铝合金的制作方法
【专利摘要】在第一方面中，本发明提供铝合金，其包含下列组成，所有的值都以重量％计：Si0.25-1.5，Cu0.3-1.5，Fe最高达0.5，Mn最高达0.1，包括Mg的所有其它元素都是附带的，且(如果存在的话)，则以单独地小于或等于0.05且合计小于或等于0.15的量存在，余量为铝。在第二方面中，本发明提供包含芯层和至少一个包覆层的复合铝片材产品，其中所述至少一个包覆层为包含下列组成的铝合金，所有的值都以重量％计：Si0.25-1.5，Cu0.3-1.5，Fe最高达0.5，Mn最高达0.1，包括Mg的所有其它元素都是附带的，且(如果存在的话)，则以单独地小于或等于0.05且合计小于或等于0.15的量存在，余量为铝。在第三方面中，本发明提供制造钢部件和铝部件的结合结构体的方法，所述铝部件由本发明的合金和/或片材产品制造。
【专利说明】铝合金[0001]本发明涉及主要意图用于运输交通工具中的铝合金和片材合金产品。所述铝合金基于Al-S1-Cu体系且特别适合于用作在汽车的制造中有用的片材产品。所述铝合金还适合于用作复合片材上的包覆(clad)层。本发明还涉及包括钢部件和铝部件的结合结构体。
[0002]铝合金在汽车和其它运输交通工具的生产中的使用已建立了许多年。取决于具体部件的特殊要求，使用一系列不同的合金。在一些应用中，期望的是材料具有高的强度。还另外的应用要求较高的可成型性，且在这样的情况中，可认为强度不太重要。还期望有在冲击下，例如万一与行人碰撞，容易地变形的材料，且这样的材料可具有甚至更低的强度。用于这样的应用的铝合金产品以各种形式提供，从片材到锻件，从挤出件到铸件。
[0003]典型地，铝合金来自其主要成合金元素为Mg和Si的6XXX系列的合金，或来自其中主要成合金元素为Mg的5XXX系列的合金。偶尔使用其中主要成合金元素为Cu的2XXX系列合金。对于在命名和辨识铝及其合金时最通常使用的数字标记体系的理解，参见由招业协会(The Aluminum Associat1n)出版的2009年2月修订的“煅制招和煅制招合金的国际合金命名和化学组成极限值(Internat1nal Alloy Designat1ns and ChemicalComposit1n Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys) ”。
[0004]还已知包覆片材或复合片材在汽车和其它应用中的使用。在这样的产品中，复合片材由至少两个具有不同化学组成的合金层组成。一层，典型地称为芯，提供本体机械性质，而另一层，典型地称作包覆层，提供特殊的表面特性。包覆层通常比芯层薄。一般地，一种组成的芯层介于另一组成的两个包覆层之间以形成三层片材，两个包覆层具有相同的组成。但情况并不总是这样，可提供多层的复合片材，各层具有不同的组成。
[0005]铝合金不是在运输交通工具的建造中使用的唯一材料；钢仍然是重要的结构材料。尽管主要涉及汽车结构体，但本文中描述的发明同样可应用于其他运输交通工具，包括但不限于航空器和陆地交通工具例如火车，公共汽车和卡车以及其中存在将铝部件结合到钢部件的需要的其它工业应用。使用汽车结构体的情况来说明本发明的背景和示范其好处。
[0006]在汽车结构体内的各种位置处，铝合金必须得以接触和结合到钢合金产品。这产生问题，因为通过常规的焊接技术例如TIG、MIG、激光焊接、等离子体焊接等，铝和钢不能令人满意地结合，这是由于液相线温度和低的元素间溶解度之间的大的差异所致。实际上，经典定义的焊接，在两种熔化的金属的接合的意义上，不发生，因为所使用的温度通常不是高到足以使钢熔化。因此，使用各种术语来描述发生的热结合过程且这样的术语可包括但不限于激光焊接、钎接焊等。本质上，且对本发明来说，包括结合到钢部件的铝部件的结构体意指由导致铝部件的至少一部分熔化的热过程产生的结构体。
