TW200533763A

TW200533763A - Aluminum alloy for plastic working, and its manufacturing method

Info

Publication number: TW200533763A
Application number: TW094106839A
Authority: TW
Inventors: Shigeru Okaniwa; Hideki Ishii; Takashi Kajiyama; Takutoshi Kondo; Manabu Imaoka; Kenji Tsubouchi
Original assignee: Shimano Kk
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2005-10-16
Also published as: CN100371483C; JP3870380B2; JP2005298871A; CN1680610A

Description

200533763 (1) 九、發明說明【發明所屬之技術領域】本發明是關於作爲自行車構件、釣具、高爾夫球桿及滑雪板等高機能材料之高拉伸強度、高彈性係數及高延展性的塑性加工用鋁合金及其製造方法。【先前技術】 I 近來，嘗試將陶瓷添加分散於利用急冷凝固法所獲得的鋁合金粉末中，以期能提高其特性、特別是剛性的提昇。舉例來說，檢討A1-高Si系、Al-Fe-Mo系、Al-Cu系、 Al-Si-Mg系或者Al-Zn-Mg系的組成（請參考專利文獻1 )° 此外，當對鋁合金進行押出或鍛造等加熱成形加工時，由前置冷加工步驟所獲得之壓粉成形的粉末成型體內部或表面含有水合物（hydrate )和空氣，倘若直接實施熱 φ 加工，有時會於熱加工或後續的熱處理步驟中產生氣泡（蓬鬆）之類的缺失。由於上述的原因，爲避免缺失的形成 ’一般是在熱加工之前執行脫氣。 [專利文獻1] 日本第2 5 4 6 6 6 0號專利公報（申請專利範圍）【發明內容】 [發明欲解決之課題] 在傳統的鋁合金中，譬如自行車構件、釣具、高爾夫 200533763 (2) 球桿及滑雪板等高機能材料具有無法充分獲得有效的高拉伸強度、局彈性係數及高延展性的問體。本發明是有鑑於上述問題所硏發的發明，本發明的課題爲提供一種··作爲自行車構件、釣具、高爾夫球桿及滑雪板等高機能材料之高拉伸強度、高彈性係數及高延展性的塑性加工用鋁合金及其製造方法。 [解決課題之手段] 爲了解決上述課題，本案申請專利範圍第1項所記載的發明’其特徵爲：是由：0.4〜2.0重量％的Si、0.4〜2.0 重量％的Mg;和由含有從Fe、Mn、Cr中選出一種以上合計0.5〜2_0重量％，且剩餘部分含有無法避免之不純物的A1所形成的鋁合金粉末；及i 〇〜25重量％的氧化鋁所混合而成的固化成形材，室溫狀態下的彈性係數爲8〇GPa以上’水淬處理（water quenching )後的室溫拉伸強度爲 3 00MPa以上，且延展性爲5%以上。本案申請專利範圍第2項所記載的發明，爲申請專利範圍第1項所記載的塑性加工用鋁合金，其中上述的銘合金粉末，是由含有·· 0.4〜2.0重量°/Q的si、0.4〜2.0重量％的Mg、0.10〜0.3重量％的Fe、〇·〇5〜0.6重量％的Μη、 0·05〜0.6重量％之Cr的Α1所形成的合金粉末。在本案中，Si的添加量形成0.4〜2.0重量％的原因爲 :Si的添加將與Mg形成化合物Mg2Si，欲使鋁基質於熱處理後的強度爲3 00MPa以上所需的最低添加量〇.4重量％ 200533763 (3) ，而一旦Si的添加量超過2.0重量％，將無法獲得5%以上的拉伸性，導致鍛造加工上出現問題之故。此外，Mg的添加量形成0.4〜2.0重量％的原因爲：爲了形成可提高熱處理後強度之Si的化合物Mg2Si而需要添加Mg，爲了獲得3 00MPa以上的拉伸強度所需的最低添加量爲〇·4重量％，而一旦Mg的添加量超過2.0重量％，將降低塑性加工性。

