CN105008565A - 包含镁和锌的可热处理铝合金及其制备方法 - Google Patents

包含镁和锌的可热处理铝合金及其制备方法 Download PDF

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CN105008565A CN201480013201.3A CN201480013201A CN105008565A CN 105008565 A CN105008565 A CN 105008565A CN 201480013201 A CN201480013201 A CN 201480013201A CN 105008565 A CN105008565 A CN 105008565A
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Abstract

本发明公开了包含镁和锌的新型可热处理铝合金。该新型铝合金总体上包含3.0重量％至6.0重量％的Mg，2.5重量％至5.0％重量％的Zn，其中(重量％Mg)/(重量％Zn)为0.6至2.40。

Description

包含镁和锌的可热处理铝合金及其制备方法
背景技术
铝合金有很多用途。然而，要改善铝合金的一种特性而不影响另一种特性却很不容易。例如，很难在不降低合金韧性的情况下增大合金的强度。我们通常关注的铝合金的其他特性包括耐腐蚀性和疲劳裂纹扩展阻力(仅举两例)。
发明内容
广义地讲，本专利申请涉及经过改善的包含镁和锌的可热处理铝合金(“镁锌铝合金”)及其制备方法。出于本申请的目的，本申请所涉及的镁锌铝合金包含3.0至6.0重量％的镁，以及2.5至5.0％重量％的锌，其中镁和锌中的至少一种是铝合金中除铝之外的主要合金元素，并且其中(重量％Mg)/(重量％Zn)为0.6至2.40。本申请所涉及的新型镁锌铝合金可包含铜、硅、铁、次要元素和/或其他元素，如下文所定义。
这些新型镁锌铝合金通常包含3.0至6.0重量％的镁(Mg)。在一个实施例中，镁锌铝合金中包含至少3.25重量％的镁。在另一个实施例中，镁锌铝合金包含至少3.50重量％的Mg。在又一个实施例中，镁锌铝合金包含至少3.75重量％的Mg。在一个实施例中，镁锌铝合金包含不大于5.5重量％的Mg。在另一个实施例中，镁锌铝合金包含不大于5.0重量％的Mg。在又一个实施例中，镁锌铝合金包含不大于4.5重量％的Mg。
在一个实施例中，镁锌铝合金包含至少2.75重量％的Zn。在另一个实施例中，镁锌铝合金包含至少3.0重量％的Zn。在另一个实施例中，镁锌铝合金包含至少3.25重量％的Zn。在一个实施例中，镁锌铝合金包含不大于4.5重量％的Zn。在一个实施例中，镁锌铝合金包含不大于4.0重量％的Zn。
在一个实施例中，(重量％Mg)/(重量％Zn)(即，Mg/Zn比)为至少0.75。在另一个实施例中，(重量％Mg)/(重量％Zn)为至少0.90。在又一个实施例中，(重量％Mg)/(重量％Zn)为至少1.0。在另一个实施例中，(重量％Mg)/(重量％Zn)为至少1.02。在一个实施例中，(重量％Mg)/(重量％Zn)(即，Mg/Zn比)为不大于2.00。在另一个实施例中，(重量％Mg)/(重量％Zn)为不大于1.75。在另一个实施例中，(重量％Mg)/(重量％Zn)为不大于1.50。
本申请所涉及的新型镁锌铝合金可包含铜和/或硅。在一个实施例中，镁锌铝合金包含铜。在另一个实施例中，镁锌铝合金包含硅。在又一个实施例中，镁锌铝合金包含铜和硅两者。
使用铜时，镁锌铝合金通常包含至少0.05重量％的Cu。在一个实施例中，镁锌铝合金包含至少0.10重量％的Cu。镁锌铝合金通常包含不大于1.0重量％的Cu，如不大于0.5重量％的Cu。在其他实施例中，铜作为杂质包含在镁锌铝合金中，并且在这些实施例中，铜的重量百分比为小于0.05％。
使用硅时，镁锌铝合金通常包含至少0.10重量％的Si。在一个实施例中，镁锌铝合金包含至少0.15重量％的Si。镁锌铝合金通常包含不大于0.50重量％的Si。在一个实施例中，镁锌铝合金包含不大于0.35重量％的Si。在另一个实施例中，镁锌铝合金包含不大于0.25重量％的Si。在其他实施例中，硅作为杂质包含在镁锌铝合金中，并且在这些实施例中，硅的重量百分比为小于0.10％。
本申请所涉及的新型镁锌铝合金可包含选自Zr、Sc、Cr、Mn、Hf、V、Ti和稀土元素的至少一种次要元素。此类元素可用于(例如)促进在所得镁锌铝合金产品中形成恰当颗粒结构。次要元素可任选地按如下方式存在：至多0.20重量％的Zr、至多0.30重量％的Sc、至多1.0重量％的Mn、至多0.50重量％的Cr、各自至多0.25重量％的Hf、V和稀土元素中的任何一种，以及至多0.15重量％的Ti。优选锆(Zr)和/或钪(Sc)用于颗粒结构控制。使用锆时，锆在新型镁锌铝合金中的含量通常为0.05至0.20重量％。在一个实施例中，新型镁锌铝合金包含0.07至0.16重量％的Zr。除了锆之外或作为锆的替代物，还可使用钪；当存在钪时，钪在新型镁锌铝合金中的含量通常为0.05至0.30重量％。在一个实施例中，新型镁锌铝合金包含0.07至0.25重量％的Sc。除了锆和/或钪之外或作为锆和/或钪的替代物，还可使用铬(Cr)；当存在铬时，铬在新型镁锌铝合金中的含量通常为0.05至0.50重量％。在一个实施例中，新型镁锌铝合金包含0.05至0.35重量％的Cr。在另一个实施例中，新型镁锌铝合金包含0.05至0.25重量％的Cr。在其他实施例中，锆、钪和/或铬中的任何一种可作为杂质包含在镁锌铝合金中，并且在这些实施例中，此类元素在合金中的重量百分比应当为小于0.05％。
