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

超高強度アルミニウム合金製品及びその作製方法 Download PDF

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Abstract

本明細書で提供されるのは、超高強度アルミニウム合金及びそれから調製される製品、ならびに超高強度アルミニウム合金の加工方法である。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、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)、及び他の元素を含む。本明細書に記載のアルミニウム合金は、割れのない時効後加工に適用可能である。【選択図】なし

Description

関連出願の相互参照
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。
本開示は、概して冶金に関し、より具体的には、アルミニウム合金の製造及びアルミニウム合金製品の生産に関する。
アルミニウム合金製品は、自動車、輸送、及び電子機器用途をはじめとする様々な用途で鋼鉄製品から急速に置き換わりつつある。アルミニウム合金製品は、多くの用途で鋼鉄から適切に置き換わるために必要な強度及び成形性を示し得る。しかし、一部の用途では、超高張力鋼(例えば、150~170MPa/(g/cm)の範囲の比強度値を示す鋼鉄)が入手可能であるため、鋼鉄が好ましく使用される。このような場合、相手先ブランド製造業者は、アルミニウム合金製品を使用すると実現不可能であると考えられる強度要件を理由として、通常の場合鋼鉄を使用する。鋼鉄に匹敵する強度レベルを示すアルミニウム合金製品が求められている。
包含される本発明の実施形態は、この発明の概要ではなく、特許請求の範囲によって定義される。この発明の概要は、本発明の様々な態様の高次の概要であり、以下の発明を実施するための形態のセクションでさらに説明されるいくつかの概念を紹介している。この発明の概要は、特許請求された主題の重要な、または本質的な特徴を特定することを意図しておらず、また、特許請求された主題の範囲を決定するために単独で使用されることも意図されていない。本発明の主題は、明細書全体、任意のまたはすべての図面、及び各特許請求の範囲の適切な部分を参照することによって理解されるべきである。
本明細書に記載されるのは、超高強度アルミニウム合金及びそれから作られる製品、ならびに超高強度アルミニウム合金の加工方法である。本明細書に記載のアルミニウム合金は、最大300MPa/(g/cm)の比降伏強度を実現することができ、これは、150~170MPa/(g/cm)の範囲であり得る超高張力鋼によって実現される比降伏強度よりも大幅に高い。アルミニウム合金組成物中の合金元素とアルミニウム合金組成物の加工方法の独自の組み合わせにより、以前は鋼鉄ベースの製品でのみ実現可能であった強度に匹敵し、それを超えるアルミニウム合金製品が得られる。
本明細書に記載のアルミニウム合金は、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。いくつかの非限定的な例では、アルミニウム合金は、約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。いくつかの非限定的な例では、アルミニウム合金は、約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。いくつかの非限定的な例では、アルミニウム合金は、約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。
任意選択で、Zn、Mg、及びCuの合計量は、約9.5~16重量%である。いくつかの非限定的な例では、Cu対Mg比は約1:1~約1:2.5、Cu対Zn比は約1:3~約1:8、及び/またはMg対Zn比は約1:2~約1:6である。いくつかの非限定的な例では、Mn及びCrの合計量は少なくとも約0.06重量%であり、及び/またはZr及びScの合計量は、少なくとも約0.06重量%である。アルミニウム合金は、任意選択で、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み得る。いくつかの場合では、アルミニウム合金は、最大約0.1重量%のErをさらに含み、合金は、Er含有分散質を含み得る。特定の例では、アルミニウム合金は、最大約0.1重量%のHfをさらに含み、合金は、Hf含有分散質を含み得る。
本明細書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もまた、本明細書に記載される。アルミニウム合金製品は、任意選択でシートであり得、このシートは、任意選択で、約4mm未満(例えば、約0.1mm~約3.2mm)の板厚を有し得る。アルミニウム合金製品は、任意選択で、T9質別の場合において約700MPa以上の降伏強度を、及び/またはT6質別の場合において約600MPa以上の降伏強度を有し得る。任意選択で、アルミニウム合金製品は、T9質別の場合において少なくとも約2%の全伸びを、及び/またはT6質別の場合において少なくとも約7%の全伸びを有し得る。アルミニウム合金製品には、自動車車体部品、輸送車体部品、航空宇宙機機体部品、船舶用構造部品もしくは非構造部品、または電子デバイス筐体が含まれ得る。
本明細書にさらに記載されるのは、アルミニウム合金製品の製造方法である。本方法は、本明細書に記載の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、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、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、圧延アルミニウム合金製品を溶体化熱処理すること、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、この1つ以上の時効後加工工程により時効アルミニウム合金製品の板厚減少が生じる、供することを含む。任意選択で、1つ以上の時効後加工工程は、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。
いくつかの非限定的な例では、1つ以上の時効後加工工程は、室温または約-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。任意選択で、1つ以上の時効後加工工程は、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む。時効後温間圧延工程により、場合によっては約10%~約60%の板厚減少が生じ得る。任意選択で、1つ以上の時効後加工工程は、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、及び/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さらに含み得る。
本明細書に記載の加工方法を示す模式図である。 本明細書に記載の加工方法を示す模式図である。 本明細書に記載の加工方法を示す模式図である。 図4A~4Cは、本明細書に記載の3つの加工方法を示す模式図である。 本明細書に記載のアルミニウム合金の算出された固相線温度及び固溶度線温度を示すグラフである。 本明細書に記載のアルミニウム合金の算出された析出物の質量分率を示すグラフである。 T6質別での本明細書に記載の合金A、B、C、D、E、F、G、及びHの降伏強度及び全伸びの測定値を示すグラフである。 T9質別での本明細書に記載の合金A、D、E、及びGの降伏強度及び全伸びの測定値を示すグラフである。 温間圧延後の本明細書に記載の合金A、D、E、F、G、及びHの降伏強度及び全伸びの測定値を示すグラフである。 様々な時効及び圧延加工後の、本明細書に記載の合金Dの降伏強度及び全伸びの測定値を示すグラフである。 様々な溶体化熱処理温度の後の、本明細書に記載の合金Eの降伏強度及び全伸びの測定値を示すグラフである。 様々な溶体化熱処理時間の後の、本明細書に記載の合金Eの降伏強度及び全伸びの測定値を示すグラフである。 様々な溶体化熱処理温度の後の、本明細書に記載の合金Gの降伏強度及び全伸びの測定値を示すグラフである。 様々な溶体化熱処理時間の後の、本明細書に記載の合金Gの降伏強度及び全伸びの測定値を示すグラフである。 様々な時効プロセス後の、本明細書に記載の合金Gの降伏強度及び全伸びの測定値を示すグラフである。 本明細書に記載の合金A、B、C、D、E、F、G、及びHの析出物含有量を示す顕微鏡写真を掲載する。 本明細書に記載の合金A、B、C、D、E、F、G、及びHの粒子構造を示す顕微鏡写真を掲載する。
