專利名稱：改進的7xxx鋁合金及其生產方法
改進的7XXX鋁合金及其生產方法相關申請的交叉參考本專利申請要求2010年9月8日提交的美國臨時專利申請N0.61/381，040、2010年10月8日提交的美國臨時專利申請N0.61/391，461、2010年12月20日提交的美國臨時專利申請N0.61/425，024和2011年I月28日提交的美國臨時專利申請N0.61/437，515中的每一份的優先權。上述專利申請的每一份的全部內容均通過引用結合在本文中。本專利申請也與2011年9月8日提交的名稱為“改進的2XXX鋁合金及其生產方法”的PCT專利申請N0.—、2011年9月8日提交的名稱為“改進的6XXX鋁合金及其生產方法”的PCT專利申請N0.—和2011年9月8日提交的名稱為改進的鋁鋰合金及其生產方法的PCT專利申請N0._有關。
背景技術：
鋁合金在多種應用中是有用的。然而，改進鋁合金的一種性能而不損害另一種性能是難以實現的。例如，在不降低合金的韌性的情況下增加合金的強度是困難的。鋁合金的令人感興趣的其他性能包括耐蝕性和抗疲勞裂紋擴展速率，僅舉兩個例子。
發明內容
大體上講，本專利申請涉及改進的鍛造、可熱處理的鋁合金及其生產方法。具體地，本專利申請涉及改進的鍛造7XXX鋁合金產品及其生產方法。通常，7XXX鋁合金產品由于例如固溶后冷加工和冷加工后熱處理等獲得改進的綜合性能，如下文進一步詳細地描述。7XXX鋁合金是含有鋅的鋁合金，其中鋅為除鋁之外占優的合金成分。出于本申請的目的，7xxx鋁合金是具有2.0wt.%到22wt.%的Zn的鋁合金，其中，鋅為除鋁之外占優的合金元素。
圖1示出了用于生產軋制形式的7XXX鋁合金產品的常規方法。在這種常規方法中，7XXX鋁合金體(10)被鑄造，此后將該鋁合金體均勻化(11)并隨后熱軋至中等厚度
(12)。接著，將7XXX將鋁合金體冷軋(13)至最終厚度，此后對其進行固溶熱處理并淬火(14)。“固溶熱處理和淬火”等等在本文中通稱作“固溶”，意指將鋁合金體加熱到合適的溫度，通常在溶線溫度以上，在該溫度保持足夠長的時間以允許可溶性元素進入到固溶體中，并且足夠快速地冷卻以將所述元素保持在固溶體中。可以通過足夠快速的冷卻限制溶質原子沉積為粗糙的、不相干的粒子的方式，將在高溫形成的固溶體保持在過飽和態。在固溶后
(14)，可以任選地將7xxx鋁合金體少量(例如，1-5%)拉伸(15)以實現平整，進行熱處理
(16)以及任選地經過最后的處理操作(17)。圖1與用于生產T6狀態的鋁合金的工藝路徑一致(T6狀態在本申請的下文中定義)。圖2示出了一個用于生產新7XXX鋁合金產品的新方法的實施方案。在這種新方法中，制備7XXX鋁合金體(100)用于固溶后冷加工，此后對該鋁合金體進行冷加工(200)，并且隨后進行熱處理(300)。該新方法也可以包括任選的最終處理(400)，如下文進一步詳細地描述。“固溶后冷加工”等等意指鋁合金體在固溶后的冷加工。應用至7XXX鋁合金體的固溶后冷加工的量通常是至少25%，例如大于50%的冷加工。通過第一固溶處理，和隨后至少25%的冷加工，和隨后將7XXX鋁合金體適當地熱處理，7XXX鋁合金體可以實現改進的性能，如下文進一步詳細地描述。例如，相對于T6狀態的常規鋁合金產品，可以獲得5-25%或更高的強度增加，并且在將這些常規鋁合金產品加工成T6狀態所需要的時間的一部分內(例如，比T6狀態加工的合金快10%-90%)獲得這種強度增加。新7xxx鋁合金體也可以獲得良好的延展性，通常獲得高于4%的延伸率，例如6-12%或更高的延伸率。