铝热加工的优化的制作方法

本申请涉及并且要求2015年10月8日提交的题为《铝热加工的优化(OPTIMIZATION OF ALUMINUM HOT WORKING)》的美国临时申请第62/238,960号(“'960申请”)的优先权权益。'960申请全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于热加工或热成形铝和优化制造变量的方法。

背景技术：

铝合金可被分组成两个类别：热可处理合金和非热可处理合金。热可处理合金能够在适当热处理期间加强和/或硬化，而通过加热和冷却非热可处理合金可实现没有显著加强。在2xxx、6xxx和7xxx系列中的合金(和一些8xxx合金)为热可处理的。在1xxx、3xxx、4xxx和5xxx系列中的合金(和一些8xxx合金)为非热可处理的。热加工为在不发生应变硬化(即，冷加工)的这类温度和速率下金属的塑性变形。

热可处理铝合金组分(“组分”)可经历溶液热处理。溶液热处理可包括三个阶段：(1)溶液加热，这可包括同时加热和浸泡(在给定温度下)组分；(2)淬火；和(3)时效化。加热和浸泡步骤溶解大粒子并且将粒子分散为较小沉淀物或溶解的原子(充当可溶硬化元素)以增强组分。淬火或快速冷却有效地将溶解的元素冷冻或锁定在原地(即，仍然分散)以在室温下的溶液中产生比在缓慢冷却下将以其他方式发生的具有更多合金化元素的固体溶液。

时效化步骤使合金化元素溶解于固体溶液中以迁移通过冷却金属(甚至在室温下)但不与其在高温下可迁移一样快或一样远。因此，溶解的合金化元素的原子可缓慢聚集以形成具有在其之间相对较短距离，但不大、广泛隔开的粒子的小沉淀物。小位错钉扎沉淀物的数量和高密度给予合金其强度和硬度，因为与主要元素(铝)的弹性模量相比，沉淀物具有不同弹性模量，并且因此抑制位错的移动，这通常为可塑性最显著的载剂。时效化可为天然的或人工的。一些合金通过在较短时间(即，几天或几周)内“天然时效化”达到几乎最大强度。然而，在室温下，一些合金将明显地增强数年。为了加速沉淀，这些合金经历“人工时效化”，这包括将组分在中等提高温度下维持有限的时间，这提高溶解的元素的移动性并且使其比在室温下更快速沉淀。

常规地，因为一些合金在室温下具有差可成形性(即，在不被破坏的情况下经历塑性变形的能力)，以将这些合金的组分成型为期望的几何形状，所以这些组分可在溶液加热之后并且在处于或接近于固溶化温度的温度淬火之前经历热加工(或热成形)。举例来说，参见美国专利申请公开2012/0152416('416公开)，其描述在加热站与成形压力机之间的传送应尽可能快以避免来自铝的热损失(参见段落[0035]和图1)。热加工或热成形方法可包括(例如)牵拉、挤出、锻造、热金属气体成形和/或轧制。

存在热加工一些铝合金(具体来说，7xxx合金)的已知问题，其中组分呈现不符合要求的变形性。举例来说，参见N.M.Doroshenko等人,铁和硅的掺合物对在来自合金7075的大平坦锭的轧制中的近边缘体积的结构和开裂的影响(Effect Of Admixtures Of Iron And Silicon on the Structure and Cracking of Near-Edge Volumes in Rolling of Large Flat Ingots from Alloy 7075),《金属科学和热处理(Metal Science and Heat Treatment)》,第47卷,第1-2期,2005在第30页(“Doroshenko”)。Doroshenko着重于7xxx和所得开裂的热轧。为了解决此问题，Doroshenko描述7xxx合金的具体化学组成的分析和建议的指南。

需要在热成形工艺期间改进铝合金(特别地7xxx合金)的变形性而不穷尽性的分析和改性合金的化学组成。

技术实现要素：

用于此专利的术语“本发明(invention)”、“本发明(the invention)”、“本发明(this invention)”和“本发明(the present invention)”旨在广泛地指此专利和随附专利权利要求书的所有主题。含有这些术语的陈述应理解为不限制本文所述的主题或不限制以下专利权利要求书的涵义或范围。此专利涵盖的本发明的实施例由以下权利要求书而不是此发明内容限定。此发明内容为本发明的各种方面的高阶综述并且引入一些进一步描述于以下具体实施方式部分中的概念。本发明内容不旨在识别所要求的主题的关键特征或基本特征，也不旨在单独用于确定所要求的主题的范围。主题应参考此专利的整个说明书的适当部分、任何或所有附图和每一权利要求来理解。

