НЕ СОДЕРЖАЩИЙ СВИНЦА АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ 6ХХХ Российский патент 1999 года по МПК C22C21/00 C22F1/04 

Изобретение относится к области алюминиевых сплавов, в частности, поддающихся механической обработке алюминиевых сплавов. Кроме того, изобретение относится к изделиям, изготовленным из таких сплавов, включая, но не ограничиваясь этим: прутковый материал для изготовления винтов; обработанные начисто в холодном состоянии проволока, пруток, круглый пруток; экструдированные, литые, тянутые или холодно- и горячекатанные проволока, пруток и круглый пруток, экструдированные литые тянутые или горяче- и холоднокатанные кузнечные заготовки.

Из наиболее дешевых продаваемых сплавов известно несколько механических обрабатываемых сплавов алюминия, 2011 и 6262 (Aluminum Association designation). Обычно трудно определить обрабатываемость любого такого сплава. Одна из оценочных или классифицирующих систем, которая используется для классификации обрабатываемости, основана на буквенной шкале, в которой "A" относится к наиболее обрабатываемому сплаву, и последующие оценки "B", "C", "D" и "E" учитывают следующие характеристики:
(1) Размер стружки. Меньшие размеры стружки более желательны: поскольку такая стружка или удаляемый металл заготовки упрощает механическую обработку и способствует тем более эффективному отбору тепла от поверхности соприкосновения режущий инструмент - рабочая заготовка, чем больше стружка. Стружка или осколки не должны слишком маленькими или они препятствуют рециркуляции смазки в течение всей операции механической обработки, как например, сверления или резания. Далее, тонкая стружка, напротив, имеет тенденцию скорее загибаться или закручиваться, чем ломаться. Такая стружка, иногда называемая завитками, может потребовать ручного удаления из зоны обработки и менее эффективна, чем более мелкая стружка при отводе тепла, поскольку более крупная стружка имеет тенденцию блокировать охлаждение смазки.

(2) Износ режущего инструмента.

Для экономии денег более желательны более низкие скорости износа режущего инструмента для увеличения промежутка времени, в течение которого может использоваться режущий инструмент, прежде чем будут повышены заданные допуски для данной заготовки. Более низкие скорости износа режущего инструмента дополнительно увеличивают производительность за счет снижения простоя вследствие перенастройки и переключения режущего инструмента.

(3) Чистая обработка поверхности.

Сплавы, имеющие очень гладкую внешнюю поверхность, обработанную начисто в условиях механической обработки, являются более желательными, поскольку позволяют исключать и уменьшить необходимость в последующих операциях чистой обработки поверхности, например, зачистки и доводки.

(4) Усилия механической обработки.

Более низкие усилия механической обработки более желательны для: снижения энергетических потребностей и количества теплоты трения, выделяющейся в заготовке, режущем инструменте и инструментальной головке; или увлечения величины механической обработки или удаления металла, которое может быть выполнено при тех же самых энергетических потребностях; и
(5) Механические и коррозионные свойства. Такие механические характеристики, как прочность, или другие свойства, как например, коррозийная стойкость, могут быть необязательными с точки зрения обрабатываемости. Они также могут быть достаточно важными в зависимости от конечной цели использования обрабатываемой заготовки. Хотя эта система оценки от "A" до "E" базируется на пяти параметрах, рассмотренных выше, относительная значимость каждого параметра изменяется как функция конечной цели использования каждого данного сплава.

В последнее время сплав 2011 является наиболее популярным алюминиевым механически обрабатываемым сплавом, т.е. соответственно оценивается как "A". Эта композиция содержит около 5 - 6 мас.% Cu, до около 0,3 мас.% Zn, до около 0,7 мас. % Fe, до около 0,4 мас.% Si, около 0,2 - 0,6 мас.% Bi около 0,2 - 0,6 мас.% Pb. Алюминиевый сплав 6262 наиболее часто оценивается как "B", но имеет более высокие уровни прочности и лучшую общую коррозийную стойкость для марок Т8 и Т9 в сравнении с взаимозаменяемыми деталями из 2011-Т3. Состав алюминиевого сплава 6262 включает около 0,8 - 1,2 мас.% Mg, около 0,4 - 0,8 мас.% Si, около 0,15 - 0,4 мас.% Cu, около 0,4 - 0,7 мас.% Pb, около 0,4 - 0,7 мас.% Bi, около 0,04 - 0,14 мас.% Cr, до около 0,7 мас.% Fe, до около 0,25 мас.% Zn, до около 0,15 мас.% Mn и до около 0,15 мас.% Ti.

