专利名称：无铅的6xxx铝合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及铝合金领域，尤其是涉及可机械加工的铝合金，本发明还涉及用这类合金制成的产品，这包括但不限于制螺钉的坯料；冷加工的线材，棒材和型材；挤压、铸造、拉拔或热和冷轧的棒材和型材，及挤压、铸造、拉拔或热和冷轧的锻造坯料。
在最普通的已上市的铝合金中有一些以2011和6262铝(铝学会(Aluminum Association)代号)被公知的可机械加工的铝合金。一般说来，任何的这种合金的可机加工性都是难以测量的。一种沿用了一段时间的分级系统根据以下的尺度考虑下列特性以“A”、“B”、“C”、“D”和“E”级对可机械加工性进行分类，其中“A”级是机械加工性最好的级别(1)切屑尺寸。最希望的是较小的切屑尺寸，因为这样的切屑比较大的切屑更易简化机械加工操作，并有利于更有效地从工具-工件界面处散热。切屑不得过小，或在整个机械加工操作期间，如钻孔或切削时不妨碍润滑剂的循环。而与之相比，长而薄的切屑则倾向于自行卷曲而不是断裂。这种切屑，有时被叫做切屑卷，会需要人工从加工区去除，而且在散热方面，效果不如较小的切屑，因为较大的切屑容易阻塞冷却的润滑剂。
(2)工具磨损。较低的工具磨损速率对于通过增加刀具在指定的工件的预定的限度被超过之前可使用的时间量来节约金钱是符合要求的。较低的工具磨损速率还因缩短了更换工具的停工时间而进一步提高了生产率。
(3)表面光洁度。合金在机械加工的条件下显示非常光滑的外表面光洁度对于消除和减少后续的表面精加工工序，如研磨和去毛刺的需求是符合要求的。
(4)机械加工的力。较低的机加工力是较为符合要求的，因为减少了能量需求和在工件、工具和工具头部产生的磨擦热的量；或提高了可以同样的能量需求所完成的切削量或金属去除量；以及(5)机械性能和腐蚀性能。机械性能，如强度，或其它性能，如耐腐蚀性，就可机械加工性而言是可“选择的”。按照被加工的工件是预期的最终用途，这些性能是相当重要的。虽然这种“A”-“E”的分级系统是以上述五个参数为基础的，但每个参数的相对的重要性是随任何指定合金的预期最终用途的功能而变的。
目前，2011始终属于“A”级最常用的铝加工合金。其组成中含有约5～6％(重量)的Cu、最高约为0.3％(重量)的Zn、最多为约0.7(重量)的Fe、最高约为0.4％(重量)的Si，约0.2-0.6％(重量)的Bi和约0.2-0.6％(重量)的Pb。6262铝是最常见的“B”级铝，但与其2011-T3的对应物相比，它总有较高的强度水平和在T8和T9状态下的较好的综合的耐腐蚀性。在6262铝的组成中含有约0.8-1.2％(重量)的Mg，约0.4-0.8％(重量)的Si、约0.15-0.4％(重量)的Cu、约0.4-0.7％(重量)的Pb、约0.4-0.7％(重量)的Bi、约0.04-0.14％(重量)的Cr、最多为约0.7％(重量)的Fe、最多约为0.25％(重量)的Zn，最多约为0.15％(重量)的Mn和最多约为0.15％(重量)的Ti。
在最近的将来，可期望减少很多产品中的含铅量。法规会要求降低含铅量，或甚至从某些产品中去除铅。因此希望有2011和/或6262铝的无铅的替代物。
提供6262铝的基本无铅的替代物是有意义的。另外的目的在于提供无铅的，具有优越的机械加工性能的铝合金，借以通过较快的加工时间来降低制造费用。再一目的在于提供一种在大多数机加工应用中，尤其是在最终产物的强度性能与可机械加工性能相比相对说来不很严格应用中替代2011和/或6262铝的合金。
和改进的制螺钉坯料和线材、棒材或型材产品一起提供以各种步骤组合方式的铸造、预热、挤压、固溶热处理、冷加工和热处理来生产这种产品的改进的方法也是有意义的。
