TWI627287B - High-strength aluminum alloy seamless pipe - Google Patents

Abstract

一種高強度鋁合金無縫管材，其特徵在於：以質量%計，含有Si：0.7~0.9%，Cu：1.2~1.8%，Mg：0.8~1.2%，餘量為Al及不可避免的不純物所構成之鋁合金；藉此，本發明的鋁合金可同時兼具有高強度、容易塑性加工、固溶水淬後容易矯直整型以達精密尺寸、耐腐蝕及避免刮痕等優點，從而可大幅提高本發明的實用性。

Description

一種高強度鋁合金無縫管材

本發明係關於一種鋁合金材料，特別是關於一種用於鋁合金無縫管的鋁合金材料。

按，鋁合金無縫管在自行車或汽機車的車架或零組件中具有重要且廣泛的應用，以避震型車架管件例如避震型前叉管件(suspension fork，即與前叉肩蓋(fork crown)緊配之管件)為例，採用高強度鋁合金管及表面進行硬陽處理，藉以減重並提升耐磨特性以符合受力及滑動之結構需求，已成為業界的主流與趨勢。請參閱第一圖所示，其揭示了一種現有可用於製作如上述之前叉管件的典型製程：首先係將一鋁合金無縫管經擠型(擠管)成為一無縫擠型管，退火後再經抽製(抽管)成為較薄及較精密之管件，接下來再對管件施予固溶水淬及時效熱處理，最後再透過NC加工、研磨(外徑)及搪磨(內徑)等程序對管件進行加工以達到精密尺寸之要求，並進行必要之硬陽處理以提升管件的耐磨性能，如此即完成前叉管件的製造流程。一般而言，前叉管通常需符合表面應達到滑動件之低表面粗度(如Ra值應在0.05~0.25μm的範圍內)及高精密尺寸(如外徑(O.D)誤差在±0.03mm以內，內徑(I.D)誤差在±0.05mm以內)等結構上的要求。

在現有技術中，具有高強度特性的7xxx系鋁合金(如7075或7050鋁合金)是自行車車架管材或避震型前叉管件的主流材料之一，然 而，當實際考慮上述的前叉管製程時，採用7xxx系鋁合金的問題即逐一浮現：首先，7xxx系鋁合金在擠型、抽管等無縫管製程的加工性明顯劣於其他系列的鋁合金(如6xxx系鋁合金)，亦即存在有不易進行塑性加工的問題；其次，7xxx系鋁合金在固溶水淬後一段時間其強度會大幅提升，如此將更不易對固溶水淬後所造成的尺寸變形問題進行矯直整型作業；此外，7xxx系鋁合金在NC加工、研磨與搪磨等階段容易產生腐蝕問題，使硬陽處理後的產品良率受到限制，如此可見7xxx系鋁合金實際上並非是避震型前叉管件的理想材料。

在容易塑性加工的6xxx系鋁合金方面，Alcoa公司發展出著名的6013鋁合金，其經T6處理後，降伏強度(Yield Strength)可達317MPa，相似或接近於2024-T3鋁合金，是高強度鍛型鋁合金中很重要的發展，然而，此一鋁合金在強度上仍不能與一般的7xxx系鋁合金相比。

美國專利US5571347號揭示了一種高強度的6xxx系鋁合金，典型的代表如6069鋁合金，測試顯示其降伏強度可達52ksi(358MPa)以上，然此專利文獻僅是以擠製後的棒、型材及熱處理等條件來測試，在上述條件下，此種6069鋁合金中所添加的V、Be及Sr等元素容易維持未再結晶之組織而有強化的效果，惟若考慮前叉管之精密尺寸要求及常有不等厚的管材尺寸(例如與肩蓋緊配之一端較厚)，需要以抽製來製作產品的情況，此時，由於抽製加工容易在熱處理後產生再結晶而弱化強度，因此，雖然此種鋁合金在擠管及T6處理後之降伏強度有些參數可達到55ksi(379MPa)，且在需要焊接的車架產業有重要應用，但仍較少被應用於前叉管上。

此外，業界也有推出一種高矽含量的6066無縫管，其係增加Si的含量來提升合金強度，通常此種鋁合金的Si含量係大於1.2wt%，此種高矽含量的6066鋁合金若應用於前叉管製程，在擠型、抽管之加工性將明顯優於高強度的7xxx系鋁合金，在固溶及時效熱處理階段也更容易矯直整型以達精密尺寸，硬陽處理也較無腐蝕問題，然而，此種鋁合金容易產生富含Si成分的介金屬顆粒(intermetallic compound)，如此一來，在擠管等作業時該等介金屬顆粒即容易粘附在模具上而對管件造成刮痕，從而導致在後續的NC加工等作業中，特別是管材的內徑表面將不易搪磨至符合滑動件所要求的低表面粗度，此一技術問題也限制了此種高矽含量的6066鋁合金在前叉管上的應用。

