改进的6xxx铝合金及其生产方法
【专利说明】改进的6XXX铝合金及其生产方法
[0001] 本申请是申请日为2011年9月8日、申请号为201180043288. 5、发明名称为"改 进的6XXX铝合金及其生产方法"的发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的夺叉参考
[0003] 本专利申请要求2010年9月8日提交的美国临时专利申请No. 61/381，040、2010 年10月8日提交的美国临时专利申请No. 61/391，46U2010年12月20日提交的美国临时 专利申请No. 61/425, 024和2011年1月28日提交的美国临时专利申请No. 61/437,515中 的每一份的优先权。上述专利申请的每一份的全部内容均通过引用结合在本文中。
[0004] 本专利申请也与2011年9月8日提交的名称为"改进的2XXX铝合金及其生产方 法"的PCT专利申请No. PCT/US2011/050876、2011年9月8日提交的名称为"改进的7XXX 铝合金及其生产方法"的PCT专利申请No. PCT/US2011/050868和2011年9月8日提交的 名称为改进的铝锂合金及其生产方法的PCT专利申请No. PCT/US2011/050884有关。
【背景技术】
[0005] 铝合金在多种应用中是有用的。然而，改进铝合金的一种性能而不损害另一种性 能是难以实现的。例如，在不降低合金的韧性的情况下增加合金的强度是困难的。铝合金 的令人感兴趣的其他性能包括耐蚀性和抗疲劳裂纹扩展速率，仅举两个例子。
【发明内容】
[0006] 大体上讲，本专利申请涉及改进的锻造、可热处理的铝合金及其生产方法。具体 地，本专利申请涉及改进的锻造6xxx错合金产品及其生产方法。通常，6xxx错合金产品 由于例如固溶后冷加工和冷加工后热处理等获得改进的综合性能，如下文进一步详细地描 述。
[0007] 6xxx铝合金是含有硅和镁的铝合金，其中硅和镁的至少之一为除铝之外在铝合 金体中占优的合金元素。出于本申请的目的，6xxx错合金是具有0.1 - 2. Owt.%的娃和 0. 1 -0. 3wt.%的镁的铝合金，其中，硅和镁的至少之一为除铝之外在铝合金体中占优的合 ^&兀!素。
[0008] 图1示出了用于生产乳制形式的6xxx铝合金产品的常规方法。在这种常规方 法中，6 XXX铝合金体（10)被铸造，此后将该铝合金体均匀化（11)并随后热乳至中等厚度 (12)。接着，将6xxx将铝合金体冷乳（13)至最终厚度，此后对其进行固溶热处理并淬火 (14)。"固溶热处理和淬火"等等在本文中通称作"固溶"，意指将铝合金体加热到合适的温 度，通常在溶线温度以上，在该温度保持足够长的时间以允许可溶性元素进入到固溶体中， 并且足够快速地冷却以将所述元素保持在固溶体中。可以通过足够快速的冷却限制溶质原 子沉积为粗糙的、不相干的粒子的方式，将在高温形成的固溶体保持在过饱和态。在固溶后 (14)，可以任选地将6xxx铝合金体少量（例如，1-5%)拉伸（15)以实现平整，进行热处理 (16)以及任选地经过最后的处理操作（17)。图1与用于生产T6状态的铝合金的工艺路径 一致（T6状态在本申请的下文中定义）。
[0009] 图2示出了一个用于生产新6xxx铝合金产品的新方法的实施方案。在这种新方法 中，制备6 XXX铝合金体（100)用于固溶后冷加工，此后对该铝合金体进行冷加工（200)，并 且随后进行热处理（300)。该新方法也可以包括任选的最终处理（400)，如下文进一步详细 地描述。"固溶后冷加工"等等意指铝合金体在固溶后的冷加工。应用至6 XXX铝合金体的 固溶后冷加工的量通常是至少25%，例如大于50%的冷加工。通过第一固溶处理，和随后 至少25 %的冷加工，和随后将6xxx铝合金体适当地热处理，6xxx铝合金体可以实现改进的 性能，如下文进一步详细地描述。例如，相对于T6状态的常规铝合金产品，可以获得5-25% 或更高的强度增加，并且在将这些常规铝合金产品加工成T6状态所需要的时间的一部分 内（例如，比T6状态加工的合金快10% -90% )获得这种强度增加。新6XXX铝合金体也 可以获得良好的延展性，通常获得高于4%的延伸率，例如6-15%或更高的延伸率。也可以 保持和/或改进其他性能（例如，断裂韧性、耐蚀性、抗疲劳裂纹扩展性、外观）。