Fe將與Si形成Al_Fe-Si的化合物，而降低多餘的Si 導致延伸性下降的不良影響。Fe的添加量形成0.10〜0.3重量％的原因爲：當添加量不滿0.10重量％時將使霧化粉末的細微組織化效果消失，而一旦添加量超過0.3重量％將導致拉伸性的下降。 Μη及Cr可藉由適量的添加，而具有抑制因熱加工導致組織粗大化的效果。Μη及 Cr的添加量分別形成 0·05〜0.6重量％的原因爲··倘若添加量不滿〇.〇5重量％時將不具上述效果，而一旦添加量超過0.6重量％將導致延展性下降。此外，氧化鋁的添加量形成1 0〜2 5重量％，是爲了提高彈性係數與耐磨耗性，這是由於一旦添加量不滿1 0重量 %時將導致彈性係數下降，而倘若超過25重量％時則導致拉伸性下降之故。申請專利範圍第3項所記載的發明，是申請專利範圍第1或2項所記載的塑性加工用鋁合金，其中上述鋁合金粉末的平均粒徑爲10〜150 // m，氧化鋁的平均粒徑爲5〜20 // 200533763

在本發明中，鋁合金粉末的平均粒徑形成10〜150// m 的原因，是因爲一旦平均粒徑不滿10#m時將於鋁合金粉末之間形成凝集，難以與氧化鋁形成平均的混合，導致增加強度與拉伸性的參差不齊而對塑性加工性造成影響，而倘若超過1 5 0 // m將使粗粒子的數量增加，而不易使氧化鋁平均分散，導致增加強度與拉伸性的參差不齊而對塑性加工性造成影響。此外，氧化鋁的平均粒徑形成5〜20 μ m的原因，是爲了提高彈性係數與耐磨耗性，這是由於一旦氧化鋁的平均粒徑不滿5 // m將無法平均的混合，而一旦超過20 // m將形成大量的粗大氧化鋁，而導致拉伸性及塑性加工性的下降。申請專利範圍第4項所記載的發明，是製造上述塑性加工用鋁合金的製造方法，其特徵爲：在由0.4〜2.0重量 %的 Si、0.4〜2.0重量％的Mg ;和由含有從Fe、Mn、Cr 中選出一種以上合計〇· 5〜2 ·0重量％，且剩餘部分含有無法避免之不純物的A1所形成的鋁合金粉末中混合〇〜25重量％的氧化鋁，並在室溫狀態下對該混合粉末加壓成形，以200〜4 5 0°C對該成形體實施真空脫氣，並對以5 00〜600t：之高溫燒結而成的成形體實施加壓燒結，在此之後實施鍛造加工，而獲得室溫狀態下的彈性係數爲80GPa以上，水淬處理後的室溫拉伸強度爲3 0 〇 Μ P a以上，且延展性爲5 % 以上，不會產生氣泡之成品的結構構件。 -8 - 200533763 (5) [發明的效果] 根據本發明，對自行車構件、釣具、高爾夫球桿及滑雪板等高機能材料具有有用的局拉伸強度、高彈性係數，相較於傳統構件即使氧化鋁的含有量爲1 〇重量％拉伸性也未滿5 % ，在本發明中氧化鋁的含有量爲1 〇重量％以上拉伸性可達8 % ，具有良好的延展性並適合塑性加工。此外，脫氣後也能抑制氣體的再吸收，而不會產生氣泡（蓬鬆）之類的加工缺失，可獲得塑性加工用鋁合金。【實施方式】以下，針對本發明之塑性加工用鋁合金製造方法的最佳實施形態，參考第1圖作詳細的說明。首先，製作鋁合金急冷凝固粉末{步驟1-1，鋁合金粉末製作過程}，該鋁合金急冷凝固粉末是由含有：重量％ ( 以下簡稱爲％ )爲0.4〜2.0% (譬如0.8% )的 Si、0.4〜2.0% ( 譬如1 ·〇% )的Mg ;及含有從Fe、Mn、Cr中選出一種以上合計 0.5 〜2.0% (譬如 Fe 爲 0.15% 、Μη 爲 0.05% 、Cr 爲 0.3 % )，剩餘部份含有不可避免之不純物的A1所形成。