專利名稱：模壓淬火鋁合金6020的方法
模壓淬火鋁合金6020的方法發(fā)明領域本發(fā)明涉及一種模壓淬火6XXX系列鋁合金、優(yōu)選鋁合金6020 的方法。這種經(jīng)過模壓淬火的鋁合金可以被用作含鉛合金6262-T6的 直接替代物，從而解決了可能引起的任何環(huán)境問題。發(fā)明背景鋁合金6020在1992年被開發(fā)出用于具有良好機械加工性能的冷 加工產(chǎn)品。冷加工產(chǎn)品包括線材、桿材和棒材應用，這些已用于汽車 工業(yè)和商業(yè)中。可將機械加工性能定義為材料可以被機械加工的相對 容易性。機械加工處理包括例如粗加工、精加工和研磨這樣的處理。 良好的機械加工性能是難以測量的，但是一種已被使用了一段時間的 評定體系基于字母等級對機械加工性能進行分類，"A"級是機械加 工性能為最好，隨后是"B" 、 "C，， 、 "D"和"E，，級，該體系考 慮到下面的特性(1) 切屑(chip)尺寸。較小的切屑尺寸比較大的切屑更被期望， 因為這樣的切屑使機械加工操作簡化而且有利于從刀具工件接觸面的 更有效的熱量排出。切屑不能太小，否則在例如通過鉆孔或者切削的 整個機械加工操作過程中它們會妨礙潤滑劑的循環(huán)。相比之下，長而 細的切屑易于自巻而非破裂。這樣的切屑(有時被稱為巻邊)可能需 要手動從機械加工區(qū)域除去，并且在散熱方面沒有較小的切屑有效， 因為較大的切屑容易阻擋冷卻潤滑劑。(2) 刀具磨損。較低的刀具磨損率是期望的，以便通過增加刀具 在超過指定工件的規(guī)定容限之前可使用的時間量而節(jié)省費用。較低的 刀具磨損率還通過減少由于刀具更換引起的停工時間而提高生產(chǎn)率。(3) 表面光潔度。在剛機械加工狀態(tài)下表現(xiàn)出非常平滑的外部表面光潔度的合金是更期望的，以消除或減少對隨后的表面精加工操作 (例如研磨和去毛刺)的需要。(4)機械加工力。較低的機械加工力是更期望的，以便減少功 率要求以及在工件、刀具和刀頭中產(chǎn)生的摩擦熱的量；或者增加可以 通過相同的功率需求實現(xiàn)的機械加工或金屬去除量；以及(5 )機械和腐蝕性能。諸如強度的機械特性或者諸如抗腐蝕性的 其它性能，對于機械加工性能可以是"可選的"。它們也可以是相當 重要的，這取決于被機械加工的工件的預期最終用途。雖然這種從"A"到"E"的評定體系是基于上文討論的五種參數(shù)， 但是對于任何給定的合金，每種參數(shù)的相對重要性根據(jù)預期最終用途 而變化。由于環(huán)境原因而希望將鉛從合金中去除，這促使了鋁合金6020 的開發(fā)。曾期望將該合金擴展到模壓淬火產(chǎn)品以便同樣解決與模壓淬 火鋁合金6262-T6相關的環(huán)境問題。模壓淬火產(chǎn)品是如下從升高的變 形擠壓溫度快速冷卻的產(chǎn)品，通過浸入液體浴(例如油或水)以便快 速從產(chǎn)品中提取熱量。也可以使用空氣作為液體的替代物。淬火的目 的是抑制相轉變從而獲得提高的硬度或其它期望的性能。淬火的激烈 程度取決于液體或空氣從金屬快速提取熱的能力，這進而取決于其它 因素，例如液體或空氣的蒸發(fā)潛熱、熱導率、比熱和粘性。將6020擴展到模壓淬火產(chǎn)品的嘗試遇到了幾個問題。 一個問題 是，在坯料再加熱過程中鎂(Mg)與錫(Sn)結合，導致低的強度(例 如拉伸強度)，以及差的機械加工性。拉伸強度是產(chǎn)品對趨于將其拉 開的力的抵抗性，以產(chǎn)品可以承受而不斷裂的最大張力度量。當擠壓 鋁合金產(chǎn)品例如坯料或錠料時，首先將其再加熱到并保持在高于析出 片目在鋁基體中的溶解溫度(solubility temperature )的合金溫度下，例 如在由Al-Mg-Si合金制成的坯料中鎂(Mg)-硅(Si)相的溶解溫度， 直到這些相溶解。產(chǎn)品然后被快速冷卻或淬火到期望的擠壓溫度，以 防止這些相在合金組織中的新析出。在800°F到920°F之間的溫度， 鎂與錫快速結合形成鎂錫。高于920。F時，鎂和錫不結合并且實際上將彼此分離。