TWI291993B - Aluminium alloy exhibiting high mechanical strength and low quench sensitivity - Google Patents

Description

1291993 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一具有高強度及低淬火敏感性之鋁合金。 也在本發明之範疇中的為製造該鋁合金厚薄板的一種方 法。 【先前技術】 特別是在汽車工業中，對於大型塑膠元件，例如一體成 型的保險桿之需求在增加當中。為了要製造射出成形用途 之相關大型鑄模，必需要有厚度通常大於15〇mm的薄板， 在一些狀況下甚至要大於50〇 mm。 7曰，正^熱軋及人工老化，即，在昇高之溫度下經熱 處理之薄板，被使用以製造具有厚度，例如⑽到㈤㈤之 射出成形鑄模。較大之鑄模，厚灰 就是直接從連續鑄造的鑄錠製造。 厚於300 mm，不是由鍛製塊 現今使用在鑄模製造上之鋁合金的 一明顯缺點為它們的

度程度會有限制。 【發明内容】 因此， 本發明之目的為提供_ 適當的低淬火敏感性之鋁 90049.doc 1291993 合金以製造具有高強度之厚薄板。 本發明之另一目的為提供一鍤尨 仏種適當的方法，利用該方法 鋁合金可以被處理成在整個薄板 寸双序度上具有足夠高強度之 厚薄板。 這些目的是利用具有下列之紹合金形式的本發明之方法 而達成： 4.6到5.2\\^.%211 2.6到 3·0 wt·% Mg 0· 1 到 0·2 wt·% Cu 0.05到 0·2 wt·% Zr 最多 0.05 wt.% Μη 最多 0.05 wt·% Cr 最多 0· 15 wt.% Fe 最多 0.15 wt·% Si 最多(MO wt·% Ti 的 剩餘物為銘及從生產方法中產生之雜質，每一者各自 量最多為0.05 wt·%，總共最多為〇 15 wt %。 合金之組成是根據本發明而選擇使得其具有非常低之淬 火敏感性雖然具有相當高之強度。因此厚切面可以利用強 制空氣冷卻及沈澱硬化作用而具有高強度。 個別之合金元素之較佳範圍如下： 4.6到 4·8 wt·% Zn 2·6到 2·8 wt·% Mg 0· 1 到 0· 15 wt·% Cu 90049.doc 1291993 〇·〇8 到（M8 wi % 汾 最多 0.03 wt.% Mn 最多 0.02 wt.% Cr 最多 〇· 12 wt.% pe 最多 〇· 12 wt.% Si 最多 0.05 wt·% 丁i 為了應用根據本發明人 ^ ,月之σ金做為鑄模製造之物料，必須 夺在潯板的切面中之内部 、 其他的因素中，在，千均之分配而努力。在 低内邮m 板中之粒子大小及粒子形狀對於降 ^ 丁 α、、，田小及愈一致，薄板的切 二中應力要相等就愈容易。該粒子邊緣於降低局部 應力攻南點期間中做為轉位之匯座。如下所說明，利用錯 之加入’有可能在該薄板中 适刮、、、田诚粒子結構，利用選擇 加熱鑄錠到均質作用或是溶處 处埋，皿度之逮率而使得在結 之A13Zr之次微米沈澱物分佈儘可能的均質。 適合製造根據本發明之合金薄板的為下列兩個方法，立 視每模之所欲厚度而定，產生純及經人工時效硬化之薄 板或是使用做為薄板的經人工時效硬化之鑄錠。 製造具有高達300 mm厚度之薄板的方法為具有下列步驟 之特質·· A. 連續鑄造鋁金成為具有厚度大於3〇〇mm之鑄錠， B. 將該賴在17G及彳邮之間以最大抓狀加熱速率 加熱到470到490°C之一溫度， C·將該鑄錠在470到490。(：之一溫度下均質1〇到i4 h之一 90049.doc -9- 1291993 段時間， D·將該經均質之鑄錠熱軋成薄板， E·將該薄板從4〇〇到41 〇。(：之一、、田疮丁、人分J u