本明細書で提供されるのは、超高強度アルミニウム合金及びそれから作られる製品、ならびに超高強度アルミニウム合金の加工方法である。以下でさらに詳述するように、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、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)、及び他の元素を含むことを意味する。このような高溶質合金は、鋳造及び鋳造後の加工が困難な場合がある。例えば、いくつかの場合では、ダイレクトチル鋳造は高溶質合金の鋳造には適していない。さらに、人工時効後の高溶質合金の冷間圧延は困難である場合があり、割れが生じることが多い。これらの障害は、本明細書に記載の合金及び方法により克服され、これにより、割れのない高溶質合金の時効後加工(例えば、圧延)が可能になる。合金組成及び加工方法については、以下でさらに詳述する。
定義及び説明
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。
この説明では、「シリーズ」または「6xxx」などのアルミニウム業界の呼称で識別される合金を参照している。アルミニウム及びその合金の命名及び識別に最も一般的に使用されている番号指定システムの理解のためには、いずれもアルミニウム協会によって発行されている「International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys」または「Registration Record of Aluminum Association Alloy Designations and Chemical Compositions Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot」を参照されたい。
本明細書で使用される場合、「a」、「an」、または「the」の意味は、文脈が明確に別途指示しない限り、単数形及び複数形の言及を含む。
本明細書で使用される場合、プレートは一般に、約15mmを超える厚さを有する。例えば、プレートは、約15mmを超える、約20mmを超える、約25mmを超える、約30mmを超える、約35mmを超える、約40mmを超える、約45mmを超える、約50mmを超える、または約100mmを超える厚さを有するアルミニウム製品を指し得る。
本明細書で使用される場合、シェート(シートプレートとも称される)は一般に、約4mm~約15mmの厚さを有する。例えば、シェートは、約4mm、約5mm、約6mm、約7mm、約8mm、約9mm、約10mm、約11mm、約12mm、約13mm、約14mm、または約15mmの厚さを有し得る。
本明細書で使用される場合、シートは一般に、約4mm未満の厚さを有するアルミニウム製品を指す。例えば、シートは、約4mm未満、約3mm未満、約2mm未満、約1mm未満、約0.5mm未満、約0.3mm未満、または約0.1mm未満の厚さを有し得る。
本出願では、合金の質別または調質に対する言及がなされる。最も一般的に使用されている合金質別の記述を理解するためには、「American National Standards(ANSI)H35 on Alloy and Temper Designation Systems」を参照されたい。F調質または質別は、製作されたままのアルミニウム合金を指す。O調質または質別は、焼なまし後のアルミニウム合金を指す。T1調質または質別は、熱間加工から冷却され、(例えば、室温で)自然時効されたアルミニウム合金を指す。T2調質または質別は、熱間加工から冷却され、冷間加工され、自然時効されたアルミニウム合金を指す。T3調質または質別は、溶体化熱処理され、冷間加工され、自然時効されたアルミニウム合金を指す。T4調質または質別は、溶体化熱処理され、自然時効されたアルミニウム合金を指す。T5調質または質別は、熱間加工から冷却され、(高温で)人工時効されたアルミニウム合金を指す。T6調質または質別は、溶体化熱処理され人工時効されたアルミニウム合金を指す。T7調質または質別は、溶体化熱処理され人工過剰時効されたアルミニウム合金を指す。T8x調質または質別は、溶体化熱処理され、冷間加工され、人工時効されたアルミニウム合金を指す。T9調質または質別は、溶体化熱処理され、人工時効され、冷間加工されたアルミニウム合金を指す。
本明細書で使用される場合、「室温」の意味は、約15℃~約30℃の温度、例えば、約15℃、約16℃、約17℃、約18℃、約19℃、約20℃、約21℃、約22℃、約23℃、約24℃、約25℃、約26℃、約27℃、約28℃、約29℃、または約30℃を含み得る。
本明細書で使用される場合、「鋳造アルミニウム合金製品」、「鋳造金属製品」、「鋳造製品」などの用語は、互換性があり、ダイレクトチル鋳造(ダイレクトチル同時鋳造を含む)または半連続鋳造、連続鋳造(例えば、双ベルト鋳造機、双ロール鋳造機、ブロック鋳造機、もしくは他の任意の鋳造機の使用によるものを含む)、電磁鋳造、ホットトップ鋳造、または他の任意の鋳造法、あるいはこれらの任意の組み合わせにより製造された製品を指す。
本明細書に開示の範囲はすべて、両方の終点、及びそれらに包含されるありとあらゆる部分範囲を包含すると理解されるべきである。例えば、記載された範囲「1~10」は、最小値1と最大値10の間の(かつこれらを含む)ありとあらゆる部分範囲を含むと考えられるべきであり、すなわち、すべての部分範囲は、1以上の最小値、例えば、1~6.1から始まり、かつ、10以下の最大値、例えば、5.5~10で終わる。
以下のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づく重量パーセント(重量%)での元素組成の観点から説明される。各合金の特定の例では、残部はアルミニウムであり、不純物の合計の最大重量%が、0.15%である。
合金組成
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。
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、表1に示される通りの以下の元素組成を有し得る。
Figure 2022532347000001
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、表2に示される通りの以下の元素組成を有し得る。

Figure 2022532347000002
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、表3に示される通りの以下の元素組成を有し得る。
Figure 2022532347000003
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、表4に示される通りの以下の元素組成を有し得る。
Figure 2022532347000004
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、約5.5%~約11.0%(例えば、約6.0%~約11.0%、約6.5%~約11.0%、約7.0%~約11.0%、約7.5%~約11.0%、約8.0%~約11.0%、約8.1%~約11.0%、約8.1%~約10.9%、約8.1%~約10.8%、約8.1%~約10.7%、約8.1%~約10.6%、約8.1~約10.5%、約8.2%~約11.0%、約8.2%~約10.9%、約8.2%~約10.8%、約8.2%~約10.7%、約8.2%~約10.6%、約8.2%~約10.5%、約8.3%~約11.0%、約8.3%~約10.9%、約8.3%~約10.8%、約8.3%~約10.7%、約8.3%~約10.6%、約8.3~約10.5%、約8.4%~約11.0%、約8.4%~約10.9%、約8.4%~約10.8%、約8.4%~約10.7%、約8.4%~約10.6%、約8.4~約10.5%、約8.5%~約11.0%、約8.5%~約10.9%、約8.5%~約10.8%、約8.5%~約10.7%、約8.5%~約10.6%、または約8.5~約10.5%)の量の亜鉛(Zn)を含む。例えば、アルミニウム合金は、5.5%、5.6%、5.7%、5.8%、5.9%、6.0%、6.1%、6.2%、6.3%、6.4%、6.5%、6.6%、6.7%、6.8%、6.9%、7.0%、7.1%、7.2%、7.3%、7.4%、7.5%、7.6%、7.7%、7.8%、7.9%、8.0%、8.1%、8.2%、8.3%、8.4%、8.5%、8.6%、8.7%、8.8%、8.9%、9.0%、9.1%、9.2%、9.3%、9.4%、9.5%、9.6%、9.7%、9.8%、9.9%、10.0%、10.1%、10.2%、10.3%、10.4%、10.5%、10.6%、10.7%、10.8%、10.9%、または11.0%のZnを含み得る。