[0010] A.制备用于固溶后冷加工
[0011] 如图2中所示，这种新方法包括制备用于固溶后冷加工（100)的铝合金体。可以 以多种方式制备用于固溶后冷加工（1〇〇)的铝合金体，包括使用常规的半连铸法（例如，铸 锭的直冷铸造）和连铸法（例如，双辊连铸）。如图3中所示，制备步骤（100)通常包括将 铝合金体设置成适合冷加工的形式（120)，并对该铝合金体进行固溶处理（140)。设置步 骤（120)和固溶步骤（140)可以依次出现或伴随彼此出现。多种制备步骤（100)的一些非 限制性实例在图4至图8中示出，这在下文中进一步详细地描述。制备用于固溶后冷加工 (100)的铝合金体的其他方法对于本领域技术人员来说是熟知的，而且尽管本文中没有明 确地描述，这些其他方法也在本发明的制备步骤（100)的范围。
[0012] 在一种方案中，制备步骤（100)包括半连铸法。在一个实施例中，并参照图4,所 述设置步骤（120)包括铸造铝合金体（122)(例如，以铸锭或坯锭的形式），将铝合金体均 匀化（124)，热加工铝合金体（126)和任选地冷加工铝合金体（128)。在设置步骤（120)之 后，完成固溶处理步骤（140)。尽管铝合金体在铸造后（120)将不以铸锭/坯锭的形式，但 可以使用连铸操作完成类似步骤。
[0013] 在另一个实施例中，并参照图5,制备步骤（100)包括铸造铝合金体（122)，将该 铝合金体均匀化（124)并热加工该铝合金体（126)。在本实施例中，可以完成热加工步骤 (126)以将可溶性元素置于固溶体中，此后将该铝合金体淬火（未示出），从而导致固溶处 理步骤（140)。这是设置步骤（120)和固溶处理步骤（140)伴随彼此完成的一个实施例。 本实施例可适用于模压淬火的产品（例如，型材）和热乳后被淬火的热乳产品等等。
[0014] 在另一个方案中，制备步骤（100)包括连铸法，如带式连铸、杆材浇铸、双辊连铸、 双带式连铸（例如，黑兹利特（Hazelett)铸造）、牵引铸造（drag casting)和块铸等等。 制备步骤（1〇〇)的一个实施方案使用图6所示的连铸法。在这个实施例中，在大约相同的 时间（即彼此伴随地）铸造并固溶铝合金体（142)。铸造将铝合金体设置成足以冷加工的 形式。当铸造期间的固化速率足够迅速时，铝合金体也被固溶。在这个实施例中，铸造/固 溶处理步骤（142)可以包括在铸造后将铝合金体淬火（未显示）。本实施例可适用于双辊 连铸法以及其他铸造法。能够完成图6的方法的一些双辊连铸法在美国专利No. 7, 182, 825 和美国专利No. 6, 672, 368中被描述。
[0015] 在另一个实施例中，并参照图7,制备步骤（100)包括铸造铝合金体（122)，以及在 铸造步骤（122)后，再将铝合金体固溶处理（140)。在这个实施例中，设置步骤（120)包括 铸造（122)。本实施例适用于双辊连铸法以及其他铸造法。
[0016] 在另一个实施例中，并参照图8,制备步骤（100)包括铸造铝合金体（122)，热加工 铝合金体（126)，和任选地冷加工铝合金体（128)。在这个实施例中，设置步骤（120)包括 铸造步骤（122)、热加工步骤（126)和任选的冷加工（128)步骤。在设置步骤（120)之后， 完成固溶处理步骤（140)。本实施例可适用于连铸法。
[0017] 图2至图8中所示的许多步骤可以以批量方式或连续方式完成。在一个实例中， 冷加工步骤（200)和热处理步骤（300)被连续地完成。在这个实例中，被固溶的铝合金体 可以在环境条件下进入冷加工操作。鉴于本文所述的新方法可获得相对短的热处理时间， 可以在冷加工后（例如，直列式）将冷加工的铝合金立即进行热处理（300)。可以想到，这 类热处理可以在邻近冷加工装置的出口处发生，或者在与冷加工装置连接的单独的加热装 置中发生。这可以提高生产率。
[0018] 如上所述，制备步骤（100)通常包括铝合金体的固溶。如上所述，"固溶"包括铝合 金体的淬火（未示出），所述淬火可以借助液体（例如，借助水溶液或有机溶液）、气体（例 如，冷却空气）或甚至固体（例如，铝合金体一个或更多侧面上冷却的固体）完成。在一个 实施例中，淬火步骤包括使铝合金体与液体或气体接触。在这些实施方案的一些中，淬火在 不存在铝合金体的热加工和/或冷加工的情况下发生。例如，淬火可以在不存在铝合金体 的变形的情况下通过浸没、喷雾和/或喷射干燥等等技术发生。
