TWI752893B

TWI752893B - 具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法

Info

Publication number: TWI752893B
Application number: TW110124312A
Authority: TW
Inventors: 庾忠義; 邱黃正凱; 石漢正
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2021-07-01
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2022-01-11
Also published as: TW202302884A

Abstract

一種具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法。在此方法中，製備鋁胚。鋁胚包含4.0wt%至8.0wt%之鋅、1.5wt%至3.2wt%之鎂、1.0wt%至3.0wt%之銅、小於0.5wt%之矽、小於0.5wt%之鐵、小於0.3wt%之鈦、小於0.5wt%之錳、小於1.5wt%之其他雜質、以及平衡量之鋁。錳之含量高於鐵之含量，且1.2倍錳之含量與鐵之含量的總和介於0.3至0.6。對鋁胚進行兩段式均質化處理。對鋁胚進行熱軋製程與冷軋製程，以獲得冷軋鋁捲。對冷軋鋁捲進行固溶淬火處理。對冷軋鋁捲進行快速孕核處理，以獲得鋁合金薄片。快速孕核處理之溫度為90℃至135℃，且快速孕核處理之持續時間為5分鐘至120分鐘。

Description

具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法

本發明是關於一種鋁合金製造技術，且特別是關於一種具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法。

近年來，由於汽車輕量化議題持續加溫，因此鋁合金之應用已從外觀件延伸至內構件。7xxx系航空用鋁合金於頂時效(T6)狀態下之比強度與熱衝壓鋼相近，深具替代目前以鋼製為主流的汽車保安零組件之潛力，可進一步減輕車重。

然而，傳統上7xxx系鋁合金需要長時間人工時效熱處理才能達到所謂T6頂時效強度。如此一來，不但耗時費能，且大量佔用爐子時間，而不利於生產。此外，若生產過程中稍有差池，易陷入交期延誤的惡性循環中。

目前，為了改善7xxx系鋁合金室溫成形性的問題，多採用中、高溫成形技術予以克服。然而，這類鋁材對溫度甚為敏感，會受到成形溫度的影響，使得奈米級析出強化相發生粗化現象，進而導致強度減弱。若再加上後續車廠塗漆烘烤處理，則將加劇強度降低的現象，不敷安全需要。

目前大多數縮短人工時效熱處理時間的做法，如專利US 2016/0160332 A1與CN 107109606 A所述，是利用多段式熱處理來達成。多段式熱處理之原理係先於低溫段施予成核處理，之後再藉由第二段高溫處理，甚至還有第三段，藉以促使強化相快速且大量析出，來達成縮時之目的。然而，這樣的做法並未將加工成形一併納入考量，且亦未解決成形及烤漆受熱軟化的問題，故其強度及安全性仍無法滿足需求。

有一種熱處理製造鋁合金的方法，如專利CN 110191970 A所述，同樣係採用低溫成核處理的手法，且預處理時間最短僅有10分鐘。然而，此方法是以高溫成形為主，因此升溫速度較慢，產量自然偏低。此外，高溫成形的方式使得材料的顯微組織發生變化，特別是成分含鋅者，易導致產品性質不穩定。而且，成形廠亦需額外設置預處理爐，因此將會衍生鉅額投資成本。

另外，還有一種熱處理製造鋁合金的方法，如專利EP 2581218 A1所述，同樣也是先施以固溶處理，但差異是於水淬後(即所謂W態)，於有限的時間內進行冷衝壓成形，再搭配塗漆烘烤處理來促進增加強度。然而，此方法的缺點在於W態極不穩定，室溫下的硬化情形變異頗劇，故水淬後至成形時間是越短越好，於鋁廠是不可能實踐，於加工廠落實之機會較高。但此方法需額外投資固溶爐及水淬裝置，故成本不但高昂，且鋁片平坦度也因水淬之故而明顯惡化，不利後續加工。

