高强度可焊Al-Mg合金的制作方法

专利名称：：高强度可焊Al-Mg合金的制作方法高强度可焊Al-Mg合金发明领域本发明涉及铝合金产品，特别是Al-Mg型(也被称为由铝业协会命名的5xxx系列铝合金)。更具体地，本发明涉及具有优异耐腐蚀性和可焊性的高强度、低密度铝合金。由这种新合金制得的产品非常适合用于运输业，例如用于航空航天产品、船舶、公路和铁路车辆、造船，以及用于建筑业。可以将该合金加工成多种产品形式，例如片材、薄板或挤压、锻造或时效成形的产品。该合金可以不涂覆或涂覆或镀覆有其它铝合金以便进一步改善例如耐腐蚀性的性能。发明背景在过去，已经使用不同类型的铝合金用于制造各种用于建筑和运输业的产品，更特别是用于航空航天和海运业中的产品。这些工业中的设计者和制造者一直尝试改良产品性能、产品寿命和燃料效率，而且还一直尝试减少制造、操作和维护成本。获得这些制造者和设计者的这些目标的一种方式是通过改良铝合金的相关材料性能，使得要由这种合金制造的产品能够更有效地进行设计，能够更为有效率地进行制造并具有更好的综合性能。在许多上述应用中，需要具有高强度、低密度、优异耐腐蚀性、优异可焊性以及优异的焊接后性能的合金。本发明涉及在强度、耐损伤性、耐腐蚀性和可焊性方面兼具改良性能的AA5xxx型合金。应理解的是，在下文中，如果不另外说明，则合金命名和状态命名均指铝业协会于2005出版的AluminiumStandardsandDataandRegistrationRecords中的铝业协会命名。发明描述本发明的一个目的是提供具有高强度、低密度和优异腐蚀性能的由铝业协会命名为AA5xxx系列合金的铝-镁合金产品。本发明的另一目的是提供具有良好可焊性的铝-镁合金产品。本发明的另一目的是提供一种铝-镁合金产品，该产品显示出高的热稳定性并且适合用于制造通过塑性成形工艺(例如蠕变成形、辊轧成形和伸展成形)成形的产品。通过本发明满足或超越了这些和其它目的以及另外的优点，本发铝合金，以重量％计Mg3，5-6.0Mn0.4-1.2Fe<0.5Si<0.5Cu<0.15Zr<0.5Cr<()■3Ti0.03-0.2Sc<0.5Zn<1.7Li<0.5Ag<0.4可选的一种或多种下列弥散体形成元素，所述弥散体形成元素选自铒、钇、铪、钒，每种<0.5，以及杂质或附带元素，每种<0.05，总量<0,l5，并且余量是铝。根据本发明，添加Mg以便提供合金的基础强度。当Mg含量为3.5-6重量％时，合金可通过固溶硬化或加工硬化获得其强度。Mg的适宜范围是3.6-5.6重量％，优选范围是3.6-4.4重量％,更优选的范围是3.8-4.3重量％。在可替换的优选范围中，Mg含量为5.0-5.6重量％。在根据本发明的合金中添加Mn是重要的，Mn作为弥散体形成元素，并且其含量为0.4-1.2重量％。适宜范围是O.6-1.0重量％，且更优选的范围是0.65-0.9重量％。为了防止合金化元素Cr和Ti的不良作用，Cr优选为0.03-0.15重量％，更优选0.03-0.12重量％，且更加优选0.05-0.1重量％，Ti优选为0.03-0.15重量％,更优选0.03-0.12重量°/。，且更加优选0.05-0.1重量％。在一个实施方案中获得根据本发明的铝合金的另一改进，其中在铝合金产品中Cr和Ti优选以相等或大致相等的量存在。Zr水平的合适的最大值是最大0.5重量％，优选最大0.2重量％。然而，更优选的范围是0.05-0.25重量％，进一步优选的范围是0.08-0.16重量％。利用本发明的一个实施方案可以获得进一步的性能改善，特别是可焊性，其中添加0-0.3重量％、优选0.1-0.3重量°/。的Sc作为合金化元素。在另一实施方案中，可以通过添加Zr和/或Ti进一步提高添加Sc的作用。Ti和Zr均能与Sc结合形成具有比单独Sc弥散体更低的扩散性并且具有减少的弥散体与铝基体间晶格错配的弥散体，这导致减小的粗化率(coarsenrate)。添加Zr和/或Ti的另一优点是需要较少的Sc来获得相同的再结晶抑止作用。据认为通过向已经含有一定量Mn的Al-Mg合金中结合添加Cr、Ti和Zr中的至少两种获得本发明合金产品的改良性能，特别是高强度和良好的耐腐蚀性。优选地，Cr与Zr结合的总量为0.06-0.25重量％。在根据本发明合金的另一优选实施方案中，Cr与Ti结合至总量为0.06-0.22重量％。在根据本发明合金的又一优选实施方案中，在合金中Zr与Ti结合至总量为0.06-0.25重量％。