鋁合金板的製造方法

2023-11-03 08:49:42

專利名稱：鋁合金板的製造方法
技術領域：
本發明涉及Al-Mg合金板的製造方法，該Al-Mg合金板可提供更好的應力腐蝕斷裂抗力並在衝壓後具有改良的形狀穩定性。
現有技術同鋼板相比，鋁合金板重量輕並具有好的成形性，因而，現今它們已取代鋼板作為機動車輛車身用板、骨架結構、船舶構件等。因具有高強度和良好的成形性，已提出一種Al-Mg系合金(JIS型5000系列)典型用作上述的鋁合金板。
然而，該Al-Mg合金存在這樣的問題變形後在經過長時間間隔時，傾向於以薄膜形式在其晶界處擇優地析出β相(Al2Mg3)，從而引起應力腐蝕斷裂。已發現各種方法以解決這個問題，例如，日本未審專利公開No.4-187748公開了一種汽車用高應力腐蝕斷裂抗力鋁合金板的製造方法，該方法包括如下過程擴散退火(均勻化)鋁合金鑄錠(含Mg量3.5～5.5wt％)，熱軋並接著冷軋該鑄錠，退火所得到的板，不再繼續冷軋，將退火態鋁板在150～230℃保溫0.5～24小時。
為提高Al-Mg系合金板變形後的形狀保持能力，即它的形狀穩定性，需要使些類板的彈性極限應力(或0.2％屈服強度)變得儘可能低。為達到這種目的，日本已審專利公報No.6-68146提出了一種方法，該現有技術方法包括冷軋熱軋態板或連板坯(含Mg量為2～6wt％的Al-Mg系合金)，再結晶，採用快速加熱和快速冷卻方法對冷軋板進行淬火和固溶熱處理，隨後對所得到的板進行退火和校正處理。在此方法中，當校正後的加熱溫度預先設置在60～200℃範圍內時，加熱和冷卻應在4×10-3℃/秒或更高的速率下進行，在加熱溫度為200～360℃情況下，加熱和冷卻需在1.225×10-3T-0.241℃/秒或更高的速率下進行，此處T表示加熱溫度，這個定義適於下述情況。換句話說，在加熱溫度為60～160℃情況下，熱處理進行105秒或更短；在加熱溫度為160～175℃情況下，熱處理進行-5.33×105T+9.5×105秒或更短；在加熱溫度為175～290℃情況下，熱處理進行-1.65×10T+4.89×104秒或更短；在加熱溫度為290～360℃情況下，熱處理進行-7.14T+3.07×103秒或更短。採用上述方法，可生產出適合汽車用的具有高強度和良好成形性的鋁合金板。
然而，採用上述方法由連鑄和軋製得到的Al-Mg系合金板具有以下不足之處當熱處理時，該板不能獲得足夠的應力腐蝕斷裂抗力，而且屈服強度的降低也不夠。
本發明描述從上述現有技術的不足之處考慮，本發明提供一種鋁合金板的製造方法，該板通過連鑄和軋制製造而成，具有良好的應力下應力腐蝕斷裂抗力及形狀穩定性。
通過旨在解決那些現有技術存在的問題並形成本發明的研究，本發明人發現，同Al-Mg系合金板傳統製造方法截然不同的是，由連鑄和軋制製造而成的Al-Mg系合金板可在迄今更高的溫度下得以穩定化，然後在迄今更慢的冷速下進行冷卻，結果鋁合金板的應力腐蝕斷裂抗力可得以增強，彈性極限應力得以降低，衝壓後的形狀穩定性得以提高。換句話說，連鑄和軋制的Al-Mg系鋁合金板不進行均勻化處理，這樣會使Mg產生明顯程度的偏析。這意味著通過本領域公知的加熱溫度和冷卻速度的處理，使對應力腐蝕斷裂的敏感性相反地得以有害的加大，更具體地說，Mg估計會在應力腐蝕斷裂可能發生的明顯偏析區域沿相鄰的晶界以β相形式連續地析出，這個問題可通過採用本發明人以上發現的方法加以消除，即，使β相在含Mg量較低的及經連鑄和軋制而成的Al-Mg合金板中不連續地析出，這種特定的方法可得到高的應力腐蝕斷裂抗力，低的彈性極限應力及衝壓後良好的形狀穩定性。
