改進的快削鍛造鋁合金產(chǎn)品及其制造方法
【專利摘要】一種鍛造鋁合金產(chǎn)品，其具有以下化學組成，以wt.％表示：-1.3％<Si<12％，-1.35<Fe<1.8％，其中總Fe+Si含量高于3.4％，優(yōu)選地3.6％；-0.15％<Cu<6％；-0.6％<Mg<3％；-任選地，以下元素中的一種或多種：-Mn<1％；-Cr<0.25％；-Ni<3％；-Zn<1％；-Ti<0.1％；-Bi<0.7％；-In<0.7％；-Sn<0.7％；其他元素各自<0.05％且總量<0.15％；-以及余量的鋁。優(yōu)選地，此產(chǎn)品由在525℃至580℃范圍內的溫度下均質化至少一小時的坯料擠出。此產(chǎn)品具有優(yōu)異的切削性和硬質陽極化處理后的非常低的粗糙度，可被用于制得改進的制動活塞體。
【專利說明】改進的快削鍛造鋁合金產(chǎn)品及其制造方法
[0001] 本發(fā)明涉及用于切削應用的、尤其是用于高速切削應用的鍛造鋁合金產(chǎn)品。本發(fā) 明還涉及從簡單的擠出產(chǎn)品得到的精密切削的零件的領域，主要是涉及條型或棒型零件， 其由AA6XXX鋁制成，所述AA6XXX鋁具有隨對于擠出和精密切削的適宜性而被優(yōu)化的化學 組成，并且所述AA6XXX鋁特別地不含具有低熔點并對環(huán)境和健康有害的元素（如鉛）或能 引起合金的金相結構的脆化的元素。
[0002] 除非特別指出，與合金的化學組成有關的所有的值以wt%表示。另外，除非特別指 出，使用定期出版的注冊記錄序列（Registration Record Series)中的由錯業(yè)協(xié)會定義的 名稱命名所涉及的所有鋁合金。
[0003] 精密切削涉及通過從由金屬制成的條或棒上去除材料以大規(guī)模制造一般為轉動 零件（螺釘、螺栓、輪軸等）的零件的領域。所述由金屬制成的條或棒通常通過由坯料 (billet)擠出而得到，尤其是在鋁合金的情況下。因此，所述零件是在人工或數(shù)控切削機床 上以高生產(chǎn)速度生產(chǎn)。這些零件被用于各種領域，從鐘表制造到醫(yī)療器械，到運輸（航空、 鐵路、汽車）及工業(yè)（電力、電子、水力…）領域。
[0004] 最終零件的生產(chǎn)率、表面粗糙度和尺寸精度是與這種加工類型相關的主要目標。 切削性可定義為從工件上去除金屬以得到成品的相對容易性。對于鋁合金，與切削性有關 的最重要的性能之一是所形成的切削屑的斷裂。如果切削屑不斷裂，可形成長的切削屑，所 述長的切削屑可引起很多問題，從得到不符合規(guī)格的產(chǎn)品到很難從切削后的工件上清除切 削屑。
[0005] 直至前不久，加入了如鉛、錫、銦和鉍的元素，這是因為它們形成的相能夠有效地 使切削屑斷裂。一種用于快削應用的常規(guī)合金是AA6262,其含有高含量的鉛和鉍。如鉛和 鉍的元素，由于它們在鋁中的低固溶度和它們的低熔點，它們由于切削操作引起的加熱而 熔化并因此在鋁基體中形成軟區(qū)。由于硬基體中的軟區(qū)，小尺寸的切削屑在切削或精密切 削操作過程中容易斷裂，因此允許材料的快速去除和因此的高切削生產(chǎn)率，由于斷裂的切 削屑疏散了大量的熱，因此也防止了零件的最終表面粗糙度的可能的惡化。
[0006] 然而，由于與鉛的存在有關的毒性問題，歐洲法越來越限制合金中如鋁合金，尤其 是意在用于精密切削的合金中的容許量。近期調整的限制將鋁合金的鉛濃度限制至0.4%。 數(shù)年來，精密切削的合金類型被建議為具有低鉛含量，甚至為無鉛。他們的組成是基于存在 也具有低熔點的替代元素，如錫、鉍或銦。然而，這些合金在精密切削過程中未展現(xiàn)與含鉛 的合金完全相同的性能。而且，由于由替代元素形成的低熔點的相引起晶界的完全潤濕，這 些合金有時出現(xiàn)脆化的問題。該脆化發(fā)生于未實施充分冷卻的切削過程中。
[0007] 國際專利申請W02005/100623公開了用于切削或高速切削應用的快削鍛造的 AlMgSi合金產(chǎn)品，優(yōu)選地為擠出的形式，其含有以重量％計41 0. 6-2. 0、Fe 0. 2-1.0、Mg 0? 5-2. 0、Cu 最高 1. 0、Mn 最高 1. 5、Zn 最高 1. 0、Cr 最高 0? 35、Ti 最高 0? 35、Zr 0? 04-0. 3、 每種雜質最高0.05、雜質總量最高0. 15、A1余量。
