CN102282284A - 残余应力水平低的铝合金板产品的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及残余应力水平低的厚规格铝合金板的制造方法，所述方法包括：(a)提供厚度至少为80mm、经固溶热处理和淬火的铝合金板；(b)通过将所述的板冷轧对其进行应力消除，从而使得板产品在厚度方向上减少高达8％。

Description

残余应力水平低的铝合金板产品的制造方法

技术领域

本发明涉及残余应力水平低的变形铝合金厚规格板产品的制造方法。

背景技术

如下文所述，除非另作说明，下文中所有铝合金牌号是指在2008年由美国铝业协会(Aluminum Association)出版的“Aluminum Standards andData and the Registration Records”中的“Aluminum Associationdesignations”。

除非另作说明，对于合金组成或优选合金组成的任何描述，所指的百分数均为重量百分数。

由于可时效硬化(age-hardenable)的变形铝合金将强度、抗腐蚀和耐损伤的性能集于一身，所以尤其适合将其用于航空航天应用。来自于这些产品的板通常通过包括以下步骤的工艺生产：铸造；通过轧制和/或锻造而成型；固溶热处理(solution heat treating)；对经固溶热处理的产品进行淬火；以及对经淬火的产品进行时效处理(aging)。所述淬火工艺在保持所述合金产品有利的机械性能的同时，同时保留了无法热消除的高残余应力。因此，通过施加均匀塑性应变，来将应力消除或至少将应力降低；对于轧制板而言，塑性应变包括轧制方向上的单向拉伸；在工业规模上通常施加约1.5％-3％的应变，随后进行时效处理，从而带有Tx51的状态牌号。

在替代的工艺中，通常通过重叠(overlapping)步骤在锻造操作中对轧制板进行压缩，随后进行时效处理，从而带有Tx52的状态牌号。例如专利文献WO-2004/053180-A2公开了这种通过将厚板或厚块压缩的锻造操作。

Y.Altschuler等的文章“Relief of Residual Stresses in a High-StrengthAluminum Alloy by Cold Working”(发表于“Mechanical Relaxation ofResidual Stresses”，ASTM STP 993，L.Mordfin，Ed.，American Society forTesting and Materials，Philadelphia，1988，pp.19-29)涉及消除31.8mm的片状7075铝经快速淬火产生的残余应力。结果发现，在张力方面的机械应力消除要优先于压缩方面的机械应力消除。

美国专利号6,159,315和6,406,567公开了将经固溶热处理和淬火的铝合金板进行应力消除的方法，所述方法包括具有应力消除作用的冷机械拉伸和具有应力消除作用的冷压缩进行组合，所述冷拉伸在长度方向上进行，所述冷压缩在厚度方向上进行。

美国专利号6,569,542公开了由至少10mm厚的2xxx-系列合金通过以下步骤制成的结构件：固溶热处理；淬火；通过恒定张力拉伸至超过1.5％的永久形变；以及时效处理。

美国专利号6,077,363公开了AlCuMg片材产品，所述片材在机械加工后具有降低的挠度(deflection)，其中已对所述片材产品进行了淬火和拉伸。

铝片材产品或薄规格的板产品(厚度小于约20mm)可通过轧辊进行拉伸或矫平以提高金属的平整度，同时还可使残余应力稍稍降低。通过轧辊进行矫平的过程包括将片材产品通过两个或多个系列的套式(nested)平行轧辊，所述轧辊交替位于片材平面上下。然后，使所述片材产品在一个方向和另一个方向上交替挠曲，以获得塑性形变。对于较厚规格的产品(厚度超过约20mm)，并不存在既可处理这类产品、又不会对板产品的工程性质产生有害影响的工业机器。此外，对于在淬火后的残余应力松弛方面实现重现特性而言，通过轧辊矫平产生的形变并非充分可控；至少在厚规格片材产品的情况下，利用拉伸机比用辊式矫平机更容易在残余应力松弛方面实现重现特性。

对于将板产品(约20mm以上)进行常规的工业规模的拉伸而言，将端部夹在两个钳口(jaws)间，然后对其施加恒定的受控拉长作用(permanent controlled elongation)。所述拉伸机包括带有钳口的固定头和包括另一个钳口的活动头。如果所述板产品的截面很大(例如非常厚或非常宽或同时满足以上二者)，那么拉伸机的强度、特别是钳口的夹持力可能不足以实现所期望的拉伸程度。

