專利名稱：鋁合金及鋁合金制高強度螺栓的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用作高強度構件的原料的鋁合金和使用該種合金形成的各種構件，例如鍛造零件、緊固用零件、特別是具有450MPa以上的強度的鋁合金制高強度螺栓。
背景技術：
近幾年，對汽車的燃料經濟性提高的需求日益增加，為了提高燃料經濟性，要求各構件輕型化。作為輕型化的具體方案，將鋼制零件替換成鋁合金、鎂合金等輕合金是有效的。例如在將發動機和變速箱等鎂合金化而謀求輕型化時，從防止電蝕、輕型化的觀點出發，對于用于固定這些發動機和變速箱等的緊固構件(螺栓等)，最好也從鋼改為鋁合金。作為該種鋁合金制的緊固構件，公知對6000系鋁合金(Al-Mg-Si系)進行鍛造而成的高強度鋁合金制螺釘(例如參照專利文獻1)。專利文獻1 日本特許第3939414號公報但是，在專利文獻1所公開的那樣的6000系鋁合金制螺釘中，室溫的抗拉強度為 400MPa左右，耐熱強度也比鋼制螺栓低，因此需要增大螺栓尺寸或增加緊固點的數量等，以進行應對。另一方面，在利用現有的7000系鋁合金(Al-Zn系)制造了螺栓的情況下，室溫強度能夠獲得500MPa以上，但是耐熱性比6000系合金低，而且對應力腐食裂紋的敏感性也較高，因此需要對表面進行鋁陽極化處理(alumite treatment)等對策，存在成本增加的問題。

發明內容
本發明是著眼于螺栓等緊固構件所代表的以往的鋁合金制構件中的上述問題而完成的，其目的在于，提供一種用于獲得作為汽車零件具有充分的耐熱性、抗拉強度和耐應力腐食裂紋性的構件的鋁合金。另外，其目的還在于，提供由該種鋁合金形成的各種構件， 例如對上述合金進行鍛造而成的鍛造零件、鋁合金制的高強度螺栓。本發明人為了達到上述目的，對合金成分、熱處理方法等反復進行了潛心研究，結果發現通過將Si、Fe、Mn、Zr、V等合金成分的含量分別限定在特定范圍內，能夠達到上述目的，由此完成了本發明。即，本發明是基于上述見解的發明，本發明的鋁合金的特征在于，以質量比計含有 1.0% 1.7%&Si、0. 05% 0. 5% 的 Fe、0. 8% 1. 5 % 的 Cu、0. 6 % 1.2% 的 Mn、 0. 9% 1. 5% 的 Mg、0. 05% 0. 5% 的 Ζη、0. 05% 0. 3% 的 Zr 以及 0. 01% 0. 2% 的 V， 依據需要含有大于0且為0. 05%以下的Ti，進一步依據需要含有大于0且為0. 7%以下的 Ni，余量由Al和不可避免的雜質構成。另外，本發明的鍛造零件和鋁合金制高強度螺栓的特征均在于，由本發明的上述鋁合金形成，上述高強度螺栓的特征在于，具有450MPa以上的抗拉強度。采用本發明，由于分別在特定的范圍內添加了鋁合金的成分元素，特別是Si、Fe、 Mn、Zr、V等，因此通過實施適當的熱處理，能夠獲得耐熱性、抗拉強度和耐應力腐食裂紋性優異的鋁合金制的鍛造零件、高強度螺栓等。


圖1是表示在本發明的實施例中用于評價螺栓性能的螺栓形狀·尺寸的說明圖。圖2是表示在本發明的實施例中用在螺栓的應力腐食裂紋試驗中的治具(jig)的形狀 尺寸的說明圖。圖3是表示本發明的實施例中的螺栓的應力腐食裂紋試驗要點的說明圖。圖4是表示本發明的一實施方式中的鍛造零件的應用例的示意說明圖。
具體實施例方式下面，關于本發明的鋁合金、由該合金形成的零件，連同合金成分的作用、這些合金成分的限定理由而一并進一步詳細說明。另外，在本說明書中，只要沒有特別記載，則 “％ ”表示質量百分率。鋁合金(I)Si 含量1. 0% 1. 7%Si(硅)是本發明的合金的主要元素之一，與Mg、Cu—起有助于提高室溫強度。利用人工時效處理使Mg2Si析出，提高強度，但當Si的含量大于1. 7%時，會使耐應力腐食裂紋性、耐腐蝕性下降。另一方面，當Si的含量低于1. 0%時，不能發揮上述功能， 則鋁合金的強度會不夠。(2) Fe 含量:0· 05% 0. 5%Fe (鐵)是與Mn、Al、Ni等形成化合物而有助于提高耐熱性、加工性的成分。當Fe的含量低于0. 05%時，不能獲得提高耐熱性、加工性的效果，而缺乏耐熱性。 另一方面，當大于0. 5%地過度添加Fe時，耐腐蝕性會下降。另外，會產生粗大的夾雜物，而對該鋁合金的拉伸特性、加工性也產生不良影響。(3)Cu 含量0. 