CN111621727B - 用于铝锌镁合金的人工时效方法以及基于该方法的产品 - Google Patents

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CN111621727B CN202010501549.4A CN202010501549A CN111621727B CN 111621727 B CN111621727 B CN 111621727B CN 202010501549 A CN202010501549 A CN 202010501549A CN 111621727 B CN111621727 B CN 111621727B
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Abstract

本发明公开了对具有锌和镁的铝合金进行时效的新方法。所述方法可包括：在约310℉至530℉的第一温度下以1分钟至6小时的第一时效时间对所述铝合金进行首次时效，然后在第二温度下以至少30分钟的第二时效时间对所述铝合金进行二次时效，其中所述第二温度低于所述第一温度。

Description

用于铝锌镁合金的人工时效方法以及基于该方法的产品
分案信息
本申请是2014年3月12日递交的申请号为201480014728.8、发明名称为“用于铝锌镁合金的人工老化方法以及基于该方法的产品”的发明专利申请的分案申请。
背景
铝合金在各种各样的应用中是有用的。然而，要改进铝合金的一种特性而不使其另一种特性退化是难以实现的。例如，要增加合金的强度而不降低合金的韧度是困难的。铝合金的其他受关注的特性包括耐腐蚀性和抗疲劳裂纹扩展性，这只是其中两个例子。
发明内容
广义地讲，本专利申请涉及对具有锌和镁的铝合金进行人工时效的改进方法以及基于该方法的产品。如本文所用，具有锌和镁的铝合金是指这样的铝合金，即锌和镁中至少一者是其中除铝之外的主要合金成分，无论此类铝合金是铸造合金(即，5xx.x或7xx.x合金)或者锻制合金(即，5xxx或7xxx合金)。所述具有锌的铝合金通常包含2.5至12重量％的Zn、1.0至5.0重量％的Mg，并且可包含最多3.0重量％的Cu。在一个实施例中，该铝合金包含4.0至5.0重量％的Zn和1.0至2.5重量％的Mg。
本专利的方法大体包括：
(a)铸造具有2.5至12重量％Zn、1.0至5.0重量％Mg的铝合金；
然后
(b)任选地对该铝合金进行热加工或冷加工；
(c)在铸造步骤(a)和任选步骤(b)之后，对该铝合金进行固溶热处理和淬火处理；
(d)在步骤(c)之后，任选地加工该铝合金；并且
(e)在步骤(c)和任选的步骤(d)之后，对该铝合金进行人工时效，其中人工时效步骤(e)包括：
(i)在约310℉(或约330℉)至530℉的第一温度下以1分钟至6小时的第一时效时间对该铝合金进行首次时效；
(ii)在第二温度下以至少30分钟的第二时效时间对该铝合金进行二次时效，其中第二温度低于第一温度。
这些方法相对于传统时效工艺而言可实现综合特性的改进和/或生产量的提高。
铸造步骤(a)可以是适用于锻制铝合金或铸造铝合金的任何铸造步骤。锻制铝合金可(例如)通过直接冷铸和/或连续铸造(例如，双带式铸造)以及其他方法进行铸造。铸造铝合金为成形铸造，可通过任何适当的成形铸造方法进行铸造，包括永久模铸造、高压压铸、砂模铸造、熔模铸造、挤压铸造和半固态铸造，以及其他方法。
在步骤(a)之后，该方法可包括(b)任选地对铸造铝合金进行热加工和/或冷加工。当铝合金为锻制铝合金时，其通常可进行热加工，并且在铸造步骤之后可进行冷加工。该任选的热加工步骤可包括轧制、挤出和/或锻造。该任选的冷加工步骤可包括滚压成形、拉延和其他冷加工技术。当铝合金为成形铸造铝合金时，未完成该任选的步骤(b)。在任何热加工步骤之前，可执行均质化步骤(例如，对于锻制铝合金)。
在任选的热加工步骤和/或冷加工步骤(b)之后，该方法包括(c)对铝合金进行固溶热处理然后进行淬火处理。固溶热处理及其后的淬火处理等意味着将铝合金加热到通常高于相固溶温度的适当温度，并且保持该温度足够长的时间以使可溶性元素进入到固溶体中，然后快速冷却足够长的时间以使这些元素保持在固溶体中。固溶热处理可包括将铝合金放进适当的加热设备中加热一段适当的时间。淬火(冷却)处理可通过任何适当的方式完成，并可使用任何适当的冷却介质。在一个实施例中，淬火处理包括使用气体接触铝合金(例如，空气冷却)。在另一个实施例中，淬火处理包括使用液体接触铝合金板。在一个实施例中，该液体是水基的，诸如水或另一种水基冷却溶液。在一个实施例中，该液体是水，并且水温约等于环境温度。在另一个实施例中，该液体是水，并且水温约等于沸点温度。在另一个实施例中，该液体是一种油。在一个实施例中，该油是碳氢化合物基的。在另一个实施例中，该油是有机硅基的。
在对铝合金进行固溶热处理然后进行淬火处理步骤(c)之后，该方法可任选地包括(d)加工该铝合金体，诸如通过拉伸1-10％(例如，为获得平整度和/或消除应力)和/或诱导大量的冷加工(例如，25-90％)，如共同拥有的美国专利申请公布No.2012/0055888中的说明。该任选的步骤(d)可包括热加工和/或冷加工。
在对铝合金进行固溶热处理然后进行淬火处理步骤(c)以及任选的加工步骤(d)之后，该方法包括对铝合金进行人工时效(e)。该人工时效步骤(e)可包括：(i)在约330℉至530℉的第一温度下以1分钟至6小时的第一时效时间对铝合金进行首次时效，以及(ii)在第二温度下以至少30分钟的第二时效时间对铝合金进行二次时效，其中第二温度低于第一温度。在第一和第二时效步骤之后，可完成一个或多个附加的时效步骤。在第一时效步骤之前，未完成任何人工时效步骤。
