TWI424066B - Manufacture of high strength and high corrosion resistance aluminum - magnesium alloy sheet - Google Patents

Description

具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片之製造方法

本發明係關於一種鋁鎂合金片之製造方法，特別是一種具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片之製造方法。

鋁鎂合金極易在晶界上析出β相(Mg₂ Al₃ )，而在腐蝕環境下，此晶界析出之β相極易受到侵蝕剝落而產生蝕孔，因此腐蝕裂縫便沿著晶界蝕孔快速的傳播，因而造成鋁鎂合金嚴重損害，故根本解決腐蝕之道，即是要避免鋁鎂合金於晶界上產生β相之連續析出。

在習知技術中，鎂含量3 wt%以上之鋁鎂合金(例如：5086、5083、5456與5182(可表示為5xxx)等鋁鎂合金)，在室溫下長時間曝露或在66~180℃工作環境下，都會促使β相於晶界上析出，由於β相較鋁鎂合金更具陽極活性，因此一旦於晶界上產生β相之連續析出，將導致鋁鎂合金易被腐蝕破壞。

因此，M.C. Carroll的研究(Scripta Materialia Vol.42,pp.335~340,2000)指出，於5083鋁鎂合金中添加約0.7 wt%之Zn元素，可讓晶界形成較不具腐蝕性之τ相(Al-Mg-Zn相)，以減少β相腐蝕出現的機率，進而改善5083鋁鎂合金之抗蝕能力。然而，M.C. Carroll的研究也指出Zn元素的添加僅能微幅將5083鋁鎂合金的層剝腐蝕機率從50%調降至20%。

另外，日本專利特開平8-283923亦揭示，5083鋁鎂合金於退火熱處理後，採用冷卻速率低於20℃/小時之緩慢冷卻方式，並將鋁鎂合金冷卻至100℃以下，其所製造之5083鋁鎂合金可通過ASTM G66層剝腐蝕試驗。

抗腐蝕之鋁鎂合金需長時間與腐蝕環境接觸，例如船舶用鋁鎂合金片是長時間與海水，因此對於抗蝕要求相當嚴苛，而以往船舶用鋁合金片經過ASTM G66層剝腐蝕測試，僅是屬於目視之定性方法，無法確實反應出船舶鋁鎂合金片之抗蝕性能，倘若使用到耐蝕性能較差之鋁鎂合金片，將嚴重危害到船舶結構，甚至人員之性命。

2003年之後，ASTM針對Mg含量3 wt%以上之船舶用鋁鎂合金片，增訂更嚴苛之ASTM B 928/B 928M測試，其主要是涵蓋ASTM G67腐蝕失重之定量化測試。在ASTM B 928/B 928M內容即揭示，鋁合金即使通過ASTM G66層剝腐蝕測試，並不代表會通過ASTM G67腐蝕失重測試。由日本專利特開平8-283923之揭示可知，用緩冷方式將鋁鎂合金冷卻至100℃以下，此舉勢必會令鋁鎂合金緩慢冷卻時經過β相最敏感析出之溫度範圍(66~180℃)，導致過多的β相於晶界上析出，造成鋁鎂合金不易通過ASTM G67腐蝕失重測驗。

因此，有必要提供一創新且具進步性的具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片之製造方法，以解決上述問題。

本發明係提供一種具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片之製造方法，包括以下步驟：(a)施予一鋁鎂合金材料20~50%之冷軋延量，形成一鋁鎂合金薄板；(b)將該鋁鎂合金薄板於220~245℃進行退火熱處理；及(c)於3小時內冷卻退火熱處理後之該鋁鎂合金薄板至100℃以下，形成一具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片。

在本發明之具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片之製造方法中，無需特意添加鋅元素，其可直接應用在Mg>3 wt%以上之鋁鎂合金，並且無需添加任何硬體設備，僅應用退火熱處理後快速冷卻技術，即可避開腐蝕相連續析出，而產出品質優良之抗蝕鋁鎂合金片，可同時通過ASTM G66層剝腐蝕及ASTM G67腐蝕失重測試，且具有高強度性質。

參考圖1，其顯示本發明具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片之製造方法之流程圖。首先，參考步驟S11，施予一鋁鎂合金材料20~50%之冷軋延量，形成一鋁鎂合金薄板。在步驟S11之前，本發明之方法另包括澆鑄、刨皮、預熱、熱軋延步驟，以形成該鋁鎂合金材料。

在澆鑄步驟中，該鋁鎂合金材料係包括3.0~5.0重量百分比(wt%)之鎂、小於0.4 wt%之矽、小於0.4 wt%之鐵、0.2~1.0 wt%之錳、小於0.15 wt%之鈦，其餘重量百分比為鋁及其他小於0.15 wt%不可避免之雜質。並且，在澆鑄步驟中，該鋁鎂合金材料可另包括小於0.1 wt%之銅、小於0.25 wt%之鉻、小於0.25 wt%之鋅。

