CN108699638A - 铝合金和紧固部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的铝合金，含有质量比为0.7%以上1.8%以下的硅、0.5%以上2.1%以下的铜、0.4%以上1.8%以下的锰、0.6%以上1.6%以下的镁以及0.1%以上0.7%以下的锌，余量由铝和不可避免的杂质组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金、以及使用该铝合金制成的紧固部件。
背景技术
以往，作为用于实现汽车的油耗改善的一个方法，致力于各种零部件的轻量化。例如，作为发动机缸体的材料，代替铸铁而使用铝合金，或者作为发动机盖和油底壳的材料，代替钢而使用镁合金的情况，逐渐增多。
在通过以往的钢制螺栓将上述的由铝合金或镁合金制成的零部件彼此紧固连结的情况下，由于铝合金或镁合金的线膨胀系数与钢的线膨胀系数之差较大，而容易发生松弛，并且由于异种金属的接触，也容易产生腐蚀。因此，为了充分确保紧固连结的可靠性，必须加深零部件的螺纹孔并增加钢制螺栓的轴部长度、或者增加钢制螺栓的直径。然而，钢制螺栓的轴部长度会对零部件的壁厚产生影响，而钢制螺栓的直径粗细会对设置螺纹孔的零部件凸缘部分的宽度产生影响，因此在紧固连结由铝合金或镁合金制成的零部件时使用钢制螺栓，这在追求轻量化方面成为障碍。
为了解决这样的钢制螺栓的问题，作为用于将由铝合金或镁合金制成的零部件彼此紧固连结的紧固部件，采用铝合金制螺栓逐渐普及起来(例如参照专利文献1和2)。铝合金制的螺栓，由于其与构成各零部件的铝合金或镁合金的线膨胀系数之差较小，而且因异种金属相接触而造成的腐蚀也较小，所以即便使零部件的螺纹孔较浅、或者使螺栓的直径较细，也能够确保紧固连结的可靠性，因此适合用于实现轻量化。
专利文献1公开了一种由6000系列铝合金制成的紧固部件，该铝合金具备作为紧固部件所需要的、拉伸强度为400MPa左右的强度。作为比专利文献1更高强度的铝合金，专利文献2公开了由如下的6000系列铝合金制成的紧固部件，该铝合金由于含有特定范围内的含量的硅、铁、锰、锌、钒等，因而具备拉伸强度为450MPa以上的强度。
专利文献1：日本专利第3939414号公报
专利文献2：日本专利第5495183号公报
发明内容
然而，专利文献2所公开的铝合金由于含有钒，所以硬度由于钒而增加，能够提高强度，但存在韧性却变差的问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种强度和韧性优异的铝合金以及紧固部件。
为了解决上述问题而达成目的，本发明涉及的铝合金含有质量比为0.7％以上1.8％以下的硅、0.5％以上2.1％以下的铜、0.4％以上1.8％以下的锰、0.6％以上1.6％以下的镁、以及0.1％以上0.7％以下的锌，余量由铝和不可避免的杂质组成。
此外，根据上述发明，本发明涉及的铝合金中，所含有的上述铜的质量比为1.5％以上2.1％以下。
根据上述发明，本发明涉及的铝合金中，所含有的上述锰的质量比为1.2％以上1.8％以下。
此外，根据上述发明，本发明涉及的铝合金中，所含有的上述硅的质量比为1.4％以上1.8％以下，并且所含有的上述镁的质量比为1.2％以上1.6％以下。
此外，根据上述发明，本发明涉及的铝合金含有质量比为1.4％以上1.8％以下的上述硅、1.5％以上2.1％以下的铜、1.2％以上1.8％以下的上述锰、1.2％以上1.6％以下的上述镁、以及0.1％以上0.7％以下的锌。
此外，根据上述发明，本发明涉及的铝合金还含有从质量比为0.05％以上0.15％以下的镍、0.05％以上0.15％以下的钴和0.05％以上0.3％以下的钛中选择出的至少一种。
此外，本发明涉及的紧固部件是用于紧固连结多个部件的紧固部件，其由上述发明中任一个铝合金制成。
此外，根据上述发明，本发明涉及的紧固部件的拉伸强度为470MPa以上。
根据本发明，能够提供强度和韧性优异的铝合金和紧固部件。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1涉及的紧固部件的结构的侧视图。
