CN104781430A - 耐晶间腐蚀的铝合金带及其制造方法 - Google Patents

耐晶间腐蚀的铝合金带及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种由AA5xxx类型的铝合金构成的铝合金带，该铝合金除了Al和不能够避免的杂质之外还具有至少为4重量％的Mg含量。本发明的目的在于，提出一种由AlMg合金组成的铝合金带，尽管具有高强度和至少为4重量％的Mg含量，该铝合金带对晶间腐蚀稳定，该目的按照本发明的第一教导通过一种铝合金带实现，该铝合金带具有再结晶的组织结构，其中，μm表示的组织结构的晶粒度(KG)与重量％表示的Mg含量(c_Mg)满足以下相关性：KG≥22+2×c_Mg，其中，铝合金带的铝合金具有以下组成成分(重量％)：Si≤0.2％，Fe≤0.35％，0.04％≤Cu≤0.08％，0.2％≤Mn≤0.5％，4.35％≤Mg≤4.8％，Cr≤0.1％，Zn＜0.25％，Ti≤0.1％，剩余Al和单独最大为0.05重量％，总量最大为0.15重量％的不能够避免的杂质。

Description

耐晶间腐蚀的铝合金带及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种由AA5xxx类型的铝合金组成的铝合金带，该铝合金除了Al和不能够避免的杂质之外还具有至少为4重量％的Mg含量。除此之外，本发明还涉及一种用于制造按照本发明的铝合金带的方法以及一种由按照本发明的铝合金带制成的构件。
背景技术
AA5xxx类型的铝镁(AlMg-)合金以板、片或带的形状应用于轮船、汽车和飞机制造中的焊接或者嵌接结构的构造。这类合金的特点特别在于具有高的强度，该强度随镁含量的增加而提高。
例如，在Zhao等人发表题为“发展应用于汽车板的AA5xxx类型的铝合金的双带铸造”(“Development of twin-belt cast AA5xxxseries aluminium alloy materials for automotive sheetapplications”)的文章中已知一种由AA5182合金组成的铝合金带，该铝合金带具有4.65重量％的Mg含量，该Mg含量适合在汽车制造中应用。
Kang等人发表题为“合金和复合材料的半固体化处理”(“Semi-Solid Processing of Alloys and Composites”)的文章中和US2003/0150587 A1中同样已知Mg含量最小为4重量％的AA5182类型的铝合金带。Lin等人发表的题为“铝锻造合金的热撕裂敏感性和晶粒细化效应”(“Hot-Tear Susceptibility of Aluminium WroughtAlloys and the Effect of Grain Refining”)的文章涉及由AA5182合金组成的圆棒。
DE 102 31 437 A1涉及耐腐蚀的铝合金板，其中，通过添加大于0.4重量％的Zn含量实现了足够强的耐晶间腐蚀性。
另外，GB 2 027 621 A还公开了一种制造铝合金带的方法。
AA5xxx类型的AlMg合金的Mg含量大于3％，特别是大于4％，当其暴露于升高的温度中，有持续增加的晶间腐蚀的趋势。当温度在70℃至200℃时，β-Al5Mg3相沿晶界析出，该β-Al5Mg3相称为β-微粒而且当出现腐蚀介质时可以有选择地溶解。这样的后果是，假如考虑腐蚀介质的出现，例如以湿气形式的水，特别是具有非常良好的强度特性和非常良好的变形性的AA55182类型的铝合金(Al4.5％Mg0.4％Mn)不能在热负荷区域中使用。这种情况特别是涉及机动车的构件，该类构件通常进行阴极浸漆(KTL)并随后在煅烧过程中干燥，由于通过煅烧过程就已经可能在普通的铝合金带上引起针对晶间腐蚀的敏化处理。除此之外，在汽车领域的应用还要考虑到构件制造时的变形以及随后构件的工作负载。
晶间腐蚀的易感性通常由按照ASTM G67的标准测试检测，其中，样品暴露在硝酸中并且测定由于β-微粒溶解引起的重量损失。按照ASTM G67，不耐晶间腐蚀的原材料重量损失大于15mg/cm2。
