Al-Mg-Zn鍛造合金產品及其製造方法

2023-04-29 03:07:41

專利名稱：Al-Mg-Zn鍛造合金產品及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁合金，特別是涉及用於結構構件的Al-Mg-Zn型合金產品，該合 金產品同時具備高強度和改善的耐腐蝕性。由這種鋁合金產品製成的產品非常適用於航空 航天應用，但並不限於此。該合金可以被加工成各種產品形式，例如板材、薄板、厚板、擠出 或鍛造產品。此外，本發明還涉及製造這種Al-Mg-Zn產品的方法。
背景技術：
如從本文以下將理解的，除非另作說明，合金名稱和韌度代號 (temperdesignation)是指由招業協會(Aluminum Association)於2007年公布的鋁標準 和數據及登記備案中的鋁業協會名稱。對於任何對合金組成或優選合金組成的說明，除非另作說明，所有提到的百分數 都是指重量百分數。有幾種高強度Al-Mg合金為本領域所公知。例如，US-6，315，948-B1(2001年 11月13日公告)公開了一種鋁合金，以Wt. %計，實質上由5-6% Mg、0. 05-0. 15% Zr、 0. 7-1. 0% Μη,Ο. 01-0. 2% Ti、0. 05-0. 5%的至少一種選自Sc和鑭系元素的元素組成， 其中至少存在Sc和0.005-0. 5%鈰，餘量為鋁和不超過0.2% Si的不可避免的雜質。據報 道該合金特別適合用作機動車輛的車身面板。US-5, 624，632 (1997年4月29日公告)公開了一種用作航空航天應用的耐損傷 產品的鋁合金，該鋁合金基本上不含鋅和鋰，且含有3-7% Mg、0. 05-0. 2% Zr、0. 2-1. 2% Mn、高達0. 15% Si和0.05-0. 5%的選自鈧、鉺、釔、釓、鈥和鉿的形成分散體的元素，餘量 為鋁和雜質元素(incidentalelement)以及雜質。儘管Al-Mg基合金比較適於航空航天應用，但是仍然需要比現有的合金強度更高 且同時具有非常好的耐腐蝕性的鋁合金。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種具有提高的強度的鋁_鎂合金。本發明的另一個目 的是提供一種製造這種鋁合金產品的方法。本發明實現或超越了這些目的和其它目的以及進一步的優點，其中，提供了鋁合 金鍛造產品，以wt. %計，該鋁合金鍛造產品含有Mg約3. 0至7. 0、Zn約0. 6至2. 8、Mn 0 至約1.0、Cu 0至約2. 0、Sc 0至約0.6、至少一種選自如下元素的元素(&約0.04至0.4、 Cr 約 0. 04 至 0. 4,Hf 約 0. 04 至 0. 4,Ti 約 0. 01 至 0. 3)、Fe 最高約 0. 3, Si 最高約 0. 3、不 可避免的雜質、以及餘量的鋁，以使Zn-含量範圍為Mg-含量的函數，即Zn-含量範圍的下限[Zn] = 0. 34[Mg]-0. 4 ；並且Zn-含量範圍的上限[Zn] = 0. 34[Mg]+0. 4。當與具有相同Mg含量的合金相比較時，本發明的合金產品比其它5000系合金 (例如AA5053)的強度提高了至少20%。這種強度提高的同時還伴隨著優異的耐腐蝕性，甚至是在敏化的條件下。本發明的合金產品中的每種元素的作用如下。Mg是本發明合金中主要的合金元素，其為合金產品提供主要強度。在優選的實施 方案中，Mg-含量的下限為約4. 0%，更優選為約4. 2%。Mg-含量的上限優選為約5. 0%， 更優選為約4.9%。