^ ^ ，皿度下冷部到小於l〇〇°C 之一溫度， F·將該薄板冷卻到室溫， G·人工時效硬化該薄板。 要製造具有大於300 mm的厚度之薄板並且特別是厚度大 於500 mm之薄板，可以直接做為薄板而使用從根據本發明 之合金所製造的連續鑄造鑄錠。在此例中之方法具有下列 步驟之特質： A. 連續將鋁合金鑄造成具有厚度大於3〇〇mm之鑄錠， B. 將該鑄錠在170及410°C之間以最大2(rc/h的加熱速率 加熱到470到490°C之一溫度， C. 將該鑄錠在470到490°C之一溫度下均質1〇到14匕的一 段時間， D·將該鑄錠冷卻到400到41〇°c之一中間溫度， E·將該鑄錠從400到410 C之中間溫度冷卻到小於1〇〇。〇 之一溫度， F.將該鑄錠冷卻到室溫， G_將該鑄錠人工時效硬化。 H·將該經人工時效硬化之鑄錠使用做為薄板。 在本發明之一較佳具體實施例中，從470-490°C之均質作 用溫度冷卻到4 0 0 - 410 C之中間溫度是在靜態空氣中進行。 從400到410°C之中間溫度冷卻該鱗旋應該較佳地是夠快 90049.doc -10- 1291993 而使得強度的損失儘可能的小。然而，該冷卻速率也不應 該太多而使得此將造成内部應力會超過。 從400到41(TC之中間溫度冷卻該鑄錠到低於丨〇(rc以下 之一溫度較佳地是利用強制空氣冷卻或是在一水_空氣-噴 灑的霧中進行。 ' 當選擇冷卻條件時，也必須考慮該鑄錠之厚度。然而， 利用簡單之試誤方法決定一給定鑄錠形式之最佳冷卻條件 疋在領域中之專豕所知道的範轉内。 在溫度範圍170到410。(：中於加熱該鑄錠到均質作用溫度 之低加熱速率是根據本發明之方法的一重要特質。在所提 到的溫度範圍-也稱為異質化間隔-平衡的A1ZnMg相（τ_相） 是穩定的。緩慢地通過異質化間隔造成1相細微分散之沈澱 作用，其中Τ相的經沈澱粒子之相邊緣界面形成了八13心粒 子的較佳核心，該粒子在35(rc左右開始沈澱。在更進一步 將該鑄錠加熱到均質作用溫度上，先前沈澱之T-相粒子溶 解並留下了均一分佈之微小，次微米級的A13Zr沈澱物，其 位於T-相原來的粒子界面上及次粒子界線上，因此產生均 勻的分佈。這些細微A13Zr粒子造成對於在溶液處理及在鑄 造鑄錠的均質化處理期間中，於薄板之再結晶上的粒子生 長具有強的抵抗力，在該鑄錠中產生所欲之等向粒子結 構。該粒子精製添加物Zr因此是以一最佳方式使用。 根據本發明之方法的更進一步之基本特質為組合的均質 作用及溶液處理與接下來之兩階段冷卻-此相反於正常的 技術況態之方法，其中一個別之溶液處理與接下來在一高 90049.doc -11 - 1291993 冷卻速率之淬火作用是必要的以獲得可接受之強度即使是 在鑄錠中間。 利用強制空氣冷卻在此應被解讀成利用風扇協助之空氣 冷卻造成在鑄錠表面的熱轉移係數是在4〇 w/m2K左右。在 水-空氣喷灑霧中冷卻而在鑄錠表面上產生一稍微較高的 熱轉移係數。 根據本發明之合金具有低淬火敏感性。在製造厚薄板 中，於薄板中心之強度損失，雖然是相當輕微的冷卻條件， 疋小於根據技術狀況之合金所會有的。頗令人舒異地，已 發現到此效應在直接從連續鑄造鑄錠所製造的薄板中相較 於熱軋薄板之例子中而言是更顯著的。 已發現從均質作用溫度到室溫之兩階段冷卻在厚薄板生 產生中做為達到具有低内部應力之結構的方法是特別有利 的。 人工時效硬化之較佳性是偏好於包含在室溫下老化，在 第一溫度下的第一加熱處理及在第二溫度下之第二加熱處 理，第二溫度是高於第一溫度，例如 -在室溫下1到30天， -在90到l〇〇°C之一溫度下6到i〇h， -在150到160°C之一溫度下8到22h。 特別較佳的為人工時效硬化至熱處理條件T76。 根據本發明之合金及從其所製造之厚薄板的應用領域是 從上述之性質範圍中所產生的。該薄板特別適合製造鑄 杈’即，塑膠射出成形之鑄模，但一般也可以製造機械， 90049.doc -12- 1291993 工具及鑄模。 本發明之更進一步之優點，特性及詳細内容在下列示範 性具體實施例的敘述中揭示並且以圖示協助。 【實施方式】 實例 。金具有組成（以wt %為單位）：〇_si，讀以，〇 l4CU， 0.0046 Μη，2·69 Mg，〇·⑻28 心，4 的 & , 〇 ή，〇 i6