也可以保持和/或改進其他性能(例如，斷裂韌性、耐蝕性、抗疲勞裂紋擴展性)。A.制備用于固溶后冷加工 如圖2中所示，這種新方法包括制備用于固溶后冷加工(100)的鋁合金體。可以以多種方式制備用于固溶后冷加工(100)的鋁合金體，包括使用常規的半連鑄法(例如，鑄錠的直冷鑄造)和連鑄法(例如，雙輥連鑄)。如圖3中所示，制備步驟(100)通常包括將鋁合金體設置成適合冷加工的形式(120)，并對該鋁合金體進行固溶處理(140)。設置步驟(120)和固溶步驟(140)可以依次出現或伴隨彼此出現。多種制備步驟(100)的一些非限制性實例在圖4至圖8中示出，這在下文中進一步詳細地描述。制備用于固溶后冷加工
(100)的鋁合金體的其他方法對于本領域技術人員來說是熟知的，而且盡管本文中沒有明確地描述，這些其他方法也在本發明的制備步驟(100)的范圍。在一個方案中，制備步驟(100)包括半連鑄法。在一個實施例中，并參照圖4，所述設置步驟(120)包括鑄造鋁合金體(122)(例如，以鑄錠或坯錠的形式)，將鋁合金體均勻化(124)，熱加工鋁合金體(126)和任選地冷加工鋁合金體(128)。在設置步驟(120)之后，完成固溶處理步驟(140)。盡管鋁合金體在鑄造后(120)將不以鑄錠/坯錠的形式，但可以使用連鑄操作完成類似步驟。在另一個實施例中，并參照圖5，制備步驟(100)包括鑄造鋁合金體(122)，將該鋁合金體均勻化(124)并熱加工該鋁合金體(126)。在本實施例中，可以完成熱加工步驟(126)以將可溶性元素置于固溶體中，此后將該鋁合金體淬火(未示出)，從而導致固溶處理步驟(140)。這是設置步驟(120)和固溶處理步驟(140)伴隨彼此完成的一個實施例。本實施例可適用于模壓淬火的產品(例如，型材)和熱軋后淬火的熱軋產品等等。在另一個方案中，制備步驟(100)包括連鑄法，如帶式連鑄、桿材澆鑄、雙輥連鑄、雙帶式連鑄(例如，黑茲利特(Hazelett)鑄造)、牽引鑄造(drag casting)和塊鑄等等。制備步驟(100)的一個實施方案使用圖6所示的連鑄法。在這個實施例中，在大約相同的時間(即彼此伴隨地)鑄造并固溶鋁合金體(142)。鑄造將鋁合金體設置成足以冷加工的形式。當鑄造期間的固化速率足夠迅速時，鋁合金體也被固溶。在這個實施例中，鑄造/固溶處理步驟(142)可以包括在鑄造后將鋁合金體淬火(未顯示)。本實施例可適用于雙輥連鑄法以及其他鑄造法。能夠完成圖6的方法的一些雙輥連鑄法在美國專利N0.7，182，825和美國專利N0.6，672，368中被描述。在另一個實施例中，并參照圖7，制備步驟(100)包括鑄造鋁合金體(122)，以及在鑄造步驟(122)后，再將鋁合金體固溶處理(140)。在這個實施例中，設置步驟(120)包括鑄造(122)。本實施例適用于雙輥連鑄法以及其他鑄造法。在另一個實施例中，并參照圖8，制備步驟(100)包括鑄造鋁合金體(122)，熱加工鋁合金體(126)，和任選地冷加工鋁合金體(128)。在這個實施例中，設置步驟(120)包括鑄造步驟(122)、熱加工步驟(126)和任選的冷加工(128)步驟。在設置步驟(120)之后，完成固溶處理步驟(140)。本實施例可適用于連鑄法。圖2至圖8中所示的許多步驟可以以批量方式或連續方式完成。在一個實例中，冷加工步驟(200)和熱處理步驟(300)被連續地完成。在這個實例中，被固溶的鋁合金體可以在環境條件下進入冷加工操作。鑒于本文所述的新方法可獲得相對短的熱處理時間，可以在冷加工后(例如，直列式)將冷加工的鋁合金立即進行熱處理(300)。可以想到，這類熱處理可以在鄰近冷加工裝置的出口處發生，或者在與冷加工裝置連接的單獨的加熱裝置中發生。