CN101490291B - 高强度铝合金板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供适用于家用电器和汽车外板和其他结构材料的表面粗糙度和成形性优异的高强度铝合金板及其制法。高强度铝合金板的化学组成为：含有2.0-3.3质量％Mg、0.1-0.5质量％Mn和0.2-1.0质量％Fe，余量为不可避免杂质和Al，不可避免杂质当中Si少于0.20质量％；且金属间化合物的平均圆形当量直径为1μm或更小；金属间化合物的面积比为1.2％或更多；再结晶颗粒的平均直径为10μm或更小；且抗拉强度为220MPa或更高。该铝合金板制法如下：将具有上述化学组成的铝合金熔体浇注在双带式铸造机中，在1/4铸坯厚度位置处以50-200℃/秒冷却速率铸造厚度6-15mm的薄板坯，并将其卷绕成卷，然后以60-98％的冷轧压下率对其进行冷轧以形成板，通过连续退火炉以100℃/分钟或更高的加热速率、并在400-520℃保持温度下以5分钟内的保持时间对其进行最终退火。

Description

高强度铝合金板及其制造方法
技术领域
本发明涉及高强度铝合金板，其要求有适用于家用电器和汽车外板和其他结构材料的优异的表面粗糙度(surface roughening)和成形性(formability)。
背景技术
迄今，冷轧钢板已经用于家用电器和汽车外板。但最近，由于对降低重量的要求，已经提出了强度高、成形性优异的Al-Mg合金板。
例如，日本专利公开(A)第07-278716号提出将Mg含量限定为2.0-6.0质量％，将Si含量和Fe含量限定为1.5质量％或更少，将熔体连续铸造成铸坯厚度(slab thickness)为1-10mm，并使冷却速率为10℃/秒或更高，以便将金属间化合物细分散在基体中，以得到用于以优异的机械性质成形的铝合金。
然而，上述文件记载了对平均析出物(precipitate)大小、机械性质和成形性的评估，但是没有见到关于再结晶粒度和表面粗糙度的记载。另外，为了将金属间化合物细分散，总的冷轧压下率(reduction bycold rolling)仅仅限制在优选50％或大于50％。其他制造过程不受具体限制。
这样，在过去已经知晓如下技术：通过双辊铸轧法铸造薄板坯Al-Mg合金，以便将金属间化合物细分散在基体中，以制造机械性质优异的用于成形的铝合金板。
然而，为进一步使成形性更高，有必要进一步使金属间化合物的大小更小，并有必要提高成形后板表面的表面粗糙度。
发明内容
本发明具有如下目的：提供适用于家用电器和汽车外板和其他结构材料的表面粗糙度和成形性均优异的高强度铝合金板，以及该高强度铝合金板的制造方法。
为达到上述目的，根据本发明第一个方面，提供表面粗糙度和成形性优异的高强度铝合金板，其特征在于，具有如下化学组成：含有2.0-3.3质量％的Mg、0.1-0.5质量％的Mn和0.2-1.0质量％的Fe，余量为不可避免杂质和Al，不可避免的杂质当中的Si少于0.20质量％；并且金属间化合物的平均圆形当量直径(circle equivalent diameter)为1μm或更小；金属间化合物的面积比为1.2％或更多；再结晶颗粒的平均直径为10μm或更小；并且抗拉强度为220MPa或更高。
此外，根据本发明第二个方面，提供一种本发明的高强度铝合金的制造方法，所述方法特征在于，将具有本发明第一个方面的化学组成的铝合金熔体浇注在双带式铸造机中，在1/4铸坯厚度位置处以50-200℃/秒的冷却速率铸造厚度为6-15mm的薄板坯，并将该板坯(slab)卷绕成卷，然后以60-98％的冷轧压下率(cold reduction)对板坯进行冷轧以形成板，通过连续退火炉以100℃/分钟或更高的加热速率、并在400-520℃的保持温度下以5分钟之内的保持时间对冷轧板进行最终退火。
通过限定化学组成、金属结构和抗拉强度，本发明第一个方面的铝合金板可以表现出优异的表面粗糙度和成形性和高强度。
本发明第二个方面的制造方法实现了在本发明第一个方面中所限定的铝合金板的金属结构和抗拉强度，从而能够制造表现出优异的表面粗糙度和成形性和高强度的铝合金板。
