專利名稱：：具有良好可切割性的鋁合金以及制備鍛造制品的方法和鍛造制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及具有良好可切割性(切削加工性)的鋁合金或鋁合金材料。本發(fā)明也涉及采用上述鋁合金或鋁合金材料制備鍛造制品的方法。本發(fā)明還涉及根據(jù)上述方法得到的鍛造制品。
背景技術(shù)：
：通常，經(jīng)過(guò)加入Pb制備的鋁基合金，如JIS2011合金和JIS6262合金，被用作具有良好可切割性的鋁合金。但是，近年來(lái)由于環(huán)境的問(wèn)題，需要不加入Pb的卻具有良好切割性能的鋁合金。盡管已經(jīng)提出用加Sn和Bi的鋁基合金代替JIS2011合金(通過(guò)加入Pb和Bi而制備的)，但是它們的碎片分裂性(chipsplittability)通常比通過(guò)添加Pb和Bi而制備的合金差。另外，與通常制備的合金相比，當(dāng)材料的旋轉(zhuǎn)速度降低或刀片的進(jìn)料速度變慢以滿足降低制品表面粗糙度的要求時(shí)，碎片分裂性不充分。此外，當(dāng)通過(guò)添加Sn制備的合金材料經(jīng)受熱鍛壓時(shí)，于鍛造后進(jìn)行的溶液熱處理之后的一些水淬火中，發(fā)生通過(guò)添加Pb和Bi而制備的常規(guī)合金中未發(fā)現(xiàn)的裂縫。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種具有良好可切割性的鋁合金，其包含36%質(zhì)量的Cu，0.21.2%質(zhì)量的Sn，0.31.5%質(zhì)量的Bi，及0.51.0%質(zhì)量的Zn，余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)。此外，本發(fā)明涉及一種制備鍛造制品的方法，包括在要鍛造的材料的鍛造溫度下鍛造上述鋁合金的步驟，所述鍛造溫度為320450°C。再者，本發(fā)明涉及通過(guò)上述制備方法得到的鍛造制品。通過(guò)下列的說(shuō)明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更加顯而易見。具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供下列內(nèi)容(1)一種具有良好可切割性的鋁合金，其包含36%質(zhì)量的Cu，0.21.2%質(zhì)量的Sn，0.31.5%質(zhì)量的Bi，及0.51.0%質(zhì)量的Zn，余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)；(2)一種制備鍛造制品的方法，包括在要鍛造的材料的鍛造溫度下鍛造上述項(xiàng)(1)的鋁合金的步驟，所述鍛造溫度為320450°C；及(3)一種鍛造制品，其是根據(jù)上述項(xiàng)(2)的方法得到的。本文所使用的短語(yǔ)“未添加(未補(bǔ)加)Pb”的意思是在錠料中未加Pb，更具體地，是指在所得鋁合金中Pb的含量為0.05%質(zhì)量或更小。下面將詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。Cu的作用是通過(guò)形成CuAl2等化合物而提高本發(fā)明的鋁合金的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)Cu含量低于下限時(shí)，這種作用很小；當(dāng)Cu的含量高于上限時(shí)，錠料的表面質(zhì)量下降。優(yōu)選的Cu含量范圍為4.55.5%質(zhì)量。低熔點(diǎn)元素，如Sn和Bi，提高碎片分裂性。由于Sn和Bi幾乎不與鋁形成固溶體，所以它們是以化合物的形式存在的。假設(shè)碎片分裂性提高的原因是化合物因工作熱而在切割或鉆孔刀片頂端熔化，進(jìn)而在碎片上產(chǎn)生缺口。