CN110945153A

CN110945153A - 铝合金板及其制造方法

Info

Publication number: CN110945153A
Application number: CN201880049900.1A
Authority: CN
Inventors: 新里喜文; 永井健史; 浅野峰生
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-03-31
Also published as: JP2019026876A; WO2019021899A1; KR20200034729A; US20200157668A1

Abstract

本发明的铝合金板具有如下组成：以质量％计，含有Si：0.03～0.35％、Fe：0.03～0.35％、Mg：3.0～5.0％、Cu：大于0.09％且小于0.50％及Mn：大于0.05％且0.35％以下，余量由Al及不可避免的杂质构成。

Description

铝合金板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金板，尤其涉及具有高拉伸强度且冲压成型性及抗应力腐蚀开裂性也优异的Al-Mg系铝合金板及其制造方法，铝合金板作为例如以汽车车身座椅、车身板为代表的各种汽车用构件、部件、用于船舶、飞机等的构件、部件、或者建筑材料、结构材料、其它各种机械器具、家用电器及其部件等的材料，实施成型加工及烤漆后而使用。

背景技术

在汽车中使用的车身座椅中，通常，使用冷轧钢板的情况较多，但近来，从抑制全球变暖及降低能源成本等观点来看，迫切期望减轻汽车重量，提高燃料效率，因此，代替传统的冷轧钢板，越来越倾向于对汽车的车身座椅使用强度与冷轧钢板大致同等但比重约为三分之一的铝合金板。

因此，作为汽车车身座椅用铝合金，使用Al-Mg系合金、例如5056、5082、5182、5083、5086等含有3.5质量％以上Mg的5000系Al合金。这些Al-Mg系合金由于强度高，成型性良好且焊接性也优异，因此用作焊接结构构件。

但是，当在施加应力的状态下长期使用上述Al-Mg系合金作为结构材料时，由于Mg含量高，有容易产生应力腐蚀开裂之类的问题。为了防止该应力腐蚀开裂，在由Al-Mg系合金形成的基材上实施涂装等表面处理的方法是有效的，但该基材有时必须在无涂装的情况下作为结构材料使用，因此，要求由Al-Mg系合金形成的基材本身具有优异的抗应力腐蚀开裂性。

已知在Al-Mg系合金中，随着时间推移而β相(Al₃Mg₂)在晶界优先连续析出，该晶界析出的β相会加快应力腐蚀开裂。因此，一直以来为了防止Mg含量多的Al-Mg系合金的应力腐蚀开裂，提出了各种抑制β相在晶界连续析出的方案。

例如，在专利文献1中记载了一种成型加工用Al-Mg-Cu系铝合金板的制造方法，在该方法中，在热轧及冷轧后进行固溶处理，然后，在高温区域与低温区域以不同冷却速度的条件分两个阶段进行冷却，并加快低温区域的冷却速度，由此可以防止冷却过程中β相向晶界的连续析出。

此外，在专利文献2中记载了一种结构用铝合金板，其含有3.5～5.5％的Mg，最终退火处理后的强度为250N/mm²以上，所述退火处理后的导电率为26.5～29.6IACS％，根据该记载，通过形成所述导电率为29.6IACS％以下的、包括β相在内的析出物总析出及固溶状态，可以在不降低强度特性的情况下提高抗应力腐蚀开裂性。

(现有技术文献)

(专利文献)

专利文献1：JP特开2003-231956号公报

专利文献2：JP特开2001-32031号公报

但是，专利文献1记载的铝合金板存在如下问题：由于Cu的含量高达0.5～1.8mass％，因此热加工性低，且形成粗大化合物，成型性差，另外还存在如下问题：为了制造这样的铝合金板，固溶处理后需要分两个阶段进行冷却，且需要加快低温区域的冷却速度，但是若加快冷却速度则处理后的平坦度等形状精度会劣化。

此外，专利文献2记载的结构用铝合金板仅含有Mg作为必需含有成分，且限定了最终退火处理后的强度及导电率，但并未公开或暗示含有Mg以外的特定成分是否会影响拉伸强度、冲压成型性及抗应力腐蚀开裂性的优劣，此外，为了制造这样的铝合金板，需要加快铸造时的冷却速度，且需要加快冷轧时的中间退火、及冷轧后的最终退火中加热后冷却的冷却速度，从而因制造工序数量增加、制造条件的控制严格而导致生产性降低。

