CN103732773B - 高强度铝合金材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具有由以下物质构成的化学成分的高强度铝合金材料：其中上述化学成分含有超过7.2%（重量，下同）且8.7%以下的Zn、1.3%以上2.1%以下的Mg、不足0.50%的Cu、0.30%以下的Fe、0.30%以下的Si、不足0.05%的Mn、0.20%以下的Cr、不足0.05%的Zr和0.001%以上0.05%以下的Ti，余量由Al以及不可避免的不纯物构成。该高强度铝合金材料的耐力为350Mpa以上；金属组织由再结晶组织构成。再结晶组织的晶粒的平均粒径为500μm以下，且优选为热加工方向的平行方向的结晶粒长度是热加工方向的垂直方向的结晶粒长度的0.5～4倍。

Description

高强度铝合金材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及用在如输送机、体育用品和机械部件等的注重强度特性以及外观特性的部位上的高强度铝合金材料。

背景技术

作为用在如输送机、体育用品和机械部件等的注重强度特性以及外观特性的部位上的材料，采用高强度且轻量铝合金的情况开始增加。在这些用途中，由于要求耐久性，因此期望得到耐力为350MPa以上的铝合金。

作为显示如此高强度的铝合金，在铝中添加Zn和Mg的7000系铝合金是已知的。由于Al-Mg-Zn系的析出物为时效析出，7000系铝合金显示出高强度。另外，在7000系铝合金中，除了Zn、Mg以外还添加Cu的铝合金显示出铝合金中的最高强度。

例如通过热挤出加工等制造的7000系铝合金，可使用在要求高强度的航空器或车辆等的输送机、体育用品以及机械部件等。在这些用途中使用时所要求的特性，除了强度以外还有耐应力腐蚀开裂性、延展性等。作为满足上述特性的铝合金的实例，提出了如专利文献1中记载的铝合金挤出材料。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2007-119904号公报

发明内容

本发明要解决的问题

然而，在通过以往的成分范围以及以往的制造方法所制造的、显示7000系的高耐力的铝合金上，如果以防止表面损伤为目的进行阳极氧化处理等，则在外观上存在的问题是其表面出现条纹状图案。

另外，希望上述铝合金，在进行了例如阳极氧化处理等的表面处理之后变成银色以产生高级感。然而，如果在上述传统的7000系铝合金上进行阳极氧化处理等之后，会产生表面带有强烈黄色色调的外观上的问题。

这样，由于上述传统的7000系铝合金，在进行表面处理后所出现的条纹状图案或色调变化的表面品质上的问题，因此其使用存在困难。

本发明，鉴于相关背景，提供一种表面品质优良的高强度铝合金材料及其制造方法。

解决问题的方法

本发明的一个实施方式为一种高强度铝合金材料，其特征在于，

具有含有超过7.2%（重量%，下同）且8.7%以下的Zn、1.3%以上2.1%以下的Mg、不足0.50%的Cu、0.30%以下的Fe、0.30%以下的Si、不足0.05%的Mn、0.20%以下的Cr、不足0.05%的Zr和0.001%以上0.05%以下的Ti，并且余量由Al及不可避免的不纯物构成的化学成分；

耐力为350Mpa以上；

金属组织由再结晶组织构成。

本发明的另一个实施方式为一种高强度铝合金材料的制造方法，其特征在于，

制造具有以下化学成分的铸块，该化学成分含有超过7.2%（重量%，下同）且8.7%以下的Zn、1.3%以上2.1%以下的Mg、不足0.50%的Cu、0.30%以下的Fe、0.30%以下的Si、不足0.05%的Mn、0.20%以下的Cr、不足0.05%的Zr和0.001%以上0.05%以下的Ti，并且余量由Al及不可避免的不纯物构成；