根据本发明，有一个实施方案关系到适于机械加工的铝合金。这种合金基本上是由约0.15-1.0％(重量，以下同)的铜、约0.4-1.5％的锡、约0.65-1.35％的镁，约0.4-1.1％的硅、约0.002-0.35％的锰，最多约0.5％的铁，最多约0.15％的铬和最多约0.15％的钛，余量基本上是铝及偶然带入的元素和杂质构成的。在优选的基础上，这种合金包含约0.45-0.7％(重量，以下同)的铜、约0.9-1.3％的锡、约0.7-0.9％的镁、约0.45-0.75％的硅和0.01-0.05％的锰。按后文的定义，它基本上无铅、无铋、无镍、无锆和无镉。通常将这种合金作成制螺钉的坯料或一种或多种选自线材、棒材和型材的产品，而最好是通过铸成锭然后热变形而制成的。
这里还公开了一种通过铸造、预热、挤压、固溶热处理、冷加工和热处理，最好是处理成T3、T8和T851的状态(AluminumAssociation代号)而将这种合金制成制螺钉坯料，线材，棒材和型材产品的方法。通过挤压、冷加工，然后固溶热处理(或固溶化)，这种同样的合金可被处理成诸如T4、T451、T6或T651的其它的状态。T9状态也可通过固溶热处理、热处理和冷作而得到。本发明的合金可用已知的或后续开发的方法被连续铸造；被挤压成各种产品形状而不经冷作；或甚至经压力淬火。挤压后，用这种合金制成的产品可按T4511、T6510、T6511或其它的T6的作法进行处理。
为了描述优选的合金组成，除另有说明外，与百分比相关的所有数值都是重量百分比(wt％)。
当涉及到任何数值范围时，则包括所述范围内最大和最小值之间的各个数和全部数和/或部分是可以理解的。比如，约0.4-1.5％的锡的范围将明确地包括约0.41、0.42、0.43和0.5直到和包括1.45、1.47和1.49％Sn的全部中间值。这同样也适用于下文中的其它的元素范围。
当术语“基本上没有”用于本文时，这指的是不含显著量的那种有意加于该合金成份中的元素，被理解到的是，可以找到痕量的难以避免的元素和/或杂质进入所预期的最终产品中的途径。比如，由于不可避免的添加物的污染或通过与某些处理和/或盛放设备的接触，基本上无铅的机械加工合金可能含有小于0.1％的Pb，或在更佳的基础上含小于0.03％的Pb。本发明的全部实施方案都是无铅的。本发明的合金，在优选的基础上，还基本上无铋、镍、锆、镉和铊。
本文所用的术语“制螺钉坯料”描述了以常规的冶金制坯技术(如，DC铸造)或用已知的或后续开发的粉末冶金和铸造工艺另行制成的冷加工线材、棒材和型材产品及可被热和冷轧成的任何挤压的线材、棒材或型材产品。“冷加工”被定义为以基本上是室温的温度加工，而“热加工”则用了便于进一步加工而加热过的坯料。可以理解的是，在某些情况下冷加工还可在热加工之后进行。
当谈到这种合金的任何优选的状态处理时，这包括T3、T4、T451、T4511、T6、T651、T6510、T6511、T8、T851和T9时，通行的状态处理作法包括热加工；冷加工；固溶热处理(或固溶化)；及自然沉淀硬化(即于室温下)或人工沉淀硬化(用外加热源)是可以理解的。关于任何一种处理方法的细节可从Aluminum Association regisration guidelines中得知，其公开内容通过参照已结合于本文中。
虽然本发明的铝合金最好可通过挤压、铸造和/或热或冷轧而制成制螺钉坯料及线材、棒材或型材产品，但可以理解的是，同一合金也可通过任何已知的或后来开发的技术，这包括连铸或半连铸，被制成其它的形式和产品形状，这包括片、带、板、锻坯，包覆板或箔状产品。
当谈及本发明的主要合金化成分时，可理解的是，基本为铝的其余部分可包括某些不可避免的，故意添加的、影响本发明次要性能的元素或非故意添加的杂质，此二者中的任一种都不改变本合金的基本特性。就该主要合金化元素而言，可以相信，铜产生了该合金的综合的可机械加工性、强度、阳极化特性、可焊性及耐腐蚀特性。对于较少的元素而言，铬被认为有助于在热加工或热处理期间的细分散相的形成以及防止重结晶。锰被认为增加该合金的强度、抗重结晶及耐磨的性能。为提高强度还可加硅，而铁一般作为杂质存在。出于某些理由锡被认为是铅的可行的替代物。锡满足大部分的用于鉴定和开发2011和/或6262铝的基本无铅替代物的规范，即(1)毒性程度低，(2)当替代上述铝合金时处理工艺最简单；(3)形成低熔点的共晶体；(4)通常不溶于固态铝中；(5)基本上不与铝形成金属间化合物；及(6)在熔化时有净膨胀。
