МНОГОЦЕЛЕВЫЕ ТЕРМООБРАБАТЫВАЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ ПРОЦЕССЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
MULTIPURPOSE HEAT-TREATED ALUMINUM ALLOYS AND RELATED PROCESSES AND APPLICATIONS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Данная заявка заявляет приоритет в отношении даты подачи предварительной заявки на патент США № 62/078027, поданной 11 ноября 2014 года, все содержимое которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к областям материаловедения, химии материалов, металлургии, алюминиевых сплавов, производства алюминия и к смежным областям.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Алюминиевые сплавы, которые используются в различных областях, должны приобретать определенные свойства. Например, алюминиевые сплавы используются для изготовления внутренних и наружных панелей транспортной техники. Алюминиевые сплавы являются полезными для этой области применения в связи с сочетанием их небольшого веса, что приводит к экономии топлива, достижению необходимой прочности и появлению других полезных свойств. Помимо всего прочего, алюминиевые сплавы, используемые для изготовления внутренних и наружных панелей транспортной техники, будут обладать хорошей способностью к деформации, обеспечивать высокое качество окраски или отделку поверхности другого рода, стойкость к образованию вмятин и устойчивость к старению в естественных условиях. Для сплавов, используемых в производстве транспортной техники, желательно также наличие пригодности для вторичного использования путем переработки. Новые и улучшенные металлические сплавы с заданными свойствами, пригодные для изготовления панелей транспортной техники, позволяют расширить ассортимент сплавов, доступных для этих областей применения, снизить материальные затраты, повысить степень переработки алюминия, уменьшить ограничения по объему производства таких сплавов, а также снизить воздействие на окружающую среду производства и использования алюминиевых сплавов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Термины «изобретение», «это изобретение», «данное изобретение» и «настоящее изобретение», а также подобные им термины, используемые в данном документе, предназначены для употребления в широком смысле и относятся ко всему предмету этой заявки на выдачу патента и к формуле изобретения, изложенной ниже. Формулировки, содержащие эти термины, следует понимать как не ограничивающие предмет изобретения, описанный в настоящем документе, или как не ограничивающие смысл или объем формулы изобретения, изложенной ниже. Варианты реализации настоящего изобретения, охваченные в настоящем документе, определяются формулой изобретения, приведенной ниже, а не этой сущностью изобретения. Данное описание сущности изобретения представляет собой широкий обзор различных аспектов изобретения и вводит некоторые понятия, которые далее описаны в разделе подробного описания изобретения. Это описание сущности изобретения не предназначено для выявления ключевых признаков или основных отличительных признаков заявленного предмета, а также не предназначено для использования в качестве помощи в определении объема заявленного предмета изобретения. Предмет изобретения следует понимать со ссылкой на соответствующие детали всего описания этого изобретения, на некоторые или на все графические материалы и на каждый пункт формулы изобретения.
В настоящем изобретении предложены улучшенные термически упрочняемые алюминиевые сплавы, содержащие большее количество магния (Mg), чем то количество, которое обычно считается пригодным для термической обработки, и которые могут демонстрировать упрочнение при старении, если сплавы подвергаются солюционированию на агрегатных линиях термической обработки. Улучшенные алюминиевые сплавы, предлагаемые в данном документе, могут быть изготовлены в виде листовых сплавов и могут быть более пригодными для процессов вторичной переработки, чем обычные сплавы. Некоторые варианты реализации настоящего изобретения являются улучшенными алюминиевыми сплавами, пригодными для изготовления автомобильных панелей и панелей другой транспортной техники. Некоторые другие варианты реализации настоящего изобретения являются технически совершенными новыми направлениями использования и областями применения алюминиевых сплавов, улучшенными инновационными процессами переработки, изготовления или серийного производства алюминиевых сплавов, процессами для изготовления форм, изделий и деталей из алюминиевых сплавов, таких как формы из штампованного листа и панели для транспортной техники. Изделия, детали и формы из алюминиевого сплава, которые изготавливаются из улучшенных алюминиевых сплавов и/или в соответствии с инновационными процессами, предложенными в данном документе, также представлены в числе вариантов реализации настоящего изобретения.
Один из вариантов реализации настоящего изобретения, предложенный в данном документе, представляет собой алюминиевый сплав, содержащий ≥1,5% мас. магния , который изготовлен методом, предусматривающим термическую обработку. Процесс термической обработки может включать термическую обработку Т4 (закалка в воде с последующим естественным старением). Алюминиевый сплав может дополнительно содержать от 0,2 до 0,4% мас. кремния . Алюминиевый сплав может подвергаться упрочнению при старении. Алюминиевый сплав может быть листовым алюминиевым сплавом. Другой вариант реализации настоящего изобретения, представленный в данном документе, представляет собой штампованную форму из листового материала, изготовленную из указанного выше листового алюминиевого сплава. Штампованная форма из листового материала может быть автомобильной панелью. Один из вариантов реализации настоящего изобретения, представленный в данном документе, представляет собой процесс для изготовления листового алюминиевого сплава, содержащего ≥1,5% мас. магния и от 0,2 до 0,4% мас. кремния, включающий термическую обработку. Процесс может включать термическую обработку Т4. Получающийся в результате алюминиевый сплав может демонстрировать упрочнение при старении. Еще один вариант реализации настоящего изобретения, описанный в данном документе, представляет собой процесс для изготовления штампованной формы из листового материала, включающий штамповку упомянутых выше листовых алюминиевых сплавов. Штампованная форма из листового материала может быть автомобильной панелью.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На Фиг. 1 проиллюстрирована схематическая диаграмма, представляющая этапы процесса изготовления листовых алюминиевых сплавов.
На Фиг. 2 проиллюстрировано схематическое изображение различных штампованных изделий из листового материала, используемых в производстве автомобилей.
