改進(jìn)的6xxx鋁合金及其生產(chǎn)方法
【專利說(shuō)明】改進(jìn)的6XXX鋁合金及其生產(chǎn)方法
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2011年9月8日、申請(qǐng)?zhí)枮?01180043288. 5、發(fā)明名稱為"改 進(jìn)的6XXX鋁合金及其生產(chǎn)方法"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)申請(qǐng)的奪叉參考
[0003] 本專利申請(qǐng)要求2010年9月8日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/381，040、2010 年10月8日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/391，46U2010年12月20日提交的美國(guó)臨時(shí) 專利申請(qǐng)No. 61/425, 024和2011年1月28日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/437,515中 的每一份的優(yōu)先權(quán)。上述專利申請(qǐng)的每一份的全部?jī)?nèi)容均通過(guò)引用結(jié)合在本文中。
[0004] 本專利申請(qǐng)也與2011年9月8日提交的名稱為"改進(jìn)的2XXX鋁合金及其生產(chǎn)方 法"的PCT專利申請(qǐng)No. PCT/US2011/050876、2011年9月8日提交的名稱為"改進(jìn)的7XXX 鋁合金及其生產(chǎn)方法"的PCT專利申請(qǐng)No. PCT/US2011/050868和2011年9月8日提交的 名稱為改進(jìn)的鋁鋰合金及其生產(chǎn)方法的PCT專利申請(qǐng)No. PCT/US2011/050884有關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0005] 鋁合金在多種應(yīng)用中是有用的。然而，改進(jìn)鋁合金的一種性能而不損害另一種性 能是難以實(shí)現(xiàn)的。例如，在不降低合金的韌性的情況下增加合金的強(qiáng)度是困難的。鋁合金 的令人感興趣的其他性能包括耐蝕性和抗疲勞裂紋擴(kuò)展速率，僅舉兩個(gè)例子。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 大體上講，本專利申請(qǐng)涉及改進(jìn)的鍛造、可熱處理的鋁合金及其生產(chǎn)方法。具體 地，本專利申請(qǐng)涉及改進(jìn)的鍛造6xxx錯(cuò)合金產(chǎn)品及其生產(chǎn)方法。通常，6xxx錯(cuò)合金產(chǎn)品 由于例如固溶后冷加工和冷加工后熱處理等獲得改進(jìn)的綜合性能，如下文進(jìn)一步詳細(xì)地描 述。
[0007] 6xxx鋁合金是含有硅和鎂的鋁合金，其中硅和鎂的至少之一為除鋁之外在鋁合 金體中占優(yōu)的合金元素。出于本申請(qǐng)的目的，6xxx錯(cuò)合金是具有0.1 - 2. Owt.%的娃和 0. 1 -0. 3wt.%的鎂的鋁合金，其中，硅和鎂的至少之一為除鋁之外在鋁合金體中占優(yōu)的合 ^&兀!素。
[0008] 圖1示出了用于生產(chǎn)乳制形式的6xxx鋁合金產(chǎn)品的常規(guī)方法。在這種常規(guī)方 法中，6 XXX鋁合金體（10)被鑄造，此后將該鋁合金體均勻化（11)并隨后熱乳至中等厚度 (12)。接著，將6xxx將鋁合金體冷乳（13)至最終厚度，此后對(duì)其進(jìn)行固溶熱處理并淬火 (14)。"固溶熱處理和淬火"等等在本文中通稱作"固溶"，意指將鋁合金體加熱到合適的溫 度，通常在溶線溫度以上，在該溫度保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間以允許可溶性元素進(jìn)入到固溶體中， 并且足夠快速地冷卻以將所述元素保持在固溶體中?？梢酝ㄟ^(guò)足夠快速的冷卻限制溶質(zhì)原 子沉積為粗糙的、不相干的粒子的方式，將在高溫形成的固溶體保持在過(guò)飽和態(tài)。在固溶后 (14)，可以任選地將6xxx鋁合金體少量（例如，1-5%)拉伸（15)以實(shí)現(xiàn)平整，進(jìn)行熱處理 (16)以及任選地經(jīng)過(guò)最后的處理操作（17)。圖1與用于生產(chǎn)T6狀態(tài)的鋁合金的工藝路徑 一致（T6狀態(tài)在本申請(qǐng)的下文中定義）。
