JP2020045575A - 高強度７ｘｘｘアルミニウム合金及びその作製方法 - Google Patents

高強度７ｘｘｘアルミニウム合金及びその作製方法 Download PDF

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Abstract

【課題】新規な７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金およびその合金を作製及び加工する方法を提供する。【解決手段】インゴットを形成するためにアルミニウム合金を鋳造することと、インゴットを均質化することと、ホットバンドを製造するためにインゴットを熱間圧延することと、ホットバンドを最終ゲージの金属シートに冷間圧延することと、を含む金属シートの製造方法。その合金は、自動車、輸送手段、電子機器、航空宇宙機、及び工業用途を含む様々な用途において使用することができる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１０月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／２４８，７９６号及び２０１６年４月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／３２６，８５８号に対する優先権及びそれらの出願の利益を主張するものであり、いずれもそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書では、新規なアルミニウム合金組成物及びその作製及び加工方法が提供される。本明細書に記載の合金は、高強度を呈し、自動車、輸送手段、電子機器、及び工業用途において使用され得る。
高強度アルミニウム合金は、自動車の構造的な用途における使用にとって望ましい。例えば、６ｘｘｘシリーズの名称のアルミニウム合金は、主に、自動車の構造的な用途に使用されている。しかしながら、現行の６ｘｘｘシリーズ合金は、オリジナル機器生産業者（ＯＥＭ）の高強度の要望を満たすことができない。例えば、ＡＡ６１１１及びＡＡ６０１３タイプの合金は、Ｔ６焼戻しにおいて３００〜３５０ＭＰａの降伏強度しか達成しない。自動車の構造的な用途において所望の高強度を達成するために、ホウ素鋼などの様々な鋼グレードが使用されている。しかしながら、そのような鋼グレードのシートは、軽量の材料を必要とする現代の自動車設計での使用には過度に重く、不適切である。
具体的には、政府の法律は、車両に対して義務的な走行距離要件を課しており、また、車両のテールパイプからの許容排出物を低下させてきた。それ故、これらの制約を満たすためには、より低い密度の材料が自動車設計に必要である。鋼よりも２．８倍低い密度であるアルミニウム合金は、大幅な車両重量減少を付与するため、自動車の生産においてますます使用されている。しかしながら、十分な重量減少を達成し、鋼（及び他のより低い強度の部品）の効果的な代替品であるためには、材料は、約２ｍｍのシートゲージの場合は５００ＭＰａ以上の降伏強度を呈さなければならない。
２ｍｍのアルミニウム合金シートの場合の５００ＭＰａの降伏強度の狙いは、はるかに高い強度で知られている航空宇宙機用アルミニウム合金の場合であっても重大な課題である。これは、部分的には、部品の厚さと達成可能な強度との関係に起因する。プレートは概して厚さが１０ｍｍを超える。典型的には、プレートセクションの厚さが低下するにつれて、そのセクションの溶体化熱処理温度からの焼入れがより速くなるため、対応して強度が増加する。これは、元素を合金にするより高い過飽和を保持するのに役立ち、強度を増大させる。
しかしながら、およそ１００〜１５０ｍｍの厚さ未満では、プレートの微細構造は概して再結晶化していない構造から再結晶化した構造に変化する。この点で、強度は低下し始める。シートゲージへの減少が続くにつれて、強度の減少は弱まることなく続き、これにより典型的には同じ合金のプレートよりもはるかに低い強度の薄いシートが作製される。所望の２ｍｍゲージでは、シートは事実上完全に再結晶化し、再結晶化していない構造を有するプレートゲージとしてのその強度機能のごく一部しか付与することができない。
プレートゲージであっても５００ＭＰａ以上の降伏強度の目標が課題である。それ故、そのような目標を達成することは、自動車ＯＥＭにより望まれるように、２ｍｍのシートゲージの場合は更により困難である。そのため、ＯＥＭの高強度の要望を満たすことができる新しい軽量合金が必要とされている。
本発明の対象となる実施形態は、この概要ではなく、特許請求の範囲によって定義される。この概要は、本発明の様々な態様の高レベルな概説であり、以下の発明を実施するための形態のセクションで更に記載するコンセプトの一部を紹介している。この概要は、特許請求された主題の肝要なまたは本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、特許請求された主題の範囲を決定するために分離して使用されることも意図していない。主題は、明細書全体の適切な部分、任意のまたは全ての図面、及び各請求項を参照することによって理解されるべきである。
本明細書では、新規な７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金が提供される。その合金は、高強度を呈し、自動車、輸送手段、電子機器、及び工業の用途を含む様々な用途において使用され得る。本明細書に記載のアルミニウム合金は、約４〜１５重量％のＺｎ、０．１〜３．５重量％のＣｕ、１．０〜４．０重量％のＭｇ、０．０５〜０．５０重量％のＦｅ、０．０５〜０．３０重量％のＳｉ、０．０５〜０．２５重量％のＺｒ、最大で０．２５重量％のＭｎ、最大で０．２０重量％のＣｒ、最大で０．１５重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである。この出願を通して、全ての元素は、合金の全重量を基準として重量百分率（ｗｔ．％）で記載されている。いくつかの場合では、アルミニウム合金は、約５．６〜９．３重量％のＺｎ、０．２〜２．６重量％のＣｕ、１．４〜２．８重量％のＭｇ、０．１〜０．３５重量％のＦｅ、０．０５〜０．２重量％のＳｉ、０．０５〜０．１５重量％のＺｒ、０．０１〜０．０５重量％のＭｎ、０．０１〜０．０５重量％のＣｒ、０．００１〜０．０５重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである。いくつかの場合では、アルミニウム合金は、約５．８〜９．２重量％のＺｎ、０．３〜２．５重量％のＣｕ、１．６〜２．６重量％のＭｇ、０．１〜０．２５重量％のＦｅ、０．０７〜０．１５重量％のＳｉ、０．０９〜０．１５重量％のＺｒ、０．０２〜０．０５重量％のＭｎ、０．０３〜０．０５重量％のＣｒ、０．００３〜０．０３５重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである。いくつかの場合では、アルミニウム合金は、約８．９〜９．２重量％のＺｎ、０．２〜２．１重量％のＣｕ、２．２〜２．４重量％のＭｇ、０．１８〜０．２３重量％のＦｅ、０．０９〜０．１２重量％のＳｉ、０．０５〜０．１５重量％のＺｒ、０．０４〜０．０９重量％のＭｎ、０．０３〜０．０９重量％のＣｒ、０．０１〜０．０２重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである。いくつかの場合では、アルミニウム合金は、約９重量％のＺｎ、０．３重量％のＣｕ、２．３重量％のＭｇ、０．２重量％のＦｅ、０．１重量％のＳｉ、０．１重量％のＺｒ、０．０５重量％のＭｎ、０．０４重量％のＣｒ、０．０２重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである。いくつかの場合では、アルミニウム合金は、約９．２重量％のＺｎ、１．２重量％のＣｕ、２．３重量％のＭｇ、０．２３重量％のＦｅ、０．１重量％のＳｉ、０．１１重量％のＺｒ、０．０４重量％のＭｎ、０．０４重量％のＣｒ、０．０１重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである。いくつかの場合では、アルミニウム合金は、約９．２重量％のＺｎ、２．４重量％のＣｕ、１．９重量％のＭｇ、０．１９重量％のＦｅ、０．０８重量％のＳｉ、０．１重量％のＺｒ、０．０２重量％のＭｎ、０．０３重量％のＣｒ、０．０３重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである。いくつかの例では、アルミニウム合金は、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｖ、Ｉｎ、Ｈｆ、Ａｇ、Ｓｃ、及びＮｉのうちの１種以上を最大で０．２０％含み得る。いくつかの例では、アルミニウム合金は、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕからなる群から選択される希土類元素を最大で０．１０％含み得る。
また、本明細書では、本明細書に記載のアルミニウム合金を含む製品が提供される。製品は、シート、プレート、押出物、鋳造物、または鍛造物を含み得る。いくつかの例では、製品は約４０ミクロン未満の最大ピット深さを有し得る。いくつかの例では、製品は約２０ミクロン未満の平均ピット深さを有し得る。いくつかの場合では、製品は約５５０ＭＰａを超える降伏強度を有し得る。いくつかの場合では、製品は約６００ＭＰａを超える降伏強度を有し得る。いくつかの例では、アルミニウム合金を含む製品は、約０．３０重量％を超えるＣｕ（例えば、約０．８０重量％を超えるＣｕまたは約１．１重量％を超えるＣｕ）を有するアルミニウム合金を含み得、製品は約６００ＭＰａを超える降伏強度を有する。
いくつかの例では、製品は、動力車両用のボディ部品（例えば、バンパー、サイドビーム、ルーフビーム、クロスビーム、ピラーレインフォースメント、インナーパネル、アウターパネル、サイドパネル、フードインナー、フードアウター、及びトランクリッドパネル）を含む自動車及び／または輸送手段用ボディ部品を含み得る。製品は、電子デバイスハウジングなどの電子製品も含み得る。製品は、構造的な部品（例えば、翼、胴体、補助翼、舵、エレベータ、カウリング、または支持体）または非構造的な部品（例えば、シートトラック、シートフレーム、パネル、またはヒンジ）を含む航空宇宙機用ボディ部品を含み得る。