将上述铸块在超过540℃且580℃以下的温度下加热1～24小时进行均质化处理；

之后，将加工开始时的上述铸块的温度设定为440～560℃，在此状态下对该铸块实施热加工得到延展材料；

在上述延展材料的温度为400℃以上期间，进行将其冷却至150℃以下温度的急冷处理；

通过上述急冷处理或之后的冷却，该延展材料的温度被冷却至室温；

然后，在100℃～170℃的温度下加热5～30小时进行人工时效处理。

发明效果

上述高强度铝合金材料具有上述特定的化学成分。因此，其具有与上述传统的7000系铝合金材料相同的耐力，同时能够抑制表面处理后发生的色调变化等，从而得到良好的表面品质。

另外，上述高强度的铝合金材料具有350Mpa以上的耐力。因此，作为在强度特性和外观特性两者都重视的用途中使用的材料，其可以比较容易地满足在强度方面的要求。

而且，上述高强度铝合金材料的金属组织由再结晶组织构成，所以，能够抑制表面处理后因纤维状组织而产生条纹状图案的现象，从而得到良好的表面品质。

因此，上述高强度铝合金材料在强度及表面品质两方面都很优异。

其次，在上述高强度铝合金材料的制造方法中，通过上述特定的处理温度、处理时间以及处理步骤制造上述高强度铝合金材料。因此，可以容易地得到上述高强度铝合金材料。

附图说明

图1为实施例1所涉及的样品No.1的再结晶组织照片。

图2为实施例1所涉及的样品No.18的纤维状组织照片。

具体实施方式

所述高强度铝合金材料同时含有：超过7.2%而在8.7%以下的Zn以及1.3%以上2.1%以下的Mg。由于Zn和Mg在铝合金中共存时以η’相析出。所以，同时含有两者的上述高强度铝合金材料，通过析出强化其强度提高。

当Zn的含量在7.2%以下时，由于η’相的析出量变少，强度提高的效果降低。因此Zn的含量高于7.2%为好，优选7.5%以上。另一方面，如果Zn的含量超过8.7%，由于热加工性降低，其生产性降低。因此，Zn的含量在8.7%以下为好，优选8.5%以下。

另外，Mg的含量少于1.3%时，由于η’相的析出量变少，强度提高的效果降低。另一方面，如果Mg的含量超过2.1%时，由于热加工性降低，其生产性降低。

而且，在上述化学成分中，Cu的含量被限定为不足0.50%。在使用回收材料作为上述高强度铝合金材料的原料时有可能混入Cu。如果铝合金材料中含有Cu，其效果为强度变高，但是，另一方面，也会成为如化学研磨后的光泽降低、通过阳极氧化处理而变黄的色调变化等表面品质降低的原因。通过将Cu的含量限定为不足0.50%，优选不足0.20%，可以抑制这种由光泽降低或色调变化引起的表面品质降低的现象。

在上述化学成分中，分别将Fe限定为0.30%以下、Si限定为0.30%以下、Mn限定为不足0.05%、Cr限定为0.20%以下、Zr限定为不足0.05%。Fe、Si是有可能作为铝原料金属的不纯物而混入的成分，Mn、Cr、Zr是在使用回收材料时有可能混入的成分。

上述5种成分中，Fe、Si以及Mn，通过与Al之间形成AlMn系、AlMnFe系或AlMnFeSi系金属间化合物而具有抑制再结晶化的作用。另外，Cr、Zr通过分别与铝之间形成AlCr系、AlZr系金属间化合物而具有抑制再结晶化的作用。因此，当上述5种成分过量混入上述高强度铝合金材料中时，能够抑制再结晶组织的生成，但是却容易生成纤维状组织。如果存在上述纤维状组织，例如在进行阳极氧化处理后，在表面上容易出现因上述纤维状组织而产生的条纹状图案，所以表面品质有可能降低。

通过分别将Fe限定为0.30%以下、Si限定为0.30%以下、Mn限定为不足0.05%、Cr限定为0.20%以下、Zr限定为不足0.05%，就可以抑制这种因条纹状图案而产生的表面品质的降低。