[0009] 圖2示出了一個(gè)用于生產(chǎn)新6xxx鋁合金產(chǎn)品的新方法的實(shí)施方案。在這種新方法 中，制備6 XXX鋁合金體（100)用于固溶后冷加工，此后對(duì)該鋁合金體進(jìn)行冷加工（200)，并 且隨后進(jìn)行熱處理（300)。該新方法也可以包括任選的最終處理（400)，如下文進(jìn)一步詳細(xì) 地描述。"固溶后冷加工"等等意指鋁合金體在固溶后的冷加工。應(yīng)用至6 XXX鋁合金體的 固溶后冷加工的量通常是至少25%，例如大于50%的冷加工。通過(guò)第一固溶處理，和隨后 至少25 %的冷加工，和隨后將6xxx鋁合金體適當(dāng)?shù)責(zé)崽幚恚?xxx鋁合金體可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的 性能，如下文進(jìn)一步詳細(xì)地描述。例如，相對(duì)于T6狀態(tài)的常規(guī)鋁合金產(chǎn)品，可以獲得5-25% 或更高的強(qiáng)度增加，并且在將這些常規(guī)鋁合金產(chǎn)品加工成T6狀態(tài)所需要的時(shí)間的一部分 內(nèi)（例如，比T6狀態(tài)加工的合金快10% -90% )獲得這種強(qiáng)度增加。新6XXX鋁合金體也 可以獲得良好的延展性，通常獲得高于4%的延伸率，例如6-15%或更高的延伸率。也可以 保持和/或改進(jìn)其他性能（例如，斷裂韌性、耐蝕性、抗疲勞裂紋擴(kuò)展性、外觀）。
[0010] A.制備用于固溶后冷加工
[0011] 如圖2中所示，這種新方法包括制備用于固溶后冷加工（100)的鋁合金體?？梢?以多種方式制備用于固溶后冷加工（1〇〇)的鋁合金體，包括使用常規(guī)的半連鑄法（例如，鑄 錠的直冷鑄造）和連鑄法（例如，雙輥連鑄）。如圖3中所示，制備步驟（100)通常包括將 鋁合金體設(shè)置成適合冷加工的形式（120)，并對(duì)該鋁合金體進(jìn)行固溶處理（140)。設(shè)置步 驟（120)和固溶步驟（140)可以依次出現(xiàn)或伴隨彼此出現(xiàn)。多種制備步驟（100)的一些非 限制性實(shí)例在圖4至圖8中示出，這在下文中進(jìn)一步詳細(xì)地描述。制備用于固溶后冷加工 (100)的鋁合金體的其他方法對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是熟知的，而且盡管本文中沒(méi)有明 確地描述，這些其他方法也在本發(fā)明的制備步驟（100)的范圍。
[0012] 在一種方案中，制備步驟（100)包括半連鑄法。在一個(gè)實(shí)施例中，并參照?qǐng)D4,所 述設(shè)置步驟（120)包括鑄造鋁合金體（122)(例如，以鑄錠或坯錠的形式），將鋁合金體均 勻化（124)，熱加工鋁合金體（126)和任選地冷加工鋁合金體（128)。在設(shè)置步驟（120)之 后，完成固溶處理步驟（140)。盡管鋁合金體在鑄造后（120)將不以鑄錠/坯錠的形式，但 可以使用連鑄操作完成類似步驟。
[0013] 在另一個(gè)實(shí)施例中，并參照?qǐng)D5,制備步驟（100)包括鑄造鋁合金體（122)，將該 鋁合金體均勻化（124)并熱加工該鋁合金體（126)。在本實(shí)施例中，可以完成熱加工步驟 (126)以將可溶性元素置于固溶體中，此后將該鋁合金體淬火（未示出），從而導(dǎo)致固溶處 理步驟（140)。這是設(shè)置步驟（120)和固溶處理步驟（140)伴隨彼此完成的一個(gè)實(shí)施例。 本實(shí)施例可適用于模壓淬火的產(chǎn)品（例如，型材）和熱乳后被淬火的熱乳產(chǎn)品等等。