這可以提高生產率。如上所述，制備步驟(100)通常包括鋁合金體的固溶。如上所述，“固溶”包括鋁合金體的淬火(未示出)，所述淬火可以借助液體(例如，借助水溶液或有機溶液)、氣體(例如，冷卻空氣)或甚至固體(例如，鋁合金體一個或更多側面上冷卻的固體)完成。在一個實施例中，淬火步驟包括使鋁合金體與液體或氣體接觸。在這些實施方案的一些中，淬火在不存在鋁合金體的熱加工和/或冷加工的情況下發生。例如，淬火可以在不存在鋁合金體的變形的情況下通過浸沒、噴霧和/或噴射干燥等等技術發生。本領域技術人員認識到可以使用其他制備步驟(100)制備用于固溶后冷加工的鋁合金體(例如，粉末冶金方法)，并且認識到這類其他制備步驟落在制備步驟(100)的范圍內，只要它們將鋁合金體設置成適合冷加工的形式(120)并將該鋁合金體固溶(140)，并且無論這些設置步驟(120)和固溶處理步驟(140)是否伴隨發生(例如，同時地)或依次發生，并且無論設置步驟(1 20)是否在固溶處理步驟(140)之前發生，或反之亦然。
B.冷加工再次參照圖2，并且如上所述，這種新方法包括冷加工(200)大量鋁合金體。“冷加工”等等意指在至少一個方向和低于熱加工溫度的溫度使鋁合金體變形(例如，不高于400° F)。可以通過軋制、擠壓、鍛造、牽拉、變薄拉伸(ironing)、旋壓、滾壓成型的一種或多種及其組合以及其他類型的冷加工方法進行冷加工。這些冷加工方法至少可以部分地有助于生產各種7XXX鋁合金產品(參見下文產品應用)。1.冷軋在一個實施例中，并參照圖9，冷加工步驟(200)包括冷軋步驟(220)(并且在一些包括冷軋步驟(220)的實例中，通過任選的拉伸或矯直以實現平整(240))。在這個實施例中，并且如上所述，冷軋步驟(220)在固溶處理步驟(140)之后完成。冷軋步驟(220)是一種通常借助由輥子施加的壓力使鋁合金體厚度減小，并且鋁合金體在低于熱軋(124)所用的溫度(例如，不高于400° F)進入軋制設備的制造技術。在一個實施例中，鋁合金體在環境條件下進入軋制設備，即，在本實施例中冷軋步驟(220)在環境條件下開始。冷軋步驟(220)將7xxx鋁合金體的厚度減少至少25%。冷軋步驟(220)可以在一個或多個軋制道次中完成。在一個實施例中，冷軋步驟(220)將鋁合金體從中等厚度軋制到最終厚度。冷軋步驟(220)可以生產薄板、板材或箔產品。箔產品是具有小于0.006英寸的厚度的軋制產品。薄板產品是具有0.006英寸至0.249英寸的厚度的軋制產品。板材產品是具有0.250英寸或更大的厚度的軋制產品。“冷軋XX%”等等意指XXeK%，其中XXeK%是通過冷軋將鋁合金體從第一厚度T1減少到第一厚度T2時所實現的厚度減少量，其中T1是冷軋步驟(200)前(例如，在固溶后)的厚度，T2是冷軋步驟(200)后的厚度。換句話說，XX。#等于:XXCE%=(1 - T2ZT1) *100%例如，當鋁合金體從第一厚度(T1) 15.0mm減少到第二厚度(T2) 3.0mm時，XXCE%是80%ο 短語如“冷軋(cold rolling) 80%” 和“冷軋(cold rolled) 80%” 與表達式 XXCK%=80%等效。在一個實施例中，將鋁合金體冷軋(220)至少30% (XXCE% ^ 30%)，即，厚度減少至少30%。