CN113557314A

CN113557314A - 铝合金材料

Info

Publication number: CN113557314A
Application number: CN202080020633.2A
Authority: CN
Inventors: 黑崎友仁; 箕田正; 玉置充宏; 金珍教
Original assignee: Grolins Co ltd; UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2021-10-26
Also published as: TW202120707A; KR20220078525A; EP4043601A4; CN117737525A; WO2021070890A1; JP2021059763A; US20220127702A1; JP7414453B2; EP4043601A1

Abstract

一种铝合金材料，其包含7.0％～10.0％(质量％，下同)的Mg以及0.1％以下的Ca，且剩余部分由铝和不可避杂质构成，所述铝合金材料的拉伸强度在300MPa以上且不足500MPa，断裂伸长率在20％以上。

Description

铝合金材料

技术领域

本发明涉及一种强度各向异性得到抑制的高强度铝合金材料。

背景技术

近年来，例如在电器的外壳等各种产品中，要求使用铝合金材料来实现高强度化及轻量化。通过使用强度更高的铝合金材料，可以在保持产品的强度与以往相同的状态下降低铝合金材料的使用量，由此能实现产品的轻量化。

这里，作为高强度的铝合金，例如6000系列合金、7000系列合金等是常见的。然而，由于上述的合金是热处理型合金，而对于热处理型合金来说，固溶化和时效热处理工序是必须的，因此存在生产效率低的问题。另外，关于7000系列合金，由于其包含大量Zn及Cu，因此存在根据使用环境不同而容易发生腐蚀的问题。

从上述观点出发，有时会使用非热处理型铝合金。作为非热处理型铝合金，最具高强度的种类5000系列合金是具有代表性的。就5000系列合金而言，一般耐腐蚀性优异，且不需要固溶化和时效热处理，因此生产效率较高。另外，通过增加向5000系列合金中添加元素，能达到6000系列合金以上的强度。据此，提出了一种包含5重量％以上的主要添加元素Mg的5000系列铝合金材料(参见专利文献1～3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-186747号

专利文献2：日本特开2001-98338号

专利文献3：日本特开平7-197170号

发明内容

发明所要解决的问题

在上述的专利文献1～3中记载的铝合金材料中，将Mg的含量增加至5重量％以上以实现高强度化。但是，关于铝合金材料的强度各向异性，并未进行任何考虑。

在铝合金材料中，当强度各向异性较强时，最终产品中特定方向上的刚性可能会降低，从而导致可靠性降低。另外，在成型等产品制造过程中，尺寸精度等方面可能会产生缺陷。特别地，就退火后的铝合金材料(O材)而言，由于其要求高成型性，因此如果强度各向异性较强，则存在成型过程中可能会发生开裂的问题。

本发明的一个方面是为了解决上述问题而做出的，其目的在于通过控制金属组织来提供确保高强度且强度各向异性得到抑制的铝合金材料。

用于解决问题的手段

为了解决上述问题，本发明的一个方面所涉及的铝合金材料如下：一种铝合金材料，其包含7.0％～10.0％(质量％，下同)的Mg以及0.1％以下的Ca，且剩余部分由铝和不可避杂质构成，所述铝合金材料的拉伸强度在300MPa以上且不足500MPa，断裂伸长率在20％以上。

发明的效果

根据本发明的一个方面，能制造出确保高强度且强度各向异性得到抑制的铝合金材料。

附图说明

图1是表示本实施方式中铝合金材料的拉伸强度的测定方向的图。

具体实施方式

本发明人等对于在包含大量Mg(镁)的高强度铝合金材料中能抑制强度各向异性的合金组成和金属组织进行了锐意调查研究。结果发现：通过调整合金组成和制造过程并对合适的金属组织进行控制，可以抑制强度各向异性。

下面将对本发明的实施方式所涉及的铝合金材料详细地进行说明。此外，本实施方式的铝合金材料用于家电产品、建筑物、构造物、运输设备等要求强度及强度各向同性的部件中。另外，下文中，关于单位的记载，简单地将“质量％”省略记载为“％”。

(铝合金中必须包含的元素)

[Mg]

Mg(镁)主要作为固溶元素而存在，具有提高强度的效果。通过使铝合金中Mg的含量在7.0％以上，可以充分地获得提高强度的效果。

但是，如果铝合金中Mg的含量超过10.0％，则可能在热轧时发生开裂从而导致制造困难。由此，铝合金中Mg的含量优选在7.5％以上且9.0％以下的范围内，更优选在7.5％以上且8.5％以下的范围内。

[Ca]

