CN101896631A - Al-Mg-Zn锻造合金产品及其制造方法 - Google Patents

Al-Mg-Zn锻造合金产品及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铝合金锻造产品，以wt.％计，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、至少一种选自如下元素的元素：(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、不可避免的杂质、以及余量的铝，以使Zn-含量范围为Mg-含量的函数，即：Zn-含量范围的下限：[Zn]＝0.34[Mg]-0.4；并且Zn-含量范围的上限：[Zn]＝0.34[Mg]+0.4。

Description

Al-Mg-Zn锻造合金产品及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金，特别是涉及用于结构构件的Al-Mg-Zn型合金产品，该合金产品同时具备高强度和改善的耐腐蚀性。由这种铝合金产品制成的产品非常适用于航空航天应用，但并不限于此。该合金可以被加工成各种产品形式，例如板材、薄板、厚板、挤出或锻造产品。此外，本发明还涉及制造这种Al-Mg-Zn产品的方法。
背景技术
如从本文以下将理解的，除非另作说明，合金名称和韧度代号(temperdesignation)是指由铝业协会(Aluminum Association)于2007年公布的铝标准和数据及登记备案中的铝业协会名称。
对于任何对合金组成或优选合金组成的说明，除非另作说明，所有提到的百分数都是指重量百分数。
有几种高强度Al-Mg合金为本领域所公知。例如，US-6,315,948-B1(2001年11月13日公告)公开了一种铝合金，以wt.％计，实质上由5-6％Mg、0.05-0.15％  Zr、0.7-1.0％  Mn、0.01-0.2％  Ti、0.05-0.5％的至少一种选自Sc和镧系元素的元素组成，其中至少存在Sc和0.005-0.5％铈，余量为铝和不超过0.2％Si的不可避免的杂质。据报道该合金特别适合用作机动车辆的车身面板。
US-5,624,632(1997年4月29日公告)公开了一种用作航空航天应用的耐损伤产品的铝合金，该铝合金基本上不含锌和锂，且含有3-7％Mg、0.05-0.2％  Zr、0.2-1.2％  Mn、高达0.15％  Si和0.05-0.5％的选自钪、铒、钇、钆、钬和铪的形成分散体的元素，余量为铝和杂质元素(incidentalelement)以及杂质。
尽管Al-Mg基合金比较适于航空航天应用，但是仍然需要比现有的合金强度更高且同时具有非常好的耐腐蚀性的铝合金。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有提高的强度的铝-镁合金。本发明的另一个目的是提供一种制造这种铝合金产品的方法。
本发明实现或超越了这些目的和其它目的以及进一步的优点，其中，提供了铝合金锻造产品，以wt.％计，该铝合金锻造产品含有：Mg约3.0至7.0、Zn约0.6至2.8、Mn 0至约1.0、Cu 0至约2.0、Sc 0至约0.6、至少一种选自如下元素的元素：(Zr约0.04至0.4、Cr约0.04至0.4、Hf约0.04至0.4、Ti约0.01至0.3)、Fe最高约0.3、Si最高约0.3、不可避免的杂质、以及余量的铝，以使Zn-含量范围为Mg-含量的函数，即：
Zn-含量范围的下限：[Zn]＝0.34[Mg]-0.4；并且
Zn-含量范围的上限：[Zn]＝0.34[Mg]+0.4。
当与具有相同Mg含量的合金相比较时，本发明的合金产品比其它5000系合金(例如AA5053)的强度提高了至少20％。这种强度提高的同时还伴随着优异的耐腐蚀性，甚至是在敏化的条件下。
本发明的合金产品中的每种元素的作用如下。
Mg是本发明合金中主要的合金元素，其为合金产品提供主要强度。在优选的实施方案中，Mg-含量的下限为约4.0％，更优选为约4.2％。Mg-含量的上限优选为约5.0％，更优选为约4.9％。Mg含量过高会使合金产品在热加工操作中，特别是轧制过程中，易边缘开裂和皱裂(alligatoring)。Mg含量过低则不能为合金提供足够的强度。
