專利名稱：6xxx系列鋁合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及6XXX系列鋁合金、處理這類合金的方法及設(shè)計這類合金的方法。
6XXX系列合金是鋁基合金，它含鎂(Mg)和硅(Si)，而Mg和Si一般各以0.2-1.5％(重量)的范圍存在。
6XXX系列合金被廣泛地用于要求具有優(yōu)良成形性、焊接性和擠壓性的中-高強度的應(yīng)用場合中。這些應(yīng)用場合包括建筑/結(jié)構(gòu)/電器用途的廣泛范圍。一般來說，將6XXX系列合金鑄成坯，再經(jīng)擠壓而形成小圓棒或其它的外形，或經(jīng)鍛造(由擠壓件或坯料)而成為大的部件。
6XXX系列合金方面的沉淀硬化的常規(guī)理論認(rèn)為按照以下的順序通過Mg2Si的析出和生長發(fā)生硬化ⅰ)在時效前的延續(xù)期間形成Si原子團；ⅱ)在加熱至?xí)r效溫度期間，形成GPI區(qū)；ⅲ)形成GPⅡ區(qū)-β″Mg2Si析出；ⅳ)通過從β″的轉(zhuǎn)變形成β′析出物，并且取決于溫度和時間，而隨著β′量的增長而生長。
ⅴ)若發(fā)生過時效，則形成βMg2Si析出物。
按照常規(guī)理論的結(jié)論為生產(chǎn)Mg和Si“平衡”的合金，在6XXX合金中形成的析出物中的Mg與Si之比約為2(以原子量計)，標(biāo)準(zhǔn)的作法一直是計算加到6XXX合金中的Mg和Si的相對量，以使該合金含有的Mg與Si的原子量比為2∶1。
在某些情況下，不是形成平衡的合金，而是設(shè)計一種含過量Si的合金來提交其強度是已知的。在這種情況下，任何不以Mg2Si形式析出的，或不形成金屬間化合物的Si是游離的，從而形成其它的相，如與其它元素的析出物，它們具有增加強化的作用。改變過量Si的量以產(chǎn)生合乎要求的強化作用-而加入Si量的限度常決定于諸如加Si對擠壓性的影響這樣的一些因素。
添加其它合金元素及6XXX合金的熱處理程序也基于Mg2Si的析出。如，可往合金中加錳(Mn)以產(chǎn)生一種Mn的分布，它起著不均勻成核位點的作用，并增加形成β′Mg2Si條狀物(rod)的機會。這明顯地增加了擠壓的塑性變形應(yīng)力，但也加大了阻礙晶界的程度，因而減少了或甚至是阻止了再結(jié)晶，并且使晶帶形成。
有多種不同的處理6XXX系合金鑄坯的方案，以制造最終擠壓或鍛造產(chǎn)品。
舉例來說，已知的是，使6XXX系合金坯料均勻化，以溶解鑄出坯中以金屬間化合物存在于晶間的最大可能量的Mg和Si，從而產(chǎn)生超飽和的固溶體，由于冷卻，它使金屬間化合物和Mg2Si均勻析出。它還破壞這種鑄態(tài)組織，及轉(zhuǎn)變金屬間化合物AlFeSi。這導(dǎo)致擠壓屈服應(yīng)力和最終性能的更大均勻性，并使機械性能得以充分改進。一般采用慢的，如100-200℃/時的冷卻速度。
此外，利用感應(yīng)加熱在擠壓前將坯料快速加熱至所需溫度是已知的。一般用氣體加熱使坯料達到約300℃，然后用感應(yīng)加熱將坯料完全加熱到擠壓溫度。這種用感應(yīng)加熱進行的快速加熱使β′Mg2Si析出物沒有充分的時間生長，因而為擠壓提供了細的分散相。屈服應(yīng)力因而明顯下降。類似地，在采用很低的坯料溫度時還可采用較快的擠壓速度來保持同樣的性能是可能的。
進而，根據(jù)被擠壓的合金，改變擠壓后的急冷速度也是已知的。合金的一個所期望的特點是，它具有低的對急冷的敏感性，即它可以隨著緩慢的冷卻而達到完美的性能。這特點的好處是可將變形減至最小，性能更為均勻及不需淬火設(shè)備。
對于合金的選擇、均勻化，坯料加熱及淬火有已知的操作規(guī)范，而這些在很大程度上都是在常用合金系統(tǒng)范圍內(nèi)，根據(jù)經(jīng)驗的優(yōu)化過程。舉例來說，在均勻化后，推薦諸如階段冷卻、慢冷和快冷之類的實際措施。
表1中列出了6XXX系列中幾種合金的合金規(guī)范。
表1:6XXX系列鋁合金的合金規(guī)范。來自“Aluminium Standards,Data and Design Wrought Products”，the Aluminium Council of Autralia.
