專利名稱：鋁合金板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Al-Mg合金板的制造方法，該Al-Mg合金板可提供更好的應(yīng)力腐蝕斷裂抗力并在沖壓后具有改良的形狀穩(wěn)定性。
現(xiàn)有技術(shù)同鋼板相比，鋁合金板重量輕并具有好的成形性，因而，現(xiàn)今它們已取代鋼板作為機(jī)動(dòng)車輛車身用板、骨架結(jié)構(gòu)、船舶構(gòu)件等。因具有高強(qiáng)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后在經(jīng)過長時(shí)間間隔時(shí)，傾向于以薄膜形式在其晶界處擇優(yōu)地析出β相(Al2Mg3)，從而引起應(yīng)力腐蝕斷裂。已發(fā)現(xiàn)各種方法以解決這個(gè)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(yīng)力腐蝕斷裂抗力鋁合金板的制造方法，該方法包括如下過程擴(kuò)散退火(均勻化)鋁合金鑄錠(含Mg量3.5～5.5wt％)，熱軋并接著冷軋?jiān)撹T錠，退火所得到的板，不再繼續(xù)冷軋，將退火態(tài)鋁板在150～230℃保溫0.5～24小時(shí)。
為提高Al-Mg系合金板變形后的形狀保持能力，即它的形狀穩(wěn)定性，需要使些類板的彈性極限應(yīng)力(或0.2％屈服強(qiáng)度)變得盡可能低。為達(dá)到這種目的，日本已審專利公報(bào)No.6-68146提出了一種方法，該現(xiàn)有技術(shù)方法包括冷軋熱軋態(tài)板或連板坯(含Mg量為2～6wt％的Al-Mg系合金)，再結(jié)晶，采用快速加熱和快速冷卻方法對(duì)冷軋板進(jìn)行淬火和固溶熱處理，隨后對(duì)所得到的板進(jìn)行退火和校正處理。在此方法中，當(dāng)校正后的加熱溫度預(yù)先設(shè)置在60～200℃范圍內(nèi)時(shí)，加熱和冷卻應(yīng)在4×10-3℃/秒或更高的速率下進(jìn)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(jìn)行，此處T表示加熱溫度，這個(gè)定義適于下述情況。換句話說，在加熱溫度為60～160℃情況下，熱處理進(jìn)行105秒或更短；在加熱溫度為160～175℃情況下，熱處理進(jìn)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(jìn)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(jìn)行-7.14T+3.07×103秒或更短。采用上述方法，可生產(chǎn)出適合汽車用的具有高強(qiáng)度和良好成形性的鋁合金板。
然而，采用上述方法由連鑄和軋制得到的Al-Mg系合金板具有以下不足之處當(dāng)熱處理時(shí)，該板不能獲得足夠的應(yīng)力腐蝕斷裂抗力，而且屈服強(qiáng)度的降低也不夠。
本發(fā)明描述從上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處考慮，本發(fā)明提供一種鋁合金板的制造方法，該板通過連鑄和軋制制造而成，具有良好的應(yīng)力下應(yīng)力腐蝕斷裂抗力及形狀穩(wěn)定性。
通過旨在解決那些現(xiàn)有技術(shù)存在的問題并形成本發(fā)明的研究，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，同Al-Mg系合金板傳統(tǒng)制造方法截然不同的是，由連鑄和軋制制造而成的Al-Mg系合金板可在迄今更高的溫度下得以穩(wěn)定化，然后在迄今更慢的冷速下進(jìn)行冷卻，結(jié)果鋁合金板的應(yīng)力腐蝕斷裂抗力可得以增強(qiáng)，彈性極限應(yīng)力得以降低，沖壓后的形狀穩(wěn)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(jìn)行均勻化處理，這樣會(huì)使Mg產(chǎn)生明顯程度的偏析。這意味著通過本領(lǐng)域公知的加熱溫度和冷卻速度的處理，使對(duì)應(yīng)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(jì)會(huì)在應(yīng)力腐蝕斷裂可能發(fā)生的明顯偏析區(qū)域沿相鄰的晶界以β相形式連續(xù)地析出，這個(gè)問題可通過采用本發(fā)明人以上發(fā)現(xiàn)的方法加以消除，即，使β相在含Mg量較低的及經(jīng)連鑄和軋制而成的Al-Mg合金板中不連續(xù)地析出，這種特定的方法可得到高的應(yīng)力腐蝕斷裂抗力，低的彈性極限應(yīng)力及沖壓后良好的形狀穩(wěn)定性。