更に、本明細書では、金属製品の製造方法が提供される。金属製品の製造方法は、インゴットまたはスラブを形成するために本明細書に記載のアルミニウム合金を鋳造する工程と、インゴットまたはスラブを均質化する工程と、中間ゲージのホットバンドを製造するためにインゴットまたはスラブを熱間圧延する工程と、ホットバンドを最終ゲージの金属製品に冷間圧延する工程と、を含むがこれらに限定されない。任意に、その金属製品はシートである。これらの場合、方法は、シートを約４３０℃〜約６００℃の温度（例えば、約４３０℃〜約５００℃、約４４０℃〜約４９０℃、約４５０℃〜約４８０℃、または約４６０℃〜約４７５℃）で溶体化熱処理に付す工程を更に含み得る。方法は、シートを約２５℃〜約１２０℃の温度に冷却することも含み得る。いくつかの場合では、冷却工程の間の冷却速度は、任意に、１秒当たり約２００℃〜１秒当たり約６００℃であり得る。他の場合では、冷却工程の間の冷却速度は、１秒当たり約２０００℃〜１秒当たり約３０００℃である。本明細書に記載の方法は、シートを時効プロセスに付すことを任意に含み得る。いくつかの場合では、時効プロセスは、シートを約１００℃〜約１７０℃の温度に加熱することと、シートを約１００℃〜約１４０℃の温度においてある期間維持することと、シートを室温に冷却することと、を含み得る。他の場合では、時効プロセスは、シートを約１００℃〜約１４０℃の温度に加熱することと、シートを約１００℃〜約１４０℃の温度においてある期間維持することと、シートを約１４０℃を超える温度に加熱することと、シートを約１４０℃を超える温度（例えば、約１４０℃〜１７０℃）においてある期間維持することと、シートを室温に冷却することと、を含み得る。いくつかの場合では、シートは塗料焼き付け熱処理、例えば、シートを約１４０℃を超える温度（例えば、１５０℃、１６０℃、１７０℃、１８０℃、１９０℃、２００℃、またはそれ以上）に加熱し、１４０℃を超える温度（例えば、約１５０℃、１６０℃、１７０℃、１８０℃、１９０℃、２００℃、またはそれ以上の間）においてある期間（例えば、１０分、２０分、３０分、４０分、５０分、６０分、７０分、８０分、９０分、１００分、１１０分、または１２０分）維持することに付され得る。
あるいは、冷間圧延されたＦ焼戻しシートブランクは、溶体化熱処理温度に加熱され、続いて冷ダイを使用して部品に熱間形成され得る。冷ダイは、その後の人工的時効応答のために溶液中で合金になる元素を維持するのに必要な速い焼入れ速度を提供し得る。ホットスタンピング及びダイ焼入れに続いて、形成された部品は、上述のように人工時効され得る。
また、本明細書では、本明細書に記載の方法に従って調製された７ｘｘｘシリーズ合金を含むアルミニウムシートが提供される。シートは、任意に、Ｔ１からＴ９焼戻しにあり得る。いくつかの場合では、シートはＴ６焼戻しにあり得る。いくつかの場合では、シートはＴ７焼戻しにあり得る。いくつかの例では、シートは約５００ＭＰａを超える降伏強度を有し得る。いくつかの場合では、アルミニウムシートはＡｌ３Ｚｒ分散質を含み得る。いくつかの場合では、Ａｌ３Ｚｒ分散質は、約５ｎｍ〜約５０ｎｍ（例えば、約５ｎｍ〜約２０ｎｍ、約８ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約５ｎｍ〜約１０ｎｍ）の直径を有し得る。いくつかの場合では、Ａｌ３Ｚｒ分散質は、約２０ｎｍ未満（例えば、約１５ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、または約８ｎｍ未満）の直径を有し得る。更に、本明細書では、本明細書に記載の７ｘｘｘシリーズ合金を含むアルミニウムプレート、押出物、鋳造物、及び鍛造物が提供される。
本発明の他の目的及び利点は、以下の本発明の非限定的な例の詳細な説明から明らかである。
溶体化熱処理及び異なる条件下で時効の後の、比較合金及び本明細書に記載の例示的な合金の降伏強度を示すグラフである。 溶体化熱処理及び異なる条件下で時効の後の、比較合金及び本明細書に記載の例示的な合金の極限引張強度を示すグラフである。 合金７０７５シート（頂部及び底部の左パネル）、合金Ｖ６シート（頂部及び底部の中央パネル）、及び合金Ｖ１２シート（頂部及び底部の右パネル）において形成された抵抗スポット溶接ナゲットの写真を含有する。 ５７ｇ／ＬのＮａＣｌ及び１０ｍＬのＨ２Ｏ２を含有する溶液に２４時間浸漬した後の合金７０７５（サンプル１及び２）、合金Ｖ６、及び合金Ｖ１２から調製されたシートの断面の写真を含有する。 ５７ｇ／ＬのＮａＣｌ及び１０ｍＬのＨ２Ｏ２を含有する溶液に２４時間浸漬した後の合金７０７５（サンプル１及び２）、合金Ｖ６、及び合金Ｖ１２から調製されたシートにおける平均及び最大ピット深さのグラフである。 溶体化熱処理温度からの水焼入れ後にシートを室温で１０日間保持することにより得られたＴ４焼戻しにおける合金Ｋ３０３、Ｋ３０４、Ｋ３０５、Ｋ３０６、Ｋ３０７、Ｋ３０８、Ｋ３０９、及びＫ３１１の降伏強度及び全伸長を示すグラフである。 （溶体化熱処理温度からの水焼入れ後にシートを室温で１０日間保持することにより得られた）Ｔ４焼戻しにおける合金Ｋ３０３、Ｋ３０４、Ｋ３０５、Ｋ３０６、Ｋ３０７、Ｋ３０８、Ｋ３０９、及びＫ３１１の圧延方向に対する角度０°、４５°、及び９０°での降伏強度を示すグラフである。 （溶体化熱処理温度からの水焼入れ後にシートを室温で１０日間保持することにより得られた）Ｔ４焼戻しにおける合金Ｋ３０３、Ｋ３０４、Ｋ３０５、Ｋ３０６、Ｋ３０７、Ｋ３０８、Ｋ３０９、及びＫ３１１の圧延方向に対する角度０°、４５°、及び９０°での全伸長を示すグラフである。 （溶体化熱処理温度からの水焼入れ後にシートを室温で１０日間保持することにより得られた）Ｔ４焼戻しにおける合金Ｋ３０３、Ｋ３０４、Ｋ３０５、Ｋ３０６、Ｋ３０７、Ｋ３０８、Ｋ３０９、及びＫ３１１の圧延方向に対する角度０°、４５°、及び９０°でのｒ値を示すグラフである。 Ｔ４焼戻しにおいて（全て溶体化熱処理温度から空気冷却された）合金Ｋ３０３、Ｋ３０４、Ｋ３０５、Ｋ３０６、Ｋ３０７、Ｋ３０８、Ｋ３０９、Ｋ３１０、Ｋ３１１、Ｋ３１２、Ｋ３１３、及びＫ３１４の降伏強度及び全伸長を示すグラフである。値は３つの試験方向（圧延方向に対する角度０°、４５°、及び９０°）の平均値を表す。 Ｔ４焼戻しにおける合金Ｋ３０３、Ｋ３０４、Ｋ３０５、Ｋ３０６、Ｋ３０７、Ｋ３０８、Ｋ３０９、Ｋ３１０、Ｋ３１１、Ｋ３１２、Ｋ３１３、及びＫ３１４の合金の圧延方向に対する角度０°、４５°、及び９０°でのｒ値を示すグラフである。Ｔ４焼戻しは、溶体化熱処理温度から空気冷却した後、シートを室温で７日間保持し、次いで７０℃で４日間加熱することにより達成された。 （全て溶体化熱処理温度から空気冷却された）合金Ｋ３０３、Ｋ３０４、Ｋ３０５、Ｋ３０６、Ｋ３０７、Ｋ３０８、Ｋ３０９、Ｋ３１０、Ｋ３１１、Ｋ３１２、Ｋ３１３、及びＫ３１４の圧延方向に対して角度０°、４５°、及び９０°での曲げ角度を示すグラフである。 Ｔ６焼戻しにおいて（全て溶体化熱処理温度から空気冷却された）合金Ｋ３０３、Ｋ３０４、Ｋ３０５、Ｋ３０６、Ｋ３０７、Ｋ３０８、Ｋ３０９、Ｋ３１０、Ｋ３１１、Ｋ３１２、Ｋ３１３、及びＫ３１４の降伏強度及び全伸長を示すグラフである。測定は横の試験方向で得られた。 ３つの別の条件で得られたＴ６焼戻しにおいて（全て溶体化熱処理温度から空気冷却された）合金Ｋ３０３、Ｋ３０４、Ｋ３０５、Ｋ３０６、Ｋ３０７、Ｋ３０８、Ｋ３０９、Ｋ３１０、Ｋ３１１、Ｋ３１２、Ｋ３１３、及びＫ３１４の降伏強度を示すグラフである。測定は横の試験方向で得られた。各セットの左のヒストグラムバーは、９５℃に加熱し、８時間浸漬し、続いて１４５℃に加熱し、６時間浸漬することにより得られたＴ６焼戻しを表す。各セットの中央のヒストグラムバーは、溶体化熱処理されたシートを室温で１日間保持し、次いでシートを１２０℃に更に加熱し、２４時間浸漬することにより得られたＴ６焼戻しを表す。各セットの右のヒストグラムバーは、溶体化熱処理されたシートを室温で１日間保持し、シートを１２０℃に加熱し、シートを１時間浸漬し、シートを１８０℃に更に加熱し、３０分間浸漬して塗料焼き付けを表すことにより得られたＴ６焼戻しを表す。 第１のジルコニウム（Ｚｒ）含有量を含むアルミニウム合金の再結晶化した微細構造を示す偏光顕微鏡写真である。 第２のＺｒ含有量を含むアルミニウム合金の再結晶化した微細構造を示す偏光顕微鏡写真である。 第３のＺｒ含有量を含むアルミニウム合金の再結晶化した微細構造を示す偏光顕微鏡写真である。 加工後のアルミニウム合金の再結晶化した微細構造を示す偏光顕微鏡写真である。 加工後のアルミニウム合金の再結晶化した微細構造を示す偏光顕微鏡写真である。 Ａｌ３Ｚｒ分散質を示す加工後に再結晶化したアルミニウム合金のＳＥＭ画像である。 Ａｌ３Ｚｒ分散質を示す加工後に再結晶化しなかったアルミニウム合金のＳＥＭ画像である。 比較合金ＡＡ７０７５の応力−歪み曲線を示すグラフである。 異なる温度で試験した例示的な合金Ｖ６の応力−歪み曲線を示すグラフである。
本明細書には、新規な７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金が記載されている。その合金は、いくつかの焼戻しで、特にＴ６焼戻しで高強度を呈する。驚くべきことに、低い銅（Ｃｕ）含有量（例えば、０．５重量％未満）を有する本明細書に記載の合金は、高い降伏強度及び極限引張強度値をもたらし、より多くの量のＣｕを含有する合金の強度に匹敵するかまたはそれを上回ることさえした。これは、航空宇宙機用途において使用される高強度７ｘｘｘ合金とは対照的であり、追加的な強度の獲得はＣｕの包含を通じて達成された。また、本明細書においていくつかの場合に記載されている合金は、リサイクルされた金属の使用を可能にし、これによりコスト節約の利点がもたらされる。予想外にも、本明細書に記載のいくつかの合金は、冷間圧延による７５％のゲージ減少にもかかわらず、再結晶化していない粒構造を呈する。再結晶化していない粒構造は合金の強度に寄与する。
定義及び説明
本明細書で使用される「発明」、「その発明」、「この発明」、及び「本発明」という用語は、この特許出願及び以下の特許請求の範囲の主題の全てを広く指すことを意図している。これらの用語を含有する記述は、本明細書に記載の主題を限定するものではなく、または以下の特許請求の範囲の意味または範囲を限定するものではないと理解すべきである。
この明細書では、「シリーズ」または「７ｘｘｘ」などのＡＡ番号及び他の関連名称によって特定される合金について述べる。アルミニウム及びその合金の命名及び特定に最も一般的に使用される番号名称システムの理解については、いずれもＴｈｅ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎにより発行された「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｌｌｏｙ Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｓ ｆｏｒ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ」または「Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｒｄ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ａｌｌｏｙ Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｌｉｍｉｔｓ ｆｏｒ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｆｏｒｍ ｏｆ Ｃａｓｔｉｎｇｓ ａｎｄ Ｉｎｇｏｔ」を参照。
