TW201816140A - 鋁合金塑性加工材及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

提供為低楊氏模數的同時，耐力亦優異的鋁合金塑性加工材及其有效率的製造方法。
一種鋁合金塑性加工材，其特徵為：含有5.0~10.0wt%的Ca，殘部由鋁與不可避免雜質所成，作為分散相的Al4Ca相的體積率為25%以上，Al4Ca相係由正方晶的Al4Ca相與單斜晶的Al4Ca相所成，藉由X射線繞射測定所得之因正方晶而起的最大繞射波峰(I1)、與因單斜晶而起的最大繞射波峰(I2)的強度比(I1/I2)為1以下。

Description

鋁合金塑性加工材及其製造方法
本發明係關於為低楊氏模數的同時，具有優異耐力的鋁合金塑性加工材及其製造方法。
鋁由於具有抗腐蝕性、導電性、熱傳導性、輕量性、光輝性、可切削性等眾多優異特性，被活用在各種用途。此外，由於塑性變形阻力小，因此可賦予各種形狀，亦被大多使用在施行彎曲加工等塑性加工的構件。
在此，若鋁合金的剛性高，進行彎曲加工等塑性加工時，回彈量變大，存在有難以取得尺寸精度的問題。在如上所示之狀況下，迫切期望低楊氏模數的鋁合金材，研究一種使鋁合金材的楊氏模數降低的方法。
例如，在專利文獻1(日本特開2011-105982號公報)中，已提出一種鋁合金，其係含有Al相、及Al4Ca相的鋁合金，其特徵為：該Al4Ca相含有Al4Ca結晶物，該Al4Ca結晶物的長邊的平均值為50μm以下。
在上述專利文獻1所揭示之鋁合金中，由於伴隨基質(matrix)中的Al4Ca結晶物位錯的移動變得較為容易，因此可使鋁合金的壓延加工性明顯提升。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2011-105982號公報
但是，例如以電氣機器的端子等為代表，對使用鋁合金製品的尺寸精度的要求逐年嚴謹，圖求一種一邊維持耐力一邊為剛性更低的鋁合金。在如上所示之背景下，以上述專利文獻1的鋁合金，並無法充分滿足該要求乃為現況。
鑑於如以上所示之習知技術的問題點，本發明之目的在提供為更低的楊氏模數的同時，耐力亦優異的鋁合金塑性加工材及其有效率的製造方法。
本發明人等為達成上述目的，針對鋁合金塑性加工材及其製造方法不斷精心研究的結果，發現使用Al4Ca相作為分散相，適當控制該Al4Ca相的結晶構造等極 為有效，而達至本發明。
亦即，本發明係提供一種鋁合金塑性加工材，其特徵為：含有5.0~10.0wt%的Ca，殘部由鋁與不可避免雜質所成，作為分散相的Al4Ca相的體積率為25%以上，前述Al4Ca相係由正方晶的Al4Ca相與單斜晶的Al4Ca相所成，藉由X射線繞射測定所得之因前述正方晶而起的最大繞射波峰(I1)、與因前述單斜晶而起的最大繞射波峰(I2)的強度比(I1/I2)為1以下。
藉由添加Ca，形成Al4Ca的化合物，具有使鋁合金的楊氏模數降低的作用。該效果係若Ca的含有量為5.0%以上，即較為明顯，相反地，若添加超過10.0%，鑄造性會降低，尤其藉由DC鑄造等連續鑄造所為之鑄造變得較為困難，因此衍生出以粉末冶金法等製造成本高的方法來製造的必要性。若以粉末冶金方法來製造，形成在合金粉末表面的氧化物混入至製品之中，有使耐力降低之虞。
在本發明之鋁合金塑性加工物中，作為分散相所使用的Al4Ca相的結晶構造基本上為正方晶，但是經本案發明人精心研究的結果，清楚可知若在Al4Ca相存在結晶構造為單斜晶者，耐力不太會降低，另一方面，楊氏模數係大幅降低。在此，若將Al4Ca相的體積率設為25% 以上，藉由X射線繞射測定所得之因前述正方晶而起的最大繞射波峰(I1)、與因前述單斜晶而起的最大繞射波峰(I2)的強度比(I1/I2)為1以下，可一邊維持耐力一邊使楊氏模數大幅降低。