依據(jù)本發(fā)明，提供一種鋁合金板的制造方法，該板具有增強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕斷裂抗力和改善的形狀穩(wěn)定性。該方法包括退火一種連鑄和軋制態(tài)鋁合金(含Mg量為3～6wt％)板；應(yīng)變校正(strain-correcting)該退火態(tài)鋁合金板；在選自預(yù)定溫度區(qū)間的某溫度下對(duì)校正后的鋁合金板進(jìn)行加熱，該預(yù)定的溫度區(qū)間按下述方式進(jìn)行確定以熱處理溫度(℃)為橫坐標(biāo)軸；冷卻速率(℃/秒)為縱坐標(biāo)軸建立長方形坐標(biāo)系(rectangular ordinatesystem)，在該坐標(biāo)系中，分別以下列坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)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范圍即是該預(yù)定溫度區(qū)間；將所得到的鋁合金板保溫1小時(shí)或更長；隨后將其以與預(yù)定溫度區(qū)間相對(duì)應(yīng)的冷卻速率冷卻下來。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是表示最終熱處理所用的穩(wěn)定化溫度與冷卻速率之間的限定區(qū)域示意圖。
本發(fā)明最佳實(shí)施方式適宜本發(fā)明的鋁合金是含Mg 3～6wt％的Al-Mg系合金。至少3wt％的Mg含量有助于得到高強(qiáng)度和足夠的沖壓成形性，Mg含量低于3wt％將不足以有效地獲得上述效果。反之，Mg含量超過6wt％會(huì)使板的強(qiáng)度過高，難于對(duì)其進(jìn)行軋制、彎曲之類的變形，還會(huì)使鋁合金板對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂敏感，并且最終難以保持成品板長時(shí)間質(zhì)量穩(wěn)定，還會(huì)最終降低其形狀穩(wěn)定性。因此，Mg含量應(yīng)3～6wt％，優(yōu)選5.5wt％或更少，更優(yōu)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(duì)該連鑄和軋制態(tài)鋁合金板進(jìn)行退火以使之軟化，接著，進(jìn)行應(yīng)變校正。就此階段所獲得的板而言，為充分改善應(yīng)力腐蝕斷裂抗力和形狀穩(wěn)定性，隨后以一定方式進(jìn)行加熱和保溫處理以及隨后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℃間的溫度加熱并在此溫度保溫1小時(shí)或長時(shí)間而實(shí)現(xiàn)的。加熱和保溫處理以及隨后的緩慢冷卻處理保證在連鑄過程中偏析的Mg確實(shí)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(yīng)力和最小的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性，而且可以以經(jīng)濟(jì)的方式得到良好的形狀穩(wěn)定性。
上述緩冷處理是以選自預(yù)定冷卻區(qū)間的某一冷速進(jìn)行的，該冷卻區(qū)間與預(yù)定的加熱和保溫溫度區(qū)間相對(duì)應(yīng)。該加熱和保溫溫度區(qū)間按下述方式進(jìn)行確定以溫度(℃)為橫坐標(biāo)軸，冷卻速率(℃/秒)為縱坐標(biāo)軸建立長方形坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中，分別以下列坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)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范圍即是上述的加熱和保溫溫度區(qū)間。
在實(shí)施本發(fā)明的方法過程中，需要時(shí)可在鋁合金中加入除Mg外的其它合金元素。在需要更高強(qiáng)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(chǎn)生可通過在鋁合金中加入低于0.1wt％的Ti或混合加入低于0.1wt％的Ti和低于0.05wt％的B加以避免。當(dāng)由鋁合金制備熔融合金液時(shí)，允許鋁重熔錠或回收廢料中有不純雜質(zhì)元素，只要它們的含量在JIS型5000系列通常限定的范圍之內(nèi)。
下而參考一個(gè)生產(chǎn)鋁合金板的優(yōu)選實(shí)施方案詳細(xì)地說明本發(fā)明。
在這個(gè)方案中，鋁合金板的制造步驟如下通過采用雙輥連鑄法(twin-rolling casting method)、帶式連鑄法、3C法或類似的連續(xù)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；并同時(shí)采用熱軋和冷軋或只采用冷軋立即將上述板坯軋制成預(yù)定厚度的板。熱軋后或冷軋過程中，需要時(shí)可進(jìn)行退火處理。經(jīng)隨后于再結(jié)晶溫度下進(jìn)行的目的在于再結(jié)晶和軟化的最終退火，對(duì)鋁合金板進(jìn)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(jìn)行的，其中鋁合金板的厚度減薄量為約0.5～2％，采用這種處理后，鋁合金板在冷軋和退火處理過程中產(chǎn)生的平直度降低得以消除。