发明内容

(发明要解决的问题)

本发明着眼于这样的情况而研究完成，其目的是提供一种具有高拉伸强度且冲压成型性及抗应力腐蚀开裂性也优异的铝合金板、尤其是Al-Mg系的铝合金板及其制造方法。

(用于解决问题的方案)

为了解决上述问题，本发明人对Al-Mg系合金的组成成分及制造工艺进行了各种实验与研究，发现通过将组成成分及制造工艺限定在适当的条件下，就能控制铝合金板中存在的金属间化合物的尺寸及数密度，由此成功开发了维持高拉伸强度且冲压成型性及抗应力腐蚀开裂性也优异的铝合金板，从而完成了本发明。

即，铝合金板及其制造方法的各实施方式如以下所示。

(1)一种铝合金板，其特征在于，具有如下组成：以质量％计，含有Si：0.03～0.35％、Fe：0.03～0.35％、Mg：3.0～5.0％、Cu：大于0.09％且小于0.50％、及Mn：大于0.05％且0.35％以下，余量由Al及不可避免的杂质构成。

(2)根据上述(1)所述的铝合金板，其特征在于，等效圆直径为0.1～0.5μm且不含Cu的金属间化合物的数密度为1×106个/mm2以下。

(3)根据上述(1)所述的铝合金板，其特征在于，等效圆直径为0.3～4μm且含有Cu的金属间化合物的数密度为1×104个/mm2以上。

(4)根据上述(1)所述的铝合金板，其特征在于，含有Cu：0.13～0.35质量％。

(5)根据上述(1)所述的铝合金板，其特征在于，所述组成还含有Ti：0.05质量％以下、及B：0.05质量％以下中的一种或两种。

(6)一种铝合金板的制造方法，其特征在于，用于制造具有如下组成的铝合金板：以质量％计，含有Si：0.03～0.35％、Fe：0.03～0.35％、Mg：3.0～5.0％、Cu：大于0.09％且小于0.50％、及Mn：大于0.05％且0.35％以下，余量由Al及不可避免的杂质构成，

在该制造方法中，对具有所述组成的铝合金材料进行铸造而得到铸锭，对该铸块以490～580℃范围内的第1温度实施均质化处理，然后，以平均冷却速度为500～3000℃/h范围内冷却至430～500℃范围内且低于所述第1温度的第2温度，并维持所述第2温度开始热轧，接下来，以320～380℃范围内的第3温度卷取，然后，依次进行冷轧及最终退火处理。

(7)根据上述(6)所述的铝合金板的制造方法，其特征在于，

所述第1温度在500～570℃范围内，

所述第2温度在440～490℃范围内，

所述第3温度在340～360℃范围内。

(发明效果)

根据一实施方式，通过铝合金板具有如下组成：以质量％计，含有Si：0.03～0.35％、Fe：0.03～0.35％、Mg：3.0～5.0％、Cu：大于0.09％且小于0.50％、及Mn：大于0.05％且0.35％以下，余量由Al及不可避免的杂质构成，从而能够提供具有高拉伸强度且冲压成型性及抗应力腐蚀开裂性也优异的铝合金板、尤其是Al-Mg系的铝合金板及其制造方法。

具体实施方式

接下来，说明优选的实施方式。

一实施方式所涉及的铝合金板具有如下组成：以质量％计，含有Si：0.03～0.35％、Fe：0.03～0.35％、Mg：3.0～5.0％、Cu：大于0.09％且小于0.50％、及Mn：大于0.05％且0.35％以下，余量由Al及不可避免的杂质构成。

以下，示出一实施方式所涉及的铝合金板的化学组成的限定理由。另外，化学组成中的元素含量的单位均为“质量％”，但在下文中，除非另有说明，否则仅用“％”表示。

(I)化学组成

＜Si：0.03～0.35％＞

Si(硅)具有提高抗应力腐蚀开裂性的作用，在一实施方式中是重要成分之一。如果Si含量小于0.03％，则不能防止β相(Al₃Mg₂)向晶界的优先析出，抗应力腐蚀开裂性变差，最终退火后的晶粒粗大化并容易出现表面粗糙。此外，如果Si含量大于0.35％，则会形成金属间化合物，冲压成型性、尤其是拉伸性及深拉深性劣化。因此，Si含量设为0.03～0.35％的范围，优选设为0.09～0.25％的范围。