图2是表示本发明实施方式2涉及的紧固部件的结构的俯视图。
图3是表示本发明实施方式3涉及的紧固部件的结构的侧视图。
具体实施方式
下面，参照附图对用于实施本发明的方式(以下称为“实施方式”)进行说明。另外，附图是示意性的，各部分的厚度与宽度的关系、各部分的厚度比率等有可能与实际情况不同，附图相互之间也有可能存在彼此的尺寸关系或比率不同的部分。
实施方式1
图1是表示本发明实施方式1涉及的紧固部件的结构的侧视图。图1所示的紧固部件1是由铝(Al)合金制成的螺栓(外螺纹部件的一种)。紧固部件1包括：轴部2，其呈圆柱状；头部3，其设置在轴部2的轴线方向(图1的左右方向)上的一端；以及颈部4，其构成轴部2与头部3之间的边界。轴部2具有螺纹部22，其表面形成有螺纹牙21。另外，头部3的形状(六角头型)只不过是一个示例，也可以呈其它形状(六角法兰头型、盘头型、平头型、扁圆头型、平顶圆柱头型等)。
紧固部件1由铝合金制成，该铝合金含有硅(Si)、铜(Cu)、锰(Mn)、镁(Mg)和锌(Zn)，余量由铝(Al)和不可避免的杂质组成。具体而言，本实施方式的铝合金，含有质量比为0.7％以上1.8％以下的Si、0.5％以上2.1％以下的Cu、0.4％以上1.8％以下的Mn、0.6％以上1.6％以下的Mg、以及0.1％以上0.7％以下的Zn。此外，还可以含有从0.05％以上0.15％以下的镍(Ni)、0.05％以上0.15％以下的钴(Co)和0.05％以上0.3％以下的钛(Ti)中选择出的至少一种元素。在以下的说明中，“含量”表示按质量比的含有比率。
其中，Si发挥如下作用：经时效处理后析出Mg2Si，通过该Mg2Si的析出能够增加强度。尤其在Mg含量为1.2％以上1.6％以下的情况下，如果Si含量为1.4％以上1.8％以下，则能够进一步增加Mg2Si析出物的量，可进一步提高强度，因而较为理想。另一方面，如果Si含量超过1.8％，则会使合金的拉伸性能下降。此外，如果Si含量不到0.7％，则基于Mg2Si析出物的强度提高效果会不充分。
Cu发挥如下作用：经时效处理后析出CuAl2和Al2CuMg，通过该析出物能够增加强度。尤其在Cu含量为1.5％以上2.1％以下时，能够进一步增加这些析出物的量，可进一步提高强度。另一方面，如果Cu含量超过2.1％，则会使合金的耐腐蚀性、耐应力腐蚀开裂性和拉伸性能下降。此外，如果Cu含量不到0.5％，则基于这些析出物的强度提高效果会不充分。
Mn是产生固溶强化的元素。而且，经时效处理后也生成Al-Mn-Si类析出物，能够增加强度。尤其在Mn含量为1.2％以上1.8％以下时，能够进一步增加这些析出物的量，可进一步提高强度。另一方面，如果Mn含量超过1.8％，则会使合金的拉伸性能下降。此外，如果Mn含量不到0.4％，则基于这些析出物的强度提高效果会不充分。
Mg发挥如下作用：经时效处理后析出Mg2Si，能够增加强度。尤其在Si含量为1.4％以上1.8％以下的情况下，如果Mg含量为1.2％以上1.6％以下，则能够进一步增加Mg2Si析出物的量，可进一步提高强度。另一方面，如果Mg含量超过1.6％，则会使拉伸性能下降。此外，如果Mg含量不到0.6％，则基于Mg2Si析出物的强度提高效果会不充分。
Zn发挥如下作用：经时效处理后析出MgZn2，能够增加强度。这里，如果Zn含量超过0.7％，则会使合金的耐腐蚀性、耐应力腐蚀开裂性和拉伸性能下降。此外，如果Zn含量不到0.1％，则基于这些析出物的强度提高效果会不充分。
Ni是与Al、Fe、Cu等结合形成析出物而使耐热性提高的元素，可以根据需要添加。这里，如果Ni含量超过0.15％，则会使耐腐蚀性、耐应力腐蚀开裂性和拉伸性能下降。此外，如果Ni含量不到0.05％，则基于这些析出物的强度提高效果会不充分。
Co是与Al等结合形成析出物而使耐热性提高的元素，可以根据需要添加。这里，如果Co含量超过0.15％，则会使合金的拉伸性能下降。此外，如果Co含量不到0.05％，则基于这些析出物的强度提高效果会不充分。