低于800。F時，反應緩慢，并且在坯料再加熱過程中典 型沒有足夠的時間容許這兩種元素充分結合。模壓淬火6020合金的期 望產(chǎn)品形式是桿材、棒材和線材應用。對于這種性質的模壓淬火產(chǎn)品， 典型使用825-卯0。F的坯料溫度。如上文所述，該溫度范圍將不允許 合金6020在模壓淬火產(chǎn)品中實現(xiàn)可接受的機械加工性。此外，遇到的其它問題有當克服這種鎂-錫結合問題時與6262 相比生產(chǎn)率低，并且在銷售限度內(nèi)缺少優(yōu)化的組成。在擠壓中，坯料 溫度越高，可以實現(xiàn)的擠壓速度就越慢。正如所述，先前對于例如6262 的合金的優(yōu)選坯料溫度范圍是800-920。F。如前面提到的，這些溫度導 致對于6020合金而言無法接受的機械加工性能。到達更高的坯料溫度 導致擠壓生產(chǎn)率的嚴重損失。此外，對于模壓淬火產(chǎn)品來說，組成未 被優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)更高的鎂水平導致機械加工性能的更大劣化。更高的鎂 水平提供更高的驅動力促使在低于約920°F下Mg2Sn的形成。為了抵 消這種效應，鎂水平被朝向銷售限度的較低側優(yōu)化。此外，錫水平被 最大化以保持較高體積分數(shù)的期望Sn相，該Sn相提供了 6020的有 利的機械加工特性。但是，對于較低的鎂水平，最終產(chǎn)品的強度受到 危害。為了抵消這種危害，Si水平被朝向銷售限度的更高側優(yōu)化。本發(fā)明的主要目的是提供可模壓淬火的基本不含鉛的合金。本發(fā)明的另 一個目的是提供具有提高的擠壓生產(chǎn)率和良好的機械 性能和機械加工性能的模壓淬火合金。本發(fā)明的另 一個目的是提供可用作含鉛合金6262-T6的直接替代 物的模壓淬火合金。發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種制造才莫壓淬火的6020鋁合金產(chǎn)品的方法。該方法 包括如下步驟(a)提供基本組成如下的6020鋁合金的錠料或坯料 約0.5%到約0.6%的硅、約0.7%到約0.8%的鎂、約0.55%到約0.65% 的銅、約0.35%到約0.45%的鐵、約0.01%到約0.04%的錳、約1.05% 約到1.15%的錫、約0.04%到約0.06%的鉻、不多于0.034%的鉛、余量主要為鋁和偶存的元素和雜質；(b )于優(yōu)選為1025。F到1050。F的 溫度均勻化坯料持續(xù)四小時的時段；(c)以約每小時約400。F的冷卻 速率冷卻均勻化的坯料；(d)將坯料再加熱到優(yōu)選為約775。F到約 800°F的溫度，優(yōu)選持續(xù)少于約五分鐘；(e)以優(yōu)選約150fpm到約 175fpm范圍內(nèi)的速度擠壓該坯料，并且出口溫度優(yōu)選為1000°F到 1015°F; (f)將擠壓件淬火到約200。F到約350。F的出口溫度；(g) 將擠壓件伸展至少約1%;和(h )在340。F到355。F范圍的溫度下人 工時效該擠壓件持續(xù)約8小時的時段。在上述方法之后產(chǎn)生優(yōu)選適用于桿材、棒材和線材應用的模壓淬 火6020鋁合金。該合金具有提高的生產(chǎn)率、強度和機械加工性能，并 且可以被用作含鉛合金6262 T-6的直接替代物。附圖簡述

圖1示出了坯料再加熱時間和溫度對極限拉伸強度的影響。 圖2示出了坯料再加熱時間和溫度對拉伸屈服強度的影響。 圖3示出了坯料再加熱溫度和時間對機械加工性能的影響。 圖4示出了 Sn相的DSC峰值區(qū)與機械加工性能的關系。 圖5示出了平均屈服強度與擠壓速度和位置的關系。 圖6示出了出口溫度與坯料位置和擠壓速度關系的一組曲線。優(yōu)選實施方案詳述本發(fā)明的模壓淬火6020合金含有硅、鎂、銅、鐵、錳、鉻和錫。 硅含量范圍優(yōu)選為約0.5%到約0.6%，本文中所有的百分比都是重量 百分比。鎂優(yōu)選的存在量是約0.7%到約0.8%。