Ca(钙)主要作为化合物存在于铝合金中，即使是微量的也可能引起热加工过程中的开裂从而导致加工性降低。只要铝合金中Ca的含量在0.1％以下，就能抑制热加工过程中的开裂。铝合金中Ca的含量更优选在0.05％以下。

(铝合金中选择性包含的元素)

[Si]

Si(硅)主要用于生成第二相粒子(例如单体Si、Al-Si-Fe-Mn系化合物)，通过作为再结晶成核位点起作用，从而具有使晶粒细化的效果。通过使铝合金中Si的含量在0.02％以上，可以很好地获得使晶粒细化的效果。

但是，如果铝合金中Si的含量超过0.3％，则可能生成大量粗大的第二相粒子，从而导致所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低。由此，铝合金中Si的含量优选在0.02％以上且0.2％以下的范围内，更优选在0.02％以上且0.15％以下的范围内。

[Fe]

Fe(铁)主要作为第二相粒子(Al-Fe系化合物等)而存在，通过作为再结晶成核位点起作用，从而具有使晶粒细化的效果。通过使铝合金中Fe的含量在0.02％以上，可以获得使晶粒细化的效果。

但是，如果铝合金中Fe的含量超过0.5％，则可能生成大量粗大的第二相粒子，从而导致所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低。由此，铝合金中Fe的含量优选在0.02％以上且0.25％以下的范围内，更优选在0.02％以上且0.2％以下的范围内。

[Cu]

Cu(铜)主要作为固溶元素而存在，具有提高强度的效果。通过使铝合金中Cu的含量在0.05％以上，可以充分地获得提高强度的效果。

但是，如果铝合金中Cu的含量超过1.0％，则可能在热轧时发生开裂从而导致制造困难。由此，铝合金中Cu的含量优选在0.05％以上且0.5％以下的范围内，更优选在0.10％以上且0.3％以下的范围内。

[Mn]

Mn(锰)主要作为第二相粒子(Al-Mn系化合物)而存在，通过作为再结晶成核位点起作用，从而具有使晶粒细化的效果。具体而言，通过使铝合金中Mn的含量在0.05％以上，可以充分地获得使晶粒细化的效果。

但是，如果铝合金中Mn的含量超过1.0％，则可能生成大量粗大的第二相粒子，从而导致所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低。由此，铝合金中Mn的含量优选在0.1％以上且0.5％以下的范围内，更优选在0.15％以上且0.3％以下的范围内。

[Cr、V、Zr]

Cr(铬)、V(钒)、Zr(锆)主要作为第二相粒子(Al-Fe-Mn系化合物、Al-Cr系化合物、Al-V系化合物、Al-Zr系化合物等)而存在，通过作为再结晶成核位点起作用，从而具有使晶粒细化的效果。具体而言，通过使铝合金中Cr、V的含量在0.05％以上、或者使Zr的含量在0.02％以上，可以充分地获得使晶粒细化的效果。

但是，如果铝合金中Cr、V的含量超过0.3％、或者Zr的含量超过0.2％，则可能生成大量粗大的第二相粒子，从而导致所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低。

由此，铝合金中Cr、V的含量优选在0.2％以下。并且，铝合金中Zr的含量优选为0.1％。

此外，铝合金中Cr、V、Zr的含量并不局限于上述情况，只要铝合金中包含Cr、V、Zr中的至少一种即可。

[Ti]

Ti(钛)具有如下效果：抑制铸造时形成的凝固铝相的生长，通过使铸造组织细化来抑制铸造时的开裂等不良情况。但是，如果铝合金中Ti的含量过高，则第二相粒子可能会粗大化，从而导致所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低。

由此，通过使铝合金中Ti的含量在0.2％以下，可以抑制所制造的铝合金材料的断裂伸长率降低。铝合金中Ti的含量更优选在0.1％以下。此外，除了上述各元素之外，基本上是Al和不可避免的杂质(不可避杂质)。

(拉伸强度及断裂伸长率)

在本实施方式中，通过对按照上述组成那样构成的铝合金进行下文所述的制造处理，可以制作出拉伸强度在300MPa以上且不足500MPa，并且断裂伸长率在20％以上的铝合金材料(H材)。由此，可以防止拉伸强度低于300MPa从而导致最终产品出现强度不足。并且，可以防止断裂伸长率低于20％从而导致加工最终产品时发生开裂等不良情况。

此外，铝合金材料的拉伸强度更优选在350MPa以上。并且，铝合金材料的断裂伸长率更优选在25％以上。

(强度各向异性)

