CN1233294A - 6xxx系列铝合金 - Google Patents

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Abstract

公开一种含Mg和Si的6XXX系列铝合金。该6XXX系列铝合金的特征是,可用于形成MgSi析出物的Mg和Si是以Mg与Si之比在0.8∶1—1.2∶1间的值(以原子量计)存在。

Description

6XXX系列铝合金
本发明涉及6XXX系列铝合金、处理这类合金的方法及设计这类合金的方法。
6XXX系列合金是铝基合金，它含镁(Mg)和硅(Si)，而Mg和Si一般各以0.2-1.5％(重量)的范围存在。
6XXX系列合金被广泛地用于要求具有优良成形性、焊接性和挤压性的中-高强度的应用场合中。这些应用场合包括建筑/结构/电器用途的广泛范围。一般来说，将6XXX系列合金铸成坯，再经挤压而形成小圆棒或其它的外形，或经锻造(由挤压件或坯料)而成为大的部件。
6XXX系列合金方面的沉淀硬化的常规理论认为：按照以下的顺序通过Mg2Si的析出和生长发生硬化：
ⅰ)在时效前的延续期间形成Si原子团；
ⅱ)在加热至时效温度期间，形成GPI区；
ⅲ)形成GPⅡ区-β″Mg2Si析出；
ⅳ)通过从β″的转变形成β′析出物，并且取决于温度和时间，而随着β′量的增长而生长。
ⅴ)若发生过时效，则形成βMg2Si析出物。
按照常规理论的结论：为生产Mg和Si“平衡”的合金，在6XXX合金中形成的析出物中的Mg与Si之比约为2(以原子量计)，标准的作法一直是计算加到6XXX合金中的Mg和Si的相对量，以使该合金含有的Mg与Si的原子量比为2∶1。
在某些情况下，不是形成平衡的合金，而是设计一种含过量Si的合金来提交其强度是已知的。在这种情况下，任何不以Mg2Si形式析出的，或不形成金属间化合物的Si是游离的，从而形成其它的相，如与其它元素的析出物，它们具有增加强化的作用。改变过量Si的量以产生合乎要求的强化作用-而加入Si量的限度常决定于诸如加Si对挤压性的影响这样的一些因素。
添加其它合金元素及6XXX合金的热处理程序也基于Mg2Si的析出。如，可往合金中加锰(Mn)以产生一种Mn的分布，它起着不均匀成核位点的作用，并增加形成β′Mg2Si条状物(rod)的机会。这明显地增加了挤压的塑性变形应力，但也加大了阻碍晶界的程度，因而减少了或甚至是阻止了再结晶，并且使晶带形成。
有多种不同的处理6XXX系合金铸坯的方案，以制造最终挤压或锻造产品。
举例来说，已知的是，使6XXX系合金坯料均匀化，以溶解铸出坯中以金属间化合物存在于晶间的最大可能量的Mg和Si，从而产生超饱和的固溶体，由于冷却，它使金属间化合物和Mg2Si均匀析出。它还破坏这种铸态组织，及转变金属间化合物AlFeSi。这导致挤压屈服应力和最终性能的更大均匀性，并使机械性能得以充分改进。一般采用慢的，如100-200℃/时的冷却速度。
此外，利用感应加热在挤压前将坯料快速加热至所需温度是已知的。一般用气体加热使坯料达到约300℃，然后用感应加热将坯料完全加热到挤压温度。这种用感应加热进行的快速加热使β′Mg2Si析出物没有充分的时间生长，因而为挤压提供了细的分散相。屈服应力因而明显下降。类似地，在采用很低的坯料温度时还可采用较快的挤压速度来保持同样的性能是可能的。
进而，根据被挤压的合金，改变挤压后的急冷速度也是已知的。合金的一个所期望的特点是，它具有低的对急冷的敏感性，即它可以随着缓慢的冷却而达到完美的性能。这特点的好处是可将变形减至最小，性能更为均匀及不需淬火设备。
对于合金的选择、均匀化，坯料加热及淬火有已知的操作规范，而这些在很大程度上都是在常用合金系统范围内，根据经验的优化过程。举例来说，在均匀化后，推荐诸如阶段冷却、慢冷和快冷之类的实际措施。
表1中列出了6XXX系列中几种合金的合金规范。
表1:6XXX系列铝合金的合金规范。来自“Aluminium Standards,Data and Design Wrought Products”，the Aluminium Council of Autralia.
