CN109415780A - 6xxx系列铝合金锻造坯料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料，其具有在2mm到30mm的范围内的厚度并具有以wt.％计的以下组成：Si 0.65％–1.4％，Mg 0.60％–0.95％，Mn 0.40％–0.80％，Cu 0.04％–0.28％，Fe至多0.5％，Cr至多0.18％，Zr至多0.20％，Ti至多0.15％，Zn至多0.25％，杂质，每种杂质<0.05％，总量<0.2％，余量的铝，并且其中，所述热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料具有基本上未再结晶的微观结构。本发明还涉及制造这种6xxx系列热轧铝合金锻造坯料的方法。此外，本发明涉及由6xxx系列铝合金锻造坯料锻造成形产品的方法。

Description

6xxx系列铝合金锻造坯料及其制造方法

技术领域

本发明涉及6xxx系列铝合金锻造坯料。本发明还涉及这种6xxx系列铝合金锻造坯料的制造方法。此外，本发明涉及特别是通过锻造使由所述6xxx系列铝合金锻造坯料制得的成形产品热成形的方法。6xxx系列铝合金材料可以用于制造锻造汽车结构件。

背景技术

本领域已知有数种6xxx系列铝合金，这些6xxx系列铝合金被挤压成原料以用于随后在高温下变为各种结构部件的锻造操作。

经常用于制造锻造产品的铝合金是在美国铝业协会(Aluminium Association)注册的合金AA6082，其具有以wt.％计的以下组成：

余量的杂质和铝。由T6状态下的AA6082合金制成的锻造产品具有高的机械性能。

用于制造锻件的另一种合金是具有以wt.％计的以下组成的AA6182：

余量的杂质和铝。

专利文献EP-2644725-B1(Kobe)公开了一种铝合金锻造材料的生产工艺，该铝合金锻造材料包括(以wt.％计)：0.6-1.2％的Mg，0.7-1.5％的Si，0.1-0.5％的Fe，0.01-0.1％的Ti，0.3-1.0％的Mn，0.1-0.4％的Cr和0.05-0.2％的Zr中的一者或两者，小于0.1％的Cu，小于0.05％的Zn，其余为铝和不可避免的杂质，该生产工艺包括以下步骤：铸造这种合金的铸锭，在450℃至540℃的范围内的温度下挤压铸锭以提供锻造原料，在500℃至560℃下将挤压的锻造原料加热超过0.75小时，在450℃至560℃的温度下将锻造原料锻造成所需形状，随后对锻造后的材料进行固溶热处理以及淬火和人工老化。

专利文献WO-2015/146654-A1(Kobe)公开了一种铝合金锻造材料的生产工艺，该铝合金锻造材料含有(以wt.％计)：0.70-1.50％的Mg，0.80-1.30％的Si，0.30-0.90％的Cu，0.10-0.40％的Fe，0.005-0.15％的Ti，以及任选地选自0.10-0.60％的Mn、0.10-0.45％的Cr和0.05-0.30％的Zr的一种或多种元素，余量的铝和不可避免的杂质，该生产工艺包括以下步骤：铸造铸锭，挤压铸锭以提供锻造原料，在高温下将锻造原料锻造成所需形状，随后对锻造后的材料进行固溶热处理以及淬火和人工老化。

发明内容

本发明的目的是提供用于制造在强度和延展性方面具有良好的平衡的锻造产品的6xxx系列铝合金锻造原材料。本发明的另一个目的是提供用于制造在强度和延展性方面具有良好的平衡的锻造产品的6xxx系列铝合金锻造原材料的制造方法。

具体实施方式

应当理解的是，除非另有说明，否则铝合金牌号和状态代号(temperdesignations)是指由美国铝业协会于2016年出版的“Aluminium Standards and Dataand the Registration Records”中的铝业协会代号(Aluminium Associationdesignations)，并为本领域技术人员所熟知的。在欧洲标准EN515中规定了状态代号。

对于合金组成或优选合金组成的任何描述，除非另有说明，否则所提到的所有百分数均为重量百分数。

如本文所使用的，术语“至多”和“至多约”明确地包括但不限于其所指的特定合金组分的零重量百分比的可能性。例如，至多0.25％的Zn可以包括不含Zn的合金。

如本文所使用的，术语“约”当用于描述合金添加的组成范围或量时是指合金添加的实际量可以与标称预期量不同，这是由于如本领域技术人员所理解的诸如标准工艺变化等因素造成的。