此退火處理是用來使冷軋態(tài)鋁合金板再結(jié)晶，以提高其成形性。為達(dá)到這種目的，可采用連續(xù)退火或分批退火。連續(xù)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(jié)晶進(jìn)行軟化處理。這種連續(xù)退火方式能夠縮短退火處理時(shí)間，而且可以防止再結(jié)晶晶粒的長大，從而防止晶粒粗化。低于5℃/秒的加熱速率或保溫時(shí)間超過10分鐘會(huì)引起再結(jié)晶晶粒的粗化，進(jìn)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(jìn)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(shí)以通過再結(jié)晶進(jìn)行軟化處理。高于400℃的加熱溫度或保溫時(shí)間超過5小時(shí)會(huì)引起再結(jié)晶晶粒的粗化，進(jìn)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(huì)加大。加熱溫度低于300℃或保溫時(shí)間不足10分鐘將不足以有效地進(jìn)行再結(jié)晶。
不論采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(huì)在冷軋和退火過程中產(chǎn)生應(yīng)變，最終其平直度被扭曲。當(dāng)鋁合金板以這種狀態(tài)使用時(shí)，會(huì)引起輸送麻煩及沖壓狀態(tài)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(duì)其反復(fù)彎曲進(jìn)行應(yīng)變校正，以便校正鋁合金板的變形，恢復(fù)其平直度。
上述連鑄和軋制態(tài)鋁合金板不進(jìn)行擴(kuò)散熱處理，由于這個(gè)原因，Mg會(huì)產(chǎn)生顯著的偏析，而且由于沖壓后隨時(shí)間延長性能發(fā)生變化，同上面所述過程一樣，β相會(huì)以連續(xù)形式沿晶界擇優(yōu)地析出，使得鋁合金板對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂高度敏感。另外，退火處理后的校正處理相當(dāng)于一種冷軋，它會(huì)引起彈性極限應(yīng)力的升高，進(jìn)而加大彈性回復(fù)，也會(huì)引起形狀穩(wěn)定性的降低。為提高其應(yīng)力腐蝕斷裂抗力和形狀穩(wěn)定性，校正處理后的鋁合金板應(yīng)通過加熱、保溫處理及緩冷進(jìn)行穩(wěn)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(wěn)定化處理所用的穩(wěn)定化溫度(℃)與冷卻速率(℃/秒)之間的限定或特定區(qū)域。在進(jìn)行穩(wěn)定化處理時(shí)，首先進(jìn)行加熱和保溫處理，在240～340℃之間的某一給定溫度下進(jìn)行1小時(shí)或更長時(shí)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范圍內(nèi)的某一溫度下進(jìn)行1小時(shí)或更長時(shí)間，隨后的緩慢冷卻處理是在與預(yù)定溫度相間對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)上所顯示的冷卻速率下進(jìn)行的，該溫度區(qū)間按下述方式確定以穩(wěn)定化處理溫度(℃)為橫坐標(biāo)軸，冷卻速率(℃/秒)為縱坐標(biāo)軸建立長方形坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中，分別以下列坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)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(qū)間S(以斜線表示)。舉例來說，當(dāng)在290℃加熱和保溫處理1小時(shí)時(shí)，緩冷處理的冷卻速率可選定在坐標(biāo)E和坐標(biāo)G之間的某一數(shù)值，即在3.75×10-3～1.0×10-3(℃/秒)范圍內(nèi)。
同時(shí)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(yīng)力腐蝕斷裂敏感性，降低其彈性極限應(yīng)力，從而提高其形狀穩(wěn)定性。加熱溫度低于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(chǎn)生上述優(yōu)點(diǎn)。加熱溫度超過340℃可使對(duì)應(yīng)變校正造成應(yīng)力的消除效果達(dá)到飽和，結(jié)果除了成本加大外，無法產(chǎn)生更好的結(jié)果。另外，冷卻速率低于下限，即附圖中處在A-D線以下的處理方式，會(huì)使處理時(shí)間延長，這是不經(jīng)濟(jì)的。
實(shí)施例下面借助于表1～表4表示的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
