JP2022513377A - 成形性高強度アルミ合金製造物、及びその作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2018年10月23日に出願された、米国特許出願第62/749,158号の優先権、及び出願の利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書で使用される「発明(invention)」、「本発明(the invention)」、「本発明(this invention)」及び「本発明(the present invention)」という用語は、本特許出願の主題の全て及び以下の特許請求の範囲を広く指すことを意図している。これらの用語を含む明細書は、本明細書に記載された主題を限定することも、以下の特許請求の範囲の意味または範囲を限定したりすることもないと理解されるべきである。
本明細書に記載する成形性高強度アルミニウム合金製造物の作製方法は、(例えば連続鋳造により)溶融アルミニウム合金組成物を鋳造することと、鋳造アルミニウム合金製造物を熱間圧延してアルミニウム合金ホットバンドを提供することと、アルミニウム合金ホットバンドをコイリングし、冷却してホットバンドコイルを提供することと、その後、1つ以上の更なる処理工程により、最終ゲージアルミニウム合金製造物を提供することと、を含む。
合金は、任意の好適な鋳造プロセスを用いて鋳造することができる。例えば、本明細書に記載するアルミニウム合金を含む溶融アルミニウム合金組成物は、双ベルト鋳造機、ツインロール鋳造機、またはブロック鋳造機の使用を含むがこれに限定されない、連続鋳造(CC)プロセスを用いて鋳造することができる。いくつかの実施例では、鋳造プロセスをCCプロセスで実施して、例えばビレット、スラブ、細片などの鋳造製造物を形成する。
特定の実施例において、鋳造工程後に、鋳造アルミニウム合金製造物を、任意の冷却、均質化、及び/または再加熱に供すことができる。場合によっては、冷却を実施して、鋳造アルミニウム合金製造物の温度を、鋳造機出口温度よりも約20℃~約50℃下回らせる。場合によっては、鋳造機出口温度は、約400℃~約430℃であることができる(例えば、鋳造機出口温度は約400℃、410℃、420℃、または430℃であることができる)。場合によっては、冷却工程は、熱的に安定な鋳造アルミニウム合金製造物を提供する。冷却は、回転冷却、コイル冷却、強制空気冷却、水冷却、水のミスト冷却、エマルション冷却、任意の好適な冷却技術、またはこれらの任意の組み合わせにより実施することができる。
鋳造工程の後に、熱間圧延工程を実施することができる。場合によっては、熱間圧延工程は、鋳造の直後に実施することができる。熱間圧延工程は、熱間反転ミル操作、及び/または熱間タンデムミル操作を含むことができる。熱間圧延工程は、約250℃~約500℃(例えば、約300℃~約400℃、または約350℃~約430℃)の範囲の熱間圧延温度(例えば、熱間圧延入口温度)で実施することができる。例えば、熱間圧延工程は、約250℃、約260℃、約270℃、約280℃、約290℃、約300℃、約310℃、約320℃、約330℃、約340℃、約350℃、約360℃、約370℃、約380℃、約390℃、約400℃、約410℃、約420℃、約430℃、約440℃、約450℃、約460℃、約470℃、約480℃、約490℃、約500℃、またはこの間の任意の場所の熱間圧延温度で実施することができる。
任意に、アルミニウム合金ホットバンドを、熱間ミルから出る際に、ホットバンドコイルに巻くことができる。いくつかの更なる実施例において、ホットバンドコイルは空気中で冷却される(コイル冷却と呼ばれる)。コイル冷却工程は、約12.5℃/時(℃/h)~約3600℃/hの速度で実施することができる。例えば、コイル冷却工程は、約12.5℃/h、約25℃/h、約50℃/h、約100℃/h、約200℃/h、約400℃/h、約800℃/h、約1600℃/h、約3200℃/h、約3600℃/h、またはこれらの間の任意の場所の速度で実施することができる。ホットバンドコイルは、約200℃~約400℃の温度まで冷却することができる。例えば、ホットバンドコイルは、約200℃、約210℃、約220℃、約230℃、約240℃、約250℃、約260℃、約270℃、約280℃、約290℃、約300℃、約310℃、約320℃、約330℃、約340℃、約350℃、約360℃、約370℃、約380℃、約390℃、または約400℃の温度まで冷却することができる。