本发明通过提供一种热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料而满足或超出了这个和其他目的以及进一步的优点，其中所述热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料适于制造汽车结构件并且最终厚度在2mm到30mm的范围内，优选地在2mm到20mm的范围内，更优选地在2mm到15mm的范围内，并且具有以wt.％计的以下组成，

杂质，每种杂质<0.05％，总量<0.2％，余量的铝，

并且其中，在热轧状态下，所述热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料具有基本上未再结晶的微观结构。

在热轧状态下合金化组分和微观结构之间的微妙平衡允许随后生产在强度和延展性方面具有良好的平衡的锻造产品。与使用挤压的原材料相比，使用热轧原料允许生产更宽的锻造产品。此外，与需要专用的挤压模具并且其中只能加工有限尺寸的坯(billet)的挤压工艺相比，轧制原料的制造是一种能够以更具成本效益的方式生产大体积锻造原料的稳健生产工艺。此外，轧制原料在产品中提供了更均匀的微观结构，并且避免出现所谓的型材过热点(hot-spot)，型材过热点在挤压工艺中例如由于共晶相的非平衡熔化而可能经常出现，该共晶相的非平衡熔化是由于在挤压工艺中跨过型材的温度波动所导致的。

对于基本上未再结晶的微观结构，我们是指在整个热轧轧制产品的厚度上超过85％，优选地超过90％，更优选地超过95％的微观结构基本上是未再结晶的。

有目的地添加Mg和Si由于元素Si和在Mg的共存下形成的Mg₂Si的沉淀硬化而增强了铝合金。为了在最终产品中提供足够的强度水平，Si含量应为至少0.65％，优选地至少0.8％，更优选地至少0.90％。Si含量的优选上限为1.30％，更优选地为1.25％。

基本上因为与Si含量相同的原因，Mg含量应为至少0.60％，优选地至少0.65％，更优选地至少0.70％，以为最终产品提供足够的强度。Mg含量的优选上限为0.85％，更优选地为0.80％。

Mn的添加用于在合金产品中提供所需的微观结构并增加强度和延展性。应存在至少0.40％，优选地至少0.50％，更优选地至少0.55％的Mn。Mn含量不应超过0.80％，优选地不超过0.70％，更优选地不超过0.65％，以在强度、韧性和延展性方面提供适当的平衡。

有目的地添加Cu是本发明的基本特征，以便在最终产品中实现所需的机械性能和物理性能的平衡。优选地，铝合金具有至少0.08％的Cu，更优选地至少0.12％。Cu含量的优选上限为0.27％，更优选地为至多0.24％。

重要的是，铝合金产品中的Fe含量不应超过约0.5％，优选地不应超过约0.35％，以便保持性能的平衡。Fe含量过高会对最终产品的韧性和延展性产生不利影响。更优选的Fe含量的上限为0.30％。较低的Fe含量有利于合金产品的延展性。Fe含量的下限为约0.1％，更优选地为约0.15％。Fe含量过低会使铝合金产品非常昂贵。

为了在热轧操作期间和在随后的热成形操作期间控制晶粒结构，优选地，有目的地单独添加Zr或单独添加Cr，或者添加Zr和Cr的组合。

在实施例中，Zr的添加量优选地在0.05％到0.20％的范围内。Zr含量的优选下限为0.06％。Zr含量的优选上限为约0.16％。

在实施例中，Cr的含量应在0.06％到0.18％的范围内。Cr含量的优选上限为约0.14％，优选地为约0.12％，更优选地为0.09％。

在另一实施例中，组合地添加有Zr和Cr，合金元素Cr和Zr中的各者在如本文所述的范围内，并且Zr+Cr的组合添加量的总和不超过0.30％，优选地不超过0.25％。Zr和Cr的组合添加在抑制晶粒生长和控制最终锻造产品中的晶粒尺寸方面是最有效的。

锌是一种杂质元素，可以容许至多约0.25％，优选地至多0.10％，并且更优选地尽可能低，例如0.05％以下。

在铸造合金铸锭期间可以将钛添加到铝合金产品中以用于晶粒细化剂的目的。Ti的添加量不应超过约0.15％，优选地不应超过0.1％。Ti添加量的优选下限为0.01％，并且Ti的优选上限通常为0.05％，并且Ti可以作为单独元素添加，或如本领域中已知的，与用作铸造助剂的硼和碳一起添加，以用于晶粒尺寸控制。

