專利名稱：耐腐蝕鋁合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一組其高溫強(qiáng)度提高的耐腐蝕和可擠壓鋁合金，特別涉及包括受控含量的鈦、釩和鋯以提高可擠壓性和/或壓延性的AA3000系列鋁合金。
在現(xiàn)有技術(shù)中，鋁以其耐腐蝕性而得到人們的青睞。在要求耐腐蝕的場合常常選用AA1000系列鋁合金。
在要求強(qiáng)度較高的場合，常用更高合金材料如AA3000系列鋁合金取代AA1000系列鋁合金。AA3102和AA3003為具有良好耐腐蝕性、強(qiáng)度較高的鋁合金的兩個(gè)例子。
AA3000系列鋁合金由于強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕和可擠壓而廣泛用于汽車工業(yè)中。常常把這些合金制成管件以便用于熱交換器或空調(diào)冷凝器中。
AA3000系列鋁合金用在腐蝕環(huán)境中的問題之一是生成點(diǎn)蝕。這種腐蝕常常出現(xiàn)在熱交換或空調(diào)冷凝器應(yīng)用環(huán)境中，在腐蝕危及鋁合金管件的完整性時(shí)，可造成汽車部件的失效。
在尋求更耐腐蝕的鋁合金的過程中，研制出了更高合金材料，例如美國專利Nos.4,649,087和4,828,794所述材料。這些更高合金材料盡管耐腐蝕性能提高，但由于需要極高擠壓力而不利于擠壓。
美國專利No.5,286,316公開了一種高可擠壓性和高耐腐蝕性的鋁合金。這一合金基本包括約0.1～0.5％重量百分比的錳、約0.05～0.12％重量百分比的硅、約0.10～0.20％重量百分比的鈦、約0.15～0.25％重量百分比的鐵和平衡重的鋁以及各種附帶雜質(zhì)。該合金優(yōu)選基本不含銅，銅的含量不大于0.01％。
盡管美國專利No.5,268,316公開的合金的耐腐蝕性比AA3102高，但希望有耐腐蝕性更高的合金。在按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)G85使用鹽水-乙酸進(jìn)行的耐腐蝕測試(下面稱為SWAAT測試)中，用AA3102材料制成的冷凝管在SWAAT測試環(huán)境中在失效之前只持續(xù)8天。在使用美國專利No.5,286,316所述合金的同樣測試中，持續(xù)時(shí)間比AA3102長。但是，美國專利No.5,286,316的改進(jìn)合金在SWAAT測試下仍然在不超過20天內(nèi)失效。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種耐腐蝕性和熱成形性綜合提高的鋁合金。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種良好的熱成形性和冷成形性以及耐腐蝕性的鋁合金。
從以下說明中可清楚看出本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的和優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明提供一種耐腐蝕鋁合金，其組成以重量百分比計(jì)如下0.05～1.00％的鐵、0.05～0.60％的硅、小于0.50％的銅、多達(dá)1.20％的錳、0.02～0.20％的鋯、多達(dá)0.50％的鉻、0.02～1.00％的鋅、0.02～0.20％的鈦、0.02～0.20％的釩、多達(dá)2.00％的鎂、多達(dá)0.10％的銻、多達(dá)0.02％的附帶雜質(zhì)以及平衡重的鋁。
關(guān)于各成分含量的詳情，鐵優(yōu)選為0.05～0.55％、更優(yōu)選為0.05～0.25％。鐵的含量的減少可提高耐腐蝕性。硅優(yōu)選為0.05～0.20％、更優(yōu)選為不大于0.15％。銅由于通常不利于擠壓速度和耐腐蝕性其含量小于0.50％。但在某些情況下需要用一定數(shù)量的銅調(diào)節(jié)合金的電位。銅的含量優(yōu)選小于0.05％重量百分比。鋯的含量優(yōu)選為0.02～0.18％。為了提高總的耐腐蝕性，鋅的含量始終應(yīng)為至少0.02％，優(yōu)選為0.10～0.50％、更優(yōu)選為0.10～0.25％。鈦的含量優(yōu)選為0.02～0.15％，釩的含量優(yōu)選為0.02～0.12％。錳由于影響到特別是薄型制品的可擠壓性，其優(yōu)選含量因此取定于鋁合金制品用在何處。