如图1所示，本实施方式的铝合金材料1被设定为：在由1组辊2进行最终轧制时的轧制方向(最终加工方向)与板宽方向所成的平面内，从轧制方向朝向板宽方向成0°的方向上、从轧制方向朝向板宽方向成45°的方向上、从轧延方向朝向板宽方向成90°的方向(板宽方向)上的拉伸强度的标准偏差在10[MPa]以下。这是考虑到：如果拉伸强度的标准偏差超过10[MPa]，则强度各向异性可能过高而最终产品的特定方向上的强度可能降低，从而导致可靠性降低。这里，拉伸强度的标准偏差是通过下文所示的式(1)算出的。

铝合金材料1的拉伸强度的标准偏差优选在5[MPa]以下，更优选在3[MPa]以下。

(织构)(集合組織)

在本实施方式的铝合金材料中，设定为：使用微晶取向分布函数(ODF：Crystallite Orientation Distribution Function)算出的{013}＜100＞和{011}＜100＞的取向密度在5以下(例如1左右)。这是考虑到：如果{013}＜100＞和{011}＜100＞的取向密度超过5，则强度各向异性可能会变得显著，从而导致最终产品的特定方向上的强度降低。

另外，在本实施方式的铝合金材料中，设定为：{123}＜634＞和{001}＜100＞的取向密度在5以下。这是考虑到：如果{123}＜634＞和{001}＜100＞的取向密度超过5，则强度各向异性可能会变得显著。

这里，关于使用微晶取向分布函数(ODF)算出取向密度的方法详细地进行说明。在本实施方式中，对于所制造的铝合金材料，使用三维取向解析法(参见轻金属学会志(軽金属学会誌)、1992年、第42卷、第6号、第358～367页)来算出取向密度，该三维取向解析法中使用了微晶取向分布函数(ODF)。首先，通过X射线衍射法对与铝合金材料的加工方向(轧制方向)垂直的截面进行测定。此时，在倾斜角为15度～90度的范围内，通过Schlz反射法(参见轻金属学会志、1983年、第33卷、第4号、第230～239页)来测定(111)面、(220)面、(200)面的不完全极点图(不完全局点図)。接着，进行级数展开，求出微晶取向分布函数(ODF)。由此，将各取向的取向密度作为与具有随机织构的标准试样的取向密度之比算出。

(铝合金材料的制造方法)

接着，将对本实施方式所涉及的铝合金材料的制造方法进行说明。本实施方式的铝合金材料的制造是按照铸造工序、均质化工序、热轧工序、冷轧工序以及退火工序的顺序进行的。该制造工序仅是一例，并不局限于此。

首先，在铸造工序中，例如通过DC(Direct Chill)铸造法、热顶法等半连续铸造法来铸造板坯。在铸造工序中，为了防止形成粗大的第二相粒子，铸造速度优选在20mm/分钟～100mm/分钟之间。

铸造工序完成后，进行均质化工序。处理温度设定在400℃以上且490℃以下。这是因为，如果处理温度在400℃以下，则可能无法充分地进行均质化。还因为，如果处理温度超过490℃，则未再固溶而残留的Al-Mg系化合物可能会溶解，从而导致热轧时发生开裂等不良情况。并且，第二相粒子的粗大化可能会过度进行，在以后的再结晶过程中特定取向的晶粒容易优先生长，从而导致强度各向异性降低。

在本实施方式的均质化工序中，也可以实施两个阶段的均质化处理。该情况下，第一阶段的处理温度设定在400℃以上且450℃以下。这是因为，如果第一阶段的处理温度在400℃以下，则可能无法充分地进行均质化。还因为，如果第一阶段的处理温度超过450℃，则未再固溶而残留的Al-Mg系化合物可能会溶解，从而导致热轧时发生开裂等不良情况。

另外，第一阶段的处理时间设定在5小时以上且20小时以下的范围内。这是因为，如果第一阶段的处理时间不足5小时，则无法充分地进行均质化。还因为，如果第一阶段的处理时间超过20小时，则生产性会下降。通过如上述那样适当地设定处理温度和处理时间并进行第一阶段的均质化处理，能够使Al-Mg系化合物固溶，进而在高温下进行均质化。

接着，第二阶段的处理温度设定在450℃以上且490℃以下。这是因为，如果第二阶段的处理温度不足450℃，则无法充分地进行均质化。还因为，如果第二阶段的处理温度超过490℃，则表面的Mg可能会氧化，从而导致表层的Mg的浓度降低。