本发明的产品中的其它主要合金元素为锌。将Zn的添加量严格控制在限定的范围内，防止生成大量的β-相，否则会在合金中形成β-相。通过将β-相的体积分数控制得非常小，就不再可能沿着晶粒边界生成连续的网状析出物，从而制得即使在敏化条件下仍对IGC行为有高抗性的合金产品。需要的Zn的精确量与合金中Mg的水平是相关的，使得当合金中Mg的水平提高时，所需要的Zn的水平也提高。此外，添加Zn使得在热处理过程中，特别是在冷加工操作后的热处理过程中生成Mg-Zn相的析出物，从而显著地改善了合金产品的强度，同时也得益于耐腐蚀性的提高。
在所述合金产品的实施方案中，Mn为约0.1-1.0，优选为约0.6-1.0％，其作为形成分散体的元素添加到合金产品中以在热-机械加工过程中控制晶粒结构，从而提高合金产品的强度。
在所述合金产品的另一个实施方案中，Mn作为杂质元素存在，允许的水平最高为0.1％，优选最高为约0.05％，例如，约0.02％或更低。因此，该合金可以基本上不含有Mn。在Mn以杂质水平存在的实施方案中，必须添加选自Zr、Cr、Hf或Ti的至少一种元素。在该实施方案中，发现可以达到非常高的强度水平，然而在现有技术中认为在AlMg合金中加入Mn是达到足够强度水平所必需的。对于本发明，理想地至少加入Zr。在更优选的实施方案中，至少加入Zr和Sc。根据本发明，已经发现在Mn以杂质水平存在的实施方案中，可以达到合金产品的耐损伤性能。
在所述合金产品的实施方案中，加入约0.1％至1.5％，优选为约0.2％至1.2％的Cu，以进一步提高合金强度，尽管会损失一些耐腐蚀性。提高强度和略微降低耐腐蚀性之间的平衡使得本发明的合金产品特别适用于各种装甲板、加工和成形板应用。
在所述合金产品的另一个实施方案中，Cu以杂质水平存在，特别是对于腐蚀成为关键工程参数的应用，可以容许的水平最高为0.1％，优选为最高约0.05％，例如，为约0.02％或更低。因而，所述合金可以基本上不含有Cu。
钪可以以约0.05％至0.6％，优选为0.07％至0.25％的量添加到所述合金产品中。加入Sc可以生成Al3Sc分散体，其在热机械加工过程中会抑制重结晶，从而使强度更高。特别是当在低于350℃的温度下退火时，形成1至10nm的析出物，据信其能提高合金产品的强度。
向本发明的合金产品中加入至少一种或多种选自如下元素的元素：
Zr约0.04至0.4％，优选为约0.06至0.15％；
Cr约0.04至0.4％，优选为约0.06至0.15％；
Hf约0.04至0.4％，优选为约0.06至0.15％；
Ti约0.01至0.3％，优选为约0.02至0.15％。
在优选的实施方式中，以限定的量加入Zr，特别是还有目的性地加入Sc时。锆用于稳定所述Al3Sc分散体，从而保持合金强度，即使在合金产品加工过程中的高温下或者在由该合金产品制成的部件的寿命期间，例如，用于飞机机翼的前沿的除冰管。Hf可以代替Zr使用，或者与Zr一起使用。
所述合金产品中的Si含量应低于0.3％，并且可以作为一种目的性合金元素存在。在另一个实施方案中，硅作为一种杂质元素存在，其含量应该为该范围的下限，例如低于约0.15％，更优选低于0.1％，以将断裂韧性维持在理想的水平，特别是当其用于航空航天应用时。
所述合金产品中的Fe含量应低于0.3％。当将该合金产品用于航空航天应用时，优选为该范围的下限，例如，低于约0.15％，更优选低于约0.07％，以特别是将韧度维持在足够高的水平。当将该合金产品用于商业应用时，例如用作加工板，可以容许较高的Fe含量。
该合金产品可以含有正常的和/或不可避免的元素和杂质，一般地每种＜0.05％，且总量＜0.2％，余量为铝。
对于本发明，应该理解的是，该合金产品不含有Li，以不可避免的杂质形式存在除外，可以容许的水平最高为0.05％，例如为约0.02％或更低。因此该合金基本上不含有Li。
就本发明而言，“基本上不含有”和“实质上不含有”是指非故意性地向组合物中加入这种合金元素，是由于杂质和/或与制造设备接触时的浸出而使痕量的这种元素进入到最终的合金产品中。
在本发明的优选实施方案中，以wt.％计，该合金的组成为：
Mg    4.0至5.0，优选为4.2至4.9
Zn    0.96至2.1
