CN113661264B

CN113661264B - 铝合金材料

Info

Publication number: CN113661264B
Application number: CN202080026613.6A
Authority: CN
Inventors: 黑崎友仁; 箕田正; 玉置充宏; 金珍教
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2024-02-27
Anticipated expiration: 2040-10-08
Also published as: US20220127701A1; JP2021059762A; TW202120708A; KR20220079494A; JP7414452B2; CN113661264A; CN117802367A; EP4043602A4; EP4043602A1; WO2021070889A1

Abstract

本发明的铝合金材料含有Mg：7.0％～10.0％(质量％，以下相同)、Ca：0.1％以下，剩余部分包含铝及不可避免杂质，且拉伸强度为500MPa以上，断裂伸长率为3％以上且小于10％。

Description

铝合金材料

技术领域

本发明涉及一种抑制强度各向异性的高强度铝合金材料。

背景技术

近年来，在例如电器的壳体等各种制品中，为了实现高强度化及轻量化，要求使用铝合金材料。通过使用强度更高的铝合金材料，可将制品的强度维持在与现有同等的同时减少铝合金材料的使用量，因此能够实现制品的轻量化。

此处，作为高强度的铝合金，例如通常为6000系合金、7000系合金等。但是，所述合金为热处理型的合金，热处理型的合金需要固溶以及时效热处理工序，因此存在生产效率低的问题。另外，7000系合金中含有大量Zn和Cu，因此存在根据使用环境而容易发生腐蚀的问题。

从上述观点出发，有时使用非热处理型的铝合金。作为非热处理型的铝合金，有代表性的是具有最高强度的种类的5000系合金。5000系合金通常耐腐蚀性优异，不需要固溶以及时效热处理，因此生产效率高。另外，通过在5000系合金中增加添加元素，能够达成6000系合金以上的强度。基于此，提出了含有以5重量％以上的Mg作为主要添加元素的5000系铝合金材料(参照专利文献1～3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2007-186747号

专利文献2：日本专利特开2001-98338号

专利文献3：日本专利特开平7-197170号

发明内容

[发明所要解决的问题]

在所述专利文献1～3所记载的铝合金材料中，为了进行高强度化，而将Mg的含量增加为5重量％以上。但是，关于铝合金材料中的强度各向异性，未有任何考虑。

在铝合金材料中，在强度各向异性强的情形时，有最终制品中特定方向的刚性降低，而可靠性降低之虞。另外，在成型等制品制造工艺中，有产生尺寸精度等不良之虞。尤其是在通过进行加工硬化而强度有所增加的铝合金材料(H态材料)中，与经退火的铝合金材料(O态材料)相比，存在容易显著地表现出强度各向异性的问题。

本发明的一形态是为了解决上述问题而完成，其目的在于提供一种通过控制金相组织来确保高强度且抑制强度各向异性的铝合金材料。

[解决问题的技术手段]

为了解决上述问题，本发明的一形态的铝合金材料含有Mg：7.0％～10.0％(质量％，以下相同)、Ca：0.1％以下，剩余部分包含铝及不可避免杂质，且拉伸强度为500MPa以上，断裂伸长率为3％以上且小于10％。

[发明的效果]

根据本发明的一形态，能够制造一种确保高强度且抑制强度各向异性的铝合金材料。

附图说明

图1是表示本实施方式中的铝合金材料的拉伸强度的测定方向的图。

具体实施方式

本发明人等对含有大量Mg(镁)的高强度铝合金材料中能够抑制强度各向异性的合金组成与金相组织进行了认真调查研究。结果发现，通过调整合金组成与制造工艺，并控制合适的金相组织，能够抑制强度各向异性。

以下，对本发明实施方式的铝合金材料进行详细说明。此外，本实施方式的铝合金材料用于家电制品、建筑物、构造物、输送机器等要求强度及强度各向同性的构件。另外，在下文中，关于单位的记载，将“质量％”简单地省略记载为“％”。

(铝合金必含有的元素)

[Mg]

Mg(镁)主要以溶质元素的形式存在，具有提高强度的效果。通过将铝合金中Mg的含量设为7.0％以上，能够充分地获得强度提高的效果。

但是，如果铝合金中Mg的含量超过10.0％，有在热轧时发生开裂而制造变得困难之虞。因此，铝合金中Mg的含量优选7.5％以上且9.0％以下的范围，更优选7.5％以上且8.5％以下的范围。

[Ca]

