专利名称：含镁及硅的铝合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及含0.5-2.5重量％镁及硅合金混合物的铝合金，其Mg/Si摩尔比在0.70至1.25之间，硅添加量约等于合金中存在的Fe、Mn及Cr重量的1/3，其余量为铝、不可避免的杂质及其它合金剂，此合金在冷却后受到均质化、挤出前预热、挤出及时效的处理，其时效在最终温度160-220℃的范围内进行。
这种类型的合金在WO 95.06759中已有描述。按照该专利，时效是在温度150-200℃范围内进行，其加热速率在10-100℃/小时之间，优选在10-70℃/小时之间。并提出了另一种两步加热的方案，其中建议保持温度在80-140℃的范围，以使总加热速率处在上述特定范围内。
一般认为，Mg与Si的总量较高会对最终产品的机械性能产生有利影响，然而对铝合金却对可挤出性产生了不利的影响。以前曾有人预料，Al-Mg-Si合金中的硬化相组成接近于Mg2Si。但是，又认为过量的Si会形成较高的机械性能。
后来实验表明，其析出顺序相当复杂，除平衡相外，所涉及相都不含有化学计量比的Mg2Si。S.J.安德森(Andersen)等人在刊物(Actamater，Vol.46 No.9p.3283-3298，1998)中提出，Al-Mg-Si合金中有一个硬化相(hardening phase)接近于Mg5Si6的组成。
因此，本发明目的在于提供机械性能及可挤出性都较好的一种铝合金，该合金含有最低量的成合金剂及尽可能接近传统铝合金的一般组成。这个目的及其它目的可以达到，是因为对冷却后的挤出制品的时效实行了双速率时效操作，这种双速率时效操作包括以超过30℃/小时的加热速率加热该挤出件至100-170℃的温度范围的第一阶段，和以5至50℃/小时之间的加热速率加热该挤出件至160-220℃的最后保持温度范围的第二阶段，而且因为总时效周期进行时间在3-24小时的范围。
Mg/Si最佳比是可使所有的Mg及Si都转变成Mg5Si6相的Mg/Si比。Mg与Si的这种组合可耗费最少的成合金元素Mg及Si，产生最大的机械强度。据发现，最高挤出速度几乎与Mg/Si比无关。因此，由于Mg/Si比最佳而使达到某一强度要求所需的Mg与Si的总量最小，这种合金也因此具有最好的可挤出性。采用按照本发明的组合物，结合按照本发明的双速率时效方法，已使强度及可挤出性达到最大，总时效时间最短。
除该Mg5Si6相外，还有另一个硬化相，此相含有比Mg5Si6相中更多的Mg。但是，此相并不像Mg5Si6相那样有效，对机械强度也未达到像Mg5Si6相所给出那样多的贡献。由于Mg5Si6相富含Si，它很可能不含硬化相，Mg/Si比在5/6以下会不利。
低温下延长时间一般会增加形成较高密度的Mg-Si析出，可以说明双速率时效方法对机械强度的有利影响。如果整个时效操作都在这种低温度下进行，总时效时间又会超过实际极限，而且时效炉处理能力也会太低。而缓慢增加温度至最终时效温度，可使低温成核的大量析出物不断长大。结果由于时效温度低而总时效时间却又显著较短，析出物会很多及机械强度值很高。
二步时效虽也改善了机械强度，但由于从第一保持温度快速加热到第二保持温度，最小析出物的逆转概率会很大，硬化析出物会较少，并由此导致机械强度较低的结果。与正常时效法以及二段时效法相比，双速率时效方法还有另一个好处，就是缓慢的加热速率可保证负载物内较好的温度分布。负载物内挤出件的温度经历几乎与负载物尺寸、充填密度及挤出件壁厚无关。结果会是其机械性能比用其它类型时效方法的更协调。
与WO 95.06759中所述的从室温开始加热速率缓慢的时效方法相比，双速率时效实行从室温快速加热到100-170℃温度范围的方法，使总时效时间缩短。在中等温度下开始缓慢加热，所得强度几乎同样地好，如像从室温开始缓慢加热似的。
取决于所设想的强度级别，各种组成都可能包括在本发明一般范围内。
所以有可能使铝合金拉伸强度达到F19-F22的级别，硅的镁合金混合物量在0.60-1.10重量％之间。对于拉伸强度在F25-F27级别内的合金，有可能利用含镁与硅合金混合物0.80-1.40重量％的铝合金，对于拉伸强度在F29-F31级别的合金，有可能利用含镁与硅的合金混合物1.10-1.80重量％的铝合金。