在其他實施方案中，將鋁合金體冷軋(220)至少35% (XXCE%彡35%)，或至少 40%(XXCK% 彡 40%)，或至少 45%(XXCK% 彡 45%)，或至少 50%(XXCK% 彡 50%)，或至少 55%(XXCK% 彡 55%)，或至少 60%(XXCK% 彡 60%)，或至少 65%(XXCK% 彡 65%)，或至少 70%(XXCK% 彡 70%)，或至少 75%(XXCK% 彡 75%)，或至少 80%(XXCK% 彡 80%)，或至少85%(XXce% 彡 85%)，或至少 90%(XXCK% 彡 90%)或更多。在一些實施例中，冷軋90%以上(XXCK% ( 90%)是不現實或不理想的。在這些實施方案中，可以將鋁合金體冷軋(220)不高于87%(XXra%< 87%)，如冷軋(220)不高于85%(XXce% ( 85%)，或不高于 83%(XXCK% ( 83%)，或不高于 80%(XXCK% ( 80%)。在一個實施例中，將鋁合金體冷軋高于50%至不高于85% (50%<XXce% ( 85%)。這種冷軋量可以產生具有優選性能的鋁合金體。在相關的實施例中，可以將鋁合金體冷軋55%至85% (55% ( XXCE% ( 85%)。在又一個實施例中，可以將鋁合金體冷軋60%至85% (60% ( XXCE% ( 85%)。在又一個實施例中，可以將鋁合金體冷軋65%至85% (65% ( XXCE% ( 85%)。在又一個實施例中，可以將鋁合金體冷軋70%至80% (70% ( XXCE% ( 80%)。仍參照圖9，在這種方法的實施例中，可以完成任選的預冷軋(128)。預冷軋步驟
`(128)可以在固溶處理(140)前進一步將鋁合金體的中等厚度(由于熱軋步驟126)減少到次中等厚度。作為實例，任選的冷軋步驟(128)可以用來產生有助于在冷軋步驟(220)期間產生最終冷軋厚度的次中等厚度。i1.其他冷加工技術除冷軋以外，并再次參照圖2，可以通過軋制、擠壓、鍛造、牽拉、變薄拉深、旋壓、滾壓成型中的一種或多種及其組合，以及單獨的其他類型的冷加工方法或這些方法與冷軋的結合進行冷加工。如上所述，通常在固溶后將鋁合金體冷加工至少25%。在一個實施例中，冷加工將鋁合金體加工成其基本上最終的形式(即，不需要額外的熱加工步驟和/或冷加工步驟來獲得最終的產品形式)。“冷加工XX%” ( “XXCW%”)等等意指將鋁合金體冷加工一個足以實現等效塑性應變(下文描述)的量，所述等效塑性應變至少和如果將鋁合金體冷軋ΧΧ^^ΧΧα^)所實現的等效塑性應變的量一樣大。例如，短語“冷加工68.2%”意指將鋁合金體冷加工一個足以實現等效塑性應變的量，所述等效塑性應變至少和如果將鋁合金體冷軋68.2%所實現的等效塑性應變的量一樣大。由于XXew%和TL辦均指在鋁合金體中產生的等效塑性應變的量，如同將鋁合金體冷軋XX%(或在實際冷軋的情況下實際上冷軋XX%)，因此這兩個術語在本文中可互換地用來指這種等效塑性應變的量。等效塑性應變與真應變相關。例如，冷軋XX%，S卩，XXCK%，可以由真應變值表示，其中真應變(ε true)由下式給出:I true= - ln(l - %CR/100) (I)其中％CR是XXCE%’真應變值可以換算成等效塑性應變值。在冷軋期間實現雙軸應變的情況下，估計的等效塑性應變將比真應變值大1.155倍(2除以V 3等于1.155)。雙軸應變代表在冷軋操作期間產生的塑性應變的類型。下表I提供將冷軋XX%與真應變值和等效塑性應變值相關聯的表格。表I
權利要求