На Фиг. 3 проиллюстрирована линейчатая диаграмма, демонстрирующая механические свойства при растяжении по стандарту DIN сплава в отожженном состоянии термообработки и подвергнутого горячей сушке после окраски.
На Фиг. 4 проиллюстрирована линейчатая диаграмма, демонстрирующая прочность при растяжении сплава в закаленном и естественно состаренном состоянии T4, с растяжением, равным 2% и с растяжением, равным 2%, за которым следует выдержка в течение 20 мин. при температуре 185°C.
На Фиг. 5 проиллюстрирована линейчатая диаграмма, демонстрирующая прочность при растяжении сплава в закаленном и естественно состаренном состоянии T4, а также после имитации горячей сушки (в течение 60 мин. при температуре 180°C) после окраски.
На Фиг. 6 проиллюстрирован линейный график, иллюстрирующий упрочнение при старении сплава AA5251-T4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРТЕНИЯ
В этом описании даны ссылки на сплавы, обозначенные знаками AA и другими соответствующими обозначениями, как например «серия». Для понимания системы обозначения знаков, наиболее часто используемых в наименовании и определении алюминия и его сплавов, обратитесь к справочнику «International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminium and Wrought Aluminium Alloys », изданному The Aluninium Association. Алюминиевые сплавы из серии 6ххх, такие как AA6111, AA6016 и AA6022, как правило, используются для производства панелей внешней обшивки для автомобилей.
2
Как правило, сплавы из серии 6xxx имеют относительно высокие уровни содержания кремния и низкие уровни содержания магния, являются упрочняемыми при термообработке и демонстрируют упрочнение при старении, что придает этим сплавам характеристики прочности, которые подходят для изготовления внешних панелей, предназначенные для транспортной техники, такой как автомобили. Алюминиевые сплавы из серии 5ххх в отожженном состоянии термообработки, такие как AA5182-О или AA5754-О, часто являются предпочтительными для производства внутренних панелей в автомобильной и смежных отраслях промышленности благодаря их способности к деформации. Алюминиевые сплавы из серии 5ххх имеют очень низкую способность к удержанию свободного кремния в твердом растворе. Если добавляется кремний к алюминиевым сплавам из серии 5ххх, то он, как правило, стремится соединиться с магнием с образованием грубодисперсных частиц силицида магния (MgSi) во время отливки. Эти частицы с трудом поддаются солюционированию для того, чтобы получить перенасыщенный твердый раствор магния и кремния во время солюционирования и произвести быстрое охлаждение на непрерывной линии отжига. По этой причине алюминиевые сплавы из серии 5ххх имеют относительно низкие уровни содержания кремния и относительно высокие уровни содержания магния, и считаются не упрочняемыми при термообработке в связи с высоким содержанием в них магния. Наличие грубодисперсных частиц силицида магния является потенциально негативным для способности алюминиевых сплавов к деформации.
В настоящее время алюминиевые сплавы из серий 6ххх и 5ххх не могут просто сочетаться и вторично перерабатываться для производства автомобильных и схожих панелей, так как получающиеся в результате вторичные алюминиевые сплавы могут иметь чрезмерно высокие уровни содержания, как кремния (по сравнению с алюминиевыми сплавами из серии 5ххх), так и магния (по сравнению с алюминиевыми сплавами из серии 6ххх), и, таким образом, не пригодны для термической обработки из-за высоких уровней содержания магния и не обладают способностью к деформации сплавов из серии 5xxx в связи с сочетанием сравнительно высоких уровней содержания кремния и магния. Кроме того, наличие других металлов, таких как медь (Cu), марганец (Cu), железо (Fe) или цинк (Zn), или их комбинаций, присутствующих в сплавах, подвергнутых вторичной переработке смеси сплавов из серий 5ххх и 6ххх, может привести к появлению нежелательных свойств вторичных алюминиевых сплавов. Например, нежелательное сочетание свойств может привести переработанный алюминиевый сплав в состояние, непригодное для изготовления как внутренних, так и внешних панелей для транспортной техники.
Авторы изобретения обнаружили, что сплавы, которые имеют сравнительно высокие уровни содержания магния, такие как ≥1,5% магния, являются упрочняемыми при термообработке и демонстрируют упрочнение при старении, если в таком сплаве присутствуют соответствующие количества кремния и/или меди. Такое свойство алюминиевых сплавов со сравнительно высоким содержанием магния по сравнению с традиционными сплавами из серии 6ххх вопреки ожиданиям и преимущественно подходит для тех направлений применения, где желательно упрочнение при старении. В частности, авторы изобретения обнаружили, что некоторые алюминиевые сплавы, имеющие более высокое содержание магния, чем традиционно считавшиеся пригодными для упрочнения при термообработке, но более низкое содержание магния и более высокое содержание кремния по сравнению с алюминиевыми сплавами из серии 5xxx, которые традиционно используются для изготовления внутренних автомобильных панелей, такие как сплавы AA5754 или AA5182, могут демонстрировать упрочнение при старении, если они подвергаются солюционированию в агрегатных линиях термической обработки путем нерегулируемой закалки твердого раствора сплава.
Результаты исследований авторов изобретения воплощаются в улучшенных алюминиевых сплавах, описанных в данном документе. Улучшенные алюминиевые сплавы, описанные в данном документе, могут быть изготовлены в виде листов, и в этом случае они могут быть известны под наименованием «листовые алюминиевые сплавы», «алюминиевые листы», «листовые сплавы» или с использованием других соответствующих терминов в единственном или множественном числе. Термин «алюминиевый сплав» и подобные ему термины, используемые в данном документе, имеет более широкие рамки, чем «листовой алюминиевый сплав» и подобные ему термины. Говоря другими словами, листовые алюминиевые сплавы представляют собой подмножество из множества алюминиевых сплавов. Листовые алюминиевые сплавы могут обладать таким же или аналогичным составом, но, в некоторых случаях могут иметь другие свойства, чем тот же самый сплав, но не имеющий формы листа. Некоторые из этих свойств могут придаваться сплавам при производстве или с помощью процессов изготовления, которые используются при производстве листовых алюминиевых сплавов.