此外，在本發明之鋁合金塑性加工材中，較佳為另外包含：Fe：0.05~1.0wt%、Ti：0.005~0.05wt%之中任何1種類以上。
藉由使鋁合金含有Fe，凝固溫度範圍(固液共存區域)加大，藉此鑄造性提升，鑄塊的鑄件表面獲得改善。此外，亦具有藉由Fe的分散結晶物而使共晶組織均一的作用。該效果係若Fe的含有量為0.05wt%以上，即較為明顯，相反地，若含有超過1.0wt%，共晶組織變粗，有使耐力降低之虞。
Ti係作為鑄造組織的微細化材來發揮作用，呈現使鑄造性、押出性、壓延性提升的作用。該效果係若Ti的含有量為0.005wt%以上，即較為明顯，相反地，即使添加超過0.05wt%，亦無法期待鑄造組織微細化的效果增加，反而有生成成為破壞起點的粗大金屬間化合物之虞。Ti係在鑄造時，以使用棒硬化劑(rod hardener)(Al-Ti-B合金)來添加為佳。其中，此時容許連同Ti一起被添加的B作為棒硬化劑。
此外，在本發明之鋁合金塑性加工物中，較佳為前述Al4Ca相的平均結晶粒徑為1.5μm以下。若Al4Ca相的平均粒徑過大，鋁合金的耐力會降低，但是藉由將平 均粒徑形成為1.5μm以下，可抑制該耐力降低。
此外，本發明亦提供一種鋁合金塑性加工材之製造方法，其特徵為：具有：第一工程，其係對鋁合金鑄塊施行塑性加工，該鋁合金鑄塊係含有5.0~10.0wt%的Ca，殘部由鋁與不可避免雜質所成，作為分散相的Al4Ca相的體積率為25%以上；及第二工程，其係在100~300℃的溫度範圍施行熱處理。
在對鋁合金鑄塊施行塑性加工，該鋁合金鑄塊係含有5.0~10.0wt%的Ca，殘部由鋁與不可避免雜質所成，作為分散相的Al4Ca相的體積率為25%以上的第一工程之後，在100~300℃的溫度範圍施行熱處理(第二工程)，藉此可使結晶構造為正方晶的Al4Ca相的一部分變化成單斜晶。
若將第二工程中的保持溫度設為未達100℃，不易發生由正方晶變化成單斜晶，若將保持溫度設為300℃以上，產生鋁母材的再結晶，有耐力降低之虞。其中，熱處理之更佳溫度範圍為160~240℃。此外，適當的熱處理時間係依鋁合金材的大小及形狀等而異，但是較佳為至少鋁合金材本身的溫度被保持在保持溫度1小時以上。
此外，在本發明之鋁合金塑性加工材之製造方法中，較佳為前述鋁合金鑄塊包含Fe：0.05~1.0wt%、 Ti：0.005~0.05wt%之中任何1種類以上。
藉由使鋁合金含有Fe，凝固溫度範圍(固液共存區域)會加大，藉此鑄造性提升，且鑄塊的鑄件表面獲得改善。此外，亦具有藉由Fe的分散結晶物，使共晶組織均一的作用。該效果係若Fe的含有量為0.05wt%以上，即較為明顯，相反地，若含有超過1.0wt%，共晶組織變粗，有使耐力降低之虞。
Ti係作為鑄造組織的微細化材發揮作用，呈現使鑄造性、押出性、壓延性提升的作用。該效果係若Ti的含有量為0.005wt%以上，即較為明顯，相反地，即使添加超過0.05wt%，亦無法期待鑄造組織微細化的效果增加，反而有生成成為破壞起點的粗大金屬間化合物之虞。Ti係在鑄造時，以使用棒硬化劑(Al-Ti-B合金)來添加為佳。其中，此時容許連同Ti一起被添加的B作為棒硬化劑。
此外，在本發明之鋁合金塑性加工材之製造方法中，以在前述第一工程之前，不進行保持為400℃以上的溫度的熱處理為佳。
一般而言，在製造鋁合金時，在將鑄塊進行塑性加工之前，進行保持在400~600℃之間的均質化處理，但是若進行該均質化處理，鋁合金所包含的Al4Ca相容易變大，平均粒徑會大於1.5μm。耐力因該平均粒徑增大而降低，因此以不進行保持溫度成為400℃以上的均質化處理為佳。
藉由本發明，可提供兼具優異耐力與低楊氏模數的鋁合金塑性加工材及其有效率的製造方法。
圖1係關於本發明之鋁合金塑性加工材之製造方法的工程圖。
圖2係鋁合金塑性加工材的X射線繞射圖案。
圖3係實施鋁合金塑性加工材3的組織照片。