[0008] 日本專利申請JP9249931公開了 一種鋁合金，其具有由以質量計的1.5-12. 0 % Si、0. 5-6. 0% Mg、0. 01-0. 1 % Ti和余量的A1以及不可避免的雜質組成的組成，并且，如果 需要，其含有以質量計的〇. 5-2. 0% Mn和0. 1-1. 0% Cu之一或兩者，或者0. 5-1. 0% Fe、 0? 1-0. 5% Cr 和 0? 1-0. 5% Zr 中的一種或多種。
[0009] 美國專利US6059902公開了鋁合金擠出產(chǎn)品，其含有：Si :1. 5-12%、Mg :0? 5-6% 和，任選地，Mn :0. 5-2%、Cu :0. 15-3 %和Cr :0. 04-0. 35 %中的至少一種，并且，另外含有 Ti :0. 01-0. 1%、不可避免的雜質和余量的鋁，其中，Si系化合物的二次相硬顆粒的平均晶 粒尺寸為2至20 y m，并且其面積比為2至12%。熔化所述合金以得到DAS (枝晶臂間距） 為10至50 y m的鑄造坯料，然后在450至520°C浸泡處理所述坯料，然后進行擠壓處理。
[0010] 國際專利申請W02010/112698公開了由鋁合金制成的快削的擠出產(chǎn)品，所述鋁合 金具有以下化學組成，以wt%表示：0.8彡Si < 1.5%;L0<Fe彡1.8%;Cu :<0? l%;Mn : < 1% ;Mg :0? 6-1. 2% ;Ni :< 3. 0% ;Cr :< 0? 25% ;Ti :< 0? 1% ;其他元素各自 < 0? 05%， 總量< 0. 15%，余量為鋁。
[0011] 然而，這些最近開發(fā)的合金在精密切削應用中沒有顯示出如之前的含鉛合金一樣 好的結果，特別是在切削屑斷裂方面。
[0012] 因此，仍然希望得到無Pb的快削的鍛造合金產(chǎn)品，其具有與含鉛的合金AA6262或 AA2011制成的那些產(chǎn)品相似的性能，即防止在快削過程中形成長的切削屑，具有合適的機 械性能和抗腐蝕性，并適合進行陽極化處理。
[0013] 本發(fā)明的第一個目的是由具有以下化學組成的鍛造鋁合金制成的擠出產(chǎn)品，以 wt1%表不：
[0014] -1. 3%^ Si ^ 12%,
[0015] -1. 35%^ Fe ^ 1. 8%,
[0016] 其中Fe+Si的總量高于3. 4%，優(yōu)選地3. 6% ;
[0017] -0. 15%^ Cu ^ 6% ；
[0018] -0. 6%^ Mg ^ 3% ；
[0019] _任選地，以下元素中的一種或多種：
[0020] -Mn ^ 1 % ；
[0021] -Cr ^ 0. 25% ；
[0022] -Ni ^ 3% ；
[0023] -Zn ^ 1 % ；
[0024] -Ti ^ 0. 1% ；
[0025] -Bi ^ 0. 7% ；
[0026] -In ^ 0. 7% ；
[0027] -Sn ^ 0. 7% ；
[0028] -其他元素各自彡0.05%且總量彡0. 15% ;
[0029] -以及余量的鋁。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明，所述鍛造合金產(chǎn)品具有高于1. 3wt%的Si含量，以提高合金產(chǎn)品的 強度和硬度并增加含Si的金屬間顆粒的量，兩者共同提高切削性，這是因為切削屑更易折 斷并斷裂。優(yōu)選地，Si含量顯著高于1.3wt%。有利地，Si含量高于1.55%。然而，硅含 量過高將導致粗菱形立方-F晶格相顆粒的沉淀，所述沉淀導致較差的擠出性并提高均質 化過程中的二次相顆粒的初始熔化的風險。有利地，Si含量低于12% (接近低共熔含量） 并優(yōu)選地低于5wt%。
[0031] 所述鍛造合金產(chǎn)品具有高于1. 35wt%的Fe含量，其形成含鋁的發(fā)揮使切削屑斷 裂作用的硬金屬間相。Fe含量控制促進短的切削屑的形成的二次相顆粒的量。Fe含量優(yōu) 選地高于1. 55%但低于1. 8%，以防止坯料的鑄造過程中的降低擠出性的初級含鐵相的形 成。更優(yōu)選地，F(xiàn)e含量在1. 7wt%和1. 8wt%之間。