如上所述，第一时效步骤通常在第一时效温度下执行，该第一时效温度通常为310℉(或约330℉)至530℉。较低的温度可对锌含量较高的铝合金更有用，而较高的温度可对锌含量较低的铝合金更有用。在一个实施例中，第一时效温度为至少350℉。在另一个实施例中，第一时效温度为至少370℉。在又一个实施例中，第一时效温度为至少390℉。在一个实施例中，第一时效温度不大于460℉。在另一个实施例中，第一时效温度不大于420℉。
第一时效步骤的持续时间通常为1分钟至6小时，并且可与第一时效温度有关。例如，在较低的温度下，时间较长的第一时效步骤可能有用，而在较高的温度下，时间较短的第一时效步骤可能有用。在一个实施例中，第一时效时间不大于2小时。在另一个实施例中，第一时效时间不大于1小时。在又一个实施例中，第一时效时间不大于45分钟。在另一个实施例中，第一时效时间不大于30分钟。在又一个实施例中，第一时效时间不大于20分钟。在一个实施例中，第一时效时间可为至少5分钟。
在一个实施例中，第一时效步骤的实施条件为“在约400℉的温度下时效1至30分钟”，或基本上等同的时效条件。本领域的技术人员已认识到，可根据众所周知的时效原理和/或公式(例如，使用菲克定律)来调整时效温度和/或时间。因此，本领域的技术人员能够增加时效温度而减少时效时间，或反之亦然，或仅仅稍微改变这些参数之一，而仍然实现“在约400℉的温度下时效1至30分钟”所达到的相同结果。能够实现“在约400℉的温度下时效1至30分钟”所达到的相同结果的人工时效实践的数量很多，因此，尽管所有此类替代实践皆处于本发明的范围之内，但在本申请中并未一一列出。短语“或基本上等同的人工时效温度和持续时间”和“或基本上等同的实践”用于概括所有此类替代时效实践。
如上所述，第二时效步骤通常为在第二温度下时效至少30分钟的时间，并且第二温度低于第一温度。在一个实施例中，第二时效温度比第一时效温度低5℉至150℉。在另一个实施例中，第二时效温度比第一时效温度低10℉至100℉。在又一个实施例中，第二时效温度比第一时效温度低10℉至75℉。在另一个实施例中，第二时效温度比第一时效温度低20℉至50℉。
如上所述，第二时效步骤的持续时间为至少30分钟。在一个实施例中，第二时效步骤的持续时间为至少1小时。在另一个实施例中，第二时效步骤的持续时间为至少2小时。在又一个实施例中，第二时效步骤的持续时间为至少3小时。在一个实施例中，第二时效步骤的持续时间不大于30小时。在另一个实施例中，第二时效步骤的持续时间不大于20小时。在另一个实施例中，第二时效步骤的持续时间不大于12小时。在另一个实施例中，第二时效步骤的持续时间不大于10小时。在另一个实施例中，第二时效步骤的持续时间不大于8小时。
在一个实施例中，第二时效步骤的实施条件为“在约360℉的温度下时效2至8小时”，或基本上等同的时效条件。本领域的技术人员已认识到，可根据众所周知的时效原理和/或公式来调整时效温度和/或时间。因此，本领域的技术人员能够增加时效温度而减少时效时间，或反之亦然，或仅仅稍微改变这些参数之一，而仍然实现“在约360℉的温度下时效2至8小时”所达到的相同结果。能够实现“在约360℉的温度下时效2至8小时”所达到的相同结果的人工时效实践的数量很多，因此，尽管所有此类替代实践皆处于本发明的范围之内，但在本申请中并未一一列出。短语“或基本上等同的人工时效温度和持续时间”和“或基本上等同的实践”用于概括所有此类替代时效实践。
该方法可任选地包括在时效步骤(e)期间或之后将铝合金制成预定型产品。如本文所用，“预定型产品”等意指通过成形操作(例如，拉延、熨压、温成形、滚压成形、剪切成形、旋压成形、成拱、颈缩、翻边、滴塑、卷边、弯曲、接缝、冲压、液压成形，以及卷曲等)形成的产品，并且其形状在成形操作(步骤)之前已确定。预定型产品的例子包括汽车部件(例如，引擎盖、挡泥板、车门、车顶和行李箱盖等)和容器(例如，食品罐头、瓶子等)，消费类电子元件(例如，膝上型计算机、移动电话、摄像机、移动音乐播放器、手持设备、计算机、电视等)以及其他铝合金产品。在一个实施例中，预定型产品在成形步骤之后处于其最终产品形态。用于制备“预定型产品”的成形步骤可与人工时效步骤同时执行或在其后执行(例如，与第一时效步骤同时执行或在其后执行，和/或与第二时效步骤同时执行或在其前后执行)。
在一个实施例中，成形步骤与时效步骤(e)同时完成，并且因此可在升高的温度下执行。此类升高的温度下的成形步骤在本文中称为“温成形”操作。在一个实施例中，温成形操作在200℉至530℉的温度下执行。在另一个实施例中，温成形操作在250℉至450℉的温度下执行。因此，在一些实施例中，可使用温成形法制备预定型产品。温成形可有利于制备无缺陷的预定型产品。无缺陷意指部件适于用作商业产品，并且因此可具有极少(非实质性)或无裂纹、皱褶、吕德现象(Ludering)、变薄和/或橘皮纹(仅举几例)。在一个实施例中，可使用室温成形法制备无缺陷的预定型产品。
在一种方式中，该方法包括(a)用成形铸造法铸造铝合金，其中该铝合金包含4.0至5.0重量％的Zn和1.0至2.5重量％的Mg，然后(b)对该铝合金进行固溶热处理后再进行淬火，之后(c)对该铝合金进行人工时效，其中人工时效包括：(i)在约390℉至420℉的第一温度下以1分钟至60分钟的第一时效时间对该铝合金进行首次时效，以及(ii)在第二温度下以至少30分钟的第二时效时间对该铝合金进行二次时效，其中第二温度低于第一温度。在该方式的一个实施例中，第二时效温度为300至380℉，并且时效时间为1至36小时。在另一个实施例中，第二时效温度为330至370℉，并且时效时间为1至8小时。在第一和第二时效步骤之后，可完成一个或多个附加的时效步骤。在第一时效步骤之前未完成任何时效步骤。