任意に、熱間圧延、コイリング、及びコイル冷却の後に、均質化を実施することができる。均質化工程は、ホットバンドコイルを加熱して、約、または少なくとも約450℃(例えば、少なくとも約460℃、少なくとも約470℃、少なくとも約480℃、少なくとも約490℃、少なくとも約500℃、少なくとも約510℃、少なくとも約520℃、少なくとも約530℃、少なくとも約540℃、少なくとも約550℃、少なくとも約560℃、少なくとも約570℃、または少なくとも約580℃)の、ピーク金属温度(PMT)を得ることを含むことができる。例えば、ホットバンドコイルを、約450℃~約580℃、約460℃~約575℃、約465℃~約570℃、約470℃~約565℃、約475℃~約555℃、または約480℃~約550℃の均質化温度まで加熱することができる。場合によっては、均質化温度/PMTに対する加熱速度は、約100℃/時以下、約75℃/時以下、約50℃/時以下、約40℃/時以下、約30℃/時以下、約25℃/時以下、約20℃/時以下、または約15℃/時以下であることができる。他の場合において、均質化温度/PMTに対する加熱速度は、約10℃/分~約100℃/分(例えば、約10℃/分~約90℃/分、約15℃/分~約70℃/分、約20℃/分~約60℃/分、約20℃/分~約50℃/分、または約30℃/分~約40℃/分)であることができる。
本明細書に記載の方法は、最終ゲージアルミニウム合金製造物を溶体化する工程を更に含む。溶体化工程は、必要に応じて、最終ゲージアルミニウム合金製造物を、約450℃以上(例えば、約460℃~約600℃、約465℃~約575℃、約470℃~約550℃、約475℃~約525℃、または約480℃~約500℃)の溶体化温度まで加熱、または冷却することを含むことができる。最終ゲージアルミニウム合金製造物は、一定の期間溶体化温度で浸漬することができる。特定の態様において、最終ゲージアルミニウム合金製造物を、少なくとも30秒間(例えば、約60秒~約120秒:これらの値を含む)浸漬させる。例えば、最終ゲージアルミニウム合金製造物は、約450℃以上の温度で、30秒、35秒、40秒、45秒、50秒、55秒、60秒、65秒、70秒、75秒、80秒、85秒、90秒、95秒、100秒、105秒、110秒、115秒、120秒、125秒、130秒、135秒、140秒、145秒、150秒、5分、10分、15分、20分、25分、30分、35分、40分、45分、50分、55分、60分、65分、70分、75分、80分、85分、90分、95分、100分、105分、110分、115分、もしくは120分間、またはこれらの間の任意の場所の間、浸漬することができる。特定の態様において、溶体化は、熱間圧延工程または冷間圧延工程の直後に実施する。
本明細書に記載の方法は、焼入れ工程を含む。本明細書で使用する場合、用語「焼入れ」は、上述のとおりに溶体化した最終ゲージアルミニウム合金製造物の温度を急激に下げることを含むことができる。焼入れ工程において、製造物は、液体(例えば水)、気体、任意の他の好適な焼入れ媒体、またはこれらの任意の組み合わせで焼入れすることができる。特定の態様において、製造物は、約40℃~約75℃の水温を有する水を用いて、焼入れすることができる。特定の態様において、製造物は強制空気を用いて焼入れする。
場合によっては、プレエイジング工程を実施することができる。理論により束縛されるものではないが、プレエイジング工程は少なくとも部分的に、アルミニウム合金製造物を自然時効することで引き起こされる機械的性質の変化を阻む。任意に、プレエイジング工程は、溶体化工程前、または溶体化工程後に実施することができる。プレエイジング工程は、最終ゲージアルミニウム合金製造物を、約50℃~約150℃(例えば、約55℃~約140℃、約60℃~約130℃、約65℃~約120℃、または約70℃~約110℃)のプレエイジング温度まで加熱することを含むことができる。例えば、プレエイジング工程は、最終ゲージアルミニウム合金製造物を、約50℃、約55℃、約60℃、約65℃、約70℃、約75℃、約80℃、約85℃、約90℃、約95℃、約100℃、約105℃、約110℃、約115℃、約120℃、約125℃、約130℃、約135℃、約140℃、約145℃、または約150℃の温度まで加熱することを含むことができる。最終ゲージアルミニウム合金製造物は、最大約24時間の期間(例えば約1時間~約24時間)、プレエイジング温度で維持することができる。例えば、最終ゲージアルミニウム合金製造物は、約24時間以下、約12時間以下、約6時間以下、約5時間以下、約4時間以下、約3時間以下、約2時間以下、約1時間以下、またはこれらの間の任意の場所の間維持することができる。