可以存在不可避免的杂质，每种杂质至多约0.05％并且总量至多约0.20％，其余为铝。

在优选实施例中，铝合金产品具有以wt.％计的以下组成，

杂质，每种杂质<0.05％，总量<0.2％，余量的铝，并且具有如本文所述和所要求保护的优选的较窄范围。

在本发明的另一方面，涉及制造本发明的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料的方法，该方法包括以下步骤：

a.铸造形成热轧原料的铸锭，

b.在460℃到580℃的范围内的温度下使铸造的铸锭均质化，

c.在一个或多个轧制道次中热轧至2到30mm的范围内的最终规格(gauge)，并且其中，热轧机出口温度在200℃到360℃的范围内。

在热轧状态下合金化组分和提供基本上未再结晶的微观结构之间的微妙平衡允许生产在强度和延展性方面具有良好的平衡的锻造产品。与使用挤压的原材料相比，使用热轧原料允许生产更宽的锻造产品。此外，与需要专用的挤压模具并且其中只能加工有限尺寸的坯的挤压工艺相比，轧制原料的制造是一种能够以更具成本效益的方式生产大体积锻造原料的稳健生产工艺。此外，轧制原料在产品中提供了更均匀的微观结构，并且避免出现所谓的型材过热点，型材过热点在挤压工艺中例如由于共晶相的非平衡熔化而可能经常出现，该共晶相的非平衡熔化是由于在挤压工艺中跨过型材的温度波动所导致的。

铝合金可以作为铸锭或板坯提供，以使用铸造产品领域常规的铸造技术(例如DC铸造、EMC铸造、EMS铸造)制造成热轧原料，并且优选地具有在约220mm以上的范围内(例如300mm或350mm)的铸锭厚度。在实施例中，也可以使用由例如带式连铸机或辊式连铸机等的连续铸造产生的厚度至多为约40mm的薄规格板坯。如本领域众所周知的，也可以使用诸如含有钛和硼或者钛和碳的晶粒细化剂等晶粒细化剂。在铸造热轧原料之后，通常对铸态铸锭进行剥皮，以去除铸锭的铸造表面附近的偏析区(segregation zone)。

均质化应在460℃以上的温度下进行。如果均质化温度低于460℃，则铸锭偏析的降低和均质化可能不足。这会导致有助于强度的Mg₂Si组分的溶解不充分，从而可能降低可成形性。优选地，均质化在480℃以上的温度下进行。均质化温度不应超过570℃，并且优选地，其不超过560℃。更优选地，均质化在480℃到520℃的温度范围内进行。在存在高体积分数的含Mn、Zr和Cr的分散体的情况下，优选地在520℃以下的温度下均质化，以便避免这些颗粒的任何粗化。

可以应用的加热速率是本领域常规的加热速率。

均质化的均热时间应为至少约2小时，并且更优选地，至少约4小时。均质化均热时间的优选上限为约24小时，并且更优选地为15小时。

在实施例中，铸造的铸锭在如本文所述的温度和均热时间下均质化，然后使用水淬***淬火至低于100℃，以确保组分颗粒的高水平溶解，并随后再加热到热轧机入口温度。

在下一个加工步骤中，铸锭在一个或多个轧制步骤中热轧至最终规格，其范围为2mm到30mm，优选地为2mm到20mm，更优选地为2mm到15mm。根据本发明的方法避免了对通过冷轧进一步减小规格的需要。仔细控制热轧工艺，使得热轧机出口温度在200℃到360℃的范围内，优选地在230℃到280℃的范围内，以确保热轧原料具有基本上未再结晶的微观结构。在该温度范围内的热轧机出口温度抑制了诸如Si和Mg₂Si和AlMgCu相等二次相的粗析出，从而能够在最终锻造产品中实现高强度和良好延展性的平衡。在过高的热轧机出口温度下，最终锻造产品中的晶粒尺寸太粗，例如平均晶粒尺寸超过90微米。