[0007]二元Al-Fe平衡相图表明多种平衡金属间化合物例如Fe2Al5、FeAl3、FeAl2和FeAl存在。已知这些金属间化合物是硬的且脆的。另外，常规焊接技术的高的热量输入和所得的钢和铝部件之间的反应和扩散可引起脆的金属间化合物的厚的层。这样的金属间化合物在钢/铝界面处的存在可导致差的机械性质和接缝的脆的断裂行为。铝和钢合金之间的接缝可因此变成关键结构弱点的位置。具有合理的断裂强度的接缝，即具有充足的延展性的接缝，是优选的。
[0008]已经进行了努力以改善这样的接缝的界面强度和延展性。一种途径是通过例如提高焊接速度、添加衬块以提取热量或干扰焊接过程来减少对结合过程的热量输入。这样的途径包括在已知的冷金属过渡钎接焊(CMT)技术中。该途径的缺点是，使用其，制造是更复杂且更昂贵的，存在减小的操作窗口，其不适合于工业规模的大量生产，且尽管存在界面强度的改善，但断裂模式仍是脆的。
[0009]用于改善焊接性的第二种途径是向焊接点添加Zn以促进Al-Zn低熔点、低共熔结构的形成。在该途径中，在焊接操作期间在空气气氛中在没有焊剂的情况下使用Zn填料材料，或者在钢部件上使用Zn包层。也可组合使用低的热量输入。关于使用Zn的问题是其趋向于在激光焊接中蒸发。此外，Zn使接缝区域的抗腐蚀性降低，因为其具有高度负的腐蚀电位。
[0010]JP04768487B2描述了用于获得用于机动车辆的铝和钢的复合结构体的方法，其涉及使用激光束在没有焊剂的情况下使在钢板上的AA5182合金的铝层熔化。
[0011]US-A-4，814，022描述了可焊接的铝合金，其包含由具有在S1.5，Mg0.1 ；S1.5Mg0.2 ；Sil.3，Mg0.5 ；Sil.3，Mg0.1处的坐标的梯形所定义的Si和Mg。所述合金进一步含有0.1至0.5的Cu。控制组成以限制在铸造之后在凝固期间Mg2Si的沉淀，在合金中生长且对于强化是必需的Mg2Si沉淀物由随后的热处理产生。尽管作为可焊接的合金描述，但是实例描述焊接到自身、而非焊接到钢部件的合金。
[0012]US-A-4, 808, 247描述了制造Al-S1-Cu-Mg合金的方法，其涉及施加最终的退火步骤，其中将所描述的合金加热至60-360°C，保持在该温度一段时间，并以受控制的方式冷却。描述了三种合金，其中的所有都含有Mg以促进Mg2Si强化沉淀物的形成。
[0013]US-A-5, 582, 660描述了包含下列组成的用于汽车片材中的合金:Si>l.0至约
1.3，MgXX 25 至约 0.60，Cu 约 0.5 至约 1.8，Mn 约 0.01 至约 0.1, Fe 约 0.01 至约 0.2，余量基本上为铝以及附带的元素和杂质。与Si组合的Mg的存在对于Mg2Si强化沉淀物的形成是必须的。
[0014]W098/14626描述了具有以重量％计的下列组成的用于轧制产品的铝合金:S1.8-1.5 ；Mg0.2-0.7 ；Fe0.2-0.7 ；Mn0.01-0.1 ；Cu 最高达 0.25 ；Cr 最高达 0.1 ；Zn 最高达0.4 ;V最高达0.2m，余量为Al。添加硅和镁以用于强化Mg2Si沉淀物的形成。采用Fe以形成充足体积分数的Al-Fe相，其在轧制期间破碎和分散之后可起到重结晶成核位点的作用。
[0015]研究者还考虑了使用Al-Si焊料合金，如Potesser等人在2006年的EH)会议中发表的文章“The Characterisat1n of the Intermetallic Fe-Al Layer of Steel-AluminiumWeldings”所证明的。