すべて重量%で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、約2.0%~約3.0%(例えば、約2.0%~約2.9%、約2.0%~約2.8%、約2.0%~約2.7%、約2.0%~約2.6%、約2.0%~約2.5%、約2.1%~約3.0%、約2.1%~約2.9%、約2.1%~約2.8%、約2.1%~約2.7%、約2.1%~約2.6%、約2.1%~約2.5%、約2.2%~約3.0%、約2.2%~約2.9%、約2.2%~約2.8%、約2.2%~約2.7%、約2.2%~約2.6%、約2.2%~約2.5%、約2.3%~約3.0%、約2.3%~約2.9%、約2.3%~約2.8%、約2.3%~約2.7%、約2.3%~約2.6%、または約2.3%~約2.5%)の量のマグネシウム(Mg)を含む。例えば、合金は、2.0%、2.05%、2.1%、2.15%、2.2%、2.25%、2.3%、2.35%、2.4%、2.45%、2.5%、2.55%、2.6%、2.65%、2.7%、2.75%、2.8%、2.85%、2.9%、2.95%、または3.0%のMgを含み得る。すべて重量%で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、約1.0%~約2.5%(例えば、約1.1%~約2.4%、約1.2%~約2.3%、約1.3%~約2.2%、約1.4%~約2.1%、約1.5%~約2.0%、約1.6%~約1.9%、約1.7%~約1.8%、約1.6%~約2.5%、約1.8%~約2.1%、約2.0%~約2.5%、約2.0%~約2.4%、または約2.0%~約2.3%)の量の銅(Cu)を含む。例えば、合金は、1.0%、1.05%、1.1%、1.15%、1.2%、1.25%、1.3%、1.35%、1.4%、1.45%、1.5%、1.55%、1.6%、1.65%、1.7%、1.75%、1.8%、1.85%、1.9%、1.95%、2.0%、2.05%、2.1%、2.15%、2.2%、2.25%、2.3%、2.35%、2.4%、2.45%、または2.5%のCuを含み得る。すべて重量%で表示されている。
前述のアルミニウム合金は、相当量のZn、Mg、及びCuを含み得る。本明細書で使用される場合、相当量のZn、Mg、及びCuは、アルミニウム合金中に存在するZn、Mg、及びCuの合計量が約9.3%~約16.5%の範囲であり得ることを意味する。例えば、Zn、Mg、及びCuの合計量は、約9.5%~約16%、約10%~約16%、または約11%~約16%の範囲であり得る。いくつかの例では、Zn、Mg、及びCuの合計量は、約9.3%、9.4%、9.5%、9.6%、9.7%、9.8%、9.9%、10.0%、10.1%、10.2%、10.3%、10.4%、10.5%、10.6%、10.7%、10.8%、10.9%、11.0%、11.1%、11.2%、11.3%、11.4%、11.5%、11.6%、11.7%、11.8%、11.9%、12.0%、12.1%、12.2%、12.3%、12.4%、12.5%、12.6%、12.7%、12.8%、12.9%、13.0%、13.1%、13.2%、13.3%、13.4%、13.5%、13.6%、13.7%、13.8%、13.9%、14.0%、14.1%、14.2%、14.3%、14.4%、14.5%、14.6%、14.7%、14.8%、14.9%、15.0%、15.1%、15.2%、15.3%、15.4%、15.5%、15.6%、15.7%、15.8%、15.9%、または16.0%であり得る。
確実に適切なレベルの強化を実現するために、アルミニウム合金においては、Zn、Mg、及びCuの相対量が慎重に制御されている。いくつかの例では、Cu対Mg比は、約1:1~約1:2.5(例えば、約1:1~約1:2)である。例えば、Cu対Mg比は、約1:1、1:1.05、1:1.1、1:1.15、1:1.2、1:1.25、1:1.3、1:1.35、1:1.4、1:1.45、1:1.5、1:1.55、1:1.6、1:1.65、1:1.7、1:1.75、1:1.8、1:1.85、1:1.9、1:1.95、1:2、1:2.05、1:2.1、1:2.15、1:2.2、1:2.25、1:2.3、1:2.35、1:2.4、1:2.45、または1:2.5であり得る。
いくつかの例では、Cu対Zn比は、約1:3~約1:8(例えば、約1:3.5~約1:7または約1:3.6~1:6.9)である。例えば、Cu対Zn比は、約1:3.5、1:3.6、1:3.7、1:3.8、1:3.9、1:4、1:4.1、1:4.2、1:4.3、1:4.4、1:4.5、1:4.6、1:4.7、1:4.8、1:4.9、1:5、1:5.1、1:5.2、1:5.3、1:5.4、1:5.5、1:5.6、1:5.7、1:5.8、1:5.9、1:6、1:6.1、1:6.2、1:6.3、1:6.4、1:6.5、1:6.6、1:6.7、1:6.8、1:6.9、1:7、1:7.1、1:7.2、1:7.3、1:7.4、1:7.5、1:7.6、1:7.7、1:7.8、1:7.9、または1:8であり得る。
いくつかの例では、Mg対Zn比は、約1:2~約1:6(例えば、約1:2.1~約1:5.5または約1:2.2~1:5.2)である。例えば、Mg対Zn比は、約1:2、1:2.1、1:2.2、1:2.3、1:2.4、1:2.5、1:2.6、1:2.7、1:2.8、1:2.9、1:3、1:3.1、1:3.2、1:3.3、1:3.4、1:3.5、1:3.6、1:3.7、1:3.8、1:3.9、1:4、1:4.1、1:4.2、1:4.3、1:4.4、1:4.5、1:4.6、1:4.7、1:4.8、1:4.9、1:5、1:5.1、1:5.2、1:5.3、1:5.4、1:5.5、1:5.6、1:5.7、1:5.8、1:5.9、または1:6であり得る。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、約0.10%未満(例えば、約0.001%~約0.09%、約0.01%~約0.09%、約0.01%~約0.08%、約0.01%~約0.07%、約0.01%~約0.6%、約0.02%~約0.10%、約0.02%~約0.09%、約0.02%~約0.08%、約0.02%~約0.07%、または約0.02%~約0.06%)の量のマンガン(Mn)を含む。例えば、合金は、0.001%、0.002%、0.003%、0.004%、0.005%、0.006%、0.007%、0.008%、0.009%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、または0.09%のMnを含み得る。いくつかの場合では、Mnは合金中に存在しない(すなわち、0%である)。すべて重量%で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、最大約0.25%(例えば、約0.01%~約0.25%、約0.01%~約0.20%、約0.01%~約0.15%、約0.02%~約0.25%、約0.02%~約0.20%、約0.02%~約0.15%、約0.03%~約0.25%、約0.03%~約0.20%、または約0.03%~約0.15%)の量のクロム(Cr)を含む。例えば、合金は、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%、0.13%、0.14%、0.15%、0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.20%、0.21%、0.22%、0.23%、0.24%、または0.25%のCrを含み得る。いくつかの場合では、Crは合金中に存在しない(すなわち、0%である)。すべて重量%で表示されている。
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、Mn及びCrを合わせて少なくとも約0.06%含む。例えば、本明細書に記載のアルミニウム合金中のMn及びCrの合計含有量は、約0.07%~約0.5%、約0.08%~約0.4%、約0.09%~約0.3%、または約0.1%~約0.25%であり得る。すべて重量%で表示されている。本明細書で使用される場合、「Mn及びCrの合計含有量」または「Mn及びCrを合わせて」は、合金中の元素の総量を指すが、両方の元素が必要であることを意味するものではない。いくつかの例では、Mn及びCrの両方がアルミニウム合金中に存在し、合計含有量は合金中の両方の元素の総量に基づく。いくつかの例では、MnまたはCrのうちの1つのみが存在するため、合計含有量は、合金中に存在する元素の量に基づく。特定の態様では、Mn及びCrの合計含有量は、アルミニウム合金マトリックス中の各元素の溶解度の観点から考慮される。例えば、Mnは1.8%を超える濃度でアルミニウム合金に混合させることができ、Crは最大約0.3%の濃度でアルミニウム合金に混合させることができる。Mnは、Crよりもアルミニウム合金マトリックスへの高い溶解度を示す。