本发明的一个基本特性被认为是熔化锡-镁共晶体的作用的结果，一般是在机械加工时期切削工具区域中温度上升的结果。因此，本发明可以少量的这种其它的元素，如银来增强强度性能而又不有害地影响上述基本的有益特性。通过在本发明合金的Sn和Mg含量间观察到的反比关系注意到这种迹象。当存在适量的锡时，应将Mg含量保持得相当高。但若Mg含量约0.9％(重量)或更低时，0.95％(重量)或更高的Sn含量被证明是更有益的。
以下的实施例被用来进一步说明本发明的目的和优点。因此没必要打算将其以任何方式限制范围。
表1a-组成合金 Mg Cu Mn PbBi Sn Si6262成分 0.880.340.02 0.54 0.50-- 0.59本发明试样a 0.660.300.0030.0003-- 0.870.48本发明试样b 0.660.590.0030.0009-- 0.950.48本发明试样c 0.910.310.0030.0013-- 0.900.68本发明试样d 0.880.590.0040.0039-- 0.940.72本发明试样e 0.940.630.0040.0033-- 0.890.73本发明试样f 1.180.340.0030.0000-- 0.950.87本发明试样g 1.170.580.0060.0010-- 0.940.84本发明试样h 1.000.560.0040.0035-- 1.100.72本发明试样i 1.000.590.0100.0043-- 0.860.72本发明试样j 0.750.330.0090.0017-- 1.240.51本发明试样k 0.720.590.0060.0019-- 1.250.50本发明试样l 1.010.300.0040.0045-- 1.260.71本发明试样m 1.010.660.0150.0271-- 1.390.73本发明试样n 1.140.320.0060.0062-- 1.240.85本发明试样o 1.270.610.0050.0051-- 1.260.95
表1b-T8处理状态合金 抗拉强度(ksi) 屈服强度(ksi) ％#切屑数/g 工具寿命延伸率 (时)6262合金 51.2 49.3 15.2165.17 1.28本发明试样a 42.57 39.27 16.67 310.67 1.23本发明试样b 44.71 41.30 14.72 291.11 1.27本发明试样c 47.63 45.38 12.92 123.67 2.79本发明试样d 49.12 45.92 14.42 199.33 0.67本发明试样e 51.28 48.72 13.83 119.83 1.98本发明试样f 54.22 52.20 13.17 172.67 1.65本发明试样g 55.65 54.20 9.08166.50 1.42本发明试样h 49.18 47.25 15.50 173.17 1.93本发明试样i 52.11 49.94 13.11 146.44 2.40本发明试样j 42.50 39.60 15.42 313.00 1.51本发明试样k 45.98 42.46 16.00 256.67 0.81本发明试样l 45.33 43.17 13.33 235.67 1.90本发明试样m 48.35 45.60 13.42 289.33 0.88本发明试样n 50.37 48.93 12.00 160.83 2.09本发明试样o 55.17 53.47 10.83 163.33 1.87本发明平均值 48.94 46.49 13.63 208.15 1.63
