TW202022134A - 具高烘烤硬化性鋁－鎂－矽合金片材的製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明旨在提供一種具高烘烤硬化性的鋁-鎂-矽合金片材及其製造方法。此鋁-鎂-矽合金的製造方法係先將鋁合金鑄造成鋁胚，並進行均質化製程，然後經熱軋與冷軋製成鋁捲；接著，再將此鋁捲解捲並通過固溶爐以進行固溶製程；而在固溶淬火之後，則立即以本發明所增設之加熱裝置進行低溫短時之淬火後預時效處理，以促進主要強化相(β" phase)的初始核(GP2 zones)之加速形成，並抑制次要強化相(GP1 zones)之析出。因此，在工業上連續退火線實際生產時，鋁片於離開固溶爐並接續傳送至末端再加熱爐與盤捲裝置的室溫停留過程中，由於介入此淬火後預時效之作用，使得室溫自然時效對鋁-鎂-矽合金的烘烤後強度之負面影響得以大大緩和，故於後續低溫且短時間的塗漆烘烤之後，本發明所製得之鋁片，相較於增設加熱裝置前，即可獲得更高的烘烤後降伏強度與抗拉強度。

Description

高烘烤硬化性鋁-鎂-矽合金片材及其製造方法

本發明係有關一種鋁材，特別是以經濟有效的方式提供一種具高烘烤後降伏強度與抗拉強度之鋁-鎂-矽合金片材。

隨著節能減廢之重視，不論是使用電力之電動車，或是搭載內燃機之燃油車均被要求輕量化，以節省能源消耗並減少廢氣排放。故，質輕之鋁合金常被用以製作交通工具之鈑金件。因此，具有質輕與優良成型性之5000系鋁合金或6000系鋁合金最常被使用。其中，尤以具有較高烘烤後強度(即耐凹性)的6000系鋁合金(即鋁-鎂-矽合金)更佳。

其次，為了提升鋁合金之烘烤後強度，鋁材一般須施加長時間之人工時效硬化處理。然而，為了降低鈑金 件之製造成本與製程時間，汽車產業通常係要求鋁材於塗漆後之烘烤製程中同步完成人工時效處理。換言之，於進行低溫且短時間之烘烤製程後，鈑金件表面之塗漆層係被烤乾且具有良好之烘烤後強度，而可避免傳統長時間之人工時效處理。

據此，為了使鋁材可於塗漆烘烤製程同步完成人工時效處理，一種習知之技術手段係結合塗漆烘烤製程與人工時效處理，並提高其處理溫度或延長處理時間，以獲得所需之烘烤後強度。然而，過高之處理溫度亦導致鋁材所使用之塗漆須可耐受高溫烘烤，故增加鈑金件之製作成本，且較高之處理溫度亦大幅提升製程所需之能源，而過長之處理時間則需要較長的烤箱和更多的能源，兩者皆不符合汽車廠的投資成本。

另一種習知之技術手段係以每分鐘大於100℃之淬火速度急速冷卻固溶後之鋁材，並以控制降溫速率的方式來模擬鋁捲之盤捲冷卻(具有預時效之作用)。然而，習知之鋁材係以鋁捲之形式藉由連續退火線(Continuous Annealing Line；CAL)來生產，故於進行固溶處理後，鋁捲必須再經過整平線、蓄料塔與前處理線等設備，然後才能接續進行盤捲製程，此導致固溶淬火後至盤捲前，鋁捲實際上無可避免地會在室溫停留一段時間(約20分鐘)，從而降低其烘烤後強度。據此，於鋁材之實際製程中，固溶後之鋁材仍須經過其他處理，而無法直接進行盤捲製程，故上述技術手段仍難以應用於鋁材之實際製作流程中。

有鑑於此，亟須提供具有良好烘烤後強度之一種鋁-鎂-矽合金及其製造方法，以改進習知鋁-鎂-矽合金及其製造方法之不足。

因此，本發明之一態樣是在提供一種鋁-鎂-矽合金片材的製造方法，此製造方法主要是針對工業上連續退火線實際生產時，鋁捲於固溶淬火後至末端再加熱並盤捲前之室溫停留對烘烤後強度的不利效應，藉由在固溶爐之固溶處理及淬火後，緊接著額外介入一低溫(50℃至120℃)且短時(小於或等於5分鐘)的加熱裝置來進行一實用有效的淬火後預時效製程，以增加Si-Mg析出相之成核數量，故除可抑制室溫時析出不欲之Si-Si團聚物與Mg-Mg團聚物，且於後續之烘烤製程時尚可相對地促使負責主要強化作用的Si-Mg相之大量析出，因此不僅可消除上述室溫停留之不利影響，且可進一步提升所製得鋁-鎂-矽合金之烘烤硬化性。

