CN116710583A - 单层且具有加热接合功能的铝合金材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种为含有2.00～3.00质量％的Si、0.01～0.50质量％的Fe和0.80～1.50质量％的Mn的单层且具有加热接合功能的铝合金材料的制造方法，其包括铸造工序，在铸造工序中，进行通过使满足0.057×v+0.0016×D≤33.54的直径D(mm)的辊以圆周速度v(mm/min)旋转而形成厚度为3～12mm的板材的双辊铸造式的连续铸造。
Description
技术领域
本发明涉及单层且具有加热接合功能的铝合金材料的制造方法。
背景技术
双辊式连续铸造是如下方法，向上下配置的一对冷却辊(以下，记作双辊。)之间供给铝等熔融金属，使其与该双辊接触而使其凝固，由此形成板材，此外，通过该双辊的载荷施加，将正在凝固的熔融金属连续地变形加工成板材。
与依次进行半连续铸造和热轧等而制造的一般的板材的制造方法相比，利用双辊连续铸造的板材制造的生产率相对地较低，但由于可以从熔液直接制造薄的板材，因此可以省略、简化热轧工序，对降低能量来说是有效的。另外，在利用双辊连续铸造的板材制造中，由于铸造时的板材的冷却速度快，因此能够使溶质元素大量地过饱和固溶在铝母相内。而且，在之后的加工热工序中，能够使更多的微细的析出物析出，因此能够减少接合加热工序中的板材中的晶粒粗大化，另外，在材料的塑性变形时通过抑制位错移动的钉扎效应来实现强度提高。从这些观点出发，过去也进行了通过双辊连续铸造来得到铝等金属的薄板材的尝试。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-25378号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在利用双辊连续铸造进行的板材制造中，存在容易发生中心线偏析这样的问题。
在通过双辊进行冷却的过程中，随着熔融金属的凝固进行，发生在凝固的固相中过饱和地固溶的溶质元素的一部分从固相侧通过凝固界面排出到液相侧，在凝固界面附近的树脂状晶间富集的偏析显影。
由此，在作为最终凝固完成位置的板材的厚度中心部(板厚中心部)，发生溶质元素富集的中心线偏析，在该部分存在还发生由凝固收缩引起的空隙等铸造缺陷的不良情况。
若在板材的板厚中心部附近发生显著的中心线偏析，则在之后的轧制工序、轧制工序后的卷材中也会残存。在卷材内部残存的中心线偏析部由于溶质浓度高且为与铝母材部不同的组织，因此使钎焊性显著降低，即使在加工成翅片材料时，也有时会因中心线偏析引起的缺陷而产生裂纹，导致翅片破损。另外，在热处理工序中，也有时会发生伴随中心线偏析部的再熔融所引起的体积膨胀的起泡不良。因此，需要应用降低中心线偏析的技术。然而，由于其溶质量的多少、范围的广度，在利用扩散现象的热处理等的应用中，难以完全除去中心线偏析。
本发明是以所述课题为背景而作出的，其目的在于提供一种减少了中心线偏析的铝合金材料的制造方法。
用于解决课题的技术方案
本发明的铝合金材料的制造方法是为含有2.00～3.00质量％的Si、0.01～0.50质量％的Fe和0.80～1.50质量％的Mn的单层且具有加热接合功能的铝合金材料的制造方法，该铝合金材料的制造方法包括铸造工序，在该铸造工序中，进行通过使满足下述的式(1)的直径D(mm)的辊以圆周速度v(mm/min)旋转而形成厚度为3～12mm的板材的双辊铸造式的连续铸造。
【数学式1】
0.057×v+0.0016×D≤33.54..(1)
通过如上所述构成的铝合金材料的制造方法，能够得到减少了中心线偏析的铝合金材料。本发明的发明人根据基于实际的铸造结果以及数值解析的工程，确立了本发明的铝合金材料的制造方法。
