JP2022532347A - 超高強度アルミニウム合金製品及びその作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2019年6月3日出願の米国仮特許出願第62/856,204号の利益を主張するものであり、この仮特許出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書で使用される場合、「発明(invention)」、「発明(the invention)」、「本発明(this invention)」及び「本発明(the present invention)」という用語は、本特許出願のすべての主題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記述は、本明細書で説明されている主題を制限するもの、または以下の特許請求の範囲の意味もしくは範囲を制限するものではないと理解されるべきである。
本明細書に記載されているのは、時効後に(例えば、T6またはT9質別において)非常に高い強度を示す新規アルミニウム合金である。本明細書に記載のアルミニウム合金は、超高張力鋼が示す降伏強度を超える降伏強度を実現することができる。本明細書に記載のアルミニウム合金は高溶質合金であり、これは、以下でさらに詳述するように、合金がアルミニウムに加えて相当量の亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、銅(Cu)、及び/または他の元素を含むことを意味する。いくつかの場合では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、ジルコニウム(Zr)及びスカンジウム(Sc)の一方または両方を含み、これらは、アルミニウム合金組成中に存在する他の元素と相互作用して、以下でさらに説明するようにアルミニウム合金製品の強化を補助する分散質を形成する。いくつかの例では、アルミニウム合金は、エルビウム(Er)及びハフニウム(Hf)の一方または両方を含むことができ、これらは、組成中に存在する他の元素と相互作用して、以下でさらに説明するようにアルミニウム合金製品の強化を補助する分散質(例えば、Er含有分散質及び/またはHf含有分散質)を形成する。
アルミニウム合金の特性は、合金調製時の微細構造の形成によって部分的に決定される。特定の態様において、合金組成物の調製方法は、合金が所望の用途に適切な特性を有するか否かに影響を与え得るか、または決定さえし得る。
本明細書に記載のアルミニウム合金は、任意の適切な鋳造法を使用して鋳造アルミニウム合金製品に鋳造することができる。例えば、鋳造プロセスは、ダイレクトチル(DC)鋳造プロセスまたは連続鋳造(CC)プロセスを含み得る。いくつかの例では、金属を、双ベルト鋳造機、双ロール鋳造機、またはブロック鋳造機の使用を含むがこれらに限定されないCCプロセスを使用して鋳造し、ビレット、スラブ、シェート、ストリップなどの形態の鋳造製品を形成することができる。
均質化工程は、鋳造アルミニウム合金製品を、最大約550℃(例えば、最大550℃、最大540℃、最大530℃、最大520℃、最大510℃、最大500℃、最大490℃、最大480℃、最大470℃、または最大460℃)の温度に達するように加熱することを含み得る。例えば、鋳造アルミニウム合金製品を、約450℃~約550℃(例えば、約455℃~約550℃、約460℃~約535℃、または約465℃~約525℃)の温度まで加熱することができる。いくつかの場合では、加熱速度は、約100℃/時以下、75℃/時以下、50℃/時以下、40℃/時以下、30℃/時以下、25℃/時以下、20℃/時以下、または15℃/時以下であり得る。他の場合では、加熱速度は、約10℃/分~約100℃/分(例えば、約10℃/分~約90℃/分、約10℃/分~約70℃/分、約10℃/分~約60℃/分、約20℃/分~約90℃/分、約30℃/分~約80℃/分、約40℃/分~約70℃/分、または約50℃/分~約60℃/分)であり得る。鋳造アルミニウム合金製品は、空気炉、トンネル炉、または誘導炉などの加熱に適した任意の装置を使用して加熱することができる。特定の態様では、均質化は1工程のプロセスである。いくつかの例では、均質化は以下に記載される2工程のプロセスである。
