉强度和15%或更大的延伸率。但是，上面推荐的铝合金不满足这种要求，因为包括抗拉强度、弹限强度和延伸率的机械性能差，尽管同现有其他材料相比，它具有因细晶组织而产生的改进性能。
常用的铝合金，例如6000系合金，当铸造材料进行热加工或冷加工和T6热处理时，不能提供40kgf/mm2或更高的抗拉强度和15%或更大的延伸率，该热加工或冷加工通常是与或不与前述热挤压一起进行的锻造或轧制。
本发明的目的是消除Al-Mg-Si铝基合金的上述传统问题，从而提供一种系统控制合金化元素，如Cu、Cr、Mn和Zr的含量，以改进基体强度并抑制晶拉粗化的铝合金，这样当进行塑性加工和T6热处理时，就达到极好的机械性能，包括40kgf/mm2或更高的抗粒强度和15%或更大的延伸率，以提供特有的轻质铝合金的零件和结构件。
本发明另一个目的是提供由上述铝合金构成的塑性成形铝合金制品。
为达到本发明目的，提供化学成分（重量%）如下的铝合金：
Si：1.0-1.5，
Cu：0.4-0.9，
Mn：0.2-0.6，
Mg：0.8-1.5，
Cr：0.3-0.9，
Ti：0.03-0.05，
B：0.0001-0.01，
余量为Al和不可避免的杂质;Mn和Cr含量之和不大于1.2%（重量），作为不可避免的杂质之一的Fe含量不大于0.2%（重量）。
本发明还提供化学成分（重量%）如下的铝合金：
Si：1.0-1.5，
Cu：0.4-0.9，
Mn：0.2-0.6，
Mg：0.8-1.5，
Cr：0.3-0.9，
Ti：0.03-0.05，
Zr：0.1-0.2，
B：0.0001-0.01，
余量为Al和不可避免的杂质;Mn和Cr含量之和不大于1.2%（重量），作为不可避免的杂质之一的Fe含量不大于0.2%（重量）。
本发明还提供由本发明铝合金构成的塑性成形制品。
按照本发明，该铝合金和由本发明合金构成的塑性成形制品，当进行塑性成形、固溶处理和提供最高强度的时效时，具有40kgf/mm2或更高的抗拉强度和15%或更大的延伸率。
该Al-Mg-si铝基合金具有的高强度是由沉淀在固溶体基体相中的Mg2Si相颗粒来保护的。该合金的强度靠添加元素，如Cu、Cr和Mn作用于基体的固溶强化进一步提高。
为提供具有高于普通6061合金强度的铝合金，最初的想法是通过增加Si和Mg含量提高Mg2Si沉淀相的量。但是，单纯地增加Si和Mg含量不仅降低延伸率和韧性，而且破坏提供打算增加的强度。
本发明对Mg2Si沉淀相对机械性能的影响和T6热处理对已塑性加工的宏观组织的晶粒长大的影响进行了广泛的研究，发现必要的是采用合金化元素和确定其含量，同时考虑之间的相互影响，以便利用Mg2Si沉淀相的有利作用并抑制宏观组织的晶粒长大。
为了保证Mg2Si沉淀相的必要作用，并也细化宏观组织，本发明发现，Si和Mg含量必须分别为1.0-1.5%（重量）和0.8-1.5%（重量）。但是，Si和Mg含量落入这些范围内并不能完全避免宏观组织粗化和机械性能，如强度和延伸率的降低，因为当热挤压材料进行T6热处理时或者热锻或冷锻材料进行T6热处理时，再结晶晶粒迅速长大。
同时添加Cr和Mn（下面称“共同加入”），当热加工或冷加工的组织进行热处理时，有利地抑制再结晶晶粒粗化，否则会发生再结晶晶粒粗化，这样获得的铝合金具有细晶组织和改进的强度和延伸率。共同加入Cr和Mn带来的这种有利作用被认为是由于防止热加工或冷加工的材料在T6热处理时再结晶晶粒粗大。
共同加入Zr与Cr和Mn进一步提高延伸率并进一步细化晶粒组织，因为当以高加工比进行塑性加工时，此时Cr和Mn不再起抑制再结晶晶粒长大的作用，而Zr有效地细化再结晶晶粒。
按照本发明，各合金化元素必须以各自规定的量存在，原因如下。
硅（si）通过沉淀硬化作用，即Si与共存的Mg形成Mg2Si化合物，提高铝合金的强度。当硅以1.0%（重量）或更高的量存在时，Si的强化作用是显著的。但是，过分增加Si含量不仅提高合金的液相线温度，这不利于合金的熔炼和铸造，而且降低挤压、锻造等时的成形性。因此，Si含量必须为1.0%（重量）或更高，但不大于1.5%（重量）。
铜（Cu）固溶强化合金基体相，并也通过Mg2Si沉淀相促进沉淀强化，所以，Cu含量必须为0.4%（重量）或更高。但是，当Cu含量大于0.9%（重量）时，降低合金的抗腐蚀性。因此，Cu含量必须为0.4-0.9%（重量）。
锰（Mn）抑制晶粒长大，以保证细的热处理组织，所以其含量必须是0.2%（重量）或更高。但是，Mn含量超过0.6%（重量）降低热加工和冷工成形性。所以，Mn含量必须为0.2-0.6%（重量）。
镁（Mg）与Si反应形成Mg2Si化合物相，它沉淀在铝合金的基体相中提高强度。为保证这种沉淀强化作用，Mg含量必须是0.8%（重量）或更高。但是，Mg含量大于1.5%（重量）不进一步提供沉淀作用。所以，Mg含量必须为0.8-1.5%（重量）。