在根据本发明合金的另一优选实施方案中，Cr与Ti和Zr结合至这些元素的总量为0.09-0.36重量％。在另一实施方案中，可以向合金中添加0-1.7重量％的Zn。Zn的适合范围是0-0.9重量％，优选0-0.65重量％，更优选0.2-0.65重量％，且进一步优选0.35-0.6重量％。或者，当并不以有效量向合金中有意添加Zn时，合金可以基本上不含Zn。然而，可能以痕量和/或杂质进入铝合金产品中。铁的存在范围是至多0.5重量％，且优选保持最大值为0.25重量％。典型的优选铁水平为至多0.14重量％。硅的存在范围是至多0.5重量％，优选保持最大值为0.25重量％。典型的优选硅水平为至多0.12重量％。相似的，尽管铜不是有意添加的添加剂，但对于本发明其是可适度溶解的元素。因此，根据本发明的铝合金产品可含有至多0.15重量%的Cu，且优选的最大值为0.05重量％。在本发明的铝合金产品中可存在可选的元素。钒的存在范围可以是至多0.5重量％，优选至多0.2重量％,锂至多0.5重量°/。，铪至多0.5重量％,4乙至多0.5重量％，钭至多0.5重量％，以及^L至多0.4重量％。在优选的实施方案中，根据本发明的铝合金产品基本由以下成分组成，以重量％计Mg3.8-4.3Mn0.65-1.0Zr<0.5，优选0.05-0.25Cr<0.3，优选0.1-0.3Ti0.03-0.2，优选0.05-0.1Sc<0.5，优选0.l-O.3Fe<0.14Si<0.12余量为铝，以及杂质或附带元素，每种<0.05,总量<0.l5。优选地，铝合金产品还含有0.2-0.65重量°/。的Zn。在另一优选实施方案中，根据本发明的铝合金产品基本由以下成分组成，以重量°/。计Mg5，0-5.6Mn0.65-1.0Zr<0.5，优选0.05-0.25Cr<0.3，优选0.1-0.3Ti0.03-0.2，优选0.05-0.1Sc<0.5，优选0.l-O.3Fe<0.14Si<0.12余量为铝，以及杂质或附带元素，每种<0.05，总量<0.15。优选地，铝合金产品还含有0.2-0.65重量％的Zn。提供期望性能所需的加工条件取决于合金化条件的选择。对于Mn的合金化添加，在轧制前优选的预热温度是410-560X:，更优选490-530匸。然而在这个最佳的温度范围内，元素Cr、Ti、Zr和Sc的有效性较差，在这些元素中Cr最为有效。为了产生Cr、Ti、Zr且特别是与Sc结合的最佳性能，在热轧前，优选较低温度的预热处理，优选280-500iC,更优选400-480"C。根据本发明的铝合金产品表现出优异的性能平衡，适于加工成如下形式的产品片材、板材、锻件、挤压件、焊接产品或通过塑性变形获得的产品。塑性变形的工艺包括但不限于例如时效成形、伸展成形和辊轧成形的工艺。根据本发明的铝合金产品的结合的高强度、低密度、高可焊性和优异耐腐蚀性使得其特别适合作为如下形式的产品作为飞机、船舶或铁路或公路车辆的零件的片材、板材、锻件、挤压件、焊接产品或通过塑性变形获得的产品。在另一实施方案中，特别是在对铝合金产品进行挤压时，优选将合金产品挤压成在其最厚横截面位置(point)处的厚度至多150mm的板型(profile)。以挤压形式的合金产品也可以代替通常是通过机加工或轧制技术机加工为成型结构部件的厚板材料。在这个实施方案中，挤压产品优选在其最厚横截面处的厚度为15-150mm。可在宽的厚度范围内获得铝合金产品的优异性能平衡。在0.6-1.5mm的板厚范围内，铝合金产品特别适合作为汽车车身片材。在至多12.5mm的厚度范围内，性能对于机身片材是优异的。还可以使用薄的板材厚度范围用于纵梁或者用于形成整块机翼板和用于飞机机翼结构的纵梁。在15-80mm的厚度范围内，性能对于造船和一般的结构应用例如压力容器是优异的。根据本发明的铝合金产品也可用作工具板或模具板，例如用于通过如压铸或注塑模制制造成形塑料产品的模具。本发明的铝合金产品特别适用于其中要求耐损伤性的应用，例如用于航空航天应用的耐损伤铝产品，更特别是用于纵梁、耐压舱壁、机身片材、下机翼板、用于机加工零件或锻件的厚板或者用于纵梁的薄板的耐损伤铝产品o结合的高强度、低密度、优异耐腐蚀性和高温下的热稳定性使得根据本发明的铝合金产品特别适合于通过蠕变成形(也称为时效成形或蠕变时效成形)加工成机身板或飞机的其它可预成形部件。此外，可以使用其它塑性成形工艺，例如辊轧成形或伸展成形。