均質化工程に続いて、熱間圧延工程が実施され得る。特定の場合では、鋳造アルミニウム合金製品は横向きに配置され、約350℃~450℃(例えば、約360℃~約450℃、約375℃~約440℃、または約400℃~約430℃)の範囲の入口温度で熱間圧延される。入口温度は、例えば、約350℃、355℃、360℃、365℃、370℃、375℃、380℃、385℃、390℃、395℃、400℃、405℃、410℃、415℃、420℃、425℃、430℃、435℃、440℃、445℃、450℃またはこれらの間の任意の温度であり得る。いくつかの実施形態では、鋳造アルミニウム合金製品は、均質化温度から熱間圧延入口温度まで冷却される。特定の場合では、熱間圧延出口温度は、約200℃~約290℃(例えば、約210℃~約280℃または約220℃~約270℃)の範囲であり得る。例えば、熱間圧延出口温度は、約200℃、205℃、210℃、215℃、220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃、250℃、255℃、260℃、265℃、270℃、275℃、280℃、285℃、290℃、またはこれらの間の任意の温度であり得る。
任意選択で、ホットバンドを、ホットミルから出る際に、ホットバンドコイル(すなわち、中間板厚のアルミニウム合金製品コイル)に巻くことができる。いくつかの例では、ホットバンドは、ホットミルから出る際にホットバンドコイルにコイル状に巻かれ、F質別となる。いくつかのさらなる例では、ホットバンドコイルは空気中で冷却される。空冷工程は、約12.5℃/時(℃/h)~約3600℃/hの速度で実施され得る。例えば、コイル冷却工程は、約12.5℃/h、25℃/h、50℃/h、100℃/h、200℃/h、400℃/h、800℃/h、1600℃/h、3200℃/h、3600℃/h、またはこれらの間の任意の速度で実施され得る。いくつかのなおさらなる例では、空冷コイルは、一定時間保管される。いくつかの例では、ホットバンドコイルは、約100℃~約350℃(例えば、約200℃または約300℃)の温度に維持される。
冷間圧延工程は、任意選択で、溶体化熱処理工程の前に実施され得る。特定の態様では、ホットバンドは、アルミニウム合金製品(例えば、シート)に冷間圧延される。いくつかの例では、アルミニウム合金シートは、4mm以下、3mm以下、2mm以下、1mm以下、0.9mm以下、0.8mm以下、0.7mm以下、0.6mm以下、0.5mm以下、0.4mm以下、0.3mm以下、0.2mm以下、または0.1mmの厚さを有する。冷間圧延の結果として、アルミニウム合金シートに達するまでのホットバンドの板厚換算の減少率は、約40%~約80%(例えば、約40%、約45%、約50%、約55%、約60%、約65%、約70%、約75%、または約80%)の板厚減少の範囲であり得る。
いくつかの非限定的な例では、任意選択の中間焼なまし工程が、冷間圧延中に実施され得る。例えば、ホットバンドは、中間冷間圧延板厚に冷間圧延され、焼なましされ、その後、より低い板厚に冷間圧延され得る。いくつかの態様では、任意選択の中間焼なましは、バッチプロセス(すなわち、バッチ中間焼なまし工程)で実施され得る。中間焼なまし工程は、約300℃~約450℃(例えば、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℃、または約450℃)の温度で実施され得る。
溶体化熱処理工程は、アルミニウム合金製品を室温からピーク金属温度まで加熱することを含む。任意選択で、ピーク金属温度は、約460℃~約550℃(例えば、約465℃~約545℃、約470℃~約540℃、約475℃~約535℃、約480℃~約530℃、または約465℃~約500℃)であり得る。アルミニウム合金製品は、一定時間、ピーク金属温度でソーキングされ得る。特定の態様では、アルミニウム合金製品を、最大およそ60分間(例えば、約10秒間~約60分間(これらの値を含む))ソーキングさせる。例えば、アルミニウム合金製品は、約460℃~約550℃のピーク金属温度で、10秒間、15秒間、20秒間、25秒間、30秒間、35秒間、40秒間、45秒間、50秒間、55秒間、60秒間、65秒間、70秒間、75秒間、80秒間、85秒間、90秒間、95秒間、100秒間、105秒間、110秒間、115秒間、120秒間、5分間、10分間、15分間、20分間、25分間、30分間、35分間、40分間、45分間、50分間、55分間、60分間、またはこれらの間の任意の時間、ソーキングされ得る。溶体化熱処理後、アルミニウム合金製品は、以下に記載の通りにピーク金属温度から焼入れされ得る。