合金                          成份(％重量)
    Si   Fe     Cu     Mn   Mg     Cr     Zn     Ti
 6060    .3-.6 .1-.3     .1     .1 .35-.6     .05     .15     .1
 6063    .2-.6 .35     .1     .1 .45-.9     .1     .1     .1
 6061 .4-.8     .7     .15-.4     .15 .8-1.2    .04-.35     .25     .15
 6082 .7-1.3     .5     .1     .4-.1 .6-1.2    .25     .2     .1
 6101 .3-.7     .5     .1     .03 .35-.8    .03     .1     -
 6262 .4-.8     .7     .15-.4     .15 .8-1.2    .04-.14     .25     .15
 6351 .7-1.3     .5     .1     .4-.8 .4-.8    -     .2     .2
在上表中，除非述及的是一种范围外，所述的量都是最大浓度。
现已发现：6XXX系列合金的时效硬化，不是如整个行业先前所认为的那样，是因Mg2Si析出而发生的，而是通过MgSi析出而发生的。
所发现的MgSi析出机理包括Mg∶Si为1(按原子量计)，而不是先前所认为的为2，的β′MgSi析出物的成核及生长，该机理包括以下顺序：
ⅰ)形成分开的Mg和Si原子团；
ⅱ)在低温时效时，随着Mg∶Si比的增加，而最终达到1的Mg和Si原子的共原子团；
ⅲ)形成Mg∶Si比接近1的，组织不详的小析出物；
ⅳ)这些析出物转变成该比值为1的β″MgSi；
ⅴ)在时效的下一阶段中，形成Mg与Si之比为1的β′和B′。
上述发现的一个结果是：按常规理论，生产的目前商用6XXX合金所根据的理论是这些合金，就Mg和Si作为Mg2Si析出而言是平衡的，但实际上是不平衡的。
此外，明显的是，本申请人已发现，如本申请人现在所知的那样，用Mg和Si平衡的6XXX合金可以得到更好的性能。这些令人感兴趣的性能，例如，包括可挤压性、可锻性、导电性、强度及机加工性能。
按照本发明，提供一种含Mg和Si的6XXX系列的铝合金，其特征是，其中Mg和Si可用来形成以Mg∶Si在0.8∶1和1.2∶1(基于原子重量)之间的量存在的MgSi析出物。
理解的是：对于任何给定的6XXX系列的铝合金而言，可用来形成Mg/Si析出物的Mg和Si的量将小于加到该合金组合物中的这些元素的总量。其原因在于：留在溶体中的Mg和Si总有一定比例(一般很小)，而与加入到该合金的其它元素如铁(Fe)和铜(Cu)一起析出的Mg和Si也有一定比例。
还应理解的是：含有用于形成MgSi析出物的镁和硅，其量要使Mg和Si之比在0.8∶1和1.2∶1之间的6XXX系列铝合金，就Mg和Si而言是“平衡”的，而且是符合所发现的MgSi析出机理的。
Mg∶Si之比值在0.9∶1和1.1∶1之间是可取的。
Mg与Si之比为1∶1则尤为可取。
按照本发明，还提供了用6XXX系列铝合金制造挤压产品的方法，它包括如下步骤：
ⅰ)铸成含Mg和Si的6XXX系铝合金的坯料，所述Mg和Si的含量如上所述；
ⅰ)用该坯料挤压成最终产品的形状；及
ⅲ)热处理该挤压产品，以使MgSi析出。
该热处理步骤可以是任何适宜的热处理。
按照本发明，还提供了用6XXX系铝合金制造锻件的方法，它包括如下步骤：
ⅰ)铸成含Mg和Si的6XXX系铝合金的坯料，所述Mg和Si的含量如上所述；
ⅱ)用该坯料锻成最终产品的形状；及
ⅲ)热处理该合金，以使MgSi析出。
该热处理步骤可以是任何适宜的热处理。
在前段中述及的方法可包括用坯料挤压成中间产物的形状，然后锻成最终产品的形状。