关于所述的式(1)的导出，以下进行说明。如上所述，基于双辊式连续铸造的板厚中心部的中心线偏析是由于在固相中过饱和地固溶的溶质元素的一部分从固相侧通过凝固界面排出到液相侧，并在凝固界面附近富集而产生的。即，中心线偏析起因于在从喷嘴前端部供给到双辊间的铝熔液的凝固通过双辊的冷却而开始的状态下通过双辊之间时，残存于板厚中心部附近的液相和固相共存的固液相区域的宽度。作为结果，板厚中心部的固液相区域的长度支配中心线偏析的有无、程度。即，若板厚中心部的固液相区域的长度较长，则位于固液相区域的时间也变长，来自固相侧的溶质元素的排出量变多，中心线偏析变得显著。反之，若板厚中心部的固液相区域较短，则来自固相侧的溶质元素的排出量变少，中心线偏析变得轻微。这里所说的固液相区域是指板厚中心部的铝熔液的温度成为铝合金材料的液相线温度的位置(以下，记作液相线温度位置。)与成为固相线温度的位置(以下，记作固相线温度位置。)之间的物理的距离。
因此，本发明的发明人利用数值解析，计算出双辊连续铸造中板厚中心部的温度成为铝合金材料的液相线温度以下且固相线温度以上的距离，发现了与实际的铸造试验的中心线偏析的相关关系。以下详细说明适用于数值解析的模型体系以及模型式。
图1示出进行了双辊连续铸造中的板厚中心部的数值解析的模型的示意图。数值解析范围是从铝熔液与双辊接触的喷嘴前端部到辊中心部，另外，板厚t设为6～7mm，基于设想了板宽中央部的2维的热传递方程式实施了数值解析。在此，计算数值解析范围内的铝熔液和板材的温度分布，通过数值解析来计算出液相线温度位置与固相线温度位置之间的距离L。
在下述的式(2)中，作为数值解析的基础式，示出热传导方程式。另外，下述的式(3)是固相率的定义式。在此，ρA、CA、κA、H、fS、TL、TS是铝合金材料的物性值，能够从铝合金材料的化学组成导出。具体而言，ρA：密度，CA：比热，κA：热传导度，H：潜热，fS：固相率，TL：液相线温度，TS：固相线温度。另外，铝熔液以及板材以将构成双辊的上辊5a与下辊5b的中心轴彼此连结的线段的方向为y方向，在与其正交的x方向上从喷嘴头朝向辊间平行地移动。x方向是指铸造方向，距离L是指x方向的距离。另外，在下述的式(2)中，比热CA是基于等价比热法得到的。
【数学式2】
【数学式3】
考虑铝熔液在与辊表面接触的区域、即所谓的接触弧长区域中完全凝固完成的情况下的加工发热QH，对于从固相线温度位置到辊中心位置之间的区域进行了数值解析。加工发热QH通过下述的式(4)得到。在此，σy是板材在500℃下的屈服应力，hO是出侧板厚，hS是凝固完成时的板厚，v是辊圆周速度(在此与铸造速度相等)，LS是从板厚中心的固相线温度位置到辊中心位置的距离，RH是辊的加工功的热转换率。另外，所谓辊中心位置，是指将构成双辊的上辊5a和下辊5b的中心轴彼此连结的线段的中点的位置。
【数学式4】
另外，辊与铝熔液及板材的之间的热传递以下述的式(5)建立关联。在此，TR是辊表面温度，hR-A是辊表面与铝熔液及板材之间的热传递系数。下述的式(6)表示辊内的热传导的基础式。ρR、CR、κR是辊的物性值，具体而言，ρR：密度，CR：比热，κR：热传导度。另外，上辊5a和下辊5b的直径D及各物性值ρR、CR、κR相同。
【数学式5】
【数学式6】
表1表示用于数值解析的该铝合金的物性值。
【表1】
| 项目 | 单位 | 输入值 |
| 液相线温度 | ℃ | 641 |
| 固相线温度 | ℃ | 573 |
| 液相密度 | g/cm3 | 2.43 |
| 固相密度 | g/cm3 | 2.69 |
| 液相比热 | J/kg-K | 1153 |
| 固相比热 | J/kg-K | 1011 |
| 液相热传导度 | W/m-K | 88 |
| 固相热传导度 | W/m-K | 186 |
通过数值解析，计算出各种铸造条件下通过双辊连续铸造制造的板材的板厚中心部的液相线温度位置与固相线温度位置之间的距离L。在图2中，作为数值解析结果的一例，示出辊直径D和辊圆周速度v对距离L的影响。另外，辊直径D和辊圆周速度v有时也简记为直径D和圆周速度v。如图2所示，辊直径D越小，另外，辊圆周速度v越慢，则距离L变小的倾向越明显。利用这些结果，通过线性回归，将距离L(mm)作为辊直径D(mm)和圆周速度v(mm/min)的函数，进行公式化，则得到下述的式(7)。
【数学式7】
L＝0.057×v+0.0016×D-13.54..(7)