圖4係比較鋁合金塑性加工材8的組織照片。
以下一邊參照圖式，一邊詳加說明本發明之鋁合金塑性加工材及其製造方法，惟本發明並非僅限定於該等。
1.鋁合金塑性加工材
(1)組成
本發明之鋁合金塑性加工材係含有5.0~10.0wt%的Ca，殘部由鋁與不可避免雜質所成。此外，較佳為另外含有：Fe：0.05~1.0wt%、Ti：0.005~0.05wt%之中任何1種類以上。
以下分別說明各成分元素。
Ca：5.0~10.0wt%(較佳為6.0~8.0wt%)
Ca係形成Al4Ca的化合物，具有使鋁合金的楊氏模數降低的作用。該效果在5.0%以上較為顯著，相反地，若添加為超過10.0%，鑄造性會降低，尤其藉由DC鑄造等連續鑄造所為之鑄造變得較為困難，因此衍生出使用粉末冶金法等製造成本高的方法的必要性。若以粉末冶金方法來製造，形成在合金粉末表面的氧化物混入至製品之中，有使耐力降低之虞。
Fe：0.05~1.0wt%
藉由使其含有Fe，凝固溫度範圍(固液共存區域)加大，鑄造性提升，鑄塊的鑄件表面獲得改善。此外，亦具有藉由Fe的分散結晶物而使共晶組織均一的作用。該效果在0.05wt%以上較為明顯，相反地，若含有超過1.0wt%，共晶組織變粗，有使耐力降低之虞。
Ti：0.005~0.05wt%
Ti係作為鑄造組織的微細化材來發揮作用，呈現使鑄造性、押出性、壓延性提升的作用。該效果在0.005wt%以上較為明顯，相反地，即使添加超過0.05wt%，亦無法期待鑄造組織微細化的效果增加，反而有生成成為破壞起點的粗大金屬間化合物之虞。Ti係在鑄造時，以使用棒硬化劑(Al-Ti-B合金)來添加為佳。其中，此時容許連同Ti一起 被添加的B作為棒硬化劑。
其他成分元素
只要未損及本發明之效果，容許含有其他元素。
(2)組織
本發明之鋁合金塑性加工材係作為分散相的Al4Ca相的體積率為25%以上，Al4Ca相係由正方晶的Al4Ca相與單斜晶的Al4Ca相所成，藉由X射線繞射測定所得之因正方晶而起的最大繞射波峰(I1)、與因單斜晶而起的最大繞射波峰(I2)的強度比(I1/I2)為1以下。
在作為分散相的Al4Ca相係存在正方晶的Al4Ca相與單斜晶的Al4Ca相，但是將該等合計的Al4Ca相的體積率成為25%以上。藉由將Al4Ca相的體積率設為25%以上，可對鋁合金塑性加工材賦予優異的耐力。
此外，較佳為不取決於結晶構造，Al4Ca相的平均結晶粒徑為1.5μm以下。若該平均粒徑超過1.5μm，有鋁合金塑性加工材的耐力降低之虞。
Al4Ca相的結晶構造通常為正方晶，惟經本案發明人精心研究的結果，發現若在Al4Ca相之中存在結晶構造為單斜晶者，耐力雖然幾乎不會降低，但是楊氏模數大幅降低。其中，並不需要全部Al4Ca相的結晶構造均為單斜晶，若為與正方晶者混合存在的狀態即可。存在結晶構造為單斜晶之Al4Ca相，例如可藉由使用X射線繞射法測 定繞射波峰，來進行特定。
關於Al4Ca相，因正方晶而起的最大繞射波峰(I1)、與因單斜晶而起的最大繞射波峰(I2)的強度比(I1/I2)係可藉由使用Cu-Kα線源的一般X射線繞射測定而得。其中，正方晶Al4Ca的晶格常數為a=0.4354、c=1.118，斜方晶Al4Ca的晶格常數為a=0.6158、b=0.6175、c=1.118、β=88.9°。
2.鋁合金塑性加工材之製造方法
將本發明之鋁合金塑性加工材的工程圖顯示於圖1。本發明之鋁合金塑性加工材之製造方法係具有：對鋁合金鑄塊施行塑性加工的第一工程(S01)、及施行熱處理的第二工程(S02)。以下說明各工程等。
(1)鑄造
在對具有上述之本發明之鋁合金塑性加工材的組成的鋁合金熔融金屬，施行以往周知的除渣處理、除氣處理、過濾處理等熔融金屬清淨化處理之後，可藉由鑄入成預定的形狀，而取得鑄塊。