为研究本发明，本申请人进行了一系列实验，并对8种6XXX系列的铝合金(列于表2和3中)和含有常规的0.48％(重量)的Mg、分别含有0.8、1.0及1.2％(重量)的Si以及表2中所列量级的其它元素的其它的6XXX系列铝合金I.J.K进行了计算机模拟。表2：合金成份
    A     B    C     D     E     F     G     H
 Al  余量   余量   余量   余量   余量   余量   余量   余量
 Si  0.39   0.53   0.27   0.40   0.49   0.77   0.62   0.84
 Mg  0.48   0.70   0.49   0.72   0.47   0.74   0.48   0.67
 Ti  0.016   0.020   0.009   0.012   0.014   0.020   0.015   0.028
 Fe  0.12   0.15   0.10   0.12   0.13   0.22   0.12   0.12
其它 最多0.05  最多0.05  最多0.05  最多0.05  最多0.05  最多0.05  最多0.05  最多0.05
表3综述了该合金的处理条件及后续的热处理。表3：处理条件
处理步骤 说明
铸造 ·VDC(垂直直接急冷)铸造坯料·φ178mm坯料
均匀化 ·在570℃，匀匀化2小时·均匀化后通过机加工将坯料直径减至φ127
预热 ·预热至450℃的坯料温度
挤压 ·用880Vst Cheng Hua压机挤压·挤压比：(1∶56)·截面外形尺寸：40mm×6mm·模具及容器温度：430℃·挤压出口速度：20-40m/分
热处理 ·T4·T5·T6
实验工作确定，由于MgSi量增加，性能一般有所改进。这在图1中已表明，它是由实验工作中导出的抗拉强度与MgSi重量百分比的关系曲线。屈服应力和MgSi的重量百分比间的关系遵循类似的趋势。
该实验工作还确定，按已发现的MgSi析出机理选择合金成份以形成平衡的合金而获得最佳性能。这在图2中得以说明，该图是从对合金A、C、E、I、J及K的所作的实验工作导出的抗拉性能与Si含量间的关系曲线，指出，上述合金都含0.48％(重量)量级的Mg。这些合金样品经受T4、T5和T6热处理程序。测量该合金的抗拉性能，然后再针对Si含量绘出曲线。
图2表明，对于每种热处理程序而言，抗拉强度都随Si含量的升高而升高，直至Si含量达到0.5-0.6％(重量)时为止，对被测试的合金而言，它符合于按所发现的MgSi析出机理的平衡合金，而且还表明，当Si含量进一步提高时，抗拉性能只有有限的提高。换言之，该实验工作确定，平衡合金的形成明显有益于抗拉性能，而过量的Si，尽管使抗拉性能提高，但没有明显的作用。这是一个重要的发现，因为在很多应用场合中由于平衡合金所取得的抗拉性能是足够的，因而不需要过量的Si，从而避免了挤压高Si含量合金时的困难。
一般说来，该实验工作确定：所发现的MgSi析出机理可将合金元素的添加量，从先前的添加水平降下来，而又不降低该合金的性能，而且在很多情况下还改善这些性能。就后一点而言，假如挤压性和导电性随合金元素添加量的增加而下降，则随之而来的是添加量降至最小的合金元素有明显优点。
在其它的实验工作中，本申请人发现，按被发现的析出机理的平衡合金提供了比超高Si含量合金更好的耐平均温度和耐高温的性能。
本发明有广泛的应用范围，这包括，但不限于以下的用途：1)一般目的合金
表4列出了符合本发明的，基于所发现的MgSi析出机理的一般目的的6XXX系列铝合金的Mg和Si含量
表4：对基于被发现的MgSi析出机理的一般目的铝合金所推荐的Mg和Si含量
               平衡的
    Mg     Si
    0.37-0.44     0.56-0.63
    0.53-0.64     0.75-0.84