次いで任意選択で、アルミニウム合金製品は、室温の水での溶体化熱処理後に、約50℃/s~約800℃/s(例えば、約75℃/s~約750℃/s、約100℃/s~約700℃/s、約150℃/s~約650℃/s、約200℃/s~約600℃/s、約250℃/s~約550℃/s、約300℃/s~約500℃/s、または約350℃/s~約450℃/s)の焼入れ速度で焼入れされ得る。例えば、アルミニウム合金製品は、約50℃/s、約75℃/s、約100℃/s、約125℃/s、約150℃/s、約175℃/s、約200℃/s、約225℃/s、約250℃/s、約275℃/s、約300℃/s、約325℃/s、約350℃/s、約375℃/s、約400℃/s、約425℃/s、約450℃/s、約475℃/s、約500℃/s、約525℃/s、約550℃/s、約575℃/s、約600℃/s、約625℃/s、約650℃/s、約675℃/s、約700℃/s、約725℃/s、約750℃/s、約775℃/s、または約800℃/sの速度で焼入れされ得る。
任意選択で、アルミニウム合金製品は、次いで、(例えば、溶体化熱処理及び/または焼入れ後に)自然時効及び/または人工時効され得る。いくつかの非限定的な例では、アルミニウム合金製品は、室温(例えば、約15℃、約20℃、約25℃、または約30℃)で少なくとも72時間保管することにより、T4質別に自然時効され得る。例えば、アルミニウム合金製品は、72時間、84時間、96時間、108時間、120時間、132時間、144時間、156時間、168時間、180時間、192時間、204時間、216時間、240時間、264時間、288時間、312時間、336時間、360時間、384時間、408時間、432時間、456時間、480時間、504時間、528時間、552時間、576時間、600時間、624時間、648時間、672時間またはこれらの間の任意の時間、自然時効され得る。
時効後冷間圧延工程は、任意選択で、時効後のアルミニウム合金製品(本明細書では時効アルミニウム合金製品と称される)に対して実施され得る。冷間圧延は、約-130℃~室温(例えば、約-130℃~約30℃、約-100℃~約20℃、または約-50℃~約15℃)の範囲の温度で実施され得る。例えば、氷、ドライアイス、もしくは液体窒素を単独で、または溶媒(例えば、有機溶媒)と組み合わせて使用することにより、時効後冷間圧延を実施するための低温を実現することができる。0℃未満の温度での圧延は、本明細書では極低温圧延(cryo-rolling)または極低温圧延(cryogenic rolling)とも称される。同様に、0℃未満の温度は、本明細書では極低温度と称される。特定の態様では、時効アルミニウム合金製品は冷間圧延され、約10%~約50%の板厚減少(例えば、約10%、約15%、約20%、約25%、約30%、約35%、約40%、約45%、または約50%の板厚減少)が生じる。得られた冷間圧延された時効アルミニウム合金製品は、3.6mm以下、3mm以下、2mm以下、1mm以下、0.9mm以下、0.8mm以下、0.7mm以下、0.6mm以下、0.5mm以下、0.4mm以下、0.3mm以下、0.2mm以下、または0.1mmの厚さを有し得る。
任意選択で、冷間圧延された時効アルミニウム合金製品は、次いで、さらに時効され得る(例えば、さらに人工時効されるか、またはさらに予備時効される)。いくつかの非限定的な例では、冷間圧延された時効アルミニウム合金製品は、アルミニウム合金製品を約80℃~約160℃の温度で一定時間加熱することにより、T6質別に人工時効され得る。例えば、冷間圧延された時効アルミニウム合金製品は、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℃、約150℃、約155℃、または約160℃の温度で加熱することにより、人工時効され得る。冷間圧延された時効アルミニウム合金製品は、最大36時間(例えば、10分~36時間、1時間~30時間、または8時間~24時間)の期間、加熱され得る。例えば、冷間圧延された時効アルミニウム合金製品は、10分間、20分間、30分間、40分間、50分間、1時間、2時間、3時間、4時間、5時間、6時間、7時間、8時間、9時間、10時間、11時間、12時間、13時間、14時間、15時間、16時間、17時間、18時間、19時間、20時間、21時間、22時間、23時間、24時間、25時間、26時間、27時間、28時間、29時間、30時間、31時間、32時間、33時間、34時間、35時間、または36時間、加熱され得る。