表1c-T9处理状态合金抗拉强度(ksi) 屈服强度(ksi) ％ #切屑数/g 工具寿命延伸率 (时)6262合金53.0 51.1 10.0144.671.58本发明试样a 49.78 47.82 8.33281.170.90本发明试样b 50.85 48.90 8.42280.830.84本发明试样c 55.58 53.55 9.92147.672.46本发明试样d 57.45 54.92 8.25190.671.51本发明试样e 57.10 54.82 8.77183.001.59本发明试样f 55.78 53.67 10.83 159.331.46本发明试样g 59.30 56.65 8.92194.171.76本发明试样h 55.82 53.52 8.50179.001.95本发明试样i 58.84 55.96 8.44173.001.79本发明试样j 49.62 47.58 10.42 265.670.78本发明试样k 51.66 50.02 7.89257.440.76本发明试样l 52.40 50.43 6.50225.001.68本发明试样m 55.77 53.77 6.42253.170.84本发明试样n 54.55 52.35 8.42163.171.90本发明试样o 57.53 55.63 5.83213.330.61本发明平均值54.80 52.64 8.39211.111.39
从上述表中注意到每克较高的切屑数量等于较多的切屑，因而等于尺寸较小的切屑，从而这表明较好的机械加工性能。单独用此准则，那些含低量Mg和相对较高的重量百分数的Sn的本发明合金组合物，尤其是本发明试样b和k的组合物优于6262铝。
通过叙述了目前的较佳实施方案可理解到，本发明可被所附于此的各权利要求的范围另行包括。
权利要求
1.无铅、无铋、无镍、无锆和无镉的铝合金，其基本组成为约0.15-1.0％(重量)的铜、约0.4-1.5％(重量)的锡、约0.65-1.35％(重量)的镁、约0.4-1.1％(重量)的硅、约0.002-0.35％(重量)的锰、最多约0.5％(重量)的铁、最多为约0.15％(重量)的铬和最多约为0.15％(重量)的钛，余量基本为铝。
2.权利要求1的铝合金，它含约0.45-0.7％(重量)的铜。
3.权利要求1的铝合金，它含约0.9-1.3％(重量)的锡。
4.权利要求1的铝合金，它含约0.7-0.9％(重量)的镁。
5.权利要求1的铝合金，它含约0.45-0.75％(重量)的硅。
6.无铅、无铋、无镍、无锆和无镉的铝基合金，其含有约0.15-1.0％(重量)的铜、约0.4-1.5％(重量)的锡、约0.65-1.35％(重量)的镁、约0.4-1.1％(重量)的硅、约0.002-0.35％(重量)的锰，最多为约0.5％(重量)的铁、最多为约0.15％(重量)的铬及最多约为0.15％(重量)的钛，余量基本为铝，不可避免的元素及杂质。
7.权利要求6的合金，它含约0.45-0.7％(重量)的铜。
8.权利要求6的合金，它含约0.9-1.3％(重量)的锡。
9.权利要求6的合金，它含约0.7-0.9％(重量)的镁。
10.权利要求6的合金，它含约0.45-0.75％(重量)的硅。
11.用无铅、无锆和无铋的铝基合金制成的A级制螺钉坯料，所述铝基合金的基本组成为约0.15-1.0％(重量)的铜、约0.4-1.5％(重量)的锡、约0.65-1.35％(重量)的镁、约0.4-1.1％(重量)的硅、约0.002-0.35％(重量)的锰，最多约0.5％(重量)的铁，最多约0.15％(重量)的铬和最多约0.15％的钛，余量基本上为铝。
12.权利要求11的制螺钉坯料，其中该合金含约0.45-0.7％(重量)的铜。
13.权利要求11的制螺钉坯料，其中该合金约含0.9-1.3％(重量)的锡。
14.权利要求11的制螺钉坯料，其中该合金约含0.7-0.9％(重量)的镁。
15.权利要求11的制螺钉坯料，其中该合金约含0.45-0.75％(重量)的硅。
16.权利要求11的制螺钉坯料，其中该合金已被热处理到选自由T3、T4、T451、T4511、T6、T651、T6510、T6511、T8、T851和T9所组成的组中的一种状态。
17.选自线材、棒材和型材所组成的组中的产品，所述产品由无铅、无锆和无铋的铝基合金制成，所述铝基合金的基本组成为约0.15-1.0％(重量)的铜、约0.4-1.5％(重量)的锡、约0.65-1.35％(重量)的镁、约0.4-1.1％(重量)的硅，约0.002-0.35％(重量)的锰、最多约0.5％(重量)的铁、最多约0.15％的铬和最多约0.15％(重量)的钛，余量基本为铝、不可避免的元素和杂质。