因此，相应的原材料和铝合金带不适于使用在热负荷区域中。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，提供一种由AlMg合金组成的铝合金带，该铝合金带尽管具有高强度和高于4重量％的Mg含量，特别是在变形和随后的热量施加之后仍为耐晶间腐蚀。除此之外，还给出了一种制造方法，通过该方法可以制造耐晶间腐蚀的铝合金带。最后，还提出了一类耐晶间腐蚀的、由AA5xxx类型的铝合金组成的机动车构件，例如像车门、引擎盖和后挡板或其它结构件一样的车身构件或者车身配件。
按照本发明的第一教导，上述目的通过一种具有再结晶组织结构的铝合金带实现，其中，μm表示的组织结构的晶粒度(KG)与重量％表示的Mg含量(c_Mg)满足以下相关性：
KG≥22+2×c_Mg。
其中，铝合金带的铝合金具有以下组成成分(重量％)：
Si≤0.2％,
Fe≤0.35％,
0.04％≤Cu≤0.08％,
0.2％≤Mn≤0.5％,
4.35％≤Mg≤4.8％,
Cr≤0.1％,
Zn≤0.25％,
Ti≤0.1％,
剩余Al和不能够避免的杂质单独最大为0.05重量％，总量最大为0.15重量％。
当Cu含量达到0.04重量％到0.08重量％时，铜也与强度提高有关，但没有大幅度地减弱耐晶间腐蚀性。另外，通过限制Mg范围在4.35重量％到4.8重量％之间，可以在适当的晶粒度下实现非常良好的强度。由于在该方法中组织结构必要的晶粒度必定可以达到，因此可以特别可靠地实现耐晶间腐蚀性。
具有再结晶组织结构的铝合金带可以通过热轧带材或者软化退火的冷轧带材制得。通过广泛的研究发现，晶粒度、镁含量和耐晶间腐蚀性之间存在相关性。由于材料的晶粒度总是以分布的形式存在，因此所有提到的晶粒度的数据都涉及平均晶粒度。该平均晶粒度可以根据ASTM E1382确定。当晶粒度足够大时，即只要晶粒度大于或等于按照本发明的晶粒度相对于铝合金带的Mg含量的下限值时，就可以实现耐晶间腐蚀，从而在ASTM G67测试中重量损失降低至15mg/cm2以下。因此，相应的铝合金带可以称为耐晶间腐蚀。这一点已经为上述处于未变形状态的铝合金带在模拟的阴极浸漆循环(KTL-Zyklus)之后或者在模拟的阴极浸漆循环并包括随后的在80℃下最多500小时的工作负载之后得到证实。当为了模拟变形成为构件，在阴极浸漆循环和工作负载之前该材料以15％延伸时，也证实了上述铝合金带的耐晶间腐蚀性。因此，按照本发明的铝合金带由于其相对高的Mg含量提供了较高强度和屈服强度的同时还耐晶间腐蚀。以此，该铝合金带能够非常好地应用在汽车制造的热负荷区域中。
根据按照本发明铝合金带的下一个实施方式，如果晶粒度还另外满足以下条件：
KG＜(253/(265-50×c_Mg))2，
其中，KG单位为μm且c_Mg单位为重量％，
那么可以确保，该铝合金带的屈服极限Rp0.2大于110MPa，在此，带材的抗拉强度通常在255MPa以上。
该铝合金带的另一个有利的设计通过该铝合金带的铝合金具有以下重量％的组成成分实现：
Si≤0.2％,
Fe≤0.35％,
0.04％≤Cu≤0.08％,
0.2％≤Mn≤0.5％,
4.45％≤Mg≤4.8％,
Cr≤0.1％,
Zn≤0.25％,
Ti≤0.1％,
剩余Al和单独最大为0.05重量％，总量最大为0.15重量％的不能够避免的杂质。通过限制Mg范围在4.45重量％到4.8重量％之间，同样可以在适当的晶粒度下实现非常良好的强度。
根据按照本发明铝合金带的下一个实施方式，由于在以Mg含量为最小4重量％的AA5xxx类型的铝合金制造晶粒度大于50μm的铝合金带时，工艺可靠性降低，因此晶粒度最大为50μm。相反的，最大为50μm的晶粒度实现了工艺稳定性。随晶粒度的减小，用于形成受控制的晶粒度的组织结构的工艺稳定性增加。因此，制造最大45μm，优选最大40μm的晶粒度的铝合金带与提高的工艺稳定性相关。
根据按照本发明铝合金带的下一个设计，该铝合金带具有0.5mm到5mm的厚度并因此特别适合大部分应用，例如汽车制造。
除此之外，通过冷轧并随后软化退火铝合金带，可以有利地设计按照本发明的铝合金带。再结晶的软化退火通常在300-500℃的温度进行，并且这实现了除去轧制过程中所产生的硬化和确保铝合金带良好的变形性。除此之外，经冷轧、软化退火且由此再结晶的铝合金带可以提供比再结晶的热轧带材更薄的最终厚度。