2
2
Улучшенные алюминиевые сплавы, которые реализуют результаты исследований авторов заявки, демонстрируют упрочнение при старении аналогично сплавам из серии 6xxx. Они также могут проявлять способность к деформации, схожие со свойствами алюминиевых сплавов из серии 5xxx. Улучшенные алюминиевые сплавы являются упрочняемыми при термообработке. Улучшенные алюминиевые сплавы могут быть пригодны для изготовления панелей для автомобилей и другой транспортной техники и в более широком смысле в областях применения, где сплавы с высоким содержанием магния из серии 5ххх используются традиционно. Повышенное содержание кремния и/или меди в улучшенных алюминиевых сплавах в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения является выгодным в тех областях применения, где упрочнение при старении является желательным, потому что кремний и/или медь способны придавать упрочнение сплавам, подвергшимся солюционированию, за счет осаждения частиц силицида кремния (MgSi) и AlCuMg в процессе естественного или искусственного старения. В дополнение к кремнию и/или меди в улучшенных алюминиевых сплавах могут присутствовать некоторые другие элементы, описанные в данном документе, в более высоких количествах, чем в некоторых алюминиевых сплавах из серии 5ххх, обычно применяемых для изготовления автомобильных панелей. Присутствие таких элементов может придавать выгодные свойства улучшенным алюминиевым сплавам, описанным в данном документе. Например, повышенные уровни содержания марганца (Mn) могут способствовать формированию дисперсных частиц, которые могут помочь передавать скольжение, тем самым улучшая способность к деформации. Авторы изобретения также обнаружили, что улучшенные алюминиевые сплавы, описанные в данном документе, являются более пригодными для процессов вторичной переработки, чем традиционные сплавы, поскольку улучшенные алюминиевые сплавы допускают относительно более высокие количества кремния (Si), меди (Cu), железа (Fe) или марганца (Mn), если сравнивать с алюминиевыми сплавами из серии 5xxx, которые обычно используются при производстве автомобильных панелей, такими как сплавы AA5754 и AA5182. В соответствии с этим улучшенные процессы вторичной переработки претворяют в жизнь некоторые из результатов исследований авторов изобретения.
В дополнение к улучшенным алюминиевым сплавам результаты исследований авторов изобретения воплощаются в новые инновационные направления и области применения алюминиевых сплавов, в улучшенные технически совершенные процессы для производства, переработки, изготовления или серийного производства алюминиевых сплавов, в процессы изготовления форм, изделий и деталей из алюминиевых сплавов, таких как формы из штампованного листа и панели для транспортной техники. Изделия, формы и детали из алюминиевых сплавов, которые изготовлены из улучшенных алюминиевых сплавов и/или согласно улучшенным технически совершенным процессам, описанным в данном документе, также реализуют результаты исследований авторов изобретения.
Сплавы
и т.д.
и т.д.
и т.д.
В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения улучшенные алюминиевые сплавы отличаются от обычных сплавов, используемых в автомобильной технике тем, что они имеют более высокие уровни содержания одного или более из элементов кремния (Si), меди (Cu), железа (Fe), марганца (Mn) или цинка (Zn) и более низкие уровни содержания магния (Mg), чем, по меньшей мере, некоторые из сплавов из серии 5ххх и/или более высокие уровни содержания магния, чем, по меньшей мере, некоторые из сплавов из серии 6ххх. Состав улучшенных алюминиевых сплавов проиллюстрирован в таблице 1, приведенной ниже. Содержание включенного в перечень элемента может находиться в границах, определенных нижним пределом диапазона и верхним пределом диапазона, как проиллюстрировано в таблице 1. Нижний предел диапазона может быть определен выражениями «не менее чем» (символ ≥) или «более чем» (символ >) или другими соответствующими символами или выражениями, такими как «от …» «выше чем» Верхние пределы диапазона могут быть определены выражениями «не более чем» (символ ≤), «менее чем» (символ <) или другими соответствующими символами или выражениями, такими как «до», «менее чем»  Для определения диапазонов также могут быть использованы другие типы выражений, такие как «между», «в пределах»  Если граница задана только верхним пределом диапазона, то следует понимать, что в некоторых примерах элемент, о котором идет речь, может не быть представлен вообще, может не быть представлен в количествах, поддающихся определению, или может присутствовать в таких малых количествах, что они, как правило, не признаются как имеющие значение в области алюминиевых сплавов. Также следует понимать, что некоторые другие добавки и/или элементы могут входить в состав алюминиевых сплавов, описанных в данном документе, которые не обязательно перечислены в таблицах, приведенных ниже.