本明細書で使用される場合、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」の意味は、文脈が他に明確に指示していない限り、単数及び複数の言及を含む。
以下の例において、アルミニウム合金は、それらの元素組成に関して重量パーセント（ｗｔ．％）で記載される。各合金において、全ての不純物の総和について０．１５％の最大重量％を有し、残りはアルミニウムである。
本明細書において他に明記されない限り、室温は、２０℃、２１℃、２２℃、２３℃、２４℃、または２５℃を含む約２０℃〜約２５℃の温度のことを指す。
合金組成
本明細書に記載の合金は、新規な７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金である。その合金は、ゲージが、正常な再結晶化したまたは再結晶化していない微細構造を有するかどうかにかかわらず、薄いゲージ（例えば、１０ｍｍ以下）において予想外に高い強度値を呈する。合金の特性は、合金を作製する組成及び方法に起因して達成される。本明細書に記載の合金は、表１に提供されるように以下の元素組成を有し得る。
Figure 2020045575
いくつかの例では、合金は、表２に提供されるように以下の元素組成を有し得る。
Figure 2020045575
いくつかの例では、合金は、表３に提供されるように以下の元素組成を有し得る。
Figure 2020045575
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、４％〜１５％（例えば、５．４％〜９．５％、５．６％〜９．３％、５．８％〜９．２％、または４．０％〜５．０％）の量の亜鉛（Ｚｎ）を含む。例えば、合金は、４．０％、４．１％、４．２％、４．３％、４．４％、４．５％、４．６％、４．７％、４．８％、４．９％、５．０％、５．１％、５．２％、５．３％、５．４％、５．５％、５．６％、５．７％、５．８％、５．９％、６．０％、６．１％、６．２％、６．３％、６．４％、６．５％、６．６％、６．７％、６．８％、６．９％、７．０％、７．１％、７．２％、７．３％、７．４％、７．５％、７．６％、７．７％、７．８％、７．９％、８．０％、８．１％、８．２％、８．３％、８．４％、８．５％、８．６％、８．７％、８．８％、８．９％、９．０％、９．１％、９．２％、９．３％、９．４％、９．５％、９．６％、９．７％、９．８％、９．９％、１０．０％、１０．１％、１０．２％、１０．３％、１０．４％、１０．５％、１０．６％、１０．７％、１０．８％、１０．９％、１１．０％、１１．１％、１１．２％、１１．３％、１１．４％、１１．５％、１１．６％、１１．７％、１１．８％、１１．９％、１２．０％、１２．１％、１２．２％、１２．３％、１２．４％、１２．５％、１２．６％、１２．７％、１２．８％、１２．９％、１３．０％、１３．１％、１３．２％、１３．３％、１３．４％、１３．５％、１３．６％、１３．７％、１３．８％、１３．９％、１４．０％、１４．１％、１４．２％、１４．３％、１４．４％、１４．５％、１４．６％、１４．７％、１４．８％、１４．９％、または１５．０％のＺｎを含み得る。全て重量％で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、０．１％〜３．５％（例えば、０．２％〜２．６％、０．３％〜２．５％、または０．１５％〜０．６％）の量の銅（Ｃｕ）を含む。例えば、合金は、０．１％、０．１１％、０．１２％、０．１３％、０．１４％、０．１５％、０．１６％、０．１７％、０．１８％、０．１９％、０．２％、０．２１％、０．２２％、０．２３％、０．２４％、０．２５％、０．２６％、０．２７％、０．２８％、０．２９％、０．３％、０．３５％、０．４％、０．４５％、０．５％、０．５５％、０．６％、０．６５％、０．７％、０．７５％、０．８％、０．８５％、０．９％、０．９５％、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．１％、２．２％、２．３％、２．４％、２．５％、２．６％、２．７％、２．８％、２．９％、３．０％、３．１％、３．２％、３．３％、３．４％、または３．５％のＣｕを含み得る。全て重量％で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、１．０％〜４．０％（例えば、１．０％〜３．０％、１．４％〜２．８％、または１．６％〜２．６％）の量のマグネシウム（Ｍｇ）を含む。いくつかの場合では、合金は、１．０％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％、１．５％、１．６％、１．７％、１．８％、１．９％、２．０％、２．１％、２．２％、２．３％、２．４％、２．５％、２．６％、２．７％、２．８％、２．９％、３．０％、３．１％、３．２％、３．３％、３．４％、３．５％、３．６％、３．７％、３．８％、３．９％、または４．０％のＭｇを含み得る。全て重量％で表示されている。
任意に、Ｚｎ、Ｃｕ、及びＭｇを組み合わせた含有量は、５％〜１４％（例えば、５．５％〜１３．５％、６％〜１３％、６．５％〜１２．５％、または７％〜１２％）の範囲であり得る。例えば、Ｚｎ、Ｃｕ、及びＭｇを組み合わせた含有量は、５％、５．５％、６％、６．５％、７％、７．５％、８％、８．５％、９％、９．５％、１０％、１０．５％、１１％、１１．５％、１２％、１２．５％、１３％、１３．５％、または１４％であり得る。全て重量％で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、０．０５％〜０．５０％（例えば、０．１０％〜０．３５％または０．１０％〜０．２５％）の量の鉄（Ｆｅ）も含む。例えば、合金は、０．０５％、０．０６％、０．０７％、０．０８％、０．０９％、０．１０％、０．１１％、０．１２％、０．１３％、０．１４％、０．１５％、０．１６％、０．１７％、０．１８％、０．１９％、０．２０％、０．２１％、０．２２％、０．２３％、０．２４％、０．２５％、０．２６％、０．２７％、０．２８％、０．２９％、０．３０％、０．３１％、０．３２％、０．３３％、０．３４％、０．３５％、０．３６％、０．３７％、０．３８％、０．３９％、０．４０％、０．４１％、０．４２％、０．４３％、０．４４％、０．４５％、０．４６％、０．４７％、０．４８％、０．４９％、または０．５０％のＦｅを含み得る。全て重量％で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、０．０５％〜０．３０％（例えば、０．０５％〜０．２５％または０．０７％〜０．１５％）の量のケイ素（Ｓｉ）を含む。例えば、合金は、０．０５％、０．０６％、０．０７％、０．０８％、０．０９％、０．１０％、０．１１％、０．１２％、０．１３％、０．１４％、０．１５％、０．１６％、０．１７％、０．１８％、０．１９％、０．２０％、０．２１％、０．２２％、０．２３％、０．２４％、０．２５％、０．２６％、０．２７％、０．２８％、０．２９％、または０．３０％のＳｉを含み得る。全て重量％で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、０．０５％〜０．２５％（例えば、０．０５％〜０．２０％または０．０９％〜０．１５％）の量のジルコニウム（Ｚｒ）を含む。例えば、合金は、０．０５％、０．０６％、０．０７％、０．０８％、０．０９％、０．１０％、０．１１％、０．１２％、０．１３％、０．１４％、０．１５％、０．１６％、０．１７％、０．１８％、０．１９％、０．２０％、０．２１％、０．２２％、０．２３％、０．２４％、または０．２５％のＺｒを含み得る。他の例では、合金は、合金の全重量を基準として、０．０５％未満（例えば、０．０４％、０．０３％、０．０２％、または０．０１％）の量のＺｒを含み得る。全て重量％で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、最大で０．２５％（例えば、０．０１％〜０．１０％または０．０２％〜０．０５％）の量のマンガン（Ｍｎ）を含み得る。例えば、合金は、０．０１％、０．０２％、０．０３％、０．０４％、０．０５％、０．０６％、０．０７％、０．０８％、０．０９％、０．１０％、０．１１％、０．１２％、０．１３％、０．１４％、０．１５％、０．１６％、０．１７％、０．１８％、０．１９％、０．２０％、０．２１％、０．２２％、０．２３％、０．２４％、または０．２５％のＭｎを含み得る。いくつかの場合では、Ｍｎは合金中に存在しない（すなわち、０％）。全て重量％で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、最大で０．２０％（例えば、０．０１％〜０．１０％、０．０１％〜０．０５％、または０．０３％〜０．０５％）の量のクロム（Ｃｒ）を含む。例えば、合金は、０．０１％、０．０２％、０．０３％、０．０４％、０．０５％、０．０６％、０．０７％、０．０８％、０．０９％、０．１０％、０．１１％、０．１２％、０．１３％、０．１４％、０．１５％、０．１６％、０．１７％、０．１８％、０．１９％、または０．２０％のＣｒを含み得る。いくつかの場合では、Ｃｒは合金中に存在しない（すなわち、０％）。全て重量％で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、最大で０．１５％（例えば、０．００１％〜０．１０％、０．００１％〜０．０５％、または０．００３％〜０．０３５％）の量のチタン（Ｔｉ）を含む。例えば、合金は、０．００１％、０．００２％、０．００３％、０．００４％、０．００５％、０．００６％、０．００７％、０．００８％、０．００９％、０．０１０％、０．０１１％、０．０１２％、０．０１３％、０．０１４％、０．０１５％、０．０１６％、０．０１７％、０．０１８％、０．０１９％、０．０２０％、０．０２１％、０．０２２％、０．０２３％、０．０２４％、０．０２５％、０．０２６％、０．０２７％、０．０２８％、０．０２９％、０．０３％、０．０３１％、０．０３２％、０．０３３％、０．０３４％、０．０３５％、０．０３６％、０．０３７％、０．０３８％、０．０３９％、０．０４％、０．０４１％、０．０４２％、０．０４３％、０．０４４％、０．０４５％、０．０４６％、０．０４７％、０．０４８％、０．０４９％、０．０５％、０．０５５％、０．０６％、０．０６５％、０．０７％、０．０７５％、０．０８％、０．０８５％、０．０９％、０．０９５％、０．１％、０．１１％、０．１２％、０．１３％、０．１４％、または０．１５％のＴｉを含み得る。いくつかの場合では、Ｔｉは合金中に存在しない（すなわち、０％）。全て重量％で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、最大で０．１０％（例えば、０．０１％〜０．１０％、０．０１％〜０．０５％、または０．０３％〜０．０５％）の量の１種以上の希土類元素（すなわち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕのうちの１種以上）を含み得る。例えば、合金は、０．０１％、０．０２％、０．０３％、０．０４％、０．０５％、０．０６％、０．０７％、０．０８％、０．０９％、または０．１０％の希土類元素を含み得る。全て重量％で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金は、合金の全重量を基準として、最大で０．２０％（例えば、０．０１％〜０．２０％または０．０５％〜０．１５％）の量の、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｖ、Ｉｎ、Ｈｆ、Ａｇ、及びＮｉのうちの１種以上を含み得る。例えば、合金は、０．０５％、０．０６％、０．０７％、０．０８％、０．０９％、０．１０％、０．１１％、０．１２％、０．１３％、０．１４％、０．１５％、０．１６％、０．１７％、０．１８％、０．１９％、または０．２０％の、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｖ、Ｉｎ、Ｈｆ、Ａｇ、及びＮｉのうちの１種以上を含み得る。全て重量％で表示されている。