依據本發明，提供一種鋁合金板的製造方法，該板具有增強的應力腐蝕斷裂抗力和改善的形狀穩定性。該方法包括退火一種連鑄和軋制態鋁合金(含Mg量為3～6wt％)板；應變校正(strain-correcting)該退火態鋁合金板；在選自預定溫度區間的某溫度下對校正後的鋁合金板進行加熱，該預定的溫度區間按下述方式進行確定以熱處理溫度(℃)為橫坐標軸；冷卻速率(℃/秒)為縱坐標軸建立長方形坐標系(rectangular ordinatesystem)，在該坐標系中，分別以下列坐標點對連接四條直線(240，5.0×10-3)和(340，2.5×10-3)、(240，1.0×10-3)和(340，1.0×10-3)、(240，5.0×10-3)和(340，1.0×10-3)、(340，2.5×10-3)和(340，1.0×10-3)，這四條直線所包圍的加熱溫度範圍即是該預定溫度區間；將所得到的鋁合金板保溫1小時或更長；隨後將其以與預定溫度區間相對應的冷卻速率冷卻下來。
附圖簡述

圖1是表示最終熱處理所用的穩定化溫度與冷卻速率之間的限定區域示意圖。
本發明最佳實施方式適宜本發明的鋁合金是含Mg 3～6wt％的Al-Mg系合金。至少3wt％的Mg含量有助於得到高強度和足夠的衝壓成形性，Mg含量低於3wt％將不足以有效地獲得上述效果。反之，Mg含量超過6wt％會使板的強度過高，難於對其進行軋制、彎曲之類的變形，還會使鋁合金板對應力腐蝕斷裂敏感，並且最終難以保持成品板長時間質量穩定，還會最終降低其形狀穩定性。因此，Mg含量應3～6wt％，優選5.5wt％或更少，更優選5wt％或更少。
上述連鑄和軋制板是通過將熔融鋁合金(含Mg量3～6wt％)連鑄成板坯，接著立即將所得板坯軋制至給定的板厚而成的。對該連鑄和軋制態鋁合金板進行退火以使之軟化，接著，進行應變校正。就此階段所獲得的板而言，為充分改善應力腐蝕斷裂抗力和形狀穩定性，隨後以一定方式進行加熱和保溫處理以及隨後的緩冷處理以使所述板中偏析的Mg沿晶界以顆粒形式作為β相充分析出。
上述加熱和保溫處理是通過在240～340℃間的溫度加熱並在此溫度保溫1小時或長時間而實現的。加熱和保溫處理以及隨後的緩慢冷卻處理保證在連鑄過程中偏析的Mg確實以顆粒形式沿晶界析出。這兩種處理方式不僅可提供低的彈性極限應力和最小的應力腐蝕斷裂敏感性，而且可以以經濟的方式得到良好的形狀穩定性。
上述緩冷處理是以選自預定冷卻區間的某一冷速進行的，該冷卻區間與預定的加熱和保溫溫度區間相對應。該加熱和保溫溫度區間按下述方式進行確定以溫度(℃)為橫坐標軸，冷卻速率(℃/秒)為縱坐標軸建立長方形坐標系，在該坐標系中，分別以下列坐標點對連接四條直線(240，5.0×10-3)和(340，2.5×10-3)、(240，1.0×10-3)和(340，1.0×10-3)、(240，5.0×10-3)和(240，1.0×10-3)、(340，2.5×10-3)和(340，1.0×10-3)，這四條直線所包圍的加熱溫度範圍即是上述的加熱和保溫溫度區間。
在實施本發明的方法過程中，需要時可在鋁合金中加入除Mg外的其它合金元素。在需要更高強度的情況下，可加入一種或多種選自Cu、Fe、Mn、Zn、Cr、Zr和V中的合金元素，其各自加入量為約0.1～2wt％。連鑄過程中裂紋的產生可通過在鋁合金中加入低於0.1wt％的Ti或混合加入低於0.1wt％的Ti和低於0.05wt％的B加以避免。當由鋁合金製備熔融合金液時，允許鋁重熔錠或回收廢料中有不純雜質元素，只要它們的含量在JIS型5000系列通常限定的範圍之內。
下而參考一個生產鋁合金板的優選實施方案詳細地說明本發明。
在這個方案中，鋁合金板的製造步驟如下通過採用雙輥連鑄法(twin-rolling casting method)、帶式連鑄法、3C法或類似的連續鑄造方法將選定成分的熔融鋁合金連鑄成5～30毫米厚的板坯；並同時採用熱軋和冷軋或只採用冷軋立即將上述板坯軋製成預定厚度的板。熱軋後或冷軋過程中，需要時可進行退火處理。經隨後於再結晶溫度下進行的目的在於再結晶和軟化的最終退火，對鋁合金板進行稱作矯平的校正處理，這種處理是通過輕微軋制或拉伸進行的，其中鋁合金板的厚度減薄量為約0.5～2％，採用這種處理後，鋁合金板在冷軋和退火處理過程中產生的平直度降低得以消除。