[0032] 即使已知如硅和鐵的成分可提高鋁合金的切削性，但兩者的結合并非是提倡的： 在高Si含量的情況下，F(xiàn)e含量不應高于1 % (JP9249931);在高Fe含量的情況下，Si含量 不應高于1.5% (W02010/112698)。在本發(fā)明的設計中， 申請人:發(fā)現(xiàn)將高Si含量和高Fe含 量結合以使Fe+Si彡3. 4%，優(yōu)選地彡3. 6%可得到一種仍然容易擠出的鋁合金，并且得到 具有好的切削性，即防止快削過程中形成長的切削屑、具有高機械性能和抗腐蝕性的擠出 產(chǎn)品，條件是此含量不是太高，最大含量取決于其他成分的量，這有助于金屬間相的形成。 考慮到這些其他成分的可能的含量范圍，有利地，（Si+Fe)含量低于8wt%，且更優(yōu)選地低 于 7wt%。
[0033] 所述鍛造合金產(chǎn)品具有高于0. 6%的Mg含量：Mg的存在提高了合金的強度并增加 了含Mg的金屬間顆粒的量，這進一步提高了切削性，這是因為切削屑更易折斷并斷裂。Mg 含量可為〇. 6-3wt%。Mg含量的限定優(yōu)選地與Si含量相關：硅含量越高，鎂含量必須越高， 以降低均質化過程中二次相顆粒的初始熔化的風險。然而，太高的鎂含量對擠出性和工具 磨損不利。因此，優(yōu)選〇. 6-2wt%的鎂含量，同時Si含量低于5wt%。
[0034] 銅也顯著提高合金產(chǎn)品的強度。本發(fā)明的鍛造產(chǎn)品的合金含有最低為0. 15wt %含 量的銅。Cu、Si和Mg的同時存在致使合金具有提高的強度和降低的韌性，這改善了切削屑 的可斷裂性和形狀。優(yōu)選地，銅含量高于0.65%但由于銅對擠出性的不利影響而低于6%， 優(yōu)選地低于1%。
[0035] 錳為可選的成分。其與其他元素形成硬的金屬間相，所述硬的金屬間相發(fā)揮使切 削屑斷裂的作用。Mn還形成提高合金的強度的精細的分散體。然而，太高的Mn含量賦予擠 出產(chǎn)品在陽極化后的不理想的和不穩(wěn)定的方面。因此，本發(fā)明的合金含有最高lwt%的Mn。 與鐵結合，錳形成粗大的初始相顆粒，其尺寸一般為50-100 y m，這導致合金的延展性的顯 著損失。因此，F(xiàn)e+Mn含量優(yōu)選地低于1. 9wt%。
[0036] 鎳也是一種可選的成分。如錳一樣，鎳參與促進精密切削或線切削過程中切削屑 的斷裂的二次相顆粒的形成。鎳含量被限定至3%，以防止具有脆化效應的初始相的形成。 有利地，鎳含量低于lwt%。
[0037] 所述鍛造合金產(chǎn)品任選地具有最高lwt %的Zn含量。尤其是與Mg和/或Cu結 合，Zn提高合金產(chǎn)品的強度。
[0038] 鍛造合金產(chǎn)品還可含有鉍、錫或銦。如鉛一樣，這些元素可形成具有低熔化溫度的 軟相。在切削屑的形成過程中，這些軟相形成材料中的缺陷（weakness spot)致使切削屑 更易斷裂。在本發(fā)明中，Bi、Sn或In的含量低于0.7%。然而，它們優(yōu)選地以足夠低的含 量存在于合金中，從而這些元素與其他元素結合以形成發(fā)揮使切削屑斷裂的作用的金屬間 相，這防止具有低熔化溫度的軟相的形成。在一個優(yōu)選實施方式中，這些元素中的至少一個 的含量略高于〇. 〇5wt %且低于0. 4wt %。
[0039] 鉻也可與其他具有有限的使切削屑斷裂的作用的元素形成硬的金屬間相。鉻也形 成精細的分散體，其提高合金的強度。鉻是一種抗再結晶元素，其可形成類似錳二次相的影 響合金的晶粒結構的二次相。由于其對擠出性的不利影響，其含量保持在低于0. 25wt%。 優(yōu)選的Cr含量在0. lwt%和0. 2wt%之間。鉻與鐵和/或猛結合也可形成粗大的初始相顆 粒，所述粗大的初始相顆粒導致合金的延展性的顯著損失。因此，F(xiàn)e+Mn+Cr含量優(yōu)選地低 于2. lwt%，更優(yōu)選地低于2. Owt%。
[0040] 鈦促進初始鋁的晶粒細化并影響上述二次相的分布。其作為具有鑄造狀態(tài)微結構 的晶粒細化劑被添加，其含量最高可達〇. lwt%。在晶粒細化的鋁鍛造合金領域所熟知的， Ti可連同或作為TiB2和/或TiC被添加。由于鈦對擠出性的不利影響，其含量被限制至 0? 1%。
[0041] 本發(fā)明的另一個目的是一種制造快削的鍛造鋁合金產(chǎn)品的方法，所述方法包含以 下步驟：