任意に、本明細書に記載の合金組成物は、０．０５％以下、０．０４％以下、０．０３％以下、０．０２％以下、または０．０１％以下の量で、時に不純物と称される他のマイナー元素を更に含み得る。これらの不純物は、Ｇａ、Ｃａ、Ｂｉ、Ｎａ、Ｐｂ、またはそれらの組み合わせを含み得るが、これらに限定されない。したがって、Ｇａ、Ｃａ、Ｂｉ、Ｎａ、またはＰｂは、０．０５％以下、０．０４％以下、０．０３％以下、０．０２％以下、または０．０１％以下の量で合金中に存在していてよい。全ての不純物の総和は０．１５％を超えない（例えば、０．１０％）。全て重量％で表示されている。合金の残りの百分率はアルミニウムである。
作製方法
本明細書に記載の合金は、当業者に知られているようなアルミニウム工業において一般的に使用される規格に従って実施される任意の鋳造プロセスを使用して鋳造され得る。例えば、合金は、二重ベルト鋳造機、二重ロール鋳造機、またはブロック鋳造機の使用を含み得るがこれらに限定されない連続鋳造（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃａｓｔｉｎｇ）（ＣＣ）プロセスを使用して鋳造され得る。いくつかの例では、鋳造プロセスはＣＣプロセスにより実施されて、ビレット、スラブ、シェート（ｓｈａｔｅ）、ストリップなどを形成する。いくつかの例では、鋳造プロセスは直接冷却（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｈｉｌｌ）（ＤＣ）鋳造プロセスにより実施され、鋳造インゴットを形成する。いくつかの例では、溶融合金を鋳造前に処理してよい。その処理は、脱気、インラインフラクシング、及び濾過を含み得る。
次いで、鋳造インゴット、ビレット、スラブ、またはストリップは更なる加工工程に付され得る。任意に、加工工程を使用してシートを調製することができる。そのような加工工程は、均質化工程、熱間圧延工程、冷間圧延工程、溶体化熱処理工程、及び任意に人工時効工程を含むがこれらに限定されない。鋳造インゴットに関して加工工程を以下に記載する。しかしながら、加工工程は、当業者に知られているような改変を使用して、鋳造ビレット、スラブ、またはストリップに使用することもできる。
均質化工程では、本明細書に記載の合金組成物から調製されたインゴットを加熱して、少なくとも４５０℃（例えば、少なくとも４５５℃、少なくとも４６０℃、または少なくとも４６５℃）のピーク金属温度を達成する。いくつかの場合では、インゴットを４５０℃〜４８０℃の範囲の温度に加熱する。ピーク金属温度までの加熱速度は、７０℃／時間以下、６０℃／時間以下、または５０℃／時間以下であり得る。次いで、インゴットをある期間浸漬する（すなわち、示された温度で保つ）。いくつかの場合では、インゴットを最大で１５時間（例えば、包括的に３０分〜１５時間）浸漬する。例えば、少なくとも４５０℃の温度で、３０分、１時間、２時間、３時間、４時間、５時間、６時間、７時間、８時間、９時間、１０時間、１１時間、１２時間、１３時間、１４時間、または１５時間、インゴットは浸漬され得る。
任意に、本明細書に記載の均質化工程は二段階の均質化プロセスであり得る。これらの場合、均質化プロセスは、第１段階と称され得る上述の加熱及び浸漬工程を含み得、更に第２段階を含み得る。均質化プロセスの第２段階において、インゴットの温度は、均質化プロセスの第１段階に使用される温度よりも高い温度に上げられる。インゴットの温度は、例えば、均質化プロセスの第１段階の間のインゴットの温度よりも少なくとも５度セルシウス高い温度に上げられる。例えば、インゴットの温度は、少なくとも４５５℃（例えば、少なくとも４６０℃、少なくとも４６５℃、または少なくとも４７０℃）の温度に上げられ得る。第２段階の均質化温度までの加熱速度は、５℃／時間以下、３℃／時間以下、または２．５℃／時間以下であり得る。次いで、インゴットを第２段階の間である期間浸漬する。いくつかの場合では、インゴットを最大で１０時間（例えば、包括的に３０分〜１０時間）浸漬する。例えば、少なくとも４５５℃の温度で、３０分、１時間、２時間、３時間、４時間、５時間、６時間、７時間、８時間、９時間、または１０時間、インゴットは浸漬され得る。均質化に続いて、インゴットは空気中で室温に冷却され得る。
均質化工程の終わりに、熱間圧延工程が実施される。熱間圧延工程は、熱逆（ｈｏｔ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ）ミル操作及び／または熱直列（ｈｏｔ ｔａｎｄｅｍ）ミル操作を含み得る。熱間圧延工程は、約２５０℃〜約５５０℃（例えば、約３００℃〜約５００℃または約３５０℃〜約４５０℃）の範囲の温度で実施され得る。熱間圧延工程では、インゴットは１２ｍｍ以下の厚さゲージ（例えば、３ｍｍ〜８ｍｍの厚さゲージ）に熱間圧延され得る。例えば、インゴットは、１１ｍｍ以下の厚さゲージ、１０ｍｍ以下の厚さゲージ、９ｍｍ以下の厚さゲージ、８ｍｍ以下の厚さゲージ、７ｍｍ以下の厚さゲージ、６ｍｍ以下の厚さゲージ、５ｍｍ以下の厚さゲージ、４ｍｍ以下の厚さゲージ、または３ｍｍ以下の厚さゲージに熱間圧延され得る。
熱間圧延工程に続いて、圧延されたホットバンドは、０．２ｍｍ〜１０ｍｍ（例えば、２ｍｍ）の最終ゲージ厚さを有するシートに冷間圧延され得る。例えば、圧延されたホットバンドは、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１ｍｍ、１．１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．３ｍｍ、１．４ｍｍ、１．５ｍｍ、１．６ｍｍ、１．７ｍｍ、１．８ｍｍ、１．９ｍｍ、２ｍｍ、２．１ｍｍ、２．２ｍｍ、２．３ｍｍ、２．４ｍｍ、２．５ｍｍ、２．６ｍｍ、２．７ｍｍ、２．８ｍｍ、２．９ｍｍ、３ｍｍ、３．１ｍｍ、３．２ｍｍ、３．３ｍｍ、３．４ｍｍ、３．５ｍｍ、３．６ｍｍ、３．７ｍｍ、３．８ｍｍ、３．９ｍｍ、４ｍｍ、４．１ｍｍ、４．２ｍｍ、４．３ｍｍ、４．４ｍｍ、４．５ｍｍ、４．６ｍｍ、４．７ｍｍ、４．８ｍｍ、４．９ｍｍ、５ｍｍ、５．１ｍｍ、５．２ｍｍ、５．３ｍｍ、５．４ｍｍ、５．５ｍｍ、５．６ｍｍ、５．７ｍｍ、５．８ｍｍ、５．９ｍｍ、６ｍｍ、６．１ｍｍ、６．２ｍｍ、６．３ｍｍ、６．４ｍｍ、６．５ｍｍ、６．６ｍｍ、６．７ｍｍ、６．８ｍｍ、６．９ｍｍ、７ｍｍ、７．１ｍｍ、７．２ｍｍ、７．３ｍｍ、７．４ｍｍ、７．５ｍｍ、７．６ｍｍ、７．７ｍｍ、７．８ｍｍ、７．９ｍｍ、８ｍｍ、８．１ｍｍ、８．２ｍｍ、８．３ｍｍ、８．４ｍｍ、８．５ｍｍ、８．６ｍｍ、８．７ｍｍ、８．８ｍｍ、８．９ｍｍ、９ｍｍ、９．１ｍｍ、９．２ｍｍ、９．３ｍｍ、９．４ｍｍ、９．５ｍｍ、９．６ｍｍ、９．７ｍｍ、９．８ｍｍ、９．９ｍｍ、または１０ｍｍの最終ゲージ厚さに冷却圧延され得る。冷間圧延は、２０％、５０％、７５％、または８５％の全体ゲージ減少を表す最終ゲージの厚さを有するシートがもたらされるように実施され得る。
次いで、冷間圧延されたシートは溶体化熱処理工程を受け得る。溶体化熱処理工程は、シートを室温から約４３０℃〜約５００℃の温度に加熱することを含み得る。例えば、溶体化熱処理工程は、シートを室温から約４４０℃〜約４９０℃、約４５０℃〜約４８０℃、または約４６０℃〜約４７５℃の温度に加熱することを含み得る。
いくつかの例では、溶体化熱処理工程の加熱速度は、約２５０℃／時間〜約３５０℃／時間（例えば、約２５０℃／時間、約２５５℃／時間、約２６０℃／時間、約２６５℃／時間、約２７０℃／時間、約２７５℃／時間、約２８０℃／時間、約２８５℃／時間、約２９０℃／時間、約２９５℃／時間、約３００℃／時間、約３０５℃／時間、約３１０℃／時間、約３１５℃／時間、約３２０℃／時間、約３２５℃／時間、約３３０℃／時間、約３３５℃／時間、約３４０℃／時間、約３４５℃／時間、または約３５０℃／時間）であり得る。
加熱速度は、特に連続溶体化熱処理ラインを通じて加工されたシートの場合には、大幅により高くてよい。連続熱処理ラインにおける加熱速度は、５℃／秒〜２０℃／秒（例えば、５℃／秒、６℃／秒、７℃／秒、８℃／秒、９℃／秒、１０℃／秒、１１℃／秒、１２℃／秒、１３℃／秒、１４℃／秒、１５℃／秒、１６℃／秒、１７℃／秒、１８℃／秒、１９℃／秒、または２０℃／秒）の範囲であり得る。
シートはその温度においてある期間浸漬され得る。いくつかの例では、シートを最大で６時間（例えば、包括的に１０分〜６時間）浸漬する。例えば、シートは、約４３０℃〜約６００℃の温度で、１０分、２０分、３０分、４０分、５０分、１時間、２時間、３時間、４時間、５時間、または６時間、浸漬され得る。例えば、シートは、約４３０℃〜約５００℃の温度で、１０分、２０分、３０分、４０分、５０分、１時間、２時間、３時間、４時間、５時間、または６時間、浸漬され得る。
他の例では、溶体化熱処理工程の加熱速度は、約３００℃／分〜約５００℃／分（例えば、約３００℃／分、約３２５℃／分、約３５０℃／分、約３７５℃／分、約４００℃／分、約４２５℃／分、約４５０℃／分、約４７５℃／分、または約５００℃／分）であり得る。これらの場合、シートはその温度で包括的に５秒〜５分の期間浸漬され得る。例えば、シートは、約４３０℃〜約５００℃の温度で、１０秒、２０秒、３０秒、４０秒、５０秒、１分、２分、３分、４分、または５分の間浸漬され得る。
次いで、シートは、焼入れまたは冷却工程において、約２５℃〜約１２０℃の温度に冷却され得る。焼入れ工程は、急速焼入れ方式または低速焼入れ方式を使用して実施され得る。急速焼入れ方式における冷却速度は、１秒当たり約２０００℃／秒〜１秒当たり約３０００℃（例えば、１秒当たり約２５００℃）の範囲であり得る。低速焼入れ方式における冷却速度は、１秒当たり約２００℃／秒〜１秒当たり約６００℃（例えば、１秒当たり約３００℃〜１秒当たり約５００℃または１秒当たり約３５０℃〜１秒当たり約４５０℃）の範囲であり得る。焼入れは、液体焼入れ、ガス焼入れ、またはこれらの組み合わせを使用して実施され得る。いくつかの場合では、焼入れ工程は水を使用して実施される。いくつかの場合では、焼入れ工程は強制空気を使用して実施される。
