JP7191077B2 - 高強度耐食性アルミニウム合金およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本明細書で使用される「発明」、「その発明」、「この発明」、および「本発明」という用語は、本特許出願および以下の「特許請求の範囲」の主題の全てを広く参照することが意図されている。これらの用語を含む記述は、本明細書に記載された主題を限定するものではなく、または以下の特許請求の意味もしくは範囲を限定するものではないと理解すべきである。
以下、新しいアルミニウム合金について記載する。特定の態様では、合金は、高強度、高成形性、および耐食性を示す。合金の特性は、合金の元素組成と、シート、プレート、および板を含むアルミニウム合金製品を製造するために合金を処理する方法と、により獲得される。
特定の態様では、Cu、Mg、およびSiの比およびZn含有量を制御して、耐食性、強度、および成形性を向上させる。Zn含有量は、例えば、孔食を誘発し、粒界腐食(IGC)を抑制することによって、以下に説明するように腐食形態を制御することができる。
特定の態様では、開示された合金組成物は、開示された方法の製品である。本開示を限定することを意図するものではないが、アルミニウム合金の性質は、合金の調製中の微細構造の形成によって部分的に決定される。特定の態様では、合金組成物の調製方法は、合金が所望の用途に適した性質を有するか否かに影響を及ぼし得るかまたは決定さえし得る。
本明細書に記載の合金は、鋳造方法を使用して鋳造することができる。いくつかの非限定的な例では、本明細書に記載のアルミニウム合金は、スクラップ合金を含む溶融アルミニウム合金から鋳造することができる(例えば、AA6xxx系アルミニウム合金スクラップ、AA7xxx系アルミニウム合金スクラップ、またはそれらの組み合わせから)。鋳造プロセスは、直接チル(DC)鋳造プロセスを含むことができる。任意選択的に、インゴットは、下流の処理の前にスキャルピングすることができる。任意に、鋳造プロセスは、連続鋳造(CC)プロセスを含むことができる。次いで、鋳造アルミニウム合金は、さらなる加工ステップ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、均質化、熱間圧延、溶体化熱処理、および焼入れのステップを含むことができる。場合によっては、加工方法はまた、予備時効ステップおよび/または人工時効ステップも含むことができる。
均質化ステップは、本明細書に記載の合金組成物から調製されたインゴットを加熱して、約または少なくとも約500℃(例えば、少なくとも520℃、少なくとも530℃、少なくとも540℃、少なくとも550℃、少なくとも560℃、少なくとも570℃、または少なくとも580℃)のピーク金属温度(PMT)を達成することを含むことができる。例えば、インゴットは、約500℃~約600℃、約520℃~約580℃、約530℃~約575℃、約535℃~約570℃、約540℃~約565℃、約545℃~約560℃、約530℃~約560℃、または約550℃~約580℃の温度まで加熱することができる。いくつかの場合では、PMTへの加熱速度は、約70℃/時間以下、60℃/時間以下、50℃/時間以下、40℃/時間以下、30℃/時間以下、25℃/時間以下、20℃/時間以下、または15℃/時間以下であり得る。他の場合には、PMTまでの加熱速度は、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。
均質化ステップの後、熱間圧延ステップを行ってホットバンドを形成することができる。特定の場合には、インゴットを置き、約230℃~約300℃の範囲の出口温度(例えば、約250℃~約300℃)で熱間圧延する。例えば、ホットロール出口温度は、約230℃、約235℃、約240℃、約245℃、約250℃、約255℃、約260℃、約265℃、約270℃、約275℃、約280℃、約285℃、約290℃、約295℃、または約300℃であることができる。
熱間圧延ステップに続いて、ホットバンドを空気で冷却し、次いで溶体化熱処理ステップで溶体化することができる。溶体化熱処理は、最終ゲージのアルミニウム合金を、室温から約520℃~約590℃(例えば、約520℃~約580℃、約530℃~約570℃、約545℃~約575℃、約550℃~約570℃、約555℃~約565℃、約540℃~約560℃、約560℃~約580℃、または約550℃~約575℃)の温度に加熱することを含むことができる。最終ゲージのアルミニウム合金は、その温度で一定時間浸漬することができる。特定の態様では、最終ゲージのアルミニウム合金は、最大約2時間(例えば、包括的に約10秒~約120分)浸漬することができる。例えば、最終ゲージのアルミニウム合金は、20秒、25秒、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、またはそれらの間の任意の時間、約525℃~約590℃の温度で浸漬することができる。