最后，按照另一个设计的铝合金带具有大于120MPa的屈服极限Rp0.2和大于260MPa的抗拉强度Rm。因此，该耐晶间腐蚀的、按照本发明的铝合金带也超过了根据DIN485-2要求的、AA5182类型铝合金的强度特性。在此，最小19％的均匀延伸率Ag以及最小22％的断裂延伸率A80mm也远远超过DIN485-2中要求的数值。
按照本发明的第二教导，上述目的通过一种用于制造铝合金带的方法实现，该方法包括以下工艺步骤：
-铸造由按照本发明的铝合金组成成分构成的轧制铸块，
-在480℃至550℃均质化该轧制铸块至少0.5小时，
-在280℃至500℃的温度下热轧该轧制铸块，
-以小于40％的滚轧率，优选最大30％的滚轧率，特别优选最大25％的滚轧率冷轧该铝合金带至最终厚度，
-在300℃至500℃软化退火已完成轧制的铝合金带。
总之，由于铝合金带冷轧至最终厚度过程中的滚轧率很低，因此这些列举的工艺步骤会导致可以在软化退火之后形成满足上述与Mg含量的相关性的晶粒度。软化退火前，铝合金的硬化经轧制为最终厚度的滚轧率调节，该硬化决定了所得到的晶粒度。通过小于40％的滚轧率逐渐减小经过最大30％和最大20％的值，能够调整不同的、与合金组成成分相匹配的晶粒大小。就这点而言，可以制得耐晶间腐蚀的铝合金带。
根据按照本发明的方法的另一个设计，在热轧之后选择性的进行以下工艺步骤：
-以最小30％的滚轧率，优选最小50％的滚轧率冷轧已热轧的铝合金带，
-在300℃至500℃中间退火所述铝合金带，
-随后以小于40％的滚轧率，优选最大30％的滚轧率，特别优选最大25％的滚轧率冷轧至最终厚度，
-在300℃至500℃软化退火已完成轧制的铝合金带。
上面列举的两个方法的共同点在于，软化退火前的滚轧率，即冷轧时轧制至最终厚度的滚轧率，限制为小于40％，优选最大30％，特别优选最大25％。在按照本发明的方法的第二个设计中，在中间退火之后在300℃至500℃进行额外的冷轧步骤。在中间退火时，通过冷轧显著硬化的铝合金带再结晶并再一次转变为不能够变形的状态。随后，以小于40％，优选最大30％，特别优选最大25％滚轧率的冷轧步骤导致与所使用铝合金的Mg含量相关的晶粒度可以调整至要求的比例关系。因此，随后在软化退火状态下能够制得既具有耐晶间腐蚀性又具有必要的变形或强度特性的带材。
根据按照本发明的方法的下一个设计，中间退火和/或软化退火在间歇式炉中进行，特别是在箱式炉或连续炉中进行。这两种炉都可以导致形成足够粗的、确保耐晶间腐蚀性的晶粒结构。间歇式炉的运作和购置都没有连续炉支出成本高。
按照本发明的第三教导，上述任务通过一种机动车的构件实现，该构件至少部分地由按照本发明的铝合金带组成。该构件通常经过着漆，优选阴极浸漆。尽管如此，由按照本发明铝合金构成的、未着漆的构件仍具有应用的可能性。
如上所述，该铝合金带具有突出的强度、变形性和耐晶间腐蚀的特性，从而特别是在着漆时的热处理，一个在大约在185℃典型持续20min的煅烧，对构件的耐晶间腐蚀性仅产生很小的影响。通过横向于最初的轧制方向的15％的延伸模拟的构件的变形也仅对构件的耐晶间腐蚀性有微小的影响。即使在15％的延伸之后，按照ASTM G67的重量损失的数值小于15mg/cm2。另外，通过在80℃下200或500小时的热负荷来模拟的在热负荷区域的工作也仅对构件的耐晶间腐蚀性有微小的影响。即使在相应的热负荷之后，按照ASTM G67的重量损失的数值仍小于15mg/cm2。
构件特别有利地设置为机动车的车身或车身配件。典型的车身部件为挡泥板或者地板总成、车顶等的一部分。通常，车门和后挡板等称为车身配件，这些配件与机动车并不是刚性连接。优选地由按照本发明的铝合金带制造不能够看见的车身构件或车身配件。这些不能够看见的车身构件或车身配件例如为车门内部部件或后挡板的内部部件和车厢底板等。例如车门内部部件这类机动车构件的典型热负荷例如是机动车在运行时由阳光照射引起的。除此之外，机动车的车身或车身配件还通常暴露在例如以喷雾或者冷凝水的形式的湿气中，从而必须要求构件具有耐晶间腐蚀性。由按照本发明的铝合金带制成的、按照本发明的车身或车身配件满足这些条件，除此之外还确保相对于目前使用的钢材结构具有重量优势。
附图说明
随后借助多个实施例结合附图进一步说明本发明。附图中，
图1以流程示意图示出了一个制造方法的实施例，
图2以曲线图示出了实施例的晶粒度与镁含量的相关性，并且，
图3示出了按照另一个实施例的机动车的构件。
具体实施方式