任意に、シートは室温に焼入れされ得る。焼入れ後に得られるシートはＷ焼戻しにある。そのようなＷ焼戻しシートは、部品を形成するのに好適な十分な室温延性を有し得る。そのため、室温に焼入れされたシートを使用して部品を形成することができる。
溶体化熱処理及び焼入れ／冷却工程は、合金中のＳ相（Ａｌ２ＣｕＭｇ）及びＭ相［Ｍｇ（Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｕ）２またはＭｇＺｎ２］などの溶体化共晶相が溶解するような手法で実施され、これにより合金に添加された溶質の強化効果が最大化される。これらの場合、未溶解のＭｇＺｎ２、Ｍｇ（Ｚｎ，Ａｌ，Ｃｕ）２、またはＡｌ２ＣｕＭｇ相は、溶体化熱処理されたシート中に観察されない。溶体化熱処理されたシート中に存在する相は、Ｆｅを有する相（例えば、 Ａｌ７Ｃｕ２Ｆｅ）及びＳｉを有する相（例えば、Ｍｇ２Ｓｉ）の不可避の不溶性構成粒子を含む。
任意に、溶体化熱処理されたシートは時効され得る。人工時効プロセスは、高強度を進展させ、合金における他の所望の特性を最適化する。最終製品の機械的特性は、所望の使用に応じて様々な時効条件によって制御される。いくつかの場合では、本明細書に記載のシートは、例えば、Ｔ４焼戻し、Ｔ６焼戻し、Ｔ７焼戻し、またはＴ８焼戻しで顧客に供給され得る。
いくつかの例では、Ｔ６焼戻しは以下の時効プロセスを使用して達成される。シートは、約１００℃〜約１４０℃（例えば、約１０５℃〜約１３５℃または約１１０℃〜約１３０℃）の温度に加熱され得る。時効プロセスは、シートを約１００℃〜約１４０℃（例えば、約１０５℃〜約１３５℃または約１１０℃〜約１３０℃）の温度においてある期間維持することも含み得る。時効プロセスにおいてシートを維持する工程は、約５分〜約７２時間（例えば、３０分〜２４時間または１時間〜１０時間）の期間、実施され得る。任意に、時効プロセスは、シートを約１４０℃を超える温度（例えば、１４５℃、１５０℃、または１５５℃）に更に加熱する工程を追加的に含み得る。シートは、約１４０℃を超える温度（例えば、約１４０℃〜１８０℃）において約５分〜約７２時間の期間（例えば、３０分〜２４時間または約１時間〜１０時間）維持され得る。時効プロセスは、シートを約３０分〜４８時間の継続期間にかけて室温に冷却することを更に含み得る。
あるいは、冷間圧延されたＦ焼戻しシートブランクは、溶体化熱処理温度に加熱され、続いて冷ダイを使用して部品に熱間成形される。冷ダイは、その後の人工的時効応答のために溶液中で合金になる元素を維持するのに必要な速い焼入れ速度を提供し得る。ホットスタンピング及びダイ焼入れに続いて、形成された部品は、上述のように人工時効され得る。
本明細書に記載の合金から調製されたシートは並外れた降伏強度を示す。いくつかの例では、シートがＴ６焼戻しである場合、そのシートは約５００ＭＰａを超える降伏強度を有する。例えば、シートは、Ｔ６焼戻しの場合、５１０ＭＰａ以上、５１５ＭＰａ以上、５２０ＭＰａ以上、５２５ＭＰａ以上、５３０ＭＰａ以上、または５３５ＭＰａ以上の降伏強度を有し得る。
本明細書に記載の合金から調製されたシートは、高い塑性歪み比（ｒ−値またはランクフォード（Ｌａｎｋｆｏｒｄ）値と称される）を示す。いくつかの例では、本明細書に記載のシートは、圧延方向に対して４５°の角度で高いｒ−値を示す。例えば、圧延方向に対して４５°でのｒ−値は、少なくとも０．７５、少なくとも１．０、少なくとも１．２５、少なくとも１．５、少なくとも１．７５、少なくとも２．０、または少なくとも２．２５であり得る。高いｒ−値はシートの異方性挙動を示す。
本明細書に記載の合金は、プレート、押出物、鋳造物、及び鍛造物の形態の製品、または他の好適な製品を作製するために使用され得る。製品は当業者に知られている技術を使用して作製され得る。例えば、本明細書に記載の合金を含むプレートは、均質化工程とこれに続く熱間圧延工程において鋳造インゴットを加工することにより調製され得る。熱間圧延工程では、インゴットは２００ｍｍ以下の厚さゲージ（例えば、１０ｍｍ〜２００ｍｍ）に熱間圧延され得る。例えば、インゴットは、１０ｍｍ〜１７５ｍｍ、１５ｍｍ〜１５０ｍｍ、２０ｍｍ〜１２５ｍｍ、２５ｍｍ〜１００ｍｍ、３０ｍｍ〜７５ｍｍ、または３５ｍｍ〜５０ｍｍの最終ゲージ厚さを有するプレートに熱間圧延され得る。
本明細書に記載の合金及び方法は、動力車両、航空機、及び鉄道の用途を含む自動車及び／または輸送手段用途、または任意の他の所望の用途において使用され得る。いくつかの例では、合金及び方法は、バンパー、サイドビーム、ルーフビーム、クロスビーム、ピラーレインフォースメント（例えば、Ａ−ピラー、Ｂ−ピラー、及びＣ−ピラー）、インナーパネル、アウターパネル、サイドパネル、インナーフード、アウターフード、またはトランクリッドパネルなどの動力車両用のボディ部品製品を調製するために使用され得る。本明細書に記載のアルミニウム合金及び方法は、例えば、外部及び内部パネルを調製するために、航空機または鉄道車両の用途においても使用され得る。
本明細書に記載の合金及び方法は、電子機器用途においても使用され得る。例えば、本明細書に記載の合金及び方法は、携帯電話及びタブレットコンピュータを含む電子デバイス用のハウジングを調製するためにも使用され得る。いくつかの例では、合金は、携帯電話（例えば、スマートフォン）の外側ケーシング及びタブレットのボトムシャーシ用のハウジングを調製するために使用され得る。
いくつかの例では、本明細書に記載の合金及び方法は、工業用途において使用され得る。例えば、本明細書に記載の合金及び方法は、一般流通市場用の製品を調製するために使用され得る。
以下の実施例は本発明を更に解説する役割を果たすが、それと同時にそのいかなる限定も構成しない。それどころか、本明細書の記載を読んだ後に、本発明の趣旨から逸脱することなく当業者に示唆され得る様々な実施形態、改変、及びその等価物に対して手段が与えられ得ることが明確に理解されるべきである。
実施例１
１２種の合金を強度及び伸長試験のために調製した（表４参照）。合金Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１、及びＶ１２は、本明細書に記載の方法に従って調製した。試験した合金の元素組成を表４に示しており、残部はアルミニウムである。元素組成は重量百分率で提供されている。合金Ｖ３は既存のＡＡ７０７５合金であり、比較目的のために使用されている。合金Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１、及びＶ１２は、本明細書に記載の方法に従って調製された試作合金である。
Figure 2020045575
 全て重量％で表示されている。
表４において上で示された合金組成を有するインゴットを、表５に規定された条件を使用して本明細書に記載の手順に従って均質化した。具体的には、表５に示すように、インゴットを８時間かけて４６０℃または４６５℃に加熱し、次いである期間浸漬した。第１の加熱及び浸漬は表５における「段階１」と称される。任意に、インゴットを第２の均質化工程において更に加熱し、ある期間浸漬したが、これは表５における「段階２」と称される。
Figure 2020045575
次いで、インゴットを１４回の熱間圧延通過を使用して、６５ｍｍの初期厚さから８ｍｍの最終厚さまで熱間圧延した。熱間圧延工程用の横たわらせ（ｌａｙｄｏｗｎ）温度は４００℃〜４２５℃の範囲であり、出口温度は３１５℃〜３７０℃の範囲であった。ホットバンドを直ちに炉内に置き、コイル冷却をシミュレートした。次いで、ホットバンドをおよそ２ｍｍの最終ゲージ厚さまで冷間圧延した（全体ゲージ減少７５％）。次いで、冷間圧延されたシートを１時間当たりおよそ２８３℃の速度で４６５℃に加熱し、１時間浸漬した。次いで、冷水または温水を使用して焼入れ工程においてシートを室温（およそ２５℃）に冷却し、次いで時効させた。
具体的には、合金Ｖ４、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、及びＶ１０をおよそ２０℃の水を使用して焼入れした（この例では「冷水焼入れ（ｃｏｌｄ ｗａｔｅｒ ｑｕｅｎｃｈ）」または「冷水で焼入れること（ｃｏｌｄ ｗａｔｅｒ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）」と称される。）。冷水焼入れのため、シートを１秒当たりおよそ２０００℃〜１秒当たり３０００℃の速度で冷却した。次いで、以下の表６に記載の条件Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、またはＡ１４のうちの１つに従って合金を時効させた。
Figure 2020045575
冷水焼入れ及び表６に記載の条件に従う時効後の合金Ｖ４、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、及びＶ１０から調製されたシートの硬度値を、ロックウェル硬度試験（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ Ｈａｒｄｎｅｓｓ Ｔｅｓｔ）を使用して測定した。データを以下の表７に提供する。
Figure 2020045575
また、合金Ｖ４、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、及びＶ１０を、温水を使用して焼入れした。温水焼入れのため、およそ９５℃の水を使用して１秒当たりおよそ３５０℃の速度で冷却した。次いで、以下の表８に記載の条件Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、またはＤ７のうちの１つに従って合金を時効させた。
Figure 2020045575
温水焼入れ及び表８に記載の条件に従う時効後の合金Ｖ４、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、及びＶ１０から調製されたシートの硬度値を、ロックウェル硬度試験を使用して測定した。データを以下の表９に提供する。
Figure 2020045575
冷水焼入れ及び温水焼入れの効果を、上記の表７及び９のデータを使用して比較した。具体的には、同じ合金から同じ時効条件に従って調製された焼入れ方式により変動するシートを比較した。合金Ｖ６から調製され、温水を使用して焼入れされ、方式Ｄ３に従って時効させたシートは、冷水を使用して焼入れした対応するシート（すなわち、合金Ｖ６から調製され、方式Ａ３に従って時効させたシート）よりも５ポイント高いロックウェルＢ硬度値を有していた。同様に、合金Ｖ６から調製され、温水を使用して焼入れされ、方式Ｄ７に従って時効させたシートは、冷水を使用して焼入れした対応するシート（すなわち、合金Ｖ６から調製され、方式Ａ７に従って時効させたシート）よりも５．１ポイント高いロックウェルＢ硬度値を有していた。追加的に、合金Ｖ７から調製され、温水を使用して焼入れされ、方式Ｄ２に従って時効させたシートは、冷水を使用して焼入れした対応するシート（すなわち、合金Ｖ７から調製され、方式Ａ２に従って時効させたシート）よりも５．５ポイント低いロックウェルＢ硬度値を有していた。