特定の態様では、Mn及びCrは、アルミニウム合金マトリックス中で分散質を形成し得る。分散質は二次析出物であり、再結晶を遅延させるかもしくは防止し、及び/またはアルミニウム合金の破壊靱性を向上させることができる。いくつかの場合では、分散質は、約10nm~約500nm(例えば、約25nm~約450nm、約50nm~約400nm、約75nm~約350nm、約100nm~約300nm、または約150nm~約250nm)の範囲の直径を有し得る。例えば、分散質は、約10nm、約20nm、約30nm、約40nm、約50nm、約60nm、約70nm、約80nm、約90nm、約100nm、約110nm、約120nm、約130nm、約140nm、約150nm、約160nm、約170nm、約180nm、約190nm、約200nm、約210nm、約220nm、約230nm、約240nm、約250nm、約260nm、約270nm、約280nm、約290nm、約300nm、約310nm、約320nm、約330nm、約340nm、約350nm、約360nm、約370nm、約380nm、約390nm、約400nm、約410nm、約420nm、約430nm、約440nm、約450nm、約460nm、約470nm、約480nm、約490nm、または約500nmの直径を有し得る。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、最大約0.2%(例えば、約0.01%~約0.20%、約0.01%~約0.15%、約0.01%~約0.10%、約0.02%~約0.20%、約0.02%~約0.15%、約0.02%~約0.10%、約0.04%~約0.20%、約0.04%~約0.15%、または約0.04%~約0.10%)の量のケイ素(Si)を含む。例えば、合金は、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.1%、0.11%、0.12%、0.13%、0.14%、0.15%、0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、または0.2%のSiを含み得る。いくつかの場合では、Siは合金中に存在しない(すなわち、0%である)。すべて重量%で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、約0.05%~約0.30%(例えば、約0.05%~約0.25%、約0.05%~約0.20%、約0.08%~約0.30%、約0.08%~約0.25%、約0.08%~約0.20%、約0.1%~約0.30%、約0.1%~約0.25%、または約0.1%~約0.20%)の量の鉄(Fe)を含む。例えば、合金は、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%、0.13%、0.14%、0.15%、0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.20%、0.21%、0.22%、0.23%、0.24%、0.25%、0.26%、0.27%、0.28%、0.29%、または0.30%のFeを含み得る。すべて重量%で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、チタン(Ti)を含む。いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、最大0.1%(例えば、約0.001%~約0.1%、約0.005%~約0.1%、約0.01%~約0.1%、または約0.01%~約0.05%)の量のTiを含む。例えば、合金は、0.001%、0.002%、0.003%、0.004%、0.005%、0.006%、0.007%、0.008%、0.009%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、または0.1%のTiを含み得る。いくつかの場合では、Tiは合金中に存在しない(すなわち、0%である)。すべて重量%で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、約0.05%~約0.25%(例えば、約0.05%~約0.20%、約0.05%~約0.15%、約0.08%~約0.25%、約0.08%~約0.20%、約0.08%~約0.15%、約0.1%~約0.25%、約0.1%~約0.20%、または約0.1%~約0.15%)の量のジルコニウム(Zr)を含む。例えば、合金は、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%、0.13%、0.14%、0.15%、0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.20%、0.21%、0.22%、0.23%、0.24%、または0.25%のZrを含み得る。すべて重量%で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、スカンジウム(Sc)を含む。いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、最大約0.25%(例えば、最大約0.10%、約0.001%~約0.25%、約0.005%~約0.25%、約0.01%~約0.25%、約0.001%~約0.20%、約0.005%~約0.20%、約0.01%~約0.20%、約0.001%~約0.15%、約0.005%~約0.15%、約0.01%~約0.15%、約0.001%~約0.10%、約0.005%~約0.10%、約0.01%~約0.10%、または約0.01%~約0.05%)の量のScを含む。例えば、合金は、0.001%、0.002%、0.003%、0.004%、0.005%、0.006%、0.007%、0.008%、0.009%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%、0.13%、0.14%、0.15%、0.16%、0.17%、0.18%、0.19%、0.2%、0.21%、0.22%、0.23%、0.24%、または0.25%のScを含み得る。すべて重量%で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、エルビウム(Er)を含む。いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、最大0.1%(例えば、約0.001%~約0.1%、約0.005%~約0.1%、約0.01%~約0.1%、約0.05%~約0.1%、または約0.01%~約0.05%)の量のErを含む。例えば、合金は、0.001%、0.002%、0.003%、0.004%、0.005%、0.006%、0.007%、0.008%、0.009%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、または0.1%のErを含み得る。いくつかの場合では、Erは合金中に存在しない(すなわち、0%である)。すべて重量%で表示されている。
いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、ハフニウム(Hf)を含む。いくつかの例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、合金の総重量に基づいて、最大0.1%(例えば、約0.001%~約0.1%、約0.005%~約0.1%、約0.01%~約0.1%、約0.05%~約0.1%、または約0.01%~約0.05%)の量のHfを含む。例えば、合金は、0.001%、0.002%、0.003%、0.004%、0.005%、0.006%、0.007%、0.008%、0.009%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、または0.1%のHfを含み得る。いくつかの場合では、Hfは合金中に存在しない(すなわち、0%である)。すべて重量%で表示されている。
