CN104342590B - 切削用铝合金挤压材 - Google Patents
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Abstract
本发明得到相对于挤压材的挤出方向垂直的方向(LT方向)的疲劳强度高的切削用铝合金挤压材。一种铝合金挤压材,其中,含有Cu:2.9~5.5质量%、Mg:1.0~2.5质量%、Ni:0.5~3.0质量%、Fe:0.5~1.5质量%、Si:0.4质量%以下、Ti:0.005~0.15质量%,还含有Mn:0.05~0.6质量%、Cr:0.05~0.3质量%、Zr:0.05~0.3质量%、V:0.05~0.3质量%的一种或两种以上合计で0.7质量%以下,余量由Al和不可避免的杂质构成,设σWLT:LT方向的疲劳强度、σWL:L方向(挤出方向)的疲劳强度、TSLT:LT方向的抗拉强度、TSL:L方向的抗拉强度时,满足下式(1)。σWLT/TSLT>σWL/TSL…(1)。
Description
技术领域
本发明涉及汽车等的发动机、压缩机等的构件和涡轮(叶轮)构件所使用的切削用铝合金挤压材,特别是涉及相对于挤出方向为垂直方向(LT方向)的疲劳强度高,适于切削挤压材而制造这些构件的切削用铝合金挤压材。
背景技术
现有的发动机、压缩机等的旋转、直动构件,是切削A2618合金的铸造·锻造品而制造的,但由于近年的切削加工技术的提高,铝合金挤压材的切削品化推进,关于挤压材,需要切削性的提高,强度和疲劳强度的改善。
另一方面,专利文献1~7中记载有适于发动机、压缩机等的零件制造的JIS2000(Al-Cu-Mg)系铝合金挤压材。根据专利文献1~7,这些Al-Cu-Mg系铝合金挤压材,通过Mn、Zr、Cr等的添加,Cu和Mg含量的增加,或稀土类、Be等的添加,与A2618合金相比,认为耐热性和疲劳特性更优异。
【专利文献】
【专利文献1】日本特开昭63-11643号公报
【专利文献2】日本特开昭63-161137号公报
【专利文献3】日本特开平08-144002号公报
【专利文献4】日本特开平08-144003号公报
【专利文献5】日本特开2008-101264号公报
【专利文献6】日本特开2008-202121号公报
【专利文献7】日本特开2011-122180号公报
在发动机、压缩机等的旋转、直动构件中,要求进一步轻量化、高旋转化,随之而来的,是要求Al-Cu-Mg系铝合金挤压材的强度和疲劳强度的进一步改善。
上述挤压材用于涡轮充电器涡轮等的旋转构件的制造时,是从挤压材(圆棒)上,以使挤出方向与旋转构件的轴向平行的方式被进行削切。因此,涡轮等的高速旋转零件中,在相对于挤压材的挤出方向垂直的方向(LT方向)上,会发生因离心力造成的反复载荷。因此,相对于挤压材的挤出方向为垂直方向(LT方向)的强度和疲劳特性成为问题。
挤压材通常在挤出方向和相对于挤出方向垂直的方向(如果是圆棒则是半径方向)上,机械性质不同的情况很多。大部分情况下,挤出方向的强度(静强度、疲劳强度)比挤压材的半径方向的强度高,这是由于经挤出加工而产生的微观组织的取向引起的。
另一方面,在涡轮等的高速旋转零件中,对于疲劳强度低的挤压材的半径方向来说,会发生反复载荷,在此为了确保零件的耐疲劳特性,需要在半径方向上使壁厚增加。但是,这会带来零件的重量增加,作为要求轻量化的汽车零件是不合需要的。
发明内容
因此,本发明其目的在于,改善相对于Al-Cu-Mg系铝合金挤压材的挤出方向的垂直方向(LT方向)的疲劳强度。
本发明的切削用铝合金挤压材,其特征在于,含有Cu:2.9~5.5质量%、Mg:1.0~2.5质量%、Ni:0.5~3.0质量%、Fe:0.5~1.5质量%、Si:0.4质量%以下、Ti:0.005~0.15质量%,还含有Mn:0.05~0.6质量%、Cr:0.05~0.3质量%、Zr:0.05~0.3质量%、V:0.05~0.3质量%的一种或两种以上,合计0.7质量%以下,余量由Al和不可避免的杂质构成,满足下式(1)。