因此，本發明之一目的是提供一種具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法。此方法透過調控鋁胚成分中的過渡元素錳與鐵，並搭配兩段式均質化處理，且再經固溶淬水處理後，施予快速孕核處理。如此一來，鋁合金薄片於後續成形廠與車廠進行溫成形衝壓製程與烤漆處理時，能夠持續提升成品強度，同時解決烤漆受熱軟化的問題。

本發明之另一目的是提供一種具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法，其可縮短製造鋁合金薄片之熱處理的時間，同時所得成品亦可兼顧安全與減重的需求。

根據本發明之上述目的，提出一種具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法。在此方法中，製備鋁胚。鋁胚包含4.0wt%至8.0wt%之鋅、1.5wt%至3.2wt%之鎂、1.0wt%至3.0wt%之銅、小於0.5wt%之矽、小於0.5wt%之鐵、小於0.3wt%之鈦、小於0.5wt%之錳、小於1.5wt%之其他雜質、以及平衡量之鋁。錳之含量高於鐵之含量，且1.2倍錳之含量與鐵之含量的總和介於0.3至0.6。對鋁胚進行兩段式均質化處理。對鋁胚進行熱軋製程，以獲得熱軋鋁捲。對熱軋鋁捲進行冷軋製程，以獲得冷軋鋁捲。對冷軋鋁捲進行固溶淬火處理。對冷軋鋁捲進行快速孕核處理，以獲得鋁合金薄片。快速孕核處理之溫度為約90℃至約135℃，且快速孕核處理之持續時間為約5分鐘至約120分鐘。

根據本發明之一實施例，於進行快速孕核處理後，上述方法更包含對鋁合金薄片進行溫成形衝壓製程。

根據本發明之一實施例，上述溫成形衝壓製程之溫度為約170℃至約250℃，且溫成形衝壓製程之持續時間為約30秒至約120秒。

根據本發明之一實施例，於進行溫成形衝壓製程後，上述方法更包含對鋁合金薄片進行烤漆處理。

根據本發明之一實施例，上述進行烤漆處理包含將烤漆溫度控制在約170℃至約205℃，以及將烤漆時間控制在約20分鐘至約30分鐘。

根據本發明之一實施例，上述製備鋁胚包含使用回收料調控鋁胚之成分。

根據本發明之一實施例，上述鋁胚為7xxx系鋁合金。

根據本發明之一實施例，上述進行兩段式均質化處理包含進行第一段均質化處理以及進行第二段均質化處理。第一段均質化處理之溫度為約450℃至約470℃，且第一段均質化處理之持續時間為約8小時至約24小時。第二段均質化處理之溫度為約470℃至約490℃，且第二段均質化處理之持續時間為約12小時至約24小時。

根據本發明之一實施例，上述對冷軋鋁捲進行固溶淬火處理包含將冷軋鋁捲加熱至固溶溫度，並使冷軋鋁捲於固溶溫度下持溫約20秒至約300秒，其中固溶溫度為約460℃至約510℃；以及對冷軋鋁捲施予水淬處理，以將冷軋鋁捲之溫度降至室溫。

本發明為了同時解決7xxx系鋁合金需長時間人工時效熱處理以及受熱軟化的問題，提出一種具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法。此方法透過整合上、下游產業鏈之製程，並在國際通用成分規範內，調控成分中之過渡元素錳與鐵，並搭配兩段式均質化處理來極大化基材中之固溶量。再經固溶淬火處理後，施予快速孕核處理，藉由固溶原子來促進原子叢集晶核尺寸及分布密度，使其在後續溫成形及烤漆處理時，奈米強化相可於不同受熱階段中持續析出。因此，鋁合金薄片之強度不降反升，故可同時兼顧安全及減重的需求，且成本及生產時間亦可大幅縮減。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施方式之一種具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法的流程圖。在本實施方式中，可先進行步驟100，以製備鋁胚。在一些實施例中，此鋁胚可包含約4.0wt%至約8.0wt%之鋅、約1.5wt%至約3.2wt%之鎂、約1.0wt%至約3.0wt%之銅、小於約0.5wt%之矽、小於約0.5wt%之鐵、小於約0.3wt%之鈦、小於約0.5wt%之錳、小於約1.5wt%之其他雜質、以及平衡量之鋁。錳之含量高於鐵之含量。此外，在一些示範例子中，1.2倍錳之含量與鐵之含量的總和介於約0.3至約0.6。