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、Zn及びScを合わせて少なくとも約0.06%含む。例えば、本明細書に記載のアルミニウム合金中のZn及びScの合計含有量は、約0.07%~約0.5%、約0.08%~約0.4%、約0.09%~約0.3%、または約0.1%~約0.25%であり得る。すべて重量%で表示されている。本明細書で使用される場合、「Zr及びSrの合計含有量」または「Zn及びScを合わせて」は、合金中の元素の総量を指すが、両方の元素が必要であることを意味するものではない。いくつかの例では、Zn及びScの両方がアルミニウム合金中に存在し、合計含有量は合金中の両方の元素の総量に基づく。いくつかの例では、ZrまたはScのうちの1つのみが存在するため、合計含有量は、合金中に存在する元素の量に基づく。アルミニウム合金は、任意選択で、スカンジウム含有分散質、ジルコニウム含有分散質、スカンジウムとジルコニウムとを含有する分散質、スカンジウム-ジルコニウム-エルビウム分散質、ハフニウム含有分散質、他の任意の適切な分散質、またはこれらの任意の組み合わせを含み得る。
任意選択で、本明細書に記載のアルミニウム合金は、0.05%以下、0.04%以下、0.03%以下、0.02%以下、または0.01%以下の量の、不純物と呼ばれる場合がある他の微量元素をさらに含み得る。これらの不純物としては、V、Ni、Sc、Zr、Sn、Ga、Ca、Bi、Na、Pbまたはこれらの組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されない。したがって、V、Ni、Sc、Zr、Sn、Ga、Ca、Bi、Na、またはPbは、0.05%以下、0.04%以下、0.03%以下、0.02%以下、または0.01%以下の量で合金中に存在してもよい。全不純物の合計は、0.15%(例えば0.1%)を超えない。すべて重量%で表示されている。各合金の残りの割合はアルミニウムである。
アルミニウム合金を調製するための方法
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。
鋳造
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。
次に、鋳造アルミニウム合金製品をさらなる加工工程に供することができる。例えば、本明細書に記載の加工方法は、アルミニウム合金製品を形成するための、均質化、熱間圧延、冷間圧延、溶体化熱処理、及び/または人工時効の工程を含み得る。加工方法は、冷間圧延、さらなる人工時効、及び/または温間圧延などの1つ以上の時効後加工工程をさらに含み得る。
均質化
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。
次いで、鋳造アルミニウム合金製品を一定時間ソーキングさせる。1つの非限定的な例によれば、鋳造アルミニウム合金製品を、最大約30時間(例えば、約20分~約30時間または約5時間~約20時間(これらの値を含む))ソーキングさせる。例えば、鋳造アルミニウム合金製品は、約450℃~約550℃の温度で、約20分、約30分、約45分、約1時間、約1.5時間、約2時間、約3時間、約4時間、約5時間、約6時間、約7時間、約8時間、約9時間、約10時間、約11時間、約12時間、約13時間、約14時間、約15時間、約16時間、約17時間、約18時間、約19時間、約20時間、約21時間、約22時間、約23時間、約24時間、約25時間、約26時間、約27時間、約28時間、約29時間、約30時間、またはこれらの間の任意の時間ソーキングされ得る。
熱間圧延
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。
特定の場合では、鋳造アルミニウム合金製品は、約3mm~約15mm板厚(例えば、約5mm~約12mm板厚)に熱間圧延され、これは、ホットバンドと称される。例えば、鋳造製品は、15mm板厚、14mm板厚、13mm板厚、12mm板厚、11mm板厚、10mm板厚、9mm板厚、8mm板厚、7mm板厚、6mm板厚、5mm板厚、4mm板厚、または3mm板厚に熱間圧延される。熱間圧延の結果としての鋳造アルミニウム合金製品の板厚換算の減少率は、約50%~約80%の範囲であり得る(例えば、約50%、約55%、約60%、約65%、約70%、約75%、または約80%の板厚減少)。圧延されたままのホットバンドの質別は、F質別と称される。
任意選択で、熱間圧延に続いて、圧延されたままのホットバンドを2工程の均質化プロセスの第2工程に供することができる。例えば、第1の均質化工程は、DC鋳造またはCC後の鋳造アルミニウム合金製品を、最大約400℃(例えば、最大約395℃、最大約390℃、最大約385℃、最大約380℃、最大約375℃、最大約370℃、最大約365℃、または最大約360℃)の温度に達するように加熱することを含み得る。鋳造アルミニウム合金製品は、第1の均質化温度で最大約4時間(例えば、最大約3.5時間、最大約3時間、最大約2.5時間、または最大約2時間)ソーキングされ得る。熱間圧延後、第2の均質化工程は、圧延されたままのホットバンドを、最大約490℃(例えば、最大約485℃、最大約480℃、最大約475℃、最大約470℃、最大約465℃、最大約460℃、最大約455℃、または最大約450℃)の温度に達するように加熱することを含み得る。圧延されたままのホットバンドを、第2の均質化温度で最大約2時間(例えば、最大約1.5時間、または最大約1時間)ソーキングして、均質化ホットバンドを得ることができる。特定の場合では、均質化ホットバンドを、最終板厚まで(例えば、ホットミルまたは仕上げミルで)さらに熱間圧延することができる。いくつかの例では、均質化ホットバンドをさらに熱間圧延して50%減少させ、続いて最終板厚まで冷間圧延することができる(以下で説明する)。
コイル冷却
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
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。
任意選択の中間焼なまし
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
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。
焼入れ
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。
時効
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。
いくつかの非限定的な例では、アルミニウム合金製品は、製品を約120℃~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、アルミニウム合金製品は、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。アルミニウム合金製品は、最大36時間(例えば、1時間~36時間、5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、アルミニウム合金製品は、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。
時効プロセス(複数可)に続いて、アルミニウム合金製品を、任意選択で、1つ以上の時効後プロセス(例えば、時効後冷間圧延、時効後温間圧延、及び/またはさらなる人工時効)におけるさらなる加工に供することができる。任意選択で、さらなる加工により、T9質別のアルミニウム合金製品を得ることができる。さらなる加工はまた、アルミニウム合金製品に、析出強化及びひずみ硬化の両方の効果をもたらす。
時効後冷間圧延
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。
さらなる人工時効
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。
時効後温間圧延
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、MgZn)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、MgZn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(MgSi)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、MgSi析出物の形成を防止することができる。