關於鑄造方法並未特別限定，可使用以往周知的各種鑄造方法，較佳為使用例如DC鑄造等連續鑄造法，以鑄造成容易進行第一工程(S01)的塑性加工(押出、壓延、鍛造等)的形狀為佳。其中，亦可在鑄造時，添加棒硬化劑(rod hardener)(Al-Ti-B)，來使鑄造性提升。
一般製造鋁合金時，在將鑄塊進行塑性加工之前，進行保持在400~600℃的均質化處理，但是若進行均質化處理，Al4Ca相容易變大(大於平均粒徑1.5μm)，鋁合金的耐力降低，因此在本發明之鋁合金塑性加工材之製造方法中，以不進行該均質化處理為佳。
(2)第一工程(S01)
第一工程(S01)係對在(1)中所得之鋁合金鑄塊施行塑性加工，形成為目的形狀的工程。
押出、壓延、鍛造等塑性加工係可使用熱間加工與冷間加工之任一者，而且亦可將該等組合複數。藉由進行該塑性加工，鋁合金形成為加工組織，耐力會提升。其中，在進行塑性加工的階段，鋁合金所包含的大部分Al4Ca相係結晶構造為正方晶。
(3)第二工程(S02)
第二工程(S02)係對在第一工程(S01)中所得之鋁合金塑性加工材施行熱處理的工程。
藉由進行將在第一工程(S01)中施行塑性加工之後的鋁合金塑性加工材保持在100~300℃的熱處理，可將結晶構造為正方晶的Al4Ca相的一部分形成為單斜晶。若保持溫度未達100℃，並不易發生由該正方晶變化成單斜晶。另一方面，若保持溫度成為300℃以上，會產生鋁母材的再結晶，而有耐力降低之虞，因此熱處理的保持溫 度係以100~300℃為佳，以160~240℃為更佳。
此外，最適之熱處理時間係依成為處理對象的鋁合金塑性加工材的大小或形狀等而異，但是較佳為至少鋁合金塑性加工材的溫度保持在前述保持溫度1小時以上。
以上說明本發明之具代表性的實施形態，惟本發明並非僅限定於該等，可為各種設計變更，且該等設計變更全部包含在本發明之技術範圍內。
[實施例]
≪實施例≫
將具有表1所示之組成的鋁合金，藉由DC鑄造法鑄造成Φ8吋的鑄塊(鑄坯)之後，無須進行均質化處理，以押出溫度500℃塑性加工成橫幅180mm×厚度8mm的平板狀。之後，冷間壓延至厚度5mm之後，進行以200℃保持4hr的熱處理，獲得實施鋁合金塑性加工材。
對所得之實施鋁合金塑性加工材3施行X射線繞射，測定出Al4Ca相的波峰位置。其中，X射線繞射法係由板狀的鋁合金塑性加工材切出20mm×20mm的試料，切削表層部約500μm之後，以Cu-Kα線源進行θ-2θ的測定。將所得結果顯示於圖2。其中，經求出因正方晶而起的最大繞射波峰(I1)、與因單斜晶而起的最大繞射波峰(I2)的強度比(I1/I2)，結果為0.956。
此外，由實施鋁合金塑性加工材1~5切出JIS-14B號試片，藉由拉伸試驗，測定楊氏模數與耐力。將所得結果顯示於表2。此外，由藉由光學顯微鏡所得之組織觀察結果所算出的分散相(Al4Ca相)的體積率亦顯示於表2。
除了將熱處理的溫度設為100℃、160℃、240℃、及300℃任一者之外，與實施鋁合金塑性加工材3的情形同樣地，獲得實施鋁合金塑性加工材6~9。此外，與實施鋁合金塑性加工材1~5的情形同樣地，藉由拉伸試驗，測定楊氏模數及耐力。將所得結果顯示於表3。
≪比較例≫
將具有表1所示之組成的鋁合金，藉由DC鑄造法鑄造成Φ8吋的鑄塊(鑄坯)之後，無須進行均質化處理，以押出溫度500℃塑性加工成橫幅180mm×厚度8mm的平板狀。之後，冷間壓延至厚度5mm而獲得比較鋁合金塑性加工材1~5(無熱處理)。
對所得之比較鋁合金塑性加工材3施行X射線繞射，測定出Al4Ca相的波峰位置。其中，X射線繞射法係由板狀的鋁合金塑性加工材切出20mm×20mm的試料，切削表層部約500μm之後，以Cu-Kα線源進行θ-2θ的測定。將所得結果顯示於圖2。其中，經求出因正方晶而起的最大繞射波峰(I1)、與因單斜晶而起的最大繞射波峰(I2)的強度比(I1/I2)，結果為1.375。