借助广泛的试验研究了由AA5xxx类型的铝合金组成的铝合金带的晶粒度和与耐晶间腐蚀性有关的Mg含量之间是否存在关联。为此，使用了不同的铝合金和不同的工艺参数。表1中示出了不同的合金组成成分，借助这些合金成分研究晶粒度、耐晶间腐蚀性和屈服强度之间的关系。表1中提及的铝合金除了含有合金元素(按重量％给出的)Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn和Ti成分之外还含有剩余铝以及单独最大为0.05重量％，总量最大为0.15重量％的杂质。
由于特别是最终软化退火和最终冷轧率会影响晶粒度，因此在各个试验中测得的晶粒度有所变化。例如，晶粒度在16μm至61μm之间变化，而且最终滚轧率在17％至57％间变化。最终软化退火可以在箱式炉(KO)或连续式带炉(BDLO)中进行。
表1
图1示出了制造铝合金带的实施例的流程。图1的流程图示意性地示出了按照本发明铝合金带的制造过程的不同的工艺步骤。
在步骤1中，例如以DC连续铸造法将Mg含量最小为4重量％的AA5xxx类型的铝合金铸造成轧制铸块。随后，在工艺步骤2中对轧制铸块进行均质化，该均质化可以分一个或多个阶段完成。均质化时，该轧制铸块的温度达到480℃至550℃保持至少0.5h。随后，在工艺步骤3中热轧该轧制铸块，其中，达到典型温度280℃至500℃之间。该热轧带材的最终厚度例如为2至12mm。在此，热轧带材最终厚度这样选择，即在热轧之后仅进行一次冷轧步骤4，其中，该热轧带材以滚轧率小于40％，优选最大30％，特别优选最大25％减小其厚度。
随后，该已冷轧为最终厚度的铝合金带进行软化退火。为了测试箱式炉或连续式带炉和腐蚀性能的相关性，软化退火在连续式带炉或箱式炉中实施。在表1中示出的实施例中，第二种方式使用了中间退火。为此，热轧带材在按照工艺步骤3的热轧之后进行冷轧4a，该冷轧具有冷轧率大于30％或大于50％，从而铝合金带在随后的中间退火优选地彻底再结晶。在这些实施例中，该中间退火可以在400℃至450℃的连续式带炉中或在330℃至380℃的箱式炉中完成。
该中间退火在图1中以工艺步骤4b示出。按照图1的工艺步骤4c中，最后已中间退火的铝合金带冷轧至最终厚度，其中，工艺步骤4c中的滚轧率小于40％，优选最大30％，特别优选最大25％。随后，该铝合金带通过软化退火再一次转变为软化状态，其中，该软化退火可以在400℃至450℃的连续式带炉中或在330℃至380℃的箱式炉中完成。在不同的试验中，除了不同铝合金之外，还调整了中间退火后的不同滚轧率。中间退火后的滚轧率的数值也同样在表1中示出。另外，还测量了各个已软化退火的铝合金带的晶粒度。
在这些相应制得的铝合金带上确定机械特征值，特别是屈服极限Rp0.2、抗拉强度Rm、均匀延伸率Ag和断裂延伸率A80mm。除此之外，根据ASTM G67测定耐晶间腐蚀性，也就是说在初始状态(初始0h)没有额外的热处理情况下。另外，除了根据EN 10002-1或ISO 6892测得的铝合金带机械特征值之外，根据如下所示抗晶间腐蚀性的公式(1)和为了实现必要的机械特性，特别是足够高的屈服极限的公式(2)所计算得到的晶粒度在表2中以KG(IK)列和KG(Rp)列示出。该晶粒度按照ASTM E1382测定并以μm表示。
表2
表3
为了模拟在机动车中的使用，该铝合金带在腐蚀测试之前还另外进行不同的热处理。为了记录下KTL循环，第一热处理将铝合金带在185℃下保存20min。在另一个测量系列中，铝合金带另外还在80℃下保存200小时或500小时并且随后进行腐蚀测试。由于铝合金带或铝合金板的变形还可能影响耐腐蚀性，因此在另一个试验中已延伸大约15％的铝合金带进行热处理或在升高的温度下保存，并随后根据ASTM G67测试晶间腐蚀性，其中，重量的损失被测定。
晶粒度、Mg含量和耐晶间腐蚀性之间显示存在着紧密的关系。实施例11至19全部可以归为抗晶间腐蚀类别。这一类铝合金带也适用于热负荷而且有湿气或腐蚀介质出现的机动车中。另外，实施例12、14、16和17显示出按照DIN EN 485-2所要求的、AA5182类型铝合金带的机械特征值。
图2以曲线图示出了实施例的晶粒度与镁含量(重量％)的相关性。除测量点之外，该曲线图还包含两条曲线A和B。直线A表示晶粒度，在特定的Mg含量下高于直线A的铝合金带可以称为耐晶间腐蚀。该晶粒度(KG)可由以下等式得出：
KG＝22+2×c_Mg  (1)