    0.70-0.83     0.92-1.07
    0.86-1.00     1.10-1.29
因此，另一方面，本发明提供了一种合金成份，它含有：
    Mg  ：0.37-0.44
    Si  ：0.56-0.63
    Fe  ：最多0.2
    Cu  ：最多0.1
    Mn  ：最多0.1
    Cr  ：最多0.05
    Zn  ：最多0.15
    Ti  ：最多0.1
    余量：Al及不可避免的杂质。
再一方面，本发明提供一种合金成份，它含有：
    Mg  ：0.53-0.64
    Si  ：0.75-0.84
    Fe  ：最多0.2
    Cu  ：最多0.1
    Mn  ：最多0.1
    Cr  ：最多0.05
    Zn  ：最多0.15
    Ti  ：最多0.1
    余量：Al及不可避免的杂质。
又一方面，本发明提供一种合金成份，它含有：
      Mg  ：0.70-0.83
      Si  ：0.92-1.07
      Fe  ：最多0.2
      Cu  ：最多0.1
      Mn  ：最多0.1
      Cr  ：最多0.05
      Zn  ：最多0.15
      Ti  ：最多0.1
      余量：Al及不可避免的杂质。
再一方面，本发明提供一种合金成份，它含有：
      Mg  ：0.86-1.00
      Si  ：1.10-1.20
      Fe  ：最多0.2
      Cu  ：最多0.1
      Mn  ：最多0.1
      Cr  ：最多0.05
      Zn  ：最多0.15
      Ti  ：最多0.1
      余量：Al及不可避免的杂质。2)电导体合金
这些合金按传统经过过时效，以保证所有的Mg和Si作为βMg2Si从基体中析出。这使得通过该基体的导电率为最大。但，为补偿因过时效而产生的性能损失，需要较大的截面以保持强度。
基于现有的对时效硬化工艺的认识不理解的是，为何具有半连续的β′(它占有与不连续的β相似的体积份额)的峰值时效状态没有象过时效状态下一样低的电阻率。利用这种被发现的MgSi机理，可知，Mg2Si“平衡”的合金合有过量的Mg，它以峰值时效状态存于基体中，因而这就降低了导电率。
用根据被发现的MgSi析出机理正确平衡的合金，就无需以过时效来保证所有的Mg和Si从溶体中析出-峰值时效状态满足这一要求。由于这种状态提供较大的强度，可采用较小的截面，即只需要较小位置或较小的地下管线的较轻的电缆。
因而，按另一方面，本发明提供一种合金成分，它含有：
ⅰ)Mg和Si，它们的含量由在Mg/Si坐标图的下列坐标以直线连成的坐标限定的区域：
        Mg     Si
        0.35   0.48
        0.35   0.58
        0.44   0.7
        0.58   0.7；及
ⅱ)下列元素：
        Fe：0.1-0.2
        Cu：最多0.1
        Mn：最多0.03
        Cr：最多0.03
        Zn：最多0.01
        B：最多0.06
        余量：Al及不可避免的杂质(每种最多0.05，总量最多0.10)3)易切削合金：
将合金6262设计成含Pb和Bi添加剂的Mg2Si“平衡”合金，以便改善其机加工性能。这些添加剂的效果由于Bi损失于硬的Bi2Mg3颗粒中而下降。因为该合金被认为是Mg2Si平衡的，所以被认为形成有害的Bi2Mg3是不可避免的。
但，基于被发现的MgSi析出机理，实际上在该合金中有过量的Mg。因此，通过降低Mg含量可避免形成Bi2Mg3，从而提高机加工性能。此外，对于同样的机加工性能可用较低的Pb/Bi添加量，这对环保更有益，而且易于回收使用。4)含Cu添加剂的高强度合金。