Ca(钙)主要以化合物的形式存在于铝合金中，即使微量也有引起热加工中的开裂而降低加工性之虞。如果铝合金中Ca的含量为0.1％以下，那么能够抑制热加工中的开裂。铝合金中的Ca的含量更优选为0.05％以下。

(铝合金中选择性含有的元素)

[Si]

Si(硅)主要生成第二相颗粒(例如单质Si、Al-Si-Fe-Mn系化合物)，作为再结晶核成核位置发挥作用，由此具有将晶粒微细化的效果。通过将铝合金中Si的含量设为0.02％以上，能够良好地获得使晶粒变得微细的效果。

但是，如果铝合金中Si的含量超过0.3％，则会大量生成粗大的第二相颗粒，而有所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低之虞。因此，铝合金中Si的含量优选0.02％以上且0.2％以下的范围，更优选0.02％以上且0.15％以下的范围。

[Fe]

Fe(铁)主要以第二相颗粒(Al-Fe系化合物等)的形式存在，作为再结晶核成核位置发挥作用，由此具有将晶粒微细化的效果。通过将铝合金中Fe的含量设为0.02％以上，能够获得使晶粒变得微细的效果。

但是，如果铝合金中Fe的含量超过0.5％，则会大量生成粗大的第二相颗粒，而有所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低之虞。因此，铝合金中Fe的含量优选0.02％以上且0.25％以下的范围，更优选0.02％以上且0.2％以下的范围。

[Cu]

Cu(铜)主要以溶质元素的形式存在，具有提高强度的效果。通过将铝合金中Cu的含量设为0.05％以上，能够充分地获得强度提高的效果。

但是，如果铝合金中Cu的含量超过1.0％，有在热轧时发生开裂而制造变得困难之虞。因此，铝合金中Cu的含量优选0.05％以上且0.5％以下的范围，更优选0.10％以上且0.3％以下的范围。

[Mn]

Mn(锰)主要以第二相颗粒(Al-Mn系化合物)的形式存在，作为再结晶核成核位置发挥作用，由此具有将晶粒微细化的效果。具体而言，通过将铝合金中Mn的含量设为0.05％以上，能够充分获得使晶粒变得微细的效果。

但是，如果铝合金中Mn的含量超过1.0％，则会大量生成粗大的第二相颗粒，而有所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低之虞。因此，铝合金中Mn的含量优选0.1％以上且0.5％以下的范围，更优选0.15％以上且0.3％以下的范围。

[Cr、V、Zr]

Cr(铬)、V(钒)、Zr(锆)主要以第二相颗粒(Al-Fe-Mn系化合物、Al-Cr系化合物、Al-V系化合物、Al-Zr系化合物等)的形式存在，作为再结晶核成核位置发挥作用，由此具有将晶粒微细化的效果。具体而言，通过将铝合金中Cr、V的含量设为0.05％以上，或将Zr的含量设为0.02％以上，能够充分获得使晶粒变得微细的效果。

但是，如果铝合金中Cr、V含量超过0.3％或Zr的含量超过0.2％，则会大量生成粗大的第二相颗粒，而有所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低之虞。

因此，铝合金中Cr、V的含量优选为0.2％以下。另外，铝合金中的Zr的含量优选为0.1％。

此外，铝合金中的Cr、V、Zr的含量并不限于所述，铝合金中含有Cr、V、Zr中的至少一种即可。

[Ti]

Ti(钛)，具有抑制铸造时所形成的凝固铝相的生长、将铸造组织进行微细化，由此抑制铸造时的开裂等不良情况的效果。但是，如果铝合金中Ti的含量过多，有第二相粒颗粒粗大化、降低所制造的铝合金材料的断裂伸长率之虞。

因此，通过将铝合金中Ti的含量设为0.2％以下，可抑制所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低。铝合金中Ti的含量更优选设为0.1％以下。此外，除了上述各元素以外，其他基本上为Al及不可避免的杂质(不可避免杂质)。

(拉伸强度及断裂伸长率)

在本实施方式中，通过对上述组成所构成的铝合金进行下文所述的制造处理，可制作拉伸强度为500MPa以上、断裂伸长率为3％以上且小于10％的铝合金材料(H态材料)。由此，可防止拉伸强度低于500MPa而最终制品发生强度不足的情况。另外，可防止断裂伸长率低于3％而在最终制品的加工时发生开裂等不良情况。

此外，铝合金材料的拉伸强度更优选为550MPa以上。另外，铝合金材料的断裂伸长率更优选为5％以上且小于10％。

(强度各向异性)