另外，第二阶段的处理时间设定在5小时以上且20小时以下的范围内。这是因为，如果第二阶段的处理时间不足5小时，则无法充分地进行均质化。另外，如果第二阶段的处理时间超过20小时，则第二相粒子的粗大化可能会过度进行，在以后的再结晶过程中特定取向的晶粒容易优先生长，从而导致强度各向异性降低。

然后，进行热轧工序。在热轧工序中，将热轧的开始温度设定在350℃以上且480℃以下的范围内。这是因为，如果热轧的处理温度不足350℃，则变形阻抗可能过高，轧制困难。还因为，如果热轧的处理温度超过480℃，则材料可能部分熔融，从而导致发生开裂。此外，也可以省略均质化工序而实施热轧工序。

接着，热轧工序完成后，进行冷轧工序。在冷轧工序中进行冷轧，以使从热轧工序完成时的板厚开始到冷轧工序完成时的板厚为止的加工度(加工后的板厚相对于加工前的板厚的比例)达到50％以上。加工度在50％以上即可，可适当地进行变更。

此外，也可以在冷轧工序之前或中途实施中间退火。该情况下，同样进行冷轧，以使从中间退火完成时的板厚开始到冷轧完成时的板厚为止的加工度达到50％以上。中间退火的处理温度优选在300℃以上且400℃以下的范围内。另外，中间退火的保持时间优选在1小时以上且10小时以下的范围内。这是因为，如果在高温下长时间实施中间退火，则表面可能会氧化，从而导致外观质量下降。

然后，冷加工工序结束后，实施最终退火工序。此时，优选地，退火温度在300℃以上且400℃以下，保持时间在1小时以上且5小时以下。如果处理温度低于300℃，则退火效果可能会不充分。如果处理温度超过400℃，则表面可能会氧化，从而导致外观质量下降。

根据以上说明的本实施方式中的铝合金材料，通过调整铝合金的组成及制造过程并适当地控制金属组织，可以制造出高强度且强度各向异性得到抑制的铝合金材料。由此，可以谋求铝合金材料的制造性的提高以及最终产品的可靠性的提高。

【实施例】

下面将参照表1及表2对本实施方式的实施例1进行说明。

(铝合金的组成)

表1示出了实施例1所用的铝合金的组成。

【表1】

如表1所示，实施例1的铝合金的组成在规定的组成范围内。这里，所谓规定的范围是指Mg在7.0％～10.0％之间且Ca在0.1％以下的范围。

(制造方法)

将按照表1所示的组成那样构成的铝合金溶解并进行DC铸造后，进行均质化工序、热轧工序、冷轧工序以及最终退火工序。然后，制作成冷轧工序完成后板厚为1.0mm的铝合金材料。

在实施例1中，在热轧工序前的均质化工序中，以465℃加热12小时。在冷轧工序中，从热轧完成时的板厚开始到冷轧完成时的板厚为止的加工度为80％。在最终退火工序中，以360℃加热2小时。

(铝合金材料的特性)

表2中汇总了通过对按照表1所示的组成那样构成的实施例1的铝合金实施上述处理所制造的铝合金材料的强度特性、强度各向异性及制造性。

【表2】

(拉伸强度及断裂伸长率)

如表2所示，实施例1所制造的铝合金材料的拉伸强度及断裂伸长率在规定的范围内。即，实施例1所制造的铝合金材料的拉伸强度在300MPa以上，断裂伸长率在20％以上。

此外，所制造的铝合金材料的拉伸强度及断裂伸长率是根据JIS标准Z-2241-2011测定的。如图1所示，关于所制造的铝合金材料1的拉伸强度及断裂伸长率，是在由1组辊2的轧制方向(最终加工方向)与板宽方向所成的平面内，测定轧制方向0°方向上、从轧制方向朝向板宽方向与所述0°方向成45°的45°方向上、以及从轧制方向朝向板宽方向与所述0°方向成90°的90°方向上的拉伸强度和断裂伸长率，并用平均值进行定义。

(强度各向异性)

关于强度各向异性，是在由轧制方向(最终加工方向)与板宽方向所成的平面内，测定轧制方向0°方向上、从轧制方向朝向板宽方向与所述0°方向成45°的45°方向上、以及从轧制方向朝向板宽方向与所述0°方向成90°的90°方向上的拉伸强度，并用标准偏差[MPa]进行定义，该标准偏差是使用以下所示的式(1)算出的。

【数1】

这里，TS_i[MPa]是各方向上的拉伸强度。TS[MPa]是各方向上的拉伸强度的平均值。n是拉伸强度的数据总数。

(织构)