＜Fe：0.03～0.35％＞

Fe(铁)与Si同样，也具有提高抗应力腐蚀开裂性的作用，在一实施方式中是重要的成分之一。如果Fe含量小于0.03％，则不能防止β相(Al₃Mg₂)向晶界的优先析出，抗应力腐蚀开裂性变差，最终退火后的晶粒粗大并容易出现表面粗糙。此外，如果Fe含量大于0.35％，则会形成金属间化合物，冲压成型性、尤其是拉伸性、深拉深性劣化。因此，Fe含量设为0.03～0.35％的范围，优选设为0.09～0.25％的范围。

＜Mg：3.0～5.0％＞

Mg(镁)是具有提高加工硬化性、提高拉伸性及深拉深性的作用的成分。为了发挥这样的作用，Mg含量需要为3.0％以上。此外，即使将Mg含量设为大于5.0％，不仅无法期待上述特性进一步提高的效果，而且抗应力腐蚀开裂性、热轧性会显著降低。因此，Mg含量设为3.0～5.0％的范围，优选设为3.2～4.7％的范围内。

＜Cu：大于0.09％且小于0.50％＞

Cu(铜)与Mg同样，是具有提高加工硬化性、提高拉伸性及深拉深性的作用的成分。此外，Cu还具有通过形成Al-Mg-Cu系化合物，来抑制β相的晶界析出从而提高抗应力腐蚀开裂性的作用。为了发挥这样的作用，需要包含大于0.09％的Cu含量。此外，如果Cu含量为0.50％以上，则热加工性降低且形成粗大的化合物，冲压成型性降低。因此，Cu含量设为大于0.09％且小于0.50％的范围，优选设为大于0.09且小于等于0.35％的范围。

＜Mn：大于0.05％且0.35％以下＞

Mn(锰)是具有提高最终热处理后的再结晶晶粒的微细化及强度的作用的成分。为了发挥上述作用，Mn含量需要大于0.05％。另一方面，如果Mn含量大于0.35％，则再结晶晶粒的大小变得过小，冲压成型后的合金板表面容易产生拉伸应变痕迹(出现在合金板表面的歪曲图形(褶皱))，进而成型性也降低。

如上所述，一实施方式的铝合金板以Si、Fe、Mg、Cu及Mn为必需含有成分，但根据需要，也可以进而含有Ti：0.05％以下、及B：0.05％以下中的一种或两种。

＜Ti：0.05％以下、及B：0.05％以下中的一种或两种＞

Ti及B是具有使铸锭的晶粒微细化的作用的成分。Ti及B的含量均为0.05％以下的范围，这是因为只要不大于0.05％则不会对冲压成型性、抗应力腐蚀开裂性产生不利影响。

＜余量：Al及不可避免的杂质＞

除了上述各元素以外，含有Al(铝)及不可避免的杂质。

V、Sc、Na、Be、Bi以0.1％以下的范围含有，不会对一实施方式的实施造成影响。

(II)金属间化合物的数密度

(i)等效圆直径为0.1～0.5μm且不含Cu的金属间化合物的数密度为1×10⁶个/mm2以下

一实施方式的铝合金板优选等效圆直径为0.1～0.5μm且不含Cu的金属间化合物的数密度为1×10⁶个/mm²以下。不含Cu的金属间化合物如果等效圆直径大于0.5μm、或者数密度大于1×10⁶个/mm²，则具有冲压成型性及抗应力腐蚀开裂性降低的倾向。此外，如果不含Cu的金属间化合物的等效圆直径小于0.1μm，则具有虽然成型性良好，但抗应力腐蚀开裂性降低的倾向。因此，优选等效圆直径为0.1～0.5μm且不含Cu的金属间化合物的数密度为1×10⁶个/mm²以下。另外，不含Cu的金属间化合物的数密度的下限值并无特别限定，但从冲压成型性的观点来看，优选为0.5×10⁴个/mm²。另外，这里所谓“等效圆直径”是指将观察到的颗粒的面积换算成等效圆时的直径(等效圆直径)。