溶体化の後、焼入れ及び/またはプレエイジング工程、1つ以上のエイジング工程を実施することができる。エイジングは、自然時効、人工時効、塗料焼き付け、及び成形後熱処理のうちの1つ以上を含むことができる。
本明細書に記載するアルミニウム合金製造物は、本明細書に記載するエイジングの前後で、高強度及び成形性特性を有することができる。サンプルの引張試験は、米国材料試験協会(ASTM)により提供されるものなどの、関係する出版物に記載されている材料科学の領域で既知の標準的な手順に従って実施する。「金属様物質の引張試験のための標準試験法」というタイトルのASTM E8/EM8(DOI:10.1520/E0008 E0008M-15A)は、金属様物質の引張試験手順について明記している。
本明細書に記載する合金製造物及び方法は、自動車、航空機、及び鉄道用途を含む自動車及び/または輸送用途、または任意の他の所望の用途で使用することができる。いくつかの実施例では、製造物及び方法は、自動車の車体部分製品、例えばバンパー、サイドビーム、ルーフビーム、クロスビーム、ピラー強化材(例えばAピラー、Bピラー、及びCピラー)、内部パネル、外部パネル、サイドパネル、内部フード、外部フード、またはトランク蓋パネルを作るために使用することができる。本明細書に記載のアルミニウム合金製造物及び方法は、航空機または鉄道車両の用途にも、例えば、外部及び内部パネルを作るためにも使用され得る。
実例1は、成形性高強度アルミニウム合金製造物の作製方法であって、当該方法が、溶融アルミニウム合金組成物を連続して鋳造し、鋳造出口温度を有する、鋳造アルミニウム合金製造物を提供することであって、溶融アルミニウム合金組成物が、少なくとも0.1重量%のZr、少なくとも2重量%のMg、及び、Al以外の主要合金元素としてZnを含むアルミニウム合金を含む、提供することと、鋳造アルミニウム合金製造物を、鋳造出口温度を20℃~50℃下回る温度まで冷却し、熱安定化鋳造アルミニウム合金製造物を提供することと、熱安定化鋳造アルミニウム合金製造物を熱間圧延して、アルミニウム合金ホットバンドを提供することと、アルミニウム合金ホットバンドをコイリングしてホットバンドコイルを提供することと、ホットバンドコイルを200℃~400℃の温度まで冷却することと、ホットバンドコイルを更に処理して、最終ゲージアルミニウム合金製造物を提供することと、最終ゲージアルミニウム合金製造物を溶体処理することと、を含む、上記方法である。
本明細書に記載するアルミニウム合金の処理方法は、熱間圧延、コイル冷却、均質化、最終ゲージへの熱間圧延、及び溶体化(「ルート1」と本明細書では呼ばれる)を含む。図1Aは、ルート1の処理方法100を表す概略図である。連続鋳造機110を使用して、アルミニウム合金スラブ120を作製した。アルミニウム合金スラブ120は、約400℃~約430℃の温度で連続鋳造機110を出た。次に、アルミニウム合金スラブ120をホットミル130で処理し、アルミニウム合金スラブ120の厚みを約40%~約50%減少させ、ホットバンド125を作製した。次に、ホットバンド125を約350℃の温度でコイリングし、その後コイル140を更なる処理に供した。コイル140を続いて、箱形炉150内で、約480℃の均質化温度で約2時間均質化した。均質化の後に、コイル140をほどき、ホットバンド125を更に、仕上げミル160で熱間圧延し、最終ゲージアルミニウム合金製造物127を作製した。次に、最終ゲージアルミニウム合金製造物127をコイリングし、その後、アルミニウム合金製造物コイル170を溶体化プロセスに供した。場合によっては、アルミニウム合金製造物コイルを、溶体化工程の前にプレエイジングプロセスに供した。いくつかの実施例では、アルミニウム合金製造物コイルを、溶体化工程の後で他のエイジングプロセスに供した。
0.60重量%のCu、0.20重量%のFe、3.50重量%のMg、0.10重量%のMn、0.05重量%のSi、0.02重量%のTi、0.10重量%のCr、4.50重量%のZn、0.12重量%のZr、最大0.15重量%の不純物、及び残りがアルミニウムを含むアルミニウム合金組成物(「合金A」と本明細書では呼ばれる)から、連続鋳造機を使用して、鋳造アルミニウム合金製造物を調製した。合金Aは、約1.3のZn/Mg比を有した。実施例1に記載の方法に従い調製及び作製した、合金Aから採取したサンプルを、機械的試験に供した。ルート1、ルート2、及びルート3(実施例1を参照)は全て、プレエイジングあり、及びなしで利用した。場合によっては、アルミニウム合金製造物を約180℃の温度まで加熱し、この温度で約30分間維持する、追加の塗料焼き付け工程を用いた。