Mg含量過高會使合金產品在熱加工操作中，特別是軋制過程中，易邊緣 開裂和皺裂(alligatoring)。Mg含量過低則不能為合金提供足夠的強度。本發明的產品中的其它主要合金元素為鋅。將Zn的添加量嚴格控制在限定的範 圍內，防止生成大量的β-相，否則會在合金中形成β-相。通過將β-相的體積分數控制 得非常小，就不再可能沿著晶粒邊界生成連續的網狀析出物，從而製得即使在敏化條件下 仍對IGC行為有高抗性的合金產品。需要的Zn的精確量與合金中Mg的水平是相關的，使 得當合金中Mg的水平提高時，所需要的Zn的水平也提高。此外，添加Zn使得在熱處理過 程中，特別是在冷加工操作後的熱處理過程中生成Mg-Zn相的析出物，從而顯著地改善了 合金產品的強度，同時也得益於耐腐蝕性的提高。在所述合金產品的實施方案中，Mn為約0. 1-1.0，優選為約0.6-1.0%，其作為形 成分散體的元素添加到合金產品中以在熱-機械加工過程中控制晶粒結構，從而提高合金 產品的強度。在所述合金產品的另一個實施方案中，Mn作為雜質元素存在，允許的水平最高為 0.1%，優選最高為約0.05%，例如，約0. 02%或更低。因此，該合金可以基本上不含有Mn。 在Mn以雜質水平存在的實施方案中，必須添加選自Zr、Cr、Hf或Ti的至少一種元素。在該 實施方案中，發現可以達到非常高的強度水平，然而在現有技術中認為在AlMg合金中加入 Mn是達到足夠強度水平所必需的。對於本發明，理想地至少加入&。在更優選的實施方案 中，至少加入&和Sc。根據本發明，已經發現在Mn以雜質水平存在的實施方案中，可以達 到合金產品的耐損傷性能。在所述合金產品的實施方案中，加入約0. 至1. 5%，優選為約0. 2%至1. 2%的 Cu,以進一步提高合金強度，儘管會損失一些耐腐蝕性。提高強度和略微降低耐腐蝕性之間 的平衡使得本發明的合金產品特別適用於各種裝甲板、加工和成形板應用。在所述合金產品的另一個實施方案中，Cu以雜質水平存在，特別是對於腐蝕成 為關鍵工程參數的應用，可以容許的水平最高為0. 1%，優選為最高約0. 05%，例如，為約 0.02%或更低。因而，所述合金可以基本上不含有Cu。鈧可以以約0. 05 %至0. 6 %，優選為0. 07 %至0. 25 %的量添加到所述合金產品 中。加入Sc可以生成Al3Sc分散體，其在熱機械加工過程中會抑制重結晶，從而使強度更 高。特別是當在低於350°C的溫度下退火時，形成1至IOnm的析出物，據信其能提高合金產 品的強度。向本發明的合金產品中加入至少一種或多種選自如下元素的元素Zr 約 0. 04 至 0. 4%，優選為約 0. 06 至 0. 15% ；Cr 約 0. 04 至 0. 4%，優選為約 0. 06 至 0. 15% ；Hf 約 0.04 至 0.4%，優選為約 0.06 至 0. 15% ；Ti 約 0. 01 至 0. 3%，優選為約 0. 02 至 0. 15%。在優選的實施方式中，以限定的量加入&，特別是還有目的性地加入Sc時。鋯用於穩定所述Al3Sc分散體，從而保持合金強度，即使在合金產品加工過程中的高溫下或者在 由該合金產品製成的部件的壽命期間，例如，用於飛機機翼的前沿的除冰管。Hf可以代替 &使用，或者與& 一起使用。所述合金產品中的Si含量應低於0.3%，並且可以作為一種目的性合金元素存 在。在另一個實施方案中，矽作為一種雜質元素存在，其含量應該為該範圍的下限，例如低 於約0. 15%，更優選低於0. 1%，以將斷裂韌性維持在理想的水平，特別是當其用於航空航 天應用時。所述合金產品中的Fe含量應低於0. 3%。