进而，在几种铸造条件下，通过实际的铸造实验来制造铝合金材料，确认了板厚中心部的中心线偏析有无。根据这些偏析调查结果和图2所示的数值解析结果，明确了能够充分降低在板厚中心部发生中心线偏析的距离L为20mm以下。因此，作为不发生中心线偏析的条件，得到下述的式(8)。将下述的式(8)变形得到的数学式是上述的式(1)以及式(C1)。
【数学式8】
L＝0.057×v+0.0016×D-13.54≤20..(8)
另外，通过下述的式(9)能够规定更优选的条件范围。这是由于距离L越短，则板厚中心部的中心线偏析越难以发生，表示能够将该距离L设为16mm以下的辊直径D与圆周速度v的关系。
【数学式9】
0.057×v+0.0016×D≤29.54..(9)
在此，本发明所涉及的熔液温度需要控制管理为比铝合金材料的液相线温度高80℃的温度以下。在熔液温度较高的情况下，在板厚中心部容易残存未凝固区域，容易产生板厚中心部处的缺陷。从本发明的主旨出发，可以不规定熔液温度的下限值。但是，在熔液温度较低的情况下，由于喷嘴头内的凝固发生所引起的铸造故障、或由于板厚变厚，双辊的变形阻力变得显著，设备负荷增大，因此从这样的观点出发，也可以规定熔液温度的下限值。熔液温度在顶侧箱体或喷嘴头之前的位置处测定，如果此处的温度为比液相线温度高80℃的温度以下，则能够视为辊到达时的熔液温度(铸造温度)在该温度以下。另外，顶侧箱体或喷嘴头之前的位置的优选的温度控制范围是比铝合金材料的液相线温度高20～80℃的温度。该温度区域是双辊铸造容易稳定进行的铸造温度范围。
另外，从100mm到1500mm为辊直径D的优选范围。在辊直径D较小的情况下，板材的冷却能力不充分，因此无法使板材完全凝固而容易发生漏液故障等。另外，在辊直径D超过1500mm的情况下，设备变得大型，不实用。工业上广泛利用的500mm到1300mm的范围是辊直径D的更优选的范围。
另外，300mm/min到700mm/min是辊圆周速度v的优选范围。在辊圆周速度v超过700mm/min的情况下，基于辊的熔融金属的凝固进行的时间变短，从辊生长的凝固壳的厚度变薄，并且在极端的情况下，甚至会出现熔液(熔融金属)泄漏。此外，在300mm/min以下的辊圆周速度v的情况下，从辊生长的凝固壳的厚度变厚，辊的变形阻力变得显著，设备负荷显著增大。此外，由于熔融金属的流动不顺畅，因此过慢的辊圆周速度v也可能成为从喷嘴内部产生凝固的原因。
板厚t的优选范围为3mm到12mm。在板厚小于3mm的情况下，难以进行稳定的板材的铸造，容易发生漏液故障、断板。另外，在板厚t超过12mm的情况下，双辊的变形阻力变得显著，设备负荷显著增大。
发明效果
如上所述，根据本发明，能够提供一种减少了中心线偏析的铝合金材料的制造方法。
附图说明
图1是本发明的数值解析的示意图。
图2是表示本发明中的辊直径和圆周速度、液相线温度位置和固相线温度位置之间的距离的关系的图。
图3是本发明的双辊连续铸造方法的概略图。
图4a是本发明的实施例中的板材的剖面组织照片。
图4b是本发明的比较例中的板材的剖面组织照片。
具体实施方式
以下，对本发明所涉及的铝合金的必要元素进行说明。在此例示的铝合金材料是不使用钎料或填充材料那样的接合部件，而通过从材料自身渗出液相而供给接合所需的液相，从而能够以单层与其他部件加热接合的铝合金材料。
Si是生成Al－Si系的液相，有助于接合的元素。但是，在Si添加量小于2.0质量％的情况下，无法生成充分的量的液相，液相的渗出变少，接合不完全。另一方面，若Si添加量超过3.0质量％，则铝合金材料中的液相的生成量变多，因此加热中的材料强度极端降低，结构体的形状维持变得困难。因此，将Si添加量规定为2.0～3.0质量％。另外，渗出的液相的量是体积越大，加热温度越高则越多，因此加热时所需的液相的量优选根据所制造的结构体的结构来调整所需的Si添加量、接合加热温度。
Fe除了具有在基体中稍微固溶而提高强度的效果以外，还具有作为结晶物、析出物分散而防止特别是在高温下的强度降低的效果。在Fe添加量小于0.01质量％的情况下，不仅上述的效果小，而且需要使用高纯度的原料金属，成本增加。另外，若Fe添加量超过0.50质量％，则铸造时生成粗大的金属间化合物，制造性产生问题。另外，在本接合体暴露在腐蚀环境(特别是液体流动那样的腐蚀环境)中的情况下，耐腐蚀性降低。而且，通过接合时的加热而再结晶的晶粒微细化，晶界密度增加，因此在接合前后尺寸变化变大。因此，将Fe添加量设为0.01～0.50质量％。