根据本发明的某些实例，热成形铝合金组分的方法包含：在加热炉中将铝合金组分加热到固溶化温度；将铝合金组分冷却到在大约380℃到大约470℃的范围内的期望成形温度；在铝合金组分处于期望成形温度时，在成形装置中使铝合金组分变形成期望形状；和将铝合金组分淬火到低于溶线温度的低温，其中低温处于大约0℃到大约280℃的范围内。

在一些实例中，铝合金组分包含7xxx合金。在某些实例中，铝合金组分包含7075合金。

在一些情况下，期望成形温度范围可为大约390℃到大约460℃，或在大约400℃到大约440℃的范围内。在一些情况下，期望成形温度为大约425℃。

在某些实例中，固溶化温度处于大约400℃到大约600℃的范围内。在一些实例中，固溶化温度处于大约420℃到大约590℃或大约460℃到大约520℃的范围内。在一些实例中，固溶化温度的最小值为480℃，并且在一些情况下，等于大约480℃。

在某些实例中，热成形铝合金组分的方法包括人工时效化铝合金组分。

在一些实例中，热成形铝合金组分的方法包括在铝合金组分的变形期间维持恒定温度，其中恒定温度保持为±10℃

在一些实例中，铝合金组分包含锭，成形装置包含轧机，并且期望形状包含板或片。在一些情况下，成形装置为成形压力机。

在一些实例中，热成形铝合金组分的方法包括将铝合金组分维持在固溶化温度预定时间。

在某些实例中，热成形铝合金组分的方法包括将铝合金组分从加热炉通过绝缘壳体传送到成形装置。

在一些实例中，淬火包含用内部流动通过模具的水模具淬火，使得铝合金组分以大约50摄氏度/秒的最低速率冷却。冷却速率可在大约50摄氏度/秒和大约500摄氏度/秒之间，并且，在一些实例中，可在300摄氏度/秒和大约350摄氏度/秒之间。

根据某些实例，热成形铝合金组分的方法包含：在加热炉中将铝合金组分加热到大约480℃的固溶化温度；将铝合金组分冷却到在大约400℃到大约440℃的范围内的期望成形温度；在铝合金组分处于期望成形温度时，在成形装置中使铝合金组分变形成期望形状；在铝合金组分的变形期间维持恒定温度，其中恒定温度保持为±10℃；和将铝合金组分淬火到低于溶线温度的低温，其中低温为大约23℃。

在一些实例中，铝合金组分包含7xxx合金。在某些实施例中，铝合金组分包含7075合金。

在某些实例中，热成形铝合金组分的方法包括人工时效化铝合金组分。

在一些实例中，铝合金组分包含锭，成形装置包含轧机，并且期望形状包含板或片。

在某些实例中，成形装置包含成形压力机。

在一些实例中，热成形铝合金组分的方法包括将铝合金组分维持在固溶化温度预定时间。

在某些实例中，热成形铝合金组分的方法包括将铝合金组分从加热炉通过绝缘壳体传送到成形装置。

在一些实例中，淬火包含用内部流动通过模具的水模具淬火，使得铝合金组分以在大约50摄氏度/秒和大约500摄氏度/秒之间的速率冷却。

本文所描述的方法可防止对于铝合金(包括7xxx合金，如(但不限于)7075合金)在热轧工艺期间在锭上边缘开裂。此外，所公开的方法可用于优化接合方法和其它成形方法，如热气成形、牵拉、挤出和锻造。这些优化可提高生产效率、改进产率、降低能量消耗、减少废品和改进总生产率。对7xxx合金的热成形的这些改进可具有对于多种行业的显著暗示，其中例如运输和航空行业，特别地机动车(如汽车和卡车)的制造期望高强度重量比材料。