本發明之另一態樣是提供一種鋁-鎂-矽合金片材，其係藉由前述之製造方法所製得。

根據本發明之一態樣，提出一種鋁-鎂-矽合金片材的製造方法。此製造方法係先提供鋁胚，並對此鋁胚進行均質化製程，以形成均質化鋁胚。然後，對均質化鋁胚進行熱軋製程，以形成熱軋鋁材，並接續進行冷軋製程，以形成冷軋鋁材。接著，對冷軋鋁材進行固溶製程，以形成固溶鋁材。之後，對固溶淬火後之鋁捲藉由立即介入一低溫且短 時的加熱裝置來進行淬火後預時效製程，以形成預時效鋁材。然後，放置預時效鋁材於室溫環境中。於放置預時效鋁材在室溫環境後，對預時效鋁材進行盤捲預時效製程，即可製得本發明之鋁-鎂-矽合金片材。

依據本發明之一實施例，前述之鋁胚包含0.25重量百分比至0.7重量百分比之鎂、0.8重量百分比至1.5重量百分比之矽、0.10重量百分比至0.5重量百分比之鐵、0.05重量百分比至0.2重量百分比之錳、雜質與平衡量之鋁。其中，雜質之含量係小於0.15重量百分比，且雜質中之複數個元素的每一者之含量不大於0.05重量百分比。

依據本發明之另一實施例，前述淬火後預時效製程之處理溫度為50℃至120℃。

依據本發明之又一實施例，前述淬火後預時效製程之處理時間大於0.5分鐘，但不大於5分鐘。

依據本發明之再一實施例，於進行前述之固溶製程後，固溶鋁材係直接淬火至淬火後預時效製程之處理溫度，或者水淬至室溫後，立即升溫至淬火後預時效製程之處理溫度，以進行前述之淬火後預時效製程。

依據本發明之再另一實施例，前述預時效鋁材於室溫環境之置放時間涵蓋20分鐘，然此僅為實施例，實際應用上當不以此為限。

根據本發明之另一態樣，提出一種鋁-鎂-矽合金片材，其係藉由前述之製造方法所製得。

依據本發明之數個實施例，前述之鋁-鎂-矽合金片材經2%預塑變再加上170℃與20分鐘之烘烤製程後，鋁-鎂-矽合金片材之降伏強度不小於190MPa之國際水準且抗拉強度可高於260MPa。

應用本發明鋁-鎂-矽合金片材及其製造方法，其藉由在固溶製程後進行淬火後預時效製程，以抑制Si-Si團聚物與Mg-Mg團聚物的形成，進而促使具有較佳強化效果的Si-Mg析出相之成核(Si-Mg團聚物)。因此，於烘烤製程時，Si-Mg析出相可大量析出，從而可提升所製得鋁-鎂-矽合金片材之烘烤硬化性。

100‧‧‧方法

110/120/130/140/150/160/170/180/190‧‧‧操作

為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下：〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施例之鋁-鎂-矽合金之製造方法的流程圖。

〔圖2〕係繪示依照本發明之一實施例之鋁-鎂-矽合金之製造流程的裝置示意圖。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其 可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施例之鋁-鎂-矽合金之製造方法的流程圖。於方法100中，鋁胚係先提供，並對鋁胚進行均質化製程，如操作110與操作120所示。本發明之鋁胚為主要含鋁-鎂-矽的6000系鋁合金。在一些實施例中，本發明之鋁胚可包含0.25重量百分比至0.7重量百分比之鎂、0.8重量百分比至1.5重量百分比之矽、0.10重量百分比至0.5重量百分比之鐵、0.05重量百分比至0.2重量百分比之錳、無法避免之雜質與平衡量的鋁。雜質之含量係小於0.15重量百分比。雜質可包含數種無法避免之雜質元素，其中每一種雜質元素之含量係不大於0.05重量百分比。在一些實施例中，本發明之鋁胚可利用澆鑄製程來製作。舉例而言，本發明之鋁胚可利用半連續的直接冷鑄(Direct Chill casting；DC casting)法來製作，且鋁胚之厚度可為600公釐。

當進行均質化製程時，鋁胚係被加熱至570℃，並經過12小時之均質化處理，以減少鋁胚之偏析(segregation)，並使其所含元素達到均勻化分佈。須說明的是，本發明均質化製程之處理溫度與處理時間僅係用以例示說明，並非用以限制本發明。依據所選用之鋁胚的組成成分，本發明所屬技術領域具有通常知識者可選擇適當之均質化溫度與時間，以均質化鋁胚。