附图说明
具体实施方式
现解释限定本发明的铝合金板的化学组成的原因。
[Mg：2.0-3.3质量％]
Mg通过溶解在基体中而增加强度。另外，它还增加加工硬化性，从而有助于改善成形性。如果Mg含量小于2.0质量％，则强度变低。如果超过3.3质量％，则屈服强度变得太高，形状固定性下降。因此，使Mg含量的范围在2.0-3.3质量％。优选的Mg含量为2.5-3.3质量％。
[Mn：0.1-0.5质量％]
Mn通过与Fe和Si共存使得微细Al-(Fe，Mn)-Si基化合物在铸造过程中析出，从而增加强度并改善成形性。如果Mn含量小于0.1质量％，则该效果不充分。如果超过0.5质量％，则在合金的铸造过程中形成平均粒度超过1μm的Al-(Fe，Mn)-Si基金属间化合物，并且成形性降低。因此，使Mn含量为0.1-0.5质量％。优选的Mn含量为0.1-0.3质量％。
[Fe：0.2-1.0质量％]
Fe通过与Mn和Si共存使得微细Al-(Fe，Mn)-Si基化合物在铸造过程中析出，从而增加强度并改善成形性。如果Fe含量小于0.2质量％，则不能得到这些效果。如果Fe含量超过1.0质量％，则在铸造过程中形成粗糙的Al-(Fe，Mn)-Si基金属间化合物，并且成形性下降。因此，使Fe含量为0.2-1.0质量％的范围。优选的Fe含量为0.3-1.0质量％。
[Si：小于0.20质量％]
Si是一种不可避免的杂质。然而，如果少量的Si与Fe和Mn共存，它使得微细Al-(Fe，Mn)-Si基化合物在铸造过程中析出，并得到提高强度的效果。如果Si含量为0.20质量％或更高，则在铸造过程中形成粗糙的Al-(Fe，Mn)-Si基金属间化合物，并且成形性下降。因此，使Si含量小于0.20质量％。优选的Si含量为0.15质量％或更低。
[任选成分：Ti]
任选的元素Ti主要作为Al-Ti基或Al-Ti-B基晶粒细化剂而添加，以防止铸锭(ingot)裂纹。然而，如果Ti含量超过0.10质量％，则在铸造过程中析出相对粗糙的Al-Ti基金属间化合物，使得成形性下降。因此，优选的Ti含量为0.10质量％或更低。更优选Ti含量为0.05质量％或更低。
接下来解释限定本发明的铝合金板的微结构的原因。
[金属间化合物的平均圆形当量直径为1μm或更低，金属间化合物的面积比为1.2％或更高]
本发明的铝合金板中的金属间化合物被限定成平均圆形当量直径为1μm或更低，且面积比为1.2％或更高。通过以该方式将极细的金属间化合物分散在基体中，成形铝板时的位错运动得到抑制，并且通过Mg来强化固溶体，实现220MPa或更高的抗拉强度。
在本发明的铝合金板的制造方法中，将预定组成的熔体浇注在双带式铸造机中，并铸造成厚度为6-15mm的薄板坯。通过使1/4铸坯厚度位置处的冷却速率为50-200℃/秒，可以使Al-(Fe，Mn)-Si和其他金属间化合物细微、均匀地析出，并且可以使金属间化合物的平均圆形当量直径在最终的板中为1μm或更小，并且可以使金属间化合物的面积比为1.2％或更高。
此外，通过将该板坯直接卷绕成卷，以60-98％的冷轧压下率将其冷轧，并在预定条件下进行间歇式最终退火或连续退火，可以使再结晶微粒的平均粒度为10μm或更小。由于铸锭金属结构中Al-(Fe，Mn)-Si基金属间化合物的大小很微细，这些金属间化合物在退火过程中充当再结晶的成核位点，同时使抑制晶粒边界移动的锁定(pinning)效果增加，从而抑制再结晶微粒的生长。
以下解释限定本发明的铝合金板的制造方法中的条件的原因。
[双带式铸造]
双带式(twein-belt)铸造方法是将熔体浇注于在垂直方向上彼此面对的水冷旋转带之间的连续铸造方法，其通过由带表面进行冷却而时熔体固化，以得到板坯，并且将板坯从浇注相反侧连续拔出，并将其卷绕成卷。
在双带式铸造中，相对较薄的旋转带的背面被喷嘴的冷却水强制冷却。如下文所解释，可以将1/4薄板坯厚度位置处的冷却速率控制在50-200℃/秒。
[1/4薄板坯厚度位置处的冷却速率为50-200℃/秒]