在上表中，除非述及的是一種范圍外，所述的量都是最大濃度。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)6XXX系列合金的時效硬化，不是如整個行業(yè)先前所認(rèn)為的那樣，是因Mg2Si析出而發(fā)生的，而是通過MgSi析出而發(fā)生的。
所發(fā)現(xiàn)的MgSi析出機理包括Mg∶Si為1(按原子量計)，而不是先前所認(rèn)為的為2，的β′MgSi析出物的成核及生長，該機理包括以下順序ⅰ)形成分開的Mg和Si原子團；ⅱ)在低溫時效時，隨著Mg∶Si比的增加，而最終達到1的Mg和Si原子的共原子團；ⅲ)形成Mg∶Si比接近1的，組織不詳?shù)男∥龀鑫铮虎?這些析出物轉(zhuǎn)變成該比值為1的β″MgSi；ⅴ)在時效的下一階段中，形成Mg與Si之比為1的β′和B′。
上述發(fā)現(xiàn)的一個結(jié)果是按常規(guī)理論，生產(chǎn)的目前商用6XXX合金所根據(jù)的理論是這些合金，就Mg和Si作為Mg2Si析出而言是平衡的，但實際上是不平衡的。
此外，明顯的是，本申請人已發(fā)現(xiàn)，如本申請人現(xiàn)在所知的那樣，用Mg和Si平衡的6XXX合金可以得到更好的性能。這些令人感興趣的性能，例如，包括可擠壓性、可鍛性、導(dǎo)電性、強度及機加工性能。
按照本發(fā)明，提供一種含Mg和Si的6XXX系列的鋁合金，其特征是，其中Mg和Si可用來形成以Mg∶Si在0.8∶1和1.2∶1(基于原子重量)之間的量存在的MgSi析出物。
理解的是對于任何給定的6XXX系列的鋁合金而言，可用來形成Mg/Si析出物的Mg和Si的量將小于加到該合金組合物中的這些元素的總量。其原因在于留在溶體中的Mg和Si總有一定比例(一般很小)，而與加入到該合金的其它元素如鐵(Fe)和銅(Cu)一起析出的Mg和Si也有一定比例。
還應(yīng)理解的是含有用于形成MgSi析出物的鎂和硅，其量要使Mg和Si之比在0.8∶1和1.2∶1之間的6XXX系列鋁合金，就Mg和Si而言是“平衡”的，而且是符合所發(fā)現(xiàn)的MgSi析出機理的。
Mg∶Si之比值在0.9∶1和1.1∶1之間是可取的。
Mg與Si之比為1∶1則尤為可取。
按照本發(fā)明，還提供了用6XXX系列鋁合金制造擠壓產(chǎn)品的方法，它包括如下步驟ⅰ)鑄成含Mg和Si的6XXX系鋁合金的坯料，所述Mg和Si的含量如上所述；ⅰ)用該坯料擠壓成最終產(chǎn)品的形狀；及ⅲ)熱處理該擠壓產(chǎn)品，以使MgSi析出。
該熱處理步驟可以是任何適宜的熱處理。
按照本發(fā)明，還提供了用6XXX系鋁合金制造鍛件的方法，它包括如下步驟ⅰ)鑄成含Mg和Si的6XXX系鋁合金的坯料，所述Mg和Si的含量如上所述；ⅱ)用該坯料鍛成最終產(chǎn)品的形狀；及ⅲ)熱處理該合金，以使MgSi析出。
該熱處理步驟可以是任何適宜的熱處理。
在前段中述及的方法可包括用坯料擠壓成中間產(chǎn)物的形狀，然后鍛成最終產(chǎn)品的形狀。
為研究本發(fā)明，本申請人進行了一系列實驗，并對8種6XXX系列的鋁合金(列于表2和3中)和含有常規(guī)的0.48％(重量)的Mg、分別含有0.8、1.0及1.2％(重量)的Si以及表2中所列量級的其它元素的其它的6XXX系列鋁合金I.J.K進行了計算機模擬。表2合金成份
表3綜述了該合金的處理條件及后續(xù)的熱處理。表3處理條件