在优选的基础上，热轧机入口温度在400℃到550℃的范围内，优选地在435℃到535℃的范围内，更优选地在500℃以下，以便达到所需的热轧机出口温度。

在热轧操作之后，可以对原料进行卷绕或定长剪切。

其后，可以使用下列加工步骤通过热成形工艺将最终规格的锻造原材料加工成所需的成形产品，特别是加工成汽车结构件：

d.对最终规格的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造原材料进行固溶热处理(“SHT”)，并且优选地随后进行淬火操作使温度低于70℃。通常在与铸造的铸锭的均质化相同的温度范围内，即在460℃到560℃的范围内进行固溶热处理，但是通常具有至多约5小时(例如约0.5小时或约1小时)的较短均热时间。在优选实施例中，固溶热处理的温度在520℃到560℃的范围内，并且优选地，刚好高于Mg₂Si和Si相的固溶线温度。在固溶热处理之后，优选地将材料快速冷却或淬火至低于70℃。

e.任选地将固溶热处理后的材料再加热到热成形温度，或可选择地，不将固溶热处理后的材料冷却到环境温度，而是通过使从固溶热处理炉到热成形压机的转移中的任何热损失最小化而使固溶热处理后的材料直接热成形；

f.优选地通过锻造(例如模锻)热成形为所需的成形产品，并且其中优选地，锻造模具被预加热，并且优选地，在原料在400℃到560℃的范围内的温度下进行锻造操作，并且优选地使用水淬进行快速冷却。这导致锻造产品的基本上再结晶的微观结构。任选地，锻造产品在室温下自然老化至多30小时，并且优选地5小时至30天，然后进行人工老化；

g.优选地通过应用一个或多个老化步骤对热成形的成形产品进行人工老化，以达到最终性能，并且其中至少一个老化步骤包括将热成形的成形产品在150℃与210℃之间的温度下保持0.5小时到20小时的时间段，并且优选地保持0.5小时到10小时的时间段。

在实施例中，热成形产品或锻造产品优选地在约460℃到560℃的温度下，优选地在约500℃到560℃的温度下，经受20分钟到8小时，优选地20分钟到2小时的固溶热处理(SHT)，并且在人工老化之前淬火至低于70℃，人工老化通过应用一个或多个老化步骤使所述产品在老化后达到T6X状态，并且其中至少一个老化步骤包括将热成形的成形产品在150℃与210℃之间的温度下保持0.5小时到15小时的时间段。例如，在175℃下保持8小时，或在160℃下保持10小时。

本发明旨在包含使用热轧原材料制造锻造产品的数个可选择的生产路线，例如非限制性生产路线至少包括以下顺序的加工步骤：

路线A：热轧原料的SHT，锻造，锻造产品任选的淬火，和人工老化。

路线B：热轧原料的SHT，在SHT的温度范围下锻造，锻造产品的淬火，和人工老化。

路线C：热轧原料的SHT，淬火，再加热至锻造温度，锻造，锻造产品任选的淬火，和人工老化。

路线D：热轧原料的SHT，淬火，再加热至锻造温度，锻造，锻造产品任选的淬火，SHT和SHT产品的淬火，和人工老化。

在本发明的另一方面，涉及由热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料制成的或通过使用这种热轧6xxx系列锻造坯料制造锻造产品的方法获得的具有基本上再结晶的微观结构的锻造结构构件。对于基本上再结晶的微观结构，我们是指在整个锻造产品的厚度上超过90％，优选地超过95％，更优选地超过97％的微观结构是基本上再结晶的。

在实施例中，T6x状态下的锻造产品当根据2010年12月的VDA238-100在2mm板材上测量时，在LT方向上的等效弯曲角为60°以上，优选地70°以上，更优选地80°以上。弯曲角表示锻造材料的延展性，其中较高的弯曲角表示较高的延展性。对于锻造产品的其中应耐受特别是在车辆碰撞情况下的高速冲击的应用来说，期望作为工程参数的高延展性。在该状态下的锻造产品的拉伸屈服强度为至少330MPa，并且优选地为至少335MPa。

在实施例中，T6x状态下的锻造产品在L方向上的拉伸屈服强度为至少350MPa，并且优选地为至少360MPa。

锻造产品可以用作汽车结构构件上以及非汽车结构构件中的结构构件。

汽车结构构件包括侧面防撞梁、B柱内构件和外构件、A柱外构件、通道加强件、门带加强构件、铰链加强构件。

此外，本发明涉及通过本文所述的优选实施例，使用铸造、均质化的热轧原材料(即通过所述加工步骤a.至c.获得的所得中间产物)经由所述加工步骤d.至g.制造锻造产品。

本发明不限于前面所述的实施例，本发明可以在由所附权利要求书限定的本发明的范围内广泛地变化。

Claims (17)