Mn是与Si、Fe一起形成Al－Mn－Si系、Al－Mn－Fe－Si系、Al－Mn－Fe系的金属间化合物，作为分散强化发挥作用，或者固溶于铝母相中而通过固溶强化来提高强度的重要的添加元素。若Mn添加量超过1.5质量％，则容易形成粗大金属间化合物，使耐腐蚀性降低。另一方面，若Mn添加量小于0.8％质量，则上述的效果变得不充分。因此，将Mn添加量设为0.8～1.5％质量以下。
如上所述，利用本发明所涉及的制造方法制造的铝合金材料为了提高接合加热中的耐变形性，作为必要元素而含有给定量的Si、Fe以及Mn。而且，为了进一步提高强度，也可以作为选择性添加元素还添加从给定添加量的Zn、Cu、Zr以及Ti中选择的1种或2种以上。
Zn的添加在通过牺牲防腐蚀作用来提高耐腐蚀性方面是有效的。Zn几乎均匀地固溶在基体中，但若产生液相，则在液相中溶出，液相的Zn富集。若液相渗出到表面，则所渗出的部分中的Zn浓度上升，因此通过牺牲阳极作用，耐腐蚀性提高。另外，在将本发明的铝合金材料应用于热交换器的情况下，通过将本发明的铝合金材料用于翅片，也能够发挥对管等进行防腐蚀的牺牲防腐蚀作用。若Zn添加量超过2.0质量％，则腐蚀速度变快，自身耐腐蚀性降低。因此，将Zn添加量设为2.0质量％以下。
Cu是固溶在基体中而提高强度的添加元素。若Cu添加量超过0.50质量％，则耐腐蚀性降低。另一方面，若Cu添加量小于0.05质量％，则上述的效果变得不充分。因此，将Cu的添加量设为0.05～0.50质量％。
Zr作为Al－Zr系的金属间化合物析出，发挥通过分散强化来提高接合后的强度的效果。另外，Al－Zr系的金属间化合物对加热中的晶粒粗大化起作用。若添加量超过0.30质量％，则容易形成粗大的金属间化合物，使塑性加工性降低。因此，Zr的添加量设为0.30质量％以下。优选的Zr的添加量为0.05～0.30质量％。
Ti除了固溶在基体中而提高强度以外，还具有分布成层状而防止板厚方向的腐蚀发展的效果。若Ti的添加量超过0.30质量％，则产生粗大结晶物，阻碍成形性、耐腐蚀性。因此，Ti的添加量设为0.30质量％以下。优选的Ti的添加量为0.01～0.30质量％。
在本发明所涉及的铝合金材料中，为了通过实现液相的特性改善而使接合性更良好，除了上述必要元素以及选择性添加元素的至少任意一种以外，还可以添加给定添加量的从Mg、Ni、Cr、V、Sr、Bi、Na以及Ca中选择的1种或2种以上作为选择性添加元素。
作为这样的元素，根据需要添加Mg：0.3％以下、Ni：0.3％以下、Cr：0.3％以下、V：0.3％以下、Sr：0.1％以下、Bi：0.3％以下、Na：0.1％以下、Ca：0.05％以下的1种或2种以上。这些微量元素能够通过Si粒子的微细分散、液相的流动性提高等来改善接合性。这些微量元素在低于上述的优选的规定范围的情况下，有时Si粒子的微细分散、液相的流动性提高等效果变得不充分。另外，若超过上述的优选的规定范围，则产生耐腐蚀性降低等弊端。
以下，基于图3对本发明的一个实施方式进行说明。本实施方式的双辊连续铸造机具备以给定的辊缝6上下配置的水冷式的一对双辊5a、5b和保持铝合金熔液1的流槽8。收容从流槽8供给的铝合金熔液1的喷嘴头4设置于流槽8的一端，在该喷嘴头4的前端部滑动接触上下配置且以圆周速度v(mm/min)旋转的双辊(上辊5a、下辊5b)。上辊5a和下辊5b的辊直径为D(mm)。
接着，对本发明的实施方式的铝合金板材的制造方法进行说明。将含有Si：2.00～3.00质量％、Fe：0.01～0.50质量％、Mn：0.80～1.50质量％、且还含有选自Zn：0.5～2.0质量％、Cu：0.05～0.50质量％、Zr：0.05～0.30质量％、Ti：0.01～0.30质量％中的1种或2种以上、且余量由Al以及不可避免的杂质构成的熔融铝合金的熔液1收容在流槽8中。收容在流槽8中的熔液1通过喷嘴头4被供给到以圆周速度v(mm/min)旋转的双辊5a、5b之间。熔液温度需要控制为比铝合金材料的液相线温度高20～80℃的高温。铝合金材料的熔液1与被水冷的双辊5a、5b接触而开始凝固，最终成为板厚t(mm)的铝合金材料。板厚在3～12mm的范围内进行铸造。但是，在本发明的辊连续铸造中，辊直径D(mm)和铸造时的辊圆周速度v(mm/min)的关系为式(1)的条件。
