鋁合金及鋁合金制高強(qiáng)度螺栓的制作方法
【專利說明】f呂合金及鍋合金制高強(qiáng)度螺栓
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年12月14日、申請(qǐng)?zhí)枮?01080039246. X、發(fā)明名稱為"鋁 合金及鋁合金制高強(qiáng)度螺栓"的申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種用作高強(qiáng)度構(gòu)件的原料的鋁合金和使用該種合金形成的各種構(gòu) 件，例如鍛造零件、緊固用零件、特別是具有450MPa以上的強(qiáng)度的鋁合金制高強(qiáng)度螺栓。
【背景技術(shù)】
[0003] 近幾年，對(duì)汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性提高的需求日益增加，為了提高燃料經(jīng)濟(jì)性，要求各 構(gòu)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。
[0004] 例如在將發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等鎂合金化而謀求輕型化時(shí)，從防止電蝕、輕型化的觀 點(diǎn)出發(fā)，對(duì)于用于固定這些發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等的緊固構(gòu)件（螺栓等），最好也從鋼改為鋁合 金。
[0005] 作為該種鋁合金制的緊固構(gòu)件，公知對(duì)6000系鋁合金（Al - Mg - Si系）進(jìn)行鍛造 而成的高強(qiáng)度鋁合金制螺釘（例如參照專利文獻(xiàn)1)。
[0006] 專利文獻(xiàn)1 :日本特許第3939414號(hào)公報(bào)
[0007] 但是，在專利文獻(xiàn)1所公開的那樣的6000系鋁合金制螺釘中，室溫的抗拉強(qiáng)度為 400MPa左右，耐熱強(qiáng)度也比鋼制螺栓低，因此需要增大螺栓尺寸或增加緊固點(diǎn)的數(shù)量等，以 進(jìn)行應(yīng)對(duì)。
[0008] 另一方面，在利用現(xiàn)有的7000系鋁合金（Al-Zn系）制造了螺栓的情況下，室溫 強(qiáng)度能夠獲得500MPa以上，但是耐熱性比6000系合金低，而且對(duì)應(yīng)力腐食裂紋的敏感性也 較高，因此需要對(duì)表面進(jìn)行錯(cuò)陽(yáng)極化處理（alumite treatment)等對(duì)策，存在成本增加的問 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明是著眼于螺栓等緊固構(gòu)件所代表的以往的鋁合金制構(gòu)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(qiáng)度和耐應(yīng) 力腐食裂紋性的構(gòu)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(gòu)件， 例如對(duì)上述合金進(jìn)行鍛造而成的鍛造零件、鋁合金制的高強(qiáng)度螺栓。
[0010] 本發(fā)明人為了達(dá)到上述目的，對(duì)合金成分、熱處理方法等反復(fù)進(jìn)行了潛心研宄，結(jié) 果發(fā)現(xiàn)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(nèi)，能夠達(dá)到上述目 的，由此完成了本發(fā)明。
[0011]即，本發(fā)明是基于上述見解的發(fā)明，本發(fā)明的鋁合金的特征在于，以質(zhì)量比計(jì)含 有1.0%~1.7%的51、0.05%~0.5%的卩6、0.8%~1.5%的〇1、0.6%~1.2%的]?11、 0· 9%~L 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(jù)需要含有大于O且為0. 05%以下的Ti，進(jìn)一步依據(jù)需要含有大于O且為0. 7%以下的 Ni，余量由Al和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
[0012] 另外，本發(fā)明的鍛造零件和鋁合金制高強(qiáng)度螺栓的特征均在于，由本發(fā)明的上述 鋁合金形成，上述高強(qiáng)度螺栓的特征在于，具有450MPa以上的抗拉強(qiáng)度。
[0013] 采用本發(fā)明，由于分別在特定的范圍內(nèi)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(shí)施適當(dāng)?shù)臒崽幚?，能夠獲得耐熱性、抗拉強(qiáng)度和耐應(yīng)力腐食裂紋性 優(yōu)異的鋁合金制的鍛造零件、高強(qiáng)度螺栓等。