實驗工作確定，由于MgSi量增加，性能一般有所改進。這在

圖1中已表明，它是由實驗工作中導(dǎo)出的抗拉強度與MgSi重量百分比的關(guān)系曲線。屈服應(yīng)力和MgSi的重量百分比間的關(guān)系遵循類似的趨勢。
該實驗工作還確定，按已發(fā)現(xiàn)的MgSi析出機理選擇合金成份以形成平衡的合金而獲得最佳性能。這在圖2中得以說明，該圖是從對合金A、C、E、I、J及K的所作的實驗工作導(dǎo)出的抗拉性能與Si含量間的關(guān)系曲線，指出，上述合金都含0.48％(重量)量級的Mg。這些合金樣品經(jīng)受T4、T5和T6熱處理程序。測量該合金的抗拉性能，然后再針對Si含量繪出曲線。
圖2表明，對于每種熱處理程序而言，抗拉強度都隨Si含量的升高而升高，直至Si含量達到0.5-0.6％(重量)時為止，對被測試的合金而言，它符合于按所發(fā)現(xiàn)的MgSi析出機理的平衡合金，而且還表明，當(dāng)Si含量進一步提高時，抗拉性能只有有限的提高。換言之，該實驗工作確定，平衡合金的形成明顯有益于抗拉性能，而過量的Si，盡管使抗拉性能提高，但沒有明顯的作用。這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，因為在很多應(yīng)用場合中由于平衡合金所取得的抗拉性能是足夠的，因而不需要過量的Si，從而避免了擠壓高Si含量合金時的困難。
一般說來，該實驗工作確定所發(fā)現(xiàn)的MgSi析出機理可將合金元素的添加量，從先前的添加水平降下來，而又不降低該合金的性能，而且在很多情況下還改善這些性能。就后一點而言，假如擠壓性和導(dǎo)電性隨合金元素添加量的增加而下降，則隨之而來的是添加量降至最小的合金元素有明顯優(yōu)點。
在其它的實驗工作中，本申請人發(fā)現(xiàn)，按被發(fā)現(xiàn)的析出機理的平衡合金提供了比超高Si含量合金更好的耐平均溫度和耐高溫的性能。
本發(fā)明有廣泛的應(yīng)用范圍，這包括，但不限于以下的用途1)一般目的合金表4列出了符合本發(fā)明的，基于所發(fā)現(xiàn)的MgSi析出機理的一般目的的6XXX系列鋁合金的Mg和Si含量表4對基于被發(fā)現(xiàn)的MgSi析出機理的一般目的鋁合金所推薦的Mg和Si含量
因此，另一方面，本發(fā)明提供了一種合金成份，它含有Mg 0.37-0.44Si 0.56-0.63Fe 最多0.2Cu 最多0.1Mn 最多0.1Cr 最多0.05Zn 最多0.15Ti 最多0.1余量Al及不可避免的雜質(zhì)。
再一方面，本發(fā)明提供一種合金成份，它含有
Mg 0.53-0.64Si 0.75-0.84Fe 最多0.2Cu 最多0.1Mn 最多0.1Cr 最多0.05Zn 最多0.15Ti 最多0.1余量Al及不可避免的雜質(zhì)。
又一方面，本發(fā)明提供一種合金成份，它含有Mg 0.70-0.83Si 0.92-1.07Fe 最多0.2Cu 最多0.1Mn 最多0.1Cr 最多0.05Zn 最多0.15Ti 最多0.1余量Al及不可避免的雜質(zhì)。
再一方面，本發(fā)明提供一種合金成份，它含有Mg 0.86-1.00Si 1.10-1.20Fe 最多0.2Cu 最多0.1Mn 最多0.1Cr 最多0.05Zn 最多0.15Ti 最多0.1余量Al及不可避免的雜質(zhì)。2)電導(dǎo)體合金這些合金按傳統(tǒng)經(jīng)過過時效，以保證所有的Mg和Si作為βMg2Si從基體中析出。這使得通過該基體的導(dǎo)電率為最大。但，為補償因過時效而產(chǎn)生的性能損失，需要較大的截面以保持強度。