[0014] 在另一個(gè)方案中，制備步驟（100)包括連鑄法，如帶式連鑄、桿材澆鑄、雙輥連鑄、 雙帶式連鑄（例如，黑茲利特（Hazelett)鑄造）、牽引鑄造（drag casting)和塊鑄等等。 制備步驟（1〇〇)的一個(gè)實(shí)施方案使用圖6所示的連鑄法。在這個(gè)實(shí)施例中，在大約相同的 時(shí)間（即彼此伴隨地）鑄造并固溶鋁合金體（142)。鑄造將鋁合金體設(shè)置成足以冷加工的 形式。當(dāng)鑄造期間的固化速率足夠迅速時(shí)，鋁合金體也被固溶。在這個(gè)實(shí)施例中，鑄造/固 溶處理步驟（142)可以包括在鑄造后將鋁合金體淬火（未顯示）。本實(shí)施例可適用于雙輥 連鑄法以及其他鑄造法。能夠完成圖6的方法的一些雙輥連鑄法在美國(guó)專利No. 7, 182, 825 和美國(guó)專利No. 6, 672, 368中被描述。
[0015] 在另一個(gè)實(shí)施例中，并參照?qǐng)D7,制備步驟（100)包括鑄造鋁合金體（122)，以及在 鑄造步驟（122)后，再將鋁合金體固溶處理（140)。在這個(gè)實(shí)施例中，設(shè)置步驟（120)包括 鑄造（122)。本實(shí)施例適用于雙輥連鑄法以及其他鑄造法。
[0016] 在另一個(gè)實(shí)施例中，并參照?qǐng)D8,制備步驟（100)包括鑄造鋁合金體（122)，熱加工 鋁合金體（126)，和任選地冷加工鋁合金體（128)。在這個(gè)實(shí)施例中，設(shè)置步驟（120)包括 鑄造步驟（122)、熱加工步驟（126)和任選的冷加工（128)步驟。在設(shè)置步驟（120)之后， 完成固溶處理步驟（140)。本實(shí)施例可適用于連鑄法。
[0017] 圖2至圖8中所示的許多步驟可以以批量方式或連續(xù)方式完成。在一個(gè)實(shí)例中， 冷加工步驟（200)和熱處理步驟（300)被連續(xù)地完成。在這個(gè)實(shí)例中，被固溶的鋁合金體 可以在環(huán)境條件下進(jìn)入冷加工操作。鑒于本文所述的新方法可獲得相對(duì)短的熱處理時(shí)間， 可以在冷加工后（例如，直列式）將冷加工的鋁合金立即進(jìn)行熱處理（300)?？梢韵氲剑@ 類熱處理可以在鄰近冷加工裝置的出口處發(fā)生，或者在與冷加工裝置連接的單獨(dú)的加熱裝 置中發(fā)生。這可以提高生產(chǎn)率。
[0018] 如上所述，制備步驟（100)通常包括鋁合金體的固溶。如上所述，"固溶"包括鋁合 金體的淬火（未示出），所述淬火可以借助液體（例如，借助水溶液或有機(jī)溶液）、氣體（例 如，冷卻空氣）或甚至固體（例如，鋁合金體一個(gè)或更多側(cè)面上冷卻的固體）完成。在一個(gè) 實(shí)施例中，淬火步驟包括使鋁合金體與液體或氣體接觸。在這些實(shí)施方案的一些中，淬火在 不存在鋁合金體的熱加工和/或冷加工的情況下發(fā)生。例如，淬火可以在不存在鋁合金體 的變形的情況下通過(guò)浸沒(méi)、噴霧和/或噴射干燥等等技術(shù)發(fā)生。
[0019] 本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到可以使用其他制備步驟（100)制備用于固溶后冷加工的 鋁合金體（例如，粉末冶金方法），并且認(rèn)識(shí)到這類其他制備步驟落在制備步驟（1〇〇)的范 圍內(nèi)，只要它們將鋁合金體設(shè)置成適合冷加工的形式（120)并將該鋁合金體固溶（140)，并 且無(wú)論這些設(shè)置步驟（120)和固溶處理步驟（140)是否伴隨發(fā)生（例如，同時(shí)地）或依次 發(fā)生，并且無(wú)論設(shè)置步驟（120)是否在固溶處理步驟（140)之前發(fā)生，或反之亦然。
[0020] B.冷加工
[0021] 再次參照?qǐng)D2,并且如上所述，這種新方法包括冷加工（200)大量鋁合金體。"冷 加工"等等意指在至少一個(gè)方向和低于熱加工溫度的溫度使鋁合金體變形（例如，不高于 400° F)?？梢酝ㄟ^(guò)乳制、擠壓、鍛造、牽拉、變薄拉伸（ironing)、旋壓、滾壓成型的一種或 多種及其組合以及其他類型的冷加工方法進(jìn)行冷加工。這些冷加工方法至少可以部分地有 助于生產(chǎn)各種6 XXX鋁合金產(chǎn)品（參見(jiàn)下文產(chǎn)品應(yīng)用）。
[0022] i ?冷乳