當(dāng)采用此類鋁合金的應(yīng)用場合主要涉及其耐腐蝕性和優(yōu)良的可擠壓性時(shí)，錳含量的重量百分比優(yōu)選為0.05～0.30％。鐵含量的重量百分比優(yōu)選為0.05～0.25％。在這些應(yīng)用場合，鉻含量優(yōu)選為0.02～0.25％。鎂的含量優(yōu)選為小于0.03％。鋅含量的重量百分比優(yōu)選為0.10～0.5％。適當(dāng)選擇這些元素的含量可獲得具有良好擠壓性能、機(jī)械性能和優(yōu)越耐腐蝕性的合金。
當(dāng)合金旨在用于擠壓后進(jìn)一步進(jìn)行例如拉伸和/或彎曲的冷變形的變形工藝以獲得最終產(chǎn)品并要求較高強(qiáng)度的應(yīng)用場合時(shí)，錳含量的重量百分比優(yōu)選為0.50～0.80％。在這一應(yīng)用場合，鉻的重量百分比優(yōu)選為0.02～0.18％，鎂的重量百分比小于0.30％，以利于釬焊。為了提高耐腐蝕性，鐵含量應(yīng)低。為了進(jìn)一步提高耐腐蝕性，加入0.10～0.5％的鋅。同樣，為了進(jìn)一步提高耐腐蝕性，控制加入重量百分比均不大于0.2％的釩、鋯和鈦。
如該合金用于高溫場合，釩、鈦、特別是鋯的作用變得重要。這些元素的含量取定于性能要求，但是，鋯含量的重量百分比優(yōu)選為0.10～0.18％。此外，在這些應(yīng)用場合優(yōu)選對鑄造合金使用后熱處理，即該合金以小于150℃/小時(shí)的加熱速度加熱到450～550℃的溫度后在該溫度上保持2～10小時(shí)。對于某些應(yīng)用場合、特別在冷加工后最終產(chǎn)品還需要進(jìn)行“初退火”處理即把工件加熱到150～350℃溫度后在該溫度上保持10～10000分鐘。
提高耐腐蝕性固溶體中的鋯和鈦分別用來提高例如用于汽車A/C系統(tǒng)的擠壓管的低合金高可擠壓合金的耐腐蝕性。當(dāng)分別加入時(shí)，鋯和鈦有用的最大加入量的重量百分比小于0.2％。在這一含量以上所生成的初級化合物會(huì)減小這些元素在固溶體中的含量。此外，由鋯和鈦生成的初級化合物(Al3Zr、Al3Ti)由于它們比鋁母體不易起化學(xué)反應(yīng)而開始生成點(diǎn)蝕。
鋯和鈦在固化時(shí)都會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)。這一反應(yīng)的產(chǎn)物表現(xiàn)為這些元素在晶粒中央的高集中區(qū)(大的正分配系數(shù))。這些區(qū)域在軋制或擠壓時(shí)會(huì)生成與工件表面平行的片層結(jié)構(gòu)，從而在整個(gè)厚度方向上減慢腐蝕。
同時(shí)加入鋯和鈦會(huì)獲得更大和更集中區(qū)，從而提高耐腐蝕性。
釩是一種性能和作用與鋯和鈦相同的元素，但至今在這類合金中使用得不多。釩能與鋯和鈦同樣地提高機(jī)械性能，但對腐蝕的影響不同，除非鋯含量比釩含量高。
如鋯、鈦和釩總含量的重量百分比保持在0.3％以下，所有這三種元素的組合可在耐腐蝕性、強(qiáng)度和可加工性之間獲得最佳平衡。
提高高溫機(jī)械性能和可成形性如所公知，過渡元素如鋯、鈦和釩可通過提高加工硬化系數(shù)(“n”)來提高可成形性?！皀”隨著過渡元素含量幾乎呈線性增加到約0.5％。與只加入含量不到0.2％的鋯、鈦和釩中的一種元素不同，可組合加入含量達(dá)0.45％的過渡元素鋯、鈦和釩而不生成Al3Zr那類有害的初級粒子。但我們發(fā)現(xiàn)，如總合量超過0.3％重量百分比，就會(huì)對某些性能產(chǎn)生不利影響。