18.权利要求17的产品，其中该合金含约0.45-0.7％(重量)的铜。
19.权利要求17的产品，其中该合金含约0.9-1.3％(重量)的锡。
20.权利要求17的产品，其中该合金含约0.7-0.9％(重量)的镁。
21.权利要求17的产品，其中该合金含约0.45-0.75％(重量)的硅。
22.权利要求17的产品，该产品已被热处理到选自由T3、T4、T451、T4511、T6、T651、T6510、T6511、T8、T851和T9组成的组中的一种状态。
23.权利要求17的产品，它可通过选自挤压、铸造、热和冷轧及其组合的方法制成。
24.在制造选自制螺钉坯料；冷加工线材、棒材或型材；挤压的线材、棒材或型材；及热和冷轧的线材、棒材或型材的可机械加工的铝基合金产品的方法中，所述的制造方法包括将铝基合金铸造、预热、挤压、固溶热处理和热处理，该方法的改进包含提供了基本组成为约0.15-1.0％(重量)的铜、约0.4-1.5％(重量)的锡、约0.65-1.35％(重量)的镁、约0.4-1.1％(重量)的硅、约0.002-0.35％(重量)的锰、最多约0.5％(重量)的铁、最多约0.15％(重量)的铬和最多约0.15％(重量)的钛，余量基本为铝、不可避免的元素及杂质的无铅、无锆和无铋的组合物作为合金。
25.权利要求24的改进，其中该合金含有约0.45-0.7％(重量)的铜。
26.权利要求24的改进，其中该合金含有约0.9-1.3％(重量)的锡。
27.权利要求24的改进，其中该合金含有约0.7-0.9％(重量)的镁。
28.权利要求24的改进，其中该合金含有约0.45-0.75％(重量)的硅。
29.权利要求24的改进，其中该合金被热处理成选自由T3、T4、T451、T4511、T6、T651、T6510、T6511、T8、T851和T9组成一组中的一种状态。
30.在通过铸造，挤压，固溶热处理和热处理一种铝合金坯料来生产机械加工的铝合金产品的方法中，其改进包括提供作为所述铝合金坯料的无铅、无锆和无铋组合物，其基本组成为约0.15-1.0％(重量)的铜、约0.4-1.5％(重量)的锡、约0.65-1.35％(重量)的镁、约0.4-1.1％(重量)的硅、约0.002-0.35％(重量)的锰、最多为约0.5％(重量)的铁、最多约为0.15％(重量)的铬和最多约为0.15％(重量)的钛，余量基本上为铝和杂质。
31.权利要求30的改进，其中所述的组合物含约0.45-0.7％(重量)的铜。
32.权利要求30的改进，其中所述的组合物含约0.9-1.3％(重量)的锡。
33.权利要求30的改进，其中所述的组合物含约0.7-0.9％(重量)的镁。
34.权利要求30的改进，其中所述的组合物含约0.45-0.75％(重量)的硅。
35.权利要求30的改进，其中所述的坯料为热处理到选自T3、T4、T451、T4511、T6、T651、T6510、T6511、T8、T851和T9的状态。
全文摘要
一种适于机械加工的铝合金，所述合金的基本组成为约0.15-1.0％(重量，以下同)的铜、约0.4-1.5％的锡、约0.65-1.35％的镁、约0.4-1.1％的硅、约0.002-0.35％的锰、最多约0.5％的铁、最多约0.15％的铬和最多约0.15％的钛，余量基本为铝。在优选的基础上，该合金含约0.45-0.7％的铜、约0.9-1.3％的锡、约0.7-0.9％的镁和0.45-0.75％的硅。该合金无铅、铋、镍、锆和镉。本文进一步公开了用此合金通过铸造、预热、挤压、固熔热处理、冷加工和热处理制造制螺钉坯料或线材、棒材或型材的方法。
文档编号C22C21/16GK1137807SQ95191055
公开日1996年12月11日 申请日期1995年9月15日 优先权日1994年9月16日
发明者C·W·巴特吉斯, T·J·克莱姆普, G·D·斯考特, M·D·阿利恩 申请人:美国铝公司