在本實施例中，在澆鑄步驟中係利用直接冷卻鑄造(Direct Chill casting)設備將上述各元素高溫融熔後，再形成該鋁鎂合金材料。

在本實施例中，該鋁鎂合金材料係於480℃以上預熱後，再進行熱軋延。較佳地，該鋁鎂合金材料之熱軋延溫度係為300~480℃之間。因該鋁鎂合金材料屬於高加工強化型鋁合金，故較佳地在300~480℃溫度範圍內進行熱軋延，否則過低的熱軋溫度將導致該鋁鎂合金材料於熱軋延過程中產生嚴重的邊裂現象。

並且，對完成熱軋延後之該鋁鎂合金材料施予20~50%裁減量之冷軋延步驟，該冷軋延步驟將於該鋁鎂合金薄板內部介入適當的冷加工差排(Dislocation)，可使該鋁鎂合金薄板具有高強度性能。

參考步驟S12，將該鋁鎂合金薄板於220~245℃進行退火熱處理。較佳地，該鋁鎂合金薄板之退火熱處理時間為2~5小時。

藉由該鋁鎂合金薄板之晶粒內之冷加工差排，於後續溫度220~245℃之退火熱處理步驟中，增進腐蝕β相於晶粒內產生成核(Nucleation)與析出之機率，使腐蝕β相不易於晶界上連續析出，故可大幅提升鋁鎂合金之抗蝕能力。

參考步驟S13，於3小時內冷卻退火熱處理後之該鋁鎂合金薄板至100℃以下，形成一具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片。

在本實施例中，步驟S13包括以下步驟：將退火熱處理後之該鋁鎂合金薄板進行一第一冷卻步驟；及進行一第二冷卻步驟。該第一冷卻步驟可為爐冷，該第二冷卻步驟可為空冷(空氣冷卻)。例如，該鋁鎂合金薄板經退火熱處理後，在退火熱處理爐內完成熱處理後，隨即將該鋁鎂合金薄板移出退火熱處理爐外進行爐冷(第一冷卻步驟)，接著，於3小時內以空氣冷卻退火熱處理後之該鋁鎂合金薄板至100℃以下(第二冷卻步驟)。

要注意的是，該鋁鎂合金薄板在退火熱處理之後，須特別注意該鋁鎂合金薄板移出退火熱處理爐的時機與冷卻步驟，需使該鋁鎂合金薄板在3小時內冷卻至100℃以下，以促使該鋁鎂合金薄板迅速通過β相析出之敏威溫度範圍(100~220℃)，以避免晶界上出現β相之連續析出，以形成本發明之具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片。

茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。

實 例：

參考表一，其顯示本發明各實例之鋁鎂合金片之化學成份。其中，在本實例中，鎂元素添加量為4.60 wt%，此值遠高於3 wt%，故腐蝕對製程相當敏戚，稍有不慎即易導致腐蝕彼壞。另外，在本實例中，鋅元素之添加量僅有0.01 wt%，無需如習知技術中特別添加0.7 wt%左右之鋅元素來強化鋁材之抗蝕性能。

在表二中，h表示小時；在ASTM G66測試結果中，PA、PB表示為可接受之腐蝕(Pitting)等級；在ASTM G67測試結果中，鋁鎂合金片失重之量需小於15 mg/cm² 才可通過測試，其中OK表示通過測試，NG表示未通過測試。

參考表二，其顯示本發明之鋁鎂合金片之適當冷軋量範圍、退火熱處理步驟與冷卻時機之重要性。試片1依據本發明之方法製造的鋁鎂合金片，其能通過ASTM G66與ASTM G67腐蝕測試。但試片2由於在熱處理後之冷卻過程中，緩慢通過100~200℃之腐蝕β相敏感析出溫度區間，導致β相容易在晶界上連續析出，使鋁鎂合金片被嚴重腐蝕破壞，以致無法通過ASTM G67腐蝕試驗(此點也突顯出日本專利特開平8-283923之缺失)。

試片3顯示退火熱處理溫度選擇之重要性。若退火溫度選在β相敏感析出溫度區間內，例如試片3之退火熱處理溫度180℃，即使退火熱處理後採用更快速之水冷方式，將水冷後之鋁鎂合金片迅速冷卻至室溫也無法通過ASTM G67腐蝕測試。

試片4與試片5顯示本發明之方法具有更大範圍之適用性。同時將鋁鎂合金材料之冷軋延量從20%增加至40%，也把退火熱處理溫度擴大至230~240℃，並於退火熱處理後，將冷軋延後之鋁鎂合金薄板在3小時內冷卻至100℃以下，其腐蝕測試結果顯示，此種製程條件下之鋁鎂合金片也具有優良之抗蝕能力，並可通過ASTM G66與ASTM G67腐蝕測試。