如所公知，只要高溫處理前熱處理最佳化，鋯、鈦和釩中特別是鋯會(huì)阻礙重結(jié)晶傾向。阻礙重結(jié)晶的能力與在溫度高達(dá)300～400℃時(shí)長時(shí)間穩(wěn)定的共格/準(zhǔn)共格小沉淀物的數(shù)量和大小有關(guān)。用溫度為150～350℃的反向退火生成的多基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度比在無這類過渡元素的情況下生成的對應(yīng)重結(jié)晶結(jié)構(gòu)高，這些沉淀物的密度隨著過渡元素的含量的增加而增加，因此組合這三種元素可在室溫到約400℃的溫度范圍內(nèi)提高機(jī)械強(qiáng)度。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了證實(shí)本發(fā)明合金的一些特性有所提高，進(jìn)行了如下若干實(shí)驗(yàn)。從這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯然可看出，同時(shí)使用最大含量為0.3％重量百分比的三種元素鋯、鈦和釩可產(chǎn)生相加效應(yīng)。據(jù)信這是由于不同元素鋯、鈦和釩在鋁合金中例如可溶性、晶體結(jié)構(gòu)等類似的性能，同時(shí)可比只加入這些元素中的一種或兩種元素的情況使用更高有效含量。
在Sunndalsφra使用實(shí)驗(yàn)室鑄造設(shè)備鑄造鋯、釩和鈦的含量不同的棒料。對于每一種合金，生成4根直徑為95mm、長1.1m的棒料。鑄造開始時(shí)的鑄造速度為115mm/分鐘，鑄造15cm棒料后鑄造速度提高到240mm/分鐘。流槽中的溫度設(shè)為705℃，在鑄造過程中記錄溫度。鑄造前在鑄造爐中加入晶粒細(xì)化劑(Ti5B絲)。
鑄造后切割每根棒料，生成三個(gè)擠壓樣品和兩個(gè)光譜分析樣品(用于光譜分析的第一樣品，然后是用于擠壓的兩個(gè)樣品，然后是用于光譜分析的第二樣品(即約棒料中段)，最后是用于擠壓的第三樣品)。來自鑄態(tài)材料的樣品(約棒料中段)經(jīng)蝕刻顯示出片狀晶體，此外制備樣品顯示晶粒結(jié)構(gòu)和粒子結(jié)構(gòu)。對每種合金的磨制到2000粒度的樣品(2cm×2cm×1cm)進(jìn)行硬度和傳導(dǎo)性測量。
用一8MN垂直擠壓壓機(jī)進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)，生成一外徑為6mm的管件。對每一種合金進(jìn)行4個(gè)擠壓試驗(yàn)，頭三個(gè)在空氣中冷卻，第四個(gè)在水中冷卻。對從第一、第三和第四個(gè)擠壓試驗(yàn)獲得的樣品進(jìn)行進(jìn)一步研究。這些樣品取自靠近經(jīng)擠壓型材端部的部分而不使用型材端部(約2m)。
下面給出對鑄態(tài)材料和經(jīng)擠壓材料進(jìn)行研究的結(jié)果。對經(jīng)擠壓材料進(jìn)行SWAAT測試，此外還進(jìn)行機(jī)械測試。還給出這些測試結(jié)果。測試結(jié)果一部分見附圖、一部分見各表。在附圖中
圖1示出合金1～11的導(dǎo)電率(Y軸，單位為MS/M)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系，圖2示出合金1～11的主要擠壓力(Y軸，單位為kN)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系，圖3示出合金1～11的屈服強(qiáng)度(圓點(diǎn))和最終抗拉強(qiáng)度(方點(diǎn))(Y軸)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系，圖4示出合金41～56的導(dǎo)電率(Y軸，單位為MS/M)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系，圖5示出合金41～56鑄態(tài)的合金臨界壓力(Y軸，單位為kN)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系，圖6示出合金41～56在470℃溫度下均質(zhì)化1小時(shí)后的合金臨界壓力(Y軸，單位為kN)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