В ближайшем будущем может быть желательным уменьшить количество свинца во множестве изделий. Законодательство может потребовать снижения уровня или даже исключения его из некоторых потребительских товаров. Следовательно, должны быть необходимыми и желательными не содержащие свинца заменители алюминиевых сплавов 2011 и/или 6262.

Поэтому важно получить, по существу, не содержащий свинца заменитель алюминиевого сплава 6262. Еще одной задачей является создание не содержащего свинца алюминиевого сплава с превосходной обрабатываемостью, в результате чего снижаются производственные затраты за счет ускорения механической обработки. Другой задачей настоящего изобретения является создание сплава, который может заменить сплав алюминия 2011 и/или 6262 в большинстве применений для механической обработки, в частности, тех, где прочностные свойства обработанного начисто изделия относительно менее критичны, чем характеристики обрабатываемости.

Также важно создать улучшенные заготовки для пруткового материала для изготовления винтов, или проволоки, прутковые заготовки и заготовки круглого проката совместно с усовершенствованными способами изготовления этих продуктов или изделий путем литья, подогрева, экструдирования, термической обработки на твердый раствор, окончательной обработки в холодном состоянии и термообработки с различными комбинациями этапов.

Согласно изобретению один из вариантов относится к алюминиевому сплаву, пригодному для механической обработки. Этот сплав, по существу, содержит около 0,15 - 1,0 мас.% меди, около 0,4 - 1,5 мас.% олова, около 0,65 - 1,35 мас. % магния, около 0,4 - 1,1 мас.% кремния, около 0,002 - 0,35 мас.% марганца, до около 0,5 мас.% железа, до около 0,15 мас.% хрома и до около 0,15 мас. % титана, остальное - по существу, алюминий и несущественные элементы и примеси. На предпочтительной основе, этот сплав содержит около 0,45 - 0,7 мас.% меди, около 0,9 - 1,3 мас.% олова, около 0,7 - 0,9 мас.% магния, около 0,45 - 0,75 мас.% кремния, и около 0,01 - 0,05 мас.% марганца. Как показано в настоящем списании далее, этот сплав, по существу, не содержит свинца висмута, никеля, циркония и кадмия. Этот сплав обычно обработан заготовки для пруткового материала для изготовления винтов или одно или более изделий, выбранных их группы, включающей проволоку, прутки, круглый прокат, наиболее предпочтительно, путем литья слитков и последующей горячей деформации.

В настоящем описании, кроме того, описан усовершенствованный способ изготовления заготовок для пруткового материала для изготовления винтов и проволоки, прутков и круглого проката из этого сплава путем литья, подогрева, экструдирования, термической обработки на твердый раствор, окончательной обработки в холодном состоянии и термообработки. предпочтительнее, до Т3, Т8 или И851 (маркировка Aluminum Association). Посредством экструдирования окончательной обработки в холодном состоянии и затем термической обработки на твердый раствор (или закаливания) этот же самый сплав может быть обработан до Т4, Т451, Т6 или Т651. Также возможна дрессировка Т9 посредством термической обработки на твердый раствор, термообработки и окончательной обработки в холодном состоянии, Сплав настоящего изобретения может быть получен непрерывной разливкой с использованием известных и усовершенствованных позже средств, экструдирования в изделия различной формы без окончательной обработки в холодном состоянии, или даже закалки под прессом. После экструзии, изделия, изготовленные из этого сплава, быть подвергнуты дрессировке согласно Т4511, Т6510, Т6511 или другими Т6 технологиями.

Для всех описаний предпочтительных составов сплава все ссылки на процентное содержание даны в весовых процентах (мас.%), если оно не указано иным способом.

При указании численных значений диапазонов, понятно, что эти пределы или диапазоны включают любое и каждое значение и/или долю между минимумом и максимумом указанного диапазона. Диапазон около 0,4 - 1,5 мас.% олова, например, должен определенно включать все промежуточные значения около 0,41, 0,42, 0,43 и 0,5% и вплоть до значений, включающих 1,45, 1,47 и 1,49% Sn. То же самое относится к каждому диапазону другого элемента, указанному ниже.