実施例２
実施例１において温水焼入れを使用して調製されたシートを以下の表１０に記載の条件（すなわち、Ｂ１、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ８、Ｂ１０、Ｂ１２、Ｂ１４、及びＢ１６）に従って時効させた。具体的には、合金Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ１１、及びＶ１２から調製されたシートを時効方式Ｂ１、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、及びＢ６について規定された条件の各々に従って時効させた。合金Ｖ４、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、及びＶ１０から調製されたシートを時効方式Ｂ８、Ｂ１０、Ｂ１２、Ｂ１４、及びＢ１６について規定された条件の各々に従って時効させた。表１０に記載されているように、シートを１６℃／時間の速度で室温（約２５℃）から約１２０℃まで加熱した。次いで、シートを約１２０℃で６時間維持した。時効方式Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ１２、Ｂ１４、及びＢ１６に従って時効させたシートを１１．７℃／時間の速度で１２０℃から１５５℃まで更に加熱した。そのシートを表１０の「第２の浸漬時間」として示された期間、約１５５℃で維持した。次いで、シートを室温（約２５℃）に冷却した。時効方式の開始から時効方式の終わりまでに経過した時間を全時効時間として表１０に示す。
Figure 2020045575
時効方式Ｂ１、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、及びＢ６の各々に従って時効させた合金Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ１１、及びＶ１２から調製されたシート、及び時効方式Ｂ８、Ｂ１０、Ｂ１２、Ｂ１４、及びＢ１６の各々に従って時効させた合金Ｖ４、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、及びＶ１０から調製されたシートについて、降伏強度（ＹＳ）、極限引張強度（ＵＴＳ）、均一伸長率（ＵＥ）、全伸長率（ＴＥ）、及び極限破断歪み率（ＣＦＳ）のデータを得た。試験方法ＡＳＴＭ Ｂ５５７及びＡＳＴＭ Ｅ８−１１に従って、ＩＮＳＴＲＯＮ試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ、Ｎｏｒｗｏｏｄ、ＭＡ）を使用して室温において引張試験を実施した。歪み硬化指数（ｎ−値）及びランクフォード値（ｒ−値）のデータも得た。特性は縦（Ｌ）方向で測定した。データを表１１に表形式で掲載する。降伏強度のデータ及び極限引張のデータも図１及び図２にそれぞれ図示されている。
Figure 2020045575
Figure 2020045575
表１１に示されているように、合金Ｖ３（すなわち、比較目的のために使用されたＡＡ７０７５合金）から調製されたシートと比較して、合金Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１、及びＶ１２から調製されたシートについては大幅な強度の増加が得られた。
上述の時効方式のうちの１つに従って合金Ｖ１〜Ｖ１２から調製されたシートの最高達成降伏強度（すなわち、ピーク時効降伏強度）は、表１２において表題「ピーク時効降伏強度」で掲載されている。比較合金ＡＡ７０７５（すなわち、Ｖ３）から調製されたシートの降伏強度と比較した降伏強度の変化も表１２に示されている。対応する全伸長率（Ｔ．Ｅｌｏｎｇ）、均一伸長率（Ｕ．Ｅｌｏｎｇ）、及び極限破断歪み（ＣＦＳ）が表１２において再現されている。
Figure 2020045575
実施例３
合金Ｖ１〜Ｖ１２から調製されたシートを１２５℃の温度に２４時間加熱することによって時効させた。生じた降伏強度を測定し、その結果を以下の表１３に示している。比較目的のために、ピーク時効降伏強度も表１３に掲載している。
Figure 2020045575
１２５℃で２４時間時効させた後に得られた強度データ（「１２５℃データ」）は、ピーク時効強度データと比較して相当な変動性を示している。例えば、Ｖ６サンプルは、ピーク時効強度データと比較して１２５℃データの降伏強度の大幅な増加を示した。しかしながら、Ｖ５サンプルは、ピーク時効強度データと比較して１２５℃データの降伏強度の大幅な低下を示した。他のサンプルも、ピーク時効強度データと比較して高いまたは低い１２５℃データの降伏強度を生成することにより変動した。これらの変化は個々の合金の異なる時効動態から発生する。理論に束縛されるものではないが、１２５℃で２４時間時効させた後に得られる相対的に低い値は、時効不足効果から生じた可能性がある。
実施例４
試験方法ＡＳＴＭ Ｂ５５７及びＡＳＴＭ Ｅ８−１１に従って、合金Ｖ６及びＶ１２の引張特性も横（Ｔ）方向で測定した。以下の表１４は、合金Ｖ６及びＶ１２から調製されたシートについてのＴ方向での降伏強度、極限引張強度、均一伸長率、引張伸長率、及び極限破断歪みを示している。比較目的のため、合金Ｖ６及びＶ１２から調製されたシートについて、表１１からの縦（Ｌ）方向でのデータ値を再現した。
Figure 2020045575
実施例５
同じパラメータを使用して合金７０７５、合金Ｖ６、及び合金Ｖ１２から調製されたシートについて抵抗スポット溶接を実施した。図３を参照。具体的には、一対の対向する溶接電極を直径方向に共通のスポットでシート金属層の対向側に接触させた。次いで、電流を、シート金属層を通じて送り、これにより溶融した溶接プールが形成した。電流を止め、溶融した溶接プールを凝固させて溶接ナゲットにした。シートの各々において溶接から形成されたナゲットは、同様の直径及びくぼみを有していた。図３に示されているように、合金Ｖ６及びＶ１２は、合金７０７５よりもはるかに少ない柱状粒領域を溶接中に有していた。そのため、合金Ｖ６及びＶ１２は合金７０７５よりも亀裂耐性が高かったが、その理由は、ほとんどの亀裂が柱状粒領域の粒界に沿って形成するからである。
実施例６
合金７０７５（２つのサンプル）、合金Ｖ６、及び合金Ｖ１２について腐食試験を実施した。５７ｇ／ＬのＮａＣｌ及び１０ｍＬのＨ２Ｏ２を含有する溶液にシートを２４時間浸した。図４に示されているように、合金は異なる種類及び程度の腐食攻撃を呈する。２４時間の浸漬期間の後、Ｖ６サンプルは粒間腐食（ＩＧＣ）に対して最も高い耐性を呈した。ＩＧＣの代わりに、合金Ｖ６にピッティングモルホロジーが観察された。図４を参照。
Ｖ１２サンプルは、ある程度のＩＧＣを示したが、その重大度は合金７０７５サンプルよりはるかに小さかった。図４を参照。７０７５サンプルでは、バルク金属において相当な粒間攻撃及び浸透が観察され、これらのサンプルは特許請求されたサンプルの中で最小量のＩＧＣに対する耐性を提供することを示す。
サンプルのピット深さは光学顕微鏡を使用して測定した。Ｖ６サンプルは、６時間、２４時間、及び４８時間を含む、全ての選択された浸漬間隔にわたって最も低い平均ピット深さを一貫して示した。平均ピット深さは２０ミクロン未満であり、最大ピット深さは４０ミクロン未満であった。図５を参照。
Ｖ６サンプルと比較して、Ｖ１２サンプルはＩＧＣに対してわずかな感受性を示した。しかしながら、その重大度は７０７５合金よりもはるかに低く、４０ミクロンを超える平均ピット深さ値、及び７５ミクロン〜およそ１３５ミクロンの最大ピット深さを示した。図５を参照。
上記のように、Ｖ６は少量の銅の類型である一方で、Ｖ１２はより多くの量の銅を含有している。驚くべきことに、少量の銅の類型及びより多くの量の類型の両方が、基準合金７０７５よりも低い腐食攻撃深さを呈した。
実施例７
８種の合金を強度及び伸長試験のために調製した（表１５参照）。合金Ｋ３０３ Ｋ３０４、Ｋ３０５、Ｋ３０６、Ｋ３０７、Ｋ３０８、Ｋ３０９、及びＫ３１１を本明細書に記載の方法に従って調製した。試験した合金の元素組成を表１５に示しており、残部はアルミニウムである。元素組成は重量百分率で提供されている。合金の各々を本明細書に記載の方法に従って調製した。
Figure 2020045575
 全て重量％で表示されている。
上の表１５に示された合金組成を有するインゴットを、約３０℃／時間の加熱速度で約４６０℃に加熱することにより均質化した。インゴットを６時間浸漬した。次いで、インゴットを１０〜１１回の熱間圧延通過を使用して、１０ｍｍの最終厚さまで熱間圧延した。熱間圧延工程の出口温度は３７０℃〜３８０℃の範囲であった。ホットバンドを直ちに炉内に置き、コイル冷却をシミュレートした。次いで、ホットバンドをおよそ１．０ｍｍの最終ゲージ厚さまで冷間圧延した。次いで、冷間圧延されたシートを４６０℃に加熱し、塩浴中で６０秒間浸漬した。次いで、シートを水または強制空気を使用して焼入れし、次いで以下に記載の条件を使用して時効させた。
Ｔ４焼戻しに達するために、冷間圧延されたシートを水焼入れ後に室温で１０日間保持した（「Ｔ４−１条件」）か、または室温で７日間保持し、次いで７０℃で４日間加熱した（「Ｔ４−２条件」）。後者の条件は、室温において９０日間の時効プロセスをシミュレートしている。
Ｔ６焼戻しに達するために、Ｔ４焼戻し材料を９５℃に更に加熱し、８時間浸漬し、次いで１４５℃に更に加熱し、６時間浸漬した（「Ｔ６−１条件」）。あるいは、冷間圧延されたシートを室温で１日間保持し、次いでシートを１２０℃に更に加熱し、シートを２４時間浸漬することによりＴ６焼戻しに達した（「Ｔ６−２条件」）。第３の選択肢として、冷間圧延されたシートを室温で１日間保持し、シートを１２０℃に加熱し、シートを１時間浸漬し、シートを１８０℃に更に加熱し、３０分間浸漬して自動車用途用の塗料焼き付け条件をシミュレートすることによりＴ６焼戻しに達した（「Ｔ６−３条件」）。
次いで、シートをＩＳＯ６８９２に従う引張特性、ＶＤＡ２３８−１００に従う曲げ挙動、及び時効硬化特性についてシートを試験した。具体的には、降伏強度（ＹＳ）、極限引張強度（ＵＴＳ）、均一伸長、全伸長、及び塑性歪み比比（ｒ−値またはランクフォード値と称される）について、圧延方向に対して０°、４５°、９０°の角度で、条件Ｔ４−１を使用するＴ４焼戻しの水で焼入れしたシートを試験した。データは以下の表１６に提供されており、図６〜９にも図示されている。銅を含まない類型は、高いｒ４５値を通じて示されるように、非常に異方性の高い挙動を示した。
Figure 2020045575
降伏強度（ＹＳ）、全伸長、及び塑性歪み比（ｒ−値）について圧延方向に対して０°、４５°、及び９０°で、Ｔ４焼戻しに達するための条件Ｔ４−２で時効したシートを試験した。データを図１０及び１１に図示する。条件Ｔ４−１で時効させたシートと同様に、銅を含まない類型は、高いｒ４５値を通じて示されるように非常に異方性の挙動を示した。図１２に示されているように曲げ性も測定した。
上述の３つの別個のＴ６条件で時効させたシートも降伏強度及び全伸長について試験した。結果を図１３及び１４に示す。
