TWI565809B - 鋁合金之製造方法 - Google Patents

Description

鋁合金之製造方法

本發明是有關於一種金屬合金，且特別是有關於一種鋁合金之製造方法。

目前，3C產品朝輕薄短小的趨勢發展。在3C產品中，不同零件有不同的加工成型需求。而傳統AA5052鋁合金因具有優良加工成型與易陽極處理的優勢，因此被廣泛地應用在3C產品中。

但隨著3C產業的快速發展，消費者對於應用在高價3C產品之鋁材於陽極處理後的精緻度要求也日趨嚴苛。傳統AA5052鋁合金經陽極處理後，其色相偏向暗黃色澤。這樣的暗黃色澤屬老舊之顏色，不易受到消費者所喜愛。如此一來，會降低鋁品質感、實用性與附加價值。

陽極表面處理一般應用在建築材料與精密加工用鋁材。針對各種鋁合金之特性與用途，可藉由不同手法來提升鋁合金之陽極表面特性。針對陽極處理後色澤均一之建築用鋁材，目前有下列幾種陽極表面處理技術。日本特開平5-279819提出透過限制矽(Si)、鎂(Mg)、鈦(Ti)與硼(B) 等合金添加量，以及進行500℃~580℃的均質化熱處理等手段，藉此改善6063鋁擠型陽極後才表面灰色澤(L*值)的一致性。在此日本專利技術之鋁合金中，矽含量3.5wt%~5.0wt%，鎂含量0.1wt%~0.3wt%，鈦含量0.005wt%~0.1wt%，硼含量小於0.05wt%。此外，均質化處理之溫度為500℃~580℃，擠型溫度為450℃~520℃，T5熱處理之溫度為180℃。

日本特開平7-126890提出藉由限制矽、錳(Mn)與鎂等合金添加量，藉以達到[矽wt%]-[鎂wt%/1.7]≧[錳wt%]-0.1的關係式，以及進行450℃~620℃的均質化熱處理手段，並適當調控Al-Mn-Si析出物(粒徑≦1μm)之析出量的範圍。所產出之建築用鋁擠型材於陽極處理後之鋁材表面具有均勻之灰色色澤。在此日本專利技術鋁合金中，矽含量0.7wt%~1.4wt%，錳含量0.5wt%~1.0wt%，鎂含量0.3wt%~0.8wt%。此外，均質化處理之溫度為450℃~620℃，擠型溫度為450℃~550℃，T5熱處理之溫度為160℃~190℃。

日本特開平5-320839提出藉由限制矽、鐵(Fe)、鎂與鈦等合金添加量，尤其將Mg/Si比的範圍限制在1~10之間，再利用鎂與矽形成化合物矽化鎂(Mg₂Si)等技術手段。此種化合物不會影響陽極膜之色調，但可改善單獨矽元素存在陽極膜內時會使陽極膜色澤偏黑的現象。在此日本專利技術的鋁合金中，矽含量0.05wt%~0.5wt%，鐵含量0.15wt%~0.9wt%，鐵加上矽之含量為 0.3wt%~1.0wt%，鈦含量0.01wt%~0.05wt%，Mg/Si比1~10。此外，均質化處理之溫度為450℃~620℃，熱軋時之預熱溫度為450℃~550℃，完軋溫度為200℃~300℃，冷軋之厚度裁減率大於40%，安定化處理之溫度為150℃~250℃。

日本特開平11-6023所提出之鋁合金主要用途為大樓外觀之鋁帷幕牆。此日本專利透過限制矽與鐵等合金添加量，尤其將Si/Fe比的範圍限制在0.8~1.0之間，再利用熱軋後之中間退火製程，藉此使經陽極處理後之鋁表面色澤均一。在此日本專利技術的鋁合金中，矽含量0.1wt%~0.4wt%，鐵含量0.1wt%~0.4wt%，Si/Fe比0.8~1.2。此外，均質化處理之溫度為450℃~550℃，熱軋溫度為380℃~450℃，退火溫度為380℃~450℃。