[0016]US-B2-7, 943，883描述了用于结合铁部件和铝部件的方法，其中铁部件包括至少在结合侧上的镀敷层，且铝层由铝芯和具有比铝芯材料的熔点低的熔点的铝包层形成，其提供在铁部件的结合侧上。铝包覆层的合金为Al-Si合金，其具有4.0-11.6重量％ Si，余量为Al ;或Al-Cu合金，其具有5.7-33.2重量％ Cu，余量为Al。
[0017]进一步的建议是减小当将铝结合到钢时所产生的界面带(zone)的厚度，但这要求在焊接期间的非常紧凑的工艺窗口控制且极难以生产规模实现。[0018]这些提议在铝合金产品与钢合金产品之间的接缝的质量方面仍留下一些待改进之处。
[0019]本发明的目标是提供铝合金，其可在不使用填料合金的情况下被焊接至钢合金，且其提供拥有合理的强度和韧性断裂机理的界面，这是丰富强度与延展性之间的可得到的折衷的范围的有用方式。
[0020]根据本发明的第一方面，提供铝合金，其包含下列组成，所有的值都以重量％计:
[0021]
Si 0.25-1.5
Cu 0.3-1.5
Fe 最高达0.5
Mn 最高达0.1
[0022]包括Mg的所有其它元素都是附带的且(如果存在的话)，则以单独地小于或等于0.05且合计小于或等于0.15的量存在，
[0023]余量为铝。
[0024]在实施例中，Mn的量是附带的，即，不超过0.05重量％。在实践中，设计对于Mn的0.08重量％的量，但是这是为了方便和商业实用性，而不是为了提升在满足技术目标方面的性能。
[0025]与所述技术问题的现有技术解决方案相反，本发明人调整了铝合金组成以改善铝合金的焊接性能，以降低所述合金对热开裂脆性的敏感性，以调节Fe从钢到铝合金产品中的扩散和以使在钢附近形成的金属间化合物的类型产生偏向以使FeAl型相对于FeAl3-型占上风。对于根据本发明的合金，界面的特征在于包含两种金属间化合物类型，即FeAl和Fe2Al5的致密金属间化合物层，其中FeAl在邻近钢合金的带中。另外，用本发明的合金产生的界面区域是相对大的，包含3个不同的带。该较厚的界面带容许使用较宽的加工参数，给出较大的工艺灵活性且因此使所述新的合金适合用于大规模工业生产。
[0026]向合金添加Si以降低固相线温度和改善可润湿性。出于这些原因，将Si的下限设置在0.25。此外，Si的添加帮助降低在焊接之后热裂纹形成的敏感性且Si的优选下限为0.5。将Si的上限设置成1.5，因为更高的Si水平有利于Al (Fe3, St)-型金属间化合物的形成并对延展性具有负面影响，且Si的优选的上限为1.25。
[0027]还向合金添加Cu以降低固相线温度和改善可润湿性，但是还添加其以调节Al-Fe金属间化合物类型。出于这些原因，将Cu含量的下限设置在0.3。然而，Cu的量不应太高，因为较高的Cu含量使热开裂的风险增大。此外，较高的Cu含量还降低接缝延展性。出于这些原因，将Cu的上限设置在1.5，尽管在一些情况下设定1.25的Cu的上限可为期望的。
[0028]同时，与Si组合的Mg将导致强化Mg2Si沉淀物的形成，其不是有用的，因为Mg不有助于改善接缝质量。当Mg含量增加时，存在在接缝的延展性方面、在合金的可成型性方面以及在焊缝的质量、孔隙率和开裂方面的下降。可容忍少量的Mg，(以允许废料再循环)，但是Mg含量不应超过单独的杂质元素的含量。
[0029]Mn也对热开裂敏感性或可成型性没有显著影响，但其可存在于来自其它来源的再循环金属中。这里，可以比对于其它没有严重不利影响的元素的情况高的量容忍Mn。因此，出于商业原因(更多的再循环)，在Mn的情况下允许比对于其它附带的杂质元素所允许的
量更闻的量。
[0030]其它元素例如，但不限于，Zn, Ni, Ti, B, Cr和V，可以痕量元素或不可避免的杂质的形式存在，或者在Ti和B的情况下，通过添加晶粒细化剂存在。每种这样的痕量元素或不可避免的杂质或晶粒细化元素以各自小于0.05且总计小于0.15的量存在。合金的余量为招。