結果は、高いｒ４５値により実証されるように、銅を含まない類型が非常に異方性の高い挙動を呈したことを示した。銅を含まない合金のＴ６強度レベルは、３９０〜４３０ＭＰａであり、銅含有合金のＴ６強度レベルは４５０〜４６０ＭＰａの範囲であった。銅の包含によりＴ６焼戻し強度の増加が引き起こされたが成形性はより低くなった。
実施例８
８種の合金を本明細書に記載の方法に従って調製した（表１７参照）。試験した合金の元素組成を表１７に示しており、残部はアルミニウムである。元素組成は重量百分率で提供されている。
Figure 2020045575
 全て重量％で表示されている。
実施例９
合金Ｖ６の３つの類型を鋳造し、比較のために同一の加工条件に付した。合金Ｖ６の元素組成を表４に示しており、残部はアルミニウムである。元素組成は重量百分率で提供されている。更に調査した合金Ｖ６の類型の化学組成は表１９に示されている。全ての合金を同じ溶体化処理に付した。
Figure 2020045575
 全て重量％で表示されている。
合金中のＺｒの量を変動させると微細構造が変わる。図１５Ａ、１５Ｂ、及び１５Ｃは、合金の微細構造に対するＺｒ量の効果を示している。合金Ｖ６−６（図１５Ａ、０．０５重量％のＺｒ）は再結晶化し、合金Ｖ６（図１５Ｂ、０．１０重量％のＺｒ）及びＶ６−７（図１５Ｃ、０．１５重量％のＺｒ）は再結晶化しなかった。いくつかの場合では、０．１０重量％を超えるＺｒの量は、再結晶化を抑制するのに十分である。
実施例１０
合金Ｖ４及びＶ６の元素組成を表４に示しており、残部はアルミニウムである。元素組成は重量百分率で提供されている。２つの合金を鋳造し、実験室で同様に加工した。しかしながら、２つの合金の最終微細構造は、図１６Ａ及び１６Ｂに示されるように、溶体化後に大幅に異なっている。図１７Ａは、完全に再結晶化されている合金Ｖ４のＳＥＭ画像を示している一方で、図１７Ｂは、溶体化後に完全に再結晶化していない合金Ｖ６のＳＥＭ画像である。
Ｚｒの再結晶化動態への効果は、均質化の間に形成されるＡｌ３Ｚｒ分散質に起因し得る。Ａｌ３Ｚｒ分散質は、粒界をピンニングすることにより再結晶化を抑制し得る。しかしながら、効果的であるために、これらのＡｌ３Ｚｒ分散質は、マトリックスと密着すべきであり、サイズが小さくあるべきであり、数が多くあるべきであり、微細構造に全体わたって均一に分布しているべきである。再結晶化した合金Ｖ４中のＡｌ３Ｚｒ分散質（例えば、図１７Ａに示されるもの）は、より大きく（約２０ｎｍの直径）、よりまばらである。再結晶化していない合金Ｖ６中のＡｌ３Ｚｒ分散質（例えば、図１７Ｂに示されるもの）は、より小さく（約８ｎｍの直径）、数密度がより高い。合金Ｖ４中の分散質のサイズがより大きく、数密度が低いと、粒界を十分にピン止めしない場合があり、高い再結晶化速度が可能となる。それどころか、合金Ｖ６中の十分に分散した分散質は、広範囲の粒界のピンニングを引き起こし得、それ故再結晶化を抑制する。図１６Ａ及び１６Ｂは、図１７Ａ及び１７Ｂにおける顕微鏡写真に示された合金の再結晶化動態を例示している。図１６Ａは、加工後に生じた再結晶化を示しており、図１６Ｂは、少なくとも一部がＡｌ３Ｚｒ分散質に起因する抑制された再結晶化を示している。いくつかの場合では、Ａｌ３Ｚｒ分散質は、約５ｎｍ〜約５０ｎｍ（例えば、約５ｎｍ〜約２０ｎｍ、約８ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約５ｎｍ〜約１０ｎｍ）の直径を有し得る。いくつかの場合では、Ａｌ３Ｚｒ分散質は、約２０ｎｍ未満（例えば、約１５ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、または約８ｎｍ未満）の直径を有し得る。いくつかの場合では、Ａｌ３Ｚｒ分散質は、より高い強度につながり得る固有の再結晶化していない微細構造を提供し得る。例えば、Ａｌ３Ｚｒ分散質を含むシートにおいて、シートは、約５００ＭＰａを超え、約５２５ＭＰａを超え、約５５０ＭＰａを超え、約５７５ＭＰａを超え、または約６００ＭＰａを超える降伏強度を有し得る。
Ａｌ３Ｚｒ分散質のサイズ、数、及び分布は、７ｘｘｘ合金における再結晶化挙動に大幅に影響を及ぼし得る。いくつかの場合では、Ａｌ３Ｚｒ分散質のサイズ、数、及び／または分布は、合金の組成及び加工を通じて制御され得る。いくつかの場合では、約１０ｎｍ未満のサイズの均一に分布したＡｌ３Ｚｒ分散質は、標準的な溶体化処理（例えば、４３０〜５００℃で１０秒〜６時間）中に冷間圧延された７ｘｘｘ合金の再結晶化を完全に停止させることができる。７ｘｘｘシリーズＡｌ合金の組成及び加工を採用して、その合金の微細構造を制御することができる。微細構造を制御することにより、７ｘｘｘ合金における強度及び延性を調整する能力を利用可能にすることができる。
実施例１１
合金Ｖ６の８種の類型を鋳造し、比較のために同一の加工条件に付した。合金Ｖ６を含む８種の類型の元素組成を表２０に示しており、残部はアルミニウムである。元素組成は重量百分率で提供されている。
Figure 2020045575
 全て重量％で表示されている。
表２０において上で示された合金組成を有するインゴットを、表５に規定された条件を使用して本明細書に記載の手順に従って均質化した。具体的には、表５に示すように、インゴットを８時間かけて４６０℃または４６５℃に加熱し、次いである期間浸漬した。第１の加熱及び浸漬は表５における「段階１」と称される。任意に、インゴットを第２の均質化工程において更に加熱し、ある期間浸漬したが、これは表５における「段階２」と称される。
次いで、インゴットを１４回の熱間圧延通過を使用して、６５ｍｍの初期厚さから８ｍｍの最終厚さまで熱間圧延した。熱間圧延工程用の横たわらせ（ｌａｙｄｏｗｎ）温度は４００℃〜４２５℃の範囲であり、出口温度は３１５℃〜３７０℃の範囲であった。ホットバンドを直ちに炉内に置き、コイル冷却をシミュレートした。次いで、ホットバンドをおよそ２ｍｍの最終ゲージ厚さまで冷間圧延した（全体ゲージ減少７５％）。次いで、冷間圧延されたシートを１時間当たりおよそ２８３℃の速度で４６５℃に加熱し、１時間浸漬した。次いで、冷水または温水を使用して焼入れ工程においてシートを室温（およそ２５℃）に冷却し、次いで時効させた。
具体的には、およそ５５℃の水を使用して合金を焼入れした（この実施例において「温水焼入れ」と称される）。温水焼入れのため、シートを１秒当たりおよそ１５０℃〜１秒当たり３５０℃の速度で冷却した。合金Ｖ６−１〜Ｖ６−８から調製されたシートを１２５℃の温度に２４時間加熱することにより時効させた（この実施例において「Ｔ６」焼戻しと称される）。縦方向で測定した生じた降伏強度を以下の表２１に示している。比較目的のために、合金Ｖ６（表１３に示す）の降伏強度も表２１に掲載されている。Ｔ６焼戻し合金を１８０℃の温度に０．５時間加熱することにより更に時効させた（この実施例では「塗料焼き付け」または「ＰＢ」条件と称される）。Ｔ６＋ＰＢ処理後の生じた降伏強度も表２１に示されている。
Figure 2020045575
表２１に見られるように、合金Ｖ６は、Ｔ６焼戻しにおいて高い降伏強度（すなわち、６２４ＭＰａ）を示した。しかしながら、追加的なＰＢ処理は、降伏強度の大幅な低下、すなわち７７ＭＰａの低下を引き起こして５４７ＭＰａとなった。本明細書で論じた８種の類型は、ＰＢ後の強度減少を緩和しながらＴ６焼戻しの降伏強度を約６００ＭＰａ以上に依然として維持するように設計された。合金類型Ｖ６−３がこの基準を満たし、Ｔ６焼戻しにおいて６２３ＭＰａ及び追加的なＰＢ処理後で５９７ＭＰａのＹＳを示したことが表２１に示された結果から明らかである。合金Ｖ６−３は、６００ＭＰａを超えるＴ６強度を有していた他の２つの合金であるＶ６及びＶ６−７についてのそれぞれ７７ＭＰａ及び８６ＭＰａの低下と比較して、追加的なＰＢ処理後のわずか２６ＭＰａの降伏強度の低下しか有していなかった。
別の例として、合金Ｖ１２は、Ｔ６焼戻しからの塗料焼き後の降伏強度の非常に小さい低下を有する合金（表４に示す組成）である。降伏強度は、Ｔ６焼戻しにおける６１３ＭＰａから塗料焼き付け後での６０５ＭＰａに低下した（８ＭＰａの低下のみ）。そのような合金は、高強度に寄与する十分に再結晶化していない微細構造を有する。この合金は、良好な破壊靭性及び疲労性能を必要とする用途において使用され得る。
実施例１２
本明細書で論じられる合金は、所望の部品を形成するために熱間成形またはホットスタンピングプロセスを受け得る。熱間成形プロセスでは、合金シートは、典型的には、特定合金の溶体化温度よりも高い温度に加熱される。溶体化温度は、およそ４００℃〜およそ６００℃の範囲であり得る。溶体化の後、合金シートをプレスに移し、そこで所望の形状に成形され、同時にダイにより冷却される。そのため、複雑な形状に成形できるようにするためには、合金が上昇した温度で良好な延性または成形性を有することが重要である。いくつかの場合では、７ｘｘｘ合金、例えば合金７０７５は、図１８Ａに示されているように、所定の温度を超えて加熱すると延性の低下を示す。他の場合では、図１８Ｂに示されているように、合金Ｖ６は高温での延性の低下を示さず、合金を熱間成形用途にとってより適したものにする。
自動車分野での使用に加えて、本発明の合金は、航空宇宙機及び家庭用電子機器分野においても同様に使用することもできる。航空宇宙機の場合、合金は構造的な及び非構造的な用途における使用が見出され得る。構造的なボディ部品の場合、その構造的なボディ部品は、翼、胴体、補助翼、舵、エレベータ、カウリング、または支持体であり得る。非構造的なボディ部品の場合、非構造的なボディ部品は、例えば、シートトラック、シートフレーム、パネル、またはヒンジであり得る。再結晶化していない微細構造は、改善された破断靭性及び疲労性能を可能にする。家庭用電子機器の場合、本発明の合金は、携帯電話のケース、ラップトップ、タブレット、テレビなどに使用され得る。
実施例１３
表２０において上で示された合金組成Ｖ６−３及びＶ６−７を有するインゴットを、表５に規定された条件を使用して本明細書に記載の手順に従って均質化した。具体的には、表５に示すように、インゴットを８時間かけて４６０℃または４６５℃に加熱し、次いである期間浸漬した。第１の加熱及び浸漬は表５における「段階１」と称される。任意に、インゴットを第２の均質化工程において更に加熱し、ある期間浸漬したが、これは表５における「段階２」と称される。
次いで、インゴットを１４回の熱間圧延通過を使用して、６５ｍｍの初期厚さから８ｍｍの最終厚さまで熱間圧延した。熱間圧延工程用の横たわらせ（ｌａｙｄｏｗｎ）温度は４００℃〜４２５℃の範囲であり、出口温度は３１５℃〜３７０℃の範囲であった。ホットバンドを直ちに炉内に置き、コイル冷却をシミュレートした。次いで、ホットバンドをおよそ２ｍｍの最終ゲージ厚さまで冷間圧延した（全体ゲージ減少７５％）。次いで、冷間圧延されたシートを１時間当たりおよそ２８３℃の速度で４６５℃に加熱し、１時間浸漬した。次いで、冷水または温水を使用して焼入れ工程においてシートを室温（およそ２５℃）に冷却し、次いで時効させた。