【附圖說明】
[0014] 圖1是表示在本發(fā)明的實(shí)施例中用于評(píng)價(jià)螺栓性能的螺栓形狀?尺寸的說明圖。
[0015] 圖2是表示在本發(fā)明的實(shí)施例中用在螺栓的應(yīng)力腐食裂紋試驗(yàn)中的治具（jig)的 形狀?尺寸的說明圖。
[0016] 圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施例中的螺栓的應(yīng)力腐食裂紋試驗(yàn)要點(diǎn)的說明圖。
[0017] 圖4是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式中的鍛造零件的應(yīng)用例的示意說明圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面，關(guān)于本發(fā)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(jìn)一步詳細(xì)說明。另外，在本說明書中，只要沒有特別記載，則 "％ "表示質(zhì)量百分率。
[0019] 鋁合金
[0020] (I)Si 含量：1· 0%~1. 7%
[0021] Si(硅）是本發(fā)明的合金的主要元素之一，與Mg、Cu-起有助于提高室溫強(qiáng)度。
[0022] 利用人工時(shí)效處理使Mg2Si析出，提高強(qiáng)度，但當(dāng)Si的含量大于1. 7 %時(shí)，會(huì)使耐 應(yīng)力腐食裂紋性、耐腐蝕性下降。另一方面，當(dāng)Si的含量低于1. 0%時(shí)，不能發(fā)揮上述功能， 則鋁合金的強(qiáng)度會(huì)不夠。
[0023] ⑵ Fe 含量：0· 〇5%~0· 5%
[0024] 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。
[0025] 當(dāng)Fe的含量低于0. 05%時(shí)，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(dāng)大于0.5%地過度添加 Fe時(shí)，耐腐蝕性會(huì)下降。另外，會(huì)產(chǎn)生粗大的夾雜物，而 對(duì)該鋁合金的拉伸特性、加工性也產(chǎn)生不良影響。
[0026] (3)Cu 含量：0· 8%~1. 5%
[0027] Cu(銅）是和Si、Mg -起有助于提高室溫強(qiáng)度的元素，但當(dāng)Cu的含量低于0. 8% 時(shí)，不能獲得添加的效果，則鋁合金的強(qiáng)度會(huì)不夠。反之當(dāng)Cu的含量高于1. 5. %時(shí)，在固溶 處理時(shí)容易過燒，除此之外合金的耐腐蝕性、鍛造加工性也會(huì)下降。
[0028] (4)Mn 含量：0· 6%~1. 2%
[0029] Mn (錳）是幫助固溶強(qiáng)化的元素。另外，Mn也與Fe等形成化合物（例如Al - Fe-Mn - Si系）而有助于提尚耐熱性、加工性。而且，具有提尚與鍛造時(shí)的t旲之間的耐粘著性的 效果。
[0030] 在Mn的添加量低于0.6%的情況下，不能發(fā)揮上述效果，不僅無法獲得期望的強(qiáng) 度，而且在鍛造時(shí)容易與模之間發(fā)生粘著。另一方面，在Mn的添加量高于I. 2%時(shí)，會(huì)產(chǎn)生 粗大的夾雜物以1^16等），而對(duì)拉伸特性（特別是伸長(zhǎng)率）、加工性產(chǎn)生不良影響。
[0031] (5)Mg 含量：0· 9%~1. 5%
[0032] Mg(鎂）是與Si、Cu-起有助于提高室溫強(qiáng)度的元素，但是在Mg的含量低于0.9% 時(shí)，不能充分地獲得添加的效果，強(qiáng)度會(huì)不夠。
[0033] 另一方面，在Mg的含量高于1. 5%時(shí)，不利于強(qiáng)度提高的粗大的析出物會(huì)變多，耐 應(yīng)力緩和性、耐腐蝕性和加工性會(huì)下降。
[0034] (6)Zn 含量：0· 05%~0· 5%
[0035] Zn(鋅）是利用Al-Mg-Zn系粒子的時(shí)效析出而有助于強(qiáng)化合金的元素。另外， 雖然Zn能夠提高電鍍等的表面處理性，但是在過量地添加 Zn時(shí)，耐腐蝕性會(huì)下降，而且強(qiáng) 度也會(huì)受影響，因此需使Zn在0. 05%~0. 5%的范圍內(nèi)。
[0036] (7)Zr 含量：0· 05%~0· 3%
[0037] Zr (鋯）具有防止熱處理時(shí)的晶粒的粗大化、穩(wěn)定晶粒直徑的效果，但是在Zr的添 加量少于〇. 05%時(shí)，不能充分地發(fā)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(yīng)力腐食裂紋性下降。
