TWI434939B - 鋁合金及其製備方法 - Google Patents

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Description

鋁合金及其製備方法
本發明係一種鋁合金，尤其是一種適於製造低應力且高強度之鋁前驅材料用的鋁合金。此外，本發明還包括一種製造這種鋁合金前驅材料的方法。
以機械加工方法(例如以塑膠壓鑄工具進行加工)將鋁板製成複雜的工件需要使用低應力且高強度的前驅材料。
在前驅材料中形成應力的原因是連續鑄造過程中因澆鑄時的溫度梯度產生的內應力，以及在熱處理的淬火過程中產生的內應力。在進行機械加工時，前驅材料中的應力會對構成的形狀穩定性造成不利影響，因而導致構件扭曲變形。由於公差很小，因此通常不能以事後矯直的方式補救，而必須放棄扭曲變形的工件。
可沉澱硬化的塑性鋁合金EN AW－6082(一種AlMgSilMn類的合金)就是為了這種應用目的而特別發展出的合金。為了將這種材料製造成鋁合金板，應在連續鑄造過程中將這種材料先鑄造成四方形的形狀，然後對這種材料進行第一次熱處理(也就是所謂的均勻化)，以便將以晶粒邊界沉澱出的合金元素成型，以及抵消鑄件熔析作用(合金元素的濃度差異)。然後再進行旨在調整力學特性的第二次熱處理。在第一次熱處理及第二次熱處理之間還可以加入一個成型步驟(例如軋製)。
以現有技術進行的完全硬化過程為先進行固溶處理、接著在冷水中淬火、最後再進行擱置時效處理。在進行固溶處理時，硬化成份矽化鎂(Mg2 Si)會因為在550℃的高溫下擴散到原始混合結晶而在6至10小時之間被溶解。在冷水中淬火(在20秒以內冷卻到150℃以下)會使在固溶處理溫度時調整成的平衡狀態被凍結住，而這個平衡狀態就相當於室溫下的不平衡狀態。最後進行的熱擱置時效處理(溫度150℃至200℃，時間8至15小時)會使硬化成份被沉澱出來，以達到調整強度的目的。
雖然經過上述方式處理過的鋁棒具有很好的力學特性，但由於在冷水中淬火會產生內應力，因此並不適於進行機械加工。因此需對鋁錠進行冷成型，以消除在淬火過程中產生的大部分內應力。為此在經過熱處理後，應以液壓設備將鋁錠的長度拉伸1%至5%。
經過上述程序製造而成的鋁板的特徵是具有良好的機械強度，但即使是在低應力的情況下，仍然可能在承受機械負載時出現扭曲變形的現象。
這種鋁板的熱機械性負載(例如塑膠壓鑄)會使鋁板的強度變小，因而導致模具的磨損程度持續上升。
因此業界需要一種能夠製造出低應力且高強度之鋁前驅材料(例如一種成型的壓鑄板)的鋁合金，而且這種鋁前驅材料還要適於接受進一步的機械加工，例如被加工成塑膠壓鑄模的底板。
本發明之目的是提出一種能夠用來製造出低應力且高強度之鋁前驅材料的鋁合金。本發明的另外一個目的是提出一種具有適當之化學成份的鋁合金，因而這種鋁合金本身就可以作為一種低應力且高強度的前驅材料。本發明還有另外一個目的是提出一種對以本發明之鋁合金製造的前驅材料進行再處理的方法，相較於現有技術使用的完全硬化法，這種再處理方法具有更多的優點，而且成本較低及更符合環保要求，以及能夠進一步改善本發明之鋁合金的強度值。
採用具有下列成份的鋁合金就可以達到上述目的：鋅：5.0－5.8%(重量百分比)鎂：1.1－1.2%(重量百分比)鉻：0.2－0.3%(重量百分比)錳：0.1－0.3%(重量百分比)銅：0.1－0.4%(重量百分比)鈦：0.05－0.15%(重量百分比)鈰：0.005－0.05%(重量百分比)釤：0.005－0.05%(重量百分比)矽：最多0.2%(重量百分比)鐵：最多0.3%(重量百分比)鋯：最多0.005%(重量百分比)其餘成份：鋁。
根據本發明的一種有利的實施方式，鋁合金具有鋅：5.3－5.5%(重量百分比)，鉻：0.2－0.25%(重量百分比)，錳：0.2－0.3%(重量百分比)，以及銅：0.3－0.4%(重量百分比)。
本發明的鋁合金適於用來製造供進一步機械加工或冷擠壓加工用的鋁前驅材料。而且這種鋁前驅材料最好是一種鋁鑄板。