另一方面，針對精密加工用鋁板，有下列幾種陽極表面處理技術。日本特開P2002-256488所提出之鋁合金主要用途為半導體設備用高溫耐蝕鋁陽極軋延材。此日本專利藉由調降鐵、銅(Cu)、錳、鉻(Cr)、鋅(Zn)與鎳(Ni)等成分至0.1wt%以下，促使鋁材內不易出現Al-Fe-Si化合物。如此一來，鋁材於陽極處理過程中，可避免因Al-Fe-Si化合物的存在而造成陽極皮膜破裂的缺陷。因此，在腐蝕氣體環境下，鋁材內的重金屬單體也不會從陽極皮膜缺陷處釋出，進而可避免半導體腔體受到重金屬單體的汙染。此日本專利並未揭示生產製程的內容。在此日本專利技術的鋁合金 中，矽含量0.2wt%~1.0wt%，鎂含量2.3wt%~5.0wt%，鐵、銅、錳、鉻、鋅與鎳之含量小於0.1wt%。

日本特開平P2006-52436A所提出之技術主要為傳統熱軋鋁後板切削加工後，使鋁板厚度方向之陽極性能均勻。此日本專利透過限制矽、鎂與鈦等合金添加量，尤其Si/Ti比要小於5等技術手段，來抑制鋁材內Al-Si粗大顆粒的出現。同時於熱軋作業之前，鋁胚需經450℃~550℃的均質化熱處理。藉此，即可生產出厚度方向之陽極性能均勻的產品。在此日本專利技術的鋁合金中，矽含量0.04wt%~0.5wt%，鈦含量0.01wt%~0.1wt%，鎂含量1.5wt%~3.0wt%，Si/Ti比小於等於5。此外，均質化處理之溫度為450℃~550℃，鋁胚熱軋則不特別控制。

上述各專利技術中，均未見有如何克服目前3C用之AA5052鋁合金於陽極處理過程後，色相偏向暗黃之缺失。

因此，本發明之一目的就是在提供一種鋁合金之製造方法，其利用合金設計，而改變不同合金元素的添加量，以減少鋁材中晶出物的析出量，藉此可提升鋁材陽極處理後之色相L值，進而可使得陽極後之鋁材能更加明亮。

本發明之另一目的是在提供一種鋁合金之製造方法，其利用合金設計，來改變鋁合金析出物種類，藉此可 改變陽極過程中氧化層之結構與密度，進而可達到減少可見光黃光出現的強度。

根據本發明之上述目的，提出一種鋁合金之製造方法。在此方法中，提供鋁胚，其中此鋁胚包含小於等於0.10wt%之矽、0.10wt%至0.30wt%之鐵、小於等於0.10wt%之銅、2.0wt%至3.0wt%之鎂、小於等於0.10wt%之鉻、不可避免之雜質總量小於等於0.15wt%、以及平衡量之鋁。對鋁胚進行預熱步驟，其中此預熱步驟之溫度為500℃至530℃。對鋁胚進行熱軋延步驟，以形成鋁板，其中此熱軋延步驟之完軋溫度為290℃以上。對鋁板進行第一冷軋延步驟，以形成鋁片，其中第一冷軋延步驟之厚度裁減率大於等於45%。對鋁片進行第一退火步驟，其中第一退火步驟之溫度為300℃至400℃。對鋁片進行第二冷軋延步驟，其中第二冷軋延步驟之厚度裁減率為20%至40%。對鋁片進行第二退火步驟，其中第二退火步驟之溫度為150℃至200℃。