Ti是通过铸造组织的微细化而使强度增加的元素，可以根据需要添加。这里，如果Ti含量超过0.3％，则会使合金的拉伸性能下降。此外，如果Ti含量不到0.05％，则基于组织微细化的强度提高效果会不足。
由含有0.7％以上1.8％以下的Si、0.5％以上2.1％以下的Cu、0.4％以上1.8％以下的Mn、0.6％以上1.6％以下的Mg和0.1％以上0.7％以下的Zn、余量由Al和不可避免的杂质组成的铝合金制成的紧固部件1，其拉伸强度为470MPa以上800MPa。而且，紧固部件1的0.2％屈服强度为400MPa以上，断裂伸长率为12％以下，韧性优异。
紧固部件1是通过对由上述的铝合金制成的棒状部件实施拉丝加工和冷镦加工等来成形的。对棒状部件实施拉丝加工和冷镦加工来形成紧固部件1，则在其螺纹部22中会出现金属结晶沿着螺纹表面形状被拉长成纤维状的纤维流线(fiber flow)。如果在螺纹部22中产生龟裂，则该龟裂会以横切纤维流线的方式延伸。因此，由于存在纤维流线，能够抑制应力腐蚀开裂。
根据以上说明的本发明实施方式1，通过使用含有0.7％以上1.8％以下的Si、0.5％以上2.1％以下的Cu、0.4％以上1.8％以下的Mn、0.6％以上1.6％以下的Mg和0.1％以上0.7％以下的Zn、余量由铝(Al)和不可避免的杂质组成的铝合金来制作紧固部件1，能够提供强度和韧性优异的紧固部件。
实施方式2
图2是表示本发明实施方式2涉及的紧固部件的结构的俯视图。图2所示的紧固部件5是由上述的铝合金制成的螺母(内螺纹部件的一种)。紧固部件5呈中空圆柱状，在形成于中心部的孔51的内表面形成有螺纹牙52。另外，图2所示的紧固部件5的形状(六角螺母)只不过是一个示例，也能够实现为具有其它形状的螺母(法兰螺母、盖形螺母、长螺母等)。
紧固部件5呈环状，是使用上述的铝合金形成的。紧固部件5是通过对由上述铝合金制成的棒状部件进行拉丝加工、芯部挖孔加工和冷镦加工等来成形的。
根据以上说明的本发明实施方式2，通过使用含有0.7％以上1.8％以下的Si、0.5％以上2.1％以下的Cu、0.4％以上1.8％以下的Mn、0.6％以上1.6％以下的Mg和0.1％以上0.7％以下的Zn、余量由铝(Al)和不可避免的杂质组成的铝合金来制作紧固部件5，与实施方式1同样，能够提供强度和韧性优异的紧固部件。
实施方式3
图3是表示本发明实施方式3涉及的紧固部件的结构的侧视图。图3所示紧固部件6是由上述的铝合金制成的铆钉。紧固部件6包括：轴部7，其呈圆柱状；头部8，其设置在构成轴部7的圆柱的高度方向(图3的左右方向)上的一端；以及颈部9，其构成轴部7与头部8之间的边界。另外，图3所示头部8的形状(圆头型)只不过是一个示例，具有其它形状(平头型等)也可以。
紧固部件6可以通过对由上述铝合金制成的棒状部件进行拉丝加工和冷镦加工等来成形。
根据以上说明的本发明实施方式3，通过使用含有0.7％以上1.8％以下的Si、0.5％以上2.1％以下的Cu、0.4％以上1.8％以下的Mn、0.6％以上1.6％以下的Mg和0.1％以上0.7％以下的Zn、余量由铝(Al)和不可避免的杂质组成的铝合金来制作紧固部件6，与实施方式1同样，能够提供强度和韧性优异的紧固部件。
以上对用于实施本发明的方式进行了说明，但本发明并不仅限于上述的实施方式1～3。例如，也能够将本发明涉及的紧固部件实现为螺栓以外的外螺纹部件、即小螺钉或自攻螺钉。
这样，本发明能够包括在本说明书中没有记载的各种实施方式等，在不脱离由权利要求书所确定的技术思想的范围内，能够实施各种设计变更等。
实施例
下面，对本发明涉及的铝合金的实施例进行说明。另外，本发明并不限于这些实施例。
实施例1～10、比较例1～5
用电炉将表1所示的各成分的铝合金熔化后，进行铸造获得铸块。接着，对该铸块以500～560℃进行加热以进行均质化处理。然后，对该铸块进行热轧和拉丝加工，获得直径为10～11mm的线材。将该线材切断成规定尺寸后，进行冷镦加工，获得胚料。对该胚料，在530～560℃的温度条件下进行固溶处理后，以150～200℃的温度进行人工时效处理，然后进行辗牙加工，由此制作出公称直径为8mm、螺距为1.25mm的螺栓。对这些螺栓进行拉伸试验，求得拉伸强度、0.2％屈服强度和断裂伸长率。结果见表1。