σWLT/TSLT>σWL/TSL…(1)
在此,σWLT:LT方向(相对于挤出方向的垂直方向)的疲劳强度,
σWL:L方向(挤出方向)的疲劳强度,
TSLT:LT方向的抗拉强度,
TSL:L方向的抗拉强度。
该Al-Cu-Mg系铝合金挤压材,满足上述化学组成和上述式(1),在相对于挤出方向的垂直方向(LT方向)上,显示出140MPa以上的高疲劳强度。
为了使Al-Cu-Mg系铝合金挤压材拥有上述特性,除了上述化学组成,还需要选择适当的制造条件(特别是均质化温度、挤出温度、挤出速度、挤压比)。即,本发明的切削用铝合金挤压材,能够通过如下方式制造:对于由上述化学组成构成的铝合金坯锭,以450~520℃的温度进行1~20小时的均质化处理后,以挤出温度320~500℃、挤出速度2~8m/sec、挤压比20~40的条件进行挤出成形,对于所得到的挤压材,以480~540℃进行0.5~4小时的固溶处理后,进行时效处理。
根据本发明,能够提供高抗拉强度,和相对于挤出方向的垂直方向(LT方向)上,显示出140MPa以上的高疲劳强度的切削用铝合金挤压材。
切削本发明的切削用铝合金挤压材而制造涡轮等的旋转构件时,使用时离心力作用的方向为挤压材的LT方向。由于本发明的切削用铝合金挤压材在LT方向上具有高疲劳强度,另一方面,在通过切削加工制造的构件中,切削前的强度各向异性得到维持,所以使用本发明的切削用铝合金挤压材,与A2618等的现有材相比,能够改善旋转构件的疲劳特性。
另外,本发明的切削用铝合金挤压材,具有高的高温强度,并且160℃下的LT方向的高温疲劳强度(经1×107次不会断裂的应力),能够达成超过90N/mm2的应力振幅。
本发明的切削用铝合金挤压材,具有与A2618挤压材同水平的切削性,不对挤压材进行锻造而是通过直接切削加工,就能够制造发动机、压缩机、涡轮等的旋转、直动构件。另一方面,对该挤压材进行锻造(热态、冷态)而得到近净形状后进行切削,也能够制造所述构件,这种情况下,与对于挤压材直接进行切削加工相比,能够提高成品率。
具体实施方式
以下,对于本发明的切削用铝合金挤压材及其制造方法,更具体地加以说明。
[合金组成]
Cu:2.9~5.5质量%
Cu是用于使Al-Cu-Mg系铝合金挤压材的常温和高温强度提高所需的不可欠缺的元素。Cu的含量低于2.9质量%时,强度提高的效果少,若含有超过5.5质量%,则挤出加工性劣化。因此,Cu含量为2.9~5.5质量%。优选为3.0~4.5质量%,更优选为3.4~4.5质量%。
Mg:1.0~2.5质量%
Mg与Cu同样,是使Al-Cu-Mg系铝合金挤压材的常温和高温强度提高所需要的不可欠缺的元素。Mg的含量低于1.0质量%时,强度提高的效果少,另一方面,若含有超过2.5质量%,挤出加工性劣化。另外,Mg含量为1.0质量%以上,再结晶化进展。此外还带来结晶物分布均匀化、疲劳强度的改善。因此,Mg含量为1.0~2.5质量%。优选为1.2~2.2质量%。
Ni:0.5~3.0质量%
Ni是使Al-Cu-Mg系铝合金挤压材的常温和高温强度提高的元素。Ni的含量低于0.5质量%时,强度提高的效果少,另一方面,若超过3.0质量%,则成为与合金中的Cu结合的结晶物,因此强度反而降低。因此,Ni为含量为0.5~3.0质量%。优选为0.9~1.5质量%。
Fe:0.5~1.5质量%
Fe是使Al-Cu-Mg系铝合金挤压材的高温强度提高的元素。Fe的含量低于0.5质量%时,该效果少,另一方面,若含有超过1.5质量%,则形成巨大结晶物,强度降低。因此,Fe含量为0.5~1.5质量%。优选为0.8~1.2质量%。
Mn:0.05~0.6质量%、Cr:0.05~0.3质量%、Zr:0.05~0.3质量%、V:0.05~0.3质量%