另外，上述高强度铝合金材料含有0.001%以上0.05%以下的Ti。通过在铝合金材料中添加Ti，具有使铸块组织细微化的作用。由于铸块组织变得细微而得到没有斑点且较高光泽，因此可通过含有Ti来提高表面品质。

当Ti的含量少于0.001%时，不能充分进行铸块组织的细微化，所以在上述高强度铝合金材料的光泽中有可能会产生斑点。另外，当Ti的含量多于0.05%时，由于与Al之间形成的AlTi系金属间化合物等原因，容易产生点状缺陷，所以表面品质有可能会降低。

进一步，上述高强度铝合金，具有由JIS（日本工业标准）Z2241（ISO6892-1）规定的350MPa以上的耐力。因此，可以比较容易地得到与为了达到轻量化而薄片化相对应的强度特性。

进一步，上述高强度铝合金材料，其金属组织由粒状的再结晶组织构成。通常，通过热加工制造的铝合金材料，由于具有由纤维状组织构成的金属组织，会在表面的光泽中产生条纹状图案，所以表面品质有可能会降低。另一方面，上述高强度铝合金材料，由于其金属组织由再结晶组织构成，在表面不会产生条纹状图案，所以表面品质良好。

而且，例如在铝合金材料的表面进行电解研磨，用偏光显微镜观察得到的表面就可以确认上述金属组织。

另外，上述再结晶组织，其晶粒的平均粒径为500μm以下，可以将热加工方向的平行方向的结晶长度设定为是热加工方向的垂直方向的结晶长度的0.5倍～4倍。

如果上述晶粒的平均粒径超过500μm，晶粒过度粗大，所以，在进行阳极氧化处理等表面处理之后，在表面上容易产生斑点，表面品质有可能会降低。因此，上述晶粒的平均粒径越小越好。另外，当平均粒径不足50μm时，在上述晶粒之间有可能残留纤维状组织。所以，为了得到良好的表面品质，上述晶粒的平均粒径最好为500μ以下，优选50μm以上500μm以下。

另外，如果上述晶粒的长径比（指的是热加工方向的平行方向的结晶长度和热加工方向的垂直方向的结晶长度之间的比）超过4，在进行例如阳极氧化等表面处理后的表面上有可能会出现条纹状图案。另一方面，如果用实质的制造设备很难得到长径比不足0.5的晶粒。

另外，所述再结晶组织优选为在热加工时生成的组织。

再结晶组织，根据其制造过程可分为动态再结晶组织和静态再结晶组织，在上述热加工时生成的组织为动态再结晶组织。另一方面，静态再结晶组织，是通过在进行热加工或冷加工之后追加固溶处理或退火处理等热处理工序而生成的组织。虽然任何一种再结晶组织都可解决上述问题，但是，动态再结晶组织由于其生产工序简单，因此可以很容易地制造。

其次，在上述高强度铝合金材料的制造方法中，对具有上述化学成分的铸块在超过540℃且580℃以下的温度下加热1小时以上24小时以下，以进行均质化处理。

当上述均质化处理的加热温度为540℃以下时，上述铸块的偏析层均质化不充分。结果，由于发生晶粒粗大化、形成不均一的结晶组织等问题，所以最终得到的合金材料表面品质降低。另一方面，如果加热温度高于580℃，上述铸块有可能会发生局部熔化，所以制造非常困难。因此，上述均质化处理的温度优选超过540℃且580℃以下。

另外，当上述均质化处理的加热时间不足1小时时，上述铸块的偏析层均质化不充分，所以，与上述相同，最终的表面品质会降低。另一方面，如果加热时间超过24小时，由于上述铸块偏析层的均质化已经达到充分状态，无法估计比这更好的效果。因此，上述均质化处理的时间优选为1小时以上24小时以下。

对进行了上述均质化处理的铸块，实施热加工使其形成延展材料。热加工开始时的上述铸块的温度为440℃以上560℃以下。

当热加工前的铸块的加热温度低于440℃时，变形抗力变高，如果使用实质的制造设备则加工变得非常困难。另一方面，如果将铸块加热至超过560℃的温度之后再进行热加工，加上加工时的加工发热，上述铸块会局部熔化，结果有可能会出现热裂纹。因此，热加工前的上述铸块的温度优选为440℃以上560℃以下。

