CN106414782A - 6xxx铝合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有改善的特性组合的新型6xxx铝合金。所述新型6xxx铝合金总体上包含：0.30至0.53重量％的Si，0.50至0.65重量％的Mg，其中Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.0:1(Mg:Si)，0.05至0.24重量％的Cu，0.05至0.14重量％的Mn，0.05至0.25重量％的Fe，最多至0.15重量％的Ti，最多至0.15重量％的Zn，最多至0.15重量％的Zr，不超过0.04重量％的V，以及不超过0.04重量％的Cr，剩余部分为铝和其他元素。

Description

6XXX铝合金
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求于2014年1月21日提交的名称为“6XXXAluminum Alloys”(6XXX铝合金)的美国临时专利申请No.61/929,673的优先权权益，该文献全文以引用方式并入本文。
背景技术
铝合金可用于各种各样的应用。然而，要改善铝合金的一种特性而不使另一种特性退化往往很不容易。例如，很难增大一种合金的强度而不降低其抗腐蚀性。铝合金的其他受关注的特性包括成形性和临界断裂应变，这只是其中两个例子。
发明内容
广义地讲，本发明涉及具有改善的特性组合的新型6xxx铝合金，例如强度、临界断裂应变、成形性和/或耐腐蚀性等特性的改善组合。
一般来讲，所述新型6xxx铝合金具有0.30至0.53重量％的Si，0.50至0.65重量％的Mg，其中所述Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.0:1(Mg:Si)，0.05至0.24重量％的Cu，0.05至0.14重量％的Mn，0.05至0.25重量％的Fe，最多至0.15重量％的Ti，最多至0.15重量％的Zn，最多至0.15重量％的Zr，不超过0.04重量％的V，以及不超过0.04重量％的Cr，剩余部分为铝和其他元素。
新型6xxx铝合金中硅(Si)和镁(Mg)的量可与改善的特性组合(例如，强度、压溃性能)相关。一般来讲，所述新型6xxx铝合金包含0.30至0.53重量％的Si。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.35重量％的Si。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.375重量％的Si。在又一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.40重量％的Si。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.425重量％的Si。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.50重量％的Si。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.475重量％的Si。在一个实施例中，新型6xxx铝合金中硅的目标含量为0.45重量％的Si。
一般来讲，所述新型6xxx铝合金包含0.50至0.65重量％的Mg。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.525重量％的Mg。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.55重量％的Mg。在又一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.575重量％的Mg。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.625重量％的Mg。在一个实施例中，新型6xxx铝合金中镁的目标含量为0.60重量％的Mg。
一般来讲，所述新型6xxx铝合金中硅和镁的含量使得Mg的重量％等于或大于Si的重量％，即，Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.0:1(Mg:Si)。在一个实施例中，Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.05:1(Mg:Si)。在另一个实施例中，Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.10:1(Mg:Si)。在又一个实施例中，Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.20:1(Mg:Si)。在另一个实施例中，Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.30:1(Mg:Si)。在一个实施例中，Mg的重量％与Si的重量％的比率不超过1.75:1(Mg:Si)。在另一个实施例中，Mg的重量％与Si的重量％的比率不超过1.65:1(Mg:Si)。在又一个实施例中，Mg的重量％与Si的重量％的比率不超过1.55:1(Mg:Si)。在另一个实施例中，Mg的重量％与Si的重量％的比率不超过1.45:1(Mg:Si)。在一个实施例中，新型6xxx铝合金中Mg的重量％与Si的重量％的目标比率为1.33:1(Mg:Si)。