本明細書に記載するアルミニウム合金の処理方法は、均質化、熱間圧延、コイル冷却、最終ゲージへの冷間圧延、溶体化、塗料焼き付け、及びエイジング(「ルート4」と本明細書では呼ばれる)を含む。図9は、ルート4の処理方法900を表す概略図である。連続鋳造機110を使用して、アルミニウム合金スラブ120を作製した。アルミニウム合金スラブ120は、約400℃~約430℃の温度で連続鋳造機110を出た。トンネル炉905を使用してアルミニウム合金スラブ120を均質化し、アルミニウム合金スラブ120の幅にまたがって、アルミニウム合金スラブ120の温度を、約1分間~約5分間、約400℃~約520℃のピーク金属温度で維持した。次に、アルミニウム合金スラブ120を第1の仕上げミル910で処理し、アルミニウム合金スラブ120の厚みを約20%~約40%減少させ、スラブを約325℃~約375℃まで冷却した。次に、アルミニウム合金スラブ120を第2の仕上げミル920で処理し、アルミニウム合金スラブ120の厚みを約20%~約40%減少させ、スラブを約225℃~約275℃まで冷却してホットバンド125を作製した。ホットバンド125を次いで、約250℃未満の温度でコイリングし、コイル140を次いで、コイル冷却に供した。コイル140を続いてほどき、ホットバンド125を更に、コールドミル165で冷間圧延し、最終ゲージアルミニウム合金製造物127を作製した。次に、最終ゲージアルミニウム合金製造物127をコイリングして、アルミニウム合金製造物コイル170をもたらした。次に、アルミニウム合金製造物コイル170を溶体化炉960で、約2分間~約5分間、約450℃~約500℃の温度で溶体化に供した。溶体化の後、アルミニウム合金製造物コイル170をおよそ室温まで、水焼入れまたは強制空気焼入れのいずれか1つにより、焼入れした。場合によっては、アルミニウム合金製造物コイル170を、溶体化工程の前にプレエイジングプロセスに供した。任意に、プレエイジングプロセスは、約80℃で約6時間エイジングすることを含んだ、または、プレエイジングプロセスは、約100℃で約2時間エイジングすることを含んだ。いくつかの実施例では、アルミニウム合金製造物コイル170を、約160℃~約200℃で、塗料焼き付け炉970で約15分間~約60分間実施される、塗料焼き付けプロセスに供した。特定の場合において、アルミニウム合金製造物コイル170を、約1週間~約4週間、自然時効のいずれかに供した。任意に、アルミニウム合金製造物コイル170を、約100℃~約140℃で約6時間~約48時間、人工時効に供した。
下表1に示すアルミニウム合金組成物から、連続鋳造機を使用して、ルート4(実施例3を参照)の実施例におけるように、4つの鋳造アルミニウム合金製造物を調製した。
Claims (20)
- 成形性高強度アルミニウム合金製造物の作製方法であって、前記方法が、
溶融アルミニウム合金組成物を連続して鋳造し、鋳造出口温度を有する鋳造アルミニウム合金製造物を提供することであって、前記溶融アルミニウム合金組成物が、少なくとも0.1重量%のZr、少なくとも2重量%のMg、及び、Al以外の主要合金元素としてのZnを含むアルミニウム合金を含む、前記提供することと、
前記鋳造アルミニウム合金製造物を、前記鋳造出口温度を20℃~50℃下回る温度まで冷却し、熱安定化鋳造アルミニウム合金製造物を提供することと、
前記熱安定化鋳造アルミニウム合金製造物を熱間圧延して、アルミニウム合金ホットバンドを提供することと、
前記アルミニウム合金ホットバンドをコイリングしてホットバンドコイルを提供することと、
前記ホットバンドコイルを200℃~400℃の温度まで冷却することと、
前記ホットバンドコイルを更に処理して、最終ゲージアルミニウム合金製造物を提供することと、
前記最終ゲージアルミニウム合金製造物を溶体化処理することと、を含む、前記方法。 - 前記溶融アルミニウム合金組成物が、1.2~3の、Mgに対するZn比を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記熱間圧延が、前記熱安定化鋳造アルミニウム合金製造物を、熱間圧延入口温度まで加熱することを含む、請求項1または2に記載の方法。