Mn、Cr、Zr、V使铝合金挤压材纤维组织化,是抑制再结晶化的元素,从常温至高温下使铝合金挤压材的强度提高,另外,如后述是用于提高挤压材的疲劳强度所必须的元素。Mn、Cr、Zr、V各自的含量在低于上述范围的下限值时,强度提高的效果少,另一方面,若超过上述范围的上限值含有,则形成巨大结晶物,挤压材的强度降低。另外,若Mn、Cr、Zr、V的一种或两种以上的合计含量超过0.7质量%,则同样会形成巨大结晶物,挤压材的强度降低。因此,Mn、Cr、Zr、V的含量为上述范围,其一种或两种以上的合计含量为0.7质量%以下。Mn、Cr、Zr、V优选的含量为,Mn含量为0.15~0.35质量%,Cr含量为0.1~0.25质量%,Zr含量为0.1~0.25质量%,V含量为0.1~0.25%。
Si:0.4质量%以下
Si经时效处理(190~200℃左右)而与Mg生成金属间化合物Mg2Si,是使强度提高的元素,根据需要添加到本发明合金中,或作为不可避免的杂质含有。另一方面,Mg2Si在高温下的使用持续时会粗大化,由此特别是存在高温强度和疲劳强度降低的可能性。通过将作为添加元素或不可避免的杂质的Si含量限制在0.4%以下,能够抑制Mg2Si的生成本身,避免伴随高温使用的Mg2Si的粗大化,防止发动机、压缩机等的旋转、直动构件的高温强度和疲劳强度的降低(高温不稳定性)。Si含量优选为0.30质量%以下。
Ti:0.005~0.15质量%
Ti使铸块组织微细化,是使机械性质稳定化的元素。但是,含量在0.15%质量以上时生成粗大的Al-Ti系结晶物,使强度降低。另外含量在0.005%以下时得不到效果。因此,Ti含量为0.005~0.15质量%,优选为0.01~0.1质量%。
不可避免的杂质
在实际操作的铝合金中,含有各种不可避免的杂质元素,但是本发明的Al-Cu-Mg系铝合金,也与JIS2000系铝合金大致同样,如果Zn低于0.05质量%,Pb、Bi、Sn分别低于0.01质量%,其他的元素分别低于0.05质量%,除了Si以外的不可避免的杂质总计低于0.15质量%,则没有特别问题。
[疲劳比]
所谓疲劳比就是疲劳强度与抗拉强度的比。
本发明的Al-Cu-Mg系铝合金挤压材,如前述式(1)所示,相对于挤出方向垂直的方向(LT方向)的疲劳比(σWLT/TSLT),比挤出方向(L方向)的疲劳比(σWL/TSL)高。本发明的Al-Cu-Mg系铝合金挤压材,满足前述式(1),在相对于挤出方向的垂直方向(LT方向)上,显示出140MPa以上的高疲劳强度。
本发明的Al-Cu-Mg系铝合金挤压材,含有Mn、Cr、Zr、V的一种或两种以上而得到纤维组织化。由于疲劳而发生的疲劳龟裂,一般来说,结晶粒界会妨碍疲劳开裂传播,所以使挤压材纤维组织化在提高疲劳强度上是有效的手段。另一方面,特别是为了使LT方向的疲劳比提高,得到LT方向的疲劳比比L方向的疲劳比高的Al-Cu-Mg系铝合金挤压材,不只需要仅仅使该挤压材纤维组织化,还需要以下面所示的特定的挤出条件(挤压比、挤出速度、挤出温度)进行挤出成形。
[制造方法]
熔化所述组成的铝合金,通过DC铸造成坯锭。
对于所得到的坯锭,以450~520℃的温度进行1~20h的均质化处理。在低于450℃的温度下得不到充分的均质化。另外,在超过520℃的温度下,因为不均的显微偏析发生共晶熔化,因此成为疲劳强度降低的原因。均质化处理时间低于1h时,得不到充分的均质化,超过20h的均质化处理,热处理炉的占用时间变长,使制造成本增大。优选为以450~520℃、5~15h进行均质化处理。
均质化处理后,将坯锭直接冷却到挤出温度,或先冷却至室温后再加热至挤出温度,进行挤出加工。挤出加工以挤出温度320~500℃,挤出速度:2~8m/sec,挤压比20~40进行。
挤出温度低于320℃时,加工应变蓄积在材料内部,进行固溶处理时发生结晶粒的粗大化,强度降低。若挤出温度超过500℃,则加工变形中的加工放热增加,部分性地发生共晶熔化,疲劳强度降低。优选的挤出温度为350~450℃。
挤出速度低于2m/sec时,生产率低,不实用。若挤出速度超过8m/sec,则因为加工放热而产生晶粒的粗大化,因此疲劳强度降低。优选的挤出速度为2.5~5m/sec。
挤压比低于20时,所导入的加工应变小,因此得不到微细的晶粒。若挤压比超过40,则加工应变大,因加工放热而产生晶粒的粗大化,疲劳强度降低。优选的挤压比为25~35。