按傳統(tǒng)方式中的作除氣、過濾之類的步驟制備熔融合金液，對(duì)熔融合金液進(jìn)行連鑄和軋制，制備兩種不同類型的連鑄和軋制態(tài)鋁合金板，這兩種板的成分列于表1。按照表2所列的生產(chǎn)條件和熱處理?xiàng)l件，將這兩種連鑄和軋制態(tài)鋁合金板制成成品板，作為本發(fā)明的實(shí)例，將以上板的生產(chǎn)和熱處理?xiàng)l件分為四組，即A、B、C、D組。作為對(duì)比例的成品板同樣由連鑄和軋制態(tài)鋁合金板按照表3所列的生產(chǎn)條件和熱處理?xiàng)l件制備而成，將這些板的生產(chǎn)和熱處理?xiàng)l件分為六組，即E、F、G、H、I和J組如表2和表3所示，由連鑄制備的給定厚度的板坯不進(jìn)行修整，也不進(jìn)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(jìn)行中間退火(再結(jié)晶)，另一些則不經(jīng)過中間退火直接進(jìn)行冷軋。隨后，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℃，并在此溫度保溫2秒鐘，接著以40℃/秒的冷卻速率將退火態(tài)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(jī)加以校正，接著在由附圖中特定區(qū)域S(用斜線表示)所確定的穩(wěn)定化處理溫度和冷卻速率條件下進(jìn)行1小時(shí)的穩(wěn)定化處理。
穩(wěn)定化處理后鋁合金板的實(shí)測(cè)機(jī)械性能和應(yīng)力腐蝕斷裂抗力列于表4。
應(yīng)力腐蝕斷裂抗力由下述方法進(jìn)行確定。
1.0毫米厚的板進(jìn)一步冷軋30％制成0.7毫米厚的板，然后在120℃下敏化處理168小時(shí)。將該板切成20毫米寬、83毫米長用作試樣。將該試樣沿內(nèi)徑為4.5厘米的夾具彎曲成環(huán)，接著在環(huán)上加載一定量的應(yīng)變并隨后將該環(huán)連續(xù)浸泡在35℃的NaCl 3.5％的鹽溶液中。測(cè)量發(fā)生斷裂所需的時(shí)間，將該時(shí)間作為應(yīng)力腐蝕斷裂抗力的服役壽命。
從表4可見本發(fā)明實(shí)例(A、B、C、D組)發(fā)生斷裂前需要時(shí)間為25天或更長，作為對(duì)比例，即不進(jìn)行穩(wěn)定化處理(E和G組)、穩(wěn)定化處理溫度過低(F、H和J組)、穩(wěn)定化處理時(shí)冷速過高(I組)，其發(fā)生斷裂需要時(shí)間短，為2小時(shí)～5天。因此，可以發(fā)現(xiàn)按照本發(fā)明的穩(wěn)定化處理對(duì)提高應(yīng)力腐蝕斷裂抗力有重要意義。
另外，本發(fā)明的實(shí)例顯示出比對(duì)比例低的彈性極限應(yīng)力，這意味著前者具有更好的形狀穩(wěn)定性。
如上文所述，本發(fā)明鋁合金板的制造方法可以制備含Mg量較低的連鑄和軋制態(tài)Al-Mg系合金板，同現(xiàn)有技術(shù)方法相比，該板呈現(xiàn)出高的應(yīng)力下應(yīng)力腐蝕斷裂抗力和低的彈性極限應(yīng)力，因而具有更好的形狀穩(wěn)定性。這種板適合用作汽車車身用板、骨架結(jié)構(gòu)、空氣過濾器、油箱、船舶構(gòu)件、金屬罐、家庭用具等等。
表1 合金成分

表2板的生產(chǎn)條件和熱處理?xiàng)l件

表3板的生產(chǎn)條件和熱處理?xiàng)l件

權(quán)利要求
1.一種制造鋁合金板的方法，該鋁合金板在應(yīng)力下具有增強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕斷裂抗力及改善的形狀穩(wěn)定性，該方法包括退火連鑄和軋制態(tài)鋁合金板(含Mg量3～6wt％)；應(yīng)變校正該退火態(tài)板；在選自預(yù)定溫度區(qū)間的某溫度下對(duì)校正后的鋁合金板進(jìn)行加熱，該預(yù)定溫度區(qū)間按下述方式確定以熱處理溫度(℃)為橫坐標(biāo)軸，冷卻速率(℃/秒)為縱坐標(biāo)軸建立長方形坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系中，分別以下列坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)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(qū)域即是預(yù)定溫度區(qū)間；將所得到的鋁合金板保溫1小時(shí)或更長時(shí)間；隨后將其以與預(yù)定溫度區(qū)間相對(duì)應(yīng)的冷卻速率冷卻下來。
全文摘要
對(duì)連鑄和軋制態(tài)鋁合金板(含Mg量3～6wt%)進(jìn)行如下處理可使其具有增強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕斷裂抗力和改善的形狀穩(wěn)定性:退火,應(yīng)變校正,在240℃～340℃之間的某一給定溫度加熱并保溫1小時(shí)或更長時(shí)間,緩慢冷卻。該緩慢冷卻處理是在選自預(yù)定冷卻區(qū)間的某一冷速下進(jìn)行的,該預(yù)定冷卻區(qū)間與預(yù)定的溫度區(qū)間S相對(duì)應(yīng),該預(yù)定溫度區(qū)間S在附圖中是以斜線的封閉形式表示。
文檔編號(hào)C22F1/00GK1269844SQ9880897
公開日2000年10月11日 申請(qǐng)日期1998年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月11日
發(fā)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(qǐng)人:日本輕金屬株式會(huì)社, 阿爾肯國際有限公司, 本田技研工業(yè)株式會(huì)社