依據本發明之一實施例，上述提供鋁胚之步驟包含提供複數個鋁材合金元素，並對這些鋁材合金元素進行高溫熔融處理；以及對鋁材進行澆鑄成型步驟，以形成鋁胚。

依據本發明之另一實施例，上述之澆鑄成型步驟包含利用一直接冷鑄(direct chill casting，DC casting)方式。

依據本發明之又一實施例，上述之預熱步驟進行1小時至8小時。

依據本發明之再一實施例，上述之第一退火步驟進行1小時至10小時。

依據本發明之再一實施例，上述之第二退火步驟進行1小時至6小時。

依據本發明之再一實施例，上述之不可避免雜質包含錳、鋅與鈦。

100‧‧‧步驟

102‧‧‧步驟

104‧‧‧步驟

106‧‧‧步驟

108‧‧‧步驟

110‧‧‧步驟

112‧‧‧步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種鋁合金之製造方法的流程圖；〔圖2A〕係繪示表2之編號1~3之鋁合金於陽極處理過程中，處理時間和色相L值之間的關係圖；〔圖2B〕係繪示表2之編號1~3之鋁合金於陽極處理過程中，處理時間和色相b值之間的關係曲線圖；〔圖3A〕係繪示表2之編號2與4之鋁合金於陽極處理過程中，處理時間和色相L值之間的關係曲線圖；〔圖3B〕係繪示表2之編號2與4之鋁合金於陽極處理過程中，處理時間和色相b值之間的關係曲線圖；〔圖4A〕係繪示表2之編號2與5之鋁合金於陽極處理過程中，處理時間和色相L值之間的關係曲線圖；以及 〔圖4B〕係繪示表2之編號2與5之鋁合金於陽極處理過程中，處理時間和色相b值之間的關係曲線圖。

有鑑於習知鋁材之陽極處理技術均未針對目前3C用之AA5052鋁合金於陽極處理過程後，色相偏向暗黃之缺失來進行改善，因此本發明在此提出一種鋁合金之製造方法，其透過改變鋁材之合金成分，來減少鋁材中晶出物的析出量，以及改變鋁合金析出物的種類，分別藉此提升色相L值、以及改變陽極過程中氧化層之結構與密度以減少可見光之黃光出現的強度，而可使陽極後之鋁材更加明亮。故，本發明之方法的應用可提升鋁材之品質感、實用性與附加價值。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種鋁合金之製造方法的流程圖。在本實施方式中，製作鋁合金時，可先進行步驟100，以提供用以製作鋁合金之鋁胚。在一些例子中，鋁胚之成分包含小於等於0.10wt%之矽、0.10wt%至0.30wt%之鐵、小於等於0.10wt%之銅、2.0wt%至3.0wt%之鎂、小於等於0.10wt%之鉻、不可避免之雜質總量小於等於0.15wt%以及平衡量之鋁。不可避免雜質可例如包含錳、鋅與鈦。這些例子之鋁胚成分與市面上常見之AA5052合金成分規範的比較列示於下表1中。

在一些示範例子中，提供鋁胚之步驟先依各例子之鋁材元素組成範圍提供多個鋁材合金元素，並將這些鋁材合金元素高溫熔融後，再進行澆鑄成型而將熔融後之材料澆鑄成鋁胚。舉例而言，進行澆鑄成型步驟時可例如採用直接冷鑄方式。

完成鋁胚之製作後，可進行步驟102，以對鋁胚進行預熱步驟。在一些例子中，進行預熱步驟時，可對鋁胚施加500℃至530℃的預熱溫度。此預熱步驟可例如進行1小時至8小時。完成鋁胚之預熱處理後，隨即進行步驟104，以對鋁胚進行熱軋延，以將鋁胚熱軋延成鋁板。進行熱軋延步驟時，可無需特別控制熱軋延之過程，但熱軋延步驟之完軋溫度可控制在290℃以上，藉以避免軋延後之鋁板產生熱軋裂邊的現象。

完成熱軋延後，使鋁板於空氣中冷卻至室溫。接著，可進行步驟106，以對熱軋延後之鋁板進行第一次冷軋延，而將鋁板冷軋延成鋁片。在一些例子中，第一次冷軋延之厚度裁減率大於等於45%。於第一次冷軋延步驟後，可進行步驟108，以對鋁片進行第一次的退火步驟。在一些例子中，第一次退火步驟之退火溫度可為300℃至400℃。此 外，第一退火步驟可例如進行1小時至10小時，以使冷軋後之鋁片能夠完成完全再結晶。

接著，可進行步驟110，以對鋁片進行第二次的冷軋延步驟。在一些例子中，第二次冷軋延步驟之厚度裁減率為20%至40%。隨後，可進行步驟112，以對鋁片進行第二次退火步驟，如此即可製作出不偏暗黃色相的陽極鋁合金材。在一些例子中，第二次退火步驟之退火溫度可為150℃至200℃。此外，第二退火步驟可例如進行1小時至6小時。

在本實施方式中，藉由設計鋁合金之成分，可在機構中達到至少兩個目的。第一個目的為減少鋁材中晶出物的析出量，藉此可提升陽極處理後鋁片之色相L值，因而可達到使陽極處理後鋁材更加明亮的效果。第二個目的為改變鋁合金析出物的種類，藉此可改變陽極處理過程中氧化層之結構與密度，而可達到減少可見光之黃光出現之強度的效果，進而可改善鋁合金偏暗黃色相的問題。

