專利名稱：具有降低的淬火敏感性的Al-Zn-Mg合金產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金產(chǎn)品，具體地涉及用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可時效硬化的Al-Si-Mg 型合金產(chǎn)品，該合金產(chǎn)品同時具備高強(qiáng)度以及高韌性和降低的淬火敏感性。此外，本發(fā)明還 涉及生產(chǎn)這種鋁合金產(chǎn)品的方法。由這種鋁合金產(chǎn)品制成的產(chǎn)品非常適用于航空航天應(yīng) 用，但并不限于此。該合金可以被加工成各種產(chǎn)品形式，例如板材、薄板、厚板、擠壓或鍛造 產(chǎn)品。更具體地，本發(fā)明涉及具有較厚的厚度的鋁合金產(chǎn)品，即約2至12英寸厚。由這種 Al-Zn-Mg合金制成的產(chǎn)品也可以被用作鑄造產(chǎn)品，即作為壓鑄產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
如從下文將理解的，除非另外說明，合金牌號和狀態(tài)代號(temperdesignations) 是指由鋁協(xié)會(Aluminum Association)于2008年公布的在本領(lǐng)域所公知的鋁標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù) 以及登記備案中的鋁業(yè)協(xié)會名稱。對于任何合金組成或優(yōu)選合金組成的描述，除非另作說明，所有提到的百分?jǐn)?shù)都 是指重量百分?jǐn)?shù)。在一些涉及相對高強(qiáng)度、高韌性以及耐腐蝕性的應(yīng)用中使用可熱處理的鋁合金是 本領(lǐng)域所公知的，例如飛機(jī)機(jī)身、車輛構(gòu)件以及其它應(yīng)用。鋁合金AA7050和AA7150在T6型 狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度。已知T6狀態(tài)能增強(qiáng)合金的強(qiáng)度，其中已經(jīng)知道上述含有大量鋅、 銅和鎂的AA7050和AA7X50合金產(chǎn)品具有高強(qiáng)度重量比，并且因此，發(fā)現(xiàn)它們尤其可應(yīng)用于 飛行器制造業(yè)。但是，這些應(yīng)用導(dǎo)致合金產(chǎn)品要暴露于各種各樣的氣候條件下，因此需要仔 細(xì)控制加工和老化的條件以提供足夠的強(qiáng)度和耐腐蝕性，包括應(yīng)力腐蝕和剝落。已知為了 增強(qiáng)對應(yīng)力腐蝕和剝落的抗性以及斷裂韌性，人為地對這些7000系列合金進(jìn)行過度老化。 當(dāng)人為地老化到例如T79、T76、T74或T73型狀態(tài)時，它們對應(yīng)力腐蝕、剝落腐蝕的抗性以及 斷裂韌性會在一定狀態(tài)得到改善，但是與Τ6狀態(tài)相比會在強(qiáng)度上有一些損失。一種可接受 的狀態(tài)條件是Τ74型狀態(tài)，這是一種有限的過度老化條件，在Τ73和Τ76型之間，以獲得可 接受的拉伸強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕抗性、剝落腐蝕抗性和斷裂韌性。但是，對于具有超過約3英寸厚的厚截面零件或者由這些厚截面機(jī)械加工成的零 件，通過厚度獲得均勻和可靠的性質(zhì)平衡是非常重要的。目前，其中的ΑΑ7050或ΑΑ7010或 ΑΑ7040或ΑΑ7085被用于這些類型的應(yīng)用。降低的淬火敏感性，即在較低淬火速度或較厚產(chǎn) 品時由厚度導(dǎo)致的性能的減退，是其中的飛行器制造業(yè)主要期望的。在這種類型的合金鍛造產(chǎn)品的生產(chǎn)中，這些產(chǎn)品通常先經(jīng)過固溶熱處理再經(jīng)淬 火。在對厚截面進(jìn)行固溶熱處理和淬火時，合金產(chǎn)品的淬火敏感性受到極大關(guān)注。固溶熱處 理后，理想的是快速冷卻產(chǎn)品以使各種合金的元素保留在固溶體中，而不是經(jīng)過緩慢冷卻 使其以粗粒的形式從溶液中沉淀出來。后者的發(fā)生會產(chǎn)生粗粒的沉淀，例如Al2CuMg和/或 Mg2Zn,并且導(dǎo)致機(jī)械性能的下降。在具有厚橫截面的產(chǎn)品中，作用于這類產(chǎn)品(無論電鍍、 擠壓或鍛造)的外表面的淬火介質(zhì)不能有效地從內(nèi)部，包括材料的中心或中平面或四分之 一平面，吸取熱量。