特定の態様では、時効後温間圧延が実施され、約10%~約60%の材料の板厚減少(例えば、約10%、約15%、約20%、約25%、約30%、約35%、約40%、約45%、約50%、約55%、または約60%の板厚減少)が生じる。得られたアルミニウム合金製品は、3.2mm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。本明細書に記載の通りに実施される時効後温間圧延は、材料の冶金学的な逆行(metallurgical retrogression)を開始させ軟化状態を達成し、これにより、アルミニウム合金製品で実施される成形技術が可能になる。時効後温間圧延材料は、成形アルミニウム合金製品を提供するための様々な変形技術に適用可能であり、それらとしては、熱間成形(例えば、約400℃~約600℃の温度でのアルミニウム合金製品の成形)、温間成形(例えば、約250℃~約400℃の温度でのアルミニウム合金製品の成形)、極低温成形(例えば、約0℃~約-200℃の温度でのアルミニウム合金製品の成形)、ロール成形(例えば、概ね室温~約400℃の温度でのアルミニウム合金製品のロール成形)、及び/または室温成形(例えば、室温でのアルミニウム合金製品の成形)が挙げられる。変形は、当業者に公知のように二次元または三次元形状を作り出すことができる、切断、スタンピング、プレス、プレス成形、引抜、または他のプロセスを含み得る。このような非平面アルミニウム合金製品は、「スタンピングされた」、「プレスされた」、「プレス成形された」、「引抜された」、「三次元成形された」、「ロール成形された」と、または他の類似の用語と称される場合がある。
合金の微細構造及び特性
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。
上記の通り、本明細書に記載の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、極めて高い強度値を示す。いくつかの例では、アルミニウム合金製品は、例えば、T9質別の場合において、約700MPa以上の降伏強度を有する。例えば、アルミニウム合金製品は、705MPa以上、710MPa以上、715MPa以上、720MPa以上、725MPa以上、730MPa以上、735MPa以上、740MPa以上、745MPa以上、750MPa以上、755MPa以上、760MPa以上、765MPa以上、770MPa以上、775MPa以上、780MPa以上、785MPa以上、790MPa以上、795MPa以上、800MPa以上、810MPa以上、815MPa以上、820MPa以上、825MPa以上、830MPa以上、835MPa以上、840MPa以上、845MPa以上、850MPa以上、855MPa以上、860MPa以上、865MPa以上、870MPa以上、875MPa以上、880MPa以上、885MPa以上、890MPa以上、895MPa以上、または900MPa以上の降伏強度を有し得る。いくつかの場合では、降伏強度は、約700MPa~約1000MPa(例えば、約705MPa~約950MPa、約710MPa~約900MPa、約715MPa~約850、または約720MPa~約800MPa)である。
いくつかの例では、アルミニウム合金製品は、例えば、T6質別の場合において、約600MPa以上の降伏強度を有する。例えば、アルミニウム合金製品は、600MPa以上、605MPa以上、610MPa以上、615MPa以上、620MPa以上、625MPa以上、630MPa以上、635MPa以上、または640MPa以上の降伏強度を有し得る。いくつかの場合では、アルミニウム合金製品は、約600MPa~約650MPa(例えば、約605MPa~約645MPa、約610MPa~約640MPa、または約615MPa~約640MPa)の降伏強度を有し得る。
いくつかの場合では、アルミニウム合金製品は、例えば、T9質別の場合において、少なくとも約2%かつ最大約5%の全伸びを有し得る。例えば、アルミニウム合金製品は、約2%、3%、4%、もしくは5%、またはこれらの間の任意の数値の全伸びを有し得る。
いくつかの場合では、アルミニウム合金製品は、例えば、T6質別の場合において、少なくとも約7%かつ最大約15%の全伸びを有し得る。例えば、アルミニウム合金製品は、約7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、またはこれらの間の任意の数値の全伸びを有し得る。
使用方法
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。
本明細書に記載の合金及び方法は、電子機器用途にも、例えば外部及び内部容器を作るためにも使用され得る。例えば、本明細書に記載の合金及び方法は、携帯電話及びタブレットコンピュータを含む電子デバイスの筐体を作るためにも使用され得る。いくつかの例では、合金は、携帯電話(例えばスマートフォン)の外部ケーシング用の筐体及びタブレットのボトムシャーシ用の筐体を作るために使用され得る。
特定の態様では、製品及び方法は、航空宇宙機機体部品製品を作るために使用され得る。例えば、開示された製品及び方法は、航空機の機体部品、例えばスキン合金を作るために使用され得る。いくつかの例では、製品及び方法は、船舶用構造部品または非構造部品を作るために使用され得る。
いくつかの場合では、製品及び方法は、建築用部品を作るために使用され得る。例えば、開示された製品及び方法は、建築用パネル、審美的部品、屋根用パネル、日除け、ドア、窓枠などを作るために使用され得る。
製品及び方法は、他の任意の所望の用途に使用され得る。
好適な合金、製品及び方法の例示
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。
例示2は、約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、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示3は、約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、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示4は、約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、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示5は、Zn、Mg、及びCuの合計量が約9.5~16%である、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示6は、Cu対Mg比が約1:1~約1:2.5である、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示7は、Cu対Zn比が約1:3~約1:8である、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示8は、Mg対Zn比が約1:2~約1:6である、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示9は、Mn及びCrの合計量が少なくとも約0.06重量%である、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示10は、Zn及びScの合計量が少なくとも約0.06重量%である、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示11は、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、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示12は、最大約0.1重量%のErをさらに含む、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示13は、アルミニウム合金が、Er含有分散質を含む、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示14は、最大約0.1重量%のHfをさらに含む、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示15は、アルミニウム合金が、Hf含有分散質を含む、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示16は、先行例示のいずれか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である。
例示17は、アルミニウム合金製品が、シートを含む、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金製品である。
例示18は、シートの板厚が約4mm未満である、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金製品である。