Zr，剩餘為A1是以一工業量為基礎而鑄造成為切面料^ χ 900 mm之連續鑄造鑄錠。該鑄錠在3〇 h之内加熱到48〇力之 度其中5亥加熱速率在170-410範圍中時小於2〇 °c/h。該 麵錠之均質作用以均等從固化作用期間產生之分離作用是 利用將該鑄錠保持在480。(：下12 h而進行。 该經均質之鑄錠在第一階段中於靜止空氣中從該均質溫 度冷卻到中間溫度40(TC並且接著在第二階段中以強制空 氣從4〇(TC冷卻到10(rc。更進一步冷卻到室溫再次地於靜 止空氣中進行。 於至溫下14天後，該鑄錠在95 °C下人工時效硬化8 h，接 著155°C下18 h到過度老化條件T76。

Bdnell硬度是在從人工時效硬化鑄錠中垂直於縱向所鋸 出之樣品上測量。該具有在圖1中所示之相同硬度的區域清 楚地指出在鑄錠中心之硬度上或是強度上相較於該鑄錠之 表面的低損失。 在圖2中所示的為溫度-時間圖，計算利用風扇冷卻具有 切面440 mm X 900 mm的鑄錠之表面（〇)及中心（κ)並且圖3中 90049.doc -13- 1291993 梯度是在鑄鍵中心、中之溫度1與在鑄錠表面之溫度τ。間由 /、所衍生。為了比較’圖4及5表示具有切面ι〇〇〇 X 12〇〇咖之鑄 鍵的對應曲線。該結果表示了以具有高達丨㈣麵厚度之讀 錠’根據本發明之方法可以符合製造射出成形塑膠禱模之 薄板所形成之強度需求。 【圖式簡單說明】 圖1具有切面440 mm X 900 mm的連續鑄造鑄錠於風扇冷卻 後切面部份上之BrineU硬度分佈； 圖2具有切面440 mm x 900 mm之連續鑄造鑄錠的表面及中 間於風扇冷卻期間之溫度改變； 圖3於圖2中所表示之溫度圖的内部溫度梯度中所計算之 改變； 圖4具有切面1000 mm χ 12〇〇 mm之連續鑄造鑄錠的表面及 中間於風扇冷卻期間之溫度梯度上所計算之改變； 圖5於圖4中所表示之溫度圖的内部溫度梯度中所計算之 改變。 90049.doc 14-

Claims (1)