此退火處理是用來使冷軋態鋁合金板再結晶，以提高其成形性。為達到這種目的，可採用連續退火或分批退火。連續退火包括，將鋁合金板展開，以5℃/秒或更高的加熱速率在450～530℃保溫約1秒～10分鐘以通過再結晶進行軟化處理。這種連續退火方式能夠縮短退火處理時間，而且可以防止再結晶晶粒的長大，從而防止晶粒粗化。低於5℃/秒的加熱速率或保溫時間超過10分鐘會引起再結晶晶粒的粗化，進而降低鋁合金板的成形性。
分批退火是將成卷的鋁合金板在退火爐中進行處理，以約40℃/秒的加熱速率在300～400℃間的溫度保溫約10分鐘～5小時以通過再結晶進行軟化處理。高於400℃的加熱溫度或保溫時間超過5小時會引起再結晶晶粒的粗化，進而損害鋁合金板的成形性，而且鋁合金板表面氧化膜的厚度也會加大。加熱溫度低於300℃或保溫時間不足10分鐘將不足以有效地進行再結晶。
不論採用這兩種方式中的哪一種退火方式，所得到的鋁合金板都會在冷軋和退火過程中產生應變，最終其平直度被扭曲。當鋁合金板以這種狀態使用時，會引起輸送麻煩及衝壓狀態下較差的形狀。所以，鋁合金板需以卷或單板形式通過使用矯直輥對其反覆彎曲進行應變校正，以便校正鋁合金板的變形，恢復其平直度。
上述連鑄和軋制態鋁合金板不進行擴散熱處理，由於這個原因，Mg會產生顯著的偏析，而且由於衝壓後隨時間延長性能發生變化，同上面所述過程一樣，β相會以連續形式沿晶界擇優地析出，使得鋁合金板對應力腐蝕斷裂高度敏感。另外，退火處理後的校正處理相當於一種冷軋，它會引起彈性極限應力的升高，進而加大彈性回復，也會引起形狀穩定性的降低。為提高其應力腐蝕斷裂抗力和形狀穩定性，校正處理後的鋁合金板應通過加熱、保溫處理及緩冷進行穩定化處理。這種處理和/或緩冷用以使偏析的Mg以顆粒形式作為β相析出。
附圖以圖示方式表示了穩定化處理所用的穩定化溫度(℃)與冷卻速率(℃/秒)之間的限定或特定區域。在進行穩定化處理時，首先進行加熱和保溫處理，在240～340℃之間的某一給定溫度下進行1小時或更長時間，以便徹底消除上述的校正處理所引起的缺陷，接著緩慢冷卻。更具體地講，加熱和保溫處理是在按照附示範圍內的某一溫度下進行1小時或更長時間，隨後的緩慢冷卻處理是在與預定溫度相間對應的縱坐標上所顯示的冷卻速率下進行的，該溫度區間按下述方式確定以穩定化處理溫度(℃)為橫坐標軸，冷卻速率(℃/秒)為縱坐標軸建立長方形坐標系，在該坐標系中，分別以下列坐標點對連接四條直線B(240，5.0×10-3)和C(340，2.5×10-3)之間直線、A(240，1.0×10-3)和D(340，1.0×10-3)之間直線、B(240，5.0×10-3)和A(240，1.0×10-3)之間直線、C(340，2.5×10-3)和D(340，1.0×10-3)之間直線，這四條直線所包圍即是加熱溫度區間S(以斜線表示)。舉例來說，當在290℃加熱和保溫處理1小時時，緩冷處理的冷卻速率可選定在坐標E和坐標G之間的某一數值，即在3.75×10-3～1.0×10-3(℃/秒)範圍內。
同時需要加熱和保溫處理以及緩慢冷卻處理以使因連鑄而顯著偏析的Mg以斷開的形式沿晶界充分地析出，由此消除所得到鋁合金板的應力腐蝕斷裂敏感性，降低其彈性極限應力，從而提高其形狀穩定性。加熱溫度低於240℃，且冷卻速率超過上限，即附圖中處在B-C線以上的處理方式，將無法產生上述優點。加熱溫度超過340℃可使對應變校正造成應力的消除效果達到飽和，結果除了成本加大外，無法產生更好的結果。另外，冷卻速率低於下限，即附圖中處在A-D線以下的處理方式，會使處理時間延長，這是不經濟的。
實施例下面藉助於表1～表4表示的實施例進一步說明本發明。