优选地，并按照本发明，F19(185-220MPa(兆帕))级别的拉伸强度是通过含该合金混合物达0.60-0.80重量％的一种合金达到的，在F22(215-250MPa)级别的拉伸强度是通过含该合金混合物达0.70-0.90重量％的一种合金达到的，在F25(245-270MPa)级别的拉伸强度是通过含该合金混合物达0.85-1.15重量％的一种合金达到的，在F27(265-290MPa)级别的拉伸强度是通过含该合金混合物达0.95-1.25重量％的一种合金达到的，在F29(285-310MPa)级别的拉伸强度是通过含该合金混合物达1.10-1.40重量％的一种合金达到的，及在F31(305-330MPa)级别的拉伸强度是通过含该合金混合物达1.20-1.55重量％的一种合金达到的。
至于添加Cu，按照经验，每加0.10重量％的Cu会使机械强度提高10MPa，Mg与Si的总量可降低，而强度级别仍然相当于比单独添加Mg及Si的高的级别。
由于上述理由，Mg/Si摩尔比优选在0.75-1.25范围，更优选在0.8-1.0范围。
在本发明的一组优选实施方案中，最终时效温度至少165℃，更优选该时效温度最高205℃。在采用优选温度时，已发现使机械强度达到最大，同时总时效时间仍然保持在合理的极限内。
为了缩短双速率时效操作中的总时效时间，优选的是第一加热阶段在最高可能达到的加热速率下进行，而通常这取决于所提供的设备。因此优选的是在第一加热阶段采用至少100℃/小时的加热速率。
在第二加热阶段，由于总时间效率及合金最后的品质必须使加热速率最佳化。由于这个原因，第二加热速率优选至少7℃/小时和最多30℃/小时。在加热速率在7℃/小时以下时，总时效时间会长，而导致时效炉处理能力低的后果，而加热速率在30℃/小时以上时，其机械性能会比理想的低。
优选地，第一加热阶段在130-160℃范围结束，在这种温度下Mg5Si6相会充分析出，得到高机械强度的合金。第一阶段的终止温度较低，一般会导致总时效时间增长。优选总时效时间最多12小时。
为了获得在时效操作前几乎所有Mg及Si都进入固态溶液中的挤出制品，重要的是要控制挤出过程及挤出后冷却过程的参数。参数合适就可通过正常预热作到这一点。但是，采用EP 0302623中所述的所谓过热方法，它属于一种预热操作，是在挤出前的预热操作过程中使该合金加热至510-560℃的温度范围，然后冷却该金属坯段至正常挤出温度，这样就可保证所有加至合金中的Mg及Si是被溶解的。通过恰当地对挤出制品进行冷却，可保持Mg及Si溶解及供给时效操作中形成硬化析出物。
对于低合金组合物，只要挤出参数恰当，在挤出操作中可以达到Mg及Si的溶液化(solutionising)，而不会过热。但是，对于高合金组合物，正常预热条件并不总足以使所有Mg及Si进入固态溶中。在此情况下，过热可能会使该挤出过程更强固，而且在其压制成为型条时，始终会保证所有的Mg及Si都在固态溶液中。
通过以下对用按照本发明合金进行的许多检测的描述，其它特征及优点都会是清楚的。
实施例1将表1所列八种组成不同的合金，按6060合金标准铸块条件，铸造成为Ф95毫米金属坯段。以约250℃/小时的加热速率使该金属坯段均质化，在575℃下保持时间为2小时15分钟，均质化后的冷却速率为约350℃/小时。最后切割该圆材为长200毫米的金属坯段。表1
在800吨压榨机中施行挤出试验，该压榨机配有Ф100毫米的容器和挤出前对该金属坯段加热的感应电炉。
用于可挤出性实验的模具产生一种圆柱形杆条，其直径7毫米，两肋线宽0.5毫米及高1毫米，按相距180度固定。
为了取得型条机械性能的良好测定，用产生2*25平方毫米巴的一种模具进行单独测试。挤出前预热该金属坯段至约500℃。挤出后在无风下冷却型条，冷却时间约2分，直到温度降至250℃以下。挤出后拉伸该型条0.5％。时效前控制室温下的存放时间。借助于拉力测试方法获得机械性能。
这些合金的可挤出性测试全部结果示于表2及3中。
表2合金1-4的挤出试验
对于合金1-4，其Mg与Si总量大致相同，但Mg/Si比不同，在可比金属坯段温度下，断裂前最高挤出速度大致相同。
表3合金5-8的挤出试验
对于合金5-8，其Mg与Si的总量大致相同，但Mg/Si比不同，在可比的金属坯段温度下，其断裂前最高挤出速度大致相同。但是，通过对Mg与Si的总量较低的合金1-4号与合金5-8号的比较，合金1-4号的最高挤出速度一般较高。