基于現(xiàn)有的對時效硬化工藝的認(rèn)識不理解的是，為何具有半連續(xù)的β′(它占有與不連續(xù)的β相似的體積份額)的峰值時效狀態(tài)沒有象過時效狀態(tài)下一樣低的電阻率。利用這種被發(fā)現(xiàn)的MgSi機理，可知，Mg2Si“平衡”的合金合有過量的Mg，它以峰值時效狀態(tài)存于基體中，因而這就降低了導(dǎo)電率。
用根據(jù)被發(fā)現(xiàn)的MgSi析出機理正確平衡的合金，就無需以過時效來保證所有的Mg和Si從溶體中析出-峰值時效狀態(tài)滿足這一要求。由于這種狀態(tài)提供較大的強度，可采用較小的截面，即只需要較小位置或較小的地下管線的較輕的電纜。
因而，按另一方面，本發(fā)明提供一種合金成分，它含有ⅰ)Mg和Si，它們的含量由在Mg/Si坐標(biāo)圖的下列坐標(biāo)以直線連成的坐標(biāo)限定的區(qū)域Mg Si0.35 0.480.35 0.580.44 0.70.58 0.7；及ⅱ)下列元素Fe0.1-0.2Cu最多0.1Mn最多0.03Cr最多0.03Zn最多0.01B最多0.06余量Al及不可避免的雜質(zhì)(每種最多0.05，總量最多0.10)3)易切削合金將合金6262設(shè)計成含Pb和Bi添加劑的Mg2Si“平衡”合金，以便改善其機加工性能。這些添加劑的效果由于Bi損失于硬的Bi2Mg3顆粒中而下降。因為該合金被認(rèn)為是Mg2Si平衡的，所以被認(rèn)為形成有害的Bi2Mg3是不可避免的。
但，基于被發(fā)現(xiàn)的MgSi析出機理，實際上在該合金中有過量的Mg。因此，通過降低Mg含量可避免形成Bi2Mg3，從而提高機加工性能。此外，對于同樣的機加工性能可用較低的Pb/Bi添加量，這對環(huán)保更有益，而且易于回收使用。4)含Cu添加劑的高強度合金。
為使6XXX合金強度增加，加入Cu是已知的。
由于腐蝕問題Cu不能以＞0.1％的量向Mg2Si的超Si量的合金(6351,6282)中加入。但，由于這些合金實際上接近于是MgSi平衡的，所以AlCuMg的增強效果未被體現(xiàn)出來。反之，Cu可能形成降低耐腐蝕性的粗的析出物。因而，通過多加Mg就可多加Cu以提高強度，而又不會損害耐腐蝕性能。
為研究本發(fā)明的其它用途，本申請人按表5中所列的6061合金成份對含Cu的高強度合金進行了一系列實驗。表56061合金
該合金具有可用來以MgSi析出的Mg與Si之比(按原子量計)，它從合金A降到合金C。
合金A和B是市售的合金。合金C是在被發(fā)現(xiàn)的MgSi機理的基礎(chǔ)上作為平衡的合金被選出的。
6061合金經(jīng)均勻化，鑄造而形成不同零件，然后經(jīng)T6熱處理。
T6處理后測量該合金的抗拉和硬度性能。結(jié)果歸納于表6中。
表66061合金的性能
表6中的結(jié)果表明，按被發(fā)現(xiàn)的MgSi機理而被平衡的合金C的抗拉強度和硬度性能優(yōu)于常規(guī)合金A和B的這些性能。