以下列舉數個實施例、比較例與傳統AA5052規範之鋁合金，來說明運用本發明之方法所製作之鋁合金的特性與優勢。下表2列示出這些實施例、比較例傳統AA5052規範之鋁合金中除了主要成分鋁以外的化學組成成分。

在這些實施例、比較例與傳統AA5052鋁合金的實驗中，討論重點在於化學成分改變的重要性，因此鋁合金均採下述同一製程製作，以利比較。在此製程中，依序進行鋁胚預熱步驟、熱軋延步驟、第一次冷軋延步驟、第一次退火步驟、第二次冷軋延步驟以及第二次退火步驟。其中，鋁胚預熱的溫度為510℃，熱軋延步驟之完軋溫度為330℃，第一次冷軋延步驟之厚度裁減率為60%，第一次退火步驟之溫度為350℃，第二次冷軋延步驟之厚度裁減率為30%，第二次退火步驟之溫度為150℃。

此外，在這些實驗中，陽極處理之條件為鋁片在溫度45℃下的氫氧化鈉(NaOH)溶液中進行20分鐘至50分鐘的鹼洗；以及鋁片在20℃下且於濃度為180g/L之硫酸(H₂SO₄)溶液中，電流為3A且電壓為12.5V至13.0V的條件下，進行陽極處理。而陽極處理後之鋁片的色相分析設備則採用日本柯尼卡美能達(Konica Minolta)所提供之CM-2600d型分光色差儀。在色相量測指標中，L值範圍為0~100，L值越高代表色相越明亮而不黑暗，b值越高代表色相越黃。

在上表2中，編號1~3之鋁合金主要在比較鋁材於陽極處理過程中，不同的鐵元素添加量對陽極色相L值與 b值的影響。請參照圖2A與圖2B，其係分別繪示表2之編號1~3之鋁合金於陽極處理過程中，處理時間和色相L值與b值之間的關係曲線圖。根據圖2A所示，在陽極處理過程中，鐵元素添加量最高之編號1之比較例鋁合金，除了L色相值隨著陽極處理時間的增加而快速下降外，亦是編號1~3這三種鋁合金中，L色相值最低者，其中L值越低代表陽極處理後鋁材表面越趨黑暗。另一方面，編號2與3之實施例鋁合金，在陽極處理過程中，兩者之L色相值則相當接近，即表示鐵元素添加量高達0.37wt%之編號1的鋁合金非常不利於陽極處理後鋁材之表面的亮度呈現。

而根據圖2B之曲線圖亦可觀察到，在陽極處理過程中，編號1~3之三種鋁合金之中，鐵元素添加量最高之編號1鋁合金的b值最高，其中b值越高代表陽極處理後之鋁材表面越黃。這也表示了標號1之鋁合金的表面最易呈現出老舊之暗黃色特性。另外，編號2與3之鋁合金，在陽極處理過程中，兩者之b色相值除相對接近外，也較不易偏向暗黃色系。

因此，綜合圖2A與圖2B之陽極處理過程中色相量測曲線圖可知，適度調降鋁材中之鐵元素的添加量，可避免鋁合金之表面於陽極處理後偏向暗黃色系。此外，由編號2與3之鋁合金的曲線數據可知，0.10wt%~0.30wt%之鐵元素添加量是相當適合工業生產的添加範圍。

在上表2中，編號2與4之鋁合金中，鎂元素之添加量分別為2.31wt%與2.91wt%。請參照圖3A與圖3B， 其係分別繪示表2之編號2與4之鋁合金於陽極處理過程中，處理時間和色相L值與b值之間的關係曲線圖。根據圖3A可知，在陽極處理過程中，編號2與4之鋁合金的L色相值幾乎重疊而無差異，此即表示在本發明實施例中2.0wt%至3.0wt%的鎂元素添加範圍內，經陽極處理後之鋁合金表面的亮度值相當穩定。