129 ^2^6857號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(93年3月） 一-——.....L±di 之鋁合金，其具有： 拾、申請專利範園： 1 · 一種具有高強度及低淬火敏感性 4·6到 5.2 wt·% Zn 2·6到 3.0 wt.% Mg 〇· 1 到 0.2 wt.0/0 Cu 0.05到 〇·2 wt.〇/0 Zr 表多 0.05 wt.% Μη 2. 最多 0.05 wt.% Cr 最多 0.15 wt.% Fe 最多 0.15 wt.% Si 最多 0.10 wt.% Ti 剩餘物為鋁及從生產 量最多為0.05 wt.%， 根據申請專利範圍第丨項之鋁合金 wt·% Zn。 方法中產生之雜質，每一 總共最多為0.15 wt.%。 者各自的 其特徵在於4.6至4.8 3.根據申請專利範圍第丨或2 9 0 貝之鋁合金，其特徵在於2.6至 2·1 2 wt·% Mg。 4·根據申請專利範圍第1或 10 $ Λ _ 員之鋁合金，其特徵在於0. 至 〇」5 wt.〇/0 Cu。 之紹合金，其特徵在於0.08 5·根據申請專利範圍第〗或2項 至 0.18 wt·% Zr。 6·根據申請專利範圍第丨或 、、f声 員之鋁合金，其特徵在於最大 展度為 〇.〇3wt.% Μη。 其特徵在於最大 90049-940324.doc 1 ·根據申請專利範圍第丨或 2 \ Ζ項之鋁合金 I29i993 /氣度為 0.02wt.% Cr。 、曲康申μ專利範圍第1或2項之鋁合金，其特徵在於最大 /展度為 〇.12wt.% Fe。 9 =據申請專利範圍第⑷項之紹合金，其特徵在於最大 /展度為 〇· 12wt.% Si。 1〇.:據申請專利範圍第U2項之紹合金，其特徵在於最大 〆辰度為0.05wt.% Ti。 u· ^種由根據中請專利範圍第i1G項中任—項㈣合金 製造高達则随厚度之薄板的方法，其特徵在於下列步 驟： A. 連續鑄造銘合金成為具有厚度大於3⑼麵之禱鍵， B. 將該賴在17G及41代之間以最大心/h之加熱速率 加熱到470到490°C之一溫度， c·將該鑄錠在470到490。(：之一沪疮πτ认供， κ /里度下均質10到14 h之一 段時間， D·將该經均質之鑄鍵熱軋成薄板， E·將該薄板從4〇〇到4丨〇它之一、、w /皿度下冷部到小於1 〇〇 °C 之一溫度， F·將該薄板冷卻到室溫， G.人工時效硬化該薄板。 12· —種由根據申請專利範圍第 」视图弟1至10項中任一項的鋁合金 製造具有厚度大於3〇〇 mm的薄拓 J存板之方法，其特徵在於下 列步驟： A•連續將銘合金鑄造成具有厚度大於300麵之鑄錠， 90049-940324.doc 1291993 Β·將該鑄錠在170及410°C之間以最大20°C /h的加熱速率 加熱到470到490°C之一溫度， C·將該鑄錠在470到490°C之一溫度下均質1〇到14 h的一 段時間， D. 將該鑄錠冷卻到400到410°C之一中間溫度， E. 將該鑄錠從400到410°C之中間溫度冷卻到小於1〇〇 之一溫度， F·將該鑄錠冷卻到室溫， G·將該鑄|定人工時效硬化。 H.將該經人工時效硬化之鑄錠使用做為薄板。 13·根據申請專利範圍第12項之方法，其特徵在於從470-490t 之均質作用溫度冷卻該鑄錠至4〇〇_4 i 〇〇c之中間溫度是在 靜止空氣中進行。 14.根據申請專利範圍第11或12項之方法，其特徵在於 400-410C之中間溫度冷卻該鑄錠至低於1〇〇。〇之溫度 利用強制空氣冷卻作用進行。 15·根據申請專利範圍第11或12項之方法，其特徵在於 400 410 C之_間溫度冷卻該鑄錠至低於之溫度 在水-空氣-霧噴灑中進行。 16.虞申明專利範圍第丨“切項之方法，其特徵在於人: 化效硬化作用是在室溫下儲存之後於第—溫度下之第_ 熱處理進行，接菩力- 溫度高於第—溫度弟二溫度τ進行第二熱處理’第: 17.根據中請專利㈣第㈣之方法，其特徵在於 90049-940324.doc 1291993 -在室溫下1到30天， -在90到100°C之一溫度下6到1〇 h， -在150到160°C之一溫度下8到22 h。。 工 18·根據申請專利範圍第17項之方法，其特徵在於心· 時效硬化產生熱處理條件T76。 # 19·根據申請專利範圍第1項之鋁合全 %。I，其係用於製造機械、 工具及禱模生產之薄板。 20.根據申請專利範圍第19項之銘合金，其係用於製造塑膠 射出成形鑄模之薄板。 90049-940324.doc