如上所述，本發(fā)明還提供了處理6XXX系列鋁合金的方法。過程的可變性可通過在對后續(xù)處理最不敏感的條件下，適當(dāng)選擇的Mg∶Si之比供料而減至最少。為充分體現(xiàn)這一點，及體現(xiàn)被發(fā)現(xiàn)的MgSi析出機理的其它優(yōu)點，應(yīng)采用下列合金處理方案中的至少一種1．均勻化后的淬火速度。為防止MgSi析出物長得過大需要快的淬火速度(即，＞400℃/時)。為使MgSi在擠壓前和擠壓時的坯料加熱過程中完全重溶，這是最重要的。不這樣，則不會得到最大可能量的Mg和Si在時效時形成增強的析出物MgSi，而且MgSi的平衡被改變，從而不能充分體現(xiàn)這種平衡的利益。
2．坯料預(yù)熱方法。為防止均勻化后的Mg2Si析出物變粗到它們不能在擠壓時重溶這一點，需要快速加熱(如感應(yīng)加熱)。
3．一種具有提高擠壓性及擠壓速度的另一種優(yōu)點的可能的方法是，將坯料加熱到Mg2Si和MgSi的溶線溫度(即，加熱到500℃)，從而使殘留的任何MgSi充分溶解，然后將坯料冷至所需的擠壓溫度。
上述工藝適用于符合本發(fā)明的所有合金。
因此，本發(fā)明還提供以下的方法a)處理6XXX系鋁合金的方法，它包括均勻化熱處理，然后從該均勻化溫度快速急冷-最好是該快速急冷將用＞400℃/時的冷卻速度。b)擠壓包含6XXX系列鋁合金的被擠壓原料的方法，該方法包括將原料迅速加熱以防該原料中的均勻化后的Mg2Si析出物變粗，然后擠壓所述的原料；及c)擠壓包含Mg和Si的6XXX系列鋁合金的被擠原料的方法，該法包括將所述合金加熱至Mg2Si和MgSi溶線溫度以上，然后使此原料冷卻至擠壓溫度，并擠壓所述原料。
上述(b)和(c)中的原料最好是坯料。
本發(fā)明還提供確定6XXX系列鋁合金中的Mg和Si最佳含量的方法，它包括的步驟是a)制備數(shù)個含不同Mg和Si量的合金的試驗試樣；b)按照最終用戶的熱處理技術(shù)要求熱處理所述試樣；c)分析所述試樣，以確定其中Mg2Si和MgSi的含量；d)對所述試樣進行測試，以確定所述試樣的一種或幾種機械性能；e)分析于上述步驟(c)和(d)中所得的結(jié)果，并根據(jù)對步驟(c)和(d)的結(jié)果的分析及析出順序(包括MgSi的析出)導(dǎo)出6XXX合金中的Mg和Si含量模式及該合金的熱處理參數(shù)，以推斷在按熱處理工藝處理過的給定的6XXX合金中所產(chǎn)生的微觀組織。
該方法可任選地包括，使用特定用途的機械性能要求，導(dǎo)出一種模型，以便由此模型確定在該合金中所需的Mg和Si含量。
計算具體合金的最優(yōu)Mg和Si含量的程序包括幾種可用來確定可用于沉淀強化的Mg和Si含量的技術(shù)。這些技術(shù)是，TEM顯微鏡檢查法、DSC或DTA分析、導(dǎo)電率和硬度。然后可通過選擇適宜的合金成份，而將這信息用來將性能和擠壓性擴大到極大。
在分析擠壓試樣及其相關(guān)的熱(處理)歷史的基礎(chǔ)上可制定合金規(guī)范。TEM結(jié)果(與原子探針場離子顯微鏡檢測(APFIM)結(jié)果相關(guān))將用于確定Mg2Si和MgSi含量。PSC/DTA有助于區(qū)分這些析出物。通過導(dǎo)電率實驗將鑒定基體中的Mg(或Si)含量。這些信息將用于為這些合金及工藝制訂析出和微觀組織的詳細方案。然后可對此合金進行改進，以便按該詳細方案可用來確定最終組織，說明合金和工藝變化的知識使這種作業(yè)的擠壓性和機械性能優(yōu)化。
APFIM相關(guān)性是必要的，因為TEM本身不能分辨Mg2Si和MgSi間的區(qū)別，即TEM結(jié)果的分析需要在來自APFIM的結(jié)果基礎(chǔ)上的解釋。