在一种方式中，该方法包括(a)用成形铸造法铸造铝合金，其中该铝合金为铸铝合金707.X、712.X、713.X或771.X中的一种，然后(b)对该铝合金进行固溶热处理后再进行淬火，之后(c)对该铝合金进行人工时效，其中人工时效包括(i)例如使用上述第一时效条件中的任一种对铝合金进行首次时效，以及(ii)在第二温度下以至少30分钟的第二时效时间对铝合金进行二次时效，其中第二温度低于第一温度。在第一和第二时效步骤之后，可完成一个或多个附加的时效步骤。在第一时效步骤之前，未完成任何人工时效步骤。成形铸造铝合金707.X、712.X、713.X或771.X为已知的铸造合金，并且它们的成分在例如The AluminumAssociation document“Designation and Chemical Compositions Limits forAluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot,”April 2002(铝业协会文件“针对铸件和铸块形式的铝合金的命名和化学成分限制”，2002年4月)中有所定义，该文献全文以引用方式并入本文。已知的是，“X”可用“0”、“1”等代替，以限定具体的铸造合金成分(已知的或将来的)。在一般意义上，对于本文而言，“0”通常是指成形铸造产品的成分，而“1”或“2”通常是指铸块的成分。例如，对于由707合金制成的成形铸造产品而言，707.0包含1.8至2.4重量％的Mg，而对于由707合金制成的铸块而言，707.1包含1.9至2.4重量％的Mg。
在一个实施例中，合金为锻制的7xxx铝合金产品，意味着合金在铸造后的某个点进行了热加工。锻制产品的例子包括轧制产品(片材和板材)、挤压制品和锻件。在一个实施例中，方法包括(a)制备用于固溶热处理的锻制7xxx铝合金，其中锻制7xxx铝合金包含4.0至9.5重量％的Zn、1.2至3.0重量％的Mg，以及最多2.6重量％的Cu，(b)在步骤(a)之后，对锻制7xxx铝合金进行固溶热处理，然后进行淬火，以及(c)在步骤(b)之后，对锻制7xxx铝合金进行人工时效，其中人工时效步骤(c)包括(i)在310℉至430℉范围内的第一温度下对锻制7xxx铝合金进行1分钟至360分钟的首次时效，(ii)在第二温度下对锻制7xxx铝合金进行至少0.5小时的二次时效，其中第二温度低于第一温度。在第一和第二时效步骤之后，可完成一个或多个附加的时效步骤。在第一时效步骤之前，未完成任何工时效步骤。在一个实施例中，人工时效步骤由第一时效步骤和第二时效步骤构成(即，仅使用两个时效步骤)。第一和第二人工时效步骤通常包括根据具体情况加热或冷却至规定温度，然后保持规定的时间量。比如，“370℉下持续10分钟”的第一人工时效步骤可包括对铝合金进行加热直到其达到370℉的目标温度，然后在以370℉为中心的可耐受并且可控温度范围内(例如，+/-10℉，或+/-5℉)保持10分钟。可使用时效整合法促进正确时效。
在一个实施例中，该方法包括对锻制7xxx铝合金进行应力消除，其中在固溶热处理和其后的淬火处理步骤(b)之后并且在人工时效步骤(c)之前进行应力消除。在一个实施例中，应力消除包括拉伸0.5％至8％和压缩0.5％至12％中的至少一者。
如上所述，该方法包括对锻制7xxx铝合金进行人工时效，其中人工时效步骤(c)包括(i)在310℉至430℉范围内的第一温度下对锻制7xxx铝合金进行1分钟至360分钟的首次时效，(ii)在第二温度下对锻制7xxx铝合金进行至少0.5小时的二次时效，其中第二温度低于第一温度。在一个实施例中，第二温度比第一温度低至少10℉。在另一个实施例中，第二温度比第一温度低至少20℉。在又一个实施例中，第二温度比第一温度低至少30℉。在另一个实施例中，第二温度比第一温度低至少40℉。在又一个实施例中，第二温度比第一温度低至少50℉。在另一个实施例中，第二温度比第一温度低至少60℉。在又一个实施例中，第二温度比第一温度低至少70℉。在一个实施例中，第一时效步骤的时间不大于120分钟。在另一个实施例中，第一时效步骤的时间不大于90分钟。在又一个实施例中，第一时效步骤的时间不大于60分钟。在另一个实施例中，第一时效步骤的时间不大于45分钟。在又一个实施例中，第一时效步骤的时间不大于30分钟。在另一个实施例中，第一时效步骤的时间不大于20分钟。在一个实施例中，第一时效步骤的时间为至少5分钟。在另一个实施例中，第一时效步骤的时间为至少10分钟。在一个实施例中，第一时效步骤的时间为5至20分钟。在一个实施例中，第二时效步骤的时间为1至12小时。在另一个实施例中，第二时效步骤的时间为2至8小时。在又一个实施例中，第二时效步骤的时间为3至8小时。
在一种方式中，锻制7xxx铝合金包含4.0至9.5重量％的Zn、1.2至3.0重量％的Mg和1.0至2.6重量％的Cu。在与该方式相关联的一个实施例中，第一温度为310°至400℉，并且第一时效步骤的时间不大于120分钟。在另一个实施例中，第一温度为320°至390℉，并且第一时效步骤的时间不大于90分钟。在又一个实施例中，第一温度为330°至385℉，并且其中第一时效步骤的时间不大于60分钟。在另一个实施例中，第一温度为340°至380℉，并且第一时效步骤的时间不大于30分钟。在一个实施例中，第二时效温度为250°至350℉，并且第二时效步骤的时间为0.5至12小时。在另一个实施例中，第二时效温度为270°至340℉，并且第二时效步骤的时间为1至12小时。在又一个实施例中，第二时效温度为280°至335℉，并且第二时效步骤的时间为2至8小时。