這是因為到表面的物理距離和經(jīng)由金屬吸取熱量是通過依賴距離的傳導(dǎo)的事實。在薄的橫截面(例如2英寸或更小)上，在中平面處的淬火速率必然高于較厚 產(chǎn)品的橫截面的淬火速率。因此，合金產(chǎn)品的整體淬火敏感性通常對于厚度較薄的產(chǎn)品不 如厚度較厚的產(chǎn)品重要，至少從強(qiáng)度和韌性的角度看是這樣的。成為AA7040的發(fā)展基礎(chǔ)的美國專利No. US-6，027，582公開了在添加合金元素以 提高強(qiáng)度和其它性質(zhì)的同時避免過量添加導(dǎo)致淬火敏感性減小之間的優(yōu)化平衡。成為AA7085合金的發(fā)展基礎(chǔ)的美國專利申請US-2002/0121319-A1公開了另一種 在添加Zn、Mg和Cu以提供改善的淬火敏感性的同時保持較好的強(qiáng)度-韌性性能之間的嚴(yán) 格控制的平衡，該平衡尤其適用于厚度較厚的鋁產(chǎn)品。美國專利申請US-2006/0096676公開了另外一種可控的7xxx系列合金產(chǎn)品，該產(chǎn) 品具有較高的Mg含量，為2. 6%至3. 0%，很低的Cu含量，為0. 10%至0. 2%，并有目的性 地添加了 0. 05%至0. 2%的^ ，通過選擇將均化和固溶熱處理結(jié)合，并隨后進(jìn)行兩階段冷 卻以降低板材產(chǎn)品的淬火敏感性，以在板材產(chǎn)品中獲得較好的顆粒結(jié)構(gòu)。參考的一些其它現(xiàn)有技術(shù)如下日本專利申請JP-10-212538-A公開了一種用于熱交換器的厚度較薄的鋁合金鍍 層產(chǎn)品。該產(chǎn)品包括一個鋁合金核心層，該核心層具有含有0. 005%至2. 0%的Ge的鋁合 金鍍層，以抑制在堿性環(huán)境中在犧牲材料表面形成氧化表層。該鍍層優(yōu)選還含有至少0. 1% 至6%的Zn，0. 至3. 55%的Mg。另外還可以添加0. 005%至0. 5% In或Sn，因為它們與 Zn具有相似的作用。還可以添加0. 至0. 7%的V以及Si以改善強(qiáng)度。國際專利申請W0-2004/090185公開了一種具有高強(qiáng)度和斷裂韌性以及良好耐 腐蝕性的鋁合金產(chǎn)品，以wt. %計，所述合金基本上包含如下組成Zn 6. 5至9. 5，Mg 1. 2 至 2. 2，Cu 1. 0 至 1. 9，F(xiàn)e < 0. 3，Si < 0. 20，任選地一種或多種如下元素(Zr < 0. 5，Sc < 0. 7，Cr < 0. 4，Hf < 0. 3，Mn < 0. 8，Ti < 0. 4, V < 0. 4)，以及其它雜質(zhì)或不可避免的 元素，余量為鋁。據(jù)公開，該合金還含有最高的銀和最高的鍺。但是，沒有給出關(guān)于 添加Ag或Ge的例子，也沒有公開其作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有降低的淬火敏感性的鋁-鋅-鎂-銅合金產(chǎn)品。本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造這種合金產(chǎn)品的方法。本發(fā)明實現(xiàn)或超越了這些目的和其它目的以及進(jìn)一步的優(yōu)點，涉及一種以軋制、 擠壓或鍛造產(chǎn)品的形式用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可時效硬化的鋁合金產(chǎn)品，該產(chǎn)品的化學(xué)組成為以 wt. %計包含Zn約3%至11%
Mg約至3%
Cu約0. 9%至3%
Ge約 0. 03%至 0. 4%
Si0 至 0. 5%
Fe0 至 0. 5%
Ti最多約0.5%，