還有，對來自TEM、DSC/DTA、導(dǎo)電性和硬度試驗的結(jié)果的解釋不是簡單明了的。由于MgSi析出機理及如何處理的知識對此有影響，所以將此擠壓分析“轉(zhuǎn)回”到合金規(guī)范是可能的。
以這些選擇方案，可望通過將鋁的熱處理史及其顯微組織修整得最適于鍛造工藝，而能開發(fā)出用于鍛造用途的不同的優(yōu)選合金。
本文所述的發(fā)明，除特別述及以外，都可改變和修飾這是可以理解的。應(yīng)知，本發(fā)明包括所有落入本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的這類改變和修飾。
權(quán)利要求
1．含Mg和Si的6XXX系列鋁合金，其特征在于，可用于形成MgSi析出物的Mg和Si，基于原子量，是以Mg與Si之比為0.8∶1-1.2∶1的量存在。
2．權(quán)利要求1的合金，其特征在于，Mg與Si之比在0.9∶1和1.1∶1之間。
3．權(quán)利要求2的合金，其特征在于，Mg與Si之比為1∶1。
4．上述任一項權(quán)利要求的合金，其特征在于，其成份含有Mg0.37-0.44Si0.56-0.63Fe最多0.2Cu最多0.1Mn最多0.1Cr最多0.05Zn最多0.15Ti最多0.1余量Al及不可避免的雜質(zhì)。
5．權(quán)利要求1-3中任一項的合金，其特征在于，其成份含有Mg0.53-0.64Si0.75-0.84Fe最多0.2Cu最多0.1Mn最多0.1Cr最多0.05Zn最多0.15Ti最多0.1余量Al及不可避免的雜質(zhì)。
6．權(quán)利要求1-3中任一項的合金，其特征在于，其成份含有ⅰ)Mg和Si，其含量在Mg/Si坐標(biāo)圖上的由下列坐標(biāo)限定的區(qū)域內(nèi)，該坐標(biāo)圖是以直線連成的Mg Si0.35 0.480.35 0.580.44 0.70.58 0.7；及ⅱ)下列元素Fe0.1-0.2Cu最多0.1Mn最多0.03Cr最多0.03Zn最多0.10B最多0.06余量Al及不可避免的雜質(zhì)(每種最多0.05，總量最多0.10)。
7．用6XXX系列鋁合金制造擠壓產(chǎn)品的方法，它包括以下步驟ⅰ)鑄成含有如前述任一項權(quán)利要求所限定的Mg和Si量的6XXX系列鋁合金坯料；ⅱ)由該坯料擠壓成最終產(chǎn)品形狀；及ⅲ)熱處理該擠壓產(chǎn)品，以使MgSi析出。
8．用6XXX系列鋁合金制造鍛件的方法，它包括如下步驟ⅰ)鑄成含有如權(quán)利要求1-6所限定的Mg和Si量的6XXX系列鋁合金坯料；ⅱ)由該坯料鍛成最終產(chǎn)品形狀；ⅲ)熱處理該合金，以使MgSi析出。
9．權(quán)利要求8的方法，它還包括用該坯料擠壓成中間產(chǎn)物形狀，然后鍛成最終產(chǎn)物的形狀。
全文摘要
公開一種含Mg和Si的6XXX系列鋁合金。該6XXX系列鋁合金的特征是,可用于形成MgSi析出物的Mg和Si是以Mg與Si之比在0.8∶1—1.2∶1間的值(以原子量計)存在。
文檔編號C22C21/02GK1233294SQ97196874
公開日1999年10月27日 申請日期1997年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月4日
發(fā)明者馬爾科姆·J·庫珀 申請人:科馬爾柯鋁制品有限公司