1.一種方法，包括: (a)制備用于固溶后冷加工的鋁合金體，其中，所述鋁合金體包括具有2.0-22wt.%的鋅的鋁合金，其中，所述鋅是除鋁之外在鋁合金中占優的合金元素； (i)其中，所述制備步驟包括鋁合金體的固溶處理； (b)在所述制備步驟(a)之后，冷加工所述鋁合金體50%以上；以及 (c)在所述冷加工步驟(b)之后，熱處理所述鋁合金體； 其中，完成所述冷加工步驟和所述熱處理步驟，以實現與在冷加工狀態下鋁合金體的參考樣本相比長橫向拉伸屈服強度增加。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述制備步驟(a)包括:通過半連鑄法鑄造所述招合金體。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述制備步驟(a)包括: 使所述鋁合金體均勻化；以及 熱加工所述鋁合金體； 其中，所述固溶處理步驟(a) (i)發生在所述熱加工步驟之后。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述冷加工步驟(b)是第二冷加工，并且其中，所述制備步驟包括:在所述固溶 處理步驟(a) (i)之前對所述鋁合金體進行第一冷加工。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述制備步驟(a)包括:連續地鑄造所述鋁合金體。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述制備步驟(a)包括:伴隨著所述連續鑄造步驟，完成所述固溶處理步驟(a) (i)。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，所述制備步驟(a)包括:在所述連續鑄造步驟之后，完成所述固溶處理步驟(a) (i)。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述制備步驟(a)包括:在所述固溶處理步驟(a)(i)之前，熱加工所述鋁合金體。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其中，所述冷加工步驟(b)是第二冷加工，并且其中，所述制備步驟(a)包括:在所述固溶處理步驟(a) (i)之前，對所述鋁合金體進行第一冷加工。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述固溶處理步驟(a)(i)包括將所述鋁合金體淬火，并且其中，所述淬火在所述鋁合金體不存在變形的情況下發生。
11.根據權利要求1所述的方法，包括在進行所述熱處理步驟(C)期間使所述鋁合金體成形。
12.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述固溶處理步驟(a)(i)和所述冷加工步驟(b)之間不對所述鋁合金體采取有目的的熱處理。
13.根據權利要求1或12所述的方法，其中，在所述固溶處理步驟(a)(i)完成和所述冷加工步驟(b)開始之間經過不超過60小時。
14.根據權利要求1所述的方法，其中，所述冷加工步驟(b)包括在所述鋁合金體的溫度不超過250° F時開始進行所述冷加工。
15.根據權利要求1或14所述的方法，其中，所述冷加工步驟(b)在不存在有目的的加熱所述鋁合金體的情況下發生。
16.根據權利要求1所述的方法，其中，所述冷加工步驟(b)是冷軋。
17.根據權利要求1所述的方法，其中，所述冷加工步驟(b)包括將所述鋁合金體軋制成其基本上最終的形狀。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述冷加工步驟(b)包括將所述鋁合金體冷軋至最終的厚度。