1.一种热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料，其厚度在2mm至30mm的范围内并且具有以wt.％计的以下组成：

Si 0.65％–1.4％，

Mg 0.60％–0.95％，

Mn 0.40％–0.80％，

Cu 0.04％–0.28％，

Fe 至多0.5％，

Cr 至多0.18％，

Zr 至多0.20％，

Ti 至多0.15％，

Zn 至多0.25％，

杂质，每种杂质<0.05％，总量<0.2％，余量的铝，

并且其中，所述热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料具有基本上未再结晶的微观结构。

2.如权利要求1所述的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料，其中，Cu含量在0.08％到0.27％的范围内，并且优选地在0.12％到0.27％的范围内。

3.如权利要求1或2所述的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料，其中，Mn含量在0.50％到0.70％的范围内。

4.如权利要求1至3中任一项所述的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料，其中，Si含量在0.8％到1.30％的范围内。

5.如权利要求1至4中任一项所述的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料，其中，Mg含量在0.70％到0.90％的范围内，优选地在0.70％到0.85％的范围内。

6.如权利要求1至5中任一项所述的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料，其中，Cr含量在0.06％到0.18％的范围内，优选地在0.06％到0.14％的范围内。

7.如权利要求1至6中任一项所述的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料，其中，Zr含量在0.05％到0.20％的范围内，并且优选地在0.05％到0.16％的范围内。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料的制造方法，所述方法包括以下步骤：

-铸造形成热轧原料并且具有如权利要求1至7中任一项所述的组成的铸锭；

-在460℃到570℃的范围内的温度下使铸造的所述铸锭均质化；

-在一个或多个轧制道次中热轧至在2到30mm范围内的热轧机出口规格，并且其中，热轧机出口温度在200℃到360℃的范围内。

9.如权利要求8所述的方法，其中，热轧机入口温度在400℃到550℃的范围内，优选地在435℃到535℃的范围内，并且更优选地在435℃到低于500℃的范围内。

10.一种使用热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料制造锻造产品的方法，所述方法包括以下步骤：

-对如权利要求8或9所述的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料进行固溶热处理；

-热成形为成形产品并且具有基本上再结晶的微观结构；以及

-对所述成形产品进行人工老化，优选地人工老化至T6x状态。

11.如权利要求10所述的方法，其中，将所述成形产品人工老化至T6x状态。

12.如权利要求10或11所述的方法，其中，所述热成形是通过锻造的方式，更优选地通过模锻的方式。

13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述成形产品在热成形为成形产品之后但是在人工老化之前进行固溶热处理。

14.如权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，在人工老化之后的所述成形产品，优选为锻造产品，当根据VDA 238-100在2mm产品上测量时，具有至少60°的弯曲角，优选具有至少70°的弯曲角。

15.如权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，在人工老化之后的所述成形产品，优选为锻造产品，具有至少330MPa的拉伸屈服强度。

16.具有在2mm到30mm的范围内的厚度并且具有以wt.％计的以下组成的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料的用途：

Si 0.65％–1.4％，

Mg 0.60％–0.95％，

Mn 0.40％–0.80％，

Cu 0.04％–0.28％，

Fe 至多0.5％，

Cr 至多0.18％，

Zr 至多0.20％，

Ti 至多0.15％，

Zn 至多0.25％，

杂质，每种杂质<0.05％，总量<0.2％，余量的铝，

并且其中，所述热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料具有基本上未再结晶的微观结构，并且是在制造具有基本上再结晶的微观结构的锻造产品，优选模锻产品时，通过如权利要求8或9所述的方法而获得的。

17.具有在2mm到30mm的范围内的厚度并且具有以wt.％计的以下组成的热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料的如权利要求16所述的用途：

Si 0.65％–1.4％，

Mg 0.60％–0.95％，

Mn 0.40％–0.80％，

Cu 0.04％–0.28％，

Fe 至多0.5％，

Cr 至多0.18％，

Zr 至多0.20％，

Ti 至多0.15％，

Zn 至多0.25％，

杂质，每种杂质<0.05％，总量<0.2％，余量的铝，

并且其中，所述热轧半成品6xxx系列铝合金锻造坯料具有基本上未再结晶的微观结构，并且是在根据权利要求10至15中任一项制造锻造产品，优选模锻产品时，通过如权利要求8或9所述的方法而获得的。