铬（Cr）与Mn配合抑制晶粒粗化，为此目的，其含量必须是0.3%（重量）或更高，但当其含量大于0.9%（重量）时，降低成形性。所以，Cr含量必须为0.3-0.9%（重量）。
Mn和Cr含量之和必须不大于1.2%（重量），以保证共同加入这些元素的上述有利作用，而不引起对合金性能的不希望的影响。当Mn和Cr含量之和大于1.2%（重量）时，粗颗粒的Al-Mn-Cr化合物的沉淀显著地降低延伸率。
钛（Ti）细化铸造组织晶粒，特别是当其含量为0.03%（重量）或更高时。细化的晶粒不仅有利于最终产品的机械性能，而且抑制铸造裂纹和其它坯缺陷的产生。但是，Ti含量必须不大于0.05%（重量），以保证铝合金的韧性。
硼（B），像Ti一样细化晶粒，特别是其含量为0.0001%（重量）或更高时。B含量的上限必须为0.01%（重量），理由同Ti。
铁（Fe）作为杂质元素不可避免地存在于铝合金中，并形成Al-Fe-Si化合物，以颗粒状分散于合金基体中，以致引起对延伸率和耐腐蚀不希望的影响。因此Fe含量必须尽可能的低，但是降低Fe含量由于相应增加熔炼过程的困难而实际上受限制。所以，Fe含量的上限确定为0.2%（重量），在此含量和低于此含量Fe基本上不引起对合金性能的不良影响。
锆（Zr）与Mn和Cr配合抑制晶粒粗化。Zr通过保持挤压时产生的纤维组织也改善挤压和铸造制品的抗拉强度。当Zr含量为0.1%（重量）或更高时，其有利作用尤其显著。Zr含量必须不大于0.2%（重量），因为更大的Zr含量对成形性产生不良影响。
本发明的一种铝合金是铸造的，例如连铸成坯，再热加工和/或冷加工成所需形状，然后进行T6热处理得到产品。热加工一般是锻造，与或不与上述挤压一起进行，以制成棒或圆柱形。这样获得的产品具有40kgf/mm2或更高的抗拉强度和0.5%或更大的延伸率。
铸坯在锻造前最好挤压，以进一步提高强度和延伸率。
实施例1
将列于表1的不同化学成分的铝合金在500kg电阻炉中在大气下熔炼并连铸成直径325mm、长600mm的坯。通过感应加热将坯加热到450-500℃的温度，用3900吨间接热挤压机，以5-8m/分的速度将坯热挤压成直径74mm的圆棒并冷却到室温。然后在热吹风电炉中将热挤压圆棒再加热到450±10℃的温度，用400吨油压机沿棒直径方向将棒热锻一次成形，开锻温440-450℃，终锻温度390-410℃，加工比（Re）为60%，按照式Re（%）＝100×（HO-H）/HO计算其值，HO是挤压材的最初高度或直径，H是镦锻材的最终高度。
省去挤压制备一些试样，即通过表面机加工直径84mm的铸坯，在540℃加热8小时均匀化或热平衡，然后在上述同样的条件下锻造。
表1
化学成分(重量%,余量为Al和杂质)
合金    附注
No.    Si    Fe    Cu    Mn    Mg    Cr    Ti    Zr    B    Mn+Cr
1    1.26    0.16    0.31    0.25    0.99    0.41    0.03    ≤    0.002    0.66
0.0003
2    1.19    0.15    0.76    0.38    0.95    0.39    0.03    ≤    0.002    0.77
0.0003    本发明
3  1.21    0.14    0.32    0.25    0.93    0.37    0.03    0.13    0.002    0.62
4  1.21    0.15    0.83    0.41    1.01    0.36    0.04    0.14    0.003    0.77
5    1.60    0.15    0.50    0.39    1.60    0.90    0.03    ≤    0.002    1.29
0.0003
6061    0.66    0.20    0.32    0.01    1.00    0.12    0.01    ≤    ≤    0.13
0.0003    0.001
6066  1.39  0.24  1.02  0.84  1.12  0.01    0.02    ≤    ≤    0.85    比较例
0.0003    0.001
6070    1.41    0.22    0.29    0.67    0.86    0.01    0.01    ≤    ≤    0.68
0.0003    0.001
6082    1.02    0.22    0.01    0.50    0.90    0.08    0.01    ≤    ≤    0.58
0.0003    0.001
6    1.23    0.16    0.49    0.25    1.00    0.40    0.04    ≤    0.003    0.65
0.0003