为使6XXX合金强度增加，加入Cu是已知的。
由于腐蚀问题Cu不能以＞0.1％的量向Mg2Si的超Si量的合金(6351,6282)中加入。但，由于这些合金实际上接近于是MgSi平衡的，所以AlCuMg的增强效果未被体现出来。反之，Cu可能形成降低耐腐蚀性的粗的析出物。因而，通过多加Mg就可多加Cu以提高强度，而又不会损害耐腐蚀性能。
为研究本发明的其它用途，本申请人按表5中所列的6061合金成份对含Cu的高强度合金进行了一系列实验。表5：6061合金
元素 B A C
Al 余量 余量 余量
Si 0.70 0.62 0.80
Fe 0.19 0.20 0.20
Cu 0.35 0.25 0.30
Mn 0.01 0.13 0.01
Mg 1.06 0.87 0.80
Cu 0.05 0.11 0.05
Ti 0.02 0.02 0.015
该合金具有可用来以MgSi析出的Mg与Si之比(按原子量计)，它从合金A降到合金C。
合金A和B是市售的合金。合金C是在被发现的MgSi机理的基础上作为平衡的合金被选出的。
6061合金经均匀化，铸造而形成不同零件，然后经T6热处理。
T6处理后测量该合金的抗拉和硬度性能。结果归纳于表6中。
表6：6061合金的性能
A B C
零件1 118维氏硬度(相当于HRH110),UTS 325Mpa 126维氏硬度(相当于HRH＞110),UTS 352Mpa
零件2 109维氏硬度(相当于HRH 108),US 306Mpa 120维氏硬度(相当于HRH110),UTS 345Mpa
零件3 113维氏硬度(相当于HRH 109)
表6中的结果表明，按被发现的MgSi机理而被平衡的合金C的抗拉强度和硬度性能优于常规合金A和B的这些性能。
如上所述，本发明还提供了处理6XXX系列铝合金的方法。过程的可变性可通过在对后续处理最不敏感的条件下，适当选择的Mg∶Si之比供料而减至最少。为充分体现这一点，及体现被发现的MgSi析出机理的其它优点，应采用下列合金处理方案中的至少一种：
1．均匀化后的淬火速度。为防止MgSi析出物长得过大需要快的淬火速度(即，＞400℃/时)。为使MgSi在挤压前和挤压时的坯料加热过程中完全重溶，这是最重要的。不这样，则不会得到最大可能量的Mg和Si在时效时形成增强的析出物MgSi，而且MgSi的平衡被改变，从而不能充分体现这种平衡的利益。
2．坯料预热方法。为防止均匀化后的Mg2Si析出物变粗到它们不能在挤压时重溶这一点，需要快速加热(如感应加热)。
3．一种具有提高挤压性及挤压速度的另一种优点的可能的方法是，将坯料加热到Mg2Si和MgSi的溶线温度(即，加热到500℃)，从而使残留的任何MgSi充分溶解，然后将坯料冷至所需的挤压温度。
上述工艺适用于符合本发明的所有合金。
因此，本发明还提供以下的方法：a)处理6XXX系铝合金的方法，它包括均匀化热处理，然后从该均匀化温度快速急冷-最好是该快速急冷将用＞400℃/时的冷却速度。b)挤压包含6XXX系列铝合金的被挤压原料的方法，该方法包括将原料迅速加热以防该原料中的均匀化后的Mg2Si析出物变粗，然后挤压所述的原料；及c)挤压包含Mg和Si的6XXX系列铝合金的被挤原料的方法，该法包括将所述合金加热至Mg2Si和MgSi溶线温度以上，然后使此原料冷却至挤压温度，并挤压所述原料。
上述(b)和(c)中的原料最好是坯料。
本发明还提供确定6XXX系列铝合金中的Mg和Si最佳含量的方法，它包括的步骤是：a)制备数个含不同Mg和Si量的合金的试验试样；b)按照最终用户的热处理技术要求热处理所述试样；c)分析所述试样，以确定其中Mg2Si和MgSi的含量；d)对所述试样进行测试，以确定所述试样的一种或几种机械性能；e)分析于上述步骤(c)和(d)中所得的结果，并根据对步骤(c)和(d)的结果的分析及析出顺序(包括MgSi的析出)导出6XXX合金中的Mg和Si含量模式及该合金的热处理参数，以推断在按热处理工艺处理过的给定的6XXX合金中所产生的微观组织。