在一些實施例中，於進行均質化製程後，對所形成之均質化鋁胚可進行適當之前處理加工製程(例如：刨皮步驟及/或刨邊步驟等)，以去除澆鑄時產生的脆性表層。

然後，依序對均質化鋁胚進行熱軋製程與冷軋製程，以製得冷軋鋁材，如操作130與操作140所示。舉例而言，當進行熱軋製程時，均質化鋁胚係被加熱至500℃，並於持溫2小時後，被軋延至厚度為2.5公釐之熱軋鋁材。接著，熱軋鋁材的厚度係被冷軋至1.0公釐。在一些實施例中，依據所選用之設備能力與產品需求，熱軋製程與冷軋製程之參數，及熱軋鋁材與冷軋鋁材之厚度均可被適當地調整。

請同時參照圖1與圖2，其中圖2係依照本發明之一實施例來繪示鋁-鎂-矽合金之製造流程及其相關裝置之示意圖。於進行圖1之操作140後，冷軋鋁材被置於固熔爐中，以進行固溶製程，而形成固溶鋁材，如操作150所示。當進行固溶製程時，冷軋鋁材中之粗大析出物係重新固溶於鋁材基地中，以利於在後續之淬火後預時效製程中，作為β"相先驅之Si-Mg團聚物(Si-Mg co-clusters；GP2 zones)能有效地成核，而可於烘烤時，有效地提升所製得鋁-鎂-矽合金之烘烤硬化性。舉例而言，固溶製程之處理溫度可為570℃，且處理時間為40秒。依據前述鋁胚之組成成分，本發明所屬技術領域具有通常知識者可適當地調整固溶製程之處理溫度與處理時間。

於進行固溶製程後，將固溶鋁材放置於額外介入之加熱裝置中，以進行淬火後預時效製程，而形成淬火預時效鋁材，如操作160所示。當進行預時效處理時，固溶鋁材係被放置於50℃至120℃之環境中，以使β"相之Si-Mg團聚物可有效地成核，並於後續烘烤鋁材時大量析出。由於β"相具有良好之強化效果，故所製得之鋁-鎂-矽合金可具有良好之烘烤後強度，而可滿足後端應用之需求。在一些實施例中，淬火後預時效製程之處理時間沒有特別之限制。較佳地，為了同時兼顧製程之設備成本與時間成本，淬火後預時效製程之處理時間係不大於5分鐘。可理解的是，在其他實施例中，基於設備能力與廠區範圍，淬火後預時效製程之處理時間亦可大於5分鐘。

當進行前述之淬火後預時效製程前，如圖2所示，由固溶爐取出之固溶鋁材可被直接淬火至加熱裝置之溫度(即淬火後預時效製程之處理溫度)，或者固溶鋁材係被水淬至室溫後，立即升溫至加熱裝置之溫度(即淬火後預時效製程之處理溫度)，以進行淬火後預時效製程。須特別說明的是，當固溶鋁材係被水淬至室溫時，前述「立即升溫至加熱裝置之溫度」的步驟係指降至室溫之固溶鋁材係馬上被加熱至淬火後預時效製程之處理溫度。換言之，水淬至室溫之固溶鋁材於室溫狀態的停留時間越短越好。據此，於固溶製程後，固溶鋁材係被保持於GP2 zones之成核溫度(即Si-Mg團聚物之成核溫度)，而可增加Si-Mg析出相之成核數量，並抑制Si-Si團聚物與Mg-Mg團聚物的形成。

由於製程設備之限制，當淬火後預時效製程所製得之鋁材由加熱裝置移出後，所形成之淬火預時效鋁材可置放於室溫環境中，以進行自然時效處理，並進一步進入整平線、蓄料塔與前處理線等設備，如操作170所示。於此同時，由於β"相之Si-Mg團聚物已於淬火後預時效製程時成核，故Si-Si團聚物與Mg-Mg團聚物(Si-Si/Mg-Mg clusters；GP1 zones)將被有效地抑制。再者，Si-Mg團聚物之強化效果係優於Si-Si團聚物與Mg-Mg團聚物等之強化效果。據此，當淬火預時效鋁材置放於室溫環境時，Si-Si團聚物與Mg-Mg團聚物不易形成於鋁材基地中，而可避免降低所製得之鋁-鎂-矽合金的烘烤後強度，進而可滿足後端之應用需求。在此些實施例中，淬火預時效鋁材於室溫環境之置放時間涵蓋20分鐘，然此僅為實施例，實際應用上當不以此為限。在其他實施例中，淬火預時效鋁材於室溫環境之置放時間可大於20分鐘。