其中，c_Mg为按重量％给出的Mg含量。
与之相反，曲线B示出了极限值，从该极限值开始铝合金带具有小于110MPa的过小的屈服极限，从而该铝合金带不再视为是按照DIN EN485-2的AA5182类型的合金。该曲线B通过以下等式确定：
KG＝(253/(265-50×c_Mg))2  (2)
因此，所有曲线B右侧的实施例满足屈服极限大于110MPa的要求。
最后，图3以车门内部部件的形式示意性地示出了一个典型的机动车构件。车门内部部件6通常由钢材制成。但是，只要晶粒度与Mg含量之间的比例关系按照本发明调整，所制得的铝合金带可以实现高强度和耐晶间腐蚀性。根据图3的按照本发明的构件比能够比较的、由钢材制成的构件具有明显更轻的重量而且尽管如此还耐晶间腐蚀。

Claims (12)

1.一种铝合金带，所述铝合金带由AA5xxx类型的铝合金构成，所述铝合金除了Al和不能够避免的杂质之外还具有至少为4重量％的Mg含量，其特征在于，所述铝合金带具有再结晶的组织结构，其中，所述组织结构的晶粒度(KG)与所述以重量％表示的Mg含量(c_Mg)满足以下相关性：
KG≥22+2×c_Mg，
而且所述铝合金带的铝合金具有以下重量％的组成成分：
Si≤0.2％,
Fe≤0.35％,
0.04％≤Cu≤0.08％,
0.2％≤Mn≤0.5％,
4.35％≤Mg≤4.8％,
Cr≤0.1％,
Zn≤0.25％,
Ti≤0.1％,
剩余Al和单独最大为0.05重量％，总量最大为0.15重量％的不能够避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的铝合金带，其特征在于，所述铝合金带的所述组织结构的晶粒度(KG)与所述以重量％表示的Mg含量(c_Mg)满足以下相关性：
KG＜(253/(265-50×c_Mg))2。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金带，其特征在于，所述铝合金带的铝合金具有4.45％≤Mg≤4.8％ 。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的铝合金带，其特征在于，所述晶粒度最大为50μm，优选最大40μm。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的铝合金带，其特征在于，所述铝合金带具有0.5mm到5mm的厚度。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的铝合金带，其特征在于，所述铝合金带被冷轧并软化退火。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的铝合金带，其特征在于，所述铝合金带具有大于120MPa的屈服极限Rp0.2和大于260MPa的抗拉强度Rm。
8.一种用于制造根据权利要求1至7中任意一项所述的铝合金带的方法，所述方法包括以下工艺步骤：
-铸造轧制铸块，
-在480℃至550℃均质化所述轧制铸块至少0.5小时，
-在280℃至500℃的温度下热轧所述轧制铸块，
-以小于40％的滚轧率，优选最大30％的滚轧率，特别优选最大25％的滚轧率冷轧所述铝合金带至最终厚度，
-在300℃至500℃软化退火已完成冷轧的铝合金带。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在热轧之后选择性的进行以下工艺步骤：
-以最小30％的滚轧率，优选最小50％的滚轧率冷轧所述已热轧的铝合金带，
-在300℃至500℃中间退火所述铝合金带，
-随后以小于40％的滚轧率，优选最大30％的滚轧率，特别优选最大25％的滚轧率冷轧至最终厚度，
-在300℃至500℃软化退火已完成轧制的铝合金带。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述中间退火和/或所述软化退火在箱式炉或连续炉中完成。
11.一种机动车构件，所述构件至少部分地由根据权利要求1至7中任意一项所述的铝合金带组成。
12.根据权利要求11所述的构件，其特征在于，所述构件是机动车的车身构件或者车身配件。
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