19.根據權利要求1所述的方法，其中，所述冷加工步驟(b)包括在至少55%至90%的范圍內冷加工所述招合金體。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述冷加工步驟(b)包括在60%至85%的范圍內冷加工所述鋁合金體。
21.根據權利要求19所述的方法，其中，所述冷加工步驟(b)包括在70%至80%的范圍內冷加工所述鋁合金體。
22.根據權利要求1所述的方法，其中，所述熱處理步驟(c)包括將所述鋁合金體保持在它的再結晶溫度以下。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，所述熱處理步驟(c)包括在150-400°F的范圍內加熱所述招合金體。
24.根據權利要求1或22所述的方法，其中，執行所述冷軋步驟(b)和所述熱處理步驟(c)，以使得所述鋁合金體獲得未再結晶占優的微結構。
25.根據權利要求1所述的方法，其中，所述鋁合金體獲得大于4%的延伸率。`
26.根據權利要求1所述的方法，其中，所述鋁合金體獲得至少8%的延伸率。
27.—種鋁合金體，包含2.0-22wt.%的鋅，其中，所述鋅是除鋁之外在所述鋁合金中占優的合金元素，并且其中，所述鋁合金體獲得比參考鋁合金體至少高5%的拉伸屈服強度； 其中，所述參考鋁合金體具有與所述鋁合金體相同的組成； 其中，將所述參比鋁合金體加工到T6狀態； 其中，所述參考鋁合金體的拉伸屈服強度與其最大拉伸屈服強度相差不超過Iksi。
28.根據權利要求27所述的鋁合金體，其中，所述鋁合金體獲得所述至少高5%的拉伸屈服強度且比所述參考鋁合金體在T6狀態下獲得其最大拉伸屈服強度所需要的時間快至少 25%。
29.根據權利要求28所述的鋁合金體，其中，所述鋁合金體獲得所述至少高5%的拉伸屈服強度且比所述參考鋁合金體在T6狀態下獲得其最大拉伸屈服強度所需要的時間快至少 50%ο
30.根據權利要求27所述的鋁合金體，其中，所述鋁合金體獲得大于4%的延伸率。
31.根據權利要求30所述的鋁合金體，其中，所述鋁合金體獲得至少8%的延伸率。
32.根據權利要求27所述的鋁合金體，其中，所述鋁合金體達到至少2.0的標準化R-值。
33.根據權利要求32所述的鋁合金體，其中，所述鋁合金體達到至少4.0的標準化R-值。
34.根據權利要求32所述的鋁合金體，其中，所述鋁合金體達到至少6.0的標準化R-值。
35.根據權利要求27所述的鋁合金體，其中，所述鋁合金體是未再結晶占優的。
36.根據權利要求35所述的鋁合金體，其中，所述鋁合金體至少75%是未再結晶的。
37.一種方法,包括: (a)對鋁合金體進行固溶處理，其中，所述鋁合金體包括具有2.0-22wt.%的鋅的鋁合金，其中，所述鋅是除鋁之外在鋁合金中占優的合金元素； (b)在所述固溶處理步驟(a)之后，冷加工所述鋁合金體50%以上；以及 (c)在所述冷加工步驟(b)之后，熱處理所述鋁合金體； 其中，完成所述冷加工步驟和所述熱處理步驟，以實現與在冷加工狀態下的鋁合金體的參考樣本相比長橫向拉伸 屈服強度的增加。
全文摘要
本發明公開了新7XXX鋁合金體及其生產方法。所述新7XXX鋁合金體可以通過制備用于固溶后冷加工的鋁合金體、冷加工至少25%和隨后熱處理生產。所述新7XXX鋁合金體可以實現改進的強度和其他性能。
文檔編號C22F1/04GK103119185SQ201180043271
公開日2013年5月22日 申請日期2011年9月8日 優先權日2010年9月8日
發明者雷杰夫·G·卡邁特, 約翰·M·紐曼, 拉爾夫·R·索泰爾, J·C·林 申請人:美鋁公司