Mn    ＜1.0，优选＜0.05
Cu    0至2.0
Sc    0.05至0.6，优选为0.07至0.25
Zr    0.04至0.4，优选为0.06至0.15
任选地，一种或多种选自如下元素的元素：
Cr    0.04至0.4
Hf    0.04至0.4
Ti    0.01至0.3，
Fe    最高0.15
Si    最高0.15，
平衡量的不可避免的杂质，每种杂质＜0.05，总量＜0.25，余量的铝，以使Zn-含量范围为Mg-含量的函数，即：
Zn-含量范围的下限：[Zn]＝0.34[Mg]-0.4；并且
Zn-含量范围的上限：[Zn]＝0.34[Mg]+0.4。
在本发明的另一个优选的实施方案中，以wt.％计，该合金的组成为：
Mg    4.0至5.0，优选为4.2至4.9
Zn    0.96至2.1
Mn    0.1至1.0，优选为0.7至1.0
Cu    0至2.0
Sc    0.05至0.6，优选为0.07至0.25
Zr    0.04至0.4，优选为0.06至0.15
任选地，一种或多种选自如下元素的元素：
Cr    0.04至0.4
Hf    0.04至0.4
Ti    0.01至0.3，
Fe    最高0.15
Si    最高0.15，
平衡量的不可避免的杂质，每种杂质＜0.05，总量＜0.25，余量的铝，以使Zn-含量范围为Mg-含量的函数，即：
Zn-含量范围的下限：[Zn]＝0.34[Mg]-0.4；并且
Zn-含量范围的上限：[Zn]＝0.34[Mg]+0.4。
在本发明的合金产品中，当合金产品具有未重结晶的微观结构时，性能达到最佳平衡，就是说，在最终状态中有30％或更少，优选为15％或更少的晶粒为未重结晶的。这种微观结构是通过本发明的方法得到的。
在本发明的另一个方面，提供了一种制造铝合金产品的方法，该方法包括如下步骤：
a.将具有本发明的化学组成的AlMg合金的铸锭铸造成坯；
b.将该铸坯预热和/或均质化；
c.通过一种或多种选自轧制、挤出和锻造的方法对该坯进行热加工；
d.对热加工的坯进行退火，然后迅速冷却；
e.对退火且冷却的坯进行冷加工；
f.任选地对冷加工的坯进行拉伸或压缩；
h.对该坯进行热处理以达到理想的韧度。
可以提供铸锭或板材或薄板坯形式的铝合金，通过本领域常规用于铸造产品的铸造技术(例如，DC-铸造、EMC-铸造、EMS-铸造)制造成合适的锻造产品。也可以使用连铸，例如，带式连铸机或辊式连铸机得到的薄板坯，其当生产更薄规格的最终产品时可能特别有利。如本领域所公知的，也可以使用晶粒细化剂，例如含有钛和硼，或钛和碳的晶粒细化剂。在将该合金坯料铸造之后，通常将铸锭剥皮，以除去临近该铸锭的铸造表面的偏析区。
一般执行一步或多步均质化处理，每步的温度为约400℃至560℃。预热温度包括将热加工坯料加热到热加工入口温度，一般温度为约350℃至560℃。
在预热和/或均质化工序后，可以通过一种或多种选自轧制、挤出和锻造的方法对该坯料进行热加工，优选使用常规的工业工序。本发明优选使用热轧的方法。
所述热加工，特别是热轧，可以达到最终规格，例如3mm或更小或者厚规格的产品。可供选择地，所述热加工步骤可以提供中间规格的坯料，通常为板材或薄板。
本发明的一个重要的方面是，为了达到用于AlMg合金产品应用的理想工程特性，在热加工操作之后，对该产品进行退火热处理，然后将产品迅速冷却或淬火，优选地通过喷雾淬火或者在水或其它淬火介质中浸入淬火。这些淬火技术本身为本领域技术人员所公知。然而，在现有技术中，在以工业规模退火处理之后，一般是通过空气冷却法使5000-系列合金产品冷却。空气冷却法是指将产品从加热炉中移出，通过将产品放置在制造现场冷却使其变冷，有时使用风扇产生一些小规模的空气循环。根据本发明的上下文，需要将该产品迅速冷却或淬火，以尽可能多地避免Mg-Zn相(例如MgZn2)大粒度析出而导致最终状态下强度降低。
对于Sc含量不超过0.05％的本发明的合金产品，一般在350℃至450℃的温度下进行退火处理。一般的退火时间为高达约2小时。
对于含有0.05％至0.6％以及优选为更窄范围的Sc的本发明的实施方案，一般在约300℃至350℃的温度下进行退火处理，优选为约330℃至350℃。在这种实施方案中，一般的退火时间为高达约5小时。