新型6xxx铝合金中铜(Cu)的量可与改善的特性组合(例如，抗腐蚀、强度)相关。一般来讲，所述新型6xxx铝合金包含0.05至0.24重量％的Cu。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.22重量％的Cu。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.20重量％的Cu。在又一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.19重量％的Cu。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.17重量％的Cu。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.07重量％的Cu。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.09重量％的Cu。在又一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.11重量％的Cu。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.13重量％的Cu。在一个实施例中，新型6xxx铝合金中铜的目标含量为0.15重量％的Cu。
新型6xxx铝合金中锰(Mn)的量可与改善的特性组合相关(例如，通过控制晶粒结构改善的成形性)。一般来讲，所述新型6xxx铝合金包含0.05至0.14重量％的Mn。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.06重量％的Mn。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.07重量％的Mn。在又一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.08重量％的Mn。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.13重量％的Mn。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.12重量％的Mn。在一个实施例中，新型6xxx铝合金中锰的目标含量为0.10重量％的Mn。
铁(Fe)通常作为杂质包含在新型6xxx铝合金中，含量在0.05至0.25重量％的Fe范围内。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.10重量％的Fe。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.15重量％的Fe。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.225重量％的Fe。在又一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.20重量％的Fe。
钛(Ti)可任选地存在于新型6xxx铝合金中，以达到(例如)晶粒细化的目的。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.005重量％的Ti。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.010重量％的Ti。在又一个实施例中，新型6xxx铝合金包含至少0.0125重量％的Ti。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.10重量％的Ti。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.08重量％的Ti。在又一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.05重量％的Ti。在一个实施例中，新型6xxx铝合金中钛的目标含量为0.03重量％的Ti。
锌(Zn)可任选地包含于所述新型合金中，包含的量为最高至0.15重量％的Zn。锌可存在于废料中，并且将其除去可需要很高的成本。在一个实施例中，新型合金包含不超过0.10重量％的Zn。在另一个实施例中，新型合金包含不超过0.05重量％的Zn。
锆(Zr)可任选地包含于所述新型合金中，包含的量为最高至0.15重量％的Zr。当存在锆时，锆可能抑制重结晶。在一种方法中，新型6xxx铝合金包含0.05至0.15重量％的Zr。在另一种方法中，锆未被有目的地使用。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.10重量％的Zr。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.05重量％的Zr。
新型6xxx铝合金中优先避免使用钒(V)和铬(Cr)。这些元素价格昂贵，并且/或者可在新型6xxx铝合金中形成有害的金属间化合物粒子。因此，所述新型6xxx铝合金通常包含不超过0.04重量％的V和不超过0.04重量％的Cr。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.03重量％的V。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.02重量％的V。在一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.03重量％的Cr。在另一个实施例中，新型6xxx铝合金包含不超过0.02重量％的Cr。
如上文所指出，新型铝合金的剩余部分为铝和其他元素。如本文所用，“其他元素”包括元素周期表中除上述元素之外的任意元素，即，除铝(Al)、Si、Mg、Cu、Mn、Fe、Ti、Zn、Zr、V和Cr之外的任意元素。所述新型铝合金可包含的任意其他元素中的每一种都不超过0.10重量％，并且在该新型铝合金中，这些其他元素的总组合量不超过0.30重量％。在一个实施例中，这些其他元素中的每一者在所述铝合金中各自都不超过0.05重量％，并且在该铝合金中，这些其他元素的总组合量不超过0.15重量％。在另一个实施例中，这些其他元素中的每一者在所述铝合金中各自都不超过0.03重量％，并且在该铝合金中，这些其他元素的总组合量不超过0.10重量％。
除非另有说明，否则在提及某元素的量时使用表达“最多至”的意思是该元素成分是可选的，且包括该特定组成成分的量为零的情况。除非另有说明，否则所有的成分百分比都是指重量百分比(重量％)。