於進行操作170後，對自然時效處理後之淬火預時效鋁材進行盤捲預時效製程，即可製得本發明之鋁-鎂-矽合金，如操作180與操作190所示。如圖2所示，當進行盤捲預時效製程時，淬火預時效鋁材係先被移入再熱爐，以被加熱至盤捲溫度，而利於盤捲。

在一些應用例中，藉由前述之製造方法所製得的鋁-鎂-矽合金可作為汽車之鋁片。進一步地，為了保護鋁片表面，並提升車輛外觀之視覺表現，此鋁-鎂-矽合金可進行塗漆製程，並藉由烘烤製程乾燥漆膜。當進行烘烤製程 時，具有較佳強化效果之Si-Mg析出相可大量析出，而提升鋁-鎂-矽合金之烘烤硬化性。據此，烘烤製程之溫度不會降低鋁-鎂-矽合金之降伏強度與抗拉強度，而可滿足應用需求。舉例而言，烘烤製程可於170℃下進行，且烘烤時間不大於20分鐘。在此些應用例中，鋁-鎂-矽合金之烘烤後降伏強度(Post-Bake Yield Strength；PBYS)係不小於190MPa且烘烤後抗拉強度(Post-Bake Tensile Strength；PBTS)可高於260MPa。因此，本發明之鋁-鎂-矽合金具有良好之烘烤後強度。

以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

製備鋁-鎂-矽合金

以下係根據第1表製備實施例1至7及比較例1與2之鋁-鎂-矽合金。

實施例1

實施例1係先對滿足前述組成的鋁胚進行570℃之均質化製程。經過12小時後，將厚度為600公釐之均質化鋁胚熱軋至2.5公釐，並進一步冷軋至1.0公釐，以形成冷軋鋁材。然後，對冷軋鋁材進行570℃之固溶製程。其中，固溶製程可藉由將冷軋鋁材放置於鹽浴爐中來模擬進行。經40秒之固溶製程後，不放置於室溫環境中，且立即對鋁材進行盤捲預時效製程，即可製得實施例1之鋁-鎂-矽合金。 所得之鋁-鎂-矽合金以下述烘烤硬化性之評價方法進行評估，其結果如第1表所述。

實施例2

實施例2係先對滿足前述組成的鋁胚進行570℃之均質化製程。經過12小時後，將厚度為600公釐之均質化鋁胚熱軋至2.5公釐，並進一步冷軋至1.0公釐，以形成冷軋鋁材。然後，對冷軋鋁材進行570℃之固溶製程。其中，固溶製程可藉由將冷軋鋁材放置於鹽浴爐內來模擬進行。經40秒之固溶製程後，可將鋁材直接冷淬至50℃的油浴爐中，或是先將其水淬至常溫再立即置入油浴爐中，來模擬淬火後預時效製程之進行。經過0.5分鐘後，將淬火預時效鋁材放置於室溫環境中。於19.5分鐘後，再將淬火後預時效鋁材置於升降溫速可控之空氣爐中加熱至100℃，然後以每小時3.42℃的降溫速率來模擬大型鋁捲之盤捲緩冷預時效製程，即可製得實施例2之鋁-鎂-矽合金。所得之鋁-鎂-矽合金以下述烘烤硬化性之評價方法進行評估，其結果如第1表所述。

實施例3至實施例7

實施例3至實施例7係以實施例2之鋁-鎂-矽合金之製造方法為基礎，進一步提高其淬火後預時效之溫度與/或延長其淬火後預時效之時間(室溫環境之置放時間則相應調整，以維持固溶淬火後至盤捲前之總經歷時間為20分鐘)，以強化其預時效之效果。其中，實施例3至實施例7之參數條件及評價結果分別如第1表所示，此處不另贅述。

比較例1

比較例1係對傳統製程所製得之冷軋鋁片(厚度為1.0公釐)進行570℃之固溶製程。經40秒後，將鋁片水淬至室溫，即製得比較例1之鋁-鎂-矽合金。所得之鋁-鎂-矽合金以下述烘烤硬化性之評價方法進行評估，其結果如第1表所述。

比較例2

比較例2係使用與實施例1之鋁-鎂-矽合金之製造方法相同的製備方法，不同之處在於比較例2係增加室溫環境置放20分鐘與盤捲預時效製程。其中，比較例2之參數條件及評價結果分別如第1表所示，此處不另贅述。