如图1所示，本实施方式的铝合金材料1，以在利用一组辊2进行最终压延时的压延方向(最终加工方向)与板宽方向所形成的平面上，从压延方向朝向板宽方向0°方向、从压延方向朝向板宽方向45°方向、从压延方向朝向板宽方向90°方向(板宽方向)的拉伸强度的标准偏差成为20[MPa]以下的方式进行设定。这是考虑到如果拉伸强度的标准偏差超过20[MPa]，有强度各向异性过高、最终制品的特定方向的强度降低，而可靠性降低之虞。此处，拉伸强度的标准偏差根据下文所述的式(1)算出。

铝合金材料1的拉伸强度的标准偏差优选15[MPa]以下，更优选12[MPa]以下。

(织构)

本实施方式的铝合金材料中，以使用结晶取向分布函数(ODF：CrystalliteOrientation Distribution Function)所算出的{013}＜100＞及{011}＜100＞的取向密度成为5以下(例如1左右)的方式设定。这是考虑到如果{013}＜100＞及{011}＜100＞的取向密度超过5，有强度各向异性变得显著而最终制品的特定方向的强度降低之虞。

另外，本实施方式的铝合金材料中，以使用结晶取向分布函数(ODF)所算出的{011}＜211＞的取向密度除以{112}＜111＞的取向密度所得的比成为0.4以上的方式设定。这是考虑到如果{011}＜211＞的取向密度小于{112}＜111＞的取向密度的0.4倍，有强度各向异性变得显著而最终制品中的特定方向的强度降低之虞。

此处，对使用结晶取向分布函数(ODF)的取向密度的计算方法进行详细说明。在本实施方式中，对于所制造的铝合金材料，使用利用了结晶取向分布函数(ODF)的三维取向解析法(参照轻金属学会志，1992年，第42卷，第6号，358页～367页)计算取向密度。首先，利用X射线衍射法测定与铝合金材料的加工方向(压延方向)垂直的截面。此时，在倾斜角为15度～90度的范围内，使用Schlz的反射法(参照轻金属学会志，1983年，第33卷，第4号，230页～239页)，测定(111)面、(220)面、(200)面的不完全极图。其次，进行级数展开，求出结晶取向分布函数(ODF)。由此，各方向的取向密度以相对于具有随机织构的标准样品的取向密度的比的形式算出。

(铝合金材料的制造方法)

其次，对本实施方式的铝合金材料的制造方法进行说明。本实施方式的铝合金材料的制造按照铸造工序、均质化工序、热轧工序、冷轧工序以及退火工序的顺序进行。该制造工序为一例，并不限定于此。

首先，在铸造工序中，例如利用直接激冷(Direct Chill，DC)铸造法、热顶法等半连续铸造法铸造钢坯。在铸造工序时，为了防止形成粗大的第二相颗粒，优选铸造速度为20mm/分钟～100mm/分钟。

铸造工序结束后，进行均质化工序。处理温度设定为400℃以上且490℃以下。其原因在于：如果处理温度低于400℃，有无法充分进行均质化之虞。另外，如果处理温度超过490℃，那么有未再固溶而残留的Al-Mg系化合物溶解，在热轧时发生开裂等不良情况之虞。另外，第二相颗粒的粗大化过度发展，在之后的再结晶过程中特定方向的晶粒容易优先生长，而有强度各向异性降低之虞。

本实施方式的均质化工序中，也可以实施两个阶段的均质化处理。在该情形时，第一阶段的处理温度设定为400℃以上且450℃以下。其原因在于：如果第一阶段的处理温度低于400℃，有无法充分进行均质化之虞。另外，如果第一阶段的处理温度超过450℃，则有未再固溶而残留的Al-Mg系化合物溶解，在热轧时发生开裂等不良情况之虞。

另外，第一阶段的处理时间设定为5小时以上且20小时以下的范围内。其原因在于：如果第一阶段的处理时间小于5小时，那么无法充分进行均质化。另外，如果第一阶段的处理时间超过20小时，那么生产性降低。如上所述，通过适当设定处理温度及处理时间，进行第一阶段的均质化处理，Al-Mg系化合物可固溶，并在更高温度下进行均质化。

接着，第二阶段的处理温度设定为450℃以上且490℃以下。其原因在于：如果第二阶段的处理温度低于450℃，则无法充分进行均质化。另外，如果第二阶段的处理温度超过490℃，则表面发生Mg的氧化，导致表层的Mg的浓度降低之虞。

另外，第二阶段的处理时间设定为5小时以上且20小时以下的范围内。其原因在于：如果第二阶段的处理时间小于5小时，那么无法充分进行均质化。另外，如果第二阶段的处理时间超过20小时，则第二相颗粒的粗大化过度发展，在之后的再结晶过程中特定方向的晶粒容易优先生长，而有强度各向异性降低之虞。