而製作急冷凝固粉末的方法，利用業界所熟知的霧化法、熔融紡絲法、迴轉圓盤法、迴轉電極法等製作方法即可，在本發明中，是基於工業性生產的觀點採用霧化法（特別是氣體霧化法）。此外，在製作該鋁合金粉末時，考慮到均勻的混和、強度與延伸性的參差不齊，鋁合金粉末的平均粒徑最好爲1〇〜150// m。其理由是因爲一旦鋁合金粉末的 -9- 200533763 (6) 平均粒徑未滿1 0 m，鋁合金粉末之間將發生凝集，而以均勻地混合鋁合金粉末，此外，倘若鋁合金粉末的平粒徑超過1 5 0 ν m將增加大量的粗大粒子，而難以使氧鋁平均分散，導致強度與延伸性的參差不齊量大增，進對塑性加工性造成不良的影響。其次，利用直槽磨（pod mill )在上述的鋁合金急凝固粉末中混入10〜25% (譬如IS% )之平均粒徑爲5〜 φ //m (譬如15//m)的氧化鋁（Ahoy後獲得的混合粉末並對該混合粉末施以冷均壓成形（Cold Isostatic Pressi )後形成暫時成形{步驟1 - 2，加壓成形過程}。在本發中’ AI2O3的平均粒徑爲5〜20//m，是由於一旦平均粒未滿5 // m將無法均勻的混合，倘若超過20 // m將形成量的粗大A1203，而導致延伸性及塑性加工性的低落。接著，藉由真空吸引對暫時成形的混合粉末執行脫處理{步驟1-3，脫氣處理過程}。由於一邊加熱一邊進 φ 脫氣處理將有助於氣體的去除，也能執行部分的燒結，是以200〜45 (TC執行真空脫氣。一旦爐內溫度超過200t 可去除暫時成形體所吸收的氣體與水分，倘若爐內溫度過300°C，將分解去除水合物（hydrate)。雖然這些現也發生45 (TC以上的溫度，但一旦暫時成形體的溫度超 45 0 °C時將產生燒結，而促使去除空氣與水分後之暫時形體內部的粉體間開始阻塞。因此，在本發明中，爲了燒結開始之前執行充分的脫氣，是將成形體在爐內溫度 4〇〇°C的爐內保持1〜6小時（譬如1·5小時）。難均化而冷 20 ， ng 明徑大氣行故超象過成在爲 -10- 200533763 (7) 接下來，進一步利用熱押出或熱壓延步驟，對以 5 0 0〜600它（譬如5 5 0它）的高溫保持1〜6小時（譬如4小時 )的燒結成形體進行加壓燒結{步驟1 -4 ’加壓燒結過程} 。在該加壓燒結過程中，一旦溫度未滿5 0 0 °C，覆蓋於粉末表面的氧化物等將造成影響，由於燒結速度緩慢導致燒結的進行遲緩，因此最好加熱至上述溫度（55 (TC )以上。倘若形成上述溫度（5 5 0 °C )以上的溫度，粉末本身將軟 0 化而使部分表面熔融。熔融後所形成的熔液，將從覆蓋於粉末表面之氧化物等的缺口滲出，並掩埋粉末之間的間隙，而促使燒結急速進行。此外，一旦保持於超過600 °C的溫度將導致合金粉末產生熔融，而顯著降低熱加工材的機械特性。倘若保持時間低於1小時，由於無法充分燒結，因此保持時間必須爲1小時以上。相反地，一旦保持時間超過6小時，將造成合金粉末中的結晶物-析出物粗大，而導致熱加工材的機械特性低落。據此，保持時間最好爲 • 1〜6小時。加壓燒結後，實施鍛造加工而獲得完成品的結構構件 {步驟1 - 5，鍛造加工過程}。 [實施例] 以下，針對經上述步驟所獲得知完成品的結構構件’ 也就是塑性加工用鋁合金之特性與表面觀察的實驗作說明〇首先，利用氣體霧化法製作含有表1所示之元素與 -11 - 200533763 (8)