而且，作为上述热加工，可采用挤出加工或延压加工等。

另外，上述热处理之后，进行将上述延展材料的温度从400℃冷却至150℃以下的急冷处理。

当上述急冷处理前的上述延展材料的温度不足400℃时，淬火不充分，结果得到的延展材料的耐力有可能会不足350MPa。另外，当急冷处理后的延展材料的温度超过150℃时，淬火也不充分，结果得到的延展材料的屈服极限有可能会不足350MPa。

而且，上述急冷处理指的是通过强制方法冷却上述延展材料的处理。作为上述急冷处理，可采用例如风机空冷、喷雾冷却、喷淋冷却或水冷却等方法。

而且，上述急冷处理的冷却速度可为5℃/秒以上1000℃/秒以下。

上述冷却速度超过1000℃/秒时，除设备过大以外，也得不到与其符合的效果。另一方面，如果冷却速度不足5℃/秒，则由于淬火不充分，得到的延展材料的屈服极限有可能会不足350MPa。因此，冷却速度越快越好，优选5℃/秒以上1000℃/秒以下，更优选100℃/秒以上1000℃/秒以下。

另外，进行上述急冷处理以后，使上述延展材料的温度达到室温。这意味着，可以通过上述冷却处理达到室温，或者也可以通过在该急冷处理后进行追加的冷却处理达到室温。通过使延展材料的温度达到室温，呈现了室温时效的效果，因此提高了延展材料的强度。

而且，上述追加的冷却处理，与急冷处理相同，可采用例如风机空冷、喷雾冷却、喷淋冷却或水冷却等方法。

在此，如果在维持室温的状态下保管上述延展材料，由于室温时效效果，进一步提高了该延展材料的强度。室温时效时间，在初期阶段时间越长强度越高，当室温时效时间为24小时以上时，室温时效的效果达到饱和。

其次，将如上所述的被冷却至室温的上述延展材料，在100℃以上170℃以下的温度下加热5小时以上30小时以内进行人工时效处理。如果人工时效处理在上述温度范围或时间范围以外，则得到的延展材料的耐力有可能会不足350MPa，那么很难得到具有充分的强度特性的延展材料。

实施例

实施例1

用表1和表2对涉及上述高强度铝合金材料的实施例进行说明。

在本实施例中，如表1所示，在同一制造条件下制作使铝合金材料的化学成分改变的样品（No.1～No.24），进行各样品的强度测定、金属组织观察。进一步，对各样品进行表面处理后，进行表面品质评价。

以下，将对各样品的制造条件、强度测定方法和金属组织观察方法，以及表面处理方法和表面品质评价方法进行说明。

样品的制造条件

通过半连续铸造，铸造具有表1中所记载的化学成分、且直径为90mm的铸块。然后，将该铸块在550℃的温度下加热12小时进行均质化处理。随后，在上述铸块的温度为520℃的状态下，通过对该铸块进行热挤出加工，形成宽150mm、厚10mm的延展材料。然后，在该延展材料的温度为505℃的状态下，对该延展材料进行急冷处理，即，以600℃/秒的冷却速度将其冷却至100℃。然后，将进行了上述急冷处理的上述延展材料冷却至室温，在室温下进行24小时的室温时效之后，实施在150℃的温度下加热12小时的人工时效处理，从而成为样品。

强度测定方法

根据JISZ2241（ISO6892-1）中的方法从样品中采集试验片，进行拉伸强度、耐力和伸缩率的测定。结果，表示耐力为350MPa以上的样品被判定为合格。

金属组织观察方法

对样品进行电解研磨后，通过倍率50倍～100倍的偏光显微镜取得样品表面的显微镜像。对该显微镜像进行图像解析，求得构成样品金属组织的晶粒的平均粒径以及长径比。结果，分别将平均粒径为500μm以下的样品、长径比为0.5～4.0范围内的样品判定为理想结果。