任選地，選自如下元素的一種或多種元素Zr 最多約 0.5%，優(yōu)選 0.03%至 0.25%，Ti 最多約0.3%，優(yōu)選最多0. 1%，Cr 最多約 0.4%Sc 最多約 0.5%Hf 最多約 0.3%Mn 最多約 0. 4%，優(yōu)選< 0. 3%，Ag 最多約 0.5%Li 最多約 2.5%，以及任選的如下成分，最多為約0.05% Ca約0.05% Sr約0.004% Be，余量為鋁以及正常的和/或不可避免的偶然元素和雜質(zhì)。通常，這些元素或雜質(zhì) 每種< 0. 05%，總計< 0. 15%。根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有目的性地添加鍺(Ge)到鋁-鋅合金產(chǎn)品中能夠顯著降低 其淬火敏感性，從而允許對較厚的厚度進(jìn)行淬火，同時還能達(dá)到很好的強(qiáng)度-韌性和耐腐 蝕性能。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種降低的淬火敏感性尤其發(fā)生在厚度較厚的鋁合金產(chǎn)品中，即具有大 于2英寸(50毫米)或更大的厚度。Ge也可添加到目前作為航空航天類應(yīng)用的商業(yè)基礎(chǔ)來 供應(yīng)的合金產(chǎn)品中，例如AA7050、AA7010、AA7040、AA7081和AA7085，同時能夠保持這些合 金產(chǎn)品的高強(qiáng)度-韌性性能。降低的淬火敏感性還允許生產(chǎn)合金產(chǎn)品時使用較低的冷卻速度。較低的冷卻速度 會在合金產(chǎn)品中引入較少的殘余應(yīng)力，相應(yīng)地在機(jī)械加工的產(chǎn)品中導(dǎo)致較少的變形。這將 使該合金產(chǎn)品在加工公差至關(guān)重要的特定航天航空應(yīng)用以及例如模具板的應(yīng)用中成為很 好的候選。較優(yōu)選Ge添加的下限為約0. 05%，更優(yōu)選為約0. 08%。水平太低時發(fā)現(xiàn)Ge的添 加對于淬火敏感性沒有作用。Ge的添加應(yīng)不超過0. 4%，更優(yōu)選Ge的添加上限為約0. 35%。 Ge添加不應(yīng)太高，因為太高水平的Ge有助于共晶相的形成，即Ge-Si共晶相，該共晶相具有 較低的熔融溫度并可能對其中的合金產(chǎn)品的韌性產(chǎn)生不利影響。盡管對Ge的添加在合金 產(chǎn)品從高溫冷卻時減慢其沉淀還沒有充分的認(rèn)識。在本發(fā)明的合金產(chǎn)品的一種優(yōu)選實施方案中，Si含量的下限為約6. 1%，優(yōu)選為 約6.4%。Si含量的較優(yōu)選上限為約8.5%，更優(yōu)選為約8. 1%。在一種優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明合金產(chǎn)品的Mg含量的優(yōu)選上限為約2.5%，優(yōu)選 為約2.0%，更優(yōu)選為約1.9%。太高的Mg含量對于合金產(chǎn)品的韌性有不利影響。在一種優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明合金產(chǎn)品的Cu含量的下限為約0. 9%，更優(yōu)選約 為1. 1 %。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)AA7XXX系列合金具有較低的Cu含量，例如AA7021，當(dāng)在請求保護(hù)的范 圍內(nèi)添加Ge時，對淬火敏感性沒有表現(xiàn)出任何顯著作用。在一種優(yōu)選實施方案中，Cu含量 的上限為約2. 6%，優(yōu)選為約2. 2 %，更優(yōu)選為約2%。在所述合金產(chǎn)品的一種優(yōu)選實施方案中，關(guān)于SuMg以及Cu的添加優(yōu)選較貧的組成(因此優(yōu)選低于8. 1%的&1，低于2.5(%的1%以及低于2. 6%的Cu)，因為這將有助于把 更多的Ge帶入固溶體中，以獲得最優(yōu)的降低的淬火敏感性。所述合金產(chǎn)品的!^e含量應(yīng)低于0. 5%，優(yōu)選低于約0. 35%。當(dāng)將該合金產(chǎn)品用于 航空航天應(yīng)用時，優(yōu)選為該范圍的下限，例如，低于約0. 1%，更優(yōu)選低于約0. 08%，以特別 將韌度維持在足夠高的水平。當(dāng)將該合金產(chǎn)品用于模具板時，可以容許較高的i^e含量。但 是，相信在航空航天應(yīng)用中也可以使用適度的狗含量，例如約0. 09%至0. 13%，或者甚至 約 0. 10%至 0. 15%。所述合金產(chǎn)品的Si含量應(yīng)低于0. 5%，優(yōu)選低于約0. 35%。當(dāng)將該合金產(chǎn)品用于 航空航天應(yīng)用時，優(yōu)選為該范圍的下限，例如，低于約0. 1%，更優(yōu)選低于約0. 08%，以特別 將韌度維持在足夠高的水平。當(dāng)將該合金產(chǎn)品用于模具板時，可以容許較高的Si含量。