在另一个实施例中，第二时效温度为290°至330℉，并且其中第二时效步骤的时间为2至8小时。在又一个实施例中，第二时效温度为300°至325℉，并且其中第二时效步骤的时间为2至8小时。在这些实施例的一些中，第二时效步骤的时间为至少3小时。在这些实施例的一些中，第二时效步骤的时间为至少4小时。在一个实施例中，锻制7xxx铝合金包含5.7至8.4重量％的Zn、1.3至2.3重量％的Mg和1.3至2.6重量％的Cu。在一个实施例中，锻制7xxx铝合金包含7.0至8.4重量％的Zn。在一个实施例中，锻制7xxx铝合金选自7x85、7x55、7x50、7x40、7x99、7x65、7x78、7x36、7x37、7x49和7x75等，如TheAluminum Association document“International Alloy Designations and ChemicalComposition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys”February2009(铝业协会文件“针对锻制铝及锻制铝合金的国际合金命名和化学成分限制”，2009年2月)及其对应的2014年2月附录(统称为“Teal Sheets”)中所定义，这两个文献全文以引用方式并入本文。已知的是，“x”可视情况而定用“0”、“1”等代替，以限定具体的锻制7xxx铝合金成分(已知的或将来的)。例如，7040包含1.5至2.3重量％的Cu、1.7至2.4重量％的Mg和5.7至6.7重量％的Zn，而7140包含1.3至2.3重量％的Cu、1.5至2.4重量％的Mg和6.2至7.0重量％的Zn，如Teal Sheets所示。在一个实施例中，锻制7xxx铝合金为7x85合金。在另一个实施例中，锻制7xxx铝合金为7x55合金。在又一个实施例中，锻制7xxx铝合金为7x40合金。在另一个实施例中，7xxx铝合金为7x65合金。在另一个实施例中，合金为7x50合金。在又一个实施例中，7xxx铝合金为7x75合金。
在另一种方式中，锻制7xxx铝合金包含4.0至9.5重量％的Zn、1.2至3.0重量％的Mg和0.25至小于1.0重量％的Cu。在与该方式相关联的一个实施例中，第一温度为330°至430℉，并且第一时效步骤的时间不大于120分钟。在另一个实施例中，第一温度为340°至425℉，并且第一时效步骤的时间不大于90分钟。在又一个实施例中，第一温度为350°至420℉，并且第一时效步骤的时间不大于60分钟。在另一个实施例中，第一温度为360°至415℉，并且第一时效步骤的时间不大于30分钟。在一个实施例中，第二时效温度为250°至370℉，并且第二时效步骤的时间为0.5至12小时。在另一个实施例中，第二时效温度为270°至360℉，并且第二时效步骤的时间为1至12小时。在又一个实施例中，第二时效温度为280°至355℉，并且第二时效步骤的时间为2至8小时。在另一个实施例中，第二时效温度为290°至350℉，并且第二时效步骤的时间为2至8小时。在又一个实施例中，第二时效温度为300°至345℉，并且第二时效步骤的时间为2至8小时。在这些实施例的一些中，第二时效步骤的时间为至少3小时。在这些实施例的一些中，第二时效步骤的时间为至少4小时。在一个实施例中，锻制7xxx铝合金为7x41合金，如Teal Sheets所定义。在一个实施例中，锻制7xxx铝合金为俄罗斯合金RU1953。
在又一种方法中，锻制7xxx铝合金包含4.0至9.5重量％的Zn、1.2至3.0重量％的Mg和小于0.25重量％的Cu。在与该方式相关联的一个实施例中，第一温度为310°至400℉，并且第一时效步骤的时间不大于120分钟。在另一个实施例中，第一温度为320°至390℉，并且第一时效步骤的时间不大于90分钟。在又一个实施例中，第一温度为330°至385℉，并且第一时效步骤的时间不大于60分钟。在另一个实施例中，第一温度为340°至380℉，并且第一时效步骤的时间不大于30分钟。在一个实施例中，第二时效温度为250°至350℉，并且第二时效步骤的时间为0.5至12小时。在另一个实施例中，第二时效温度为270°至340℉，并且第二时效步骤的时间为1至12小时。在又一个实施例中，第二时效温度为280°至335℉，并且第二时效步骤的时间为2至8小时。在另一个实施例中，第二时效温度为290°至330℉，并且第二时效步骤的时间为2至8小时。在又一个实施例中，第二时效温度为300°至325℉，并且第二时效步骤的时间为2至8小时。在这些实施例的一些中，第二时效步骤的时间为至少3小时。在这些实施例的一些中，第二时效步骤的时间为至少4小时。在一个实施例中，锻制7xxx铝合金选自如Teal Sheets所定义的7x05、7x39和7x47，或俄罗斯合金RU1980。在一个实施例中，锻制7xxx铝合金为7x39合金。在一个实施例中，锻制7xxx铝合金为俄罗斯合金RU1980。
本文所述具有锌和镁的新型铝合金可用于多种应用，诸如汽车和/或航空航天应用等。在一个实施例中，新型铝合金用于航空航天应用，诸如机翼蒙皮(上部和下部)或纵梁/加强件、机身蒙皮或纵梁、肋、框架、翼梁、座椅导轨，舱壁、周向框架、尾翼(诸如水平和垂直稳定器)，底梁、座椅导轨、门和控制面部件(如，方向舵、副翼)等。在另一个实施例中，新型铝合金用于汽车应用，诸如闭合板(如，引擎盖、挡泥板、车门、车顶和行李箱盖等)，车轮，以及临界强度的应用，诸如白车身(如，立柱、加强件)应用等。在另一个实施例中，新型铝合金用于弹药/弹道/军事应用，诸如用于弹药筒和装甲等。弹药筒可包括在轻武器和加农炮中使用或用于火炮或坦克炮弹的那些弹药筒。其他可能的弹药部件可包括弹托和尾翼。火炮引信部件是另一种可能的应用，就像用于精确制导炸弹和导弹的尾翼和控制面。装甲部件可包括装甲板或军用车辆的结构部件。在另一个实施例中，新型铝合金用于石油和天然气应用，诸如用于立管、辅助管线、钻探管、节流和压井管线、生产管道和下降管等。