本發明的另外一個目的是提出一種對以本發明的鋁合金製造的鋁前驅材料進行再處理的方法，其目的是產生一種低應力且高強度的鋁前驅材料，這種鋁前驅材料需適於接受後續的機械加工，以及能夠製造出具有良好力學特性的工件(例如塑膠壓鑄模具的底板)。
本發明提出的再處理方法是先加熱至480℃進行第一次熱處理，然後冷卻至室溫，最後再加熱至200℃進行第二次熱處理。一種有利的方式是在進行第二次熱處理之前先在室溫下進行2至5天的冷擱置時效處理。
為了使機械特性獲得進一步的改善，最好是將第二次熱處理分成兩階段進行。第一階段最好是以80℃至120℃的溫度加熱6至12小時，第二階段最好是以135℃至150℃的溫度加熱10至16小時。
以下將配合實施例對本發明的上述目的及其他內容做進一步的說明。但本發明的範圍及應用方式並不受限於以下的實施例。
文獻中有關於若干特定鋁合金之自發硬化(冷硬化)效應的描述。由於鋅在室溫下在原始混合結晶中的溶解度很小，因此鋁鋅鎂(AlZnMg)合金特別容易產生自發硬化(冷硬化)效應。
在一系列的試驗中，將不同成份的AlZnMg合金經由連續鑄造過程製造成尺寸為1550 x 250 x 3000 mm的四方形板，並在完全冷硬化後檢驗其力學特性。檢驗方式為EN 10002－5定義的拉力試驗，以下列出的檢驗結果為得自20個拉力試驗用試體的平均值。此外，另以記載於EN AW－6082的已知參考合金(一種在現有技術中被廣泛使用的合金)與AlZnMg合金作一比較。
試驗A(非本發明的合金)： 使用一種成份為EN 573－3及材料為EN AW－6082的參考合金。這種參考合金通常具有以下的成份：矽：0.7－1.3%(重量百分比)鐵：1.5%(重量百分比)銅：0.1%(重量百分比)錳：0.4－1.0%(重量百分比)鎂：0.6－1.2%(重量百分比)鉻：0.25%(重量百分比)鋅：0.2%(重量百分比)鈦：0.1%(重量百分比)其他合金成份：單一成份0.05%(重量百分比)，合計成份0.15%(重量百分比)其餘成份：鋁
這種參考合金在T651狀態下接受力學檢驗，所謂T651狀態是指經過固溶、淬火、以低應力狀態拉伸1%－3%、以及熱硬化等處理步驟後的狀態。檢驗所得的機械特性如下：
試驗1(非本發明的合金)： 具有下列成份的合金：鋅：4.86%(重量百分比)鎂：0.92%(重量百分比)鉻：0.18%(重量百分比)錳：0.22%(重量百分比)鈦：0.09%(重量百分比)矽：0.21%(重量百分比)鐵：0.28%(重量百分比)銅：0.01%(重量百分比)其餘成份：鋁。
這種合金的機械特性如下：
試驗2(非本發明的合金)： 具有下列成份的合金：鋅：5.18%(重量百分比)鎂：0.94%(重量百分比)鉻：0.17%(重量百分比)錳：0.21%(重量百分比)鈦：0.12%(重量百分比)矽：0.16%(重量百分比)鐵：0.28%(重量百分比)銅：0.01%(重量百分比)其餘成份：鋁。
這種合金的機械特性如下：
試驗3(本發明的合金)： 具有下列成份的合金：鋅：5.61%(重量百分比)鎂：1.18%(重量百分比)鉻：0.24%(重量百分比)錳：0.24%(重量百分比)銅：0.29%(重量百分比)鈦：0.06%(重量百分比)鈰：0.02%(重量百分比)釤：0.01%(重量百分比)矽：0.12%(重量百分比)鐵：0.26%(重量百分比)鋯：0.001%(重量百分比)其餘成份：鋁。
這種合金的機械特性如下：
為了調整力學特性，故將以試驗1至試驗3之合金製成的試樣板先在第一次熱處理中以400℃至450℃的溫度及低應力的方式退火40至80分鐘，然後以200℃/小時的速度冷卻至室溫，最後在第二次熱處理中以85℃至120℃的溫度加熱24至26小時，以縮短冷硬化的時間。
在進行第一次熱處理(低應力退火)及第二次熱處理(縮短冷硬化的時間)期間，在室溫下進行2至5天的冷擱置時效處理，結果會使前驅材料具有一更高的0.2%屈服點。之所以會產生這種屈服點改善的效果是因為在冷擱置時效處理期間的不相干相位MgZn2 的沉澱量變大的關係。
由於第一次熱處理的時間遠短於固溶處理的時間，以及不需要在冷水中進行淬火處理，因此可以製造出低應力的材料。在對試驗用板進行機械加工時並未出現可能導致工作扭曲變形的剩餘應力，因此並不需要進行拉伸處理。