8% 1. 5%Cu(銅)是和Si、Mg 一起有助于提高室溫強度的元素，但當Cu的含量低于0. 8% 時，不能獲得添加的效果，則鋁合金的強度會不夠。反之當Cu的含量高于1.5. %時，在固溶處理時容易過燒，除此之外合金的耐腐蝕性、鍛造加工性也會下降。(4)Mn 含量0· 6% 1. 2%Mn(錳)是幫助固溶強化的元素。另外，Mn也與Fe等形成化合物(例如 Al-Fe-Mn-Si系)而有助于提高耐熱性、加工性。而且，具有提高與鍛造時的模之間的耐粘著性的效果。在Mn的添加量低于0. 6 %的情況下，不能發揮上述效果，不僅無法獲得期望的強度，而且在鍛造時容易與模之間發生粘著。另一方面，在Mn的添加量高于1.2%時，會產生粗大的夾雜物(MnAl6等)，而對拉伸特性(特別是伸長率)、加工性產生不良影響。(5)Mg 含量0· 9% 1. 5%
Mg(鎂)是與Si、Cu—起有助于提高室溫強度的元素，但是在Mg的含量低于0.9% 時，不能充分地獲得添加的效果，強度會不夠。另一方面，在Mg的含量高于1. 5%時，不利于強度提高的粗大的析出物會變多，耐應力緩和性、耐腐蝕性和加工性會下降。(6) Zn 含量0· 05% 0. 5%Zn(鋅)是利用Al-Mg-Si系粒子的時效析出而有助于強化合金的元素。另外，雖然ai能夠提高電鍍等的表面處理性，但是在過量地添加ai時，耐腐蝕性會下降，而且強度也會受影響，因此需使Si在0. 05% 0. 5%的范圍內。(7) Zr 含量0. 05% 0. 3%Zr(鋯)具有防止熱處理時的晶粒的粗大化、穩定晶粒直徑的效果，但是在^ 的添加量少于0. 05%時，不能充分地發揮防止粗大化的效果，因晶粒的粗大化而使拉伸特性和耐應力腐食裂紋性下降。另一方面，在&的添加量高于0. 3%時，粗大的夾雜物會成長，則加工性和拉伸特性會下降。(8)V 含量0· 01% 0. 2%V(釩)與Al等形成化合物而提高耐熱性。并且，V具有如下優點，即，通過添加V 而產生的對耐應力腐食裂紋性的不良影響較小。在V的添加量少于0. 01 %的情況下，不能充分地獲得提高耐熱性的效果。反之在 V的添加量高于0. 2%時，會生成粗大的夾雜物，則耐腐蝕性、鑄造性和加工性會下降。(9)Ti含量大于0%且在0.05%以下Ti (鈦)與^ 相同，也是有效防止晶粒的粗大化的元素，因此是能以同樣的目的依據需要而添加的任意成分。但是，在過量地添加Ti時，加工性和拉伸特性會下降，因此即使要添加，也需使 Ti的含量在0.05%以下的范圍內。另外，為了獲得晶粒的充分的微細化效果，最好添加 0. 01%以上的Ti。(IO)Ni含量大于0%且在0.7%以下Ni (鎳)是與Al、Fe等形成化合物而提高耐熱性的元素，因此是能以這樣的目的依據需要而添加的任意成分。但是，大于0. 7%的過量添加會使M成為粗大的夾雜物，對耐應力腐食裂紋性、拉伸特性和加工性也產生不良影響，因此即使要添加，也需要將Ni的含量抑制在0. 7%以下。 另外，為了發揮充分的提高耐熱性的效果，最好添加0.01%以上的附。本發明的鋁合金的熱處理方法沒有特別限定，例如可以實施T6處理(固溶處理一人工時效處理)、T8處理(固溶處理一加工一人工時效處理)、Τ9處理(固溶處理一人工時效處理一冷加工)，而能夠形成為具有450ΜΡ a以上的抗拉強度，且耐熱性、耐拉伸特性、耐應力緩和特性和耐應力腐食裂紋性也優異的零件。另外，除此之外，如果是作為鋁合金的熱處理而公知的T5處理、T7處理、TlO處理等含有人工時效處理的熱處理的話，可以通過適當地選擇熱處理·加工的條件來獲得高強度。本發明的鋁合金例如可以用作各種軋制板材、異型截面的擠出材料。
由鋁合金形成的鍛造零件另外，作為鍛造零件例如汽車用的鍛造零件，可以較佳地用在懸掛梁等的車身零件、發動機、變速器中的各種支架類以及發動機的油盤、各種殼體 蓋類緊固用的螺栓中，也可以較佳地用在用于緊固變速器、電動車和混合動力車用電動機的殼體等的螺栓、螺釘、螺母等中。另外，本發明的鍛造零件的鍛造方法沒有特別限定，例如也包含400°C 500°C左右的溫度下的熱鍛、螺栓的鐓鍛加工那樣的冷鍛在內。這些零件能夠采用通常的方法容易地進行制造，并且通過實施上述那樣的熱處理，這些零件會作為汽車零件發揮充分的耐熱性、拉伸特性和耐應力腐食裂紋性，因此能夠有助于實現車輛的輕型化。