CN1067114C - 铝合金组合物及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型的铝基合金，它具有模仿均质处理直冷式浇铸3003合金的特性，并具有低成本的生产方法。该合金含有0.4%至0.70%的铁，0.10%至小于0.3%的锰，大于0.10%至0.25%的铜，小于0.10%的硅，任选高达0.10%的钛，以及剩余部分的铝和偶然性杂质。本合金在连续浇铸、随后冷轧、需要时在最终规则时退火的情况下取得了类似均质处理直冷式浇铸的3003合金的特性。令人惊喜的是，不需要另外的热处理。

Description

铝合金组合物及制造方法
技术领域
本发明涉及铝合金薄板产品以及制造这种产品的方法。更具体地说，本发明涉及一种新的铝合金，它可以用来代替各种回火度的3003合金，并涉及制造这种产品的方法。3003合金作为轧制的部分或全部退火的产品，是一种传统的均质处理直冷式浇铸的产品。本发明的重要优选方面是适于用来制作家用铝箔容器或半刚性铝箔容器的一种新型铝合金，它把强度和可成形性结合起来，并是一种可用连续浇铸机(caster)经济地进行生产的方法。
背景技术
半刚性铝箔容器是用轧制到厚为0.005-0.025cm(0.002-0.010英寸)的铝薄板制造的。先把薄板切割成要求的形状然后做成自承式容器，这种容器通常是用来盛放食品，例如糕饼、点心、主菜、熟蔬菜等等。通常“薄板”一词在此是指浇铸的或轧制的厚度小于其宽度的合金板，并包括通常所说的薄板、板材或箔一类产品。
传统的3003铝合金通常是做这种用途。制造3003合金的传统方法是，将含有锰的铝合金锭进行直冷式浇铸，把铝锭加热到足以使大部分锰进入固溶体的温度使之均质化，冷却并保持在能使重要部分的锰淀析出固溶体，把铝锭热轧成预定的中间规格，冷轧到最终规格，优选在至少几个冷轧道次之间采用中间退火，然后把冷轧后的铝合金退火到要求的回火度(temper)。在这种方式下生产的3003合金的典型机械特性如下面的表1所示。
      表13003合金的典型机械特性
回火度 极限抗拉强度Mpa[千磅/(英寸)2] 抗屈强度Mpa[千磅/(英寸)2] 延伸率％ Olsen值
轧制不退火H26H25H230 239.9[34.8]169.6[24.6]159.3[23.1]153.1[22.2]104.1[15.1] 212.4[30.8]160.7[23.3]141.3[20.5]127.6[18.5]48.3[7.0] 211151820 -0.2080.2480.2510.268
此外，直冷式浇铸的3003合金对最后退火工艺的变化是比较不敏感的，这最后退火工艺是能促成再现性特性即各卷特性一致。例如，在不同温度下退火的直冷式浇铸3003合金的特性变化如表2所示：
      表2
直冷式浇铸3003的特性
退火温度℃ 极限抗拉强度MPa[千磅/(英寸)2] 抗屈强度MPa[千磅/(英寸)2] 延伸率％
轧制不退火250260270280290350 291.0[42.2]187.5[27.2]170.3[24.7]164.1[23.8]155.8[22.6]148.9[21.6]113.1[16.4] 258.6[37.5]169.0[24.5]148.3[21.5]139.3[20.2]122.7[17.8]96.5[14.0]7.5[7.5] 2.02.210.413.816.4-22.4
由于具有这些有用的特性，直冷式浇铸3003合金有着许多的用途，而且直冷式浇铸3003合金是一种常用合金。3003合金的典型组成包括最大和最小极限值如下：
铜：0.14(0.05-0.20)％
铁：0.61(0.7最大值)％
锰：1.08(1.0-1.5)％
硅：0.22(0.6最大值)％
锌：0.00(0.10最大值)％
钛：0.00(0.10最大值)％