发明内容

本发明的目的是提供规格为80mm以上的、残余应力水平低的、可时效硬化的铝合金板产品的制造方法。

本发明涉及残余应力水平低的铝合金板的制造方法，从而达到或超出了上述目的和其它目的以及另外的优点，所述方法包括如下步骤：

(a)提供厚度为至少80mm、经固溶热处理和淬火的铝合金板；

(b)先通过冷轧将所述板进行应力消除，以使所述板产品在厚度方向上减少高达8％，从而形成基本均匀的厚向形变(through thicknessdeformation)，降低来源于淬火操作的内应力。轧制是用于减少板产品厚度的连续形变工艺。

已通过铸造、轧制(对称轧制、不对称轧制或其组合)和/或锻造、固溶热处理、淬火和时效处理，生产出超过80mm厚的铝合金板产品，其中在淬火后已根据本发明对所述板产品进行冷轧，以降低所述产品中的残余应力水平。

具体实施方式

本发明提供残余应力水平低的铝合金板的制造方法，所述方法包括：

(a)提供经固溶热处理和淬火的铝合金板，所述铝合金板的厚度为至少80mm、优选至少125mm的厚度；

(b)通过将所述的板冷轧对其进行应力消除，从而使得板产品在厚度方向上减少高达8％、优选减少0.3％-8％、更优选减少0.5％-6％、进一步优选减少0.5％-3％。

已经发现，作为由冷轧操作形成的厚向形变的结果，厚向残余应力的曲线得以显著降低。残余应力水平的降低与在拉伸操作中实现的降低处于相同范围。相比于以普通拉伸操作处理的板产品，本发明所述的方法可用于截面大得多的板产品，以实现类似的效果。此外，由于轧制操作是连续的操作，所以除了受原始的轧制用锭块的尺寸限制外，对板产品的长度没有限制。因此，长度超过40米的板产品可通过本发明的方法消除应力。

这一发现与例如“Residual Stress Alterations via Cold Rolling andStretching of an Aluminum Alloy”(由W.E.Nickola发表于“MechanicalRelaxation of Residual Stresses”上，ASTM STP 993，L.Mordfin，Ed.，American Society for Testing and Materials，Philadelphia，1988，pp.7-18)这篇引入本文作为参考的文献相反；上述文献表明，经固溶热处理和冷水淬火的产品在经过冷轧减厚11.5％后，其残余应力水平显著增加。这些应力仅在1.25％的冷拉伸之后得以降低。这致使本领域技术人员得到下述启示：将淬火状态的(as-quenched)铝合金产品进行冷轧会显著增加产品中的残余应力水平。

在本发明的实施方式中，在固溶热处理和淬火之后以及任何进一步人工时效处理操作之前，进行冷轧以降低残余应力。由于可将所需要的轧制力保持在最低的实际水平，所以在淬火后和时效处理前进行冷轧是有利的。

在实施方式中，板产品的制造方法包括固溶热处理和淬火，随后进行多种人工时效处理操作之一，再进行冷却，然后根据本发明对经时效处理和淬火的板产品进行冷轧，以降低残余应力水平。

当以小于0.10/秒的相对低的应变速率进行本发明的冷轧操作时，实现了最佳的性能。在更优选的实施方式中，所述应变速率小于约0.05/秒，更优选小于约0.03/秒。优选的下限为至少约0.006/秒，更优选至少0.010/秒。

在厚规格材料(例如300mm)上进行1％的普通冷轧平整道次(coldrolling skin-pass)，会使得应变速率为约0.002-0.003/秒，但同时也会导致残余应力水平增加。对于常规的冷轧而言，以单轧制道次(single rollingpass)将其规格从10mm减至9mm来对薄板产品进行操作会使得应变速率为约1.2/秒，而对卷料(coil material)(例如约3mm)进行冷轧会使得应变速率通常为约0.5/秒。

某些铝合金在轻微应变后出现由局部流动(localized flow)产生的表面印痕，在本领域中被称为Lüder线。本发明所述的方法的优点在于，合金板产品在进行轧制操作后不会形成这种Lüder线。