當(dāng)Sn和Bi含量低于下限時(shí)，這種作用不充分；當(dāng)高于上限時(shí)，則耐腐蝕性降低，這是因?yàn)榘l(fā)生了晶界腐蝕。由于Sn-Bi化合物的熔點(diǎn)降低至139°C，而純Sn的熔點(diǎn)為232°C，純Bi的熔點(diǎn)為271°C，所以化合物的熔化效果是明顯的。因此，優(yōu)選添加Sn和Bi，并且優(yōu)選它們的含量為Sn對(duì)Bi的質(zhì)量比等于約4357，這可以產(chǎn)生共晶組合物。優(yōu)選Sn的含量為0.20.8%質(zhì)量。優(yōu)選Bi的含量為0.31.0%質(zhì)量。迄今為止，通過(guò)添加Sn和Bi而制備的鋁基合金材料的碎片分裂性均比在某些情況下通過(guò)添加Pb和Bi而制備的材料差。作為創(chuàng)造性研究的結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了如下理由。由于Sn-Bi化合物的尺寸比Pb-Bi化合物小，所以在某些特殊的切割條件下，不能形成尺寸足以使碎片分裂的缺口。因此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)需要添加Zn，而所添加的Bi的含量為0.3%質(zhì)量或更高，以增加化合物的尺寸。也就是說(shuō)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)在Sn-Bi化合物中引入Zn來(lái)提高Sn-Bi化合物的尺寸。例如，在下文所述的實(shí)施例中，本發(fā)明試樣2的Sn-Bi化合物的平均粒徑變成8μm大，而對(duì)比例試樣9的Sn-Bi化合物的平均粒徑為5μm。這表明，根據(jù)本發(fā)明的試樣的Sn-Bi化合物的尺寸幾乎與作為常規(guī)實(shí)例的JIS2011合金的Pb-Bi化合物相等。因而，形成了尺寸足夠的缺口，提高了碎片分裂性。優(yōu)選Sn-Bi化合物的平均粒徑為8μm或更大，更優(yōu)選為10μm或更大。當(dāng)Zn含量低于下限時(shí)，上述作用不充分，當(dāng)Zn含量高于上限時(shí)，耐腐蝕性惡化。優(yōu)選Zn的含量為0.50.8%質(zhì)量。在本發(fā)明的合金中，對(duì)其它元素沒(méi)有特殊的限制。在不妨礙本發(fā)明合金的各種性能如機(jī)械強(qiáng)度、可切割性和耐腐蝕性的范圍內(nèi)，可以包含Si、Fe、Mn、Mg、Ti、Ni、Cr、&和In等元素。對(duì)本發(fā)明合金的制造條件和回火(tempering)沒(méi)有特殊的限制?？梢愿鶕?jù)通常的生產(chǎn)條件選擇適合使用的淬火。例如，合金可以是通過(guò)熱處理精加工而進(jìn)行Tl回火(temper)；通過(guò)施加溶液熱處理和人工老化而進(jìn)行T6回火；或者通過(guò)施加溶液熱處理、冷加工和人工老化而進(jìn)行T8回火。此外，還優(yōu)選合金在溶液熱處理之后經(jīng)受冷加工或人工老化的T3、T8、T6和T9等回火，因?yàn)楫?dāng)機(jī)械強(qiáng)度更大時(shí)，碎片分裂性將變得更好。在本發(fā)明中，材料的鍛造溫度優(yōu)選為320450°C，更優(yōu)選為350420°C，當(dāng)合金材料進(jìn)行鍛造加工時(shí)。當(dāng)通過(guò)添加Sn而制備的合金材料經(jīng)受熱鍛壓時(shí)，在鍛造后進(jìn)行的溶液熱處理之后的某些水淬火情況下，發(fā)生了通過(guò)添加Pb和Bi而制備的常規(guī)合金中未發(fā)現(xiàn)的裂縫。本發(fā)明人通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)如下原因。當(dāng)合金在超過(guò)450°C的高溫下鍛壓時(shí)，形成巨大的再結(jié)晶晶粒，而且通過(guò)溶液熱處理之后的水淬火在再結(jié)晶晶粒邊界施加巨大的應(yīng)力。