剩余部分：铝和偶然性杂质。
这种合金属于分散相硬化合金一类。对于铝合金来说，可用加入合金元素的办法来使分散相硬化，合金元素能与铝化学结合或能彼此相互结合，以构成从基体中淀析出来的微粒子。这些微粒子均匀地分布在整个晶格中，并分布得能阻碍导致硬化的位错运动。锰就是这样的合金元素。锰能溶解在液态铝中，但在固态铝中的溶解率极低。因此，当3003合金在浇铸后冷却时，就以消耗固溶体中的锰为代价而形成弥散体。这些弥散体是MnAl6和α锰(Al12Mn3Si2)的微粒子。弥散体的形成是一个缓慢的过程，在实践中，在直冷式浇铸3003合金锭固化后，仍有60％以上的锰保留在固溶体内。在均质化过程中，弥散体倾向于进入固溶体内，直到平衡时为止。在此后的缓慢冷却中，约从现有的80％的锰中形成弥散体。
另一方面来说，连续浇铸能生产出与分散相硬化的合金基本上不同特性的产品，因为它的冷却速度通常要比直冷式浇铸快得多。连续浇铸的生产效率也比直冷式浇铸要高，因为它可做到使浇铸的形状接近普通薄板的尺寸，生产出最终的规格所需的轧制道次较少。现在已经开发出了若干种连续浇铸方法和机器，或者说已投入商业应用来浇铸铝合金特别是轧制成薄板。这些机器包括双带浇铸机、双辊浇铸机、块材浇铸机、单辊浇铸机等。这些浇铸机通常能浇铸出5cm(2英寸)厚以下、与浇铸机同宽的铝合金连续薄板。还可任选把连续浇铸的合金在浇铸后立即用连续的热轧工序轧制成较薄的规格。随后，可将薄板卷成卷以便于贮存和运输。此后，薄板可被热轧或冷轧成最终的规格，可任选采取一次或多次中间退火或其它热处理步骤。
发明内容
本发明涉及一种新的铝合金以及生产这种铝合金的简单方法。概括地说，这种合金含有0.10％以上并高达0.25％重量百分数的铜，至少0.10％并小于0.30％重量百分数的锰，至少0.40％并高达0.7％的铁，小于0.10％重量百分数的硅，以及任选的高达0.10％钛(作为精研颗粒)，剩余部分为铝和偶然性杂质。
这种合金可被连续浇铸成其特性非常近似均质处理直冷式浇铸3003的产品。其方法包括连续浇铸(可任选在浇铸后立即进行连续热轧)，冷却浇铸的薄板，冷轧到最终的规格，以及如果需要的话，部分或全部退火。这一方法不要求做任何中间热处理，如均质处理固溶体热处理或中间退火。由此可见，本发明的方法比传统的铝薄板生产方法更加简单而有效，传统的方法必定包括至少几种中间热处理方式，如通常用于生产3003合金的直冷式浇铸的一套程序。
实施本发明的最佳模式
当在连续浇铸机上浇铸传统的3003合金组成而不加均质处理时，大多数锰是保留在固溶体中的。固溶体中锰的含量较高而弥散体的含量较低，会使合金较坚硬而可成形性较低。固溶体中锰的含量较高被认为能阻碍重结晶过程，与此同时又会随着固溶体硬化而增大其强度。弥散体在轧制时起到细杆的作用，可防止由于重结晶而使颗粒生长得过大。颗粒较小通常伴生出较好的可成形性。
现在已经发现，连续浇铸本发明的合金，不用任何中间热处理而加工成最终规格，就可生产出特性类似直冷式浇铸均质处理的3003合金的一种新合金。所获得的特性与直冷式浇铸均质处理的3003十分相似，因此这种新合金可以不用改变加工参数，也不需对所生产的产品实施任何明显的操作，即可直接取代3003合金现在的商业用途。
本合金的含铜量超过0.10％并可高达0.25％的重量百分数，优选在0.15％和0.25％之间。铜能增大合金的强度，铜的含量须足以提供必要的强化作用。另外还发现，在此限度内，在指定的退火温度下，对延伸率能起助益作用也要归功于铜。这一点能对最终产品提供必要程度的可成形性。过多的铜会使这种合金不合乎与旧饮料罐碎片混合后再生为3004型合金的需要。这一点会降低这种合金的回收价值。
本发明的合金含有至少约0.10％的锰，但要少于0.30％。锰的优选含量约在0.10％至0.20％重量百分数之间。锰的最优含量是刚刚足够提供出必要的固溶体硬化作用的最小量而不再有多余，这样，在随后的操作中就不会发生淀析，如果锰的含量增加到上述水平以上，在加工中就将形成弥散体，其形成的态势将对具体的加工条件很敏感，并导致在退火中其特性变化迅速而难以预测，使得各卷的特性较难再现。