附图说明

下文参考以下附图详细描述说明性但是非限制性的本发明的实施例。

图1为热成形铝合金组分的示例性方法的示意图。

图2为图1的方法的温度图。

图3为对于多种温度受压试验的铝合金组分的应力-应变图。

图4示出对于多种温度铝合金拉伸试验样品。

图5为对于多种温度受拉试验的铝合金组分的应力-应变图。

图6A为对于多种温度受拉试验的铝合金组分的应力-应变图。

图6B为对于多种温度受拉试验的铝合金组分的应力-应变图。

图6C为对于多种温度受拉试验的铝合金组分的应力-应变图。

图7A为示出铝合金组分的晶粒结构的放大图。

图7B为示出铝合金组分的晶粒结构的放大图。

图7C为示出铝合金组分的晶粒结构的放大图。

图8A为在以多种速率加热之后受拉试验的铝合金组分的应力-应变图。

图8B为在以多种速率加热之后受拉试验的铝合金组分的应力-应变图。

图9A为示出在大约10秒内加热到固溶化温度的铝合金组分的晶粒结构的放大图。

图9B为示出在大约5分钟内加热到固溶化温度的铝合金组分的晶粒结构的放大图。

具体实施方式

此部分描述用于热成形铝合金的方法的非限制性实例并且不限制所要求的主题的范围。所要求的主题可以其它方式体现，可包括不同元件或其它属性，并且可结合其它现有或将来的技术使用。本说明书不应被解释为需要在多种元件中或在多种元件之间的任何具体顺序或布置。

在本说明书中，参考通过AA数值和其它相关标识(如“系列”)识别的合金。用于理解最常用于命名和识别铝和其合金的数字名称系统，参见“用于锻铝和锻铝合金的国际合金名称和化学组成限制(International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys)”或“用于呈铸件和锭形式的铝合金的铝业协会合金名称和化学组合物限制的登记记录(Registration Record of Aluminum Association Alloy Designations and Chemical Compositions Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot)”，两者均由铝业协会(The Aluminum Association)公布。

图1-9B说明热加工铝合金组分的实例。如图1和2所示，热成形铝合金组分(例如组分50)的方法可包括从合金坯料104的供应去除组分50，在加热炉103中将组分50加热到固溶化温度Y，将组分50冷却到期望成形温度T_F，在组分50处于期望成形温度T_F时，在成形装置102中使组分50变形成期望形状，将组分50淬火到低于溶线温度X的低温，和人工时效化组分50。

为了有效地热成形7xxx铝合金组分，必须将组分加热以提高延展性(即，材料可变形到的而不被破坏的程度的测量)和消除应变硬化。一般来说，铝的延展性随温度提高而提高。然而，已经对7xxx合金进行拉伸和压缩试验实验，这与此特征矛盾。举例来说，图4示出对于7075合金的四个“狗骨”拉伸试验试样。第一试样401来自在425℃下完成的拉伸试验。三个剩余试验试样来自较高温度试验(25℃递增)，其中402来自450℃拉伸试验，403来自475℃拉伸试验，并且404来自500℃拉伸试验。如图4所示，分别来自在475℃和500℃下进行的实验的样品403和404与425℃样品401相比呈现显著较低延展性。换句话说，500℃试样404比425℃样品401变形显著较小(即，通过在纵向方向上拉伸的塑性变形)。425℃样品401和450℃样品402在失效之前示出显著更大颈缩。这些拉伸试验的结果支持7xxx铝(特别地，7075铝)不示出随温度提高持续提高延展性的结论。具体来说，如图4所示，7075铝呈现在超过阈值温度之后延展性随温度提高而降低。阈值温度似乎在400℃和450℃之间。此外，在这些高温下延展性降低已在热轧呈现边缘开裂的7075锭的实验室试验中证实。

断裂表面(如在图4中示出的那些的样品)的详细检查揭示符合对于425℃样品401的延性断裂的相异的杯锥形凹陷断裂，而475℃样品403的表面揭示符合脆性断裂的晶粒间断裂。在一些实例中，通过查看样品的放大图像(如经由SEM显微图)进行详细检查。