Таблица 1. Состав улучшенных алюминиевых сплавов (содержание элемента указано в % массовой доли)
Элемент
Примеры нижнего предела диапазона
Примеры верхнего предела диапазона
Примеры диапазонов
Диапазон 1
Диапазон 2
Диапазон 3
Mg
1,5; 1,55; 1,6; 1,61; 1,62; 1,63; 1,64; 1,65
1,8; 1,85; 1,9
От 1,6 до 2
От 1,65 до 1,9
Cu
0,3; 0,35; 0,4; 0,45; 0,5; 0,55; 0,6; 0,65; 0,7; 0,75; 0,8
≤0,8
≤0,5
≤0,3
Fe
0,35; 0,4; 0,45; 0,5
≤0,5
≤0,4
≤0,35
Mn
0,4
≤0,4
Si
0,2
0,4
От 0,2 до 0,4
Zn
0,25; 0,3; 0,35; 0,4; 0,45; 0,5
≤0,5
≤0,3
≤0,25
Cr
≤0,25
≤0,20
≤0,15
Таблица 2. Приводимый в качестве примера состав обычных сплавов из серии 5xxx, используемых в областях применения автомобильной техники (содержание элемента указано в % массовой доли)
ЭЛЕМЕНТ
AA5182
AA5754
Mg
От 4 до 5
От 2,6 до 3,6
Cu
≤0,15
≤0,10
Fe
≤0,35
≤0,40
Mn
От 0,2 до 0,5
≤0,50
Cr
≤0,10
≤0,30
Si
≤0,20
≤0,40
Zn
≤0,20
≤0,20
Свойства и преимущества
Улучшенные алюминиевые сплавы, описанные в данном документе, включая листовые алюминиевые сплавы, обладают одним или более свойствами, которые делают их пригодными для использования в сферах применения, относящихся к автомобильной технике, таких как изготовление автомобильных панелей или в более широком смысле панелей для различных типов автомобильной техники или даже еще в более широком смысле форм из штампованного листа. Некоторыми из этих свойств являются способность к деформации, устойчивость к деформации растяжения и упрочнение при старении. Улучшенные алюминиевые сплавы также обладают преимуществом совместимости при вторичной переработке с алюминиевыми сплавами из серии 6xxx, таким как AA6111, AA6022 или AA6016. Выражение «совместимость при вторичной переработке» и связанные с ним термины используются в данном документе для описания представления о том, что улучшенные алюминиевые сплавы в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения могут сочетаться со сплавами из серии 6xxx (и, как вариант, с другими сплавами или элементами) во время проведения металлургических процессов для изготовления полезных с коммерческой и технической точек зрения алюминиевых сплавов, которые могут быть охарактеризованы как «подвергнутые вторичной переработке».
Способность к деформации и реакция на горячую сушку после окраски
Свойства способности к деформации алюминиевых сплавов, описанных в данном документе, могут находиться под влиянием ряда переменных факторов. Свойства способности к деформации включают, но не ограничиваются перечисленным, способность материала к глубокой вытяжке и его растяжимость. Одним переменным фактором, влияющим на свойства способности к деформации, является состав алюминиевого сплава. Например, способность к деформации, в том числе способность металла заполнять литейную форму, зависит от количества магния (Mg), меди (Cu) и кремния (Si) в алюминиевом сплаве. Взятые вместе большие количества магния, кремния и/или меди в общем случае затрудняют отливку и горячую прокатку алюминиевого сплава. В связи с этим содержание одного или более из этих элементов можно варьировать для получения желаемых свойств способности к деформации. Другими переменными факторами, которые могут влиять на способность к деформации, являются переменные факторы процесса изготовления и условия среди прочего включающие в себя этапы и условия отдельных технологический стадий процесса, этапы процесса текстурирования поверхности, а также условия и этапы процесса технологической смазки. Один или более из перечисленных выше переменных факторов могут быть отрегулированы для достижения желаемых свойств способности к деформации. Другое важное свойство, которое может изменяться под воздействием одного или более переменных факторов, рассмотренных выше, это реакция на горячую сушку после окраски алюминиевого сплава, которая предполагает изменение прочностных свойств сплава во время процесса горячей сушки краски. Реакция на горячую сушку после окраски обычно проверяется в лаборатории путем старения деформированного или не деформированного материала в закаленном и естественно состаренном состоянии T4, при повышенной температуре. Точная имитация условий для определения реакции сплава на горячую сушку после окраски различается в разных автомобильных компаниях. Например, реакция на горячую сушку после окраски может быть определена как изменение прочностных свойств путем старения алюминиевого сплава при температуре 180°C.
Прочность
Улучшенные алюминиевые сплавы в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения могут демонстрировать предел текучести (ПТ) от 80 до 160 MПa, который может быть близким или равным по величине предел текучести для сплава AA5754 или AA5182 в типичной готовой и окрашенной детали, требуемой для применения в автомобильной промышленности. В некоторых вариантах реализации изобретения прочность улучшенного алюминиевого сплава изменяется при увеличении содержания меди в алюминиевом сплаве, если сравнивать с содержанием меди в сплавах, обычно используемых для изготовления панелей для автомобилей и другой транспортной техники.
Твердость
В определенных вариантах реализации настоящего изобретения улучшенные алюминиевые сплавы, описанные в данном документе, являются термически упрочняемыми и демонстрируют способность к деформации, сопоставимую с типичными алюминиевыми сплавами из серии 5xxx, которые обычно используются в сферах применения, относящихся к автомобильной технике. Ранее алюминиевые сплавы из серии 5xxx не были известны как термически упрочняемые или демонстрирующие соответствующее упрочнение при старении в результате термической обработки. Улучшенные алюминиевые сплавы в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения имеют более высокие уровни содержания магния, чем алюминиевые сплавы, обычно считавшиеся термически упрочняемыми. В некоторых примерах улучшенные алюминиевые сплавы по настоящему изобретению содержат ≥1,5% магния (Mg) и являются термически упрочняемыми. Присутствие соответствующих количеств кремния и/или меди придает свойства способности поддаваться термической обработке с упрочнением и упрочнения при старении в случае улучшенных алюминиевых сплавов, содержащих ≥1,5% магния. Это позволяет некоторым улучшенным алюминиевым сплавам в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения вопреки ожиданиям достигать выгодного сочетания способности к деформации (придаваемой более высокими уровнями содержания магния, чем теми, которые обычно присутствуют в термически упрочняемых сплавах) и упрочнения при старении при такой термической обработке, как T4 (что придается более высокими уровнями содержания кремния, чем теми, которые обычно присутствуют в сплавах из серии 5xxx).