根据期望应用的要求，合金产品可在loo-50ox:的温度退火以便产生包括但不限于软状态、加工硬化状态、或蠕变成形所需的温度范围的产品。根据本发明的铝合金产品非常适合于通过所有常规连接技术与所需产品进行连接，这些常规连接技术包括但不限于熔焊、搅拌摩擦焊、铆接和粘结结合。实施例现在参照下面的实施例说明本发明。实施例i以实验室规模，铸造5种合金以证实本发明关于力学性能的原则。在表l-l中列出合金A-E以重量％计的组成。以实验室规模，将这些合金铸造成铸锭，在425-4501C的温度对所述铸锭进行预热并保温1小时。将铸锭从80mm热轧到8mm，随后进行具有中间退火步骤的冷轧，和最后压下40%至最终厚度为2mm。将最终板材伸展1.5%,并在325匸的温度退火2小时。表l-l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>*根据本发明所有合金均含有0.06重量。/。Fe和0.04重量。/。Si，余量为铝和杂质在表l-2中列出合金A-E的可获得的力学性能和物理性能，并与AA2024-T3和AA6013-T6的典型值进行比较。合金B、C和D是本发明的一部分。使用合金A和合金E作为参考。表l-2:力学性能和物理性能<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>*根据本发明，所有样品均取自L方向-表示没有进行测量依照ASTMEM8确定力学性能。Rp、TYS表示(拉伸)屈服强度；Rm、UTS表示极限拉伸强度；A表示在断裂时的伸长率。本发明包含Mn作为所需合金化元素之一以便获得有竟争力的强度性能。具有0.9重量。掘n的参考合金A相比仅含有0.1重量柳n的参考合金E显示出约12y。的屈服强度(TYS)提高。使用本发明的合金可以获得屈服强度的进一步提高。合金B包含有意添加的0.10重量。/。Ti，并且与参考合金A相比合金B显示出约9%的屈服强度提高，与合金E相比表现出21%的屈服强度提高。如合金C和D所示，通过结合添加Cr和Ti能够获得最佳的屈服强度提高。如本发明所述(合金C和D)将Cr和Ti结合，与参考合金A相比屈服强度提高约14%并且与参考合金E相比提高27%。本发明的合金C和D不仅显示出优异的屈服强度性能，而且具有比已确立的AA2024和AA6013合金更低的密度。合金A、C和E也进行腐蚀测试以证实本发明关于耐腐蚀性的原则。在表l-3中给出以重量。/n计的合金组成。表l-3合金MgMnZrScCrTiA4.00.90.100.15<0.002<0.002C*4.00.90.100.150.100.10E4.50.10.10.26<0.002<0.002*根据本发明这些合金含有0.06重量。/。Fe和0.04重量。/。Si,余量为铝和杂质合金A和E的化学组成落在本发明之外；合金C的化学组成落在本发明合金的化学组成之内。对全部三种合金进行上述处理，不同之处在于将这些合金冷轧到3mm的最终厚度。对由处理的合金制成的板材进行焊接，并使用标准ASTMG66测试(也称为ASSET测试)测量腐蚀。使用激光束焊接进行焊接试验。焊接功率是4.5kW，焊接速度2m/分钟，使用ER5556填充焊丝。在表1-4中示出腐蚀测试的结果。测试基础金属的腐蚀性能以及在焊接状态下的腐蚀性能。表l-4腐蚀性能<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>*根据本发明HAZ表示热影响区域。等级N、PB-A、PB-B和PB-C分别表示无点蚀、轻微点蚀、中等点蚀和严重点蚀。等级E-D表示非常严重的剥落。本发明公开了具有良好的力学性能并兼具良好的耐腐蚀性的低密度合金。因此本发明的组成是运输市场且特别是航空航天应用的良好候选材料。如表l-4所示，在基础合金、HAZ和焊缝中，代表本发明合金的合金C与落在本发明之外的合金A和E相比具有改良的腐蚀性能。实施例2将具有如表2-1所示的重量％计化学组成的AA"xx系列铝合金以实验室规模铸造成铸锭。将这些铸锭在41(TC的温度下预热持续1小时，接着在510。C的温度下持续15小时。将铸锭从80mm热轧到8mm，随后进行具有中间退火步骤的冷轧，并最后冷压下40%到最终厚度为2mm。将最终板材伸展1.5%，随后在460X:的温度下退火30分钟。