例示19は、シートの板厚が約0.1mm~約3.2mmである、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金製品である。
例示20は、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する、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金製品である。
例示21は、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する、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金製品である。
例示22は、アルミニウム合金製品が、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、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金製品である。
例示23は、アルミニウム合金製品が、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、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金製品である。
例示24は、アルミニウム合金製品が、自動車車体部品、輸送車体部品、航空宇宙機機体部品、船舶用構造部品もしくは非構造部品、または電子デバイス筐体を含む、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金製品である。
例示25は、先行例示のいずれかに記載の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、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、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、圧延アルミニウム合金製品を溶体化熱処理すること、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、この1つ以上の時効後加工工程により時効アルミニウム合金製品の板厚減少が生じる、供することを含む、アルミニウム合金製品の製造方法である。
例示26は、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、先行または後続するいずれかの例示の方法である。
例示27は、1つ以上の時効後加工工程が、室温で実施される時効後冷間圧延工程を含む、先行または後続するいずれかの例示の方法である。
例示28は、1つ以上の時効後加工工程が、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、先行または後続するいずれかの例示の方法である。
例示29は、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む、先行または後続するいずれかの例示の方法である。
例示30は、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、先行または後続するいずれかの例示の方法である。
例示31は、約250℃~約400℃の温度で実施される温間成形工程をさらに含む、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示32は、0℃~約-200℃の温度で実施される極低温成形工程をさらに含む、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
例示33は、概ね室温~約400℃の温度で実施されるロール成形工程をさらに含む、先行または後続するいずれかの例示のアルミニウム合金である。
以下の実施例は、本発明をさらに説明するのに役立つが、しかしながら、そのいかなる限定も構成しない。それとは逆に、その様々な実施形態、改変、及び等価物に頼ることができ、これらは、本明細書の説明を読んだ後に、本発明の趣旨から逸脱することなく当業者にそれら自体を示唆し得ることを明確に理解されたい。
実施例1:合金の組成、加工、及び特性
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。
Figure 2022532347000005
表5において、すべての値は全体の重量パーセント(重量%)である。合金は全体で最大0.15重量%の不純物を含むことができ、残部はアルミニウムである。合金Aは、比較用の7075アルミニウム合金である。以下の表6は、比較用合金A及び合金B~HのMg、Cu、及びZnの合計溶質含有量を示す。さらに、表6は、Zn対Mg、Mg対Cu、及びZr対Scの溶質比を示す。
Figure 2022532347000006
表6において、すべての値は全体の重量パーセント(重量%)である。
本明細書に記載の加工方法を、図1、2、3及び4A~4Cに示す。プロセスフローパスA(図1を参照されたい)の例では、本明細書に記載のアルミニウム合金を、約400℃~約450℃の鋳造機出口温度で双ベルト鋳造機により10.0mmの板厚を有するスラブとして連続鋳造した。鋳造したままのスラブをトンネル炉において約400℃~約450℃で均質化した。均質化スラブを均質化温度から約400℃~約410℃に冷却し、熱間圧延した。熱間圧延を、(例えば、ホットミルでの1回以上の熱間圧延パスを使用して)50%~80%の減少となるように実施し、続いて材料を、約200℃~約230℃のホットミル(図1では「HM」と称す)出口温度からコイル冷却した。熱間圧延後、アルミニウム合金をコールドミル(図1では「CM」と称す)で50%~80%の減少まで冷間圧延した。冷間圧延したアルミニウム合金をコイル状に巻いて冷却させ、続いて約480℃のピーク金属温度(PMT)で溶体化熱処理(図1では「SHT」と称す)し、PMTで約5分間保持した。溶体化熱処理後、アルミニウム合金を室温の水中で約50℃/s~約800℃/sの焼入れ速度で焼入れした。溶体化熱処理したアルミニウム合金を、空気炉中、約120℃のPMTで約24時間人工時効した。
プロセスフローパスB(図2を参照されたい)の例では、本明細書に記載のアルミニウム合金を、約400℃~約450℃の鋳造機出口温度で双ベルト鋳造機により10.0mmの板厚を有するスラブとして連続鋳造した。鋳造したままのスラブをトンネル炉において約400℃~約450℃で均質化した。均質化スラブを約400℃~約410℃に冷却し、熱間圧延した。熱間圧延を、50%~80%の減少となるように実施し、続いて材料を、約200℃~約230℃のホットミル(図2では「HM」と称す)出口温度からコイル冷却した。熱間圧延後、アルミニウム合金を組成に応じた様々な方法により均質化した(すなわち、組成別の均質化)。合金A、B、D、E、及びG(例えば、組成中にScを添加していない合金)を、約465℃の1工程の均質化に2時間供した。合金C、F、及びH(例えば、組成中にScを含む合金)を、2工程の均質化プロセスに供した。合金C、F、及びHを、まず約365℃で約4時間均質化し、次に約465℃で約2時間均質化した。組成別の均質化後、比較用合金A及び合金B~Hを、ホットミル(図2では「HM」と称す)で最終板厚に圧延するか、またはコールドミル(図2では「CM」と称す)で50%~80%の減少まで冷間圧延するかのいずれかとした。冷間圧延したアルミニウム合金をコイル状に巻いて冷却させ、続いて約480℃のピーク金属温度(PMT)で溶体化熱処理(図2では「SHT」と称す)し、PMTで約5分間保持した。溶体化熱処理後、アルミニウム合金を室温の水中で約50℃/s~約800℃/sの焼入れ速度で焼入れした。溶体化熱処理したアルミニウム合金を、空気炉中、約120℃のPMTで約24時間人工時効した。
比較用合金A及び合金B~Hをさらに熱処理及び圧延に供し、T8x質別の比較用合金A及び合金B~Hを得た。図3の例では、溶体化熱処理後(上記の図1及び図2の例の通り)、比較用合金A及び合金B~Hを、約80℃~約160℃の温度で約10分~約60分間予備時効した。予備時効した比較用合金A及び合金B~Hを冷間圧延または温間圧延(図3では「WR」と称す)のいずれかで5%~20%減少させ、空気炉中、約120℃のPMTで約24時間人工時効した。
