用于鋁鋅鎂合金的人工老化方法以及基于該方法的產(chǎn)品的制作方法
【專利說(shuō)明】用于鋁鋅鏌合金的人工老化方法以及基于該方法的產(chǎn)品
[0001] 背景
[0002] 鋁合金在各種各樣的應(yīng)用中是有用的。然而，要改進(jìn)鋁合金的一種特性而不使其 另一種特性退化是難以實(shí)現(xiàn)的。例如，要增加合金的強(qiáng)度而不降低合金的韌度是困難的。鋁 合金的其他受關(guān)注的特性包括耐腐蝕性和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性，這只是其中兩個(gè)例子。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 廣義地講，本專利申請(qǐng)涉及對(duì)具有鋅和鎂的鋁合金進(jìn)行人工老化的改進(jìn)方法以及 基于該方法的產(chǎn)品。如本文所用，具有鋅和鎂的鋁合金是指這樣的鋁合金，即鋅和鎂中至少 一者是其中除錯(cuò)之外的主要合金成分，無(wú)論此類錯(cuò)合金是鑄造合金（即，5xx.x或7xx.x合 金）或者鍛制合金（即，5xxx或7xxx合金）。所述具有鋅的鋁合金通常包含2. 5至12重 量％的Zn、1. 0至5. 0重量％的Mg，并且可包含最多3. 0重量％的Cu。在一個(gè)實(shí)施例中，該 鋁合金包含4. 0至5. 0重量％的Zn和1. 0至2. 5重量％的Mg。
[0004] 本專利的方法大體包括：
[0005] (a)鑄造具有2. 5至12重量％Zn、1. 0至5. 0重量％Mg的鋁合金；然后
[0006] (b)任選地對(duì)該錯(cuò)合金進(jìn)行熱加工或冷加工；
[0007] (c)在鑄造步驟（a)和任選步驟（b)之后，對(duì)該鋁合金進(jìn)行固溶熱處理和淬火處 理；
[0008] (d)在步驟（c)之后，任選地加工該鋁合金；并且
[0009] (e)在步驟（c)和任選的步驟（d)之后，對(duì)該鋁合金進(jìn)行人工老化，其中人工老化 步驟（e)包括：
[0010] (i)在約310°F(或約330°F)至530 °F的第一溫度下以1分鐘至6小時(shí)的第一 老化時(shí)間對(duì)該鋁合金進(jìn)行首次老化；
[0011] (ii)在第二溫度下以至少30分鐘的第二老化時(shí)間對(duì)該鋁合金進(jìn)行二次老化，其 中第二溫度低于第一溫度。
[0012] 這些方法相對(duì)于傳統(tǒng)老化工藝而言可實(shí)現(xiàn)綜合特性的改進(jìn)和/或生產(chǎn)量的提高。
[0013] 鑄造步驟（a)可以是適用于鍛制鋁合金或鑄造鋁合金的任何鑄造步驟。鍛制鋁合 金可（例如）通過(guò)直接冷鑄和/或連續(xù)鑄造（例如，雙帶式鑄造）以及其他方法進(jìn)行鑄造。 鑄造鋁合金為成形鑄造，可通過(guò)任何適當(dāng)?shù)某尚舞T造方法進(jìn)行鑄造，包括永久模鑄造、高壓 壓鑄、砂模鑄造、熔模鑄造、擠壓鑄造和半固態(tài)鑄造，以及其他方法。
[0014] 在步驟（a)之后，該方法可包括（b)任選地對(duì)鑄造鋁合金進(jìn)行熱加工和/或冷加 工。當(dāng)鋁合金為鍛制鋁合金時(shí)，其通?？蛇M(jìn)行熱加工，并且在鑄造步驟之后可進(jìn)行冷加工。 該任選的熱加工步驟可包括乳制、擠出和/或鍛造。該任選的冷加工步驟可包括滾壓成形、 拉延和其他冷加工技術(shù)。當(dāng)鋁合金為成形鑄造鋁合金時(shí)，未完成該任選的步驟（b)。在任何 熱加工步驟之前，可執(zhí)行均質(zhì)化步驟（例如，對(duì)于鍛制鋁合金）。
[0015] 在任選的熱加工步驟和/或冷加工步驟（b)之后，該方法包括（c)對(duì)鋁合金進(jìn)行 固溶熱處理然后進(jìn)行淬火處理。固溶熱處理及其后的淬火處理等意味著將鋁合金加熱到通 常高于相固溶溫度的適當(dāng)溫度，并且保持該溫度足夠長(zhǎng)的時(shí)間以使可溶性元素進(jìn)入到固溶 體中，然后快速冷卻足夠長(zhǎng)的時(shí)間以使這些元素保持在固溶體中。固溶熱處理可包括將鋁 合金放進(jìn)適當(dāng)?shù)募訜嵩O(shè)備中加熱一段適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。淬火（冷卻）處理可通過(guò)任何適當(dāng)?shù)姆?式完成，并可使用任何適當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，淬火處理包括使用氣體接觸鋁合 金（例如，空氣冷卻）。在另一個(gè)實(shí)施例中，淬火處理包括使用液體接觸鋁合金板。在一個(gè) 實(shí)施例中，該液體是水基的，諸如水或另一種水基冷卻溶液。在一個(gè)實(shí)施例中，該液體是水， 并且水溫約等于環(huán)境溫度。在另一個(gè)實(shí)施例中，該液體是水，并且水溫約等于沸點(diǎn)溫度。在 另一個(gè)實(shí)施例中，該液體是一種油。在一個(gè)實(shí)施例中，該油是碳?xì)浠衔锘?。在另一個(gè)實(shí) 施例中，該油是有機(jī)娃基的。