Hf、V和稀土元素可以各自至多0.25重量％的量包含在镁锌铝合金(即，可包含各自至多0.25重量％的Hf和V中的任何一种，以及各自至多0.25重量％的任何稀土元素)。在一个实施例中，新型镁锌铝合金包含各自不大于0.05重量％的Hf、V和稀土元素(可包含各自不大于0.05重量％的Hf和V中的任何一种，以及各自不大于0.05重量％的任何稀土元素)。
优选钛用于颗粒细化；当存在钛时，钛在新型镁锌铝合金中的含量通常为0.005至0.10重量％。在一个实施例中，新型镁锌铝合金包含0.01至0.05重量％的Ti。在另一个实施例中，新型镁锌铝合金包含0.01至0.03重量％的Ti。
新型镁锌铝合金可使用至多1.0重量％的锰(Mn)。在一个实施例中，新型镁锌铝合金包含不大于0.75重量％的Mn。在另一个实施例中，新型镁锌铝合金包含不大于0.60重量％的Mn。在又一个实施例中，新型镁锌铝合金包含不大于0.50重量％的Mn。在另一个实施例中，新型镁锌铝合金包含不大于0.40重量％的Mn。在一个实施例中，新型镁锌铝合金包含至少0.05重量％的Mn。在另一个实施例中，新型镁锌铝合金包含至少0.10重量％的Mn。在又一个实施例中，新型镁锌铝合金包含至少0.15重量％的Mn。在另一个实施例中，新型镁锌铝合金包含至少0.20重量％的Mn。在一个实施例中，新型镁锌铝合金基本上不含锰，Mn的含量为小于0.05重量％。
新型镁锌铝合金中可存在铁(Fe)，并且铁通常作为杂质而存在。新型镁锌铝合金的铁含量通常应当不超出约0.35重量％。在一个实施例中，新型镁锌铝合金包含不大于约0.25重量％的Fe。在其他实施例中，新型镁锌铝合金可包含不大于约0.15重量％的Fe，或不大于约0.10重量％的Fe，或不大于约0.08重量％的Fe，或更少。
除了以上列举的元素之外，新型镁锌铝合金的其余物质(剩余物)总体上是铝和其他元素，其中这些其他元素在新型镁锌铝合金中的含量各自为不大于0.15重量％，并且这些其他元素的总量不超出0.35重量％。如本文所用，“其他元素”包括除了上述元素之外的元素周期表的任何元素，即，除了Al、Mg、Zn、Cu、Si、Fe、Zr、Sc、Cr、Mn、Ti、Hf、V和稀土元素之外的任何元素。在一个实施例中，新型镁锌铝合金中包含的其他元素各自为不大于0.10重量％，并且这些其他元素的总量不超出0.25重量％。在另一个实施例中，新型镁锌铝合金中包含的其他元素各自为不大于0.05重量％，并且这些其他元素的总量不超出0.15重量％。在又一个实施例中，新型镁锌铝合金中包含的其他元素各自为不大于0.03重量％，并且这些其他元素的总量不超出0.10重量％。
在选择铝合金中含有的元素的总量(即，所有上述元素或“成合金元素”)时，应当让铝合金可被恰当地进行固溶热处理和淬火(例如，以便在限制组分颗粒量的同时促进硬化)。在一个实施例中，镁锌铝合金包含一定量的成合金元素，使得镁锌铝合金在固溶热处理和淬火之后不含或基本上不含可溶性组分颗粒。在一个实施例中，镁锌铝合金包含一定量的成合金元素，使得铝合金在固溶热处理和淬火之后具有少量(例如，有限的/最少的)不溶性组分颗粒。在其他实施例中，镁锌铝合金可受益于受控量的不溶性组分颗粒。
除非另有说明，否则措辞“至多”在涉及元素的量时意味着元素组成是任选的，特定组成组分的含量为零。除非另有说明，否则所有组成百分比均以重量百分数(重量％)计。
新型镁锌铝合金可被处理成多种锻造形式，如呈轧制形式(片、板)、作为挤出物或作为锻件，以及呈多种回火。就这一点而言，可对新型镁锌铝合金进行浇铸(例如，直接冷铸或连铸)，接着加工(热加工和/或冷加工)成恰当的产品形式(片、板、挤出物或锻件)。在加工之后，可把新型镁锌铝合金处理成T回火和W回火中的一种，如铝业协会所定义。在一个实施例中，新型镁锌铝合金被处理成“T回火”(热处理)。就这一点而言，新型镁锌铝合金可被处理成T1回火、T2回火、T3回火、T4回火、T5回火、T6回火、T7回火、T8回火或T9回火中的任一种，如铝业协会所定义。在一个实施例中，新型镁锌铝合金被处理成T4回火、T6回火或T7回火中的一种，其中新型镁锌铝合金先是进行固溶热处理，接着进行淬火，然后进行自然时效(T4)或人工时效(T6或T7)。在一个实施例中，新型镁锌铝合金被处理成T3回火或T8回火中的一种，其中新型镁锌铝合金先是进行固溶热处理，接着进行淬火，冷加工，然后进行自然时效(T3)或人工时效(T8)。在另一个实施例中，新型镁锌铝合金被处理成“W回火”(固溶热处理)，如铝业协会所定义。在又一个实施例中，在把铝合金加工成恰当产品形式之后不执行固溶热处理，因此，新型镁锌铝合金可被处理成“F回火”(如制造那样)，如铝业协会所定义。