表面处理方法

对进行了上述人工时效处理的样品的表面进行抛光之后，用氢氧化钠溶液进行刻蚀，接下来进行除垢处理。用磷酸-硝酸法在90℃的温度下对进行了该除垢处理的样品进行1分钟的化学研磨。然后将进行了该化学研磨的样品在15%硫酸浴下以150A/m2的电流密度进行阳极氧化处理，形成10μm的阳极氧化皮膜。最后，将上述阳极氧化处理后的样品浸渍于沸水中，进行上述阳极氧化皮膜的封孔处理。

表面品质的评价方法

目视观察进行了上述表面处理的样品的表面。通过目视观察，在表面上没有出现条纹状图案、斑状图案或点状缺陷的样品被判定为合格。

接下来，用色差计检测样品表面的色调，获取JISZ8729（ISO7724-1）所记载的L*a*b*表色系中各坐标的值。结果，L*值（明度）为85～95、a*值（绿～红的色度为-0.2～0、b*值（蓝～黄的色度）为-0.5～2.5范围内的样品被判定为合格。

表2表示如上制作的各样品的评价结果。而且，在各个评价结果中，对于未被判定为合格或未被判定为理想结果的样品，表2中在该评价结果的下方添加了下划线。

由表2可知，样品No.1～No.12，全部的评价项目均合格，在强度、表面品质方面均显示了优良特性。

作为具有优良表面品质的样品的代表例，图1表示样品No.1的金属组织观察结果。由图1可知，具有优良表面品质的样品，在具有由粒状再结晶组织构成的金属组织的同时，还具有较高光泽，即使通过目视确认也没有观察到条纹状图案，且没有斑点。

样品No.13，由于Zn含量过低，不能充分得到强度提高效果，判定耐力不合格。

样品No.14，由于Zn含量过高，热加工性能差，用实质的设备不能进行热挤出加工。

样品No.15，由于Mg含量过低，不能充分得到强度提高效果，判定耐力不合格。

样品No.16，由于Mg含量过高，热加工性能差，用实质的设备不能进行热挤出加工。

样品No.17，由于Cu含量过高，表面色调带有黄色而判定为不合格。

样品No.18，由于Fe含量过高，结果形成纤维状组织，目视确认表面的条纹状图案而判定为不合格。

在表面品质不合格的样品中，作为目视确认条纹状图案的样品的代表例，图2表示No.18的金属组织观察结果。由图2可知，目视确认的条纹状图案的样品具有由纤维状组织构成的金属组织。

样品No.19，由于Si含量过高，结果形成纤维状组织，目视确认表面的条纹状图案而判定为不合格。同时，表面色调带有黄色。

样品No.20，由于Mn含量过高，结果形成纤维状组织，目视确认表面的条纹状图案而判定为不合格。

样品No.21，由于Cr含量过高，结果形成纤维状组织，目视确认表面的条纹状图案而判定为不合格。同时，表面色调带有黄色。

样品No.22，由于Zr含量过高，结果形成纤维状组织，目视确认表面的条纹状图案而判定为不合格。

样品No.23，由于Ti含量过低，出现了由粗大的铸块组织引起的斑状图案而判定为不合格。

样品No.24，由于Ti含量过高，结果形成和Al的金属间化合物，表面可以看到点状缺陷而判定为不合格。

实施例2

其次，用表3～表5对涉及上述高强度铝合金的制造方法的实施例进行说明。

在本实施例中，将含有表3所示化学成分的铝合金材料，按照表4所示改变制造条件来制造样品（No.A～No.X），进而进行各样品的强度测定、金属组织观察。进一步，对各样品进行表面处理之后，进行表面品质的评价。