使挤出温度、挤出速度和挤压比这3个条件以上述方式组合时,能够得到LT方向的疲劳比高于L方向的疲劳的Al-Cu-Mg系铝合金挤压材。但是,其理由尚不明确。
挤出加工后,以480~540℃、0.5~4h进行固溶处理。固溶温度低于480时,因为固溶不足,所以得不到规定的强度。若固溶温度超过540℃,则部分性地发生共晶熔化,疲劳强度降低。
固溶处理后,进行淬火,其后,进行人工时效处理。人工时效处理,以190~200℃×5~25h左右的通常的条件进行即可。
对于所述组成的Al-Cu-Mg系铝合金,通过应用以上说明的制造方法,能够提高LT方向的疲劳比(σWLT/TSLT)与L方向的疲劳比(σWL/TSL)具有所述式(1)的关系的铝合金挤压材。
【实施例】
DC铸造表1所示的组成的Al-Cu-Mg系铝合金,得到各组成是相同直径的挤出坯锭后,以表2所示的条件实施均质化处理。将经过均质化处理的挤出坯锭再加热至表2的示的挤出温度,接着以表2所示的挤出速度和挤压比挤出。挤压材为圆棒,挤压比通过改变圆棒的直径进行调整。其后,以表2所示的条件进行固溶处理,在温度20℃的水槽内进行淬火。其后,实施200℃×5h的人工时效处理。
表1
*含量不足或过剩位置
以所得到的挤压材作为供试材,按下述要领进行拉伸试验和疲劳试验,测量与挤出方向平行的方向(L方向)的抗拉强度(TSL)和疲劳强度(σWL),以及与挤出方向垂直的方向(LT方向)的抗拉强度(TSLT)和疲劳强度(σWLT)。另外,根据这些测量值,计算与挤出方向平行的方向(L方向)的疲劳比(σWL/TSL),和与挤出方向垂直的方向(LT方向)的疲劳比(σWLT/TSLT),满足所述式(1)的为评价为○,不满足的评价为×。这些结果显示在表2中。
表2
*本发明规定范围外的位置
(拉伸试验)
从供试材上提取纵长方向与挤出方向平行的方向(L方向)的拉伸试验片,和与挤出方向垂直的方向(LT方向)的拉伸试验片,在常温下,以2mm/分的十字头速度实施拉伸试验。
(疲劳试验)
从供试材上提取纵长方向与挤出方向平行的方向(L方向)的疲劳试验片,和与挤出方向垂直的方向(LT方向)的疲劳试验片,实施小野式旋转弯曲疲劳试验。试验片从挤压材的中心部通过机械加工提取之后,用砂纸研磨试验片中央部的表面,最后以#2400号的砂纸研磨而达到平滑。疲劳试验,使用小野式旋转弯曲小型试验机,在室温(20℃)、大气中进行。以应力振幅交变(应力比R=-1)的正弦波实施。
如表2所示,No.1~12,铝合金的组成和制造方法在本发明的范围内,LT方向的疲劳比均比L方向的疲劳比高,LT方向的疲劳强度为140N/mm2以上。另外,L方向的抗拉强度(TSL)能够达到500MPa以上,LT方向的抗拉强度(TSLT)能够达到400MPa以上。
另一方面,铝合金的组成(特别是Mn、Cr、Zr、V的合计含量)脱离发明的规定的No.13、14,和制造方法(特别是挤出条件)脱离本发明的规定的No.15~20,LT方向的疲劳比均比L方向的疲劳比低,LT方向的疲劳强度达不到140N/mm2。
Claims (2)
1.一种切削用铝合金挤压材,其特征在于,含有Cu:2.9~5.5质量%、Mg:1.0~2.5质量%、Ni:0.5~3.0质量%、Fe:0.5~1.5质量%、Si:0.4质量%以下、Ti:0.005~0.15质量%,还含有合计为0.7质量%以下的Mn:0.05~0.6质量%、Cr:0.05~0.3质量%、Zr:0.05~0.3质量%、V:0.05~0.3质量%中的一种或两种以上,余量由Al和不可避免的杂质构成,并满足下式(1),
σWLT/TSLT>σWL/TSL…(1)
其中,σWLT:LT方向的疲劳强度,σWL:L方向的疲劳强度,TSLT:LT方向的抗拉强度,TSL:L方向的抗拉强度。
2.一种铝合金构件,其使用权利要求1所述的切削用铝合金挤压材进行切削加工而成。
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