(ii)等效圆直径为0.3～4μm且含有Cu的金属间化合物的数密度为1×10⁴个/mm²以上

一实施方式的铝合金板，优选等效圆直径为0.3～4μm且含有Cu的金属间化合物的数密度为1×10⁴个/mm²以上。含有Cu的金属间化合物如果等效圆直径小于0.3μm、或者数密度小于1×10⁴个/mm²，则具有虽然成型性良好，但无法充分抑制β相(Al₃Mg₂)向晶界的析出，耐应力腐蚀开裂性降低的倾向。此外，如果含有Cu的金属间化合物的等效圆直径大于4μm，则具有冲压成型性劣化的倾向。因此，优选等效圆直径为0.3～4μm且含有Cu的金属间化合物的数密度为1×10⁴个/mm²以上。另外，含有Cu的金属间化合物的数密度的上限值并无特别限定，从冲压成型性的观点来看，优选为7×10⁵个/mm²。进而，铝合金板中存在的金属间化合物的等效圆直径、数密度可以通过对利用透射电子显微镜观察由铝合金板制作的薄膜样品得到的观察照片进行解析而测定。此外，观察到的析出物是含有Cu的金属间化合物、还是不含铜的金属间化合物，可以通过使用透射电子显微镜具备的元素分析装置进行各析出物的元素分析来确定。进而，含有Cu的金属间化合物及不含铜的金属间化合物的等效圆直径、数密度会因制造过程中的热处理等金属间化合物的固溶状态、析出状态发生变化的制造条件(处理或工序)而发生较大改变，因此，在后述制造方法中可以通过制造铝合金板来进行控制。

(III)铝合金板的制造方法

接下来，在下文中说明一实施方式的铝合金板的制造方法的优选实施方式。

一实施方式的铝合金板的制造方法中，特别重要的是控制从对铸锭实施均质化处理后的时间点开始的冷却速度、及其后进行的热轧的开始温度，使其在适当的范围内。

首先，按照常规方法溶制上述成分组成(组成为：以质量％计，含有Si：0.03～0.35％、Fe：0.03～0.35％、Mg：3.0～5.0％、Cu：大于0.09％且小于0.50％及Mn：大于0.05％且0.35％以下，余量由Al及不可避免的杂质构成)的铝合金，并适当地选择连续铸造法、半连续铸造法等常规铸造法来进行铸造。然后对得到的铸锭以490～580℃、优选500～570℃范围内的第1温度实施均质化处理。如果所述第1温度小于490℃，则可能无法消除铸造时形成的添加元素的偏析，并且可能无法获得充分的成型性，此外，如果大于580℃，则处理时可能会发生共晶熔化，并且热轧时可能产生开裂。均质化处理的处理时间并无特别限定，例如可以设为0.5小时以上且24小时以下的范围。

接下来，对铸锭实施上述均质化处理后，以如下平均冷却速度冷却到430～500℃范围内、优选440～490℃范围内且低于第1温度的第2温度，所述平均冷却速度、更优选在铸锭的1/4厚度位置处测定的平均冷却速度为500～3000℃/h范围内，并保持所述第2温度开始热轧。这里，含有Cu的金属间化合物的形成具有提高抗应力腐蚀开裂性的作用，另一方面，不含有Cu的金属间化合物的形成具有降低抗应力腐蚀开裂性的作用，但如果所述平均冷却速度大于3000℃/h，则具有妨碍含有Cu的金属间化合物的形成，从而抗应力腐蚀开裂性降低的倾向，此外，如果所述平均冷却速度小于500℃/h，则具有加快不含有Cu的金属间化合物的形成，从而抗应力腐蚀开裂性降低的倾向。这里，将平均冷却速度的测定位置设为“1/4厚度位置”是因为1/4厚度位置的温度变化过程对材料性能的影响较大。此外，将第2温度限定在430～500℃范围内的理由是，如果第2温度小于430℃，则热轧时可能产生咬合不良，此外，如果第2温度大于500℃，则热轧时可能产生开裂。因此，在一实施方式中，对铸锭实施了上述均质化处理后，以平均冷却速度为500～3000℃/h范围内冷却到430～500℃范围内且低于第1温度的第2温度，，并保持第2温度开始热轧。