具体的には、およそ５５℃の水を使用して合金を焼入れした（この実施例において「温水焼入れ」と称される）。温水焼入れのため、シートを１秒当たりおよそ１５０℃〜１秒当たり３５０℃の速度で冷却した。実施例１１とは対照的に、実施例１３における合金Ｖ６−３及びＶ６−７から調製されたシートは、Ｔ６焼戻しを形成するために加熱により時効させなかったが、代わりに熱間成形され、次いでＴ６焼戻しを受けることなく直接的に塗料焼き付けされた。実施例１２のＶ６−３及びＶ６−７合金を１８０℃の温度に０．５時間加熱することによって更に時効させた（この実施例では「塗料焼き付け」または「ＰＢ」条件と称される）。ＰＢ処理後の生じた降伏強度も表２２に示されている。
Figure 2020045575
表２１及び２２に見られるように、Ｔ６焼戻しへの合金の時効及び追加的なＰＢ処理の後に５９７ＭＰａの降伏強度を示す実施例１１に従って加工された合金Ｖ６−３と比較して、実施例１３に従って加工された合金Ｖ６−３は、Ｔ６処理を受けることなく熱間成形の直後において１８０℃の温度に０．５時間加熱する（この実施例では「塗料焼き付け」または「ＰＢ」条件と称される）ことによる時効の後に５８０ＭＰａの降伏強度を示す。Ｔ６焼戻しへの合金の時効及び追加的なＰＢ処理の後に５４４ＭＰａの降伏強度を示す実施例１１に従って加工された合金Ｖ６−７と比較して、実施例１３に従って加工された合金Ｖ６−７は、Ｔ６処理を受けることなく熱間形成した直後において塗料焼き付けにより時効させた後に５６０ＭＰａの降伏強度を示す。表２２に見られるように、合金Ｖ６−３及びＶ６−７は、Ｔ６を受けずに熱間成形の直後に塗料焼き付け処理を行うことによって高い降伏強度を示した。
上で引用した全ての特許、特許出願、刊行物、及び要約は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。本発明の様々な実施形態は、本発明の様々な目的の実現において記載されている。これらの実施形態は、本発明の原理の単なる例示であることを認識すべきである。以下の特許請求の範囲に定義される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、数多くの改変及びその適合が当業者には容易に明らかであろう。

Claims (41)

  1. 約４〜１５重量％のＺｎ、０．１〜３．５重量％のＣｕ、１．０〜４．０重量％のＭｇ、０．０５〜０．５０重量％のＦｅ、０．０５〜０．３０重量％のＳｉ、０．０５〜０．２５重量％のＺｒ、最大で０．２５重量％のＭｎ、最大で０．２０重量％のＣｒ、最大で０．１５重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである、アルミニウム合金。
  2. 約５．６〜９．３重量％のＺｎ、０．２〜２．６重量％のＣｕ、１．４〜２．８重量％のＭｇ、０．１〜０．３５重量％のＦｅ、０．０５〜０．２重量％のＳｉ、０．０５〜０．１５重量％のＺｒ、０．０１〜０．０５重量％のＭｎ、０．０１〜０．０５重量％のＣｒ、０．００１〜０．０５重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである、請求項１に記載のアルミニウム合金。
  3. 約５．８〜９．２重量％のＺｎ、０．３〜２．５重量％のＣｕ、１．６〜２．６重量％のＭｇ、０．１〜０．２５重量％のＦｅ、０．０７〜０．１５重量％のＳｉ、０．０９〜０．１５重量％のＺｒ、０．０２〜０．０５重量％のＭｎ、０．０３〜０．０５重量％のＣｒ、０．００３〜０．０３５重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである、請求項１に記載のアルミニウム合金。
  4. 約８．９〜９．２重量％のＺｎ、０．２〜２．１重量％のＣｕ、２．２〜２．４重量％のＭｇ、０．１８〜０．２３重量％のＦｅ、０．０９〜０．１２重量％のＳｉ、０．０５〜０．１５重量％のＺｒ、０．０４〜０．０９重量％のＭｎ、０．０３〜０．０９重量％のＣｒ、０．０１〜０．０２重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである、請求項１に記載のアルミニウム合金。
  5. 約９重量％のＺｎ、０．３％のＣｕ、２．３重量％のＭｇ、０．２重量％のＦｅ、０．１重量％のＳｉ、０．１重量％のＺｒ、０．０５重量％のＭｎ、０．０４重量％のＣｒ、０．０２重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである、請求項１に記載のアルミニウム合金。
  6. 約９．２重量％のＺｎ、１．２重量％のＣｕ、２．３重量％のＭｇ、０．２３重量％のＦｅ、０．１重量％のＳｉ、０．１１重量％のＺｒ、０．０４重量％のＭｎ、０．０４重量％のＣｒ、０．０１重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである、請求項１に記載のアルミニウム合金。
  7. 約９．２重量％のＺｎ、２．４％のＣｕ、１．９重量％のＭｇ、０．１９重量％のＦｅ、０．０８重量％のＳｉ、０．１重量％のＺｒ、０．０２重量％のＭｎ、０．０３重量％のＣｒ、０．０３重量％のＴｉ、及び最大で０．１５重量％の不純物を含み、残りがＡｌである、請求項１に記載のアルミニウム合金。
  8. Ｍｏ、Ｎｂ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｖ、Ｉｎ、Ｈｆ、Ａｇ、Ｓｃ、及びＮｉのうちの１種以上を最大で０．２０％更に含む、請求項１に記載のアルミニウム合金。
  9. Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕからなる群から選択される希土類元素を最大で０．１０％更に含む、請求項１に記載のアルミニウム合金。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のアルミニウム合金を含む自動車ボディ部品。
  11. 前記自動車ボディ部品は、動力車両用のボディ部品である、請求項１０に記載の自動車ボディ部品。
  12. 前記動力車両用のボディ部品は、バンパー、サイドビーム、ルーフビーム、クロスビーム、ピラーレインフォースメント、インナーパネル、アウターパネル、サイドパネル、インナーフード、アウターフード、またはトランクリッドパネルである、請求項１１に記載の自動車ボディ部品。
  13. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のアルミニウム合金を含む電子デバイスハウジング。
  14. 請求項１に記載のアルミニウム合金を含む航空宇宙機用ボディ部品。
  15. 前記航空宇宙機用ボディ部品は、構造的な部品または非構造的な部品である、請求項１４に記載の航空宇宙機用ボディ部品。
  16. 構造的な航空宇宙機用ボディ部品は、翼、胴体、補助翼、舵、エレベータ、カウリング、または支持体である、請求項１５に記載の航空宇宙機用ボディ部品。
  17. 前記非構造的な航空宇宙機用ボディ部品は、シートトラック、シートフレーム、パネル、またはヒンジである、請求項１５に記載の航空宇宙機用ボディ部品。
  18. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のアルミニウム合金を含む製品であって、シート、プレート、押出物、鋳造物、または鍛造物である、製品。
  19. 前記製品は、約４０ミクロン未満の最大ピット深さを有する、請求項１８に記載の製品。
  20. 前記製品は、約２０ミクロン未満の平均ピット深さを有する、請求項１８に記載の製品。
  21. 前記製品は、約５５０ＭＰａを超える降伏強度を有する、請求項１８に記載の製品。
  22. 前記製品は、約６００ＭＰａを超える降伏強度を有する、請求項１８に記載の製品。
  23. 前記アルミニウム合金は約０．３０重量％を超えるＣｕを含み、前記製品は約６００ＭＰａを超える降伏強度を有する、請求項１８に記載の製品。
  24. 前記アルミニウム合金は、約０．８０重量％を超えるＣｕを含む、請求項２３に記載の製品。
  25. 金属製品を製造する方法であって、
    インゴットまたはスラブを形成するために請求項１に記載のアルミニウム合金を鋳造することと、
    前記インゴットまたは前記スラブを均質化することと、
    ホットバンドを製造するために前記インゴットまたは前記スラブを熱間圧延することと、
    前記ホットバンドを、最終ゲージを備える金属製品に冷間圧延することと、を含む、方法。
  26. 前記金属製品はシートである、請求項２５に記載の方法。
  27. 前記シートを約４３０℃〜約６００℃の温度で溶体化熱処理に付すことを更に含む、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記シートを約４３０℃〜約５００℃の温度で溶体化熱処理に付すことを更に含む、請求項２６に記載の方法。
  29. 前記シートを約２５℃〜約１２０℃の温度に冷却することを更に含む、請求項２７〜２８のいずれか１項に記載の方法。
  30. 前記シートを冷却する前記工程は、１秒当たり約２００℃〜１秒当たり約６００℃の冷却速度で実施される、請求項２９に記載の方法。
  31. 前記シートを冷却する工程は、１秒当たり約２０００℃〜１秒当たり約３０００℃の冷却速度で実施される、請求項２９に記載の方法。
  32. 前記シートを時効プロセスに付すことを更に含む、請求項２９に記載の方法。
  33. 前記時効プロセスは、
    前記シートを約１００℃〜約１４０℃の温度に加熱することと、
    前記シートを約１００℃〜約１４０℃の温度においてある期間維持することと、
    前記シートを室温に冷却することと、を含む、請求項３２に記載の方法。
  34. 前記時効プロセスは、
    前記シートを約１００℃〜約１４０℃の温度に加熱することと、
    前記シートを約１００℃〜約１４０℃の温度において第１の期間維持することと、
    前記シートを約１４０℃を超える温度に加熱することと、
    前記シートを約１４０℃を超える温度において第２の期間維持することと、
    前記シートを室温に冷却することと、を含む、請求項３２に記載の方法。
  35. 前記シートを塗料焼き付け熱処理に付すことを更に含む、請求項２６に記載の方法。
  36. 請求項２５に記載の方法に従って作製されたアルミニウムシート。
  37. 前記シートは、Ｔ６焼戻しまたはＴ７焼戻しにある、請求項３６に記載のシート。
  38. 前記シートは、約５ｎｍ〜約５０ｎｍの直径を有するＡｌ３Ｚｒ分散質を含む、請求項３６に記載のシート。
  39. 前記シートは、約８ｎｍ〜約２０ｎｍの直径を有するＡｌ３Ｚｒ分散質を含む、請求項３６に記載のシート。
  40. 前記シートは、約１０ｎｍ未満の直径を有するＡｌ３Ｚｒ分散質を含む、請求項３６に記載のシート。
  41. 前記シートは、約５００ＭＰａを超える降伏強度を有する、請求項３６〜４０のいずれか１項に記載のシート。
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