本发明的合金中铁的含量应保持在0.40％和约0.70％之间，优选保持在0.50％以上，最优选保持在0.60％重量百分数以上。铁在一开始与铝反应生成FeAl3微粒，这种微粒在加工中象细杆一样起到阻碍颗粒生长的作用。这些微粒有效地替代了存在于均质处理的直冷式浇铸3003合金中的MnAl6微粒。在固溶体中存在极少量铁的情况下，伴随锰而发生的问题不会发生。一般说来，本合金中含有较多的铁比较好，但是，这必须与铁含量对回收利用的负面影响取得平衡。就象高铜铝合金一样，高铁铝合金不是那么有回收价值，因为如果不混合到原来低铁的金属中支以降低回收金属中总的含铁量，就不可能再生成为有价值的低铁合金。具体地说，现在再生铝合金最有价值的用途之一就是做饮料缸用薄板，而它就要求低铁含量。本发明的合金应含有小于0.10％重量百分数的硅，优选含有小于0.07％的硅。硅在非合金铝中是一种自然存在的杂质，在某些非合金铝中可能超过0.10％。因此可能需要选择高纯度的原料铝来用于本合金中。硅的含量必须保持在这一低水平，以避免与FeAl3微粒发生的反应。在冷却或任何退火过程中都会发生这种反应，反应的结果能使重结晶较慢从而颗粒尺寸较大、延伸率较低。FeAl3微粒在本合金中是需要的，因为它能起到细杆阻碍颗粒生长的作用。钛可任选作为精研颗粒达到0.10％的含量。
合金的剩余部分是铝和偶然性杂质。必须注意，即使在非合金铝中铁和硅是正常的偶然性杂质，在本合金中它们却不符合要求的比例。如果硅足够低，则铁倾向于过低，如果铁处于要求范围之内，则硅通常都会过高。因此，在制备本合金时，一般需要选择含有较少杂质的非合金铝，在浇铸前再加入额外的铁，以使合金中具备要求的含铁量。
原料金属对这些目的特别有帮助，原料金属典型的技术规格如下(在加入必要的合金元素以前)：
                  铁＜0.7％
                  硅＜0.1％
                  钒＜0.02％
                  钛＜0.05％
因此，进一步选择出低硅的原料金属就可为本合金的优选组成提供出适用的起始材料。当合金被熔化、组成被调整在上述极限范围内后，本发明的合金就可在制造薄板产品的连续浇铸机上进行洗铸。这种浇铸方式可生产出无限长的较宽、较薄的合金薄板。要求薄板的宽度至少为61cm(24英寸)，并可宽到203cm(80英寸)或更宽。在实践中，通常是浇铸机的宽度决定了浇铸薄板的宽度。薄板的厚度通常小于5cm(2英寸)，优选小于2.5cm(1英寸)。有利的是，薄板应足够薄，以便在浇铸后立即卷起，或者在连续热轧步骤后卷起，如果浇铸机带有热轧设备的话。
然后，本发明的合金通常是被卷成卷并冷却到室温。冷却后，合金被冷轧至最终规格。冷轧进行一道或多道。本发明的合金的一个优点是在浇铸与轧制到最终规格之间不需要任何种类的热处理。这一点可节省时间和费用，为生产合金所需的投资总额也较小。不需要均质化处理。不需要固溶热处理。不需要冷轧道次之间的中间退火。的确，已经发现这些热处理已不再仿照均质处理直冷式浇铸3003合金的特性来改变最终合金的特性。用这种模式生产的合金产品，其最终规格“O”回火度所取得的颗粒尺寸为小于70×10-6m(70微米)，优选小于50×10-6m(50微米)，这是在合金表面测定的。“O”回火度(全部退火)是回火度中的一种(与全刚性H19和部分退火H2X一起)，通常供作家用铝箔容器和半刚性容器之用。
下面将参照实施例来更详细地描述本发明。实施例并不限制本发明的领域和普遍性。实施例