[0023] 在一個(gè)實(shí)施例中，并參照?qǐng)D9,冷加工步驟（200)包括冷乳步驟（220)(并且在一些 包括冷乳步驟（220)的實(shí)例中，通過(guò)任選的拉伸或矯直以實(shí)現(xiàn)平整（240))。在這個(gè)實(shí)施例 中，并且如上所述，冷乳步驟（220)在固溶處理步驟（140)之后完成。冷乳步驟（220)是一 種通常借助由輥?zhàn)邮┘拥膲毫κ逛X合金體厚度減小，并且鋁合金體在低于熱乳（124)所用 的溫度（例如，不高于400° F)進(jìn)入乳制設(shè)備的制造技術(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，鋁合金體在環(huán) 境條件下進(jìn)入乳制設(shè)備，即，在本實(shí)施例中冷乳步驟（220)在環(huán)境條件下開(kāi)始。
[0024] 冷乳步驟（220)將6xxx鋁合金體的厚度減少至少25%。冷乳步驟（220)可以在 一個(gè)或多個(gè)乳制道次中完成。在一個(gè)實(shí)施例中，冷乳步驟（220)將鋁合金體從中等厚度乳 制到最終厚度。冷乳步驟（220)可以生產(chǎn)薄板、板材或箱產(chǎn)品。箱產(chǎn)品是具有小于0.006 英寸的厚度的乳制產(chǎn)品。薄板產(chǎn)品是具有0.006英寸至0.249英寸的厚度的乳制產(chǎn)品。板 材產(chǎn)品是具有0. 250英寸或更大的厚度的乳制產(chǎn)品。
[0025] "冷乳XX% "等等意指XXCR%，其中XXCR%是通過(guò)冷乳將鋁合金體從第一厚度1\減 少到第一厚度1 2時(shí)所實(shí)現(xiàn)的厚度減少量，其中是冷乳步驟（200)前（例如，在固溶后） 的厚度，T2是冷乳步驟（200)后的厚度。換句話說(shuō)，XX eR%等于：
[0026] XXCR%= (1 -VT^^lOO%
[0027] 例如，當(dāng)鋁合金體從第一厚度〇\) 15. 0mm減少到第二厚度（T2) 3. 0mm時(shí)，XXeR%是 80%。短語(yǔ)如"冷乳（cold rolling) 80%" 和"冷乳（cold rolled) 80%" 與表達(dá)式 XXCR% =80%等效。
[0028] 在一個(gè)實(shí)施例中，將鋁合金體冷乳（220)至少30 % (XXeR %彡30 % )，即，厚度減少 至少30%。在其他實(shí)施方案中，將鋁合金體冷乳（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] 在一些實(shí)施例中，冷乳（220) 90 %以上（XXCR % <90 %)是不現(xiàn)實(shí)或不理想的。在這 些實(shí)施方案中，可以將鋁合金體冷乳（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] 在一個(gè)實(shí)施例中，將鋁合金體冷乳高于50 %至不高于85 % (50 % <XXCR% < 85%)。這種冷乳量可以產(chǎn)生具有優(yōu)選性能的鋁合金體。在相關(guān)的實(shí)施例中，可以將鋁 合金體冷乳55%至85% (55%<XXCR%<85% )。在又一個(gè)實(shí)施例中，可以將鋁合金體冷 乳60%至85% (60%彡XXCR%彡85%)。在又一個(gè)實(shí)施例中，可以將鋁合金體冷乳65%至 85% (65%<XXCR%<85% )。在又一個(gè)實(shí)施例中，可以將鋁合金體冷乳70%至80% (70% 彡 XXCR%彡 80% ) 〇
[0031] 仍參照?qǐng)D9,在這種方法的實(shí)施例中，可以完成任選的預(yù)冷乳（128)。預(yù)冷乳步驟 (128)可以在固溶處理（140)前進(jìn)一步將鋁合金體的中等厚度（由于熱乳步驟126)減少到 次中等厚度。作為實(shí)例，任選的冷乳步驟（128)可以用來(lái)產(chǎn)生有助于在冷乳步驟（220)期 間產(chǎn)生最終冷乳厚度的次中等厚度。
[0032] ii?其他冷加工技術(shù)