然后，可以对中间规格的该坯料冷加工达到最终规格，例如，通过轧制。根据合金的组成和冷加工的量，可以在冷加工操作过程中使用中间退火以增强加工性能。但是，根据本发明，重要的是，如果在冷加工操作过程中使用一次或多次中间退火处理，则至少在最后一次冷加工操作之前的最后一次中间退火后将该产品迅速由退火温度冷却下来。
可选择地，在包括拉伸的冷加工操作中，将冷加工(例如通过轧制)后的合金产品以约0.5至10％，优选为约0.5至6％的幅度冷拉。也可以将该合金产品冷压缩。
在冷加工操作之后，并且在选择性冷拉或压缩操作之后，对该合金产品进行热处理使冷加工后的微观结构恢复，达到改善的性能平衡。在该热处理过程中，还对该合金产品进行理想的人工老化处理以形成Mg-Zn-相的细尺度强化析出物，使合金产品的强度显著提高至少60MPa或更多，最好的结果是提高至少80MPa或更多。
一般的热处理在约100℃至210℃的温度下以一个或多个热处理步骤进行。例如，可以在约105℃至135℃的温度下进行第一次热处理，优选地进行至少30分钟，更优选地进行约2至20小时，这取决于温度。在第一次热处理或第一次老化步骤之后，可以在135℃至210℃，更优选在140℃至175℃下进行第二次热处理或第二次老化步骤，一般进行至少4小时，更优选地进行约6至28小时。可选择地，可以在第二次热处理之后进行第三次热处理，例如，在约105℃至145℃下一般进行高达约30小时。
本发明的铝合金产品可以便利地用于结构应用，特别是用作装甲板、模具板、压力容器，或者用于储料仓、油罐车，以及用于航海应用。当用作飞机中的结构构件时，该合金产品特别是可以用作飞机翼肋、飞机翼梁，飞机框架、桁条、压力舱壁、机身板、下翼板、用作加工零件或锻件的厚板或者用作桁条的薄板。通过本发明的方法制造的合金产品也可以以阶段式挤压或挤压成型翼梁的形式提供，以用于飞机结构，或者以锻造翼梁的形式提供，以用于机翼结构。
本发明的铝合金产品特别适于通过各种常规的连接技术，包括但不限于熔焊、摩擦搅拌焊、铆接和粘接与期望产品相连接。
下面，将通过如下的非限定性实施例对本发明进行说明。
实施例
铸造具有表1所示组成的三种铝合金，其中合金A和B为本发明的合金，合金C为作为基准合金的AA5083合金。将铸锭加工成80×80×100mm的各种轧制坯料。以35℃/小时的速率将该轧制坯料加热到450℃，并在该温度下热处理10小时。将该铸锭由80mm热轧为4mm的规格，然后进行两种不同的加工路线。
路线1：
-在475℃下将4mm的板材退火30分钟，并空气冷却；
-冷轧使规格降低到2.4mm；
-冷轧后，将该板材在480℃下退火30分钟，随后进行空气冷却；
-接着，对该板材进行1.5％的拉伸。
然后在这种状态下对该材料进行测试。
路线2：
-在475℃下将4mm的板材退火30分钟，然后进行水淬；
-冷轧使规格降低到2.4mm；
-冷轧后，将该板材在250℃下退火30分钟，随后进行空气冷却；
-接着，对该板材进行1.5％的拉伸。
然后在这种状态下对该材料进行测试。
使用标准的欧洲规范标本测试不同制造路线的各种合金的拉伸性能。拉伸性能列于表2。
由表2中的结果可以看出，对于加工路线1，与基准合金C(AA5083)相比较，合金A的保证强度(Proof Strength)提高了至少10％，而合金B提高了约35％。而对于加工路线2，合金A比基准合金强约35％，合金B比基准合金强约50％。
根据标准ASTM G67，使用为Al-Mg合金设计的失重测试法测定腐蚀性能。在进行腐蚀测试前，通过在120℃下热处理10天将各种板材敏化。该测试是研究晶粒间腐蚀行为(lntergranular Corrosion behaviour，IGC)的定量测试。根据这种标准测试，表现出低于15mg/cm2的失重的合金可以被认为具有IGC抗性，而失重超过25mg/cm2的合金被认为不具有IGC抗性。当失重达到15-25mg/cm2之间时，该合金被称作IGC性能不确定。结果列于表3。
由表3中的结果可以看出，通过两种制造路线加工的基准合金C对IGC几乎没有抗性。用路线1加工的合金A和B均表现得明显好些。而当通过路线2加工时，合金A和B均表现出极好的IGC抗性，失重分别为6和13mg/cm2。