在双带连续浇铸机上浇铸了5种合金。合金所含的元素列于表3，剩余部分为铝和偶然性杂质。所用的浇铸机基本上与美国专利4,008,750所描述的相似。浇铸后不进行热处理的薄板其厚度约为1.6cm(0.625英寸)，并立即将其连续热轧到厚约0.15cm(0.06英寸)。
      表3
连续浇铸合金的组成
合金 CU％ Fe％ Mn％ Si％
A 0.20 0.65 0.42 0.06
B 0.20 0.65 0.33 0.06
C 0.15 0.65 0.20 0.06
D 0.20 0.65 0.15 0.04
E 0.20 0.45 0.15 0.06
然后，把浇铸的薄板卷成卷并任其冷却到室温。在冷却后用传统方式将卷好的薄板冷轧到最终规格0.008cm(0.003英寸)厚，不需中间退火。
用数段冷轧的薄板在实验室内各种温度下进行了退火。退火的方法是把样品以每小时50℃的速率升温，然后把样品在退火温度下保持4小时。轧制而不退火的薄板、各种部分退火和全部退火(“O”回火度)的薄板的特性都进行了测量，并与原先用同样的试验方法和设备测得的直冷式浇铸3003合金的典型特性一起列出。“O”回火度是在350℃-400℃下退火4小时而得出的。这些测得的特性示于下面的表4至表7中。
        表4
抗屈强度千磅/(英寸)2
温度℃ A B C C D E 3003(中间退火)
轧制不退火 40.7 38.1 37.2 - 36.7 37.1 37.5
245 30.1 29.6 26.6 20.6 25.7 26.9 -
250 - - - - - - 24.5
260 28.9 27.7 23.8 19.6 22.9 24.4 21.5
270 - - - - - - 20.2
275 27.0 25.8 21.7 12.5 19.7 21.0 -
280 - - - - - - 17.8
290 25.5 24.4 20.0 6.0 13.6 11.7 14.0
305 22.2 18.7 - - 9.3 7.6 -
“O”回火度 8.0 7.7 7.7 - 6.9 6.8 7.5
  表5
延伸率％
温度℃ A B C C D 3003(中间退火)
轧制不退火 1.8 2.0 2.5 - 3.0 3.0 2.0
245 2.2 2.2 4.0 3.0 5.0 3.5 -
250 - - - - - - 2.2
260 2.3 2.7 5.0 3.0 9.5 6.0 10.4
270 - - - - - - 13.8
275 3.3 3.2 7.5 2.5 16.5 10.5 -
280 - - - - - - 16.4
290 6.4 6.3 11.5 7.0 16.5 9.5 13.8
305 6.2 5.8 - - 22.0 18.0 -
“O”回火度 14.0 14.0 18.5 - 22.0 21.0 22.4
  表6
Olsen值
温度℃ A B C C D E 3003(中间退火)
245 0.157 0.146 0.206 0.110 0.188 0.145 0.208
260 0.176 0.179 0.197 0.100 0.194 0.159 0.248
275 0.180 0.181 0.216 0.100 0.216 0.185 -
280 - - - - - - 0.251
290 0.184 0.193 0.215 0.200 0.200 0.158 -
305 0.118 0.106 - - 0.245 0.225 -
“O”回火度 low low 0.230 - 0.257 0.237 0.268
                表7
“O”回火度合金的晶粒大小
A B C D E 3003
晶粒大小m×10-6(微米) 92-100 76-90 42-50 38 38-45 38
合金C在制备中也采用了中间退火步骤。其中包括的工序有：将板带冷轧到一个中间厚度，在425℃下退火两小时，然后冷轧到最终规格。在表4至表6中这种合金用“C(中间退火)”来标示。