附图说明
图1为曲线图，示出实例1合金的电导率与SCC性能。
具体实施方式
实例1
通过定向凝固铸造具有下表1所示的成分的7xx铸造铝合金。
表1-实例1合金的成分(以重量％计)
合金 Zn Mg Cu
1 4.24 1.52 0.80
在铸造之后，对合金1进行固溶热处理，然后在沸水中淬火。然后通过在室温下将合金1自然时效约12至24小时而使其稳定。接下来在各种时间和温度下对合金1进行人工时效，如下表2所示。对于合金1-A至1-D而言，在约40分钟的时间内将合金从环境温度加热至第一时效温度，然后使其在第一时效温度下保持规定的持续时间；完成第一时效步骤之后，在约45分钟的时间内将合金1-A至1-D加热至第二时效温度，然后使其在第二时效温度下保持规定的持续时间。在约50分钟的时间内将合金1-E从环境温度加热至第一时效温度，然后使其在第一时效温度下保持规定的持续时间；在完成第一时效步骤之后，关闭加热炉的电源并使其暴露于空气中，直到加热炉达到第二目标温度(约10分钟)，然后使合金1-E在第二时效温度下保持规定的持续时间。
表2-人工时效实践
合金 第一步骤 第二步骤 注意
1-A 250℉，3小时 360℉，16小时 非本发明
1-B 250℉，3小时 360℉，3小时 非本发明
1-C 250℉，3小时 360℉，4小时 非本发明
1-D 250℉，3小时 360℉，5小时 非本发明
1-E 400℉，10分钟 360℉，4小时 本发明
然后测量合金的各种机械特性和耐应力腐蚀开裂(SCC)性，所得结果示于下表3-5中。根据ASTM E8和B557对强度和伸长率进行测量(取三份样品的平均值)。根据ASTM E466(Kt＝1，R＝-1，应力＝23.2ksi，25Hz，实验室环境下)对疲劳性能进行测试(取三份样品的平均值)。根据ASTM G103(应力＝34.8ksi)测量耐SCC性。
表3-强度和拉伸特性(实例1合金)
Figure BDA0002525017560000111
表4-疲劳特性(实例1合金)
Figure BDA0002525017560000121
表5-耐SCC性(实例1合金)
Figure BDA0002525017560000122
Figure BDA0002525017560000131
如上所示，与非本发明的合金相比，本发明的合金(1-E)达到了大约相同的强度而且具有更好的耐疲劳性。与非本发明的合金相比，本发明的合金还达到了更好的耐应力腐蚀开裂性。此外，本发明的合金仅用约4小时10分钟的人工时效时间就达到了改进的特性，而非本发明的合金全部需要至少6小时或更多小时数的人工时效时间。
还使用HOCKing电导率计(AutoSigma 3000DL)测量了合金的电导率，所得结果示于下表6中(取四份样品的平均值)。如图1所示，本发明的合金出乎意料地达到了更低电导率下的更优SCC性能。本发明的合金的更低电导率表明其未被过度时效，但仍然达到了改进的SCC性能。
表6-电导率(实例1合金)
Figure BDA0002525017560000132
实例2
以类似于实例1的方式来加工实例2的合金1，但是使用了下表7所示的各种时间来进行人工时效。
表7-人工时效实践
合金 第一步骤 第二步骤 注意
1-F 400℉，10分钟 360℉，3小时 本发明
1-G 400℉，10分钟 360℉，4小时 本发明
1-H 400℉，10分钟 360℉，6小时 本发明
1-I 400℉，5分钟 360℉，4小时 本发明
1-J 400℉，20分钟 360℉，4小时 本发明
然后测量合金的各种机械特性和耐应力腐蚀开裂(SCC)性，所得结果示于下表8-10中。根据ASTM E8和B557对强度和伸长率进行测量(取三份样品的平均值)。根据ASTME466(Kt＝1，R＝-1，应力＝23.2ksi，25Hz，实验室环境下)对疲劳性能进行测试(取三份样品的平均值)。根据ASTM G103(应力＝34.8ksi)测量耐SCC性。
表8-强度和拉伸特性(实例2合金)
Figure BDA0002525017560000141
表9-疲劳特性(实例2合金)
Figure BDA0002525017560000142
表10-耐SCC性(实例2合金)
Figure BDA0002525017560000143
Figure BDA0002525017560000151
与实例1类似，本发明的合金实现了强度、耐疲劳性和耐应力腐蚀开裂性的良好组合。
实例3
以类似于实例1的方式来加工实例2的合金1，但是使用了下表11所示的各种时间来进行人工时效。
表11-人工时效实践
合金 第一步骤 第二步骤 注意
1-K 390℉，10分钟 360℉，4小时 本发明
1-L 400℉，10分钟 360℉，4小时 本发明
1-M 420℉，10分钟 360℉，4小时 本发明
然后测量合金的各种机械特性和耐应力腐蚀开裂(SCC)性，所得结果示于下表12-14中。根据ASTM E8和B557测量强度和伸长率(取三份样品的平均值，不同的是合金1-K取两份样品的平均值)。根据ASTM E466(Kt＝1，R＝-1，应力＝23.2ksi，25Hz，实验室环境下)对疲劳性能进行测试(取三份样品的平均值)。根据ASTM G103(应力＝34.8ksi)测量耐SCC性。
表12-强度和拉伸特性(实例3合金)
Figure BDA0002525017560000161