另外，由于這些零件顯示出較高的耐應力緩和特性，因此也能較佳地用在發動機、變速器、電動機等放置在高溫環境中的零件中。特別是在采用了鎂合金作為發動機、變速箱的情況下，當使用本發明的鋁合金制的高強度螺栓時，不僅能夠有效地防止電蝕，而且與以往的鋁制螺栓相比，還能夠減少緊固根數或減小螺栓的尺寸。圖4是表示本發明的鍛造零件的一實施方式的示意圖。附圖標記1表示設于汽車用發動機的鋁合金(例如ADC12)制缸體的、油盤安裝用的內螺紋部。附圖標記2表示設于耐熱鎂合金(例如MRI153、AE44合金)制油盤的座面部。在本實施方式中，作為本發明的鍛造零件的鋁合金制螺栓3通過貫穿油盤的座面部2而與缸體的內螺紋部1螺紋接合，從而緊固油盤和缸體。該鋁合金制螺栓3由本發明的鋁合金形成，且實施了上述的熱處理，典型地為T6處理(固溶處理一人工時效處理)、T8 處理(固溶處理一加工一人工時效處理)、Τ9處理(固溶處理一人工時效處理一冷加工)。在本實施方式中，鋁合金制螺栓3發揮充分的耐熱性、拉伸特性和耐應力腐食裂紋性，因此能夠有助于實現發動機的輕型化。另外，即使在發動機的油盤部這樣的高溫環境下，該鋁合金制螺栓3也能顯示出較高的耐應力緩和特性。另外，該鋁合金制螺栓3能夠防止電蝕，并且與采用以往的鋁制螺栓的情況相比，能夠減少緊固根數或避免螺栓的尺寸增加。另外，本發明并不限定于本實施方式的結構。例如也可以利用鎂合金制成座面部 2和內螺紋部1，或在溫度上升較少的部位使用AZ91D等通用鎂合金。實施例下面，根據實施例進一步詳細說明本發明，但本發明并不限定于這些實施例。(1)拉絲性在利用電爐溶解表1所示的組成的鋁合金后，鑄造成直徑為155mm的鋼坯，對獲得的鑄錠實施X4小時的均質化處理。接著，在450°C 500°C的溫度下進行擠出加工，獲得了直徑為13mm的圓棒。評價了獲得的各圓棒的拉絲性。表 權利要求
1.一種鋁合金，其特征在于，該鋁合金以質量比計含有1. 0% 1. 7%的Si、0. 05% 0. 5%的Fe、0. 8% 1. 5%的 Cu、0. 6%~ 1. 2% 的 Μη、0· 9%~ 1. 5% 的 Mg、0. 05% 0. 5% 的 Ζη、0· 05% 0. 3% 的 Zr 以及0. 01% 0. 2%的V，余量由Al和不可避免的雜質構成。
2.—種鋁合金，其特征在于，該鋁合金以質量比計含有1. 0% 1. 7%的Si、0. 05% 0. 5%的Fe、0. 8% 1. 5%的 Cu、0. 6% 1. 2% 的 Μη、0. 9% 1. 5% 的 Mg、0. 05% 0. 5% 的 Ζη、0. 05% 0. 3% 的 Zr、 0. 01% 0. 2%的V以及大于0且在0. 05%以下的Ti，余量由Al和不可避免的雜質構成。
3.—種鋁合金，其特征在于，該鋁合金以質量比計含有1. 0% 1. 7%的Si、0. 05% 0. 5%的Fe、0. 8% 1. 5%的 Cu、0. 6% 1. 2%的 Μη、0. 9% 1. 5%的 Mg、0. 05% 0. 5%的 Ζη、0. 05% 0. 3%的 Zr、 0. 01% 0. 2%的V、大于0且在0. 05%以下的Ti以及大于0且在0. 7%以下的Ni，余量由 Al和不可避免的雜質構成。
4.一種鍛造零件，其特征在于，該鍛造零件由權利要求1 3中任意一項所述的鋁合金形成。
5.一種鋁合金制高強度螺栓，其特征在于，該鋁合金制高強度螺栓由權利要求1 3中任意一項所述的鋁合金形成，其抗拉強度為450MPa以上。
全文摘要
本發明提供一種用于獲得作為汽車零件具有充分的耐熱性、抗拉強度和耐應力腐食裂紋性的構件的鋁合金及將該種鋁合金鍛造而成的鍛造零件、鋁合金制高強度螺栓。使鋁合金組成(以質量比計)含有1.0％～1.7％的Si、0.05％～0.5％的Fe、0.8％～1.5％的Cu、0.6％～1.2％的Mn、0.9％～1.5％的Mg、0.05％～0.5％的Zn、0.05％～0.3％的Zr以及0.01％～0.2％的V，依據需要含有大于0且在0.05％以下的Ti，進一步依據需要含有大于0且在0.7％以下的Ni，余量由Al和不可避免的雜質構成。
文檔編號C22C21/02GK102482737SQ20108003924
公開日2012年5月30日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年3月15日
發明者源島文彥 申請人:日產自動車株式會社