2
2
По сравнению с некоторыми из алюминиевых сплавов из серии 5xxx, таких, как те, которые обычно используются для производства внутренних автомобильных панелей, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения улучшенные алюминиевые сплавы содержат пониженное количество магния. Пониженные уровни содержания магния могут привести к более низким ценам на улучшенные алюминиевые сплавы, описанные в данном документе, также как и более низкие цены на формы изделий, производящиеся из таких сплавов, поскольку для их производства требуется меньше магния. Пониженные уровни содержания магния в улучшенных алюминиевых сплавах, описанных в данном документе, могут в результате также дать улучшенную способность кремния к растворению в алюминии во время солюционирования, которое благоприятно воздействует на свойства сплавов. Как кремний, так и медь являются способными к улучшению упрочнения солюционированных улучшенных алюминиевых сплавов, описанных в данном документе, в связи с осаждением во время старения силицида магния (MgSi) и AlCuMg или Q (AlMgSiCu), которые имеют в своем составе частицы.
Пригодность к переработке для повторного использования
Улучшенные алюминиевые сплавы этого изобретения допускают возможность содержания более высоких количеств Si, чем обычные сплавы из серии 5xxx, используемые для изготовления автомобильных панелей. Эта более высокая возможность содержания кремния и/или способность улучшенных алюминиевых сплавов, описанная в данном документе, демонстрировать реакцию на горячую сушку после окраски делает их пригодными и совместимыми со сплавами из серии 6xxx для переработки с целью повторного использования.
Подводя итог, следует отметить, что улучшенные алюминиевые сплавы по настоящему изобретению обладают выгодной комбинацией свойств, которая позволяет этим улучшенным сплавам использоваться вместо обычных алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния в различных областях применения. Улучшенные алюминиевые сплавы, описанные в данном документе, могут расширить перечень сплавов, которые могут использоваться в различных областях применения, одной из которых является производство штампованных форм из листового материала, таких как панели для автомобилей и другой транспортной техники, увеличить степень вторичной переработки алюминия, снизить затраты на производство алюминиевого сплава и снизить воздействие на окружающую среду, вызванную производством алюминия.
Процесс изготовления
Процессы для переработки или изготовления улучшенных алюминиевых сплавов также включены в объем настоящего изобретения. Улучшенный алюминий, описанный в данном документе, может быть изготовлен с применением процессов, которые включают некоторые из технологических этапов, описанных ниже. По меньшей мере, некоторые из этих технологических этапов могут придавать выгодные свойства улучшенным алюминиевым сплавам. Поэтому в некоторых случаях при описании улучшенных алюминиевых сплавов важно включать этапы процесса их изготовления. В частности, один из примеров реализации улучшенного алюминиевого сплава, описанный в данном документе, представляет собой сплав AA5251. До исследований авторов изобретения сплав AA5251, который содержит >1,5% магния, не был известен как сплав, пригодный для упрочнения при термической обработки и демонстрирующий упрочнение при старении в закаленном и естественно состаренном состоянии T4. В связи с этим пример реализации улучшенного алюминиевого сплава, описанный в данном документе, представляет собой сплав AA5251 в закаленном и естественно состаренном состоянии T4, который может называться AA5251-T4.
Процессы переработки или изготовления улучшенных алюминиевых сплавов могут включать термическую обработку для того, чтобы изменить физические и/или химические свойства улучшенных алюминиевых сплавов. Термическая обработка включает использование нагрева и/или охлаждения алюминиевого сплава для достижения желаемого результата, такого как упрочнение. Вариант реализации процессов, описанный в данном документе, использует термическую обработку T4 (или T4P), которая включает термическую обработку твердого раствора и естественное старение алюминиевого сплава до практически устойчивого состояния. Термическая обработка T4P относится к специальной термической обработке, которая включает последующее солюционирование. Такая обработка может быть выполнена как с применением охлаждения с контролируемой скоростью, начиная от температуры солюционирования, так и с применением повторного нагрева до температуры в диапазоне от 50 до 110°C в течение не более одного часа процесса солюционирования. В некоторых других вариантах реализации изобретения также могут быть использованы термические обработки T6 и T8.
Следует понимать, что описания и иллюстрации процессов, описанных в настоящем документе, не являются ограничительными. Этапы процессов, описанные в данном документе, могут быть соединены и изменены различными путями и соответствующим образом использованы для изготовления улучшенных алюминиевых сплавов или форм и изделий из таких сплавов. Этапы процессов и условия, которые явно не описаны в данном документе, но широко используется в областях металлургии и обработки алюминия и его изготовления, также могут быть включены в процессы, описанные в данном документе.
Один приводимый в качестве примера процесс схематически иллюстрирован на Фиг. 1. Следует понимать, что один или более этапов процесса, проиллюстрированного на Фиг. 1, может быть включен в процессы для переработки улучшенных алюминиевых сплавов.