表2-l<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>*根据本发明所有合金均含有0.06重量。/。Fe和0.04重量MSi，余量为铝和杂质。在表2-2中示出合金的力学测试结果。表2-2力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>*根据本发明。所有样品取自L方向依照ASTMEM8确定力学性能。Rp、TYS表示(拉伸)屈服强度；Rm、UTS表示极限拉伸强度；A表示在断裂时的伸长率。表2-2显示仅含有0.1重量。/。Zr添加的参考合金A的屈服强度比仅含有0.1重量。/。Cr添加的参考合金F高约5%。当合金A和F的性能与含有0.1重量。/。Cr和0.1重量4Zr和少量Ti水平的合金B进行比较时，在屈服强度方面获得小的优势。此外，对于仅含有Zr和Ti而不含Cr的合金C，观察到屈服强度的少量增加。然而，当Cr与Ti结合时，如合金E所示，当与参考合金A比较时合金强度提高11-13%,当与参考F合金比较时提高17-19%。对于向合金(合金D)添加全部三种元素的结合情况，观察到相对于合金E的轻微提高的强度水平。表2,1的合金在敏化后也进行腐蚀测试。在表2.3中示出结果。表2.3腐蚀性能<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>*根据本发明使用标准ASTMG66测试(也称为ASSET测试)测量腐蚀。等级N和PB-A分别表示没有点蚀、轻微点蚀。合金化添加元素的选择也影响合金的腐蚀行为，如表2-3所示。对于不含Cr添加的合金(合金A和C)，在进行腐蚀测试后观察到一些点蚀。然而对于含有Cr的合金(合金B、D、E和F)，没有观察到明显的腐蚀。实施例3这个实施例涉及具有如表3-1所示的以重量％计的化学组成的AA5xxx系列铝合金。合金A-F与实施例2中使用的合金A-F相似，但进行的处理不相同。在表3-1中还给出Sc含量。将表3-1的合金以实验室规模铸造成铸锭。将这些铸锭在450^C的温度预热1小时，并在预热温度下从80mm厚度热轧到8mm厚度。随后对板材进行具有中间退火步骤的冷轧，并最后冷压下40%到最终厚度为2mm。然后将板材伸展1.5%，并在325X:的温度退火2小时。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>所有合金均含有0.06重量。/。Fe和0.04重量。/。Si，余量为铝和杂质。表3-2力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>*根据本发明。所有样品均取自L方向依照ASTMEM8测定力学性能。Rp、TYS表示(拉伸)屈服强度；Rm、UTS表示极限拉伸强度；A表示断裂时的伸长率。表3-2显示了合金A-G的可获得的力学性能。在这个实施例中合金A和合金F作为参考合金。表3-2显示具有0.10重量。/。Cr添加的合金F的屈服强度比具有0.10重量。/。Zr添加的合金A高约14%。这似乎与实施例2相矛盾，其中显示合金A比合金F具有更高的屈服强度。认为这种行为差异的原因可能与热轧前使用的预热温度相关，因为在预热期间，形成可能影响最终产品力学性能的弥散体。当使用高的预热温度时，如在实施例2中，仅含有0.1重量。/。Zr的合金(合金A)表现轻微好于仅含有0.1重量WCr的合金(合金F)。然而，当使用较低的预热温度时，当与只含有Zr的合金(合金A)比较时，含Cr的合金更为有效的产生改善。表3-2中的性能也证实了当Cr与Ti(合金E)、Zr(合金B)中任一种结合或与Zr和Ti两者结合(合金D)时，与参考合金A和F相比，观察到显著的强度提高。尽管在实施例2中也观察到与参考合金A和F相比合金D和E的强度提高，但在实施例3中获得的值更加高。这种效果是由于在热轧前使用的较低的预热温度。对于含有四种主要弥散体形成元素(Mn、Cr、Ti和Zr)以及添加Sc的合金G，获得最高的强度水平。获得390MPa的屈服强度，这优于实施例2和3中提及的任何合金。已经完全描述了本发明，然而本领域的技术人员清楚，可以在不背离这里所述的本发明主旨和范围的情况下做出许多变化和修改。权利要求1.