[0042] (i)鑄造由具有上述化學組成的合金制成的坯料；
[0043] (ii)在525°C至580°C范圍的溫度下，優(yōu)選地在535°C與555°C之間均質化所述鑄 造述料至少一小時；
[0044] (iii)擠出所述均質化的坯料；
[0045] (iv)在高于500°C的溫度下對所述擠出產(chǎn)品進行溶液熱處理，隨后進行淬火，優(yōu) 選水淬火，且溶液熱處理可借由擠出過程產(chǎn)生的熱完成或通過使用單獨的熱處理爐進行控 制；
[0046] (V)對所述擠出并淬火的產(chǎn)品的合金進行老化。
[0047] 借由所述方法，其中均質化在提高的溫度下、通常地于545 °C下進行5或6小時，所 述擠出產(chǎn)品具有與具有相同的幾何形狀和相同的回火的AA6262擠出棒材的機械性能相似 的機械性能。通過直接擠壓或通過間接擠壓在約500°C下，優(yōu)選地于480°C和520°C之間預 加熱坯料并采用20左右，優(yōu)選地10和50之間的擠出率和10m/min左右，優(yōu)選地5和30m/ min之間的擠出速度擠出所述坯料而獲得所述擠出產(chǎn)品。
[0048] 通過上述方法得到的擠出產(chǎn)品包含二次相硬顆粒，所述二次相硬顆粒具有低于 2 ii m的平均晶粒尺寸，通常地在1 ii m和2 ii m之間，以及5 %和15 %之間的面積比。所述二 次相硬顆粒有助于合金的高機械性能并有助于切削屑斷裂，這可能是由于存在大量的通過 阻止位錯的滑移而發(fā)揮固定點（anchoring spot)作用的金屬間顆粒，導致了促進切削屑斷 裂的空腔的形成。已得到擠出產(chǎn)品的最優(yōu)結果，即使Cu含量低于1. 4wt%，所述擠出產(chǎn)品在 適當?shù)睦匣幚砗笠簿哂懈哂?00MPa的最終抗拉強度。
[0049] 本發(fā)明的另一個目的是本發(fā)明的鍛造鋁合金產(chǎn)品的用途，其中通過采用任意加工 金屬切削操作來切削所述鍛造鋁合金產(chǎn)品，并隨后對其進行硬質陽極化以使其通常地具有 低粗糙度的約30 y m的陽極化層，其陽極化表面的粗糙度Rmax優(yōu)選地低于4 y m、更優(yōu)選地 低于3 y m，以特別地得到改進的制動活塞體。
[0050] 的確， 申請人:注意到，本發(fā)明的鍛造鋁合金產(chǎn)品在陽極化后具有極好的表面粗糙 度，顯著優(yōu)于由重質的不含金屬的快削合金制成的已知產(chǎn)品陽極化后的表面粗糙度。由于 本發(fā)明的鍛造鋁合金產(chǎn)品的極好的機械性能、切削性和在陽極化后具有低表面粗糙度的優(yōu) 異傾向，其特別推薦用于制動活塞體的生產(chǎn)。
[0051] 由陽極化引起的表面粗糙度取決于多個參數(shù)，其中有陽極化前的表面粗糙度、陽 極化方法和待陽極化的合金，尤其是存在于其微結構中的相的分布、尺寸和化學特性。應用 之一是制動活塞體的制造，對其而言陽極化的表面粗糙度非常重要。制動活塞體是通常地 由鍛造鋁條通過切削成需要的形狀，通常地為圓柱形狀而制得的零件。隨后，高性能制動活 塞體被硬質陽極化以得到約30 y m的厚度的陽極化層。
[0052] 申請人:發(fā)現(xiàn)，由本發(fā)明的合金擠出、然后被切削并被硬質陽極化的制動活塞體具 有的粗糙度類似于、甚至略優(yōu)于先前的含重質金屬的快削合金的粗糙度，并且優(yōu)于已知的 無重質金屬的快削合金的粗糙度。
[0053] 以下實施例有助于更好地理解本發(fā)明，然而這些實施例對本發(fā)明沒有任何限制作 用。 實施例
[0054] 實施例1 :
[0055] 采用直冷（DC)鑄造法鑄造了 6種合金以形成具有120mm的直徑的2. 5-3. 2m的棒 材。這些合金的組成列于表I中。
[0056]
【權利要求】
1. 一種鍛造鋁合金產(chǎn)品，其具有以下化學組成，以重量％ (Wt. % )表示： -1. 3%^ Si ^ 12%, -1. 35 ^ Fe ^ 1. 8% 其中總？6+51含量高于3.4%，優(yōu)選地3.6%; -0. 15%^ Cu ^ 6% ； -0. 6%^ Mg ^ 3% ； -任選地，以下元素中的一種或多種： -Mn d -Cr ^ 0. 25% ； -Ni ^ 3% ； -Zn ^ 1 % ； -Ti ^ 0. 1% ； -Bi ^ 0. 7% ； -In ^ 0. 7% ； -Sn ^ 0. 7% ； -其他元素各自〈〇. 05%且總量〈0. 15% ; -以及余量的鋁。