对于实施例1的铝合金材料，使用三维取向解析法来算出取向密度，该三维取向解析法中使用了上述的微晶取向分布函数(ODF)。具体而言，对于所制造的铝合金材料的一部分，通过X射线衍射法对与铝合金材料的加工方向(轧制方向)垂直的截面进行测定。此时，在倾斜角为15°～90°的范围内，通过上述的Schlz反射法来测定(111)面、(220)面、(200)面的不完全极点图，然后进行级数展开，求出微晶取向分布函数(ODF)。

将由此获得的各取向的取向密度作为与具有随机织构的标准试样的取向密度之比算出。表2中示出的评价结果如下：将{013}＜100＞和{011}＜100＞的取向密度在5以下的记作“○”，将超过“5”的记作“×”。另外，将{123}＜634＞和{001}＜100＞的取向密度在5以下的记作“○”，将超过5的记作“×”。

如表2所示，可知在实施例1中很好地抑制了强度各向异性。另外，在实施例1中，结果为制造性不存在问题。

(比较例)

作为针对上述实施例1的比较例，表4中汇总了通过对具有表3所示的组成的比较例1～比较例4的铝合金实施与实施例1相同的处理所制造的铝合金材料的特性。但在比较例1～2中，在均质化处理中进行500℃、8小时的处理。

【表3】

【表4】

在比较例1中，由于Mg过少，所以制造出的铝合金材料的拉伸强度低于规定的范围，无法获得良好的机械特性。另外，由于均质化处理温度过高，所以强度各向异性高于规定的范围，无法获得良好的机械性质。

在比较例2中，由于Mg过少，所以制造出的铝合金材料的拉伸强度低于规定的范围，无法获得良好的机械特性。另外，由于均质化处理温度过高，所以强度各向异性高于规定的范围，无法获得良好的机械性质。

在比较例3中，由于Mg的含量过多，所以热轧时发生开裂，轧制困难，从而无法制造。

在比较例4中，由于Ca的含量过多，所以热轧时发生开裂，轧制困难，从而无法制造。

此外，本发明并不局限于上述的实施方式以及实施例，在权利要求所示的范围内可以进行各种变更，通过适当地组合分别在不同的实施方式中公开的技术手段而获得的实施方式也包括在本发明的技术范围内。

本发明的一个方面所涉及的铝合金材料如下：一种铝合金材料，其包含7.0％～10.0％(质量％，下同)的Mg以及0.1％以下的Ca，且剩余部分由铝和不可避杂质构成，所述铝合金材料的拉伸强度在300MPa以上且不足500MPa，断裂伸长率在20％以上。

优选地，所述铝合金材料包含0.05％～1.0％的Mn。

另外，优选地，作为所述铝合金材料，在由所述铝合金材料的最终加工方向与板宽方向所成的平面内，所述最终加工方向0°方向上、从所述最终加工方向朝向所述板宽方向与所述0°方向成45°的45°方向上、以及从所述最终加工方向朝向所述板宽方向与所述0°方向成90°的90°方向上的拉伸强度的标准偏差在10以下。

优选地，作为所述铝合金材料，使用微晶取向分布函数(ODF)算出的{013}＜100＞和{011}＜100＞的取向密度在5以下。

优选地，作为所述铝合金材料，使用微晶取向分布函数(ODF)算出的{123}＜634＞和{001}＜100＞的取向密度在5以下。

符号说明

1铝合金材料

2辊

Claims

1.一种铝合金材料，其特征在于，其包含7.0％～10.0％(质量％，下同)的Mg以及0.1％以下的Ca，且剩余部分由铝和不可避杂质构成，

所述铝合金材料的拉伸强度在300MPa以上且不足500MPa，断裂伸长率在20％以上。

2.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料包含0.05％～1.0％的Mn。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金材料，其特征在于，作为所述铝合金材料，在由所述铝合金材料的最终加工方向与板宽方向所成的平面内，所述最终加工方向0°方向上、从所述最终加工方向朝向所述板宽方向与所述0°方向成45°的45°方向上、以及从所述最终加工方向朝向所述板宽方向与所述0°方向成90°的90°方向上的拉伸强度的标准偏差在10以下。

4.根据权利要求3所述的铝合金材料，其特征在于，作为所述铝合金材料，使用微晶取向分布函数(ODF)算出的{013}＜100＞和{011}＜100＞的取向密度在5以下。

5.根据权利要求3或4所述的铝合金材料，其特征在于，作为所述铝合金材料，使用微晶取向分布函数(ODF)算出的{123}＜634＞和{001}＜100＞的取向密度在5以下。