因此，如何發展一種可兼顧避震型前叉管之各階段製程的需求並避免上述問題的高強度鋁合金無縫管材，即成為一極具實用性與迫切性的技術課題。

有鑑於習知鋁合金材料在作為避震型車架管件之應用上所存在的上述問題，因此本發明之目的在於發展一種可兼具高強度、易塑性加工、固溶水淬後容易矯直整型以達精密尺寸、耐腐蝕及減少刮痕等特性的鋁合金無縫管材。

為達成以上之目的，本發明係提供一種高強度鋁合金無縫管材，其特徵在於：以質量%計，含有Si：0.7~0.9%，Cu：1.2~1.8%，Mg：0.8~1.2%，餘量為Al及不可避免的不純物所構成之鋁合金。

其中，Si更好的含量為0.8~0.85%。

其中，Cu更好的含量為1.54~1.64%。

其中，Mg更好的含量為0.9~1.0%。

其中，以質量%計，進一步含有下述元素之1種或2種以上：Fe：0.2%以下，Mn：0.6%以下，Cr：0.2%以下，Ti：0.2%以下，Zn：0.25%以下，Zr：0.2%以下。

再者，其它除了說明書第【0010】~【0013】段所列元素項目之外的個別不純物含量係小於0.05%，且所有不純物的總含量係小於0.15%。

藉此，本發明的鋁合金可同時兼具有高強度、容易塑性加工、固溶水淬後容易矯直整型以達精密尺寸、耐腐蝕及避免刮痕等優點，從而可大幅提高本發明的實用性。

第一圖係習知之避震型前叉管件的製法步驟流程圖。

第二圖係習知6066鋁合金無縫管在擠製後容易出現刮痕之放大圖。

第三圖係第二圖在橫截面上量測刮痕深度之金相圖。

第四圖係習知6066鋁合金無縫管其橫截面之組織的金相圖。

第五圖係本發明的鋁合金無縫管其橫截面之組織的金相圖。

以下詳細說明本發明的高強度鋁合金無縫管材之一實施例，在本實施例中，該高強度鋁合金無縫管材，其化學成分以質量%計，含有Si：0.7~0.9%，Cu：1.2~1.8%，Mg：0.8~1.2%等主要合金元素，以及餘 量為Al及不可避免的不純物所構成之鋁合金。

較佳地，在本發明的一個實施例中，Si的含量為0.8~0.85%。

較佳地，在本發明的一個實施例中，Cu的含量為1.54~1.64%。

較佳地，在本發明的一個實施例中，Mg的含量為0.9~1.0%。

此外，在本發明的一個實施例中，以質量%計，該高強度鋁合金無縫管材可進一步含有以下之次要合金元素中的1種或2種以上：Fe：0.2%以下，Mn：0.6%以下，Cr：0.2%以下，Ti：0.2%以下，Zn：0.25%以下，Zr：0.2%以下，亦即，上述之次要合金元素實際上也可以不添加，但若於上述的配比範圍內添加，則可以使產品具有再提升強度及方便回收熔鑄等優點，故此處設計允許的上限範圍。

此外，在一較佳的實施例中，該高強度鋁合金無縫管材中的每一種不純物的含量係小於0.05%，且所有不純物的總含量係小於0.15%，在本發明中，術語「不純物」係指除了Al、上述之主要合金元素以及次要合金元素之外的其他元素成分。

本發明在上述所揭示之各組成成分的配比範圍中，選擇數種具體的配比組合(實施例)所得到之鋁合金作為試體，並賦予試體之編號，以驗證本發明之鋁合金的效果，其中各試體的具體成分組成如下表一所示：

將上表一中由各試體所構成的鋁合金無縫管，按前述的典型前叉管件製程，分別製作成前叉管件，並同樣賦予對應的管件編號(即由1號試體所製作而成的前叉管件即稱為1號管件，餘此類推)，再對這些前叉管件進行拉伸強度(Tensile Strength)、降伏強度(Yield Strength)與伸長率(Elongation)的量測，所得到的數據及與其它具代表性的已知鋁合金的比較結果如下表二所示：

在表二中，本發明的各管件均係由7吋鑄錠以420℃來擠製成管材，再抽製30%左右成更精密之尺寸(在本實施例中，外徑(O.D)為 35.62mm，內徑(I.D)為29.95mm)，以符合前叉管之要求，其中，1號與2號管件是以535℃固溶後再抽製12%，並施予T8處理(180℃ x8小時)，3號管件是以560℃固溶後再施予T6處理(180℃ x8小時)，由代表性的試件平均求得典型的拉伸性質，其與表二中其它具代表性的已知鋁合金的特性相比，可以證明本發明在拉伸的降伏強度可符合7xxx系鋁合金T73之性質。