[0038] 另一方面，在Zr的添加量高于0. 3%時(shí)，粗大的夾雜物會(huì)成長(zhǎng)，則加工性和拉伸特 性會(huì)下降。
[0039] (8)V 含量：0· 01% ~0· 2%
[0040] V(釩）與Al等形成化合物而提高耐熱性。并且，V具有如下優(yōu)點(diǎn)，即，通過添加 V 而產(chǎn)生的對(duì)耐應(yīng)力腐食裂紋性的不良影響較小。
[0041] 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的添加量高于〇. 2%時(shí)，會(huì)生成粗大的夾雜物，則耐腐蝕性、鑄造性和加工性會(huì)下降。
[0042] (9) Ti含量：大于0 %且在0· 05%以下
[0043] Ti (鈦）與Zr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(jù)需要而添加的任意成分。
[0044] 但是，在過量地添加 Ti時(shí)，加工性和拉伸特性會(huì)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(nèi)。另外，為了獲得晶粒的充分的微細(xì)化效果，最好添加 0. 01%以上的Ti。
[0045] (IO)Ni含量：大于0 %且在(λ 7%以下
[0046] 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(jù)需要而添加的任意成分。
[0047] 但是，大于0. 7%的過量添加會(huì)使Ni成為粗大的夾雜物，對(duì)耐應(yīng)力腐食裂紋性、拉 伸特性和加工性也產(chǎn)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(fā)揮充分的提高耐熱性的效果，最好添加〇. 01 %以上的Ni。
[0048] 本發(fā)明的鋁合金的熱處理方法沒有特別限定，例如可以實(shí)施T6處理（固溶處理一 人工時(shí)效處理）、T8處理（固溶處理一加工一人工時(shí)效處理）、T9處理（固溶處理一人工時(shí) 效處理一冷加工），而能夠形成為具有450MPa以上的抗拉強(qiáng)度，且耐熱性、耐拉伸特性、耐 應(yīng)力緩和特性和耐應(yīng)力腐食裂紋性也優(yōu)異的零件。
[0049] 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(shí)效處理的熱處理的話，可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇熱處理?加工的條件來獲得高強(qiáng) 度。
[0050] 本發(fā)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。
[0051] 由鋁合金形成的鍛誥零件
[0052] 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(fā)動(dòng)機(jī)、變速器中的各種支架類以及發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)車和混合動(dòng)力車用電動(dòng)機(jī)的殼體等的螺栓、螺釘、螺 母等中。另外，本發(fā)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(nèi)。
[0053] 這些零件能夠采用通常的方法容易地進(jìn)行制造，并且通過實(shí)施上述那樣的熱處 理，這些零件會(huì)作為汽車零件發(fā)揮充分的耐熱性、拉伸特性和耐應(yīng)力腐食裂紋性，因此能夠 有助于實(shí)現(xiàn)車輛的輕型化。另外，由于這些零件顯示出較高的耐應(yīng)力緩和特性，因此也能較 佳地用在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、電動(dòng)機(jī)等放置在高溫環(huán)境中的零件中。
[0054] 特別是在采用了鎂合金作為發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱的情況下，當(dāng)使用本發(fā)明的鋁合金制 的高強(qiáng)度螺栓時(shí)，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(shù)或減小螺栓的尺寸。
[0055] 圖4是表示本發(fā)明的鍛造零件的一實(shí)施方式的示意圖。附圖標(biāo)記1表示設(shè)于汽車 用發(fā)動(dòng)機(jī)的鋁合金（例如ADC12)制缸體的、油盤安裝用的內(nèi)螺紋部。附圖標(biāo)記