- 前記熱間圧延を実施して、前記熱安定化鋳造アルミニウム合金製造物の厚みを少なくとも30%減少させる、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記更に処理することが、
前記ホットバンドコイルを均質化して、均質化ホットバンドコイルを提供することと、
前記均質化ホットバンドコイルを熱間圧延して、最終ゲージアルミニウム合金製造物を提供することと、を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。 - 前記更に処理することが、
前記ホットバンドコイルを均質化して、均質化ホットバンドコイルを提供することと、
前記均質化ホットバンドコイルを冷却することと、
前記均質化ホットバンドコイルを冷間圧延して、最終ゲージアルミニウム合金製造物を提供することと、を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。 - 前記均質化が、前記アルミニウム合金ホットバンドを少なくとも450℃の温度まで加熱することと、前記アルミニウム合金ホットバンドを、少なくとも90分の期間、少なくとも450℃の前記温度で維持することと、を含む、請求項5または6に記載の方法。
- 前記更に処理することが、
前記ホットバンドコイルを冷間圧延して、最終ゲージアルミニウム合金製造物を提供することを含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。 - 前記最終ゲージアルミニウム合金製造物をプレエイジングすることを更に含み、前記プレエイジングが、前記最終ゲージアルミニウム合金製造物を、50℃~150℃のプレエイジング温度まで加熱することと、前記プレエイジング温度を1~24時間の期間維持することと、を含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記最終ゲージアルミニウム合金製造物をエイジングして、少なくとも400MPaの降伏強さを達成することを更に含む、請求項1~9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記エイジングが、自然時効、人工時効、塗料焼き付け、及び成形後熱処理のうちの1つ以上を含む、請求項10に記載の方法。
- 前記エイジングが自然時効を含み、前記自然時効が、前記最終ゲージアルミニウム合金製造物を1日~12週間の期間、室温で維持することを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記エイジングが人工時効を含み、前記人工時効が、前記最終ゲージアルミニウム合金製造物を、100℃~250℃の人工時効温度まで加熱することと、前記人工時効温度を1時間~72時間の期間維持することと、を含む、請求項11または12に記載の方法。
- 前記エイジングが塗料焼き付けを含み、前記塗料焼き付けが、前記最終ゲージアルミニウム合金製造物を75℃~250℃の塗料焼き付け温度まで加熱することと、前記塗料焼き付け温度を約15分~約3時間の期間維持することと、を含む、請求項11~13のいずれか1項に記載の方法。
- 前記エイジングが成形後熱処理を含み、前記成形後熱処理が、前記最終ゲージアルミニウム合金製造物を、100℃~250℃の成形後熱処理温度まで加熱することと、前記成形後熱処理温度を、1時間~24時間の期間維持することと、を含む、請求項11~14のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項1~15のいずれか1項に記載の方法に従い調製した、アルミニウム合金製造物。
- 前記アルミニウム合金製造物が、エイジング前の前記アルミニウム合金製造物により達成される伸び及び降伏強さと比較して、エイジング後に伸びの増加、及び降伏強さの増加を達成する、請求項16に記載のアルミニウム合金製造物。
- 前記伸びの増加が少なくとも1%である、請求項17に記載のアルミニウム合金製造物。
- 前記降伏強さの増加が少なくとも15MPaである、請求項17に記載のアルミニウム合金製造物。
- 前記伸びの増加が少なくとも1%であり、前記降伏強さの増加が少なくとも15MPaである、請求項17~19のいずれか1項に記載のアルミニウム合金製造物。
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