2. 權利要求1的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其特征在于，總Fe+Si+Cu含量高于4wt. %。
3. 權利要求1或2的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其特征在于，F(xiàn)e含量等于或高于1. 55wt. %。
4. 權利要求1至3中任一項的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其特征在于，Si含量等于或高于 1. 55wt. %。
5. 權利要求1至4中任一項的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其中，Si含量低于5wt. %。
6. 權利要求1至5中任一項的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其中，以wt. %表示的Fe含量為1.7% 〈Fe 彡 1. 8%。
7. 權利要求1至6中任一項的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其中，以wt. %表示的Cu含量高于 0· 65%。
8. 權利要求1至7中任一項的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其中，Bi含量在0.05wt. %和0.4wt. % 之間。
9. 權利要求1至8中任一項的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其中，Sn含量在0. 05wt. %和0. 4wt. % 之間。
10. 權利要求1至9中任一項的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其中，F(xiàn)e+Mn含量低于1. 9wt. %。
11. 權利要求1至10中任一項的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其中，F(xiàn)e+Mn+Cr含量低于2. lwt. %， 優(yōu)選地低于2. Owt. %。
12. -種制造快削鍛造鋁合金產(chǎn)品的方法，其包含以下步驟： (i) 鑄造由具有權利要求1至11中任一項的化學組成的合金制成的坯料； (ii) 在525°C至580°C范圍內，優(yōu)選地535°C和555°C之間的溫度下均質化所述鑄造坯 料至少一小時； (iii) 擠出所述均質化的坯料； (iv) 在高于500°C的溫度下對所述擠出產(chǎn)品進行溶液熱處理，隨后進行淬火，優(yōu)選水 淬火，且溶液熱處理可借由擠出過程產(chǎn)生的熱完成或通過使用單獨的熱處理爐進行控制； (V)對所述擠出并淬火的產(chǎn)品的合金進行老化。
13. 權利要求12的制造方法，其特征在于，所述經(jīng)老化的擠出產(chǎn)品包含平均晶粒尺寸 小于2μ--，通常地在Ιμ--和2μπ?之間且面積比在5%和15%之間的二次相顆粒。
14. 權利要求12或13的制造方法，其特征在于，所述鋁合金的Cu含量低于1. 4wt. %， 并且所述經(jīng)老化的擠出產(chǎn)品的最終強度高于400MPa。
15. 權利要求1至11中任一項的鍛造鋁合金產(chǎn)品或通過權利要求12至14中任一項的 方法制成的鍛造鋁合金產(chǎn)品的用途，其中，所述鍛造鋁合金產(chǎn)品被切削并隨后被硬質陽極 化以得到制動活塞體。
【文檔編號】C22F1/05GK104284991SQ201380025412
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年5月15日 優(yōu)先權日:2012年5月15日
【發(fā)明者】R·沙哈尼, L·多萊加, I·科拉里克 申請人:肯聯(lián)鋁業(yè)機床杰欽有限公司