Используемый в настоящем описании термин "по существу, не содержащий" означает, что в состав сплава умышленно не добавлено существенного количества этого компонента, при этом понятно, что следы случайных элементов и/или примесей могут попасть в желаемый конечный продукт. Например, по существу, не содержащий свинца механически обрабатываемый сплав может содержать менее, чем около 0,1 мас. % Pd, или менее, чем около 0,03 мас.% Pd более предпочтительном случае, вследствие загрязнения несущественными добавками или вследствие контактирования с определенным обрабатывающим и/или удерживающим приспособлением или оборудованием. Все варианты настоящего изобретения, по существу не содержат свинца. Сплав изобретения также, по существу, не содержит висмут, никель, цирконий, кадмий и таллий в наиболее предпочтительном случае.

Используемый в настоящем описании термин "прутковая заготовка для механической обработки" описывает обработанную начисто в холодном состоянии проволоку, пруток или сортовой прокат вместе с любой экструдированной проволокой, прутком и сортовым прокатом, которые могут прокатываться в горячем и холодном состоянии посредством известной металлургической технологии слитка (например, DC литье), или изготовлены иными способом, используя известные или усовершенствованные позднее процессы порошковой металлургии и литья. Термин "холодная обработка" опредиляется в настоящем описании как обработка при, по существу, окружающей температуре, тогда как при "горячей обработке" используют нагретые заготовки для дальнейшей обработки. Понятно, что во многих случаях после горячей обработки может следовать холодная обработка.

При ссылках на любую предпочтительную обработку закалкой с последующим отпуском для этого сплава, включая Т3, Т4, Т451, Т4511, Т6, Т651, Т6510, Т6511, Т8, Т851, и Т9 понятно, что любая современная методика отпуска включает горячую обработку, холодную обработку, закалку на твердый раствор (или закаливание) дисперсионное упрочнение, либо естественное (т.е. при окружающей или комнатной температуре), или искусственное (используя внешний источник тепла). Подробности любого из способов отпуска могут быть изучены в инструкциях Aluminum Association, описание которых полностью приведено здесь для справки.

Хотя алюминиевый сплав настоящего изобретения может быть изготовлен в виде прутковой заготовки и проволоки, прутка или сортового проката, предпочтительнее, посредством экструзии, литья и/или горячей или холодной прокатки, понятно, что этот же сплав может быть изготовлен в других видах и формах изделий, включая лист, полосу, толстолистовой метал, кузнечную заготовку, плакированные или фольгированные изделия, посредством любой известной или разработанной впоследствии технологии, включая непрерывное и полунепрерывное литье.

При упоминании основных легирующих компонентов настоящего изобретения понятно, что остальной, по существу, алюминий может включать некоторое количество несущественных намеренно добавленных элементов, которые могут придать дополнительные свойства изобретению, или ненамеренно добавленные примеси, ни одна из которых не должна изменять неотъемлемые характеристики этого сплава. Относительно основных легирующих элементов, предлагается, что медь способствует общей обрабатываемости сплава, прочности, чувствительности к анодированию, свариваемости, и чувствительности или характеристике коррозионной стойкости. Предполагается, что присутствие олова способствует и обрабатываемости и характеристике искусственного старения. Полагают, что из элементов с меньшим содержанием хром способствует образованию тонко-дисперсных фаз и предотвращению рекристаллизации в процессе горячей обработки или термообработки. Считается, что марганец увеличивает прочность сплава, сопротивление рекристаллизации и сопротивление абразивному износу. Кремний также добавляется для прочности, тогда как железо присутствует как примесь.

Слово рассматривается как жизнеспособный заменитель свинца по нескольким причинам. Олово удовлетворяет большинству критериев, используемых для распознания и усовершенствования, по существу, не содержащего свинца заменителя для алюминиевых сплавов 2011 и/или 6262, а именно:
(1) оно имеет низкий уровень токсичности;
(2) создает минимальное усложнение технологии при использовании для замены в вышеупомянутых алюминиевых сплавах;
(3) образует эвтектику с низкой температурой плавления;
(4) обычно нерастворимо в твердом алюминии;
(5) по существу, не образует интерметаллидов с алюминием; и
(6) имеет суммарное расширение при плавлении.