當將該合金產品用於航空航天應用時， 優選為該範圍的下限，例如，低於約0. 15%，更優選低於約0. 07%，以特別是將韌度維持在 足夠高的水平。當將該合金產品用於商業應用時，例如用作加工板，可以容許較高的Fe含量。該合金產品可以含有正常的和/或不可避免的元素和雜質，一般地每種 < 0. 05%，且總量< 0.2%，餘量為鋁。對於本發明，應該理解的是，該合金產品不含有Li，以不可避免的雜質形式存在除 外，可以容許的水平最高為0.05%，例如為約0. 02 %或更低。因此該合金基本上不含有Li。就本發明而言，「基本上不含有」和「實質上不含有」是指非故意性地向組合物中加 入這種合金元素，是由於雜質和/或與製造設備接觸時的浸出而使痕量的這種元素進入到 最終的合金產品中。在本發明的優選實施方案中，以wt. %計，該合金的組成為Mg 4. 0 至 5. 0，優選為 4. 2 至 4. 9Zn 0. 96 至 2. 1Mn <1.0，優選<0.05Cu 0 至 2. 0Sc 0. 05 至 0. 6，優選為 0. 07 至 0. 25Zr 0. 04 至 0. 4，優選為 0. 06 至 0. 15任選地，一種或多種選自如下元素的元素Cr 0. 04 至 0. 4Hf 0. 04 至 0. 4Ti 0.01 至 0.3，Fe 最高 0. 15Si 最高 0.15，平衡量的不可避免的雜質，每種雜質< 0. 05，總量< 0. 25，餘量的鋁，以使Zn-含 量範圍為Mg-含量的函數，即Zn-含量範圍的下限[Zn] = 0. 34[Mg]-0. 4 ；並且Zn-含量範圍的上限[Zn] = 0. 34[Mg]+0. 4。在本發明的另一個優選的實施方案中，以wt. %計，該合金的組成為Mg 4. 0 至 5. 0，優選為 4. 2 至 4. 9Zn 0. 96 至 2. 1Mn 0. 1 至 1. 0，優選為 0. 7 至 1. 0
6
Cu 0 至 2.0Sc 0. 05 至 0. 6，優選為 0. 07 至 0. 25Zr 0. 04 至 0. 4，優選為 0. 06 至 0. 15任選地，一種或多種選自如下元素的元素Cr 0. 04 至 0. 4Hf 0. 04 至 0. 4Ti 0. 01 至 0. 3，Fe 最高 0. 15Si 最高 0.15，平衡量的不可避免的雜質，每種雜質< 0. 05，總量< 0. 25，餘量的鋁，以使Zn-含 量範圍為Mg-含量的函數，即Zn-含量範圍的下限[Zn] = 0. 34 [Mg]-0. 4 ；並且Zn-含量範圍的上限[Zn] = 0. 34[Mg]+0. 4。在本發明的合金產品中，當合金產品具有未重結晶的微觀結構時，性能達到最佳 平衡，就是說，在最終狀態中有30%或更少，優選為15%或更少的晶粒為未重結晶的。這種 微觀結構是通過本發明的方法得到的。在本發明的另一個方面，提供了一種製造鋁合金產品的方法，該方法包括如下步 驟a.將具有本發明的化學組成的AlMg合金的鑄錠鑄造成坯；b.將該鑄坯預熱和/或均質化；c.通過一種或多種選自軋制、擠出和鍛造的方法對該坯進行熱加工；d.對熱加工的坯進行退火，然後迅速冷卻；e.對退火且冷卻的坯進行冷加工；f.任選地對冷加工的坯進行拉伸或壓縮；h.對該坯進行熱處理以達到理想的韌度。可以提供鑄錠或板材或薄板坯形式的鋁合金，通過本領域常規用於鑄造產品的鑄 造技術(例如，DC-鑄造、EMC-鑄造、EMS-鑄造)製造成合適的鍛造產品。也可以使用連 鑄，例如，帶式連鑄機或輥式連鑄機得到的薄板坯，其當生產更薄規格的最終產品時可能特 別有利。如本領域所公知的，也可以使用晶粒細化劑，例如含有鈦和硼，或鈦和碳的晶粒細 化劑。