[0033] 除冷乳以外，并再次參照?qǐng)D2，可以通過(guò)乳制、擠壓、鍛造、牽拉、變薄拉深、旋壓、滾 壓成型中的一種或多種及其組合，以及單獨(dú)的其他類型的冷加工方法或這些方法與冷乳的 結(jié)合進(jìn)行冷加工。如上所述，通常在固溶后將鋁合金體冷加工至少25%。在一個(gè)實(shí)施例中， 冷加工將鋁合金體加工成其基本上最終的形式（即，不需要額外的熱加工步驟和/或冷加 工步驟來(lái)獲得最終的產(chǎn)品形式）。
[0034] "冷加工XX% "（ "XX"% "）等等意指將鋁合金體冷加工一個(gè)足以實(shí)現(xiàn)等效塑性應(yīng) 變（下文描述）的量，所述等效塑性應(yīng)變至少和如果將鋁合金體冷乳XX% (XXeR%)所實(shí)現(xiàn) 的等效塑性應(yīng)變的量一樣大。例如，短語(yǔ)"冷加工68. 2% "意指將鋁合金體冷加工一個(gè)足以 實(shí)現(xiàn)等效塑性應(yīng)變的量，所述等效塑性應(yīng)變至少和如果將鋁合金體冷乳68. 2%所實(shí)現(xiàn)的等 效塑性應(yīng)變的量一樣大。由于均指在鋁合金體中產(chǎn)生的等效塑性應(yīng)變的量， 如同將鋁合金體冷乳XX% (或在實(shí)際冷乳的情況下實(shí)際上冷乳XX% )，因此這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)在 本文中可互換地用來(lái)指這種等效塑性應(yīng)變的量。
[0035] 等效塑性應(yīng)變與真應(yīng)變相關(guān)。例如，冷乳XX%，即，XXCR%，可以由真應(yīng)變值表示， 其中真應(yīng)變（e truJ由下式給出：
[0036] C true=- ln(l - % CR/100) (1)
[0037] 其中％ CR是XXeR%，真應(yīng)變值可以換算成等效塑性應(yīng)變值。在冷乳期間實(shí)現(xiàn)雙軸 應(yīng)變的情況下，估計(jì)的等效塑性應(yīng)變將比真應(yīng)變值大1. 155倍（2除以V 3等于1. 155)。雙 軸應(yīng)變代表在冷乳操作期間產(chǎn)生的塑性應(yīng)變的類型。下表1提供將冷乳XX%與真應(yīng)變值和 等效塑性應(yīng)變值相關(guān)聯(lián)的表格。
[0038] 表 1
[0039]
[0040] 這些等效塑性應(yīng)變假定：
[0041] A.無(wú)彈性應(yīng)變；
[0042] B.真塑性應(yīng)變保持體積不變；和
[0043] C?載荷是成比例的。
[0044] 對(duì)于成比例的載荷，上述和/或其他原則可以用來(lái)測(cè)定多種冷加工操作的等效塑 性應(yīng)變。對(duì)于不成比例的載荷，冷加工引起的等效塑性應(yīng)變可以采用下式確定：
[0045]
[0046] 其中dep是等效塑性應(yīng)變?cè)隽?，辦v"(i=l,2,3)代表主要塑性應(yīng)變分量的增 量。參見(jiàn)，塑性（Plasticity)，A.Mendelson，KriegerPubCo;第二版（1983 年 8 月）， ISBN-10:0898745829。
[0047] 本領(lǐng)域技術(shù)人員理解冷加工步驟（200)可以包括以第一方式使鋁合金體變形（例 如，壓縮），并隨后以第二方式使鋁合金體變形（例如，拉伸），并且理解本文所述的等效塑 性應(yīng)變指由作為冷加工步驟（200) -部分而完成全部變形操所引起的累積應(yīng)變。另外，本 領(lǐng)域技術(shù)人員理解冷加工步驟（200)將導(dǎo)致應(yīng)變誘因，但不必然導(dǎo)致鋁合金體最終尺寸的 變化。例如，可以以第一方式（例如，壓縮）冷變形鋁合金體，隨后再以第二方式冷變形（例 如，拉伸）該鋁合金體，冷變形的累積結(jié)果提供具有大約與冷加工步驟（200)前的鋁合金體 相同的最終尺寸的鋁合金體，但是由于冷加工步驟（200)的多種冷變形操作而具有增加的 應(yīng)變。類似地，高的累積應(yīng)變可以通過(guò)順序彎曲操作和反向彎曲操作實(shí)現(xiàn)。
[0048] 借助于上文所示的方法和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他方法，通過(guò)計(jì)算由那些冷