材料中具有巨大再結(jié)晶晶粒的晶界的總面積如此之小，以至于施加在單位面積晶界上的應(yīng)力增加，因而容易造成裂縫。盡管當(dāng)更大的結(jié)晶晶粒形成時(shí)，通過(guò)添加Pb和Bi而制備的常規(guī)鋁合金材料中也出現(xiàn)裂縫，但是，裂縫的發(fā)生率沒(méi)有通過(guò)添加Sn而制備的鋁合金材料如本發(fā)明的鋁合金材料中的大。另一方面，當(dāng)鍛壓期間材料的溫度降低時(shí)，材料的抗變形性增加?？梢酝茰y(cè)，通過(guò)增加抗變形性，鍛壓載荷可以超過(guò)壓機(jī)的容量。然而，由于與常規(guī)的通過(guò)添加Pb和Bi而制備的鋁合金材料相比，本發(fā)明的合金的抗變形性小，所以低溫鍛造是可能的。當(dāng)溫度低于320°C時(shí)，鍛造載荷可以增加，這取決于欲通過(guò)鍛造而得到的制品的形狀。就能耗而言，降低鍛造時(shí)材料的溫度是有利的。本發(fā)明的鋁合金可以用于例如經(jīng)受機(jī)加工(如切割和鉆孔)的構(gòu)件或部件。本發(fā)明的鋁合金具有良好的可切割性，其相當(dāng)或優(yōu)于通過(guò)在Al-Cu系列合金中添加Pb而制備的合金，通過(guò)添加預(yù)定量的Sn和Bi、即使不添加Pb但添加Zn而制備的合金。根據(jù)本發(fā)明的制備鍛造制品的方法，鍛造可以在較低的溫度下以較小的載荷進(jìn)行，使得鍛造節(jié)能，同時(shí)防止鍛造過(guò)程中產(chǎn)生裂縫(例如，在鍛造后的溶液熱處理之后的水淬火中)ο現(xiàn)將根據(jù)下面給出的實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但是這并不意味著本發(fā)明受限于這些實(shí)施例。實(shí)施例實(shí)施例1將組成如表1所示的合金熔化，由各個(gè)熔化的合金得到直徑為220mm的錠料。將這些錠料加熱以便在480°C均質(zhì)化6小時(shí)。通過(guò)在400°C擠出這些錠料，得到直徑為12mm的擠出棒。然后，在500°C下溶液熱處理2小時(shí)，之后，立即用水使擠出棒淬火。通過(guò)外切割對(duì)這些棒進(jìn)行切割試驗(yàn)。切割條件是旋轉(zhuǎn)速度3000rpm，切割深度2mm，進(jìn)料速度0.lmm/rev。以每100片碎片的質(zhì)量評(píng)價(jià)碎片分裂性。評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是質(zhì)量為2g或更小的為A；質(zhì)量大于2g但小于4g的為B；質(zhì)量大于4g但小于6g的為C；及質(zhì)量大于6g的為D。碎片的質(zhì)量越小，可以判定可切割性(碎片分裂性)越好。從表1的結(jié)果可以看出，對(duì)比例的試樣912以及常規(guī)實(shí)例的試樣13(JIS2017合金)的試樣的可切割性差，因?yàn)樗鼈儾缓琍b。相反，根據(jù)本發(fā)明的試樣18，其中未添加Pb，具有類似的或優(yōu)于補(bǔ)充了Pb的常規(guī)實(shí)例的合金(即JIS2011合金，試樣14)的可切割性(碎片分裂性)。因此，可以理解，本發(fā)明的同時(shí)補(bǔ)充了Cu、Sn、Bi和Zn的合金具有特別優(yōu)良的碎片分裂性。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>質(zhì)量％，余量為鋁實(shí)施例2利用兩種合金(即本發(fā)明的合金和常規(guī)的JIS2011合金)得到直徑340mm的錠料，如表2所示。將這些錠料在480°C下加熱均質(zhì)化6小時(shí)。通過(guò)在400°C下的擠出，將錠料加工成直徑35mm的擠出棒。