Предполагается, что одна из существенных характеристик настоящего изобретения вытекает из эффекта плавления олово-магниевой эвтектики, обычно из возрастания температуры в области режущего инструмента в процессе механической обработки. Следовательно, это изобретение может допускать небольшие количества таких других элементов, как серебро, для дополнительного улучшения прочностных свойств без вредного воздействия на вышеупомянутые существенные свойства и характеристики. Доказательством этому служит обратно пропорциональная зависимость между содержанием слова магния в сплаве изобретения. Когда присутствует умеренное количество олова, уровень магния должен поддерживаться сравнительно высоким. Но при низком содержании магния, около 0,9 мас.% и менее содержание олова порядка 0,95 мас.% или выше оказывается более выгодным.

Последующие примеры, для дополнительной иллюстрации задач и преимуществ изобретения. Они не предназначены для ограничения сферы, применения никоим образом.

Из вышеприведенных таблиц видно, что более высокое значение стружки на грамм приравнено к большему количеству стружки и, следовательно, к стружке меньшего размера, что в конечном счете указывает на лучшую обрабатываемость сплава. Используя только этот критерий, эти составы сплава изобретения с более низким содержанием магния и относительно более высоким весовым процентным соотношением олова, в частности, образцы изобретения "b" и "k", показали результаты, лучшие, чем алюминиевый сплав 6262.

Несмотря на то, что в настоящем описании описаны предпочтительные варианты, что изобретение может быть осуществлено и иным способом, не выходящим за пределы сферы применения и духа изобретения, определенные приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к алюминиевому сплаву для механической обработки, содержащему следующие компоненты, мас. %: около 0,15-1,0 меди, около 0,4-1,5 олова, около 0,65-1,35 магния, около 0,4-1,1 кремния, около 0,002-0,35 марганца, до 0,5 железа, до 0,15 хрома, до 0,15 титана, остальное - по существу алюминий. В предпочтительном случае этот сплав содержит около 0,45-0,7 мас. % меди, около 0,9-1,3, мас. % олова, около 0,7-0,9 мас. % магния и около 0,45-0,75 мас. % кремния. Сплав не содержит свинца, висмута, никеля, циркония и кадмия. Также описаны продукты из этого сплава и способ их изготовления. Техническим результатом использования изобретения является получение сплавов с превосходной обрабатываемостью, не содержащих свинца, в результате чего снижаются производственные затраты за счет ускорения механической обработки. 5 с. и 10 з.п.ф-лы., 3 табл.