在不同时效周期下时效的各种不同合金的机械性能示于表4-11中。
作为对这些表的解释，参考
图1，其中不同时效周期是用字母图解表示及区别的。在图1中，X轴表示总时效时间，Y轴表示所用温度。
此外，该不同列具有以下的意义总时间＝该时效周期的总时效时间。
Rm＝极限抗拉强度；Rpo2＝屈服强度；AB＝断裂伸长率；Au＝均匀伸长率。
所有这些数据都是用标准拉力试验方法获得的，所示数字均为挤出型条的二个平行样品的平均值。表4
表5
表6
表7
表8
表9
表10
表11
基于这些结果，给出以下注解。
合金-1在A-周期及总时间6小时的时效后，其极限抗拉强度(UTS)略低于180MPa。对于双速率时效周期，UTS数值较高，但在B周期5小时后仍然不超过190MPa，而在C周期7小时后为195MPa。对于D周期，UTS数值达到210MPa，但在总时效时间在13小时之前未达到此值。
合金-2在A-周期及总时间6小时的时效后，其极限抗拉强度(UTS)略超过180MPa。B周期5小时后UTS数值为195MPa，而C周期7小时后为205MPa。对于D周期，9小时后UTS数值达到约210MPa，12小时后达到约215MPa。
合金-3，它最接近于Mg5Si6系列富Mg侧，说明合金1-4的机械性能最高。在A周期后，总时间6小时后，UTS为190MPa。对于B周期5小时，UTS接近205MPa，C周期7小时后略超过210MPa。对于D时效周期9小时，UTS接近220MPa。
合金-4表明其机械性能低于合金-2及合金-3。A周期，总时间6小时后，UTS不超过175MPa。对于D时效周期10小时，UTS接近210MPa。
这些结果清楚表明，用最少的Mg与Si总量达到的最好机械性能的最佳组合物，接近于Mg5Si6系列富Mg侧。
对于Mg/Si比的另一重要方面是，低比例看来可在较短时效时间内获得最大强度。
合金5-8具有恒定的Mg与Si总量，即高于合金1-4的。与Mg5Si6系列相比，所有合金5-8处于Mg5Si6系列富Mg侧。
合金-5，离Mg5Si6系列最远，对于4个不同合金5-8，表现机械性能最低。合金-5在A周期及总时间6小时后的UTS数值为约210MPa。合金-8在相同周期后，UTS数值220MPa。对于C周期，总时间7小时，合金-5及-8的UTS数值分别为220及240MPa。对于D周期9小时，UTS约225及245MPa。
此外，由此可见，最高机械性能是用最接近于Mg5Si6系列的合金获得的。至于合金1-4，看来双速率时效周期的效果是最接近于Mg5Si6系列的合金的最好。
达到最大强度的时效时间，看来合金5-8的比合金1-4的更短。这正如所料，因为时效时间是随着合金含量增加而降低的。此外，对于合金5-8，看来合金8的时效时间多少比合金5的更短一些。
总延伸率值看来几乎与时效周期无关。在最大强度下，总延伸率值(AB)为约12％，尽管对于双速率的时效周期，其机械强度值较高。
实施例2实施例2说明由直接及过热的6061合金坯段型条的极限抗拉强度。将直接加热后的金属坯段加热至表中所示的温度，并以低于型条表面破坏前的最高速度的挤出速度对其挤出。在煤气加热炉中，预热该过热金属坯段，使之温度达到该合金溶解温度以上的温度，然后加以冷却，降温至表12所示的正常挤出温度。挤出后用水冷却该型条，并通过标准时效周期使之时效至最大强度。
表12由直接加热的及过热的AA6061合金坯段的型条在不同位置上的极限抗拉强度(UTS)
利用过热方法的，机械性能一般较高，而且比未过热的还更协调。此外，由于进行过热，其机械性能实际上与挤出之前的金属坯段的温度无关。这使得挤出过程对构成高而协调的机械性能方面更强固，使它有可能对低合金组合物进行操作，而对机械性能要求降低至较低的安全边际量。
权利要求
1.含镁与硅的合金混合物达0.5-2.5重量％的一种铝合金，其Mg/Si摩尔比在0.70-1.25范围，硅添加量约等于合金中存在的Fe、Mn及Cr重量的1/3，其余量为铝、不可避免的杂质及其它合金剂，该合金冷却后受到均质化、挤出前预热、挤出及时效处理，时效是在160-220℃的温度范围下进行的，其特征在于，对冷却后延伸产物的时效实行双时效速率操作，包括第一阶段，其中以30℃/小时以上的加热速率加热该挤出件至100-170℃的温度范围，和第二阶段，其中以5至50℃/小时之间的加热速率加热该挤出件至160-220℃的最终保持温度范围，以及在于总时效周期施行的时间在3-24小时范围。