評價方法 烘烤硬化性

如圖2所示，當所製得之鋁-鎂-矽合金進行烘烤硬化性之評價時，前述實施例1至實施例7及比較例1與比較例2盤捲冷卻後所製得之鋁-鎂-矽合金係先進行2%之預塑性應變拉伸成形，再移入溫度設定為170℃之人工時效爐進行烘烤。於烘烤20分鐘後，以標準的機械性質測試設備與測試方法量測鋁-鎂-矽合金片材於烘烤後之降伏強度與抗拉強度。

如第1表所示，相較於比較例1，僅經盤捲預時效之比較例2的烘烤後降伏強度雖然略為增加，然仍未達國際水準(約190MPa)，而在額外介入淬火後預時效製程之後，縱使起初在低溫短時間下，其效果並不明顯(實施例2)，然隨著淬火後預時效製程之處理溫度的提升與/或處理時間的增加，所製得鋁-鎂-矽合金片材之烘烤硬化性隨之大幅提升(如實施例3至實施例7所示)，不僅可達到國際水準(190MPa)，最終實施例7甚至可超越實施例1所欲達之理想。

依據實施例1可知，當固溶後之鋁材直接進行盤捲預時效製程時，鋁材可具有極佳之烘烤硬化性。然而，於實際製程中，鋁材無可避免地須於室溫環境中停留。據此，於實施例2至實施例7中，藉由於固溶後，將鋁材移入額外介入之加熱裝置中，以進行淬火後預時效製程。如此一來，所製得之鋁材即使於室溫環境下停留一段時間，然於塗漆烘烤後，鋁合金片材仍可具有極佳之烘烤硬化性。

據此，本發明之淬火後預時效製程可抑制Si-Si團聚物與Mg-Mg團聚物的形成，進而促使具有較佳強化效果的Si-Mg析出相之成核(Si-Mg團聚物)，故而可提升所製得之鋁-鎂-矽合金片材的烘烤硬化性。故，於鋁-鎂-矽合金片材之製程中，本發明藉由增設之加熱裝置來進行低溫短時之淬火後預時效處理，可有效解決製程中放置於室溫環境中所導致之烘烤硬化性低落的問題，而可更彈性地調整鋁-鎂-矽合金片材之製作流程。

雖然本發明已實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧方法

110/120/130/140/150/160/170/180/190‧‧‧操作

Claims (8)

1. 一種鋁-鎂-矽合金片材的製造方法，包含：提供一鋁胚；對該鋁胚進行一均質化製程，以形成一均質化鋁胚；對該均質化鋁胚進行一熱軋製程，以形成一熱軋鋁材；對該熱軋鋁材進行一冷軋製程，以形成一冷軋鋁材；對該冷軋鋁材進行一固溶製程，以形成一固溶鋁材；對該固溶鋁材進行一淬火後預時效製程，以形成一淬火預時效鋁材；放置該淬火預時效鋁材於一室溫環境中；以及於放置於該室溫環境後，對該淬火預時效鋁材進行一盤捲預時效製程，即可製得該鋁-鎂-矽合金。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鋁-鎂-矽合金片材的製造方法，其中該鋁胚包含：0.25重量百分比至0.7重量百分比之鎂；0.8重量百分比至1.5重量百分比之矽；0.10重量百分比至0.5重量百分比之鐵；0.05重量百分比至0.2重量百分比之錳；一雜質，其中該雜質之一含量小於0.15重量百分比，且該雜質中之複數個元素的每一者之一含量不大於0.05重量百分比；以及平衡量之鋁。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鋁-鎂-矽合金片材的製造方法，其中該淬火後預時效製程之一處理溫度為50℃至120℃。
4. 如申請專利範圍第3項所述之鋁-鎂-矽合金片材的製造方法，其中該淬火後預時效製程之一處理時間大於0.5分鐘，但不大於5分鐘。
5. 如申請專利範圍第1項所述之鋁-鎂-矽合金片材的製造方法，其中於進行該固溶製程後，該固溶鋁材係直接淬火至該淬火後預時效製程之一處理溫度，或者水淬至室溫後，立即升溫至該淬火後預時效製程之該處理溫度，以進行該淬火後預時效製程。
6. 如申請專利範圍第1項所述之鋁-鎂-矽合金片材的製造方法，其中該淬火預時效鋁材於該室溫環境之一置放時間不大於20分鐘。
7. 一種鋁-鎂-矽合金片材，藉由如申請專利範圍第1至6項中之任一項所述的製造方法所製得。
8. 如申請專利範圍第7項所述之鋁-鎂-矽合金片材，其中該鋁-鎂-矽合金片材經170℃與20分鐘之一 烘烤製程後，該鋁-鎂-矽合金片材之降伏強度不小於190MPa且抗拉強度大於260MPa。

Images