1. Не содержащий свинца, висмута, никеля, циркония и кадмия сплав на основе алюминия, содержащий: около 0,15 - 1,0 мас.% меди, около 0,4 - 1,5 мас. % олова, около 0,65 - 1,35 мас.% магния, около 0,4 - 1,1 мас.% кремния, около 0,002 - 0,35 мас.% марганца, до около 0,5 мас.% железа, до около 0,15 мас.% хрома, до около 0,15 мас.% титана, остальное - по существу, алюминий. 2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание по меньшей мере одного компонента сплава выбирают из группы: (a) около 0,45 - 0,7 мас.% меди, (b) около 0,9 - 1,3 мас.% олова, (с) около 0,7 - 0,9 мас.% магния, (d) около 0,45 - 0,75 мас.% кремния. 3. Прутковый материал для механической обработки класса А, изготовленный из не содержащего свинца, циркония и висмута сплава на основе алюминия, содержащего, по существу: около 0,15 - 1,0 мас.% меди, около 0,4 - 1,5 мас.% олова, около 0,65 - 1,35 мас.% магния, около 0,4 - 1,1 мас.% кремния, около 0,002 - 0,35 мас.% марганца, до около 0,5 мас.% железа, до около 0,15 мас.% хрома, до около 0,15 мас.% титана, остальное - по существу, алюминий. 4. Материал по п.3, отличающийся тем, что он выполнен из сплава, подвергнутого термообработке до степени твердости, выбранной из группы, включающей Т3, Т4, Т451, Т4511, Т6, Т651, Т6510, Т6511, Т8, Т851 и Т9. 5. Материал по любому из пп.3 и 4, отличающийся тем, что содержание по меньшей мере одного компонента сплава выбирают из группы: (a) около 0,45 - 0,7 мас. % меди, (b) около 0,9 - 1,3 мас.% олова, (с) около 0,7 - 0,9 мас.% магния, (d) около 0,45 - 0,75 мас.% кремния. 6. Изделие, выбранное из группы, включающей проволоку, пруток и сортовой прокат, изготовленное из не содержащего свинца, циркония и висмута сплава на основе алюминия, содержащего, по существу: около 0,15 - 1,0 мас.% меди, около 0,4 - 1,5 мас.% олова, около 0,65 - 1,35 мас.% магния, около 0,4 - 1,1 мас.% кремния, около 0,002 - 0,35 мас.% марганца, до около 0,5 мас.% железа, до около 0,15 мас.% хрома, до около 0,15 мас.% титана, остальное - по существу, алюминий. 7. Изделие по п.6, отличающееся тем, что выполнено из сплава, подвергнутого термообработке до степени твердости, выбранной из группы, включающей Т3, Т4, Т451, Т4511, Т6, Т651, Т6510, Т6511, Т8, Т851 и Т9. 8. Изделие по п.6, отличающееся тем, что изготовлено посредством способа, выбранного из группы, включающей: экструзию, литье, горячую и холодную прокатку и их комбинацию. 9. Изделие по любому из пп.6 - 8, отличающееся тем, что содержание по меньшей мере одного компонента сплава выбирают из группы: (a) около 0,45 - 0,7 мас. % меди, (b) около 0,9 - 1,3 мас.% олова, (с) около 0,7 - 0,9 мас.% магния, (d) около 0,45 - 0,75 мас.% кремния. 10. Способ изготовления изделия из обрабатываемого сплава на основе алюминия, выбранного из группы, содержащей: прутковую заготовку для механической обработки, окончательно обработанные в холодном состоянии проволоку, круглый пруток или пруток, экструдированные проволоку, круглый пруток или пруток, литую проволоку, круглый пруток или пруток, горяче- или холоднокатаные проволоку, круглый пруток или пруток, включающий получение сплава, не содержащего свинца, циркония и висмута, литье, подогрев, экструдирование, закалку на твердый раствор и термообработку сплава на основе алюминия, при этом получают сплав, содержащий, по существу: около 0,15 - 1,0 мас.% меди, около 0,4 - 1,5 мас.% олова, около 0,65 - 1,35 мас.% магния, около 0,4 - 1,1 мас.% кремния, около 0,002 - 0,35 мас.% марганца, до около 0,5 мас.% железа, до около 0,15 мас.% хрома, до около 0,15 мас.% титана, остальное - по существу, алюминий. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что сплав подвергают термообработке до степени твердости, выбранной из группы, включающей Т3, Т4, Т451, Т4511, Т6, Т651, Т6510, Т6511, Т8, Т851 и Т9. 12. Способ по любому из пп. 10 и 11, отличающийся тем, что получают сплав, в котором содержание по меньшей мере одного компонента сплава выбирают из группы: (a) около 0,45 - 0,7 мас.% меди, (b) около 0,9 - 1,3 мас.% олова, (с) около 0,7 - 0,9 мас.% магния, (d) около 0,45 - 0,75 мас.% кремния. 13. Способ изготовления изделия из механически обрабатываемого алюминиевого сплава посредством литья, экструдирования, закалки на твердый раствор и термообработки заготовки алюминиевого сплава, при этом способ включает получение в виде заготовки алюминиевого сплава, не содержащего свинца, циркония и висмута, состава, включающего, по существу: около 0,15 - 1,0 мас. % меди, около 0,4 - 1,5 мас.% олова, около 0,65 - 1,35 мас.% магния, около 0,4 - 1,1 мас. % кремния, около 0,002 - 0,35 мас.% марганца, до около 0,5 мас. % железа, до около 0,15 мас.% хрома, до около 0,15 мас.% титана, остальное - по существу, алюминий. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что заготовку подвергают термообработке до степени твердости, выбранной из группы, включающей Т3, Т4, Т451, Т4511, Т6, Т651, Т6510, Т6511, Т8, Т851 и Т9. 15. Способ по любому из пп. 13 и 14, отличающийся тем, что получают сплав, в котором содержание по меньшей мере одного компонента сплава выбирают из группы: (a) около 0,45 - 0,7 мас.% меди, (b) около 0,9 - 1,3 мас.% олова, (с) около 0,7 - 0,9 мас.% магния, (d) около 0,45 - 0,75 мас.% кремния.