2
В этом параграфе описан другой пример процесса, который включает один или более этапов, которые могут быть соединены различными путями и надлежащим образом использованы для изготовления улучшенных алюминиевых сплавов. Улучшенный листовой алюминиевый сплав изготавливается из слитка, полученного методом непрерывного литья с непосредственным охлаждением. В то же время горячий прокатный материал быть изготовлен из слитка, отлитого непрерывным методом. Слитки, полученные методом непрерывного литья с непосредственным охлаждением, подвергаются поверхностной обработке путем обдирки для удаления приповерхностного слоя с зоной ликвации с обеих сторон слитка и гомогенизируются при температуре между 500 и 575°C в период времени от 1 до 48 часов перед тем, как они будут подвергнуты горячей или холодной прокатке до получения заданной толщины. Улучшенный листовой алюминиевый сплав может также быть подвергнут специальному текстурированию поверхности среди прочего включающего в себя электроискровое текстурирование для того, чтобы улучшить способность к деформации готового листа. Холоднокатаная полоса подвергается солюционированию путем нагрева со скоростью >3°C/сек в условиях агрегатной линии отжига до температуры между 500 и 575°C с последующим быстрым охлаждением и естественным старением, чтобы дать на выходе лист в закаленном и естественно состаренном состоянии T4. Термическая обработка твердого раствора сплава может обратно перевести в раствор растворимые частицы, такие как силицид магния (MgSi) или другие частицы, возвращая их в матрицу сплава в зависимости от состава сплава. Закалка с быстрым охлаждением используется для изготовления в высшей степени насыщенного твердого раствора, как в отношении растворенных компонентов, так и в отношении избыточных дефектов кристаллической решетки. Быстрое охлаждение от температуры солюционирования может быть выполнено в принудительном потоке воздуха или тонко диспергированной водой или сочетанием тонко диспергированной воды и принудительного потока воздуха. Охлаждение выполняется при температуре от 50 до 110°C с последующим охлаждением рулона полосового материала со скоростью ≤10°C/час. Рулон в виде полосы может быть подвергнут повторному нагреву с целью обеспечения температуры охлаждения от 50 до 110°C. Можно подвергнуть солюционированный листовой сплав очистке травлением в кислоте или в щелочи, которая сопровождается предварительной обработкой с использованием специальных химикатов и смазочных материалов, масел или восков перед охлаждением при температуре между 50 и 110°C. После этого рулон может быть порублен на заготовки и использован для листовой штамповки внутренних панелей, таких как те, которые проиллюстрированы на Фиг. 2.
Еще один пример процесса, который включает один или более этапов, которые могут быть соединены различными путями и соответственно использованы для изготовления улучшенных алюминиевых сплавов, описан в этом параграфе. Слиток литейного сплава, полученный методом непрерывного литья с непосредственным охлаждением, подвергается гомогенизации при температуре свыше 500°C в течение ≥2 часов, затем горячей прокатке до промежуточной толщины с использованием температуры охлаждения от 280 до 400°C и далее холодной прокатке до окончательной толщины за один или более проходов с приданием той или иной текстуры - текстуры прокатного стана или оптимальной окончательной текстуры, после чего солюционируется в форме полосы при температуре свыше 480°C на линии непрерывного отжига, быстро охлаждается и сворачивается в рулон при температуре между 50°C и 120°C. Этап намотки в рулон горячей полосы не является обязательным и используется для того, чтобы улучшить реакцию сплава на горячую сушку после окраски. В некоторых ситуациях солюционированный рулон также может быть подвергнут очистке, предварительному нагреву и нанесению смазочного материала перед штамповкой.
Следующее обсуждение включено для того, чтобы проиллюстрировать выгодные свойства, которые этапы процесса изготовления могут придавать улучшенным алюминиевым сплавам, описанным в данном документе. По сложившейся традиции сплавы AA5754 или AA5182 поставляются для производства автомобильных панелей в мягком отожженном состоянии термообработки, так, чтобы изделие могло быть сформовано из этих сплавов и затем подвергнуто операции нанесения краски и горячей сушки. Сплавы AA5754 или AA5182 в отожженном состоянии термообработки демонстрируют снижение твердости в связи с релаксацией деформации во время горячей сушки краски. Улучшенные алюминиевые сплавы в соответствии с некоторыми вариантами не подвержены этому до такой степени, как сплавы AA5754 или AA5182 в отожженном состоянии термообработки. Улучшенные алюминиевые сплавы, описанные в данном документе, могут сохранять прочность ближе к сплавам AA5754 и AA5182 после формования и горячей сушки краски. Например, прочностные свойства, определенные на конечном изделии, изготовленном из улучшенных алюминиевых сплавов по настоящему изобретению, могут быть близкими или равными по величине прочностным свойствам сплава AA5754.
Направления использования и области применения
Направления использования и области применения улучшенных алюминиевых сплавов, описанных в данном документе, включены в объем настоящего изобретения в качестве изделий, форм, устройств и аналогичных предметов, изготовленных из улучшенных сплавов или содержащих улучшенные сплавы, описанные в данном документе. Процессы для изготовления, переработки или серийного производства таких изделий, форм, устройств и аналогичных предметов также включены в объем настоящего изобретения. Например, некоторые варианты реализации улучшенных алюминиевых сплавов, описанных в данном документе, являются пригодными для серийного производства автомобильных панелей. Различные автомобильные панели, включая внутренние и внешние автомобильные панели, исходя из вышеизложенного, также включены в объем настоящего изобретения. Например, они описаны в опубликованном патенте США № 2010/0279143, а также проиллюстрированы на Фиг. 2.
Однако следует понимать, что направления использования и области применения улучшенных алюминиевых сплавов и предметов, которые изготавливаются из таких сплавов, не ограничивается автомобильными панелями. Другие объекты могут быть надлежащим образом изготовлены из улучшенных алюминиевых сплавов, описанных в данном документе. Один из примеров являются панели, в большинстве случаев входящие в состав различных транспортных средств и в состав другой движущейся техники, которых можно назвать «транспортные панели» или «машинные панели». Например, панели, используемые для транспортных грузовых автомобилей, могут быть с успехом изготовлены из улучшенных алюминиевых сплавов, описанных в данном документе. Транспортные грузовые автомобили с кабинами из алюминия традиционно производятся из сплава AA5052. Этот сплав имеет склонность к формированию полос продольной деформации или удлинению, соответствующему пределу текучести во время формования материала, что приводит к появлению неаккуратного внешнего вида. Улучшенные алюминиевые сплавы в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения не склонны к удлинению, соответствующему пределу текучести во время формования материала и могут быть успешно использованы для замены сплава AA5052 при изготовлении панелей, используемых в грузовых автомобилях.