將這些棒切割成35mm的長(zhǎng)度，作為鍛造毛坯，并將這些毛坯鐓鍛(upset)，鐓鍛比為80%，鍛造溫度如表2所示。表2示出了每一鍛造溫度下加工所需的最小鍛造載荷(噸)。在500°C下經(jīng)過(guò)2小時(shí)的溶液熱處理之后，將試樣立即用水淬火。就下列方面對(duì)試樣進(jìn)行評(píng)價(jià)(1)每一鍛造溫度下鍛造載荷的大??；及(2)在用水淬火后借助于染色探傷(可見染料)觀察是否產(chǎn)生裂縫。有關(guān)染色探傷(可見染料，例如參見fflL-STD-6866)的試驗(yàn)方法解釋如下。將滲透劑(紅色)噴在上述每個(gè)鍛造制品的試樣上，然后將噴過(guò)的鍛造制品試樣放置15分鐘。從鍛造制品試樣的表面擦除滲透劑之后，將展開液(白色)噴射在鍛造制品試樣的表面上。如果鍛造制品試樣上存在任何裂縫，則將展開液噴射在鍛造制品上之后滲透劑(紅色)從裂縫區(qū)滲出，因?yàn)闈B透劑已經(jīng)浸入裂縫部分。觀察是否有紅色溶液從樣品的裂縫中滲出，當(dāng)未觀察到滲出的紅色溶液時(shí)，可以判定沒(méi)有裂縫；當(dāng)觀察到有紅色溶液滲出時(shí)，則可以判定有裂縫。從表2可以看出，在相同鍛造溫度下，常規(guī)JIS2011合金的鍛造載荷明顯地大于合金A。相反，當(dāng)滿足本發(fā)明之定義的合金A在預(yù)定的鍛造溫度下(320450°C)加工時(shí)，鍛造載荷顯著降低，且所鍛造的制品沒(méi)有裂縫。然而，即使采用滿足本發(fā)明之定義的合金A，在更高的鍛造溫度下則產(chǎn)生裂縫，且在較低的溫度下需要較大的鍛造載荷。這些結(jié)果表明，當(dāng)鍛造加工本發(fā)明的合金時(shí)，優(yōu)選將材料的溫度調(diào)節(jié)為前述的鍛造溫度。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>[注]合金A:5·24%質(zhì)量的Cu，0·58%質(zhì)量的Sn，0·67%質(zhì)量的Bi，及0.52%質(zhì)量的Zn，余量為鋁；JIS2011合金5.18%質(zhì)量的Cu，0.51%質(zhì)量的Pb，0.54%質(zhì)量的Bi，余量為鋁。已經(jīng)就本發(fā)明的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，除非另有說(shuō)明，本發(fā)明不受說(shuō)明書具體內(nèi)容的限制，而應(yīng)當(dāng)在所附權(quán)利要求書中所闡述的精神和范圍內(nèi)作廣義的理解。權(quán)利要求一種具有良好可切割性的鋁合金，包含3～6％質(zhì)量的Cu，0.2～1.2％質(zhì)量的Sn，0.3～1.5％質(zhì)量的Bi，及0.5～1.0％質(zhì)量的Zn，余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有良好可切割性的鋁合金，其中，Sn和Bi以Sn-Bi化合物的形式存在，且Sn-Bi化合物的平均粒徑為8μm以上。3.一種制備鍛造制品的方法，包括在要鍛造的材料的鍛造溫度下鍛造權(quán)利要求1的鋁合金的步驟，所述鍛造溫度為320450°C。4.一種鍛造的制品，其是根據(jù)權(quán)利要求2的方法得到的。全文摘要一種具有良好可切割性的鋁合金，包含3～6％質(zhì)量的Cu，0.2～1.2％質(zhì)量的Sn，0.3～1.5％質(zhì)量的Bi，及0.5～1.0％質(zhì)量的Zn，余量為鋁和不可避免的雜質(zhì)。一種制備鍛造制品的方法，所述鍛造制品中采用了所述的鋁合金。通過(guò)該方法得到的鍛造制品。文檔編號(hào)C22F1/057GK101812618SQ201010114259公開日2010年8月25日申請(qǐng)日期2003年4月25日優(yōu)先權(quán)日2002年4月25日發(fā)明者東海林了,平野洋二申請(qǐng)人:古河Sky株式會(huì)社