系，圖7示出合金41～56擠壓后的合金屈服強(qiáng)度(Y軸，單位為MPa)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系，圖8示出合金41～56擠壓后的合金最終抗拉強(qiáng)度(Y軸，單位為MPa)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系，圖9示出合金41～56擠壓并隨后在470℃溫度下均質(zhì)化一小時(shí)之后的合金屈服強(qiáng)度(Y軸，單位為MPa)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系，圖10示出合金41～56擠壓并隨后在470℃溫度下均質(zhì)化一小時(shí)之后的合金最終抗拉強(qiáng)度(Y軸，單位為MPa)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系，圖11示出合金41～56在470℃溫度下均質(zhì)化一小時(shí)并隨后擠壓之后的合金最終抗拉強(qiáng)度(Y軸，單位為MPa)與鈦、釩和鋯的總含量(X軸，重量百分比)之間的函數(shù)關(guān)系。
1.鑄態(tài)材料鑄態(tài)材料代表著擠壓過程和下述機(jī)械和耐腐蝕測試的起始點(diǎn)。對該起始材料進(jìn)行研究所得結(jié)果如下。對鑄態(tài)材料樣品進(jìn)行研究，找出實(shí)際化學(xué)組成并揭示出各種合金中的微結(jié)構(gòu)(晶粒結(jié)構(gòu)和粒子結(jié)構(gòu))。用光譜分析得出該材料的化學(xué)組成，結(jié)果見表1(合金1～11)、表2(合金20～35)和表3(合金41～56)。
表1
表2
表3
還進(jìn)行了導(dǎo)電率測量，其結(jié)果見圖1和4?？梢钥吹剑瑢?dǎo)電率隨著合金元素鋯、鈦和釩的含量的增加近似地呈線性減小。從附圖可看出，這些合金元素對導(dǎo)電率的影響是相加的。
2.擠壓測試為研究加入鈦、釩和鋯對擠壓過程中的力的影響，在相同擠壓條件下對所有合金進(jìn)行擠壓并測量壓頭上的最大力。在測試過程中記錄容器中的溫度和壓頭速度，它們分別為約430℃和1.8～1.9mm/s。容器中的溫度和壓頭速度在各次實(shí)驗(yàn)中是不穩(wěn)定的。從實(shí)驗(yàn)中得出的最大力的值見圖2、5和6。附圖所示值為4次擠壓試驗(yàn)的平均值。
3.經(jīng)擠壓管件的機(jī)械測試對經(jīng)擠壓管件進(jìn)行抗拉測試得出的結(jié)果見圖3、4。從該表和該附圖可看出，應(yīng)力隨著合金變動(dòng)的變動(dòng)是很小的?？梢钥吹?，最大負(fù)載下的應(yīng)力隨著合金元素含量的增加稍有增加，而對屈服應(yīng)力的影響不明了。這些結(jié)果的定性評價(jià)為統(tǒng)計(jì)分析所證實(shí)。
4.SWAAT測試每一種合金SWAAT測試樣品取自4次擠壓試驗(yàn)的第一次擠壓試驗(yàn)。把經(jīng)擠壓管件切割成長30cm的樣品后放入SWAAT室中。SWAAT測試的結(jié)果見表4和5。
表4
表5
表6示出加入元素鈦、鋯和釩和熱處理的影響表權(quán)利要求
1.一種鋁基合金，其包括0.05～1.00％重量百分比的鐵，0.05～0.60％重量百分比的硅，小于0.50％重量百分比的銅，多達(dá)1.20％重量百分比的錳，0.02～0.20％重量百分比的鋯，多達(dá)0.50％重量百分比的鉻，0.02～1.00％重量百分比的鋅，0.02～0.20％重量百分比的鈦，0.02～0.20％重量百分比的釩，多達(dá)2.00％重量百分比的鎂，多達(dá)0.10％重量百分比的銻，多達(dá)0.02％的附帶雜質(zhì)，以及平衡重的鋁，鈦加鉻加釩的總含量小于0.3％重量百分比，釩的含量比鉻的含量低，所述鋁基合金具有高耐腐蝕性和高可擠壓性。
2.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述鐵的含量的重量百分比為0.05～0.55％。