由於錳與鐵之成核機率較大，故控制鋁胚中之錳與鐵的比例，可使得在後續快速孕核處理過程中，透過錳與鐵促進成核，藉以縮短所需的時間。在一些實施例中，步驟100可包含使用回收料來調控鋁胚之成分。

製備鋁胚後，可進行步驟102，以對鋁胚進行兩段式均質化處理。在兩段式均質化處理中，可消除鋁胚中之低溶點相，並進一步將基材中之固溶原子量極大化，以利後續處理。由於7xxx系鋁合金中含有較多鋅與鎂之成分，這些成分容易產生低熔點相，而透過均質化處理，可將這些成分回溶至基材，以避免產生液化相。若不實施均質化處理，則鋁合金可能在熱處理製造過程中開始熔解，而無法進行後續製程。在一些實施例中，第一段均質化處理之溫度為約450℃至約470℃，且其持續時間為約8小時至約24小時，而第二段均質化處理之溫度為約470℃至約490℃，且其持續時間為約12小時至約24小時。

完成兩階段均質化處理後，可進行步驟104，以對鋁胚進行熱軋製程，而獲得熱軋鋁捲。接著，可進行步驟106，以對熱軋鋁捲進行冷軋製程，而獲得冷軋鋁捲。完軋後之冷軋鋁捲的厚度視產品需求而定。舉例而言，冷軋鋁捲的厚度可為約0.2mm至約6mm。

獲得冷軋鋁捲後，可進行步驟108，以對冷軋鋁捲進行固溶淬火處理。在固溶淬火處理中，將冷軋鋁捲加熱至固溶溫度，並持溫一段時間。接著，對冷軋鋁捲施予水淬處理，以將冷軋鋁捲之溫度降至室溫。在一些實施例中，固溶溫度為約460℃至約510℃，且持溫時間為約20秒至約300秒。

完成冷軋鋁捲的固溶淬火處理後，可進行步驟110，以對冷軋鋁捲進行快速孕核處理，而獲得鋁合金薄片。以快速孕核處理取代傳統之T6人工時效處理，可大幅縮短鋁合金薄片之熱處理製造時間。因此，鋁合金薄片在後續成形廠進行溫成形衝壓製程以及在車廠烤漆時，能夠不斷析出奈米強化相，以增加強度。在一些實施例中，快速孕核處理之溫度為約90℃至約135℃，且持續時間為約5分鐘至約120分鐘。

接下來，可進行步驟112，以對鋁合金薄片進行溫成形衝壓製程。在溫成形衝壓製程中，可將鋁合金薄片件形成所需之零部件的形狀，且在製程中不斷析出奈米強化相，因此可增加零部件之強度。在一些實施例中，溫成形衝壓製程之溫度為約170℃至約250℃，且持續時間為約30秒至約120秒。

完成溫成形衝壓製程後，可進行步驟114，以於車廠中對鋁合金薄片進行烤漆處理。類似溫成形衝壓製程，在烤漆處理過程中，鋁合金薄片仍可持續析出奈米強化相，以提升最終成品強度。在一些實施例中，烤漆處理的溫度為約170℃至約205℃，且持續時間為約20分鐘至約30分鐘。

以下透過多個實施例與比較例的實驗結果，來更具體說明利用本發明之實施方式的技術內容與功效。本揭露係以AA7075鋁合金為例來說明具體作法，惟以下所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡依本發明申請專利範圍及揭露說明書內容所作之簡單地等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