【实施例】
以下，对本发明的实施例和比较例进行说明。此外，以下的实施例是用于说明本发明的效果的，实施例中记载的工艺以及条件并不限制本发明的技术的范围。
将含有Si：2.46质量％、Fe：0.196质量％、Mn：1.21质量％且还含有Zn：1.483质量％、Cu：0.024质量％的铝合金材料通过上述的实施方式所示的双辊连续铸造而制造成板厚为6～7mm。表2示出实施例和比较例的概要。在表2中，除了铸造条件以外，还一并示出基于数值解析的L值，而且，还示出基于实际的所铸造的板材的截面组织观察的中心线偏析有无的结果。
【表2】
*○：无偏析
×：有偏析
-：未进行铸造实验
在实施例(No.1)中，在以铸造温度660℃、辊直径485mm、辊圆周速度500mm/min实施了铸造时，未观察到中心线偏析的产生。另外，此时通过数值解析得到的距离L为15.63mm。与实施例(No.1)相比仅改变了铸造温度的实施例(No.2)也是同样的结果。
在比较例(No.5)中，以铸造温度660℃、辊直径485mm、辊圆周速度640mm/min实施了铸造时，显著地产生了中心线偏析。与比较例(No.5)相比仅改变了铸造温度的比较例(No.6)也是同样的结果。
图4a、图4b是实施例(No.1)以及比较例(No.5)的截面组织观察照片。图4a、图4b的纸面横向与铸造方向对应，纸面纵向与板厚方向对应。在图4a的实施例(No.1)中，未确认到中心线偏析，在图4b的比较例(No.5)中，确认到显著的中心线偏析。
在表2中，对于与实施例及比较例相同的化学组成的铝合金材料，以各种铸造条件进行了铸造的情况下的距离L作为计算例而示出。计算例(No.7～10)的铸造条件是距离L成为20mm以下的条件，因此可以认为能够降低中心线偏析。另一方面，计算例(No.11～19)的铸造条件是距离L大于20mm的条件，因此可以认为中心线偏析显著。
符号说明
1…铝合金的熔液
2…铝合金的液相线温度位置
3…铝合金的固相线温度位置
4…喷嘴头
5…双辊(5a：上辊、5b：下辊)
6…辊缝
7…铝合金板材
8…流槽
L…板厚中心部的液相线温度位置－固相线温度位置间的距离(mm)
D…辊直径(mm)
v…辊圆周速度(mm/min)
t…板厚(mm)。
Claims (4)
1.一种铝合金材料的制造方法，是为含有2.00～3.00质量％的Si、0.01～0.50质量％的Fe和0.80～1.50质量％的Mn的单层且具有加热接合功能的铝合金材料的制造方法，其中，
所述铝合金材料的制造方法包括铸造工序，在该铸造工序中，进行通过使满足下述的(C1)式的直径D的辊以圆周速度v旋转而形成厚度为3～12mm的板材的双辊铸造式的连续铸造，所述直径的单位为mm，所述圆周速度的单位为mm/min，
0.057×v+0.0016×D≤33.54(C1)。
2.根据权利要求1所述的铝合金材料的制造方法，其中，
使铸造时的熔液温度比液相线温度高20～80℃。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金材料的制造方法，其中，
所述直径D和所述圆周速度v满足下述的(C2)式，
0.057×v+0.0016×D≤29.54(C2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的铝合金材料的制造方法，其中，
所述铝合金材料必须含有2.00～3.00质量％的Si、0.01～0.50质量％的Fe和0.80～1.50质量％的Mn，选择性地含有0.50～2.00质量％的Zn、0.05～0.50质量％的Cu、0.05～0.30质量％的Zr和0.01～0.30质量％的Ti中的至少一种，余量由Al和不可避免的杂质构成。
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