此外，由比較鋁合金塑性加工材1~5切出JIS-14B號試片，藉由拉伸試驗，測定楊氏模數及耐力。將所得結果顯示於表2。
除了將熱處理的溫度形成為90℃或310℃之任一者之外，與實施鋁合金塑性加工材3的情形同樣地，獲得比較鋁合金塑性加工材6及7。此外，與比較鋁合金塑性加工材1~5的情形同樣地，藉由拉伸試驗，測定楊氏模數與耐力。將所得結果顯示於表3。
除了在鑄造成鑄塊(鑄坯)之後，進行保持為550℃的均質化處理之外，與實施鋁合金塑性加工材3同樣 地，獲得比較鋁合金塑性加工材8。此外，由比較鋁合金塑性加工材8切出JIS-14B號試片，藉由拉伸試驗，測定楊氏模數與耐力。將所得結果顯示於表4。其中，以比較資料而言，在表4中亦顯示僅有均質化處理之有無為不同的實施鋁合金塑性加工材3的楊氏模數及耐力。
由表2的結果，可知若將具有相同組成的實施鋁合金塑性加工材與比較鋁合金塑性加工材相比較，本發明之鋁合金塑性加工材(實施鋁合金塑性加工材1~5)的楊氏模數與未施行熱處理的比較鋁合金塑性加工材1~5的楊氏模數相比較，大幅降低。另一方面，實施鋁合金塑性加工材1~5的耐力及拉伸強度與比較鋁合金塑性加工材1~5相比較，不會大幅降低。其中，本發明之鋁合金塑性加工材中的分散相(Al4Ca相)的體積率為25%以上。
由表3的結果，若熱處理的保持溫度為90℃(比較鋁合金塑性加工材6)，楊氏模數顯示出高的值(幾乎未降低)。此外，若熱處理的保持溫度為310℃(比較鋁合金塑性加工材7)，被發現楊氏模數降低，但是同時耐力及拉伸強度亦降低。由該結果，若熱處理的保持溫度為310℃，被認為是塑性加工組織的再結晶化進展者。
在圖3及圖4中分別顯示實施鋁合金塑性加工材3及比較鋁合金塑性加工材8之藉由光學顯微鏡所得之組織照片。在該組織照片中，黑色區域為Al4Ca相，藉由畫像解析，測定Al4Ca相的平均結晶粒徑。將所得結果顯示於表4。
由表4的結果，若施行保持在550℃的均質化處理(比較鋁合金塑性加工材8)，被發現耐力及拉伸強度降低。在此，藉由均質化處理，Al4Ca相的平均結晶粒徑增加，形成為1.56μm。被認為是因該平均結晶粒徑增加， 耐力及拉伸強度降低者。

Claims (6)

  1. 一種鋁合金塑性加工材，其特徵為：含有5.0~10.0wt%的Ca，殘部由鋁與不可避免雜質所成，作為分散相的Al 4Ca相的體積率為25%以上，前述Al 4Ca相係由正方晶的Al 4Ca相與單斜晶的Al 4Ca相所成，藉由X射線繞射測定所得之因前述正方晶而起的最大繞射波峰(I 1)、與因前述單斜晶而起的最大繞射波峰(I 2)的強度比(I 1/I 2)為1以下。
  2. 如申請專利範圍第1項之鋁合金塑性加工材，其中，另外包含：Fe：0.05~1.0wt%、Ti：0.005~0.05wt%之中任何1種類以上。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之鋁合金塑性加工材，其中，前述Al 4Ca相的平均結晶粒徑為1.5μm以下。
  4. 一種鋁合金塑性加工材之製造方法，其特徵為：具有：第一工程，其係對鋁合金鑄塊施行塑性加工，該鋁合金鑄塊係含有5.0~10.0wt%的Ca，殘部由鋁與不可避免雜質所成，作為分散相的Al 4Ca相的體積率為25%以上；及 第二工程，其係在100~300℃的溫度範圍施行熱處理。
  5. 如申請專利範圍第4項之鋁合金塑性加工材之製造方法，其中，前述鋁合金鑄塊包含Fe：0.05~1.0wt%、Ti：0.005~0.05wt%之中任何1種類以上。
  6. 如申請專利範圍第4項或第5項之鋁合金塑性加工材之製造方法，其中，在前述第一工程之前，不進行保持為400℃以上的溫度的熱處理。
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