对于多种温度用7xxx样品使用Gleeble 3800热机械仿真器(由纽约波斯顿科尔的Dynamic Systems公司(Dynamic Systems Inc.in Poestenkill,N.Y.)制造)进行压缩试验。对于7075样品以10秒^-1的恒定应变速率直到0.5的应变进行压缩试验。图3说明在以20℃递增400℃到480℃的温度下压缩试验的应力-应变曲线。在图3中的曲线示出初始(大约线性的)弹性变形区域301和塑性变形区域302。460℃和480℃样品各自在压缩负载下失效并且呈现开裂。480℃样品在试验期间完全失效(开裂)。如图3所示，流动应力(即，使材料持续塑性变形所需要的应力的瞬时值)随温度提高而降低。

除了压缩试验之外，拉伸试验的结果在图5中示出。图5示出在390℃、400℃、410℃、420℃、425℃、430℃、440℃、450℃和475℃的温度下拉伸试验的应力-应变曲线。结果示出当温度提高时流动应力下降(类似于在图3中的压缩结果)。结果进一步示出在随成形温度提高失效之前真应变降低。在低于或大约425℃(例如大约390℃、大约400℃、大约410℃、大约420℃和大约425℃)的温度下成形的样品在失效之前示出大于大约0.44％的真应变百分比。在大于大约425℃(例如大约430℃、大约440℃、大约450℃和大约475℃)的温度下成形的样品在失效之前示出显著降低的真应变。如图5所示，合金强度随成形温度提高而降低。

基于前述实验和后续结论，本文描述用于热加工7xxx铝合金组分的新方法。

如图1所示，从合金坯料104的供应去除组分50并且插入到中加热炉103中。图2说明组分50的温度的改变。在进入加热炉103之后，将温度提高(参见在图2中的201)高于溶线温度X(即，固体溶解度的极限)。一旦组分50达到目标固溶化温度Y，将组分50维持在固溶化温度Y下预定时间202。固溶化温度Y在大约400℃和大约600℃之间。在一些情况下，固溶化温度处于大约420℃到大约590℃的范围内或大约460℃到大约520℃的范围内。在一些实例中，固溶化温度Y的最小值为480℃，并且在一些情况下，等于大约480℃。用于将组分50维持在固溶化温度Y下的预定时间取决于用于溶液加热的具体组分50并且可为至多30分钟。

在完成溶液加热之后，将组分50有意冷却(参见在图2中的203)到期望成形温度T_F(参见在图2中的204)。在成形之前此冷却步骤203与'416公开矛盾，这明确公开立即成形并且在成形试图在如果不等于那么接近于热处理温度的温度下成形之前需要最小热损失。

在一些实例中，冷却步骤203在从加热炉103传送到成形装置102期间发生。如图1中所示，组分50可经由绝缘壳体101传送。在加热炉103和成形装置102之间的传送在预定时间内发生。此预定时间可为若干分钟，例如1、2或3分钟。在一些非限制性实例中，此预定时间可小于60秒并且，具体来说，可大约20秒。

一旦组分50达到期望成形温度T_F，成形工艺204(图2)在成形装置102(图1)中发生。如图2所示，组分50的温度在成形工艺期间可保持大约恒定在期望成形温度T_F下。成形温度T_F可为在大约380℃到大约470℃的范围内，例如在大约390℃到大约460℃的范围内或在大约400℃到大约440℃的范围内的任何温度。组分50的温度例如可保持恒定在期望成形温度T_F±10℃下，可保持恒定在期望成形温度T_F±5℃下，或可保持恒定在期望成形温度TF±1℃下。在一些实例中，在成形装置102中在成形工艺期间热可施用到组分50以确保组分50维持在期望成形温度T_F下。