表13-疲劳特性(实例3合金)
Figure BDA0002525017560000162
表14-耐SCC性(实例3合金)
Figure BDA0002525017560000163
与实例1-2类似，本发明的合金实现了强度、耐疲劳性和耐应力腐蚀开裂性的良好组合。
实例4-对锻制铝合金7085进行时效
将具有表15所示成分的铝合金7085制备为具有2英寸厚度的常规板材产品(如，进行均质化，压制到最终厚度，进行固溶热处理和冷水淬火，通过拉伸(2％)进行应力消除)。在自然时效约四天之后，在不同温度下对7085板材进行不同时间的多步骤时效，如表16所示。在时效之后，根据ASTM E8和B557测量机械特性，所得结果示于表17中。还根据ASTM G44(3.5％NaCl，交替浸渍)测量了耐应力腐蚀开裂性，所得结果示于表18中(应力沿ST方向)。
表15-7085合金的成分(以重量％计)*
合金 Zn Mg Cu Zr Si Fe Mn Cr Ti
7085 7.39 1.54 1.66 0.11 0.02 0.03 <0.01 <0.01 0.02
*合金的均衡配比在于铝和其他元素，其中任何其他元素的每一种在铝合金中的含量不超过0.05重量％，并且其中其他元素的总量在铝合金中的含量不超过0.15重量％。
表16-人工时效实践
Figure BDA0002525017560000171
对于人工时效而言，在约50分钟时间内将样品加热至第一温度，然后在规定温度下保持规定的时间量。然后将样品冷却至第二温度，方法是更改加热炉的设定值并打开加热炉的门，直到达到第二温度。然后使样品在第二温度下保持规定的时间量，之后从加热炉中取出样品并使其空气冷却至室温。
表17-机械特性
Figure BDA0002525017560000181
表18-SCC结果
Figure BDA0002525017560000182
Figure BDA0002525017560000191
*DNF＝90天后未失效
**DNF(66)＝66天后未失效
如所示的那样，新的时效实践通过减少总时效时间而显著提高了生产量，同时保持类似的强度和耐腐蚀性。实际上，合金7085-14实现了与常规时效的7085-1大约相同的强度，而与合金7085-1的48小时总时效时间(不包括升温时间和冷却时间)相比，前者的总时效时间(不包括升温时间和冷却时间)仅为6.25小时。
实例5-铝合金7255的时效
将具有表19所示成分的铝合金7255制备为具有1.5英寸厚度的常规板材产品(如，进行均质化，压制到最终厚度，进行固溶热处理和冷水淬火，通过拉伸(2％)进行应力消除)。在自然时效约四天之后，在不同温度下对7255板材进行不同时间的多步骤时效，如表20所示。在时效之后，根据ASTM E8和B557测量机械特性，所得结果示于表21中。还根据ASTMG44(3.5％NaCl，交替浸渍)测量了耐应力腐蚀开裂性，所得结果示于表22中(应力沿ST方向，并且应力为35ksi)。对于一些合金而言，根据ASTM E1004-09(使用电磁(涡流)方法确定电导率的标准测试方法)，使用1英寸×1.5英寸×4英寸的块测量了电导率(％IACS)，所得结果示于下表23中。
表19-7255合金的成分(以重量％计)*
合金 Zn Mg Cu Zr Si Fe Mn Cr Ti
7255 7.98 1.91 2.18 0.11 0.02 0.03 <0.01 <0.01 0.02
*合金的均衡配比在于铝和其他元素，其中任何其他元素的每一种在铝合金中的含量不超过0.05重量％，并且其中其他元素的总量在铝合金中的含量不超过0.15重量％。
表20-人工时效实践
Figure BDA0002525017560000201
Figure BDA0002525017560000211
对于人工时效而言，除非另外指明，否则在约50分钟时间内将样品加热至第一温度，然后在规定温度下保持规定的时间量。然后将样品冷却至第二温度，方法是更改加热炉的设定值并打开加热炉的门，直到达到第二温度。然后使样品在第二温度下保持规定的时间量，之后从加热炉中取出样品并使其空气冷却至室温。
表21-机械特性
Figure BDA0002525017560000212
表22-SCC结果
Figure BDA0002525017560000213
Figure BDA0002525017560000221
*DNF＝90天后未失效
**DNF(66)＝66天后未失效
如所示的那样，新的时效实践通过减少总时效时间而显著提高了生产量，同时保持类似的强度和耐腐蚀性。实际上，合金7255-14实现了与常规时效的7255-1大约相同的强度，而与合金7255-1的约30小时总时效时间(不包括升温时间和冷却时间)相比，前者的总时效时间(不包括升温时间和冷却时间)仅为4.25小时。7255-14合金还实现了可与合金7255-1相比的耐腐蚀性。合金7255-15和7255-16实现了优于合金7255-1的改进的耐腐蚀性，同时具有能与后者相比的强度，而总时效时间(不包括升温时间和冷却时间)仅为4.5至5.0小时。
表23-电导率+SCC结果
Figure BDA0002525017560000222
实例6-铝合金1980的时效
将具有表24所示成分的俄罗斯合金1980制备为具有约7.0英寸外径和1.3英寸厚度的常规棒材产品(如，进行均质化，挤压为棒材，进行固溶热处理和冷水淬火)。在自然时效约0.5至1天之后，在不同温度下对1980合金棒材进行不同时间的多步骤时效，如表25所示。在时效之后，根据ASTM E8和B557测量机械特性，所得结果示于表26中。还根据ASTMG103(煮盐测试)测量了一些合金的耐应力腐蚀开裂性，所得结果示于表27中(应力沿ST方向，并且应力为16.2ksi)。