В более широком смысле некоторые варианты реализации улучшенных алюминиевых сплавов, описанных в данном документе, по сравнению с обычными сплавами из серии 5xxx, демонстрируют меньшую тенденцию к появлению зон Людерса, также известных как «полосы скольжения» или «отметки линий скольжения», которые являются локализованными полосами пластической деформации в металлах, которые испытывают напряжения растяжения. В соответствии с этим улучшенные алюминиевые сплавы, описанные в данном документе, могут с успехом использоваться в серийном производстве деталей или изделий, в которых зоны Людерса являются неприемлемыми, таких как внешние панели для автомобилей и других транспортных средств и передвижной техники.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения сплавы, описанные в данном документе, являются пригодными для сложных областей применения в сфере электроники. Одним из таких примеров применения являются алюминиевые телевизионные рамы. В более широком смысле различные листовые штамповки, штампованные формы из листового материала, штампованные панели или похожие изделия, изготовленные из улучшенных алюминиевых сплавов, описанных в данном документе, включены в объем вариантов реализации настоящего изобретения.
Следующие примеры служат для дальнейшей иллюстрации настоящего изобретения, однако, в то же время они не представляют собой каких-либо его ограничений. Напротив, следует ясно понимать, что возможны различные варианты, модификации и эквиваленты этого изобретения, которые после прочтения описания в данном документе, могут рекомендоваться специалистам в данной области техники в пределах объема изобретения. В ходе исследований, описанных в следующих примерах, мы следовали обычным процедурам, если не указано иное. Некоторые процедуры описаны ниже в иллюстративных целях.
Пример 1
Испытание механических свойств при растяжении сплава AA5251 в отожженном состоянии термообработки
Слиток алюминия, содержащий 1,85% магния (Mg), 0,3% железа (Fe), 0,28% марганца (Mn) и 0,29% кремния (Si) был гомогенизирован при температуре 540°C в течение >5 часов, подвергнут горячей прокатке до толщины 3,2 мм, подвергнут холодной прокатке до окончательной толщины 1,3 мм и отожжен в рулоне в течение 1 часа при температуре 340°C для получения отожженного состояния термообработки. Механические свойства при растяжении в поперечном направлении отожженных листов были определены с использованием образцов по стандарту DIN. На Фиг. 3 проиллюстрированы механические свойства при растяжении по стандарту DIN сплава в отожженном состоянии термообработки и подвергнутого горячей сушке после нанесения краски (растяжение на 5% плюс выдержка 20 мин при температуре 185°C). Сплав продемонстрировал предел текучести (ПТ) при растяжении, равный 70 MПa, предел прочности при растяжении (ППР), равный 164 MПa и общее удлинение, равное 23% в отожженном состоянии термообработки. Он также продемонстрировал отсутствие упрочнения после старения в течение 20 мин при температуре 185°C. Более высокий ПТ в случае отпуска при горячей сушке после нанесения краски (растяжение на 5% плюс выдержка 20 мин при температуре 185°C) является конечным результатом деформационного упрочнения в результате растяжения и релаксации деформации в результате старения.
Пример 2
Эффект от солюционирования, оказываемый на механические свойства, при растяжении алюминиевого сплава AA5251
Этот пример демонстрирует эффект от солюционирования, оказываемый на механические свойства, при растяжении алюминиевого сплава. Слиток алюминия, содержащий 1,85% магния (Mg), 0,3% железа (Fe), 0,28% марганца (Mn) и 0,29% кремния )Si) был гомогенизирован при температуре 540°C в течение >5 часов, подвергнут горячей прокатке до толщины 3,2 мм, подвергнут холодной прокатке до окончательной толщины 1,3 мм. Листы после холодной прокатки до толщины 1,3 мм были солюционированы в течение 2 мин при температуре 560°C, охлаждены и немедленно предварительно состарены в течение 8 часов при температуре 85°C. Механические свойства в поперечном направлении по стандарту ASTM солюционированного сплава были определены после 24 часов естественного старения. Фиг. 4 иллюстрирует сравнительные показатели механических свойств при растяжении для сплава в закаленном и естественно состаренном состоянии T4, при растяжении на 2% и при растяжении на 2% плюс выдержка 20 мин при температуре 185°C. Алюминиевый сплав в закаленном и естественно состаренном состоянии T4 был прочнее по сравнению со своим аналогом в отожженном состоянии термообработки, как это иллюстрируется путем сравнения Фиг. 3 и Фиг. 4. Алюминиевый сплав в закаленном и естественно состаренном состоянии T4 продемонстрировал значительное увеличение ПТ в результате растяжения на 2% и после того, как растянутый образец был подвергнут старению при температуре 185°C в течение 20 мин. Механические свойства при растяжении алюминиевого сплава в закаленном и естественно состаренном состоянии T4 были близкими к свойствам обычного сплава AA5754. Предел текучести алюминиевого сплава был близок к ожидаемой прочности сплава AA5182 или AA5754 после того, как он был подвергнут обработке аналогичной горячей сушке после нанесения краски.
Пример 3
Роль добавки меди к сплаву
Слиток алюминия, содержащий 1,75% марганца (Mg), 0,78% меди (Cu), 0,23% железа (Fe), 0,11% марганца (Mn) и 0,38% кремния (Si) был гомогенизирован при температуре 560°C в течение >18 часов, затем подвергнут горячей прокатке и холодной прокатке до окончательной толщины 1,6 мм и солюционирован в линии непрерывного отжига при температуре 540°C, охлажден и предварительно состарен. Механические свойства при растяжении в поперечном направлении листов толщиной 1,6 мм были определены с использованием образцов по стандарту ASTM.
2
2
На Фиг. 5 проиллюстрированы механические свойства при растяжении сплава, как в закаленном и естественно состаренном состоянии T4, так и в состоянии после горячей сушки краски (в течение 60 мин при температуре 180°C). Этот сплав, который имеет более высокие уровни содержания меди, чем сплав AA5251, проиллюстрированный в примерах 1 и 2, был значительно прочнее, чем сплав AA5251. Сплав, испытанный в этом примере, продемонстрировал ПТ, равный 143 MПa, ППР, равный 284 MПa и общее удлинение, равное 28% в закаленном и естественно состаренном состоянии T4, а также продемонстрировал значительное упрочнение после старения в течение 60 мин при температуре 180°C в результате осаждения частиц CuMgAl и MgSi.