本发明所述的冷轧操作在发生应变硬化的温度进行，所述冷轧操作用以降低淬火后的板产品的残余应力水平。这意味着所述板产品的温度优选低于约200℃、优选低于约90℃、更优选低于约60℃，从而使得冷轧操作在普通的工业环境中于室温下理想地进行。对本发明的目的来说，不必或者不需要在零度以下(例如远低于0℃)的温度进行冷轧。用以消除应力的深冷处理(cryogenic treatment)针对不同的产品是不同的工艺，并且通常在所有主要的机械加工完成后进行。深冷处理被认为不在本发明的范围内。

在优选的实施方式中，本发明所述的用以降低残余应力水平的冷轧操作在轧制规程(rolling schedule)中有利地进行，所述轧制规程包括一个或多个轧制道次，所述轧制道次在厚度方向上具有至少0.3％、优选至少0.5％的总的最低塑性形变。

在优选的实施方式中，进行冷轧规程以在一个单轧制操作中引入形变，而不是在多步冷轧操作中引入形变。

在用以降低残余应力水平的冷轧操作后，可对板产品进一步冷加工，以提高所述板的平整度。然而，优选不进行拉伸操作或压缩操作。

在拉伸机对截面大的板产品进行处理会受到相当多的限制的情况下，目前也可以将横截面积增加的板产品(例如具有约1200mm或以上的宽度)中的残余应力水平降低。根据本发明，所述板产品可具有1200mm以上、甚至约1500mm以上的宽度。然而，对于本领域技术人员而言，很明显可用本发明的方法对普通的板尺寸进行加工。

所述铝板产品的厚度为80mm以上、优选约125mm以上、更优选约175mm以上。根据本发明，已经发现较薄规格的板产品(例如15mm或者50mm)在淬火后进行冷轧会导致残余应力水平增加。板厚度的上限原则上仅受到轧制机的力的限制。实际上，这将意味着所述厚度的上限为约800mm，通常为约600mm，更通常为约400mm。

在实施方式中，所述可时效硬化的铝合金选自于由2xxx-系列合金、6xxx-系列合金或7xxx-系列合金所组成的组。

用本发明的方法有利地加工的合金产品的某些特定实例具有以下化学组成：AA7010、AA7136、AA7040、AA7140、AA7049、AA7050、AA7075、AA7081、AA7181或AA7085；再加上它们的改性物(modification)。所述6xxx-系列合金尤其包括AA6061、AA6082、AA6013以及有目的地添加了Zn和/或Li的6xxx-系列合金的改性物。所述2xxx-系列合金尤其包括AA2014、AA2017、AA2024、AA2124、AA2219以及它们的2xxx-系列合金的改性物，所述的2xxx-系列合金的改性物中有目的地添加的Zn和/或Ag和/或Li。

本发明的另一方面涉及将通过本发明所述的方法得到的板产品用于制造下述物件的方法：经加工的结构工件；注塑模具，例如用于塑料的模具或用于橡胶的模具；以及用于机体(airframe)结构的结构件，例如翼梁(spar)、地板梁件(floor beam members)和机翼纵梁(wing stringers)。

实施例

在下文中，将通过以下非限制性的实例来解释本发明。

实施例1

所有AA6061-系列铝合金板具有相同的尺寸，并且使用相同的程序进行铸造。对它们进行用于厚规格产品的下述标准转变顺序(standardtransformation sequence)：均质化后进行再加热，热轧至152mm的规格，固溶热处理，然后淬火。接下来，对淬火状态的板以各种不同的方式进行处理，以研究进一步加工对板材中残余应力水平的影响。本发明所述的冷轧在160英寸的轧制机上进行。

已经测试了下列条件：

1.淬火状态；

2.淬火状态，随后冷拉伸2％，这是这类合金产品普通的Tx51加工路线的一部分；

3.淬火状态，随后用约0.016/秒的应变速率进行本发明所述的减厚冷轧(cold reduction)，两个道次中冷轧厚度降低3％；

4.淬火状态，随后使用约0.016/秒的应变速率进行本发明所述的减厚冷轧，五个道次中冷轧厚度减少8％。

根据BMS 7-323对板厚中部(mid-thickness)(s/2)的残余应力水平进行了测定，其结果列于表1中。

表1随淬火后冷轧形变操作而改变的残余应力水平

冷轧操作	残余应力[MPa]
		淬火状态	+61
淬火状态+2％拉伸	-2
		淬火状态+3％冷轧	-78
淬火状态+8％冷轧	-91

由此结果可见，淬火状态的板产品具有高的残余应力，而经拉伸的产品的残余应力约为零，与预期一致。经冷轧的产品的残余应力随着冷轧程度增加而增加。这意味着在低应变速率、相对低的冷轧程度下，可能存在与经拉伸的产品密切一致的残余应力分布。