接下来进行热轧工序。在热轧工序中，将热轧的开始温度设定为350℃以上且480℃以下的范围内。其原因在于：如果热轧的处理温度低于350℃，有变形阻力过高而压延变得困难之虞。另外，如果热轧的处理温度超过480℃，有材料部分熔融导致发生开裂之虞。此外，也可以省略均质化工序而实施热轧工序。

接着，热轧工序结束后，进行冷轧工序。在冷轧工序中，以热轧工序结束时的板厚至冷轧工序结束时的板厚的加工度(加工后的板厚相对于加工前的板厚的比例)为50％以上的方式进行冷轧。加工度为50％以上即可，可适当变更。

此外，也可以在冷轧工序之前、或中途实施中间退火。在该情形时，也以中间退火结束时的板厚至冷轧结束时的板厚的加工度为50％以上的方式进行冷轧。中间退火的处理温度优选为300℃以上且400℃以下的范围内。另外，中间退火的保持时间优选为1小时以上且10小时以下的范围内。其原因在于：如果在高温下实施长时间的中间退火，有表面发生氧化导致外观品质降低之虞。

根据以上所说明的本实施方式中的铝合金材料，可通过调整铝合金的组成及制造工艺并适当地控制金相组织，而制造高强度且强度各向异性被抑制的铝合金材料。由此，能够实现铝合金材料制造性的提高，以及最终制品的可靠性的提高。

实施例

以下，参照表1及表2对本实施方式的实施例1进行说明。

(铝合金的组成)

实施例1所使用的铝合金的组成示于表1。

[表1]

(表1)

如表1所示，实施例1的铝合金的组成为规定的范围内。此处，规定的范围是指Mg为7.0％～10.0％，Ca为0.1％以下的范围。

(制造方法)

将包含表1所示组成的铝合金溶解进行DC铸造后，进行均质化工序、热轧工序以及冷轧工序。然后，冷轧工序结束后，制成板厚为1.0mm的铝合金材料。

实施例1中，在热轧工序前的均质化工序时，以465℃进行12h的加热。在冷轧工序中，将热轧结束时的板厚至冷轧结束时的板厚的加工度设为80％。

(铝合金材料的特性)

将如表1所示组成构成的实施例1的铝合金，实施所述处理而制造的铝合金材料的强度特性、强度各向异性以及制造性汇总于表2。

[表2]

(表2)

(拉伸强度及断裂伸长率)

如表2所示，实施例1中所制造的铝合金材料的拉伸强度及断裂伸长率在规定的范围内。即，实施例1中所制造的铝合金材料的拉伸强度为500MPa以上，断裂伸长率为3％以上且小于10％的范围。

此外，所制造的铝合金材料的拉伸强度及断裂伸长率是依照JIS标准Z-2241-2011进行测定。如图1所示，所制造的铝合金材料1的拉伸强度及断裂伸长率是在利用一组辊2进行的压延方向(最终加工方向)与板宽方向所形成的平面内，对作为压延方向的0°方向、从压延方向朝向板宽方向与所述0°方向成45°的45°方向、以及从压延方向朝向板宽方向与所述0°方向成90°的90°方向的拉伸强度与断裂伸长率进行测定，以平均值进行定义。

(强度各向异性)

强度各向异性是在压延方向(最终加工方向)与板宽方向所形成的平面内，对作为压延方向的0°方向、从压延方向朝向板宽方向与所述0°方向成45°的45°方向、以及从压延方向朝向板宽方向与所述0°方向成90°的90°方向的拉伸强度进行测定，通过使用以下所示式(1)算出的标准偏差[MPa]进行定义。

[数1]

此处，TS_i[MPa]为各方向的拉伸强度。TS[MPa]为各方向的拉伸强度的平均值。n为拉伸强度的数据总数。

(织构)

对于实施例1的铝合金材料，通过使用了所述结晶取向分布函数(ODF)的三维取向解析法算出取向密度。具体而言，对于所制造的铝合金材料的一部分，利用X射线衍射法测定与铝合金材料的加工方向(压延方向)垂直的截面。此时，在倾斜角为15°～90°的范围内，通过所述Schlz的反射法，测定(111)面、(220)面、(200)面的不完全极图后，进行级数展开，求出结晶取向分布函数(ODF)。