在上述热轧之后，以320～380℃范围内、优选340～360℃范围内的第3温度进行卷取，然后，依次进行冷轧及最终退火处理。将卷取温度设为320～380℃范围内的第3温度的理由是，如果第3温度小于320℃，则热轧后可能无法获得再结晶组织，冲压成型后可能产生表面不良(轧制方向偏离)，此外，如果第3温度大于380℃，则有可能热轧后晶粒粗大化并出现表面粗糙。

上述说明仅仅表示本发明的若干实施方式，可以在权利要求的范围内进行各种变更。

[实施例]

以下，说明一实施方式的实施例。

将具有表1所示的组成的铝合金熔解，通过DC铸造而制造铸锭。将得到的铸锭(厚度30mm、宽度175mm)加热到560℃(第1温度)，以该第1温度保持4小时，然后将铸锭从所述第1温度以表2所示的平均冷却速度冷却到表2所示的第2温度的温度范围，并以第2温度保持15分钟，然后以第2温度(热轧开始温度)开始热轧，得到4mm厚度的板材。热轧后的卷取温度(第3温度)为360℃。接下来，将该板材冷轧到1mm厚度，然后在盐浴炉中以540℃、30秒的条件加热，并实施通过风扇强制空冷至接近室温的软化处理(最终退火处理)。通过以上工序，制造实施例及比较例的铝合金板。

[表1]

(注)表中加粗且带有下划线的数值表示本发明的适当范围外的数值。

[表2]

(注)表中加粗且具有下划线的数值表示本发明的适当范围外的数值。

(试验方法)

[晶粒度的测定方法]

对制作的上述各铝合金板测定晶粒度。确认方法如下：从铝合金板的宽度中央部抽取样品，在轧制表面拍摄其晶粒组织，在3mm×3mm的视野中沿着纵向及横向等间隔地各画出5根直线，通过切片法测定晶粒度，并计算测定出的晶粒度的平均值作为平均晶粒度(μm)。在本实施例中，晶粒度小于50μm的设为合格，大于等于50μm的设为不合格(出现粗糙表面)。

[金属间化合物的数密度的算出方法]

针对制作的上述各铝合金板，使用日本电子株式会社制JEM-2010以10,000倍的倍率通过透射电子显微镜(TEM)从板宽度中央部观察与轧制面平行的截面的中央部。使用图像解析软件“Winroof”，测定得到的图像中的金属间化合物的面积，并以换算成等效圆时的直径(等效圆直径)来评价得到的值。另外，化合物是否含有Cu是使用EDS(Energy DispersiveX-ray Spectroscopy)来进行分析的。求出等效圆直径0.1～0.5μm的不含Cu的金属间化合物的数密度(个/mm²)、以及等效圆直径0.3～4μm的含有Cu的金属间化合物的数密度(个/mm²)。以3个视场进行观察，取平均值。

[拉伸特性]

针对制作的上述各铝合金板，在轧制方向的垂直方向上切出JIS5号试验片，通过拉伸试验测定拉伸强度(MPa)、屈服强度(MPa)及断裂伸长率(％)。另外，在本实施例中，拉伸强度为240MPa以上的设为合格，小于240MPa的设为不合格，此外，关于屈服强度，100MPa以上的设为合格，小于100MPa的设为不合格。

[冲压成型性]

为了研究冲压成型性，进行鼓凸成型试验及拉伸成型试验。

鼓凸成型试验是从制作的上述各铝合金板的宽度中央部切出1边为120mm的正方形的坯料，通过埃里克森试验机，并使用带珠模具，利用直径50mm的冲头，以防皱力40kN、成型速度2.0mm/s的条件进行，测定不开裂的极限鼓凸高度(mm)，并根据鼓凸高度的测定值来评价冲压成型性。

拉伸成型试验是从制作的上述各铝合金板成型直径110mm的圆板，涂布低粘度润滑油而制作试验材料，通过埃里克森试验机，模具无锁珠，利用直径50mm的平头冲头，以防皱力10kN、成型速度2.0mm/s的条件进行，测定不开裂的极限拉伸高度(mm)，并根据拉伸高度的测定值来评价冲压成型性。