據(jù)認為將鎂保持在該 范圍內(nèi)會產(chǎn)生具有改善的機械加工性能的坯料。除了硅和鎂各自的百 分比之外，在實施本發(fā)明時硅的存在量優(yōu)選超過以Mg2Si被理論消耗 的量。但是，同樣重要的是該過量程度應是相對輕微的。這主要是通 過將鎂的量控制為超過硅量約0.1%至約0.3%來實現(xiàn)，然而在組成窗 口的鎂(Mg)最高-硅(Si)最低的角落中輕微的鎂過量是容許的。這個關系的重要性在于提供高的屈服和拉伸強度。將硅的過量限制為 小的過量使得能夠將這種強度與改善的韌度和抗沖壓性結合。銅的存在量優(yōu)選為約0.55%到約0.65%。鐵的存在量為約0.35%到約0.45%。 錳量的范圍是約0.01%到約0.04%,優(yōu)選量為約0.02%。錫的存在范 圍為約1.05%到約1.15%,優(yōu)選量為約1.10%。鉻的優(yōu)選存在范圍為 約0.04%到約0.06%。認為鉻和鎂接近于零水平對于獲得細晶粒尺寸 是最為期望的。在實施本發(fā)明時，重要的是坯料應該經(jīng)受非常高的預加熱或均勻 化溫度持續(xù)約四小時的時段，例如約1020°F到約1070°F，優(yōu)選約 1025。F到約1050°F。通過用于加熱坯料的任何方法預加熱坯料，但是 對于本發(fā)明，使用電爐。在該溫度范圍內(nèi)，錫(Sn)相粗化的的可能 性被最小化。粗化是Sn相生長成不期望的尺寸，這導致可能不利影 響機械加工性能的分布(每單位體積的顆粒)。使錫相粗化最小化產(chǎn) 生具有更高拉伸性能和更期望的機械加工性能的擠壓件，所述拉伸性 能是例如拉伸強度(TS)、拉伸屈服強度(TYS)和極限拉伸強度 (UTS)。對于本發(fā)明，前面提到的拉伸強度可以被定義為材料在斷 裂之前其可以承受的最大應力的量。此外，拉伸屈服強度可以被定義 為如下點在該點下材料的變形不可恢復，并且外力(例如應力)產(chǎn) 生的功不以彈性能量被存儲而是將導致收縮、裂紋和最終的結構破壞， 而極限拉伸強度是材料實際斷裂時的極限應力。然后以約每小時約400。F的冷卻速率冷卻坯料。通過將均勻化的 錠料裝料放入專門設計的冷卻室中來實現(xiàn)冷卻，該冷卻室迫使空氣或 其它冷卻介質穿過坯料以便實現(xiàn)冷卻速率。該冷卻速率使可能負面影 響機械加工性能的鎂錫(Mg2Sn)的形成最小化。然后，坯料被再加 熱到約600。F到約900。F，優(yōu)選約775。F到約800。F范圍內(nèi)的溫度。坯 料被再加熱少于約三十分鐘，優(yōu)選少于約五分鐘?？梢允褂萌魏畏椒?再加熱坯料，但是對于本發(fā)明，通過使用煤氣爐(gas furnace)和電 爐來再加熱坯料。圖1-4示出在該優(yōu)選溫度下再加熱坯料并持續(xù)該時 間量產(chǎn)生最高的強度和最好的機械加工性能。圖l和2示出了坯料溫度和時間對極限拉伸強度和拉伸屈服強度的影響。從這些圖可以清楚，較長的保持時間導致強度的降低。此外，850°F導致比800°F或900°F 再加熱溫度更低的強度。對于下文將描述的，將坯料再加熱至800°F 或以下的溫度，增加了在離開擠壓時獲得950。F到975。F的優(yōu)選坯料 出口溫度的機會。極限拉伸強度優(yōu)選至少約41千磅每平方英寸(ksi)， 而拉伸屈服強度優(yōu)選至少約35ksi。除了拉伸性能，還對擠壓件進行機械加工性能的評價。圖3示出 了坯料再加熱溫度和時間對機械加工性能的影響。從該圖觀察到，較 長的保持時間和850°F的再加熱溫度對機械加工性能是有害的。大體 上，800°F坯料再加熱持續(xù)少于約5分鐘的保持時間產(chǎn)生最好的機械 加工性能。為了理解顯微組織中什么受到各種坯料再加熱條件的影響， 進行差式掃描量熱測量(DSC) 。 DSC是在材料的加熱或冷卻過程中 每單位質量的能量消耗或釋放的精確測量?？梢酝ㄟ^該技術檢測相轉 變，例如前面提到的Sn到Mg2Sn，并且能量變化量是相的存在體積 分數(shù)的函數(shù)。圖4示出了錫(Sn)相的DSC峰值區(qū)與機械加工性能 結果的關系。