多個實施例與比較例之製程條件與結果如表1所示。表1

	Fe+1.2Mn	均質化	固溶淬火處理	快速孕核處理	溫成形	烤漆處理	成品強度(TS＞550MPa)	耐撞能力
實施例1	0.51	450℃~470℃x8~24hrs+ 470℃~490℃x12~24hrs	＞460℃x30~300 sec	135℃x8~12mins	170℃~220℃x90sec	170℃~205℃x20~30mins	V	優
實施例2	0.38	115℃x 50~80mins	250℃x45sec	V	優
比較例1	0.42	121℃x24hrs	204℃x60sec	V	可
比較例2	0.24	110℃x8mins	200℃~220℃x60sec	X	可
比較例3	0.66	110℃x8mins	200℃~220℃x60sec	X	劣
比較例4	0.45	75℃x15 mins	200℃~220℃x60sec	X	劣
比較例5	0.44	70℃x180 mins	200℃~220℃x60sec	X	可
比較例6	0.53	150℃x8~12mins	200℃~220℃x60sec	X	可
比較例7	0.38	110℃x12 mins	100℃x45sec	━	━
比較例8	0.42	110℃x12 mins	300℃x45sec	X	可
比較例9	0.38	450℃x600sec	121℃x12 mins	250℃x45sec	X	X
比較例10	0.38	520℃x300sec	━	━	━	━	━
比較例11	0.38	省除	━	━	━	━	━	━

在實施例1與實施例2中，製備鋁胚，使其成分滿足上述條件。接著，鋁胚必須經過兩段式均質化處理，以消除低熔點相，並進一步將基材中之固溶原子量極大化。然後，對鋁胚進行熱軋與冷軋製程，以獲得厚度約0.2mm至約6mm之鋁捲。接下來，對鋁捲施以固溶淬火處理，以逐步提高強化元素的固溶量，並搭配快速孕核處理取代耗時費能之T6人工時效處理，來獲得鋁合金薄片。如此一來，鋁合金薄片於成形廠進行溫成形衝壓製程以及於車廠進行烤漆時，其中奈米強化相得以於此二階段不斷析出，成品強度則能持續攀升達550MPa以上。藉此，可同時滿足耐撞能力及減重的需求。

在比較例1中，係對鋁捲進行T6人工時效，而其餘製程條件與實施例1及實施例2相仿。然因具頂時效強度，故機性略優於實施例1與實施例2，但其熱處理時間冗長(例如，約12倍至約288倍)。因此，不但耗時費能，且影響產能，生產成本也相對高昂，自然不利於拓銷。

在比較例2與比較例3中，製造方式與實施例相同，唯鋁胚中錳與鐵之含量不同。在比較例2中，鐵與錳之含量偏低，以至於強度不足。而在比較例3中，鐵與錳之含量則是偏高，易產生粗大析出相，除了使得抗衝擊性不佳外，成品強度亦無法滿足需求。

在比較例4、比較例5、以及比較例6中，鋁胚成分與製造方式皆與實施例相同，唯快速孕核處理條件不同。在比較例4中，進行低溫短時間之快速孕核處理，由於溫度偏低且時間過短，最終成品效果不佳。在比較例5中，進行低溫長時間之快速孕核處理，但因溫度仍偏低，即使延長時間，最終成品效果亦不佳。在比較例6中，進行高溫短時間之快速孕核處理，但因溫度較高，所產生的晶核尺寸偏大，導致在溫成形衝壓製程與烤漆時所析出之奈米強化相的數量不足，最終成品強度也就達不到客戶需求。

在比較例7與比較例8中，鋁胚成分與製造方式皆與實施例相同，唯溫成形衝壓製程條件不同。在比較例7中，溫成形衝壓製程之溫度偏低，以致衝壓破裂，而無法獲得成品。在比較例8中，溫成形衝壓製程之溫度則太高，導致奈米強化相的數量不足，因此最終成品強度亦明顯不足。