具有高强度、优异耐腐蚀性和可焊性的铝合金产品，其具有下面的组成，以重量％计Mg3.5-6.0Mn0.4-1.2Fe＜0.5Si＜0.5Cu＜0.15Zr＜0.5Cr＜0.3Ti0.03-0.2Sc＜0.5Zn＜1.7Li＜0.5Ag＜0.4可选的一种或多种下列弥散体形成元素，所述弥散体形成元素选自铒、钇、铪、钒，每种＜0.5重量％，以及杂质或附带元素，每种＜0.05，总量＜0.15，且余量是铝。2.根据权利要求1的铝合金产品，其中Ti含量为0.03-0.12重量%，且优选0.05-0.1重量％。3.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中Cr含量为0.03-0.12重量％,且优选0.05-0.1重量％。4.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中Zr含量为0.05-0.25重量％。5.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中Mn为0.6-1.0重量％，且优选0.65-0.9重量％。6.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中Cr与Zr的总量为0.06-0.25重量％。7.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中Cr与Ti的总量为0.06-0.22重量％。8.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中Zr与Ti的总量为0.06-0.25重量％。9.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中Cr和Ti和Zr的总量为0.09-0.36重量％。10.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中Sc为0-0.3重量%，且优选0.1-0.3重量％。11.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中Zn为0-0.9重量%,优选0-0.65重量％，更优选为0.2-0.65重量％，且更加优选0.35-0.6重量％。12.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中Mg为3.6-5.6重量％，优选为3.6-4.4重量％,更优选为3.8-4.3重量％。13.根据权利要求1-11中任一项的铝合金产品，其中Mg为5.0-5.6重量％。14.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中所述产品为以下形式轧制产品、片材、板材、锻件、挤压件、焊接产品或通过塑性变形获得的产品。15.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中所述产品为以下形式作为飞机、船舶或铁路或公路车辆的零件的片材、板材、锻件、挤压件、焊接产品或通过塑性变形获得的产品。16.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中该产品在其最厚横截面位置处具有15-150,的厚度。17.根据权利要求16的铝合金产品，其中该产品是挤压产品。18.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中该产品是厚度为0.6-80mm的板材产品形式。19.根据任何前述权利要求的铝合金产品，其中该产品是机身片材、用于机加工零件的厚板、用于纵梁的锻件或薄板。全文摘要具有高强度、优异耐腐蚀性和可焊性的铝合金产品，具有以重量％计的下面的组成Mg3.5-6.0；Mn0.4-1.2；Fe＜0.5；Si＜0.5；Cu＜0.15；Zr＜0.5；Cr＜0.3；Ti0.03-0.2；Sc＜0.5；Zn＜1.7；Li＜0.5；Ag＜0.4；可选的一种或多种下列弥散体形成元素，所述弥散体形成元素选自铒、钇、铪、钒，每种＜0.5重量％，以及杂质或附带元素，每种＜0.05，总量＜0.15，且余量是铝。文档编号C22C21/06GK101233252SQ200680028105公开日2008年7月30日申请日期2006年8月14日优先权日2005年8月16日发明者A·比格尔,A·诺曼,N·泰利奥伊,S·D·迈耶尔什,S·M·施潘格尔申请人:阿勒里斯铝业科布伦茨有限公司