7  1.16  0.15  0.47  0.39  0.95  0.39  0.03    ≤    0.002    0.78    本发明
0.0003
8  1.21    0.15    0.47    0.35    0.97    0.41    0.03    0.13    0.002    0.78
9    1.70    0.14    0.52    0.40    1.61    0.88    0.03    ≤    0.002    1.28
0.0003
6061  0.60  0.26    0.30    0.01    1.10    0.12    0.03    ≤    0.002    0.13
0.0003
比较例
6066  1.33  0.23    0.91    0.87    1.14    0.01    0.03    ≤    0.002    0.88
0.0003
6070  1.43  0.21    0.28    0.68    0.89    0.01    0.03    ≤    0.002    0.69
0.0003
通过在530℃加热2小时，水淬使锻造的材料进行T6热处理，并再加热或在175℃时效8小时。通过放大4倍的光学显微观察测定经热处理材料的晶粒直径，具体是在沿锻造或镦锻方向切取的20mm宽、6mm厚的横截面上计算贯穿2mm长水平和垂直假设线的晶粒数，并用计算的数去除总长度4mm或4000μm。例如当计算的晶粒数为20，估计晶粒直径为200μm。为了进行这种观测，横截面上的晶界通过腐蚀来显示，使用Tucker腐蚀剂，其成分为10gHCl、15gHF、15gHNO3和25gH2O。
也进行拉伸试验测定抗拉强度，弹限强度和延伸率。
得到的结果列于表2。
表2
合金    工艺    晶粒直径    抗拉强度    0.2%弹限    延伸率
强度    附注
No. μm kgf/mm2kgf/mm2%
1    200-600    43.5    37.8    15.5
C
2    150-400    44.3    38.5    17.0
↓    本发明
3    120-350    43.1    37.8    17.7
E
4    120-250    43.6    38.1    17.3
5    ↓    150-400    41.0    40.0    6.0
6061    F    400-1000    33.1    28.8    20.9
6066    250-650    36.7    32.0    14.4    比较例
↓
6070    300-600    36.3    31.5    11.8
T6
6082    400-500    33.1    30.2    8.7
6    120-300    40.7    35.5    15.1
C
7    120-220    41.2    36.4    15.0
本发明
8    ↓    120-210    40.1    35.7    15.2
9    F    120-200    38.0    36.0    6.0
6061    ↓    250-400    32.4    28.3    14.7
比较例
6066    260-300    38.0    31.9    9.2
T6
6070    300-450    38.4    32.6    7.5
（注） C：铸造，E：挤压，F：锻造 T6：T6热处理。
从表2可以看出，本发明合金No.1-4和6-8具有40kgf/mm2或更高的抗拉强度和15%或更大的延伸率，不论在锻造前是否进行挤压。
在传统合金6061、6066、6070和6082中，在牺牲延伸率的情况下，最大抗拉强度低到38.4kgf/mm2，如所示，合金6067具有7.5%的很小延伸率。
具有过量的Si和Mn、（Mn+Cr）含量大于1.2%（重量）的比较合金No.5具有41kgf/mm2的高抗拉强度，但具有6%的很小延伸率。比较合金No.9也含过量的Si、Mn和（Mn+Cr），而其Si含量比合金No.5大得多，它呈现38kgf/mm2的低抗拉强度和6%的延伸率。
为了分别说明（Mn+Cr）含量的单独作用，制备表3所示的含过量（Mn+Cr）和规定含量的其他元素的比较合金No.10，制备过程是，在与上述合金同样的条件下熔炼、铸造、挤压、锻造和T6热处理，并进行拉伸试验。从表3可以看出，具有1.28%（重量）的（Mn+Cr）含量（这大于规定的上限1.2%（重量））的合金No.10具有8.6%的低延伸率。
表3
Figure 921108710_IMG1
为了进一步搞清铜含量的影响，制备具有表4所示化学成分4种合金（No.11-14），制备过程是，在与合金No.10同样条件下按照相同的工艺步骤，除将97mm直径铸坯挤压成20mm直径的棒之外，然后进行T6热处理。将这样制备的合金试样进行拉伸试验和盐雾试验。结果列于表5。