在比較例9、比較例10、以及比較例11中，鋁胚成分與製造方式皆與實施例相同，但比較例9與比較例10中之固溶溫度不同，而比較例11中則省除兩段式均質化處理。在比較例9中，固溶溫度偏低，鋁胚中之強化元素回溶基材的效率不佳，因此最終成品強度不足。在比較例10中，固溶溫度則是過高，導致鋁胚發生局部熔解現象，故無法繼續生產。在比較例11中，未實施兩段式均質化處理，導致鑄造時所衍生之粗大晶出相無法球化，以致使發生嚴重裂邊、甚至斷裂問題，故無法繼續生產。

因此，本發明之實施方式提供一種具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法，其透過調整合金成分、兩段式均質化處理、以及熱處理製程的條件，使7xxx係鋁合金強度可提升至550MPa以上，並大幅縮短90%以上的熱處理時間。除了可有效降低成本外，同時亦具節能減廢之效果。

本發明實施方式已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明，熟習此技藝者可在不脫離本發明之精神和範圍內，做出各種改變、替換、以及變動，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 114:步驟

配合所附圖式閱讀能使本發明之目的、特徵、優勢、以及實施例能夠更簡單易懂。圖1係繪示依照本發明之實施方式之一種具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法的流程圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:步驟

102:步驟

104:步驟

106:步驟

108:步驟

110:步驟

112:步驟

114:步驟

Claims

一種具快速熱處理之鋁合金薄片的製造方法，包含：製備一鋁胚，其中該鋁胚包含4.0wt%至8.0wt%之鋅、1.5wt%至3.2wt%之鎂、1.0wt%至3.0wt%之銅、小於0.5wt%之矽、小於0.5wt%之鐵、小於0.3wt%之鈦、小於0.5wt%之錳、小於1.5wt%之其他雜質、以及平衡量之鋁，其中該錳之含量高於該鐵之含量，且1.2倍該錳之含量與該鐵之含量的總和介於0.3至0.6；對該鋁胚進行一兩段式均質化處理；對該鋁胚進行一熱軋製程，以獲得一熱軋鋁捲；對該熱軋鋁捲進行一冷軋製程，以獲得一冷軋鋁捲；對該冷軋鋁捲進行一固溶淬火處理；以及對該冷軋鋁捲進行一快速孕核處理，以獲得一鋁合金薄片，其中該快速孕核處理之一溫度為90℃至135℃，且該快速孕核處理之一持續時間為5分鐘至120分鐘。
如請求項1所述之方法，其中於進行該快速孕核處理後，該方法更包含對該鋁合金薄片進行一溫成形衝壓製程。
如請求項2所述之方法，其中該溫成形衝壓製程之一溫度為170℃至250℃，且該溫成形衝壓製程之一持續時間為30秒至120秒。
如請求項2所述之方法，其中於進行該溫成形衝壓製程後，該方法更包含對該鋁合金薄片進行一烤漆處理。
如請求項4所述之方法，其中進行該烤漆處理包含將一烤漆溫度控制在170℃至205℃，以及將一烤漆時間控制在20分鐘至30分鐘。
如請求項1所述之方法，其中製備該鋁胚包含使用一回收料調控該鋁胚之成分。
如請求項1所述之方法，其中該鋁胚為7xxx系鋁合金。
如請求項1所述之方法，其中進行該兩段式均質化處理包含：進行一第一段均質化處理，其中該第一段均質化處理之一溫度為450℃至470℃，且該第一段均質化處理之一持續時間為8小時至24小時；以及進行一第二段均質化處理，其中該第二段均質化處理之一溫度為470℃至490℃，且該第二段均質化處理之一持續時間為12小時至24小時。
如請求項1所述之方法，其中對該冷軋鋁捲進行該固溶淬火處理包含：將該冷軋鋁捲加熱至一固溶溫度，並使該冷軋鋁捲於該固溶溫度下持溫20秒至300秒，其中該固溶溫度為460℃至510℃；以及對該冷軋鋁捲施予一水淬處理，以將該冷軋鋁捲之溫度降至室溫。