Пример 4
Сравнительное испытание сплава AA5754 в отожженном состоянии термообработки и сплава AA5251 в отожженном состоянии термообработки и в закаленном и естественно состаренном состоянии T4
Слитки алюминия сплава AA5754 и AA5251, имеющие состав, указанный в таблице 3, были гомогенизированы при температуре 540°C в течение >5 часов, подвергнуты горячей прокатке и холодной прокатке до окончательных толщин 1 мм и 1,3 мм, соответственно в отдельных сериях испытаний. Рулоны сплава AA5754 и AA5251 были солюционированы на линии непрерывного отжига при температурах 500 и 560°C, соответственно.
n
n
Результаты испытаний на растяжение образцов из испытуемых рулонов проиллюстрированы в таблице 4. Можно видеть, что предел текучести и предел прочности при растяжении обычного листа из сплава AA5754 в отожженном состоянии термообработки в направлениях 0°, 45° и 90° по отношению к направлению проката являются близкими к 100 MПa и находятся в пределах диапазона от 219 до 231 MПa, соответственно. Сплав AA5251 в отожженном состоянии термообработки демонстрирует более низкие значения по сравнению со сплавом AA5754, если не считать значения для показателя упрочнения (). Сплав AA5251 после обработки T демонстрирует значительное улучшение прочностных свойств, таких как предел текучести и предел прочности при растяжении по сравнению со сплавом AA5251 в отожженном состоянии термообработки. В отношении прочности сплав AA5251 после обработки T попадает между сплавом AA5754 и сплавом AA5251 в отожженном состоянии термообработки. Сплав AA5251 после обработки T демонстрирует реакцию на горячую сушку после нанесения краски, как правило, не наблюдаемую в сплавах AA5251 и AA5754 в отожженном состоянии термообработки. Выявленные улучшения в сплаве AA5251 в закаленном и естественно состаренном состоянии Т4 предоставляют возможность его использования в качестве замены для сплава AA5754 и возможно для сплава AA5182. В небольшой степени худшие характеристики по способности к формованию сплава AA5251 в закаленном и естественно состаренном состоянии Т4, определенные по более низкому показателю удлинения, значениям ППР и , могут быть компенсированы путем использования различных технических приемов, включая оптимизацию сплава и состава процесса, используя предпочтительную текстуру поверхности листа или выбор смазочного материала во время формования.
Таблица 3. Состав алюминиевого сплава
Сплав
Состав, % массовой доли
Cu
Fe
Mg
Mn
Si
Cr
Ti
AA5754
0,02
0,20
3,10
0,22
0,06
0,05
AA5251
0,01
0,30
1,83
0,30
0,29
0,03
0,01
Таблица 4. Сравнительные результаты испытаний сплава AA5754 в отожженном состоянии термообработки (О) и сплава AA5251 в отожженном состоянии термообработки (О) и в закаленном и естественно состаренном состоянии T4
Вид обработки
Направ-ление, град
Толщинамм
Предел текучести
Предел прочности при растяжении
Общее удлине-ние, %
n
R
Кфунт/дюйм<sup>2</sup>
МПа
Кфунт/дюйм<sup>2</sup>
МПа
Отожженный сплав АА5754, рулон № 2271809, автоматизированные испытания
О
0
1,0
14,6
101
33,4
230
26
0,30
0,87
45
14,5
100
32,3
223
26
0,31
0,57
90
14,4
99
31,9
220
24
0,31
0,64
Пакетный отжиг, сплав АА5251, рулон № L55203R1
О
0
1,3
9,7
67
24,9
172
23
0,34
0,67
45
9,6
66
24,2
166
26
0,32
0,59
90
9,6
66
23,7
163
21
0,32
0,55
Солюционированный сплав АА5251, рулон № L55203R2, автоматизированные испытания
Т4
0
14,1
97
28,4
196
26
0,26
0,81
45
13,9
96
27,8
192
26
0,26
0,55
90
13,8
95
27,4
189
24
0,26
0,61
2% + 20 мин при 185°C
0
20,1
139
31,5
217
21
0,21
0,83
45
20,0
138
31,0
214
20
0,21
0,52
90
19,8
137
30,5
210
20
0,21
0,60
Пример 5
Упрочнение при старении сплава AA5251 в закаленном и естественно состаренном состоянии T4 при температуре 185°C
Стадии упрочнения при старении сплава AA5251 в закаленном и естественно состаренном состоянии T4 выполнялись путем помещения образцов сплава для испытания на растяжение в печь, установленную на температуру 180°C. Образцы вынимались из печи после различного времени старения. На Фиг. 6 проиллюстрирован характер изменений при упрочнении при старении сплава при температуре 180°C. Сплав продемонстрировал около 70% и 20% увеличения в ПТ и ППР соответственно после около 8 часов старения. Результаты, проиллюстрированные на Фиг. 6, подтверждают заключение, что сплав подвержен упрочнению при старении.
Все патенты, публикации и реферат, приведенные выше, включены в данный документ путем ссылки во всей их полноте. Возможны различные схемы и комбинации элементов и свойств, описанных в данном документе. Аналогичным образом некоторые свойства и комбинации, представляющие собой часть другой, более широкой комбинации, полезны и могут быть использованы без ссылки на другие признаки и комбинации, представляющие собой часть другой, более широкой комбинации. Различные варианты реализации изобретения были описаны для достижения различных целей изобретения. Следует отметить, что эти варианты являются лишь иллюстрацией принципов настоящего изобретения. Многочисленные модификации и их адаптации будут очевидны специалистам в данной области техники без отхода от сущности и объема настоящего изобретения.