任意選択の時効後冷間圧延及び任意選択のさらなる人工時効後に、時効後温間圧延工程が実施され得る。時効後温間圧延は、約65℃~約250℃(例えば、約65℃~約240℃、約70℃~約230℃、約70℃~約220℃、約70℃~約210℃、約70℃~約200℃、約70℃~約190℃、約70℃~約180℃、約70℃~約170℃、約70℃~約160℃、約80℃~約150℃、約90℃~約140℃、約100℃~約130℃、または約110℃~約125℃)の範囲の温度で実施され得る。時効後温間圧延は、析出物の粗大化及び/または溶解を抑制または防止するように設計された温度で実施される。例えば、エータ相の析出物(例えば、MgZn2)は、7xxxシリーズのアルミニウム合金で形成される場合があり、本明細書に記載の方法は、MgZn2析出物の形成を防止することができる。さらに、ケイ化マグネシウム(Mg2Si)析出物は、6xxxシリーズのアルミニウム合金で形成される場合があり、本明細書に記載の方法は、Mg2Si析出物の形成を防止することができる。
本明細書に記載のアルミニウム合金及びアルミニウム合金製品は、分散質を含み得る。スカンジウム及び/またはジルコニウムを含有する例では、元素の一方または両方を含む分散質が形成され得る。いくつかの例では、アルミニウム合金及びそれから作られるアルミニウム合金製品は、スカンジウム含有分散質、ジルコニウム含有分散質、またはスカンジウムとジルコニウムとを含有する分散質を含み得る。本明細書に記載の分散質は、約5nm~約30nm(例えば、約6nm~約29nm、約7nm~約28nm、約8nm~約27nm、約9nm~約26nm、約10nm~約25nm、約11nm~約24nm、約12nm~約23nm、約13nm~約22nm、約14nm~約21nm、約15nm~約20nm、約16nm~約19nm、または約17nm~約18nm)の範囲の任意の直径を有し得る。例えば、分散質は、約5nm、約6nm、約7nm、約8nm、約9nm、約10nm、約11nm、約12nm、約13nm、約14nm、約15nm、約16nm、約17nm、約18nm、約19nm、約20nm、約21nm、約22nm、約23nm、約24nm、約25nm、約26nm、約27nm、約28nm、約29nm、または約30nmの直径を有し得る。
本明細書に記載の合金及び方法は、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。いくつかの例では、合金及び方法は、自動車の車体部品製品、例えばセーフティケージ、ホワイトボディ、クラッシュレール、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、またはトランクリッドパネルを作るために使用され得る。本明細書に記載のアルミニウム合金及び方法は、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。
例示1は、約5.5~11.0重量%のZn、2.0~3.0重量%のMg、1.0~2.5重量%のCu、0.10重量%未満のMn、最大0.25重量%のCr、最大0.20重量%のSi、0.05~0.30重量%のFe、最大0.10重量%のTi、0.05~0.25重量%のZr、最大0.25重量%のSc、最大0.15重量%の不純物、及びAlを含むアルミニウム合金である。
以下の表5に示す組成を有するアルミニウム合金を、本明細書に記載の方法に従い、連続鋳造、続いて均質化、熱間圧延、冷間圧延、溶体化熱処理、焼入れ、及び人工時効により調製して、T6質別を得た。この合金を、本明細書に記載の方法に従って、T9質別に達するように時効後加工工程によりさらに加工した。以下でさらに詳述するように、溶体化熱処理温度、溶体化熱処理ソーキング時間、時効後圧延条件、及びさらなる時効条件を含む、特定のパラメータを変化させた。
Claims (20)
- 5.5~11.0重量%のZn、2.0~3.0重量%のMg、1.0~2.5重量%のCu、0.10重量%未満のMn、最大0.25重量%のCr、最大0.20重量%のSi、0.05~0.30重量%のFe、最大0.10重量%のTi、0.05~0.25重量%のZr、最大0.25重量%のSc、最大0.15重量%の不純物、及びAlを含む、アルミニウム合金。
- 7.1~11.0重量%のZn、2.0~3.0重量%のMg、1.6~2.5重量%のCu、0~0.09重量%のMn、最大0.25重量%のCr、最大0.20重量%のSi、0.05~0.30重量%のFe、最大0.10重量%のTi、0.05~0.25重量%のZr、最大0.20重量%のSc、最大0.15重量%の不純物、及びAlを含む、請求項1に記載のアルミニウム合金。
- 8.3~10.7重量%のZn、2.0~2.6重量%のMg、2.0~2.5重量%のCu、0.01~0.09重量%のMn、0.01~0.20重量%のCr、0.01~0.20重量%のSi、0.05~0.25重量%のFe、0.01~0.05重量%のTi、0.05~0.20重量%のZr、最大0.10重量%のSc、最大0.15重量%の不純物、及びAlを含む、請求項1または2に記載のアルミニウム合金。