試片6將鋁鎂合金於2小時內直接加熱至240℃，並在240℃恆溫保持5小時，之後，迅速將鋁鎂合金急速水冷至室溫，其腐蝕測試結果顯示，試片6也具有優良之抗蝕能力。

試片1至試片6之結果突顯出退火熱處理步驟中之升溫速率並不是影響鋁鎂合金片腐蝕性能之製程要因。

ASTM B 928/B 928M-07規範顯示，抗蝕鋁鎂合金若要具備類似5083-Hll6之高強度特性，則降伏強度(Yield Strength)最小值為215 MPa、抗拉強度(Tensile Strength)最小值為305 MPa、伸長率(Elongation)至少要10%以上。依據本發明之方法所製造之鋁鎂合金片除了具備優越的抗蝕性能之外(參考表二)，在表三所示在適當冷軋延量與退火熱處理條件下，還具有高強度特性。

參考表三，其顯示在不同冷軋延量及退火熱處理條件下，鋁鎂合金片之機械特性之測試結果。試片7所示為本發明之方法所製造之鋁鎂合金片在20%冷軋延量與225℃ x3h退火熱處理條件下，都能符合5083-Hll6機械性質規格要求。

試片8、試片9與試片10顯示本發明之方法具有更大範圍之適用性，例如將鋁鎂合金材料之冷軋延量增加至40%~50%，同時也把退火熱處理溫度擴大至230~240℃溫度區間，其測試結果顯示試片8、試片9與試片10都能符合5083-Hll6機械性質規格要求。

此外，測試實驗數據也顯示經由增加冷軋延量可以達到提高鋁鎂合金強度之作用。然而，鋁鎂合金之冷軋延量不能無止境的增加，因為冷軋延量越大相對的鋁鎂合金內部所累積之應變能也就越多，應變能不斷累積的結果，反而會導致鋁鎂合金更容易退火軟化。

試片11顯示當冷軋延量超過50%時，鋁鎂合金很容易產生再結晶而軟化使強度低於規範值，因此較佳之冷軋延量為20%~50%之間。

本發明之方法所製造之鋁鎂合金可應用於如5xxx-Hll6調質度之高強度與高抗蝕鋁鎂合金(厚度<6 mm)，例如用途為需要認證許可之高附加價值船舶運輸用鋁鎂合金。

在本發明之具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片之製造方法中，無需特意添加鋅元素，其可直接應用在Mg>3 wt%以上之鋁鎂合金(如5083、5086與5456等鋁鎂合金)，並且無需添加任何硬體設備，僅應用退火熱處理後快速冷卻技術，即可避開腐蝕相連續析出，而產出品質優良之抗蝕鋁鎂合金片，可同時通過ASTM G66層剝腐蝕及ASTM G67腐蝕失重測試，且具有高強度性質。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

圖1顯示本發明提升疲勞壽命之軸承鋼精練法之流程圖。

(無元件符號說明)

Claims (10)

1. 一種具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片之製造方法，包括以下步驟：(a)　施予一鋁鎂合金材料20~50%之冷軋延量，形成一鋁鎂合金薄板；(b)　將該鋁鎂合金薄板於220~245℃進行退火熱處理；及(c)　於3小時內冷卻退火熱處理後之該鋁鎂合金薄板至100℃以下，形成一具高強度與高耐腐蝕鋁鎂合金片。
2. 如請求項1之方法，其中在步驟(a)之前另包括澆鑄、刨皮、預熱、熱軋延步驟，以形成該鋁鎂合金材料。
3. 如請求項2之方法，其中該鋁鎂合金材料係於480℃以上預熱後，再進行熱軋延。
4. 如請求項2之方法，其中該鋁鎂合金材料之熱軋延溫度係為300~480℃之間。
5. 如請求項2之方法，其中在澆鑄步驟中，該鋁鎂合金材料係包括3.0~5.0重量百分比(wt%)之鎂、小於0.4 wt%之矽、小於0.4 wt%之鐵、0.2~1.0 wt%之錳、小於0.15 wt%之鈦，其餘重量百分比為鋁及其他小於0.15 wt%不可避免之雜質。
6. 如請求項2之方法，其中在澆鑄步驟中，該鋁鎂合金材料另包括小於0.1 wt%之銅、小於0.25 wt%之鉻、小於0.25 wt%之鋅。
7. 如請求項2之方法，其中在澆鑄步驟中係利用直接冷卻鑄造(Direct Chill casting)形成該鋁鎂合金材料。
8. 如請求項1之方法，其中在步驟(b)中，該鋁鎂合金薄板之退火熱處理時間為2~5小時。
9. 如請求項1之方法，其中步驟(c)包括以下步驟：(c1)　將退火熱處理後之該鋁鎂合金薄板進行一第一冷卻步驟；及(c2)　進行一第二冷卻步驟。
10. 如請求項9之方法，其中在步驟(c1)中該第一冷卻步驟係為爐冷步驟，在步驟(c2)中該第二冷卻步驟係為空冷步驟。