如上所述，旋转带从其背面被强制冷却，使得1/4薄板坯厚度位置处的冷却速率可以是50-200℃/秒。因此，可以使Al-(Fe，Mn)-Si和其他金属间化合物微细、均匀地析出。这是使金属间化合物的平均圆形当量直径在最终板中为1μm或更小、且金属间化合物的面积比为1.2％或更高的必要条件。
[铸坯厚度6-15mm]
在本发明中，铸坯的厚度限定为6-15mm。如果来自双带式铸造机的薄板坯的厚度小于6mm，则每单位时间通过铸造机的铝的量变得太少，铸造变得困难。相反，如果厚度超过15mm，则不再能卷绕成卷。因此，铸坯厚度的范围限定在6-15mm。
如果是该厚度，则板坯铸造铸造过程中的固化冷却速率也很快，并且可以将金属间化合物的平均圆形当量直径控制在1μm或更小，且金属间化合物的面积比控制在1.2％或更高。因此，在最终的板中，表面粗糙度和成形性优异的铝合金板的再结晶粒度可以是10μm或更小。
[冷轧压下率60-98％]
冷轧压下率限定为60-98％。通过在上述微细金属间化合物周围塑性加工的蓄积而形成的位错(dislocation)，可以在最终退火过程中得到微细的再结晶结构。如果冷轧压下率小于60％，则位错的蓄积不充分，不能得到微细的再结晶微粒。相反，如果在冷轧压下率超过98％，则在轧制过程中边缘裂纹变得明显，产量下降。优选的冷轧压下率为70-96％。
[通过连续退火炉进行最终退火的条件]
<温度400-520℃>
通过连续退火炉进行最终退火的温度限定在400至520℃。如果低于400℃，再结晶所必需的能量变得不足，使得不能得到微细的再结晶结构。如果保持温度超过520℃，则再结晶微粒的生长变得显著，再结晶微粒的平均大小超过10μm，成形性和表面粗糙度下降。
<保持时间在5分钟之内>
连续退火的保持时间限定在5分钟之内。如果连续退火的保持时间超过5分钟，则再结晶微粒的生长变得显著，再结晶微粒的平均大小超过10μm，成形性和表面粗糙度下降。
<加热速率为100℃/分钟或更高>
关于连续退火处理过程中的加热速率和冷却速率，加热速率优选为100℃/分钟或更高。如果连续退火处理过程中的加热速率低于100℃/分钟，则该处理耗时太长，生产率下降，所以这是不优选的。
[通过间歇式退火炉进行最终退火的温度]
通过间歇式退火炉进行最终退火的温度限定为300-400℃。如果低于300℃，再结晶所必需的能量变得不足，使得不能得到微细的再结晶结构。如果保持温度超过400℃，则再结晶微粒的生长变得显著，再结晶微粒的平均大小超过10μm，成形性和表面粗糙度下降。
通过间歇式炉进行最终退火的保持时间不受具体限制，但优选1-8小时。如果小于1小时，则板坯卷的加热可能不均匀。如果保持时间超过8小时，则生产率下降，因此这是不合意的。
实施例
制造具有如表1所示的各种化学组成的合金熔体，通过双带式铸造机将其铸造成厚度为10mm的板坯，并将其直接卷绕成卷。
表1合金组成(质量％)
Figure G2007800271035D00061
作为比较例，制成合金组成A的熔体，将其通过双带式铸造机铸造成厚度为5mm的板坯，并将其直接卷绕成卷。
另外，作为单独的比较例，将合金组成A的熔体通过DC铸造机铸造成厚度为500mm的板坯，并进一步将其面削(scalpe)、均质，并通过轧制机热轧，得到厚度为6mm的热轧板。
接下来，使用冷轧机来冷轧这些板坯，以及热轧板，得到厚度1mm的卷。这些卷通过连续退火线(CAL)，并在425℃下退火15秒。
如下所述，对得到的退火板进行测试，以评估其特性。
[特性评估测试]
<抗拉测试>
制备JIS#5试样，在室温下进行抗拉测试，并测量屈服强度、抗拉强度和伸长率。作为本发明产品的判断标准是抗拉强度为220MPa或更大，伸长率为27％或更大。
<成形性测试>
使用当通过100mm直径球头冲压机(spherical head punch)而成形时的圆顶高度(dome height)作为球头拉伸性(spherical headstretching)，评估成形性。作为本发明产品的判断标准是圆顶高度为34mm或更大。
<表面粗糙度测试>
关于表面粗糙度，将球头拉伸试样的表面在视觉上判断为“优”、“一般”、和“差”。作为本发明产品的判断标准是粗糙表面特性的评估结果为“优”。
<微观结构的评估>
(1)测量金属间化合物的圆形当量直径和面积比