若從擠製等製程之加工性或是否易塑性加工來看，以7075鋁合金為例，其典型的成分是5.6Zn-2.5Mn-1.6Cu-0.23Cr，合金含量高達9.93(wt%)，相對的，本發明的典型成分是0.8Si-1.0Mg-1.5Cu，合金含量僅約3.3(wt%)，甚至還低於高矽含量的6066鋁合金之合金含量，考慮由擠速、良率及可以工作的溫度範圍所決定的擠製性，本發明係接近於6xxx系鋁合金，而具有2~4倍優於7075鋁合金之塑性加工性質。

關於搪磨加工之難易與性質的問題，以一種業界常用之6066鋁合金為例，其成分(wt%)為：Si：1.35，Fe：0.16，Cu：1.09，Mn：1.03，Mg：1.10，Cr：0.16，Ti：0.01，以及Al(Rem.)，經擠製為外徑32mm、內徑25.2mm的管材，再熱處理為外徑25.6mm、內徑19.97mm且誤差在±0.01mm以內的精密尺寸，此時，該6066鋁合金在擠管後其內徑表面很容易出現如第二圖所示的刮痕，同時，若檢查其橫向截面，極易發現如第三圖所示的，深度達25μm(即0.025mm)的刮痕，對於搪磨工序而言，大於0.02mm的研磨深度是不易克服的瓶頸且無法滿足內徑尺寸誤差在±0.01mm以內的要求，請再參閱第四圖所示為此種6066鋁合金其橫截面組織的金相圖，由此圖可發現此種高矽含量的6066鋁合金中極易分布一些富含Fe-Si之灰黑介金屬化合物顆粒(即圖片中的黑色點狀物)，推測這是因為Si為 主的合金無法充分固溶等因素所致，造成該等富含Fe-Si之介金屬顆粒於擠管時容易粘附模具而刮傷管件；請再參閱第五圖所示為本發明的1號管件其橫截面組織的金相圖，由該圖可看出在本發明的鋁合金中，介金屬化合物顆粒僅是微量的分布，進一步進行灰黑顆粒之影像分析，可發現6066鋁合金的灰黑介金屬化合物之平均顆粒尺寸達5.96μm，佔有分率為4.97%，而本發明的鋁合金中之灰黑介金屬化合物的平均顆例尺寸僅有3.84μm，佔有分率為2.07%，比對兩者的合金含量，Fe的含量分別是0.16%與0.13%，Si的含量分別是1.35%與0.84%，Mn的含量分別是1.03%與0.09%，研判應是6066鋁合金的高Si、Mn含量導致大量介金屬化合物顆粒分布，反觀，本發明的相對高Cu含量的Mg-Si-Cu鋁合金可適當地固溶及均質化，從而能有效地減少介金屬化合物顆粒並避免擠管時產生刮痕。

綜合以上說明，可見在避震型車架管件如座管或前叉管的應用上，本發明的鋁合金不僅在強度上接近高強度7xxx系鋁合金，同時又可兼具有6xxx系鋁合金容易塑性加工、固溶水淬後容易矯直整型以達精密尺寸及耐腐蝕等優點，更重要的是，同時還可避免高矽含量之6066鋁合金容易產生刮痕之問題，又由於強度上接近原本高強度7xxx前叉管的需求，方便工程師以稍微增厚或不改變原有7xxx前叉管尺寸的條件下採用，而可容易通過產品性能測試且製程上更具競爭力，進而可證明本發明之實用價值與進步性。

惟上列詳細說明係針對本發明之較佳實施例的具體說明，該等實施例並非用以限制本發明之專利範圍，而凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

Claims (5)

1. 一種高強度鋁合金無縫管材，其特徵在於：以質量%計，含有Si：0.7~0.9%，Cu：1.2~1.8%，Mg：0.8~1.2%，以及下述元素之1種或2種以上：Fe：0.2%以下，Mn：0.6%以下，Cr：0.2%以下，Ti：0.2%以下，Zn：0.25%以下，Zr：0.2%以下，餘量為Al及不可避免的不純物所構成之鋁合金。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高強度鋁合金無縫管材，其中Si的含量為0.8~0.85%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之高強度鋁合金無縫管材，其中Cu的含量為1.54~1.64%。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高強度鋁合金無縫管材，其中Mg的含量為0.9~1.0%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之高強度鋁合金無縫管材，其中，每一種不純物的含量係小於0.05%，且所有不純物的總含量係小於0.15%。