用于铝锌镁合金的人工老化方法以及基于该方法的产品的制作方法
【专利说明】用于铝锌镆合金的人工老化方法以及基于该方法的产品
[0001] 背景
[0002] 铝合金在各种各样的应用中是有用的。然而，要改进铝合金的一种特性而不使其 另一种特性退化是难以实现的。例如，要增加合金的强度而不降低合金的韧度是困难的。铝 合金的其他受关注的特性包括耐腐蚀性和抗疲劳裂纹扩展性，这只是其中两个例子。
【发明内容】
[0003] 广义地讲，本专利申请涉及对具有锌和镁的铝合金进行人工老化的改进方法以及 基于该方法的产品。如本文所用，具有锌和镁的铝合金是指这样的铝合金，即锌和镁中至少 一者是其中除错之外的主要合金成分，无论此类错合金是铸造合金（即，5xx.x或7xx.x合 金）或者锻制合金（即，5xxx或7xxx合金）。所述具有锌的铝合金通常包含2. 5至12重 量％的Zn、1. 0至5. 0重量％的Mg，并且可包含最多3. 0重量％的Cu。在一个实施例中，该 铝合金包含4. 0至5. 0重量％的Zn和1. 0至2. 5重量％的Mg。
[0004] 本专利的方法大体包括：
[0005] (a)铸造具有2. 5至12重量％Zn、1. 0至5. 0重量％Mg的铝合金；然后
[0006] (b)任选地对该错合金进行热加工或冷加工；
[0007] (c)在铸造步骤（a)和任选步骤（b)之后，对该铝合金进行固溶热处理和淬火处 理；
[0008] (d)在步骤（c)之后，任选地加工该铝合金；并且
[0009] (e)在步骤（c)和任选的步骤（d)之后，对该铝合金进行人工老化，其中人工老化 步骤（e)包括：
[0010] (i)在约310°F(或约330°F)至530 °F的第一温度下以1分钟至6小时的第一 老化时间对该铝合金进行首次老化；
[0011] (ii)在第二温度下以至少30分钟的第二老化时间对该铝合金进行二次老化，其 中第二温度低于第一温度。
[0012] 这些方法相对于传统老化工艺而言可实现综合特性的改进和/或生产量的提高。
[0013] 铸造步骤（a)可以是适用于锻制铝合金或铸造铝合金的任何铸造步骤。锻制铝合 金可（例如）通过直接冷铸和/或连续铸造（例如，双带式铸造）以及其他方法进行铸造。 铸造铝合金为成形铸造，可通过任何适当的成形铸造方法进行铸造，包括永久模铸造、高压 压铸、砂模铸造、熔模铸造、挤压铸造和半固态铸造，以及其他方法。
[0014] 在步骤（a)之后，该方法可包括（b)任选地对铸造铝合金进行热加工和/或冷加 工。当铝合金为锻制铝合金时，其通常可进行热加工，并且在铸造步骤之后可进行冷加工。 该任选的热加工步骤可包括乳制、挤出和/或锻造。该任选的冷加工步骤可包括滚压成形、 拉延和其他冷加工技术。当铝合金为成形铸造铝合金时，未完成该任选的步骤（b)。在任何 热加工步骤之前，可执行均质化步骤（例如，对于锻制铝合金）。
[0015] 在任选的热加工步骤和/或冷加工步骤（b)之后，该方法包括（c)对铝合金进行 固溶热处理然后进行淬火处理。固溶热处理及其后的淬火处理等意味着将铝合金加热到通 常高于相固溶温度的适当温度，并且保持该温度足够长的时间以使可溶性元素进入到固溶 体中，然后快速冷却足够长的时间以使这些元素保持在固溶体中。固溶热处理可包括将铝 合金放进适当的加热设备中加热一段适当的时间。淬火（冷却）处理可通过任何适当的方 式完成，并可使用任何适当的冷却介质。在一个实施例中，淬火处理包括使用气体接触铝合 金（例如，空气冷却）。在另一个实施例中，淬火处理包括使用液体接触铝合金板。在一个 实施例中，该液体是水基的，诸如水或另一种水基冷却溶液。在一个实施例中，该液体是水， 并且水温约等于环境温度。在另一个实施例中，该液体是水，并且水温约等于沸点温度。在 另一个实施例中，该液体是一种油。在一个实施例中，该油是碳氢化合物基的。在另一个实 施例中，该油是有机娃基的。
[0016] 在对铝合金进行固溶热处理然后进行淬火处理步骤（c)之后，该方法可任选地包 括（d)加工该铝合金体，诸如通过拉伸1-10% (例如，为获得平整度和/或消除应力）和/ 或诱导大量的冷加工（例如，25-90%)，如共同拥有的美国专利申请公布No. 2012/0055888 中的说明。该任选的步骤（d)可包括热加工和/或冷加工。
[0017] 在对铝合金进行固溶热处理然后进行淬火处理步骤（c)以及任选的加工步骤（d) 之后，该方法包括对铝合金进行人工老化（e)。该人工老化步骤（e)可包括：（i)在约330°F 至530 °F的第一温度下以1分钟至6小时的第一老化时间对铝合金进行首次老化，以及 (ii)在第二温度下以至少30分钟的第二老化时间对铝合金进行二次老化，其中第二温度 低于第一温度。在第一和第二老化步骤之后，可完成一个或多个附加的老化步骤。在第一 老化步骤之前，未完成任何人工老化步骤。
[0018] 如上所述，第一老化步骤通常在第一老化温度下执行，该第一老化温度通常为 310°F(或约330°F)至530 °F。较低的温度可对锌含量较高的铝合金更有用，而较高的 温度可对锌含量较低的铝合金更有用。在一个实施例中，第一老化温度为至少350 °F。在 另一个实施例中，第一老化温度为至少370T。在又一个实施例中，第一老化温度为至少 390 °F。在一个实施例中，第一老化温度不大于460 °F。在另一个实施例中，第一老化温度 不大于420 °F。