表24-1980合金的成分(以重量％计)*
合金 Zn Mg Cu Zr Si Fe Mn Cr Ti
1980 4.25 2.00 0.07 0.12 0.12 0.20 0.38 0.13 <0.01
*合金的均衡配比在于铝和其他元素，其中任何其他元素的每一种在铝合金中的含量不超过0.05重量％，并且其中其他元素的总量在铝合金中的含量不超过0.15重量％。
表25-人工时效实践
合金 第一步骤 第二步骤
1980-1 250℉，24小时 350℉，6小时
1980-2 400℉，10分钟 350℉，2小时
1980-3 400℉，10分钟 350℉，4小时
1980-4 400℉，10分钟 350℉，6小时
1980-5 420℉，7.5分钟 350℉，4小时
1980-6 380℉，10分钟 350℉，4小时
1980-7 400℉，5分钟 350℉，4小时
1980-8 400℉，15分钟 350℉，4小时
1980-9 420℉，7.5分钟 350℉，2小时
1980-10 420℉，7.5分钟 350℉，6小时
1980-11 370℉，10分钟 不适用
1980-12 370℉，10分钟 310℉，2小时
1980-13 360℉，10分钟 310℉，2小时
1980-14 350℉，10分钟 310℉，2小时
1980-15 350℉，10分钟 310℉，4小时
1980-16 350℉，30分钟 310℉，2小时
1980-17 350℉，30分钟 310℉，4小时
1980-18 330℉，20分钟 310℉，2小时
1980-19 330℉，20分钟 310℉，4小时
1980-20 330℉，50分钟 310℉，2小时
1980-21 330℉，50分钟 310℉，4小时
对于人工时效而言，除非另外指明，否则在约50分钟时间内将样品加热至第一温度，然后在规定温度下保持规定的时间量。然后将样品冷却至第二温度，方法是更改加热炉的设定值并打开加热炉的门，直到达到第二温度。然后使样品在第二温度下保持规定的时间量，之后从加热炉中取出样品并使其空气冷却至室温。
表26-机械特性
Figure BDA0002525017560000241
表27-SCC结果
Figure BDA0002525017560000242
Figure BDA0002525017560000251
如所示的那样，新的时效实践通过减少总时效时间而显著提高了生产量，同时保持类似的强度和耐腐蚀性。实际上，合金1980-21实现了高于常规时效的1980-1的强度，而与合金1980-1的30小时总时效时间(不包括升温时间和冷却时间)相比，前者的总时效时间(不包括升温时间和冷却时间)仅为4.83小时。1980-21合金还实现了可与合金1980-1相比的耐腐蚀性。
实例6-铝合金1953的时效
将具有表28所示成分的俄罗斯合金1953制备为具有约7.0英寸外径和1.3英寸厚度的常规棒材产品(如，进行均质化，挤压为棒材，进行固溶热处理和冷水淬火)。在自然时效约0.5至1天之后，在不同温度下对1953合金棒材进行不同时间的多步骤时效，如表29所示。在时效之后，根据ASTM E8和B557测量机械特性，所得结果示于表30中。还根据ASTMG103(煮盐测试)和根据ASTM G44(3.5％NaCl，交替浸渍)测量了耐应力腐蚀开裂性，前者的所得结果示于表31中(应力沿ST方向，并且应力为20ksi)，后者的所得结果示于表32中(应力沿ST方向，并且应力为35ksi)。
表28-1953合金的成分(以重量％计)*
合金 Zn Mg Cu Zr Si Fe Mn Cr Ti
1953 5.76 2.65 0.55 0.02 0.04 0.08 0.17 0.20 <0.01
*合金的均衡配比在于铝和其他元素，其中任何其他元素的每一种在铝合金中的含量不超过0.05重量％，并且其中其他元素的总量在铝合金中的含量不超过0.15重量％。
表29-人工时效实践
合金 第一步骤 第二步骤
1953-1 230℉，5小时 330℉，5小时
1953-2 400℉，10分钟 330℉，2小时
1953-3 400℉，10分钟 330℉，4小时
1953-4 400℉，10分钟 330℉，6小时
1953-5 460℉，5分钟 330℉，4小时
1953-6 430℉，7.5分钟 330℉，4小时
1953-7 400℉，5分钟 330℉，4小时
1953-8 400℉，15分钟 330℉，4小时
1953-9 460℉，5分钟 330℉，2小时
1953-10 460℉，7.5分钟 330℉，6小时
对于人工时效而言，除非另外指明，否则在约50分钟时间内将样品加热至第一温度，然后在规定温度下保持规定的时间量。然后将样品冷却至第二温度，方法是更改加热炉的设定值并打开加热炉的门，直到达到第二温度。然后使样品在第二温度下保持规定的时间量，之后从加热炉中取出样品并使其空气冷却至室温。
表30-机械特性
Figure BDA0002525017560000261
表31-SCC结果-ASTM G103
Figure BDA0002525017560000271
表32-SCC结果-ASTM G44
Figure BDA0002525017560000272
*DNF＝140天后未失效
如所示的那样，新的时效实践通过减少总时效时间而显著提高了生产量，同时保持类似的强度和耐腐蚀性。实际上，合金1953-2实现了与常规时效的1953-1大约相同的强度，而与合金1953-1的10小时总时效时间(不包括升温时间和冷却时间)相比，前者的总时效时间(不包括升温时间和冷却时间)仅为约2.17小时。