表1
实施例1～4
实施例1～4是含有0.7％以上1.8％以下的Si、0.5％以上2.1％以下的Cu、0.4％以上1.8％以下的Mn、0.6％以上1.6％以下的Mg、以及0.1％以上0.7％以下的Zn、余量由铝(Al)和不可避免的杂质组成的铝合金。
实施例5～10
实施例5～10是含有0.7％以上1.8％以下的Si、0.5％以上2.1％以下的Cu、0.4％以上1.8％以下的Mn、0.6％以上1.6％以下的Mg、以及0.1％以上0.7％以下的Zn、并且含有从0.05％以上0.15％以下的镍(Ni)、0.05％以上0.15％以下的钴(Co)和0.05％以上0.3％以下的钛(Ti)中选择出的至少一种、余量由铝(Al)和不可避免的杂质组成的铝合金。
比较例1～5
比较例1～5相对于含有0.7％以上1.8％以下的Si、0.5％以上2.1％以下的Cu、0.4％以上1.8％以下的Mn、0.6％以上1.6％以下的Mg、以及0.1％以上0.7％以下的Zn、余量由铝(Al)和不可避免的杂质组成的铝合金，其中一个元素在该范围之外。具体而言，比较例1的Mg为0.51％，脱离上述范围。比较例2的Si为0.62％，脱离上述范围。比较例3的Cu为0.43％，脱离上述范围。比较例4的Mn为0.32％，脱离上述范围。比较例5的Zn为0.02％，脱离上述范围。
就拉伸强度而言，从表1可以看出，实施例1～10为470MPa以上，相对于此，比较例1～5不到470MPa，实施例1～10可满足上述的强度，即，具有高强度。此外，就0.2％屈服强度和断裂伸长率而言，从表1可以看出，实施例1～10的0.2％屈服强度为400MPa以上、且断裂伸长率为12％以下，相对于此，比较例1～5的0.2％屈服强度不到400MPa、且断裂伸长率为13％以上，实施例1～10可满足上述的强度，韧性也优越。
综上所述，本发明涉及的铝合金和紧固部件可提供强度和韧性优异的紧固部件。
符号说明
1、5、6 紧固部件
2、7 轴部
3、8 头部
4、9 颈部
21、52 螺纹牙
22 螺纹部
51 孔
Claims (8)
1.一种铝合金，其特征在于：
含有质量比为0.7%以上1.8%以下的硅、0.5%以上2.1%以下的铜、0.4%以上1.8%以下的锰、0.6%以上1.6%以下的镁、以及0.1%以上0.7%以下的锌，余量由铝和不可避免的杂质组成。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：
所含有的所述铜的质量比为1.5%以上2.1%以下。
3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：
所含有的所述锰的质量比为1.2%以上1.8%以下。
4. 根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：
所含有的所述硅的质量比为1.4%以上1.8%以下，并且
所含有的所述镁的质量比为1.2%以上1.6%以下。
5.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：
含有质量比为1.4%以上1.8%以下的所述硅、1.5%以上2.1%以下的铜、1.2%以上1.8%以下的所述锰、1.2%以上1.6%以下的所述镁、以及0.1%以上0.7%以下的锌。
6.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：
还含有从质量比为0.05%以上0.15%以下的镍、0.05%以上0.15%以下的钴和0.05%以上0.3%以下的钛中选择出的至少一种。
7.一种紧固部件，用于紧固连结多个部件，其特征在于：
该紧固部件由权利要求1至6中任一项所述的铝合金制成。
8.根据权利要求7所述的紧固部件，其特征在于：
该紧固部件的拉伸强度为470MPa以上。
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