特定の態様では、最終ゲージのアルミニウム合金は、次いで、選択されたゲージに基づく焼入れステップにおいて、約50℃/秒~400℃/秒の間で変化し得る焼入れ速度で、約35℃の温度まで冷却することができる。例えば、焼入れ速度は、約50℃/秒~約375℃/秒、約60℃/秒~約375℃/秒、約70℃/秒~約350℃/秒、約80℃/秒~約325℃/秒、約90℃/秒~約300℃/秒、約100℃/秒~約275℃/秒、約125℃/秒~約250℃/秒、約150℃/秒~約225℃/秒、または約175℃/秒~約200℃/秒であってもよい。
任意選択的に、予備時効ステップを行うことができる。予備時効ステップは、焼入れステップ後の最終ゲージのアルミニウム合金を、約100℃~約160℃(例えば、約105℃~約155℃、約110℃~約150℃、約115℃~約145℃、約120℃~約140℃、または約125℃~約135℃)の温度まで加熱することを含むことがある。特定の態様では、アルミニウム合金シート、プレート、またはシェートは、最大約3時間(例えば、最大約10分間、最大約20分間、最大約30分間、最大約40分間、最大約45分間、最大約60分間、最大約90分間、最大約2時間、または最大約3時間)浸漬することができる。
最終ゲージのアルミニウム合金は、自然時効または人工時効することができる。いくつかの例では、最終ゲージのアルミニウム合金を、ある期間、自然時効させて、T4調質度にすることができる。特定の態様では、T4調質度における最終ゲージのアルミニウム合金は、約180℃~225℃(例えば、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃、215℃、220℃、または225℃)において、ある期間、人工時効(AA)させることができる。任意選択的に、最終ゲージのアルミニウム合金は、約15分~約8時間(例えば、15分、30分、1時間、2時間、3時間、4時間、5時間、6時間、7時間、もしくは8時間、またはそれらの間の任意の時間)の間、人工時効させてT6調質度にすることができる。
本明細書に記載の合金および方法は、自動車、電子機器、および輸送用途、例えば、商用車、航空機、または鉄道用途、または他の用途で使用することができる。例えば、合金は、強度を得るために、シャシー、クロスメンバー、およびシャシー内部の部品(商用車シャシーにおける2つのCチャンネル間のすべての部品を包含するがそれらに限定されない)に使用することができ、高強度鋼の完全または部分的な代替として機能する。特定の例では、合金はT4およびT6調質度で使用することができる。
以下の表4Aおよび4Bは、例示的なアルミニウム合金をまとめたものであり、表5は、降伏強度(YS)、粒界腐食孔深さ(IGC)、および90°曲げ性(曲げ)を含む合金特性を示している。
例示的な合金は、直接チル鋳造によって製造し、本明細書に記載の方法に従って加工した。上記のように、MgおよびCuの含有量は、M相の析出物(例えば、MgZn2/Mg(Zn,Cu)2)を準備することができ、アルミニウム合金の強度を増加させることができる析出物を準備する。M相(例えば、MgZn2)析出物の評価は、例示的な合金におけるMg含有量の関数として行った。図1は、Mg含有量が1.0重量%から3.0重量%に増加したことを示すグラフである。グラフから明らかなように、M相析出物の質量分率は、(i)Mg含有量が1.0重量%から1.5重量%に増加するのに比例して増加し、(ii)Mg含有量が1.5重量%から2.0重量%に増加しても一定のままであり、(iii)Mg含有量が2.0重量%から2.5重量%に増加すると比例して増加し、(iv)Mg含有量が2.5重量%を超えるとプラトーになる。M相析出物の増加により、例示的な合金の強度が増加する。
図13は、上記した例示的な合金A、B、およびCに関する、降伏強度(各セットの左ヒストグラム)、極限引張強度(各セットの右ヒストグラム)、均一伸び(白丸)、および全伸び(白菱形)を示すグラフである。合金は、45分間565℃の温度で溶体化させ、2時間125℃の温度で予備時効し、4時間200℃の温度で人工時効させて、T6調質度にした。各合金は、370MPaを超える降伏強度、425MPaを超える極限引張強度、10%を超える均一伸び、および17%を超える全伸びを示した。Zn含有量の増加は、例示的なアルミニウム合金の強度に有意な影響を及ぼさなかったが、粒界腐食および成形性に対する耐性を改善した。
Claims (26)
- 0.25~1.3重量%のSi、1.0~2.5重量%のMg、0.5~1.5重量%のCu、0.01~0.2重量%のFe、0.01~3.0重量%のZn、0.01~0.15重量%のZr、0.01~0.5重量%のMn、0.01~0.15重量%の不純物、残りのAlからなり、
重量比でMg対Si比(Mg/Si比)が、1.5対1~3.5対1であり、
重量比でZn対前記Mg/Si比の比(Zn/(Mg/Si)比)が、0.75対1~1.4対1であり、
不純物の個々の元素が0~0.05重量%である、アルミニウム合金。 - Siが0.55~1.1重量%であり、Mgが1.25~2.25重量%であり、Cuが0.6~1.0重量%であり、Feが0.05~0.17重量%であり、Znが1.5~3.0重量%である、請求項1に記載のアルミニウム合金。