表4
化学成分(重量%)
合金
No.    Si    Fe    Cu    Ti    Mn    Mg    Zn    Cr    B    Mn+Cr
11    1.31    0.16    0.38    0.03    0.40    1.05  0.01≥  0.39  0.002  0.79
12  1.27  0.16  0.61  0.03    0.40    1.01    0.01≥    0.40    0.003    0.80
13    1.28    0.16    0.80    0.03    0.40    1.03  0.01≥  0.40  0.003  0.80
14    1.26    0.16    1.02    0.03    0.40    1.01  0.01≥  0.40  0.005  0.80
注：合金No.12和13的铜含量在规定范围内。
合金No.11和14的铜含量分别小于规定范围的下限和大于其上限。
表5
合金    抗拉强度    0.2%弹    延伸率    平均腐蚀坑深度
No. kgf/mm2限强度 % (μm)
kgf/mm2
500小时    1000小时
11    39.7    36.8    15.4    82.1    95.0
12    42.9    39.5    15.0    88.9    105.8
13    43.8    40.3    14.9    92.5    126.6
14    44.6    41.3    14.1    115.4    197.7
注1：在1000小时盐雾试验中平均腐蚀坑深度大于150μm是疲劳强度降低的象征，这有害于汽车底座组装的部件。
注2：试片是用保持35℃的3.5%NaCl溶液进行连续喷雾，喷雾后显微观察试片表面。
从表5可以看出，铜含量必须等于或大于0.4%（重量），以保证40kgf/mm2或更高的抗拉强度，但必须等于或小于0.9%（重量），以保护良好的抗腐蚀性，就此而言，例如在1000小时盐雾试验中平均腐坑深度小于150μm。
如上所述，本发明提供一种具有Mg2Si沉淀相赋予高强度的Al-Mg-Si铝基合金，在该合金中，系统控制合金化元素，例如Cu、Cr、Mn和Zr的含量，以抑制塑性加工和热处理过程中的晶粒粗化，否则就会发生晶粒粗化，从而改进机械性能，例如抗拉强度，弹限强度和延伸率，以致于该合金能用于汽车和其他车辆的零件和机械的结构件。

Claims (6)

1、一种铝合金，其成分(重量%)为：
Si：1.0-1.5，
Cu：0.4-0.9，
Mn：0.2-0.6，
Mg：0.8-1.5，
Cr：0.3-0.9，
Ti：0.003-0.05，
B：0.0001-0.01，
余量为Al和不可避免的杂质；Mn和Cr含量之和不大于1.2%(重量)，作为不可避免的杂质之一的Fe含量不大于0.2%(重量)。
2、一种按照权利要求1所述的铝合金，当进行塑性成形、固溶热处理和提供最高强度的时效时，它具有40kgf/mm2或更高的的抗拉强度和15%或更大的延伸率。
3、一种由铝合金构成的塑性成形制品，该铝合金成分（重量%）为：
Si：1.0-1.5，
Cu：0.4-0.9，
Mn：0.2-0.6，
Mg：0.8-1.5，
Cr：0.3-0.9，
Ti：0.03-0.05，
B：0.0001-0.01，
余量为Al和不可避免的杂质;Mn和Cr含量之和不大于1.2%（重量），作为不可避免的杂质之一的Fe含量不大于0.2%（重量）。
4、一种铝合金，其成分（重量%）为：
Si：1.0-1.5，
Cu：0.4-0.9，
Mn：0.2-0.6，
Mg：0.8-1.5，
Cr：0.3-0.9，
Ti：0.03-0.05，
Zr：0.1-0.2，
B：0.0001-0.01，
余量为Al和不可避免的杂质;Mn和Cr含量之和不大于1.2%（重量），作为不可避免的杂质之一的Fe含量不大于0.2%（重量）。
5、一种按照权利要求4所述的铝合金，当进行塑性成形，固溶热处理和提供最高强度的时效时，它具有40kgf/mm2或更高的抗拉强度和15%或更大的延伸率。
6、一种由铝合金构成的塑性成形制品，该铝合金成分（重量%）为：
Si：1.0-1.5，
Cu：0.4-0.9，
Mn：0.2-0.6，
Mg：0.8-1.5，
Cr：0.3-0.9，
Ti：0.03-0.05，
Zr：0.1-0.2，
B：0.0001-0.01，
余量为Al和不可避免的杂质;Mn和Cr含量之和不大于1.2%（重量），作为不可避免的杂质之一的Fe含量不大于0.2%（重量）。
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