2.按照权利要求1的铝合金，其特征在于该铝合金含0.60-1.10重量％的镁与硅的合金混合物，其拉伸强度属于F19-F22的级别。
3.按照权利要求1的铝合金，其特征在于它含0.80-1.40重量％的镁与硅的合金混合物，其拉伸强度属于F25-F27的级别。
4.按照权利要求1的铝合金，其特征在于它含1.10-1.80重量％的镁与硅的合金混合物，其拉伸强度属于F29-F31的级别。
5.按照权利要求2的铝合金，其特征在于它含0.60-0.80重量％的镁与硅的合金混合物，其拉伸强度属于F19的级别(185-220MPa)。
6.按照权利要求2的铝合金，其特征在于它含0.70-0.90重量％的镁与硅的合金混合物，其拉伸强度属于F22的级别(215-250MPa)。
7.按照权利要求3的铝合金，其特征在于它含0.85-1.15重量％的镁与硅的合金混合物，其拉伸强度属于F25级别(245-270MPa)。
8.按照权利要求3的铝合金，其特征在于它含0.95-1.25重量％的镁与硅的合金混合物，其拉伸强度属于F27的级别(265-290MPa)。
9.按照权利要求4的铝合金，其特征在于它含1.10-1.40重量％的镁与硅的合金混合物，其拉伸强度属于F29的级别(285-310MPa)。
10.按照权利要求4的铝合金，其特征在于它含1.20-1.55重量％的镁与硅的合金混合物，其拉伸强度属于F31的级别(305-330MPa)。
11.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于Mg/Si摩尔比为至少0.7。
12.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于Mg/Si的摩尔比为最多1.25。
13.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于最终时效温度为至少165℃。
14.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于最终时效温度为最多205℃。
15.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于在第一加热阶段的加热速率为至少100℃/小时。
16.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于在第二加热阶段的加热速率为至少7℃/小时。
17.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于在第二加热阶段的加热速率为最多30℃/小时。
18.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于第一加热步骤结束时，该温度是在130-160℃的范围。
19.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于总时效时间为至少5小时。
20.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于总时效时间最多12小时。
21.按照前述权利要求任一项的铝合金，其特征在于在挤出之前的预热过程中，该合金被加热到温度510-550℃范围，而后该合金被冷却至正常挤出温度。
全文摘要
含镁及硅的合金混合物0.5－2.5重量%的一种铝合金,其Mg/Si摩尔比在0.70－1.25范围,硅的添加量约等于合金中存在的Fe、Mn及Cr量的1/3,其余为铝、不可避免的杂质及其他合金剂,此合金在冷却后受到了均质化、挤出前预热、挤出及时效处理,其时效是在160－220℃的温度范围内进行。对挤出产物冷却后的时效实行双时效速率的操作,包括第一阶段,其中以30℃/小时以上的加热速率加热该挤出件至温度100－170℃的范围,和第二阶段,其中以5至50℃/小时之间的加热速率加热该挤出件至最终保持的温度160－220℃的范围,其中总时效周期施行的时间在3－24小时之间。
文档编号C22F1/05GK1334882SQ99816136
公开日2002年2月6日 申请日期1999年2月12日 优先权日1999年2月12日
发明者U·吞达, R·奥德文 申请人:挪威海德罗公开有限公司