由此获得的各方向的取向密度以相对于具有随机织构的标准样品的取向密度的比的形式算出。表2表示将{013}＜100＞及{011}＜100＞取向密度为5以下作为“○”、将超过“5”作为“×”的评价结果。另外，将{011}＜211＞的取向密度除以{112}＜111＞的取向密度所得的比(作为取向密度二)为0.4以上时作为“○”，小于0.4时作为“×”。

如表2所示，可知在实施例1中，强度各向异性受到良好地抑制。另外，在实施例1中，结果制造性并无问题。

(对比例)

作为相对于上述实施例1的对比例，对具有表3所示组成的对比例1～对比例5的铝合金，通过实施与实施例1同样的处理所制造的铝合金材料的特性汇总于表4。其中，在对比例1～对比例3中，在均质化处理时进行500℃、8h的处理。

[表3]

(表3)

[表4]

(表4)

在对比例1中，由于Mg过少，故而所制造的铝合金材料的拉伸强度低于规定的范围，无法获得良好的机械特性。

在对比例2中，由于Mg过少，故而所制造的铝合金材料的拉伸强度低于规定的范围，无法获得良好的机械特性。另外，由于均质化处理温度过高，故而强度各向异性高于规定的范围，无法获得良好的机械性质。

在对比例3中，由于Mg过少，故而所制造的铝合金材料的拉伸强度低于规定的范围，无法获得良好的机械特性。

在对比例4中，由于Mg的含量过多，故而在热轧时发生开裂，压延变得困难，因此无法制造。

在对比例5中，由于Ca的含量过多，故而在热轧时发生开裂，压延变得困难，因此无法制造。

此外，本发明并不限定于上述实施方式及实施例，可在权利要求所示的范围内进行各种变更，将不同的实施方式分别揭示的技术手段适当组合所获得的实施方式也包含于本发明的技术范围内。

本发明的一形态的铝合金材料含有Mg：7.0％～10.0％(质量％，以下相同)、Ca：0.1％以下，剩余部分包含铝及不可避免杂质，且拉伸强度为500MPa以上，断裂伸长率为3％以上且小于10％。

所述铝合金材料优选含有Mn：0.05％～1.0％。

另外，所述铝合金材料优选在所述铝合金材料的最终加工方向与板宽方向所形成的平面内，作为所述最终加工方向的0°方向、从所述最终加工方向朝向所述板宽方向与所述0°方向成45°的45°方向、以及从所述最终加工方向朝向所述板宽方向与所述0°方向成90°的90°方向的拉伸强度的标准偏差为20以下。

所述铝合金材料优选使用结晶取向分布函数(ODF)所算出的{013}＜100＞及{011}＜100＞的取向密度为5以下。

所述铝合金材料优选使用结晶取向分布函数(ODF)所算出的{011}＜211＞的取向密度为{112}＜111＞的取向密度的0.4倍以上。

[符号的说明]

1：铝合金材料

2：辊

Claims

1.一种铝合金材料，其特征在于，含有Mg：7.0％～10.0％(质量％，以下相同)、Ca：大于0％且0.1％以下，

剩余部分包含铝及不可避免杂质，且

拉伸强度为500MPa以上，断裂伸长率为3％以上且小于10％，

所述铝合金材料在所述铝合金材料的最终加工方向与板宽方向所形成的平面内，作为所述最终加工方向的0°方向、从所述最终加工方向朝向所述板宽方向与所述0°方向成45°的45°方向、及从所述最终加工方向朝向所述板宽方向与所述0°方向成90°的90°方向的拉伸强度的标准偏差为20以下，

使用结晶取向分布函数(ODF)算出所述铝合金材料的{013}＜100＞及{011}＜100＞的取向密度为5以下。

2.一种铝合金材料，其特征在于，含有Mg：7.0％～10.0％(质量％，以下相同)、Ca：大于0％且0.1％以下，

剩余部分包含铝及不可避免杂质，且

拉伸强度为500MPa以上，断裂伸长率为3％以上且小于10％，

使用结晶取向分布函数(ODF)算出的所述铝合金材料的{011}＜211＞的取向密度为{112}＜111＞的取向密度的0.4倍以上。

3.一种铝合金材料，其特征在于，含有Mg：7.0％～10.0％(质量％，以下相同)、Ca：大于0％且0.1％以下，

剩余部分包含铝及不可避免杂质，且

拉伸强度为500MPa以上，断裂伸长率为3％以上且小于10％，

使用结晶取向分布函数(ODF)算出所述铝合金材料的{013}＜100＞及{011}＜100＞的取向密度为5以下，

4.根据权利要求1至3任一项所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料含有Mn：0.05％～1.0％。