实施例2

在其他系列的工业规模试验中，以类似于实施例1的方式生产出直至淬火状态的360mm板；然后，使用约0.015/秒的应变速率，将淬火状态的板产品根据本发明进行冷轧，由此施加可变的冷轧减厚作用(均为单轧制道次)。

根据BMS 7-323对板厚中部(s/2)的残余应力水平进行测定，其结果列于表2中。

这一系列的试验结果表明，冷轧程度对厚规格板产品的板厚中部的残余应力水平有着强烈的影响。在过高的冷轧减厚作用下，残余应力水平迅速增加。高水平的冷轧减厚作用导致高水平的残余应力，这是本领域技术人员从例如上述参考文献“Residual Stress Alterations via ColdRolling and Stretching ofan Aluminum Alloy”(W.E.Nickola，发表于1988年)中已经得知的。然而，根据本发明已经发现，以远远更低水平的冷轧减厚作用得到了有利的低程度的残余应力，上述水平优于对厚的板产品进行冷拉伸实现的水平或与之相当。这可克服通过拉伸消除应力的必要，对于宽的产品和/或厚的产品尤其有利，因为拉伸机的能力局限于板产品的某些尺寸。

表2 随冷轧形变而变化的残余应力水平

冷轧程度(％)	残余应力(MPa)
		0.0％	+39
1.1％	+5
		1.5％	+10
2.3％	-21
		4.0％	-35

对于合金AA2219的360mm板材，已经发现了板厚中部的残余应力水平发展的类似趋势。

已经在AA6061板材上进行了这些工业规模的试验以阐明本发明的原理，并在AA2219材料上得到了证实；然而，本领域技术人员将很快认识到，相同的效果可在其他铝合金(例如7xxx-系列的合金和2xxx-系列的合金)中得到。

本发明并不局限于上述实施方式，在所附权利要求书定义的本发明的范围内，可对上述实施方式进行许多变化。

Claims (15)

1.一种残余应力水平低的铝合金板的制造方法，所述方法包括：

(a)提供厚度为至少80mm、经固溶热处理和淬火的铝合金板；

(b)通过将所述的板冷轧对其进行应力消除，从而使得板产品在厚度方向上减少0.3％-8％、优选0.5％-6％。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述的板由2xxx-系列、6xxx-系列或7xxx-系列的铝合金制成。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述板的厚度小于800mm、优选小于600mm。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述板的厚度为至少125mm、优选至少175mm。

5.如权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述的板已经在低于90℃、优选低于60℃的温度下进行冷轧。

6.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中，在所述步骤(b)中，所述的板产品在厚度方向上减少0.5％-3％。

7.如权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中，所述步骤(b)中的冷轧使用由单轧制道次组成的轧制规程进行。

8.如权利要求1-7中的任一项所述的方法，其中，所述步骤(b)中的冷轧以小于0.10/秒、优选小于0.05/秒的应变速率进行。

9.如权利要求1-8中的任一项所述的方法，其中，所述步骤(b)中的冷轧以至少0.006/秒的应变速率进行。

10.如权利要求1-9中的任一项所述的方法，其中，所述步骤(b)中的冷轧在固溶热处理和淬火后、人工时效处理前进行。

11.如权利要求1-9中的任一项所述的方法，其中，所述步骤(b)中的冷轧在固溶热处理、淬火、以及人工时效处理和冷却后进行。

12.如权利要求1-11中的任一项所述的方法，其中，所述的板由7xxx-系列铝合金制成，所述7xxx-系列铝合金优选选自以下铝合金的组：AA7010、AA7136、AA7040、AA7140、AA7049、AA7050、AA7075、AA7081、AA7181和AA7085。

13.如权利要求1-11中的任一项所述的方法，其中，所述的板由铝合金6xxx-系列合金制成，所述6xxx-系列合金优选选自以下铝合金的组：AA6061、AA6082和AA6013。

14.如权利要求1-11中的任一项所述的方法，其中，所述的板由铝合金2xxx-系列合金制成，所述2xxx-系列合金优选选自以下铝合金的组：AA2014、AA2017、AA2024、AA2124和AA2219。

15.由铝合金板产品制成的用于机体结构的结构件，所述铝合金板产品通过权利要求1-14中的任一项所述的方法得到。