這里可以觀察到，當在約800°F下再加熱坯料持續(xù)少于 約5分鐘時出現(xiàn)的較大的峰值區(qū)導致改善的機械加工性能。但是，C+ 級和A級之間的峰值區(qū)差別小，再次表明顯微組織的差別微小。在擠壓之前，將坯料放入容器中，該容器具有約750。F的溫度。 對于本發(fā)明，使用擠壓模壓容器。然后通過直接或間接擠壓對坯料進 行擠壓。直接擠壓是其中壓模保持固定而移動的臂或壓頭驅使坯料穿 過壓模的過程。間接擠壓是其中坯料保持固定而壓模對著坯料運動產(chǎn) 生金屬流過壓模所需的壓力的過程。對于本發(fā)明，直接擠壓是優(yōu)選的。 壓?？梢允怯糜跀D壓合金的任何類型的壓模。對于本發(fā)明，使用單孔 平端面壓模。使用單孔壓模實現(xiàn)了更高的擠壓比，因為其具有更好的 機會來從坯料"破壞"和重新分布粗化的錫相。擠壓比是坯料橫截面 面積與擠壓件橫截面面積的比值。4吏用平端面或淺腔(shallow pocket) 壓?？煞乐勾蟮陌l(fā)熱并避免有害的速度。平端面壓模和淺腔壓模不具 有在金屬流經(jīng)壓模開口時允許將兩個擠壓件焊接在一起的焊接槽口。這在金屬流經(jīng)壓模開口時產(chǎn)生更小的功和更少的熱積聚。以能夠實現(xiàn)950°F到1015°F、優(yōu)選1000-1015°F的出口溫度的速度進行擠壓?；?于在約930。F開始的錫(Sn)到鎂錫(Mg2Sn)的轉變，優(yōu)選地出口 溫度應該高于950。F。但是，基于使已經(jīng)在從錠料均勻化冷卻的過程 中或者在坯料再加熱過程中發(fā)生的Sn到Mg2Sn的任何轉變回復的觀 點，約1000°F的溫度是更加期望的。以英尺每分鐘(fpm)測量速度，且速度范圍是從約150fpm到約 175fpm，優(yōu)選的速度為約175fpm。圖5繪出了屈服強度與擠壓速度 和位置的關系曲線。這證實性能是從前部向后部增加的。因為對于給 定的擠壓速度和溫度條件組出口溫度從前部向后部增加，因此低的前 端性能是低擠壓出口溫度的結果。圖6中的坐標圖示出了出口溫度與 坯料位置和擠壓速度關系的一組推測性曲線。產(chǎn)品速度以25fpm的增 量從100印m到200fpm變化。基于該曲線圖，由于前端出口溫度高于 優(yōu)選的950。F溫度，因此約150fpm到約175印m的速度將在擠壓件前 端產(chǎn)生邊緣性能。由于前面討論的原因，高于950。F且優(yōu)選約1000°F 的出口溫度是期望的以實現(xiàn)最大性能。一旦坯料已經(jīng)被擠壓，然后對擠壓件進行淬火。對于本發(fā)明，通 過使用駐波水淬法對擠壓件進行淬火。駐波是長度幾英尺而高度足以 完全浸沒擠壓件的水墻。使用泵和管來產(chǎn)生所迷波以及提供冷卻水的 持續(xù)補充。但是，可以使用對擠壓件進行淬火的任何方法，例如空氣 淬火。擠壓件被淬火時的速度可以是高達約200fpm的速度，但是約 150fpm左右的速度是優(yōu)選的。在離開淬火時，擠壓件優(yōu)選處在低于約 400。F的溫度。為了實現(xiàn)所要求的強度水平必須達到低于約400°F。在 擠壓被淬火之后，然后將其伸展至少約1%。對于本發(fā)明，使用擠壓 伸展機。但是，也可以使用其它裝置來伸展擠壓件。將擠壓件伸展這 個百分比增加了擠壓件的可生產(chǎn)性(producability)。最后，優(yōu)選在 約340。F到約355。F下對擠壓件進行人工時效持續(xù)約8小時。典型地 但是不限于在分批式時效爐中進行人工時效。在分批式爐中將擠壓件 加熱到上面列出的溫度。該過程是實現(xiàn)要求強度所需的最后處理步驟。該過程依賴于正確進行所有前面的處理步驟。在上面概述的方法之后將產(chǎn)生顯示出良好強度和伸長率的細晶粒、完全再結晶、模壓淬火的產(chǎn)品。它顯然能夠滿足6262-T6性能最 低限度，同時具有良好的模壓生產(chǎn)率。已經(jīng)描述了當前優(yōu)選的實施方案，應當理解還可以在所附權利要 求的范圍內(nèi)以其它方式實施本發(fā)明。