人工時効後(例えば、上記の図1、図2、または図3の例における)、比較用合金A及び合金B~Hをさらに熱処理及び圧延に供し、T9質別の比較用合金A及び合金B~Hを得た。図4A~Cの例では、3つのプロセスを使用して、T9質別の比較用合金A及び合金B~Hを得た。極低温プロセス(図4Aの例における)には、0℃~約-200℃(例えば、約-50℃~約-120℃)の金属温度に達するように、比較用合金A及び合金B~Hを液体窒素に浸漬することを含めた。液体窒素浸漬後、比較用合金A及び合金B~Hを、10%~50%の減少まで冷間圧延した。-50℃~-120℃の温度での冷間圧延は、以下でさらに論じる合金の最大転位密度を固定することにより、より高い強度(例えば、約100MPaの降伏強度の増加)をもたらした。あるいは、冷間圧延プロセス(図4Bの例における)には、人工時効した比較用合金A及び合金B~Hを、10%~50%の減少まで冷間圧延することを含めた。極低温プロセスと同様に、人工時効後の冷間圧延プロセスは、合金の最大転位密度を捕捉することにより、より高い強度をもたらした。最後に、温間圧延プロセス(図4Cの例における)には、比較用合金A及び合金B~Hを、約80℃~約160℃の温度で約10分~約60分間再加熱し、次いで10%~80%の減少まで温間圧延することを含めた。温間圧延により、より大きな減少(すなわち、より薄い板厚のアルミニウム合金)がもたらされ、変形構造を介してより高い強度がもたらされた。
熱力学的計算を使用して、図1~4Cの例に記載されている加工方法に使用される溶体化熱処理温度を決定した。図5は、Cu、Mg、及びZnを含有するアルミニウム合金の固相線温度に対する溶質含有量の影響を示す。図5に示すように、アルミニウム合金の固相線温度は、溶質含有量が増加するにつれて低下する。熱力学的計算により、比較用合金A及び合金B~Hの溶体化熱処理温度を決定するための基礎が得られた。
熱力学的計算をさらに使用して、強化析出物MgZnの生成に対する溶質含有量の影響を判定した。図6は、Cu、Mg及びZnの溶質含有量が増加した場合に予期されるMgZn相の増加を示す。さらに、図6は、約13重量%の溶質含有量(例えば、Cu+Mg+Zn)が、アルミニウム合金に最大のMgZn相をもたらすことが予期されることを示す。
比較用合金A及び合金B~Hを、前述のプロセスに従って加工後に機械的特性試験に供した。比較用合金A及び合金B~Hの引張特性を、図7~15に示す。比較例として、図7は、(例えば、本明細書に記載のT8x及びT9質別で得られる合金と比較した)T6質別の比較用合金A及び合金B~Hの引張特性を示す。さらに、図7は、アルミニウム合金中の溶質含有量の増加に関する影響を示す。比較用合金Aは、9.92重量%のMg+Cu+Zn合計含有量を有しており、合金B~Hは、少なくとも11.8重量%のMg+Cu+Zn合計含有量を有していた(表6を参照されたい)。図7に示すように、溶質含有量が多いほど降伏強度が高くなり、前述の熱力学的計算が立証された。加えて、Scの添加により、合金C、F、及びHに示されるように、さらにより高い降伏強度がもたらされた(例えば、降伏強度は約50MPa~約70MPaから、約600MPa~約700MPaの範囲に増加する)。さらに、比較用合金A及び合金B~Hの伸びは、約8%~約14%の範囲であった。
合金A、D、E、及びGを、前述の極低温加工後に引張試験に供し、T9質別の合金A、D、E、及びGを得た。図8は、極低温プロセスによる加工後の合金A、D、E、及びGの降伏強度及び伸びを示す。図8に示すように、極低温プロセスにより、10%の圧延減少後に降伏強度が約100MPa増加したアルミニウム合金が得られた。
合金A、D、E、F、G及びHを、前述の温間圧延加工後に引張試験に供し、T9質別の合金A、D、E、F、G及びHを得た。図9は、図4Cの例の温間圧延プロセスによる加工後の、合金A、D、E、F、G、及びHの降伏強度及び伸びを示す。図9に示すように、温間圧延プロセスにより、様々な圧延減少後(図9では「温間での減少%」と称す)に降伏強度が約100MPa増加したアルミニウム合金が得られた。
比較用合金A(比較用のAA7075アルミニウム合金)及び合金B~H(すべてT6質別)をさらに、前述の通りの、極低温度での圧延(「極低温圧延」と称し、本実施例では-100℃の温度で実施した)、冷間圧延(本実施例では室温で実施した)、及び温間圧延(本実施例では120℃で実施した)を含む様々な加工方法に供し、比較用合金A及び合金B~Hを、すべてT9質別で得た。T9質別の比較用合金A及び合金B~Hを、後続の引張試験に供した。様々な圧延条件の引張特性に対する影響を以下の表7に要約する。
Figure 2022532347000007
合金Dを、様々な時効及び圧延条件の後に引張試験に供した。図10は、480℃で5分間の溶体化熱処理、様々な時効プロセス(図10では「時効条件」と称す)、様々な圧延温度(図10では「圧延温度」と示し、「RT」は室温を意味する)、及び様々な圧延減少(図10では「CR/WR%」と称す)の後の、合金Dの降伏強度及び伸びを示す。図10に示すように、冷間での減少は転位密度を捕捉し、冷間圧延による減少の任意量に対するより高い降伏強度をもたらした。さらに、図10は、温間圧延プロセスの一部としての加熱工程でMgZn強化析出物の一部が溶解することにより、冷間圧延プロセスでもたらされる降伏強度の増加よりも少ない増加がもたらされたことを示す。さらに、より高い圧延温度(例えば、160℃)は、140℃での圧延よりも低い降伏強度をもたらし、MgZn強化析出物の溶解が実証された。
図11に示すように、合金Eを、T6質別の合金Eを提供する様々な溶体化熱処理プロセスの後に引張試験に供した。興味深いことに、より高いPMTでの溶体化熱処理は降伏強度にほとんど影響を及ぼさなかったが、伸びは溶体化熱処理温度の上昇とともに低下した。さらに、合金Eは、約470℃~約490℃の範囲の温度で溶体化熱処理される能力を示した。さらに、図12は、合金Eの溶体化熱処理中のソーキング時間の影響を示す。図12に示すように、ソーキング時間は降伏強度及び伸びのいずれにもほとんど影響を及ぼさなかったため、合金Eを短い(例えば、5分)ソーキング時間に供して、高強度及び高い伸びを実現することができる。
図13に示すように、合金Gを、T6質別の合金Gを提供する様々な溶体化熱処理プロセスの後に引張試験に供した。興味深いことに、より高いPMTでの溶体化熱処理は、降伏強度及び伸びのいずれにもほとんど影響を及ぼさなかった。合金Gは、約460℃~約500℃の範囲の温度で溶体化熱処理される能力を示した。さらに、図14は、合金Gの溶体化熱処理中のソーキング時間の影響を示す。図14に示すように、ソーキング時間は降伏強度及び伸びのいずれにもほとんど影響を及ぼさなかったため、合金Gを短い(例えば、5分)ソーキング時間に供して、高強度及び高い伸びを実現することができる。さらに、合金Gを、様々な人工時効プロセス(例えば、80℃、100℃、120℃、及び150℃で0.5時間、1時間、2時間、4時間、8時間、16時間、及び24時間の人工時効)の後に引張試験に供した。
合金Gを、様々な人工時効プロセスの後、T8x質別で得た。図15の例では、様々な時効時間にわたる降伏強度の変化を実線曲線で示す。様々な時効時間にわたる伸びの変化を、点線曲線で示す。図15に示すように、150℃での人工時効により、0.5時間の人工時効後に過剰時効した合金Gが得られた。それ以外の場合、降伏強度及び伸びは影響を受けなかった。
比較用合金A及び合金B~Hの微細構造を評価し、図16~図17に示す。図16は、合金A、B、D、E、及びGのAlZr分散質含有量、ならびに合金C、F、及びHのAlSc分散質含有量を示す(顕微鏡写真中に暗点として示す)。AlZr及びAlScの分散質は、直径5nm~直径10nmの範囲であった。図17は、比較用合金A及び合金B~Hの再結晶を示す。合金C、F、及びH(すなわち、Sc含有合金)は再結晶していなかった。合金B、D、E、及びGは、AlZrの分散質形成に起因して部分的に再結晶した。合金Aは、合金にZrまたはScが含まれていないため、完全に再結晶した。本明細書に記載の方法に従って合金B~HにZr及びScを添加し、合金B~Hを加工することにより、700MPaを超える降伏強度を有するアルミニウム合金が得られた。
上記で引用したすべての特許、刊行物、及び抄録は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。本発明の様々な実施形態は、本発明の様々な目的の達成において記載されている。これらの実施形態は、本発明の原理を例示するに過ぎないことが認識されるべきである。それらの多数の改変及び改造は、以下の特許請求の範囲で定義されるような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく当業者に容易に明らかになる。

Claims (20)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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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