Al2〇3的鋁合金急冷凝固粉末。利用冷均壓成形將所獲得的鋁合金粉末成形爲直徑3 2 5 mm的小九體。以3 8 0 °C的溫度將所獲得的小九體在真空爐內保持1小時，執行脫氣處理，稍後令經5 60°C高溫（表1中的Νο·22與^^〇.23爲480它 )燒結2小時所得的成形體冷卻至常溫後，利用誘導加熱的方式加熱至5 00 °C ，押出加壓成圓棒，實施水淬處理 (T6)，也就是以540 °C保持2小時後施以水冷，以執行6小時的人工時效處理後，獲得如表2所示的,結果。

-12- 200533763 (9) 表1

(單位：重量％ ) 銘合金粉末 Al2〇3 燒結溫度。c NO Si Mg Fe Μη Cr A1 平均粒徑 μ m ai2o3 平均粒徑// m 發 1 2.0 0.4 0.3 0.6 0.6 殘 150 25 20 560 明 2 1.0 2.0 0.2 0.3 0.05 殘 80 15 10 560 合 3 0.4 1.5 0.1 0.05 0.3 殘 10 10 5 560 金 4 0.8 1.0 0.15 0.05 0.3 殘 100 15 15 560 5 1.0 1.0 0.2 0.5 0.5 殘 80 30 10 560 6 1.0 1.0 0.2 0.5 0.5 殘 80 5 10 560 7 1.0 1.0 0.2 0.5 0.5 殘 80 20 25 560 8 1.0 1.0 0.2 0.5 0.5 殘 200 20 10 560 9 1.0 1.0 0.2 0.5 0.5 殘 5 20 10 560 10 0.2 1.5 0.2 0.5 0.5 殘 80 20 10 560 11 1.5 0.2 0.2 0.5 0.5 殘 80 20 10 560 對比合金 12 1.0 1.0 0.05 0.5 0.5 殘 80 20 10 560 13 1.0 1.0 0.2 0.04 0.5 殘 80 20 10 560 14 1.0 1.0 0.2 0.5 0.04 殘 80 20 10 560 15 2.5 1.0 0.2 0.5 0.5 殘 80 20 10 560 16 1.0 2.5 0.2 0.5 0.5 殘 80 20 10 560 17 1.0 1.0 0.4 0.5 0.5 殘 80 20 10 560 18 1.0 1.0 0.2 0.8 0.5 殘 80 20 10 560 19 1.0 1.0 0.2 0.5 0.8 殘 80 20 10 560 20 0.2 0.2 0.2 0.5 0.5 殘 80 20 10 560 21 2.5 2.5 0.2 0.5 0.5 殘 80 20 10 560 22 1.0 1.0 0.5 0.8 0.8 殘 80 20 10 480 23 1.0 2.0 0.2 0.3 0.3 殘 80 10 10 480 •13- 200533763(10)