在將該合金坯料鑄造之後，通常將鑄錠剝皮，以除去臨近該鑄錠的鑄造表面的偏析 區。一般執行一步或多步均質化處理，每步的溫度為約400°C至560°C。預熱溫度包括 將熱加工坯料加熱到熱加工入口溫度，一般溫度為約350°C至560°C。在預熱和/或均質化工序後，可以通過一種或多種選自軋制、擠出和鍛造的方法 對該坯料進行熱加工，優選使用常規的工業工序。本發明優選使用熱軋的方法。所述熱加工，特別是熱軋，可以達到最終規格，例如3mm或更小或者厚規格的產 品。可供選擇地，所述熱加工步驟可以提供中間規格的坯料，通常為板材或薄板。本發明的一個重要的方面是，為了達到用於AlMg合金產品應用的理想工程特性， 在熱加工操作之後，對該產品進行退火熱處理，然後將產品迅速冷卻或淬火，優選地通過噴霧淬火或者在水或其它淬火介質中浸入淬火。這些淬火技術本身為本領域技術人員所公 知。然而，在現有技術中，在以工業規模退火處理之後，一般是通過空氣冷卻法使5000-系 列合金產品冷卻。空氣冷卻法是指將產品從加熱爐中移出，通過將產品放置在製造現場冷 卻使其變冷，有時使用風扇產生一些小規模的空氣循環。根據本發明的上下文，需要將該產 品迅速冷卻或淬火，以儘可能多地避免Mg-Zn相(例如MgZn2)大粒度析出而導致最終狀態 下強度降低。對於Sc含量不超過0. 05%的本發明的合金產品，一般在350°C至450°C的溫度下 進行退火處理。一般的退火時間為高達約2小時。對於含有0.05%至0.6%以及優選為更窄範圍的Sc的本發明的實施方案，一般在 約300°C至350°C的溫度下進行退火處理，優選為約330°C至350°C。在這種實施方案中，一 般的退火時間為高達約5小時。然後，可以對中間規格的該坯料冷加工達到最終規格，例如，通過軋制。根據合金 的組成和冷加工的量，可以在冷加工操作過程中使用中間退火以增強加工性能。但是，根據 本發明，重要的是，如果在冷加工操作過程中使用一次或多次中間退火處理，則至少在最後 一次冷加工操作之前的最後一次中間退火後將該產品迅速由退火溫度冷卻下來。可選擇地，在包括拉伸的冷加工操作中，將冷加工(例如通過軋制)後的合金產品 以約0. 5至10%，優選為約0. 5至6%的幅度冷拉。也可以將該合金產品冷壓縮。在冷加工操作之後，並且在選擇性冷拉或壓縮操作之後，對該合金產品進行熱處 理使冷加工後的微觀結構恢復，達到改善的性能平衡。在該熱處理過程中，還對該合金產品 進行理想的人工老化處理以形成Mg-Zn-相的細尺度強化析出物，使合金產品的強度顯著 提高至少60MPa或更多，最好的結果是提高至少SOMPa或更多。一般的熱處理在約100°C至210°C的溫度下以一個或多個熱處理步驟進行。例如， 可以在約105°C至135°C的溫度下進行第一次熱處理，優選地進行至少30分鐘，更優選地進 行約2至20小時，這取決於溫度。在第一次熱處理或第一次老化步驟之後，可以在135°C至 210°C，更優選在140°C至175°C下進行第二次熱處理或第二次老化步驟，一般進行至少4小 時，更優選地進行約6至28小時。可選擇地，可以在第二次熱處理之後進行第三次熱處理， 例如，在約105°C至145°C下一般進行高達約30小時。本發明的鋁合金產品可以便利地用於結構應用，特別是用作裝甲板、模具板、壓力 容器，或者用於儲料倉、油罐車，以及用於航海應用。當用作飛機中的結構構件時，該合金產 品特別是可以用作飛機翼肋、飛機翼梁，飛機框架、桁條、壓力艙壁、機身板、下翼板、用作加 工零件或鍛件的厚板或者用作桁條的薄板。通過本發明的方法製造的合金產品也可以以階 段式擠壓或擠壓成型翼梁的形式提供，以用於飛機結構，或者以鍛造翼梁的形式提供，以用 於機翼結構。本發明的鋁合金產品特別適於通過各種常規的連接技術，包括但不限於熔焊、摩 擦攪拌焊、鉚接和粘接與期望產品相連接。下面，將通過如下的非限定性實施例對本發明進行說明。