權利要求
1.一種擠壓模壓淬火的6020鋁合金產(chǎn)品的方法，包括如下步驟(a)提供6020鋁合金的錠料或坯料；(b)均勻化所述坯料；(c)冷卻所述均勻化的坯料；(d)再加熱所述坯料；(e)擠壓所述坯料；(f)淬火所述擠壓件；(g)伸展所述擠壓件；和(h)人工時效所述擠壓件。
2. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述合金的基本組成為約0.5% 到約0.6。/o的硅、約0.7%到約0.8%的鎂、約0.55%到約0.65%的銅、 約0.35%到約0.45%的鐵、約0.01%到約0.04%的錳、約1.05%到約 1.15%的錫、約0.04%到約0.06%的鉻、不多于約0.034%的鉛、余量主要為鋁和偶存的元素和雜質。
3. 根據(jù)權利要求l的方法，其中所述再加熱是到達約750 。F至約800 。F范圍內(nèi)的溫度。
4. 根據(jù)權利要求3的方法，其中所述溫度在約775 。F至約800 。F 的范圍內(nèi)。
5. 根據(jù)權利要求l的方法，其中所述坯料被加熱的時間少于約三 十分鐘。
6. 根據(jù)權利要求5的方法，其中所述時間少于約五分鐘。
7. 根據(jù)權利要求1的方法，其中在進行擠壓之前將所述坯料放到 容器中，所述容器具有約750 。F的溫度。
8. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述擠壓以約150印m到約 175fpm范圍內(nèi)的速度發(fā)生。
9. 根據(jù)權利要求8的方法，其中所述速度為約175fpm。
10. 根據(jù)權利要求1的方法，其中在所述擠壓之后所述擠壓件處在約950 °F到約1000 。F范圍內(nèi)的溫度。
11. 根據(jù)權利要求10的方法，其中所述溫度高于約1000 。F。
12. 根據(jù)權利要求1的方法，其中在所述淬火之后所述擠壓件的 所述溫度在約200 。F到約350 。F的范圍內(nèi)。
13. 根據(jù)權利要求l的方法，其中所述淬火包括空氣或水淬火。
14. 根據(jù)權利要求l的方法，其中將所述擠壓件伸展約1%。
15. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述人工時效發(fā)生在約340。F 到約355°F范圍內(nèi)的溫度下持續(xù)約8小時的時間段。
16. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述擠壓件包括棒材、桿材或 線材。
17. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所迷擠壓件具有至少約41ksi 的極限拉伸強度。
18. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述擠壓件具有至少約35ksi 的拉伸屈服強度。
19. 根據(jù)權利要求1的方法，其中所述擠壓件具有至少約41ksi 的極限拉伸強度和至少約35ksi的拉伸屈服強度。
全文摘要
一種模壓淬火6020鋁合金的方法，包括如下步驟提供基本組成如下的6020鋁合金的錠料或坯料約0.5％到約0.6％的硅、約0.7％到約0.8％的鎂、約0.55％到約0.65％的銅、約0.35％到約0.45％的鐵、約0.01％到約0.04％的錳、約1.05％約到1.15％的錫和約0.04％到約0.06％的鉻；均勻化所述坯料；冷卻所述坯料；再加熱所述坯料；擠壓所述坯料；淬火所述擠壓件；和人工時效所述擠壓件。該合金具有提高的生產(chǎn)率、強度和機械加工性能，并且可以被用作含鉛合金6262-T6的直接替代物。
文檔編號C22F1/04GK101278067SQ200680036684
公開日2008年10月1日 申請日期2006年8月30日 優(yōu)先權日2005年9月2日
發(fā)明者D·A·盧卡薩克, T·J·克倫普 申請人:美鋁公司