另從圖3B的曲線中亦可觀察到，在陽極處理過程中，2.91wt%之高鎂元素添加量的編號4鋁合金比添加2.31wt%之鎂元素的編號2鋁合金，能續降低b色相值。因此，綜合圖3A與圖3B之陽極處理過程中的色相量測曲線可知，在本發明實施例中2.0wt%至3.0wt%之鎂元素添加範圍內所生產之鋁合金，於陽極處理後，鋁片表面具有穩定之L值與b值的色相特性。

在上表2中，編號2與5之鋁合金主要在比較鋁材於陽極處理過程中，不同的鉻元素添加量對陽極色相L值與b值的影響。請參照圖4A與圖4B，其係分別繪示表2之編號2與5之鋁合金於陽極處理過程中，處理時間和色相L值與b值之間的關係曲線圖。根據圖4A所示，在陽極處理過程中，編號2之實施例鋁合金比編號5之比較例鋁合金具有更高的L值，亦即減少鉻元素之添加量有助於提升鋁材於陽極處理後之亮度。另從圖4B之曲線圖中亦可觀察到，鉻元素添加量較多之編號5鋁合金，經陽極處理後，鋁材色澤比編號2之鋁合金更易偏向暗黃色系。因此，減少鉻元素的添加 量，有助於提升色相L值與降低b值，避免陽極處理後之鋁材表面趨向暗黃色系。

另從表2可知，傳統之AA5052鋁合金中的鉻元素添加量係介於0.15wt%至0.35wt%之間，而編號5之比較例的鋁合金中的鉻元素添加量為0.16wt%，已在AA5052鋁合金中之鉻元素添加量的下限值，而根據圖4A與圖4B的數據顯示，為有突破傳統AA5052鋁合金中的鉻添加範圍，方能進一步達到提升鋁材於陽極處理後之表面色相品質，避免出現暗黃色相。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之鋁合金之製造方法係利用合金設計，而改變不同合金元素的添加量，以減少鋁材中晶出物的析出量，藉此可提升鋁材陽極處理後之色相L值，進而可使得陽極後之鋁材能更加明亮。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為本發明之鋁合金之製造方法利用合金設計來改變鋁合金析出物種類，藉此可改變陽極過程中氧化層之結構與密度，進而可達到減少可見光黃光出現的強度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，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‧‧‧步驟

102‧‧‧步驟

104‧‧‧步驟

106‧‧‧步驟

108‧‧‧步驟

110‧‧‧步驟

112‧‧‧步驟

Claims (7)

1. 一種鋁合金之製造方法，包含：提供一鋁胚，其中該鋁胚包含小於等於0.10wt%之矽、0.10wt%至0.30wt%之鐵、小於等於0.10wt%之銅、2.0wt%至3.0wt%之鎂、小於等於0.10wt%之鉻、不可避免雜質之總量小於等於0.15wt%、以及平衡量之鋁；對該鋁胚進行一預熱步驟，其中該預熱步驟之溫度為500℃至530℃；對該鋁胚進行一熱軋延步驟，以形成一鋁板，其中該熱軋延步驟之完軋溫度為290℃以上；對該鋁板進行一第一冷軋延步驟，以形成一鋁片，其中該第一冷軋延步驟之厚度裁減率大於等於45%；對該鋁片進行一第一退火步驟，其中該第一退火步驟之溫度為300℃至400℃；對該鋁片進行一第二冷軋延步驟，其中該第二冷軋延步驟之厚度裁減率為20%至40%；以及對該鋁片進行一第二退火步驟，其中該第二退火步驟之溫度為150℃至200℃。
2. 如申請專利範圍第1項之鋁合金之製造方法，其中提供該鋁胚之步驟包含：提供複數個鋁材合金元素，並對該些鋁材合金元素進行一高溫熔融處理；以及進行一澆鑄成型步驟，以形成該鋁胚。
3. 如申請專利範圍第2項之鋁合金之製造方法，其中該澆鑄成型步驟包含利用一直接冷鑄方式。
4. 如申請專利範圍第1項之鋁合金之製造方法，其中該預熱步驟進行1小時至8小時。
5. 如申請專利範圍第1項之鋁合金之製造方法，其中該第一退火步驟進行1小時至10小時。
6. 如申請專利範圍第1項之鋁合金之製造方法，其中該第二退火步驟進行1小時至6小時。
7. 如申請專利範圍第1項之鋁合金之製造方法，其中該不可避免雜質包含錳、鋅與鈦。