- 8.5~10.5重量%のZn、2.0~2.5重量%のMg、2.0~2.4重量%のCu、0.02~0.06重量%のMn、0.03~0.15重量%のCr、0.01~0.10重量%のSi、0.08~0.20重量%のFe、0.02~0.05重量%のTi、0.10~0.15重量%のZr、最大0.10重量%のSc、最大0.15重量%の不純物、及びAlを含む、請求項1~3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金。
- Zn、Mg、及びCuの合計量が9.5~16%である、請求項1~4のいずれか1項に記載のアルミニウム合金。
- 前記アルミニウム合金が、約1:1~約1:2.5のCu対Mg比、約1:3~約1:8のCu対Zn比、及び/または約1:2~約1:6のMg対Zn比を有する、請求項1~5のいずれか1項に記載のアルミニウム合金。
- Mn及びCrの合計量が少なくとも0.06重量%である、請求項1~6のいずれか1項に記載のアルミニウム合金。
- Zr及びScの合計量が少なくとも0.06重量%である、請求項1~7のいずれか1項に記載のアルミニウム合金。
- 前記アルミニウム合金が、Sc含有分散質、Zr含有分散質、またはScとZrとを含有する分散質を含む、請求項1~8のいずれか1項に記載のアルミニウム合金。
- 最大0.1重量%のErをさらに含む請求項1~9のいずれか1項に記載のアルミニウム合金であって、Er含有分散質を含む、前記アルミニウム合金。
- 最大0.1重量%のHfをさらに含む請求項1~10のいずれか1項に記載のアルミニウム合金であって、Hf含有分散質を含む、前記アルミニウム合金。
- 請求項1~11のいずれか1項に記載のアルミニウム合金を含む、アルミニウム合金製品。
- 前記アルミニウム合金製品が、約4mm未満の板厚を有するシートを含む、請求項12に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記アルミニウム合金製品が、T9質別の場合において約700MPa以上の降伏強度を有し、及び/またはT9質別の場合において少なくとも約2%の全伸びを有する、請求項12または13に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記アルミニウム合金製品が、T6質別の場合において約600MPa以上の降伏強度を有し、及び/またはT6質別の場合において少なくとも約7%の全伸びを有する、請求項12~14のいずれか1項に記載のアルミニウム合金製品。
- アルミニウム合金製品の製造方法であって、
アルミニウム合金を鋳造して鋳造アルミニウム合金製品を製造することであって、前記アルミニウム合金が約5.5~11.0重量%のZn、2.0~3.0重量%のMg、1.0~2.5重量%のCu、0.10重量%未満のMn、最大0.25重量%のCr、最大0.20重量%のSi、0.05~0.30重量%のFe、最大0.10重量%のTi、0.05~0.25重量%のZr、最大0.25重量%のSc、最大0.15重量%の不純物、及びAlを含む、前記製造すること、
前記鋳造アルミニウム合金製品を均質化して均質化鋳造アルミニウム合金製品を製造すること、
前記均質化鋳造アルミニウム合金製品を熱間圧延及び冷間圧延して圧延アルミニウム合金製品を製造すること、
前記圧延アルミニウム合金製品を溶体化熱処理すること、
前記圧延アルミニウム合金製品を時効させて時効アルミニウム合金製品を製造すること、ならびに
前記時効アルミニウム合金製品を1つ以上の時効後加工工程に供することであって、前記1つ以上の時効後加工工程により前記時効アルミニウム合金製品の板厚減少が生じる、前記供すること
を含む、前記方法。 - 前記1つ以上の時効後加工工程が、時効後冷間圧延工程、さらなる人工時効工程、及び時効後温間圧延工程のうちの1つ以上を含む、請求項16に記載の方法。
- 前記1つ以上の時効後加工工程が、室温で実施されるか、または約-100℃~約0℃の範囲の温度で実施される時効後冷間圧延工程を含む、請求項16または17に記載の方法。
- 前記1つ以上の時効後加工工程が、約65℃~約250℃の範囲の温度で実施される時効後温間圧延工程を含み、前記時効後温間圧延工程により約10%~約60%の板厚減少が生じる、請求項16または17に記載の方法。
- 前記1つ以上の時効後加工工程が、約250℃~約400℃の温度で実施される温間成形工程、0℃~約-200℃の温度で実施される極低温成形工程、または概ね室温~約400℃の温度で実施されるロール成形工程を含む、請求項16に記載の方法。
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