新型镁锌铝合金可用于多种应用，如汽车应用或航空应用。
在一个实施例中，新型镁锌铝合金用于航空应用，如机翼蒙皮(上部和下部)或長椼/加劲板、机身蒙皮或長椼、翼肋、框架、翼梁、座椅调节导轨、隔框、圆周框架、尾翼(如水平尾翼和垂直尾翼)、底梁、座椅调节导轨、机门和控制表面部件(例如，方向舵、副翼)等等。
在另一个实施例中，新型镁锌铝合金用于汽车应用，如围板(例如，引擎盖、挡泥板、车门、车顶和后备箱盖等等)、车轮，以及临界强度应用，如在白车身(例如，支柱、加固条)应用中，等等。
附图说明
图1至3是示出实例1的结果的图。
图4含有实例1的合金的显微图，示出了合金的耐腐蚀性。
具体实施方式
实例1
浇铸六个书型铸锭(2.25"(H)×3.75"(W)×14"(L))，其具有以下表1中所示的成分。
表1-实例1合金的成分(以重量％计)
合金 Mg Zn Mg/Zn Cu Mn 注解
1 3.88 2.13 1.82 0.48 0.31 非本发明
2 3.31 3.2 1.03 0.48 0.32 本发明
3 4.34 3.25 1.34 0 0.53 本发明
4 3.87 2.17 1.78 0.25 0.32 非本发明
5 3.89 2.19 1.78 0.25 0.64 非本发明
6 3.72 3.56 1.04 0 0.32 本发明
这些合金全部包含不大于约0.12重量％的Fe、不大于约0.11重量％的Si、约0.01至约0.02重量％的Ti，以及约0.10至0.11重量％的Zr。铝合金的其余部分是铝和其他元素，其中铝合金中其他元素的含量各自不大于0.03重量％，并且这些其他元素的总量不超出0.10重量％。
这些铸锭处理成T6型回火。具体地讲，这些铸锭被均质化，热轧成0.5"规格，接着进行固溶热处理和冷水淬火，然后拉伸约1％至2％进行平整。接着让产品在室温下自然时效至少96小时，然后在各种温度下人工时效各种时间(如下文所示)。在时效之后，测量机械特性，测量结果在下面的表2至4中示出。其中，根据ASTM ES和B557测量强度特性和伸长特性，夏比冲击能量测试根据ASTM E23-07a执行。
表2–实例1合金的特性(L)-在325℉下时效
表3–实例1合金的特性(L)-在350℉下时效
表4–实例1合金的特性(L)-在375℉下时效
如上文和图1至3中所示，与包含2.19重量％Zn的非本发明合金相比，包含至少3.0重量％Zn的本发明合金拥有更高的强度。本发明合金还实现了高抗夏比冲击性，全部都实现了约154至157ft-lbf的抗夏比冲击性。相比之下，常规合金6061在相似处理条件下仅能实现约85ft-lbf的抗夏比冲击性。
本发明合金还实现了良好的耐颗粒间腐蚀性。根据ASTM Gl10测量合金3、4和6的颗粒间腐蚀。此外，还出于比较目的对常规合金6061进行了测试。如下面的图4和表5中所示，与常规合金6061相比，本发明合金的耐颗粒间腐蚀性得到了改善。
表5-合金的腐蚀特性-峰值强度条件(在385℉的温度下2小时)
实例2
在固溶热处理之后还对实例1的合金6进行高冷加工处理。具体地讲，合金6被热轧成1.0英寸的中间规格，接着进行固溶热处理，冷水淬火，然后冷轧50％(即，厚度减小50％)成0.5英寸的最终规格，从而引起50％冷加工。接着在350℉下对合金6执行人工时效，持续0.5小时和2小时。在时效之前和之后，分别测量机械特性，结果在下面的表6中示出。根据ASTM ES和B557测量强度特性和伸长特性。
表6-实例2合金6的特性(L)-在350℉下时效
时效时间(小时) TYS(ksi) UTS(ksi) 伸长率(％)
0 58.5 68.6 13.0
0.5 58.9 67.2 16.0
2 56.0 64.7 16.0
如上所示，0.5英寸板实现了高强度，具有良好的伸长性，因而实现了约59ksi的峰值拉伸屈服强度，并且伸长率为约16％，时效时间仅为30分钟。相比之下，厚度相似的常规合金5083在相似伸长率和相似耐腐蚀性的条件下通常实现约36ksi的拉伸屈服强度(LT)。
尽管本申请已经详细描述了本公开的各种实施例，但很显然，本领域的技术人员会想到这些实施例的各种修改和改型。然而，应当明确理解，此类修改和改型还是在本公开的精神和范围内。

Claims (57)

1.一种由以下成分组成的铝合金：
3.0重量％至6.0重量％的Mg；
2.5重量％至5.0重量％的Zn；
其中(重量％Mg)/(重量％Zn)为0.6至2.40；
至多1.0重量％的Cu；
至多0.5重量％的Si；
任选地，选自Zr、Sc、Cr、Mn、Hf、V、Ti和稀土元素的至少一种次要元素，所述次要元素的含量如下：
至多0.20重量％的Zr；
至多0.30重量％的Sc；
至多0.50重量％的Cr；
至多1.0重量％的Mn；
各自至多0.25重量％的Hf、V和稀土元素中的任何一种；
至多0.15重量％的Ti；