还评估对于组分50加热速率对固溶化温度Y的影响，并且表征延展性和微观结构两者。在以下大约时段内将组分50样品加热到固溶化温度Y(大约480℃)：10秒、5分钟和15分钟。图8A示出在固溶化热处理之后当冷却到并且维持在425℃下时组分50的拉伸特征。当迅速加热(大约10秒)时，组分50呈现显著降低的延展性，以及较小粒度(参见图9A)。具体来说，如图8A所示，与对于其它说明的速率在大于0.5％下失效相比，对于10秒加热的样品的失效在小于0.35％应变下发生。以较低速率(即，较长时间)将组分50加热到固溶化温度Y，达到较高延展性和对应的更大粒度(参见图9B，其示出具有比在图9A中示出的10秒加热的样品更大粒度的5分钟加热的样品的放大图)。图8B示出在固溶化热处理之后当冷却到并且维持在450℃下时组分50的高温拉伸特征。来自在425℃下试验的样品的组分50的延展性显著降低。此外，如图8B所示，与对于其它说明的速率在大约0.3％下失效相比，对于10秒加热的样品的失效在大约0.2％应变下发生。

根据组分50的微观结构评估在高于约420℃的温度下延展性的降低。图6A表明与在大约425℃下的样品相比对于在大约450℃(拉伸条件)下试验的样品延展性大约降低60％。对于此合金的微观结构在图7A中示出，其中大约粒度(或大约直径)为约10微米。图6B表明与在大约425℃下的样品相比对于在大约450℃(拉伸条件)下试验的样品延展性大约降低50％。对于此合金的微观结构在图7B中示出，其中大约粒度(或大约直径)为约25微米。在一些实施例中，粒度为大约15-35微米。图6C表明与在大约425℃下的样品相比对于在大约450℃(拉伸条件)下试验的样品延展性大约降低7％。对于此合金的微观结构在图7C中示出，其中大约粒度(或大约直径)为约75微米。在一些实施例中，粒度为大约65-85微米。基于这些实验，7xxx铝合金的高温可成形性似乎取决于粒度。举例来说，如图6A和6C所示，当比较75微米和10微米的大约粒度时，在425℃下较大粒度产生较高延展性(与大约0.5％应变相比，在大约0.55％应变下失效)。此外，如图6A和6C所示，当比较75微米和10微米的大约粒度时，在450℃下较大粒度产生显著较高延展性(与大约0.2％应变相比，在大约0.5％应变下失效)。

基于上文所述实验，已确定期望成形温度T_F在大约380℃到大约470℃的范围内，例如在大约390℃到大约460℃的范围内，或在大约400℃到大约440℃的范围内。在一些情况下，期望成形温度T_F为大约425℃。组分50必须足够热以确保充分可成形性；然而，如图4所示，在高温下，7075铝合金组分随温度提高(具体地在450℃-475℃和更高的温度下)变得延性较小并且越来越脆。

成形工艺204在成形装置102中发生，所述成形装置102可为成形压力机(即，包括模具)、轧机，或任何其它合适的成形装置。在一些实例中，成形工艺204持续几秒(例如小于10秒)。

在完成成形工艺之后，在图2中205处将组分50淬火到低温。低温可为大约0℃到大约280℃，或可为大约5℃到大约40℃，或在某些实施例中可为大约23℃。在一些情况下，淬火在具有内部水冷却的闭合模具中发生，使得冷却水在模具中流动通过内部通道。组分50可以大约50摄氏度/秒的最低速率冷却。冷却或淬火速率可在大约50摄氏度/秒和大约500摄氏度/秒之间，或可在300摄氏度/秒和大约350摄氏度/秒之间。在一些情况下，对于较高淬火速率(如大于300摄氏度/秒)观察到更有利的材料特性。

如图2所示，在完成淬火工艺205之后，组分50可经历人工时效化处理206。具体来说，人工时效化处理206可包括在大约100℃到150℃(在一些情况下，大约125℃)的温度下热处理大约24小时。在一些情况下，组分50可经历双时效化处理，包括在大约100℃到150℃(在一些情况下，大约125℃)的温度下热处理1-24小时，随后在大约180℃下热处理大约20-30分钟。

与附图中所描绘的或上文描述的不同的物体布置以及未示出或描述的特征和步骤是可能的。类似地，一些特征和子组合是有用的，并且可不参照其它特征和子组合而采用。本发明的实施例已经出于说明性和不限定性目的进行描述，并且替代实施例将对于此专利的读者变得显而易见。因此，本发明不限于上文描述或在附图中描绘的实施例，并且在不脱离下文权利要求的范围的情况下可作出各种实施例和修改。