[0019] 本领域技术人员认识到可以使用其他制备步骤（100)制备用于固溶后冷加工的 铝合金体（例如，粉末冶金方法），并且认识到这类其他制备步骤落在制备步骤（1〇〇)的范 围内，只要它们将铝合金体设置成适合冷加工的形式（120)并将该铝合金体固溶（140)，并 且无论这些设置步骤（120)和固溶处理步骤（140)是否伴随发生（例如，同时地）或依次 发生，并且无论设置步骤（120)是否在固溶处理步骤（140)之前发生，或反之亦然。
[0020] B.冷加工
[0021] 再次参照图2,并且如上所述，这种新方法包括冷加工（200)大量铝合金体。"冷 加工"等等意指在至少一个方向和低于热加工温度的温度使铝合金体变形（例如，不高于 400° F)。可以通过乳制、挤压、锻造、牵拉、变薄拉伸（ironing)、旋压、滚压成型的一种或 多种及其组合以及其他类型的冷加工方法进行冷加工。这些冷加工方法至少可以部分地有 助于生产各种6 XXX铝合金产品（参见下文产品应用）。
[0022] i ?冷乳
[0023] 在一个实施例中，并参照图9,冷加工步骤（200)包括冷乳步骤（220)(并且在一些 包括冷乳步骤（220)的实例中，通过任选的拉伸或矫直以实现平整（240))。在这个实施例 中，并且如上所述，冷乳步骤（220)在固溶处理步骤（140)之后完成。冷乳步骤（220)是一 种通常借助由辊子施加的压力使铝合金体厚度减小，并且铝合金体在低于热乳（124)所用 的温度（例如，不高于400° F)进入乳制设备的制造技术。在一个实施例中，铝合金体在环 境条件下进入乳制设备，即，在本实施例中冷乳步骤（220)在环境条件下开始。
[0024] 冷乳步骤（220)将6xxx铝合金体的厚度减少至少25%。冷乳步骤（220)可以在 一个或多个乳制道次中完成。在一个实施例中，冷乳步骤（220)将铝合金体从中等厚度乳 制到最终厚度。冷乳步骤（220)可以生产薄板、板材或箱产品。箱产品是具有小于0.006 英寸的厚度的乳制产品。薄板产品是具有0.006英寸至0.249英寸的厚度的乳制产品。板 材产品是具有0. 250英寸或更大的厚度的乳制产品。
[0025] "冷乳XX% "等等意指XXCR%，其中XXCR%是通过冷乳将铝合金体从第一厚度1\减 少到第一厚度1 2时所实现的厚度减少量，其中是冷乳步骤（200)前（例如，在固溶后） 的厚度，T2是冷乳步骤（200)后的厚度。换句话说，XX eR%等于：
[0026] XXCR%= (1 -VT^^lOO%
[0027] 例如，当铝合金体从第一厚度〇\) 15. 0mm减少到第二厚度（T2) 3. 0mm时，XXeR%是 80%。短语如"冷乳（cold rolling) 80%" 和"冷乳（cold rolled) 80%" 与表达式 XXCR% =80%等效。
[0028] 在一个实施例中，将铝合金体冷乳（220)至少30 % (XXeR %彡30 % )，即，厚度减少 至少30%。在其他实施方案中，将铝合金体冷乳（220)至少35% (XXeR%彡35% )，或至少 40% (XXGR% 彡 40%)，或至少 45% (XXGR% 彡 45%)，或至少 50% (XXGR% 彡 50%)，或至少 55% (XXGR% 彡 55%)，或至少 60% (XXGR% 彡 60%)，或至少 65% (XXGR% 彡 65%)，或至少 70% (XXGR% 彡 70%)，或至少 75% (XXGR% 彡 75%)，或至少 80% (XXGR% 彡 80%)，或至少 85% (XXCR% 彡 85%)，或至少 90% (XXCR% 彡 90%)或更多。
[0029] 在一些实施例中，冷乳（220) 90 %以上（XXCR % <90 %)是不现实或不理想的。在这 些实施方案中，可以将铝合金体冷乳（220)不高于87% (XXCR%< 87%)，如冷乳（220)不高 于 85% (XXGR%彡 85%)，或不高于 83% (XXGR%彡 83%)，或不高于 80% (XXGR%彡 80%)。