获取板坯的横剖面，将其安装、研磨和刻蚀。通过图像分析器(LUZEX)测量微观结构，以计算金属间化合物的圆形当量直径(μm)和面积比(％)。作为本发明产品的判断标准是金属间化合物的圆形当量直径为1.0μm或更小，面积比为1.2％或更大。
(2)测量粒度
另外，将安装的试样研磨并抛光，然后在氟硼酸水溶液中进行处理，以形成阳极氧化膜。通过偏光显微镜对其进行拍照，并通过横剖面法测量粒度。作为本发明产品的判断标准是粒度为10μm或更小。
[计算铸造过程中的冷却速率]
注意，通过以与上述相同的方式观察来自从1/4铸锭厚度位置处切开的试样的微观结构，并通过由二次枝化法(secondary branching)测得的DAS(枝状晶体臂间距，DendriteArms Spacing)来解下列方程，从而计算铸造过程中的冷却速率(V)：
V＝(62/DAS)1/0.337
根据本发明的制造方法，在1/4铸坯厚度位置处的铸锭冷却速率在50-200℃/秒的范围内。
表2示出不同试样的制造条件，以及在上述这些测试(微结构、抗拉特性、成形性和表面粗糙度)中的评估结果。
Figure G2007800271035D00081
发明实施例第1-3号样品的合金组成和制造方法在本发明的范围之内，并满足微结构和抗拉特性的所有标准。
比较例第4号样品Mg含量为1.0质量％，使得合金组成在本发明的范围之外，其抗拉强度低，不满足标准。
比较例第5号样品Mg含量为5.0质量％，使得合金组成在本发明的范围之外，球头圆顶高度的数值低，不满足标准。
比较例第6号样品Fe含量为0.07质量％，使得合金组成在本发明的范围之外，金属间化合物的面积比下降，粒度变得有些大，不满足表面粗糙度的标准。
比较例第7号样品Fe含量为1.6质量％，使得合金组成在本发明的范围之外，伸长率和球头圆顶高度的值低，不满足标准。
比较例第8号样品Mn含量为0.05质量％，使得合金组成在本发明的范围之外，金属间化合物的面积比和抗拉强度的值低，不满足标准。
比较例第9号样品Mn含量为1.0质量％，使得合金组成在本发明的范围之外，金属间化合物的圆形当量直径大，且伸长率和球头圆顶高度的值低，因而不满足标准。
比较例第10号样品的合金组成在本发明的范围之内，但铸坯厚度薄，为5mm，使得铸造过程中的冷却速率快，为250℃/秒，金属间化合物的面积比有些低，粒度大，因此，球头圆顶高度的值低，也不满足表面粗糙度的标准。
比较例第11号样品的合金组成在本发明的范围之内，但铸坯厚度厚，为500mm，使得铸造过程中的冷却速率慢，为5℃/秒，金属间化合物的圆形当量直径大，粒度也大，球头圆顶高度的值低，也不满足表面粗糙度的标准。
工业应用性
根据本发明，提供了适用于家用电器和汽车外板和其他结构材料的表面粗糙度和成形性优异的高强度铝合金板，并提供了该铝合金板的制造方法。

Claims (3)

1.一种表面粗糙度和成形性优异的高强度铝合金板，其特征在于，具有如下化学组成：含有2.0-3.3质量％的Mg、0.1-0.5质量％的Mn和0.79-1.0质量％的Fe，余量为不可避免的杂质和Al，不可避免的杂质当中的Si少于0.20质量％；并且金属间化合物的平均圆形当量直径为1μm或更小；金属间化合物的面积比为3.80％或更多；再结晶颗粒的平均直径为10μm或更小；并且在室温的抗拉强度为220MPa或更高。
2.一种如权利要求1所述的高强度铝合金板的制造方法，所述方法特征在于，将具有如权利要求1中所述的化学组成的铝合金熔体浇注在双带式铸造机中，在1/4铸坯厚度位置处以50-200℃/秒的冷却速率铸造厚度为6-15mm的薄板坯，并将所述板坯卷绕成卷，然后以60-98％的冷轧压下率对所述板坯进行冷轧以形成板，通过连续退火炉以100℃/分钟或更高的加热速率、并在400-520℃的保持温度下以5分钟之内的保持时间对冷轧板进行最终退火。
3.如权利要求2所述的制造方法，所述制造方法特征在于，替代所述连续退火炉，通过在间歇式退火炉中在300-400℃下保持来进行最终退火。
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