至多0.35重量％的Fe；以及
其余成分为铝和其他元素，其中所述铝合金中的所述其他元素的含量各自为不大于0.15重量％，并且其中所述其他元素的总量不超出0.35重量％。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少3.25重量％的Mg。
3.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少3.50重量％的Mg。
4.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少3.75重量％的Mg。
5.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于5.5重量％的Mg。
6.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于5.0重量％的Mg。
7.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于4.5重量％的Mg。
8.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少2.75重量％的Zn。
9.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少3.0重量％的Zn。
10.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少3.25重量％的Zn。
11.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于4.5重量％的Zn。
12.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于4.0重量％的Zn。
13.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中(重量％Mg)/(重量％Zn)为至少0.75。
14.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中(重量％Mg)/(重量％Zn)为至少0.90。
15.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中(重量％Mg)/(重量％Zn)为至少1.00。
16.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中(重量％Mg)/(重量％Zn)为至少1.02。
17.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中(重量％Mg)/(重量％Zn)为不大于2.00。
18.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中(重量％Mg)/(重量％Zn)为不大于1.75。
19.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中(重量％Mg)/(重量％Zn)为不大于1.50。
20.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.5重量％的Cu。
21.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含小于0.05重量％的Cu。
22.根据权利要求1至权利要求20中任一项所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少0.05重量％的Cu。
23.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.35重量％的Si。
24.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.25重量％的Si。
25.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少0.10重量％的Si。
26.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少0.125重量％的Si。
27.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少0.15重量％的Si。
28.根据权利要求1至权利要求24中任一项所述的铝合金，其中所述铝合金包含小于0.10重量％的Si。
29.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含0.05重量％至0.20重量％的Zr。
30.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含0.07重量％至0.16重量％的Zr。