屈服强度和延伸率是按美国材料试验标准中试验方法E8的规定测定的。Olsen值是可成形性的量度，是用底特律试验机(Detroit Testingmachine)用-2.2cm(7/8英寸)的球不加任何表面处理、纹理剂(texturants)或润滑剂来测定的。晶粒大小是在样品的表面测定的。如果示出的是数值范围，则该范围就代表在表面各处所测得的晶粒大小数据。
样品A和B含有过多的锰，如表7所示，它相对于其它样品和标准样品3003来说，生长出了大的颗粒。其结果是，样品A和B显示出了低的Olsen值和低的延伸率，这表明可成形性很差。样品D在各方面差不多与直冷式浇铸的3003一致。样品E与此相似，也很好，但它的Olsen值随退火温度的变化情况表明，在控制这种组成的特性方面可能会稍微困难一点。另外，Olsen值稍低也表明，它的可成形性不会象样品D或3003标准样品那么好。在可成形性试验中证实了这一点，在试验中，样品D表现得与直冷式浇铸的3003合金一样好，样品E做大部分形状都很好，但做最需要的形状时却令人不能接受。样品C也很象直冷式浇铸的3003合金。但是，晶粒大小稍大而Olsen值稍小，这表明它的可成形性稍低。样品C(中间退火)所具有的强度和可成形性特性都低于其它试验过的样品，这表明，优选的不用中间退火的加工程序肯定能提供出更好的特性。
总之，本发明使我们认识到了一种新型的铝基合金组成和低成本的生产方法。本发明的合金在各种回火度下所表现出的特性都与均质处理直冷式浇铸3003合金相似，因此它能成为大多数用途中的合适的商业替代品。

Claims (17)

1．一种铝基合金，其特征在于，以重量百分数计，该合金含有：至少0.4％至高达0.7％的铁，至少0.1％至小于0.3％的锰，大于0.1％至高达0.25％的铜，小于0.1％的硅，任选高达0.1％的钛，剩余部分为铝和偶然性杂质。
2．权利要求1的合金，其特征在于，该合金含有钛的量高达0.1％的重量百分数。
3．权利要求1的合金，其特征在于，该合金含有硅的量小于0.07％。
4．权利要求1的合金，其特征在于，该合金含有铁的量至少为0.5％。
5．权利要求1的合金，其特征在于，该合金含有铜的量至少为0.15％。
6．权利要求3的合金，其特征在于，该合金含有铁的量至少为0.5％。
7．权利要求3的合金，其特征在于，该合金含有铜的量至少为0.15％。
8．权利要求6的合金，其特征在于，该合金含有铜的量至少为0.15％。
9．权利要求8的合金，其特征在于，该合金含有钛的量可高达0.1％。
10．权利要求1的合金，其特征在于，该合金的平均晶粒大小当退火到“O”回火度时为小于70×10-6m(70微米)。
11．生产铝基合金薄板的方法，它包括连续浇铸铝基合金，冷却该合金，冷轧该合金做成具有要求的最终规格的铝基合金薄板，以及任选在冷轧完成后将铝基合金薄板退火；其特征在于，以重量百分数计，该铝基合金含有：至少0.4％至高达0.7％的铁，至少0.1％至小于0.3％的锰，大于0.1％至高达0.25％的铜，小于0.1％的硅，以及任选高达0.1％的钛，剩余部分为铝和偶然性杂质。
12．权利要求11的方法，其特征在于，该合金在浇铸后须经均质处理。
13．权利要求11的方法，其特征在于，该铝基薄板的平均晶粒大小当退火到“O”回火度时为小于70×10-6m(70微米)。
14．权利要求11的方法，其特征在于，冷轧需进行一个道次以上。
15．权利要求14的方法，其特征在于，该铝基合金薄板在各冷轧道次之间不进行中间退火。
16．权利要求11的方法，其特征在于，该合金在浇铸后和冷轧到最终规格前无须进行任何热处理。
17．权利要求16的方法，其特征在于，该合金的晶粒大小当退火到“O”回火度时为小于70×10-6m(70微米)。
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