[0030] 在一个实施例中，将铝合金体冷乳高于50 %至不高于85 % (50 % <XXCR% < 85%)。这种冷乳量可以产生具有优选性能的铝合金体。在相关的实施例中，可以将铝 合金体冷乳55%至85% (55%<XXCR%<85% )。在又一个实施例中，可以将铝合金体冷 乳60%至85% (60%彡XXCR%彡85%)。在又一个实施例中，可以将铝合金体冷乳65%至 85% (65%<XXCR%<85% )。在又一个实施例中，可以将铝合金体冷乳70%至80% (70% 彡 XXCR%彡 80% ) 〇
[0031] 仍参照图9,在这种方法的实施例中，可以完成任选的预冷乳（128)。预冷乳步骤 (128)可以在固溶处理（140)前进一步将铝合金体的中等厚度（由于热乳步骤126)减少到 次中等厚度。作为实例，任选的冷乳步骤（128)可以用来产生有助于在冷乳步骤（220)期 间产生最终冷乳厚度的次中等厚度。
[0032] ii?其他冷加工技术
[0033] 除冷乳以外，并再次参照图2，可以通过乳制、挤压、锻造、牵拉、变薄拉深、旋压、滚 压成型中的一种或多种及其组合，以及单独的其他类型的冷加工方法或这些方法与冷乳的 结合进行冷加工。如上所述，通常在固溶后将铝合金体冷加工至少25%。在一个实施例中， 冷加工将铝合金体加工成其基本上最终的形式（即，不需要额外的热加工步骤和/或冷加 工步骤来获得最终的产品形式）。
[0034] "冷加工XX% "（ "XX"% "）等等意指将铝合金体冷加工一个足以实现等效塑性应 变（下文描述）的量，所述等效塑性应变至少和如果将铝合金体冷乳XX% (XXeR%)所实现 的等效塑性应变的量一样大。例如，短语"冷加工68. 2% "意指将铝合金体冷加工一个足以 实现等效塑性应变的量，所述等效塑性应变至少和如果将铝合金体冷乳68. 2%所实现的等 效塑性应变的量一样大。由于均指在铝合金体中产生的等效塑性应变的量， 如同将铝合金体冷乳XX% (或在实际冷乳的情况下实际上冷乳XX% )，因此这两个术语在 本文中可互换地用来指这种等效塑性应变的量。
[0035] 等效塑性应变与真应变相关。例如，冷乳XX%，即，XXCR%，可以由真应变值表示， 其中真应变（e truJ由下式给出：
[0036] C true=- ln(l - % CR/100) (1)
[0037] 其中％ CR是XXeR%，真应变值可以换算成等效塑性应变值。在冷乳期间实现双轴 应变的情况下，估计的等效塑性应变将比真应变值大1. 155倍（2除以V 3等于1. 155)。双 轴应变代表在冷乳操作期间产生的塑性应变的类型。下表1提供将冷乳XX%与真应变值和 等效塑性应变值相关联的表格。
[0038] 表 1
[0039]
[0040] 这些等效塑性应变假定：
[0041] A.无弹性应变；
[0042] B.真塑性应变保持体积不变；和
[0043] C?载荷是成比例的。
[0044] 对于成比例的载荷，上述和/或其他原则可以用来测定多种冷加工操作的等效塑 性应变。对于不成比例的载荷，冷加工引起的等效塑性应变可以采用下式确定：
[0045]
[0046] 其中dep是等效塑性应变增量，办v"(i=l,2,3)代表主要塑性应变分量的增 量。参见，塑性（Plasticity)，A.Mendelson，KriegerPubCo;第二版（1983 年 8 月）， ISBN-10:0898745829。
[0047] 本领域技术人员理解冷加工步骤（200)可以包括以第一方式使铝合金体变形（例 如，压缩），并随后以第二方式使铝合金体变形（例如，拉伸），并且理解本文所述的等效塑 性应变指由作为冷加工步骤（200) -部分而完成全部变形操所引起的累积应变。另外，本 领域技术人员理解冷加工步骤（200)将导致应变诱因，但不必然导致铝合金体最终尺寸的 变化。例如，可以以第一方式（例如，压缩）冷变形铝合金体，随后再以第二方式冷变形（例 如，拉伸）该铝合金体，冷变形的累积结果提供具有大约与冷加工步骤（200)前的铝合金体 相同的最终尺寸的铝合金体，但是由于冷加工步骤（200)的多种冷变形操作而具有增加的 应变。类似地，高的累积应变可以通过顺序弯曲操作和反向弯曲操作实现。
[0048] 借助于上文所示的方法和本领域技术人员已知的其他方法，通过计算由那些冷