實施例鑄造具有表1所示組成的三種鋁合金，其中合金A和B為本發明的合金，合金C為作為基準合金的AA5083合金。將鑄錠加工成80X80X IOOmm的各種軋制坯料。以35°C / 小時的速率將該軋制坯料加熱到450°C，並在該溫度下熱處理10小時。將該鑄錠由80mm熱 軋為4mm的規格，然後進行兩種不同的加工路線。路線1 -在475°C下將4mm的板材退火30分鐘，並空氣冷卻；-冷軋使規格降低到2.4mm ；-冷軋後，將該板材在480°C下退火30分鐘，隨後進行空氣冷卻；-接著，對該板材進行1.5%的拉伸。然後在這種狀態下對該材料進行測試。路線2 -在475°C下將4mm的板材退火30分鐘，然後進行水淬；-冷軋使規格降低到2.4mm ；-冷軋後，將該板材在250°C下退火30分鐘，隨後進行空氣冷卻；_接著，對該板材進行1. 5%的拉伸。然後在這種狀態下對該材料進行測試。使用標準的歐洲規範標本測試不同製造路線的各種合金的拉伸性能。拉伸性能列 於表2。由表2中的結果可以看出，對於加工路線1，與基準合金C(AA5083)相比較，合金A 的保證強度(Proof Strength)提高了至少10%，而合金B提高了約35%。而對於加工路 線2，合金A比基準合金強約35 %，合金B比基準合金強約50 %。根據標準ASTM G67，使用為Al-Mg合金設計的失重測試法測定腐蝕性能。在進行 腐蝕測試前，通過在120°C下熱處理10天將各種板材敏化。該測試是研究晶粒間腐蝕行為 (lntergranular Corrosion behaviour, IGC)的定量測試。根據這種標準測試，表現出低 於15mg/cm2的失重的合金可以被認為具有IGC抗性，而失重超過25mg/cm2的合金被認為不 具有IGC抗性。當失重達到15-25mg/cm2之間時，該合金被稱作IGC性能不確定。結果列 於表3。由表3中的結果可以看出，通過兩種製造路線加工的基準合金C對IGC幾乎沒有 抗性。用路線1加工的合金A和B均表現得明顯好些。而當通過路線2加工時，合金A和 B均表現出極好的IGC抗性，失重分別為6和13mg/cm2。還使用根據ASTM Gl 10的測試法測定了腐蝕性能，該測試法一般用於2000-和 7000-系列合金。該測試法測定剝離行為，為一種可視測試。同樣對於本測試，在進行腐蝕 測定前，通過在120°C下熱處理10天將各種板材敏化。可以看出，由路線1和路線2加工的 合金A沒有表現出可觀察到的腐蝕跡象。但是，對於由路線1處理的同時添加Cu和Zn的 合金B表現出標準的IGC行為，這種行為在例如2024合金上也可以觀察到。而當由路線2 處理時，合金B只表現出點蝕的跡象。表1.合金的組成，餘量為鋁和常規雜質。 表2.表1中的合金的拉伸性能。 表3.在120°C下敏化10天後合金的失重結果。
權利要求
一種鋁合金鍛造產品，以wt.％計，其包含Mg3.0至7.0Zn0.6至2.8Mn0至1.0Cu0至2.0Sc0至0.6，至少一種選自如下元素的元素Zr0.04至0.4Cr0.04至0.4Hf0.04至0.4Ti0.01至0.3，Fe最高0.3Si最高0.3，不可避免的雜質，餘量的鋁，以使Zn 含量範圍為Mg 含量的函數，即Zn 含量範圍的下限[Zn]＝0.34[Mg] 0.4；並且Zn 含量範圍的上限[Zn]＝0.34[Mg]+0.4。