按傳統方式中的作除氣、過濾之類的步驟製備熔融合金液，對熔融合金液進行連鑄和軋制，製備兩種不同類型的連鑄和軋制態鋁合金板，這兩種板的成分列於表1。按照表2所列的生產條件和熱處理條件，將這兩種連鑄和軋制態鋁合金板製成成品板，作為本發明的實例，將以上板的生產和熱處理條件分為四組，即A、B、C、D組。作為對比例的成品板同樣由連鑄和軋制態鋁合金板按照表3所列的生產條件和熱處理條件製備而成，將這些板的生產和熱處理條件分為六組，即E、F、G、H、I和J組如表2和表3所示，由連鑄製備的給定厚度的板坯不進行修整，也不進行均熱，直接軋成1.0毫米厚的板。一些板坯在冷軋過程中進行中間退火(再結晶)，另一些則不經過中間退火直接進行冷軋。隨後，該1.0毫米厚的冷軋板以200℃/秒的加熱速率從室溫快速加熱至500℃，並在此溫度保溫2秒鐘，接著以40℃/秒的冷卻速率將退火態板快冷。在上述過程中由冷卻引起的鋁合金板的平直度扭曲用張力矯直機加以校正，接著在由附圖中特定區域S(用斜線表示)所確定的穩定化處理溫度和冷卻速率條件下進行1小時的穩定化處理。
穩定化處理後鋁合金板的實測機械性能和應力腐蝕斷裂抗力列於表4。
應力腐蝕斷裂抗力由下述方法進行確定。
1.0毫米厚的板進一步冷軋30％製成0.7毫米厚的板，然後在120℃下敏化處理168小時。將該板切成20毫米寬、83毫米長用作試樣。將該試樣沿內徑為4.5釐米的夾具彎曲成環，接著在環上加載一定量的應變並隨後將該環連續浸泡在35℃的NaCl 3.5％的鹽溶液中。測量發生斷裂所需的時間，將該時間作為應力腐蝕斷裂抗力的服役壽命。
從表4可見本發明實例(A、B、C、D組)發生斷裂前需要時間為25天或更長，作為對比例，即不進行穩定化處理(E和G組)、穩定化處理溫度過低(F、H和J組)、穩定化處理時冷速過高(I組)，其發生斷裂需要時間短，為2小時～5天。因此，可以發現按照本發明的穩定化處理對提高應力腐蝕斷裂抗力有重要意義。
另外，本發明的實例顯示出比對比例低的彈性極限應力，這意味著前者具有更好的形狀穩定性。
如上文所述，本發明鋁合金板的製造方法可以製備含Mg量較低的連鑄和軋制態Al-Mg系合金板，同現有技術方法相比，該板呈現出高的應力下應力腐蝕斷裂抗力和低的彈性極限應力，因而具有更好的形狀穩定性。這種板適合用作汽車車身用板、骨架結構、空氣過濾器、油箱、船舶構件、金屬罐、家庭用具等等。
表1 合金成分

表2板的生產條件和熱處理條件

表3板的生產條件和熱處理條件

權利要求
1.一種製造鋁合金板的方法，該鋁合金板在應力下具有增強的應力腐蝕斷裂抗力及改善的形狀穩定性，該方法包括退火連鑄和軋制態鋁合金板(含Mg量3～6wt％)；應變校正該退火態板；在選自預定溫度區間的某溫度下對校正後的鋁合金板進行加熱，該預定溫度區間按下述方式確定以熱處理溫度(℃)為橫坐標軸，冷卻速率(℃/秒)為縱坐標軸建立長方形坐標系，在該坐標系中，分別以下列坐標點對連接四條直線(240，5.0×10-3)和(340，2.5×10-3)之間；(240，1.0×10-3)和(340，1.0×10-3)之間；(240，5.0×10-3)和(240，1.0×10-3)之間；(340，2.5×10-3)和(340，1.0×10-3)之間，這四條直線所包圍的加熱溫度區域即是預定溫度區間；將所得到的鋁合金板保溫1小時或更長時間；隨後將其以與預定溫度區間相對應的冷卻速率冷卻下來。
全文摘要
對連鑄和軋制態鋁合金板(含Mg量3～6wt%)進行如下處理可使其具有增強的應力腐蝕斷裂抗力和改善的形狀穩定性:退火,應變校正,在240℃～340℃之間的某一給定溫度加熱並保溫1小時或更長時間,緩慢冷卻。該緩慢冷卻處理是在選自預定冷卻區間的某一冷速下進行的,該預定冷卻區間與預定的溫度區間S相對應,該預定溫度區間S在附圖中是以斜線的封閉形式表示。
文檔編號C22F1/00GK1269844SQ9880897
公開日2000年10月11日 申請日期1998年9月10日 優先權日1997年9月11日
發明者森山武, P·維克利夫, D·J·洛伊德, 林登, 安永晉拓, 趙丕植 申請人:日本輕金屬株式會社, 阿爾肯國際有限公司, 本田技研工業株式會社