还使用根据ASTM G1 10的测试法测定了腐蚀性能，该测试法一般用于2000-和7000-系列合金。该测试法测定剥离行为，为一种可视测试。同样对于本测试，在进行腐蚀测定前，通过在120℃下热处理10天将各种板材敏化。可以看出，由路线1和路线2加工的合金A没有表现出可观察到的腐蚀迹象。但是，对于由路线1处理的同时添加Cu和Zn的合金B表现出标准的IGC行为，这种行为在例如2024合金上也可以观察到。而当由路线2处理时，合金B只表现出点蚀的迹象。
表1.合金的组成，余量为铝和常规杂质。
Figure GPA00001137488900091
表2.表1中的合金的拉伸性能。
Figure GPA00001137488900092
表3.在120℃下敏化10天后合金的失重结果。
Figure GPA00001137488900093

Claims (13)

1.一种铝合金锻造产品，以wt.％计，其包含：
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，
至少一种选自如下元素的元素：
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，
不可避免的杂质，余量的铝，以使Zn-含量范围为Mg-含量的函数，即：
Zn-含量范围的下限：[Zn]＝0.34[Mg]-0.4；并且
Zn-含量范围的上限：[Zn]＝0.34[Mg]+0.4。
2.根据权利要求1所述的铝合金产品，其中所述Mg-含量范围为3.0至5.0％，优选为4.0至5.0％。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金产品，其中所述Sc含量范围为0.05至0.6％，优选为0.07至0.25％。
4.根据权利要求3所述的铝合金产品，其中所述Sc与Zr的一起添加，Zr的添加量范围为0.04至0.4％，优选为0.06至0.15％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的铝合金产品，其中所述Cu-含量范围为0至0.1％，优选为0至0.05％。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的铝合金产品，其中所述Cu-含量范围为0.1至1.5％，优选为0.2至1.2％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的铝合金产品，其中所述Mn-含量＜0.1％，优选＜0.05％。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的铝合金产品，其中所述Mn-含量范围为0.1至1.0％，优选为0.6至1.0％。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的铝合金产品，其中所述产品具有未重结晶的微观结构。
10.一种制造权利要求1至9中任一项所述的铝合金锻造产品的方法，该方法包括如下步骤：
a.将具有根据权利要求1至8中任一项所述化学组成的AlMg合金的铸锭铸造成坯；
b.将该铸坯预热和/或均质化；
c.通过一种或多种选自轧制、挤出和锻造的方法对该坯进行热加工；
d.对热加工的坯进行退火，然后迅速冷却；
e.对退火且冷却的坯进行冷加工；
f.任选地对冷加工的坯进行拉伸或压缩；
h.对该坯进行热处理以达到理想的韧度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在步骤d.)中，当存在Sc时，如果存在的量高达0.05％，在范围为350℃至450℃的温度下进行热处理。
12.根据权利要求10所述的方法，其中在步骤h.)中，当合金中存在的Sc的含量范围为0.05至0.6％，优选为0.07至0.2％时，在范围为300℃至350℃的温度下进行热处理。
13.权利要求1至9中任一项所述的铝合金产品或根据权利要求10至12中任一项所述的方法得到的铝合金产品在结构应用中的用途，所述结构应用选自装甲板、模型板、压力容器、储料仓、飞机构件、飞机翼肋、飞机翼梁、飞机框架。
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