以下，对各样品的制造条件进行详细说明。而且，关于各样品的强度测定方法、金属组织观察方法、表面处理方法以及表面评价方法，将使用和上述实施例1相同的方法。

样品的制造条件

通过半连续铸造，铸造具有表3所记载的化学成分且直径为90mm的铸块。然后，使用表4所示的处理时间、处理温度或冷却时间的组合，对上述铸块顺次实施均质化处理、热挤出加工、急冷处理以及人工时效处理，进而得到样品。另外，表4中所记载的室温时效处理，是在进行急冷处理之后，从延展材料到达室温到进行人工时效处理的时间。

表5表示如上制作的各样品的评价结果。而且，在各个评价结果中，对于未被判定为合格或未被判定为理想结果的样品，表5中在该评价结果下方添加了下划线。

由表5可知，样品No.A～No.O，全部评价项目均合格，在强度、表面品质方面均显示了优良特性。

样品P，由于均质化处理中加热温度过低，由于耐力未达到350MPa而判定为不合格。同时，晶粒变得粗大，还目视确认了表面的斑状图案。

样品Q，由于均质化处理中处理时间过短，耐力未达到350MPa而判定为不合格。同时，晶粒变得粗大，还目视确认了表面的斑状图案。

样品R，由于热挤出加工前铸块的加热温度过高，结果在进行挤出加工时部分熔化，引起热加工裂纹，不能进行急冷处理以后的处理。

样品S，由于急冷处理中的冷却速度过低，淬火不充分耐力未达到350MPa而判定为不合格。

样品T，由于急冷处理后延展材料的温度过高，淬火不充分耐力未达到350MPa而判定为不合格。

样品U，由于人工时效处理中加热温度过低，时效硬化不充分耐力未达到350MPa而判定为不合格。

样品V，由于人工时效处理中加热温度过高，形成过度时效，耐力未达到350MPa而判定为不合格。

样品W，由于人工时效处理中处理时间过短，时效硬化不充分耐力未达到350MPa而判定为不合格。

样品X，由于人工时效处理中处理时间过长，形成过度时效，耐力未达到350MPa而判定为不合格。

表1

表2

表3

表4

表5

Claims (4)

1.一种高强度铝合金材料，其特征在于，具有含有超过7.2重量%且8.7重量%以下的Zn、1.3重量%以上2.1重量%以下的Mg、不足0.50重量%的Cu、0.30重量%以下的Fe、0.30重量%以下的Si、不足0.05重量%的Mn、0.20重量%以下的Cr、不足0.05重量%的Zr和0.001重量%以上0.05重量%以下的Ti，并且余量由Al以及不可避免的不纯物构成的化学成分；

其耐力为350Mpa以上；

其金属组织由再结晶组织构成。

2.根据权利要求1所述的高强度铝合金材料，其特征在于，所述再结晶组织的晶粒的平均粒径为500μm以下，并且，热加工方向的平行方向的晶粒长度是热加工方向的垂直方向的晶粒长度的0.5～4倍。

3.一种高强度铝合金材料的制造方法，其特征在于，制造具有以下化学成分的铸块，该化学成分含有超过7.2重量%且8.7重量%以下的Zn、1.3重量%以上2.1重量%以下的Mg、不足0.50重量%的Cu、0.30重量%以下的Fe、0.30重量%以下的Si、不足0.05重量%的Mn、0.20重量%以下的Cr、不足0.05重量%的Zr和0.001重量%以上0.05重量%以下的Ti，并且余量由Al以及不可避免的不纯物构成；

将所述铸块在超过540℃且580℃以下的温度下加热1～24小时进行均质化处理；

之后，将加工开始时的所述铸块的温度设定为440～560℃，在此状态下对所述铸块实施热加工得到延展材料；

在所述延展材料的温度为400℃以上期间，进行将其冷却至150℃以下温度的急冷处理；

通过所述急冷处理或之后的冷却，将所述延展材料的温度冷却至室温；

然后，在100～170℃的温度下加热5～30小时进行人工时效处理。

4.根据权利要求3所述的高强度铝合金材料的制造方法，其特征在于，所述急冷处理的冷却速度为5～1000℃/秒。