该新型6xxx铝合金可以所有锻造产品形式使用。在一个实施例中，新型6xxx铝合金为轧制产品。例如，可将新型6xxx铝合金制成片材形式。在一个实施例中，由新型6xxx铝合金制成的片材具有1.5mm至4.0mm的厚度。
在一个实施例中，新型6xxx铝合金是采用铸锭和热轧制成的。在一个实施例中，方法包括如下步骤：铸造新型6xxx铝合金铸锭，使该铸锭均质化，(通过热轧和/或冷轧)将该铸锭轧制成具有最终规格的轧制产品，对该轧制产品进行固溶热处理，其中所述固溶热处理包括将该轧制产品加热到一定温度并持续一定时间，使得该轧制产品中基本上所有Mg2Si溶解于固溶体中，并在固溶热处理后对该轧制产品进行淬火(例如，冷水淬火)。淬火后，可对该轧制产品进行人工老化。在一些实施例中，轧制期间可完成一个或多个退火步骤(例如，热轧成第一规格，退火，冷轧成最终规格)。可给经人工老化的产品涂漆(例如，以用于汽车零件)，并可由此使该产品经受烤漆循环。在一个实施例中，由所述新型合金制成的轧制铝合金产品可应用于汽车中。
在另一个实施例中，新型6xxx铝合金产品是通过连续铸造铸造的。在连续铸造下游，可对该产品进行：(a)轧制(热轧和/或冷轧)，(b)(例如，在热轧和任意冷轧步骤之间)任选地退火，(c)固溶热处理和淬火，(d)(在固溶热处理后)任选地冷加工，以及(e)人工老化，并且(a)-(e)的所有步骤可相对于连续铸造步骤以在线或离线的方式完成。采用连续铸造及相关下游步骤生产所述新型6xxx铝合金产品的一些方法在(例如)美国专利No.7,182,825、美国专利申请公开No.2014/0000768和美国专利申请公开No.2014/036998中有所描述，上述文献中的每一者全文以引用方式并入本文。可给经人工老化的产品涂漆(例如，以用于汽车零件)，并可由此使该产品经受烤漆循环。
具体实施方式
实例1-工业规模测试
铸造两个工业规模的铸锭(一个为本发明和一个为对比)，然后将其切削，再使之均质化。该铸锭的组成提供于下面的表1中。然后将所述铸锭热轧成中间规格，再于800℉下退火1小时，之后冷轧成最终规格(2.0mm)。接着，在一定温度下对轧制产品进行一定时间的固溶热处理，使得该轧制产品中基本上所有Mg2Si溶解于固溶体中。然后立即对该轧制产品进行冷水淬火，再进行不同周期的自然老化和人工老化，如下文所述。然后测试机械性能，包括拉伸屈服强度(TYS)、极限抗拉强度(UTS)、抗拉伸展率(T.Elong.)、极限伸长(U.Elong.)和临界断裂应变(CFS)，其结果在表2至表3中示出。根据ASTM E8和B557或使用锥形型式的ASTM B557样本测试机械性能，包括TYS、UTS、T.Elong.和U.Elong.。由上述测试生成的工程应力对应变曲线得到临界断裂应变(CFS)。利用该应力对应变曲线确定最大负载工程应变(εm)、最大负载工程应力(δm)和断裂负载工程应力(δf)，然后将这些参数代入以下公式以得到临界断裂应变(CFS)：
CFS可乘以100，从而由应变单位转换为百分比单位(％)。还测量了每ASTM G110的耐腐蚀性，所得结果示于下表4中。
表1-实例1所述合金的组成
铸锭 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti V Mg:Si
1(本发明) 0.43 0.19 0.14 0.096 0.61 0.032 0.013 0.019 0.009 1.40
2(对比) 0.81 0.19 0.14 0.143 0.71 0.032 0.013 0.019 0.009 0.88
表2-实例1所述合金1(本发明)的机械性能
表3-实例1所述合金2(对比)的机械性能
表4-实例1所述合金的耐腐蚀性
如表所示，与对比合金(合金2)相比，本发明合金(合金1)获得了改善的性能。具体地讲，参考表2和表3，与对比合金2相比，本发明合金1获得了改善的临界断裂应变(CFS)。例如，经过30天自然老化而未经受人工老化后，对比合金2在LT方向上实现了约19％的CFS值。相比之下，经过1个月自然老化而未经受人工老化后，本发明合金1在LT方向上实现了约29％的CFS值，获得了改善的临界断裂应变。又如，经过182天自然老化并在356℉下经2小时人工老化后，对比合金2在LT方向上实现了约13％的CFS值。相比之下，经过3个月自然老化并在315℉下经8小时人工老化后，本发明合金1在LT方向上实现了约28％的CFS值，同样获得了改善的临界断裂应变。因此，本发明合金在老化条件下具有改善的临界断裂应变(CFS)。
更高的临界断裂应变(CFS)值可与改善的压溃性能相关。例如，实现更高CFS值的材料(例如，铝合金)通常也可实现改善的对材料紧闭褶皱断裂的抗性，这种断裂可由压溃力造成。在一个实施例中，实现了至少20％的CFS值的合金可抵抗压溃力产生的紧闭褶皱断裂(例如，无断裂)。
如表4所示，在两种合金均经过人工老化后，与对比合金2相比，本发明合金1获得了改善的耐腐蚀性。例如，在195℉下经45分钟人工老化后，对比合金2实现了26μm的平均侵蚀深度。相比之下，在195℉下经45分钟人工老化后，本发明合金1实现了16μm的平均侵蚀深度，获得了改善的耐腐蚀性，并且因具有耐腐蚀性而仅出现两处侵蚀部位(部位2和部位3)。因此，本发明合金获得了改善的特性组合，例如临界断裂应变和耐腐蚀性。
实例2-另外的工业规模试验
铸造另外的本发明合金铸锭(合金3)作为铸锭，其组成显示于下表5中。
表5-实例2所述合金的组成
铸锭 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Ni Mg:Si
3(本发明) 0.44 0.18 0.14 0.10 0.60 0.02 0.02 0.02 -- 1.36
铸造后，切削合金3铸锭，然后使其均质化。然后将该铸锭热轧成中间规格，再于800℉下退火1小时，之后冷轧成2.0mm(0.0787英寸)和3.0mm(0.118英寸)两种不同的最终规格。接着，在一定温度下对轧制产品进行一定时间的固溶热处理，使得该轧制产品中基本上所有Mg2Si溶解于固溶体中。然后立即对该轧制产品进行冷水淬火，再进行约两个月的自然老化。然后在不同温度下对该轧制产品进行约27小时的人工老化。之后，对一些轧制产品进行约2％的拉伸，而其他的轧制产品不经受拉伸。接着，在180℃(356℉)或185℃(365℉)下对各种产品(拉伸的和未拉伸的)进行20分钟模拟烤漆处理。然后测试轧制产品的机械性能。各种合金的处理条件提供于下面的表6中。所述机械性能提供于下面的表7中。