比較試驗A及試驗1至試驗3發現，從機械特性(抗拉強度、斷裂伸長率、布氏硬度)的觀點來看，試驗1至試驗3的合金均優於目前最常被使用的試驗A的合金。尤其是本發明的合金的抗拉強度不但明顯高於參考合金的抗拉強度，而且也明顯高於試驗1及試驗2之合金的抗拉強度。此外，發明的合金的布氏硬度也明顯高於參考合金的布氏硬度。
試驗4(本發明的合金)： 按照試驗3的方式對以具有試驗3之成份的合金製成的鋁板進行再處理，但是將第二次熱處理分成兩階段進行，其中第一階段是以90℃的溫度加熱8至10小時，第二階段是以145℃溫度加熱14至16小時。
這種合金的機械特性如下：
從試驗4可以看出，本發明的合金在經過分成兩階段的第二次熱處理後，機械特性可以獲得進一步的改善。
試驗結果顯示，加長處理時間對於機械特性並無值得一提的改善效果。將第二階段的溫度提高到160℃不但沒有任何改善效果，任至還會導致強度降低。
為達到理想的機械特性，可以根據本發明之合金的成份在本發明之專利申請項目中提及的熱處理的溫度及時間範圍內變化，以找出熱處理的最佳溫度及時間。此外，熟習該項技術者亦可根據自行試驗的結果找出本發明之合金的最佳參數。
由於本發明之合金的硬度大於參考合金，因此對於機械負載具有更大的抵抗能力。在經過熱荷之後，本發明之合金的冷硬化特性對於力學特性具有復原的效果，因此可以大幅提高合金製品(例如塑膠擠壓用的模具)的耐久性。
由於本發明的合金在冷硬化狀態下具有很高的硬度，同時本發明之合金的斷裂伸長率明顯小於參考合金，因此在接受切削加工時產生的斷裂切屑很短，所以能夠達到比參考合金更好的表面品質(粗糙度及視學效果)。
此外，由於本發明之合金僅含有極少量的矽及錳，因此非常適於進行裝飾性的陰極氧化。鉻成份有助於降低本發明之合金發生應力裂縫腐蝕的可能性，而且由於含量很低(最多不超過0.3%(重量百分比))，因此不會對陰極氧化造成不利影響。

Claims (11)

  1. 一種鋁合金，其特徵為具有下列成份：鋅：5.0-5.8%(重量百分比)鎂：1.1-1.2%(重量百分比)鉻：0.2-0.3%(重量百分比)錳：0.1-0.3%(重量百分比)銅：0.1-0.4%(重量百分比)鈦：0.05-0.15%(重量百分比)鈰：0.005-0.05%(重量百分比)釤：0.005-0.05%(重量百分比)矽：最多0.2%(重量百分比)鐵：最多0.3%(重量百分比)鋯：最多0.005%(重量百分比)其餘成份：鋁。
  2. 如申請專利範圍第1項的鋁合金，其中，具有下列成份：鋅：5.3-5.5%(重量百分比)鉻：0.2-0.25%(重量百分比)錳：0.2-0.3%(重量百分比)銅：0.3-0.4%(重量百分比)。
  3. 一種如申請專利範圍第1項或第2項之鋁合金的應用，用以製造可進行進一步機械加工的鋁前驅材料。
  4. 一種如申請專利範圍第1項或第2項之鋁合金的應用，用以製造可進行冷擠壓加工的鋁前驅材料。
  5. 如申請專利範圍第3項或第4項的應用，其中，這種鋁前驅 材料是一種鋁鑄板。
  6. 一種鋁前驅材料，其係以申請專利範圍第1項或第2項的鋁合金所製成。
  7. 如申請專利範圍第6項的鋁前驅材料，其製作成鋁鑄板的形式。
  8. 一種製造方法，其以申請專利範圍第1項或第2項的鋁合金來製造鋁前驅材料，該方法之特徵為：所使用的再處理方法是先加熱至480℃進行的第一次熱處理，然後冷卻至室溫，最後再加熱至200℃進行第二次熱處理。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其中，在進行第二次熱處理之前先在室溫下進行2至5天的冷擱置時效處理。
  10. 如申請專利範圍第8項或第9項的方法，其中，將第二次熱處理分成兩階段進行。
  11. 如申請專利範圍第10項的方法，其中，第一階段是以80℃至120℃的溫度加熱6至12小時，第二階段是以135℃至150℃的溫度加熱10至16小時。
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