3.如權(quán)利要求2所述的合金，其特征在于，所述鐵的含量的重量百分比為0.05～0.25％。
4.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的合金，其特征在于，所述硅的含量的重量百分比為0.05～0.20％。
5.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的合金，其特征在于，所述硅的含量的重量百分比為0.05～0.15％。
6.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的合金，其特征在于，所述銅的含量的重量百分比小于0.05％。
7.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的合金，其特征在于，所述鋯的含量的重量百分比為0.02～0.18％。
8.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的合金，其特征在于，所述鋅的含量的重量百分比為0.02～0.50％。
9.如權(quán)利要求8所述的合金，其特征在于，所述鋅的含量的重量百分比為0.10～0.50％。
10.如權(quán)利要求9所述的合金，其特征在于，所述鋅的含量的重量百分比為0.10～0.25％。
11.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的合金，其特征在于，所述鈦的含量的重量百分比為0.02～0.15％。
12.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的合金，其特征在于，所述釩的含量的重量百分比為0.02～0.12％。
13.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的合金，其特征在于，所述錳的含量的重量百分比為0.05～0.30％。
14.如權(quán)利要求13所述的合金，其特征在于，所述鉻的含量的重量百分比為0.02～0.25％。
15.如權(quán)利要求13或14所述的合金，其特征在于，所述鎂的含量的重量百分比為0.00～0.03％。
16.如權(quán)利要求1～12任一項(xiàng)所述的合金，其特征在于，所述錳的含量的重量百分比為0.50～0.80％。
17.如權(quán)利要求16所述的合金，其特征在于，所述鉻的含量的重量百分比為0.02～0.18％。
18.如權(quán)利要求16或17所述的合金，其特征在于，所述鎂的含量的重量百分比為0.00～0.30％。
19.如權(quán)利要求1～12任一項(xiàng)所述的合金，其特征在于，所述鋯的含量的重量百分比為0.10～0.18％。
20.如權(quán)利要求18所述的合金，其特征在于，該合金在鑄造后以小于150℃/小時(shí)的加熱速度加熱到450～550℃后在所述溫度下保持2～10小時(shí)。
21.如權(quán)利要求19所述的合金，其特征在于，該合金在冷成形后退火，以受控和緩慢的加熱速度加熱到150～350℃后在該溫度下保持10～10000分鐘。
全文摘要
一種鋁基合金，其組成如下0.05～1.00％重量百分比的鐵、0.05～0.60％重量百分比的硅、小于0.50％重量百分比的銅、達(dá)1.20％重量百分比的錳、0.02～0.20％重量百分比的鋯、多達(dá)0.50％重量百分比的鉻、0.02～1.00％重量百分比的鋅、0.02～0.20％重量百分比的鈦、0.02～0.20％重量百分比的釩、多達(dá)2.00％重量百分比的鎂、多達(dá)0.10％重量百分比的銻、多達(dá)0.02％的附帶雜質(zhì)以及平衡重的鋁，鈦加鉻加釩的總含量小于0.3％重量百分比，釩的含量比鉻的含量低，所述鋁基合金具有高耐腐蝕性和高可擠壓性。
文檔編號C22C21/08GK1443249SQ01813222
公開日2003年9月17日 申請日期2001年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月22日
發(fā)明者L·奧蘭, T·福魯, O·達(dá)爾蘭德 申請人:挪威海德羅技術(shù)公司