表6-实例2所述合金的轧制后处理条件
表7-实例2所述合金的机械性能
如表所示，本发明合金出乎意料地实现了改善的强度、延展性和抗压溃性能的组合。如表所示，本发明合金使2.0mm和3.0mm产品均实现了高CFS值(例如，20％以上)。另外，所述CFS值未受到施加模拟烤漆处理(经过或不经过2％拉伸)的负面影响，因此预期在施加压溃力时其仍将表现出良好的抗断裂性。
虽然已详细描述了本发明的各种实施例，但这些实施例的修改和调整对于本领域的技术人员而言是显而易见的。然而，显然应当理解，此类修改和调整属于本公开的精神和范围内。

Claims (24)

1.一种6xxx铝合金，由以下元素组成：
0.30重量％至0.53重量％的Si；
0.50重量％至0.65重量％的Mg；
其中Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.0:1(Mg:Si)；
0.05重量％至0.24重量％的Cu；
0.05重量％至0.14重量％的Mn；
0.05重量％至0.25重量％的Fe；
最多至0.15重量％的Ti；
最多至0.15重量％的Zn；
最多至0.15重量％的Zr；
不超过0.04重量％的V；
不超过0.04重量％的Cr；
剩余部分为铝和其他元素，其中所述其他元素中的每一种在所述6xxx铝合金中都不超过0.10重量％，并且其中，所述其他元素在所述6xxx铝合金中总计不超过0.30重量％。
2.根据权利要求1所述的铝合金，具有0.35重量％至0.50重量％的Si。
3.根据权利要求1所述的铝合金，具有0.40重量％至0.50重量％的Si。
4.根据权利要求1所述的铝合金，具有0.55重量％至0.65重量％的Mg。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的铝合金，其中Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.05:1。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的铝合金，其中Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.10:1。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的铝合金，其中Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.20:1。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的铝合金，其中Mg的重量％与Si的重量％的比率为至少1.30:1。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的铝合金，其中Mg的重量％与Si的重量％的比率不超过1.75:1。
10.根据权利要求1至10中任一项所述的铝合金，具有不超过0.22重量％的Cu。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的铝合金，具有不超过0.20重量％的Cu。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的铝合金，具有不超过0.19重量％的Cu。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的铝合金，具有至少0.07重量％的Cu。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的铝合金，具有至少0.09重量％的Cu。
15.根据权利要求1至12中任一项所述的铝合金，具有至少0.11重量％的Cu。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的铝合金，具有0.06重量％至0.13重量％的Mn。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的铝合金，具有0.07重量％至0.12重量％的Mn。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的铝合金，具有不超过0.03重量％的V和Cr中的每一种。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的铝合金，具有不超过0.02重量％的V。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的铝合金，具有不超过0.02重量％的Cr。
21.一种方法，包括：
铸造根据权利要求1至20中任一项所述的铝合金的铸锭；
使所述铸锭均质化；
将所述铸锭轧制成最终规格为1.5mm至4.0mm的轧制产品；
对所述轧制产品进行固溶热处理，其中所述固溶热处理包括将所述轧制产品加热到一定温度并持续一定时间，使得所述轧制产品中基本上所有Mg2Si溶解于固溶体中；
在所述固溶热处理后，对所述轧制产品进行淬火。
22.根据权利要求21所述的方法，包括：
对所述轧制产品进行人工老化。
23.根据权利要求21至22中任一项所述的方法，其中所述淬火包括冷水淬火。
24.一种方法，包括：
连续铸造根据权利要求1至20中任一项所述的铝合金；
将所述铝合金轧制成最终规格为1.5mm至4.0mm的轧制产品；
对所述轧制产品进行固溶热处理，其中所述固溶热处理包括将所述轧制产品加热到一定温度并持续一定时间，使得所述轧制产品中基本上所有Mg2Si溶解于固溶体中；
在所述固溶热处理后，对所述轧制产品进行淬火。
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