[0019] 第一老化步骤的持续时间通常为1分钟至6小时，并且可与第一老化温度有关。例 如，在较低的温度下，时间较长的第一老化步骤可能有用，而在较高的温度下，时间较短的 第一老化步骤可能有用。在一个实施例中，第一老化时间不大于2小时。在另一个实施例 中，第一老化时间不大于1小时。在又一个实施例中，第一老化时间不大于45分钟。在另 一个实施例中，第一老化时间不大于30分钟。在又一个实施例中，第一老化时间不大于20 分钟。在一个实施例中，第一老化时间可为至少5分钟。
[0020] 在一个实施例中，第一老化步骤的实施条件为"在约400 °F的温度下老化1至30 分钟"，或基本上等同的老化条件。本领域的技术人员已认识到，可根据众所周知的老化原 理和/或公式（例如，使用菲克定律）来调整老化温度和/或时间。因此，本领域的技术人 员能够增加老化温度而减少老化时间，或反之亦然，或仅仅稍微改变这些参数之一，而仍然 实现"在约400 °F的温度下老化1至30分钟"所达到的相同结果。能够实现"在约400°F 的温度下老化1至30分钟"所达到的相同结果的人工老化实践的数量很多，因此，尽管所有 此类替代实践皆处于本发明的范围之内，但在本申请中并未一一列出。短语"或基本上等同 的人工老化温度和持续时间"和"或基本上等同的实践"用于概括所有此类替代老化实践。
[0021] 如上所述，第二老化步骤通常为在第二温度下老化至少30分钟的时间，并且第二 温度低于第一温度。在一个实施例中，第二老化温度比第一老化温度低5 °F至150 °F。在 另一个实施例中，第二老化温度比第一老化温度低10T至100 °F。在又一个实施例中，第 二老化温度比第一老化温度低10T至75 °F。在另一个实施例中，第二老化温度比第一老 化温度低20°F至50°F。
[0022] 如上所述，第二老化步骤的持续时间为至少30分钟。在一个实施例中，第二老化 步骤的持续时间为至少1小时。在另一个实施例中，第二老化步骤的持续时间为至少2小 时。在又一个实施例中，第二老化步骤的持续时间为至少3小时。在一个实施例中，第二老 化步骤的持续时间不大于30小时。在另一个实施例中，第二老化步骤的持续时间不大于20 小时。在另一个实施例中，第二老化步骤的持续时间不大于12小时。在另一个实施例中， 第二老化步骤的持续时间不大于10小时。在另一个实施例中，第二老化步骤的持续时间不 大于8小时。
[0023] 在一个实施例中，第二老化步骤的实施条件为"在约360 °F的温度下老化2至8小 时"，或基本上等同的老化条件。本领域的技术人员已认识到，可根据众所周知的老化原理 和/或公式来调整老化温度和/或时间。因此，本领域的技术人员能够增加老化温度而减 少老化时间，或反之亦然，或仅仅稍微改变这些参数之一，而仍然实现"在约360 °F的温度 下老化2至8小时"所达到的相同结果。能够实现"在约360 °F的温度下老化2至8小时" 所达到的相同结果的人工老化实践的数量很多，因此，尽管所有此类替代实践皆处于本发 明的范围之内，但在本申请中并未一一列出。短语"或基本上等同的人工老化温度和持续时 间"和"或基本上等同的实践"用于概括所有此类替代老化实践。
[0024] 该方法可任选地包括在老化步骤（e)期间或之后将铝合金制成预定型产品。如 本文所用，"预定型产品"等意指通过成形操作（例如，拉延、熨压、温成形、滚压成形、剪切 成形、旋压成形、成拱、颈缩、翻边、滴塑、卷边、弯曲、接缝、冲压、液压成形，以及卷曲等）形 成的产品，并且其形状在成形操作（步骤）之前已确定。预定型产品的例子包括汽车部件 (例如，引擎盖、挡泥板、车门、车顶和行李箱盖等）和容器（例如，食品罐头、瓶子等），消费 类电子元件（例如，膝上型计算机、移动电话、摄像机、移动音乐播放器、手持设备、计算机、 电视等）以及其他铝合金产品。在一个实施例中，预定型产品在成形步骤之后处于其最终 产品形态。用于制备"预定型产品"的成形步骤可与人工老化步骤同时执行或在其后执行 (例如，与第一老化步骤同时执行或在其后执行，和/或与第二老化步骤同时执行或在其前 后执彳丁）。
[0025] 在一个实施例中，成形步骤与老化步骤（e)同时完成，并且因此可在升高的温度 下执行。此类升高的温度下的成形步骤在本文中称为"温成形"操作。在一个实施例中， 温成形操作在200 °F至530 °F的温度下执行。在另一个实施例中，温成形操作在250 °F至 450 °F的温度下执行。因此，在一些实施例中，可使用温成形法制备预定型产品。温成形可 有利于制备无缺陷的预定型产品。无缺陷意指部件适于用作商业产品，并且因此可具有极 少（非实质性）或无裂纹、皱裙、吕德现象（Ludering)、变薄和/或橘皮纹（仅举几例）。在 一个实施例中，可使用室温成形法制备无缺陷的预定型产品。
[0026] 在一种方式中，该方法包括（a)用成形铸造法铸造铝合金，其中该铝合金包含4. 0 至5. 〇重量％的Zn和L〇至2. 5重量％的Mg，然后（b)对该铝