[0016] 在對(duì)鋁合金進(jìn)行固溶熱處理然后進(jìn)行淬火處理步驟（c)之后，該方法可任選地包 括（d)加工該鋁合金體，諸如通過(guò)拉伸1-10% (例如，為獲得平整度和/或消除應(yīng)力）和/ 或誘導(dǎo)大量的冷加工（例如，25-90%)，如共同擁有的美國(guó)專利申請(qǐng)公布No. 2012/0055888 中的說(shuō)明。該任選的步驟（d)可包括熱加工和/或冷加工。
[0017] 在對(duì)鋁合金進(jìn)行固溶熱處理然后進(jìn)行淬火處理步驟（c)以及任選的加工步驟（d) 之后，該方法包括對(duì)鋁合金進(jìn)行人工老化（e)。該人工老化步驟（e)可包括：（i)在約330°F 至530 °F的第一溫度下以1分鐘至6小時(shí)的第一老化時(shí)間對(duì)鋁合金進(jìn)行首次老化，以及 (ii)在第二溫度下以至少30分鐘的第二老化時(shí)間對(duì)鋁合金進(jìn)行二次老化，其中第二溫度 低于第一溫度。在第一和第二老化步驟之后，可完成一個(gè)或多個(gè)附加的老化步驟。在第一 老化步驟之前，未完成任何人工老化步驟。
[0018] 如上所述，第一老化步驟通常在第一老化溫度下執(zhí)行，該第一老化溫度通常為 310°F(或約330°F)至530 °F。較低的溫度可對(duì)鋅含量較高的鋁合金更有用，而較高的 溫度可對(duì)鋅含量較低的鋁合金更有用。在一個(gè)實(shí)施例中，第一老化溫度為至少350 °F。在 另一個(gè)實(shí)施例中，第一老化溫度為至少370T。在又一個(gè)實(shí)施例中，第一老化溫度為至少 390 °F。在一個(gè)實(shí)施例中，第一老化溫度不大于460 °F。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一老化溫度 不大于420 °F。
[0019] 第一老化步驟的持續(xù)時(shí)間通常為1分鐘至6小時(shí)，并且可與第一老化溫度有關(guān)。例 如，在較低的溫度下，時(shí)間較長(zhǎng)的第一老化步驟可能有用，而在較高的溫度下，時(shí)間較短的 第一老化步驟可能有用。在一個(gè)實(shí)施例中，第一老化時(shí)間不大于2小時(shí)。在另一個(gè)實(shí)施例 中，第一老化時(shí)間不大于1小時(shí)。在又一個(gè)實(shí)施例中，第一老化時(shí)間不大于45分鐘。在另 一個(gè)實(shí)施例中，第一老化時(shí)間不大于30分鐘。在又一個(gè)實(shí)施例中，第一老化時(shí)間不大于20 分鐘。在一個(gè)實(shí)施例中，第一老化時(shí)間可為至少5分鐘。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施例中，第一老化步驟的實(shí)施條件為"在約400 °F的溫度下老化1至30 分鐘"，或基本上等同的老化條件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員已認(rèn)識(shí)到，可根據(jù)眾所周知的老化原 理和/或公式（例如，使用菲克定律）來(lái)調(diào)整老化溫度和/或時(shí)間。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員能夠增加老化溫度而減少老化時(shí)間，或反之亦然，或僅僅稍微改變這些參數(shù)之一，而仍然 實(shí)現(xiàn)"在約400 °F的溫度下老化1至30分鐘"所達(dá)到的相同結(jié)果。能夠?qū)崿F(xiàn)"在約400°F 的溫度下老化1至30分鐘"所達(dá)到的相同結(jié)果的人工老化實(shí)踐的數(shù)量很多，因此，盡管所有 此類替代實(shí)踐皆處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)，但在本申請(qǐng)中并未一一列出。短語(yǔ)"或基本上等同 的人工老化溫度和持續(xù)時(shí)間"和"或基本上等同的實(shí)踐"用于概括所有此類替代老化實(shí)踐。
[0021] 如上所述，第二老化步驟通常為在第二溫度下老化至少30分鐘的時(shí)間，并且第二 溫度低于第一溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，第二老化溫度比第一老化溫度低5 °F至150 °F。在 另一個(gè)實(shí)施例中，第二老化溫度比第一老化溫度低10T至100 °F。在又一個(gè)實(shí)施例中，第 二老化溫度比第一老化溫度低10T至75 °F。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二老化溫度比第一老 化溫度低20°F至50°F。