虽然已详细描述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，应当明确了解的是，此类修改和调整属于本发明的精神和范围之内。

Claims (27)

1.一种用于制备铸造铝合金的方法，包括：
(a)铸造具有2.5重量％至12.0重量％的Zn和1.0重量％至5.0重量％的Mg的铝合金，其中所述锌和所述镁中的至少一者是除了铝之外的主要合金成分；
(b)在铸造步骤(a)之后，对所述铝合金进行固溶热处理和淬火处理；
(c)在步骤(b)之后，对所述铝合金进行人工时效，其中人工时效步骤(c)包括：
(i)在330℉至530℉的第一温度下以1分钟至6小时的第一时效时间对所述铝合金进行第一时效；
(ii)在第二温度下以至少30分钟的第二时效时间对所述铝合金进行第二时效，其中所述第二温度低于所述第一温度，其中所述铸造铝合金经由永久模铸造、高压压铸、砂模铸造、熔模铸造或半固态铸造进行铸造。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度为350℉至460℉。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度为390℉至420℉。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一时效时间不大于30分钟。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第一时效时间为至少5分钟。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二温度比所述第一温度低5℉至150℉。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二温度比所述第一温度低10℉至100℉。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二温度比所述第一温度低10℉至75℉。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二温度比所述第一温度低20℉至50℉。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度为400℉，并且其中所述第二温度为360℉。
11.根据权利要求6所述的方法，其中所述方法由步骤(a)、(b)和(c)构成。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述铝合金包含最多3.0重量％的Cu。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述铝合金包含4.0重量％至5.0重量％的Zn和1.0重量％至2.5重量％的Mg。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一时效时间不大于120分钟。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一时效时间不大于60分钟。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一时效时间不大于45分钟。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一时效时间不大于20分钟。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一时效时间为5分钟至20分钟。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二时效时间为1小时至12小时。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二时效时间为2小时至8小时。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二时效时间为3小时至8小时。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二时效时间为至少3小时。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二时效时间为至少4小时。
24.根据权利要求1的方法，其中所述人工时效步骤由所述第一时效步骤和所述第二时效步骤构成。
25.根据权利要求1的方法，其中所述第一时效包括在50分钟的时间内将所述铝合金加热到所述第一温度。
26.一种用于制备铸造铝合金的方法，包括：
(a)铸造具有4.0重量％至5.0重量％的Zn和1.0重量％至3.0重量％的Mg的铝合金；
(b)在铸造步骤(a)之后，对所述铝合金进行固溶热处理然后进行淬火；
(c)在步骤(b)之后，对所述铝合金进行人工时效，其中所述人工时效步骤(c)包括：
(i)在400℉的第一温度下对所述铝合金进行1分钟至20分钟的第一时效，或在等同的时效条件下进行第一时效；
(ii)在360℉的第二温度下对所述铝合金进行2小时至8小时的第二时效，或在等同的时效条件下进行第二时效，其中所述铸造铝合金经由永久模铸造、高压压铸、砂模铸造、熔模铸造或半固态铸造进行铸造。
27.根据权利要求26所述的方法，由步骤(a)至(c)构成。
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