31.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含0.05重量％至0.30重量％的Sc。
32.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含0.07重量％至0.25重量％的Sc。
33.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含0.05重量％至0.35重量％的Cr。
34.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含0.05重量％至0.25重量％的Cr。
35.根据权利要求1至权利要求32中任一项所述的铝合金，其中所述铝合金包含小于0.05重量％的Cr。
36.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含各自不大于0.05重量％的Hf、V和稀土元素中的任何一种。
37.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含0.005重量％至0.10重量％的Ti。
38.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含0.01重量％至0.05重量％的Ti。
39.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含0.01重量％至0.03重量％的Ti。
40.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.75重量％的Mn。
41.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.60重量％的Mn。
42.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.50重量％的Mn。
43.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.40重量％的Mn。
44.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少0.05重量％的Mn。
45.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少0.10重量％的Mn。
46.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少0.15重量％的Mn。
47.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含至少0.20重量％的Mn。
48.根据权利要求1至43中任一项所述的铝合金，其中所述铝合金包含小于0.05重量％的Mn。
49.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.25重量％的Fe。
50.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.15重量％的Fe。
51.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.10重量％的Fe。
52.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金包含不大于0.08重量％的Fe。
53.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金中所述其他元素的含量各自为不大于0.10重量％，并且其中所述其他元素的总量不超出0.25重量％。
54.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金中所述其他元素的含量各自为不大于0.05重量％，并且其中所述其他元素的总量不超出0.15重量％。
55.根据前述任一项权利要求所述的铝合金，其中所述铝合金中所述其他元素的含量各自为不大于0.03重量％，并且其中所述其他元素的总量不超出0.10重量％。
56.一种方法，包括：
(a)将根据权利要求1至权利要求55中任一项所述的铝合金浇铸成铝合金主体；
(b)把所述铝合金主体处理成W回火和T回火中的一种，其中所述处理步骤(b)包括对所述铝合金主体进行固溶热处理，之后进行淬火。
57.根据权利要求56所述的方法，其中所述处理包括把所述铝合金主体人工时效为T6回火、T7回火或T8回火中的一种，其中呈所述T6回火或所述T7回火的所述铝合金主体实现比呈T4回火的所述铝合金主体高的强度，或其中呈所述T8回火的所述铝合金主体实现比呈T3回火的所述铝合金主体高的强度。
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