[0022] 如上所述，第二老化步驟的持續(xù)時(shí)間為至少30分鐘。在一個(gè)實(shí)施例中，第二老化 步驟的持續(xù)時(shí)間為至少1小時(shí)。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二老化步驟的持續(xù)時(shí)間為至少2小 時(shí)。在又一個(gè)實(shí)施例中，第二老化步驟的持續(xù)時(shí)間為至少3小時(shí)。在一個(gè)實(shí)施例中，第二老 化步驟的持續(xù)時(shí)間不大于30小時(shí)。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二老化步驟的持續(xù)時(shí)間不大于20 小時(shí)。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二老化步驟的持續(xù)時(shí)間不大于12小時(shí)。在另一個(gè)實(shí)施例中， 第二老化步驟的持續(xù)時(shí)間不大于10小時(shí)。在另一個(gè)實(shí)施例中，第二老化步驟的持續(xù)時(shí)間不 大于8小時(shí)。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施例中，第二老化步驟的實(shí)施條件為"在約360 °F的溫度下老化2至8小 時(shí)"，或基本上等同的老化條件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員已認(rèn)識(shí)到，可根據(jù)眾所周知的老化原理 和/或公式來(lái)調(diào)整老化溫度和/或時(shí)間。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠增加老化溫度而減 少老化時(shí)間，或反之亦然，或僅僅稍微改變這些參數(shù)之一，而仍然實(shí)現(xiàn)"在約360 °F的溫度 下老化2至8小時(shí)"所達(dá)到的相同結(jié)果。能夠?qū)崿F(xiàn)"在約360 °F的溫度下老化2至8小時(shí)" 所達(dá)到的相同結(jié)果的人工老化實(shí)踐的數(shù)量很多，因此，盡管所有此類替代實(shí)踐皆處于本發(fā) 明的范圍之內(nèi)，但在本申請(qǐng)中并未一一列出。短語(yǔ)"或基本上等同的人工老化溫度和持續(xù)時(shí) 間"和"或基本上等同的實(shí)踐"用于概括所有此類替代老化實(shí)踐。
[0024] 該方法可任選地包括在老化步驟（e)期間或之后將鋁合金制成預(yù)定型產(chǎn)品。如 本文所用，"預(yù)定型產(chǎn)品"等意指通過(guò)成形操作（例如，拉延、熨壓、溫成形、滾壓成形、剪切 成形、旋壓成形、成拱、頸縮、翻邊、滴塑、卷邊、彎曲、接縫、沖壓、液壓成形，以及卷曲等）形 成的產(chǎn)品，并且其形狀在成形操作（步驟）之前已確定。預(yù)定型產(chǎn)品的例子包括汽車部件 (例如，引擎蓋、擋泥板、車門、車頂和行李箱蓋等）和容器（例如，食品罐頭、瓶子等），消費(fèi) 類電子元件（例如，膝上型計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、攝像機(jī)、移動(dòng)音樂(lè)播放器、手持設(shè)備、計(jì)算機(jī)、 電視等）以及其他鋁合金產(chǎn)品。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定型產(chǎn)品在成形步驟之后處于其最終 產(chǎn)品形態(tài)。用于制備"預(yù)定型產(chǎn)品"的成形步驟可與人工老化步驟同時(shí)執(zhí)行或在其后執(zhí)行 (例如，與第一老化步驟同時(shí)執(zhí)行或在其后執(zhí)行，和/或與第二老化步驟同時(shí)執(zhí)行或在其前 后執(zhí)彳?。?。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施例中，成形步驟與老化步驟（e)同時(shí)完成，并且因此可在升高的溫度 下執(zhí)行。此類升高的溫度下的成形步驟在本文中稱為"溫成形"操作。在一個(gè)實(shí)施例中， 溫成形操作在200 °F至530 °F的溫度下執(zhí)行。在另一個(gè)實(shí)施例中，溫成形操作在250 °F至 450 °F的溫度下執(zhí)行。因此，在一些實(shí)施例中，可使用溫成形法制備預(yù)定型產(chǎn)品。溫成形可 有利于制備無(wú)缺陷的預(yù)定型產(chǎn)品。無(wú)缺陷意指部件適于用作商業(yè)產(chǎn)品，并且因此可具有極 少（非實(shí)質(zhì)性）或無(wú)裂紋、皺裙、呂德現(xiàn)象（Ludering)、變薄和/或橘皮紋（僅舉幾例）。在 一個(gè)實(shí)施例中，可使用室溫成形法制備無(wú)缺陷的預(yù)定型產(chǎn)品。
[0026] 在一種方式中，該方法包括（a)用成形鑄造法鑄造鋁合金，其中該鋁合金包含4. 0 至5. 〇重量％的Zn和L〇至2. 5重量％的Mg，然后（b)對(duì)該鋁