- Siが0.65~1.0重量%であり、Mgが1.5~2.25重量%であり、Cuが0.6~1.0重量%であり、Feが0.12~0.17重量%であり、Znが2.0~3.0重量%である、請求項1または2に記載のアルミニウム合金。
- Zrが、0.09~0.12重量%の量で存在する、請求項1~3のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。
- Mnが、0.05~0.3重量%の量で存在する、請求項1~4のいずれか一項記載のアルミニウム合金。
- 重量比で前記Mg/Si比が、2.0対1~3.0対1である、請求項1~5のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。
- 重量比で前記Zn/(Mg/Si)比が、0.8対1~1.1対1である、請求項6に記載のアルミニウム合金。
- 重量比でCu対前記Zn/(Mg/Si)比の比(Cu/[Zn/(Mg/Si)]比)が、0.7対1~1.4対1である、請求項6または7に記載のアルミニウム合金。
- 重量比で前記Cu/[Zn/(Mg/Si)]比が、0.8対1~1.1対1である、請求項8に記載のアルミニウム合金。
- 請求項1~9のいずれか一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、T6調質度において少なくとも340MPaの降伏強度を備える、請求項10に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記降伏強度が、T6調質度において360MPa~380MPaである、請求項11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調質度において100μm未満の平均粒界腐食孔深さを備える、請求項10~12のいずれか一項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、T4調質度において0.5以下のr/t(曲げ性)比を備える、請求項10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、M相析出物(MgZn2および/またはMg(Zn,Cu)2 )、Mg2Si、およびAl4Mg8Si7Cu2からなる群から選択される1つ以上の析出物を含む、請求項10~14のいずれか一項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、少なくとも300,000,000粒子/mm2の平均量のM相析出物(MgZn2および/またはMg(Zn,Cu)2 )を含む、請求項15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、少なくとも600,000,000粒子/mm2の平均量のMg2Siを含む、請求項15または16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、少なくとも600,000,000粒子/mm2の平均量のAl4Mg8Si7Cu2を含む、請求項15~17のいずれか一項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、M相析出物(MgZn2および/またはMg(Zn,Cu)2 )、Mg2Si、およびAl4Mg8Si7Cu2を含む、請求項15~18のいずれか一項に記載のアルミニウム合金製品。
- 重量比でMg2Si対Al4Mg8Si7Cu2の比が、1:1~1.5:1である、請求項19に記載のアルミニウム合金製品。
- 重量比でMg2Si対M相析出物(MgZn2および/またはMg(Zn,Cu)2 )の比が、1.5:1~3:1である、請求項19または20に記載のアルミニウム合金製品。
- 重量比でAl4Mg8Si7Cu2対M相析出物(MgZn2および/またはMg(Zn,Cu)2 )の比が、1.5:1~3:1である、請求項19~21のいずれか一項に記載のアルミニウム合金製品。
- アルミニウム合金を製造する方法であって、
請求項1に記載のアルミニウム合金を鋳造してアルミニウム合金鋳造製品を形成することと、
前記アルミニウム合金鋳造製品を均質化することと、
熱間圧延して最終ゲージのアルミニウム合金を提供することと、
前記最終ゲージのアルミニウム合金を溶体化熱処理することと、を含む、方法。 - 前記最終ゲージのアルミニウム合金を予備時効することをさらに含む、請求項23に記載の方法。
- 前記アルミニウム合金鋳造製品が、スクラップ金属を含む溶融アルミニウム合金から鋳造される、請求項23または24に記載の方法。
- 前記スクラップ金属が、6xxx系アルミニウム合金、7xxx系アルミニウム合金、またはそれらの組み合わせを含む、請求項25に記載の方法。
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