表2

NO 拉伸強度（MPa) 延伸性（％ ) 彈性係數（GPa) 是否有氣泡發明 ί=ι 36: 1 305 6.8 85 〇 2 350 5.2 87 〇 3 320 7.5 80 〇 4 367 8.5 86.5 〇對比合金 5 340 1.8 88 〇 6 335 5.2 75 〜86 〇 7 350 3.4 82 〇 8 330 2.5 79 〇 9 290〜340 3〜5 74 〜82 〇 10 280 4.2 82 〇 11 250 4.6 78 〇 12 290 4.0 82 〇 13 305 4.8 82 〇 14 320 4.7 8 1 〇 15 335 2.8 84 〇 16 340 3.2 80 〇 17 3 10 3.5 80 〇 18 325 2.8 83 〇 19 330 3.6 83 〇 20 240 4.5 75 〇 2 1 350 2.2 82 〇 22 280 3.9 76 〇 23 290 4.8 75 X 「是否有氣泡」一欄中，「〇」表示完全沒有氣泡，「X」表示產生氣泡。氧化鋁粒徑、鋁合金粉末粒徑較小時（No.6、No.9 )，將加大參差不齊的現象，導致平均的特性値下降。 -14- 200533763 (11) 上述的實驗結果，本發明合金（No. 1〜No ·4 )的拉伸強度爲3 0 5〜3 67MPa，彈性係數爲80〜87GPa，延伸性爲 5.2〜8.5% ，顯示出充分的高拉伸強度、彈性係數及延伸性。此外，於脫氣後也能抑制氣體的再吸附，可獲得不會產生氣泡等加工缺失的塑性加工用鋁合金。相對於此，對比合金（Νο·5〜No.23 )，由於鋁合金粉末和A1203的成分量和平均粒徑及燒結溫度並不適當，因此被判定拉伸強度 φ 、彈性係數及延伸性不足，參差不齊現象大增且產生氣泡〇據此，藉由在由：0.4〜2.0重量％的Si、0·4〜2.0重量 %的Mg;和由含有從Fe、Mn、Cr中選出一種以上合計〇.5〜2.0重量％，且剩餘部分含有無法避免之不純物的A1 所形成的鋁合金粉末中，分散1〇〜25重量！ίί的氧化鋁，可獲得室溫狀態下的彈性係數爲80GPa以上，水淬處理後的室溫拉伸強度爲3 00MPa以上，且延展性爲5%以上的塑性 φ 加工用鋁合金。【圖式簡單說明】第1圖：顯示本發明之塑性加工用鋁合金之製造方法的步驟流程圖。 -15-

Claims

200533763 (1) 十、申請專利範圍 1. 一種塑性加工用鋁合金，其特徵爲：是由·· 0.4〜2.0 重量％的Si、0.4〜2.0重量％的Mg ;和由含有從Fe、Μη 、Cr中選出一種以上合計0.5〜2.0重量％，且剩餘部分含有無法避免之不純物的A1所形成的鋁合金粉末；及10〜2 5 重量％的氧化鋁所混合而成的固化成形材，室溫狀態下的彈性係數爲80GPa以上，水洋處理（water quenching)後的室溫拉伸強度爲3 00 MPa以上，且延展性爲5%以上。 2 ·如申請專利範圍第1項所記載的塑性加工用鋁合金，其中上述的鋁合金粉末，是由含有·· 0.4〜2.0重量％的 S i、0 · 4〜2 · 0重量％的 M g、0 · 1 0〜〇 · 3重量％的 Fe、 0.05〜0.6重量％的Mn、0.05〜0.6重量％之Cr的A1所形成的合金粉末。 3 ·如申請專利範圍第1或2項所記載的塑性加工用鋁合金，其中上述鋁合金粉末的平均粒徑爲10〜15 Ομπι，氧化鋁的平均粒徑爲5〜20μιη。 4 · 一種塑性加工用銘合金的製造方法，是在由〇 . 4〜2 · 0 重量％的S i、0 · 4〜2 · 0重量％的M g ;和由含有從f e、Μ η、 Cr中選出一種以上合計0.5〜2.0重量％，且剩餘部分含有無法避免之不純物的A1所形成的鋁合金粉末中混合10〜2 5 重量％的氧化鋁，並在室溫狀態下對該混合粉末加壓成形，以200〜450°C對該成形體實施真空脫氣，並對以 5 0 0〜6 0 0 °C之高溫燒結而成的成形體實施加壓燒結，在此之後實施鍛造加工，而獲得室溫狀態下的彈性係數爲 -16- 200533763 (2) 80GPa以上，水淬處理後的室溫拉伸強度爲3 00MPa以上，且延展性爲5 %以上，不會產生氣泡之成品的結構構件。

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