该方法可任选地包括，使用特定用途的机械性能要求，导出一种模型，以便由此模型确定在该合金中所需的Mg和Si含量。
计算具体合金的最优Mg和Si含量的程序包括几种可用来确定可用于沉淀强化的Mg和Si含量的技术。这些技术是，TEM显微镜检查法、DSC或DTA分析、导电率和硬度。然后可通过选择适宜的合金成份，而将这信息用来将性能和挤压性扩大到极大。
在分析挤压试样及其相关的热(处理)历史的基础上可制定合金规范。TEM结果(与原子探针场离子显微镜检测(APFIM)结果相关)将用于确定Mg2Si和MgSi含量。PSC/DTA有助于区分这些析出物。通过导电率实验将鉴定基体中的Mg(或Si)含量。这些信息将用于为这些合金及工艺制订析出和微观组织的详细方案。然后可对此合金进行改进，以便按该详细方案可用来确定最终组织，说明合金和工艺变化的知识使这种作业的挤压性和机械性能优化。
APFIM相关性是必要的，因为TEM本身不能分辨Mg2Si和MgSi间的区别，即TEM结果的分析需要在来自APFIM的结果基础上的解释。
还有，对来自TEM、DSC/DTA、导电性和硬度试验的结果的解释不是简单明了的。由于MgSi析出机理及如何处理的知识对此有影响，所以将此挤压分析“转回”到合金规范是可能的。
以这些选择方案，可望通过将铝的热处理史及其显微组织修整得最适于锻造工艺，而能开发出用于锻造用途的不同的优选合金。
本文所述的发明，除特别述及以外，都可改变和修饰这是可以理解的。应知，本发明包括所有落入本发明精神和范围内的这类改变和修饰。

Claims (9)

1．含Mg和Si的6XXX系列铝合金，其特征在于，可用于形成MgSi析出物的Mg和Si，基于原子量，是以Mg与Si之比为0.8∶1-1.2∶1的量存在。
2．权利要求1的合金，其特征在于，Mg与Si之比在0.9∶1和1.1∶1之间。
3．权利要求2的合金，其特征在于，Mg与Si之比为1∶1。
4．上述任一项权利要求的合金，其特征在于，其成份含有：
Mg：0.37-0.44
Si：0.56-0.63
Fe：最多0.2
Cu：最多0.1
Mn：最多0.1
Cr：最多0.05
Zn：最多0.15
Ti：最多0.1
余量：Al及不可避免的杂质。
5．权利要求1-3中任一项的合金，其特征在于，其成份含有：
Mg：0.53-0.64
Si：0.75-0.84
Fe：最多0.2
Cu：最多0.1
Mn：最多0.1
Cr：最多0.05
Zn：最多0.15
Ti：最多0.1
余量：Al及不可避免的杂质。
6．权利要求1-3中任一项的合金，其特征在于，其成份含有：
ⅰ)Mg和Si，其含量在Mg/Si坐标图上的由下列坐标限定的区域内，该坐标图是以直线连成的：
Mg      Si
0.35     0.48
0.35     0.58
0.44     0.7
0.58     0.7；及
ⅱ)下列元素
Fe：0.1-0.2
Cu：最多0.1
Mn：最多0.03
Cr：最多0.03
Zn：最多0.10
B：最多0.06
余量：Al及不可避免的杂质(每种最多0.05，总量最多0.10)。
7．用6XXX系列铝合金制造挤压产品的方法，它包括以下步骤：
ⅰ)铸成含有如前述任一项权利要求所限定的Mg和Si量的6XXX系列铝合金坯料；
ⅱ)由该坯料挤压成最终产品形状；及
ⅲ)热处理该挤压产品，以使MgSi析出。
8．用6XXX系列铝合金制造锻件的方法，它包括如下步骤：
ⅰ)铸成含有如权利要求1-6所限定的Mg和Si量的6XXX系列铝合金坯料；
ⅱ)由该坯料锻成最终产品形状；
ⅲ)热处理该合金，以使MgSi析出。
9．权利要求8的方法，它还包括用该坯料挤压成中间产物形状，然后锻成最终产物的形状。
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