2.根據權利要求1所述的鋁合金產品，其中所述Mg-含量範圍為3.0至5. 0%，優選為 4. 0 至 5. 0%。
3.根據權利要求1或2所述的鋁合金產品，其中所述Sc含量範圍為0.05至0. 6%，優 選為 0. 07 至 0. 25%。
4.根據權利要求3所述的鋁合金產品，其中所述Sc與Ir的一起添加，Zr的添加量範 圍為0. 04至0.4%，優選為0. 06至0. 15%。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的鋁合金產品，其中所述Cu-含量範圍為0至0.1%，優選為0至0. 05%。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的鋁合金產品，其中所述Cu-含量範圍為0.1至1.5%，優選為 0. 2 至 1. 2%。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的鋁合金產品，其中所述Mn-含量<0. 1%，優選 < 0. 05%。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的鋁合金產品，其中所述Mn-含量範圍為0.1至 1. 0%，優選為 0. 6 至 1. 0%。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的鋁合金產品，其中所述產品具有未重結晶的微 觀結構。
10.一種製造權利要求1至9中任一項所述的鋁合金鍛造產品的方法，該方法包括如下 步驟a.將具有根據權利要求1至8中任一項所述化學組成的AlMg合金的鑄錠鑄造成坯；b.將該鑄坯預熱和/或均質化；c.通過一種或多種選自軋制、擠出和鍛造的方法對該坯進行熱加工；d.對熱加工的坯進行退火，然後迅速冷卻；e.對退火且冷卻的坯進行冷加工；f.任選地對冷加工的坯進行拉伸或壓縮； h.對該坯進行熱處理以達到理想的韌度。
11.根據權利要求10所述的方法，其中在步驟d.)中，當存在Sc時，如果存在的量高達 0. 05%，在範圍為350°C至450°C的溫度下進行熱處理。
12.根據權利要求10所述的方法，其中在步驟h.)中，當合金中存在的Sc的含量範圍 為0. 05至0. 6%，優選為0. 07至0. 2%時，在範圍為300°C至350°C的溫度下進行熱處理。
13.權利要求1至9中任一項所述的鋁合金產品或根據權利要求10至12中任一項所 述的方法得到的鋁合金產品在結構應用中的用途，所述結構應用選自裝甲板、模型板、壓力 容器、儲料倉、飛機構件、飛機翼肋、飛機翼梁、飛機框架。
全文摘要
本發明涉及一種鋁合金鍛造產品，以wt.％計，其含有Mg 3.0至7.0、Zn 0.6至2.8、Mn 0至1.0、Cu 0至2.0、Sc 0至0.6、至少一種選自如下元素的元素(Zr 0.04至0.4、Cr 0.04至0.4、Hf 0.04至0.4、Ti 0.01至0.3)、Fe最高0.3、Si最高0.3、不可避免的雜質、以及餘量的鋁，以使Zn-含量範圍為Mg-含量的函數，即Zn-含量範圍的下限[Zn]＝0.34[Mg]-0.4；並且Zn-含量範圍的上限[Zn]＝0.34[Mg]+0.4。
文檔編號C22F1/047GK101896631SQ200880116009
公開日2010年11月24日 申請日期2008年11月5日 優先權日2007年11月15日
發明者A·博格, A·懷斯, A·諾曼, S·斯潘格勒 申請人:阿勒裡斯鋁業科布倫茨有限公司