另外，评价冲压成型性时，本实施例中，针对鼓凸成型性，鼓凸高度为17mm以上的设为合格，小于17mm的设为不合格，此外，针对深拉深性，拉伸高度为15mm以上的设为合格，小于15mm的设为不合格。

[抗应力腐蚀开裂性]

抗应力腐蚀开裂性如下进行：从制作的上述各铝合金板的宽度中央部抽取试验片，以30％的加工率冷轧后，以120℃、进行7天热处理，而实施敏化处理，经敏化处理的试验片弯曲成弯曲半径2mm及3mm的U字状，并在拘束U字状两端的应力负荷状态下，浸渍于加热到95℃的铬酸溶液(1升纯水中含有CrO₃：36g、K₂Cr₂O₇：30g及NaCl：3g的水溶液)，测定直到产生应力腐蚀开裂为止的时间，以弯曲半径2mm在24小时以内出现开裂的情况设为“×”，24小时以内未出现开裂的情况设为“○”，并且96小时以内未出现开裂的情况设为“◎”。

将本实施例中制造的铝合金板材的拉伸特性、冲压成型性及抗应力腐蚀开裂性的评价结果示于表3

[表3]

(注)表中的加粗下划线的数值或记号表示本发明的适当范围外或特性不合格。

根据表3所示的评价结果，本发明例1～23均为拉伸强度高达240MPa以上，鼓凸高度高达17mm以上，拉伸高度也高达15mm以上，抗应力腐蚀开裂性也优异。相对于此，具有本发明的适当范围外的组成的比较例1～10及17～19、及以本发明的适当范围外的制造条件制造的比较例11～16均出现拉伸特性、冲压成型性及抗应力腐蚀开裂性的至少一个变差的情况。

工业上的可利用性

一实施方式的铝合金板由于强度高、冲压成型性良好且抗应力腐蚀开裂性也优异，因此尤其适合用于以汽车车身座椅、车身板为代表的各种汽车用构件、部件，以及船舶、飞机等使用的构件、部件、或者建筑材料、结构材料、其它各种机械器具、家用电器及其部件等的材料，并具有很高的工业价值。

Claims

1.一种铝合金板，其特征在于，具有如下组成：以质量％计，含有Si：0.03～0.35％、Fe：0.03～0.35％、Mg：3.0～5.0％、Cu：大于0.09％且小于0.50％及Mn：大于0.05％且0.35％以下，余量由Al及不可避免的杂质构成。

2.根据权利要求1所述的铝合金板，其特征在于，等效圆直径为0.1～0.5μm且不含Cu的金属间化合物的数密度为1×10⁶个/mm²以下。

3.根据权利要求1所述的铝合金板，其特征在于，等效圆直径为0.3～4μm且含有Cu的金属间化合物的数密度为1×10⁴个/mm²以上。

4.根据权利要求1所述的铝合金板，其特征在于，Cu：0.13～0.35质量％。

5.根据权利要求1所述的铝合金板，其特征在于，所述组成还含有Ti：0.05质量％以下及B：0.05质量％以下中的一种或两种。

6.一种铝合金板的制造方法，其特征在于，是用于制造具有如下组成的铝合金板的方法：以质量％计，含有Si：0.03～0.35％、Fe：0.03～0.35％、Mg：3.0～5.0％、Cu：大于0.09％且小于0.50％及Mn：大于0.05％且0.35％以下，余量由Al及不可避免的杂质构成，

所述制造方法对具有所述组成的铝合金材料进行铸造而得到铸锭，对该铸锭以490～580℃范围内的第1温度实施均质化处理，然后以平均冷却速度为500～3000℃/h范围内冷却至430～500℃范围内且低于所述第1温度的第2温度，并保持所述第2温度开始热轧，接下来，以320～380℃范围内的第3温度进行卷取，然后，依次进行冷轧及最终退火处理。

7.根据权利要求6所述的铝合金板的制造方法，其特征在于，

所述第1温度在500～570℃范围内，

所述第2温度在440～490℃范围内，

所述第3温度在340～360℃范围内。