[0031]根据本发明的第二方面，提供复合铝片材，所述复合铝合金片材包含芯和至少一个包覆层，其中所述包覆层包含下列组成，所有的值都以重量％计:
[0032]
【权利要求】
1.一种铝合金，其包含下列组成，所有的值都以重量％计:
Si 0.25-1.5
Cu 0.3-1.5
Fe 最高达0.5
Mn 最高达0.1 包括Mg的所有其它元素都是附带的，且如果存在的话，则以单独地小于或等于0.05且合计小于或等于0.15的量存在， 余量为招。
2.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其中Si含量为0.5-1.25。
3.根据前述权利要求中任一项所述的铝合金，其中Cu含量为0.3-1.25。
4.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其含有不超过0.08重量％ Mn。
5.一种结合结构体，其中所述结合结构体包含钢部件和结合到其上的铝合金部件，且其中所述铝合金部件由根据权利要求1所述的铝合金制造。
6.根据权利要求5所述的结合结构体，其中在所述钢部件和所述铝合金部件之间的界面带的特征在于邻近所述钢部件的FeAl层。
7.一种复合铝片 材产品，其包含芯层和至少一个包覆层，其中所述至少一个包覆层为包含下列组成的铝合金，所有的值都以重量％计:
Si 0.25-1.5
Cu 0.3-1.5
Fe 最高达0.5
Mn 最高达0.1 包括Mg的所有其它元素都是附带的，且如果存在的话，则以单独地小于或等于0.05且合计小于或等于0.15的量存在， 余量为招。
8.根据权利要求7所述的复合铝片材产品，其中所述芯层由选自5XXX和6XXX系列合金的合金制造。
9.根据权利要求7所述的复合铝片材产品，其中所述芯层由选自AA6016、AA6016A、AA6014、AA6011、AA6111、AA6009、AA6010、AA6022 和 AA6451 的合金制造。
10.根据权利要求7所述的复合铝片材产品，其中所述芯层由选自AA5005、AA5152、AA5052、AA5018、AA5454、AA5754、AA5056、AA5456、AA5182、AA5186、AA5059、AA5083 和AA5383的合金制造。
11.一种结合结构体，其中所述结合结构体包含钢部件和结合到其上的铝合金部件，且其中所述铝合金部件由根据权利要求7所述的复合铝片材产品制造。
12.一种制造结合结构体的方法，其中所述结合结构体包含钢部件和铝部件，且其中所述钢和铝部件通过导致所述铝部件的至少一部分熔化的热过程结合，且其中所述铝部件由根据权利要求1所述的合金制造。
13.—种制造结合结构体的方法，其中所述结合结构体包含钢部件和铝部件，且其中所述钢和铝部件通过导致所述铝部件的至少一部分熔化的热过程结合，且其中所述铝部件由根据权利要求7所述的复合铝片材产品制造。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述热过程为激光焊接。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其包括将Fe和Mn作为杂质处理，减少它们的存在至可实践的程度的步骤。
【文档编号】C22C21/02GK104039996SQ201280066890
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年11月9日 优先权日:2011年11月11日
【发明者】C.贝真孔, C.巴西, F.谢林格尔 申请人:诺维尔里斯公司