但 是，相信經(jīng)過專門的熱處理，對于航天航空應(yīng)用較高的Si水平也是可以容許的。Si水平的 優(yōu)選上限為約0. 25%。專門的熱處理過程例如在國際專利申請W0-2008/003504中所公開 的那些，在此將其全部內(nèi)容并入本文作為參考。最高可添加約0. 5%的銀以在老化過程中進(jìn)一步增加強(qiáng)度。Ag添加的優(yōu)選下限為 約0. 03%，更優(yōu)選為約0. 08%。優(yōu)選上限為約0. 4%。最高約2. 5%的Li可添加到合金產(chǎn)品中以在合金產(chǎn)品老化后進(jìn)一步在合金產(chǎn)品 中增強(qiáng)時效硬化作用從而增加強(qiáng)度。添加Li的另一個好處是可以使鋁合金產(chǎn)品的模量增 加。可以添加各種分散膠體形成元素&、Sc、Hf、V、Cr以及Mn以控制晶粒結(jié)構(gòu)并進(jìn)一 步控制淬火敏感性。分散膠體形成元素的最優(yōu)水平取決于加工方法，但是當(dāng)在優(yōu)選窗口內(nèi) 選定了主要元素(Zn、Mg和Cu)中的一種單一化學(xué)成分并且這種化學(xué)成分將在所有相關(guān)產(chǎn) 品形式中使用時，那么&水平應(yīng)低于約0.5%。^ 水平的優(yōu)選最大值為約0.25%。^ 水平的適當(dāng)?shù)姆秶羌s0.03%至0.2%。 ^ 添加的更優(yōu)選上限為約0.15%。^ 在本發(fā)明在合金產(chǎn)品中是一種優(yōu)選的合金元素。盡 管^ 可以與Mn組合添加，但對于厚度較厚的產(chǎn)品，優(yōu)選當(dāng)添加ττ時避免添加Mn，并優(yōu)選保 持Mn在低于0. 03%的水平。在厚度較厚的產(chǎn)品中，Mn相比Ir相更快粗化，因此會對合金 產(chǎn)品的淬火敏感性產(chǎn)生不利影響。Sc的添加優(yōu)選不高于約0. 5%或更優(yōu)選不高于0. 3 %，并且甚至更優(yōu)選不高于約 0. 18%。當(dāng)與&組合時，Sc+Zr的總量應(yīng)低于0.3%，優(yōu)選低于0.2%，更優(yōu)選最高為約 0. 17%。另一種可以單獨或者與其它分散膠體形成元素一起添加的分散膠體形成元素是 Cr。Cr水平應(yīng)優(yōu)選低于約0. 4%，更優(yōu)選最高約0. 3%，甚至更優(yōu)選為約0. 2%。Cr的優(yōu)選 下限為約0.04%。在現(xiàn)有技術(shù)中，向7XXX系列鋁合金中添加Cr被認(rèn)為可以使這些合金具 有更高的淬火敏感性，并且為此原因目前許多合金產(chǎn)品中優(yōu)選添加Zr，按照本發(fā)明有目的 性地添加Ge以使含Cr合金產(chǎn)品具有較低的淬火敏感性并使它們對于各種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有吸 引力。雖然單獨添加Cr可能不如單獨添加ττ有效，但是至少對于合金產(chǎn)品在模具板中的 應(yīng)用，可以獲得相似的硬度結(jié)果。當(dāng)與&組合時，Zr+Cr的總量應(yīng)不高于約0. 23%，優(yōu)選不 高于約0. 18%。優(yōu)選k+Zr+Cr的總量應(yīng)不高于約0. 4%，更優(yōu)選不高于0. 27%。
在本發(fā)明的合金產(chǎn)品的另一個實施方案中，所述合金產(chǎn)品不含有Cr，實際上這是 指Cr含量為< 0. 05%的常規(guī)雜質(zhì)水平，并優(yōu)選< 0. 03%，更優(yōu)選所述合金基本上不含有或 實質(zhì)上不含有Cr。就本發(fā)明而言，“基本上不含有”和“實質(zhì)上不含有”是指沒有有目的性 地向組合物中加入這種合金元素，但是由于雜質(zhì)和/或與制造設(shè)備接觸時的浸出而使痕量 的這種元素進(jìn)入到最終的合金產(chǎn)品中。特別是在厚度較厚的產(chǎn)品中(例如大于3毫米)，Cr 與一些Mg結(jié)合形成Al12Mg2Cr顆粒，這些顆粒將對合金產(chǎn)品的淬火敏感性產(chǎn)生不利影響，并 可能在晶界形成粗糙顆粒從而對損傷容限性能產(chǎn)生不利影響。Mn可作為一種單一的分散膠體形成元素或與其它分散膠體形成元素中的一種組 合添加到所述合金產(chǎn)品中。Mn添加的最大值為約0. 4%。Mn添加的合適的范圍是約0. 05% 至0.4%，優(yōu)選為約0.05%至0.3%。Mn添加的優(yōu)選下限是約0. 12%。當(dāng)與^ 組合時，Mn 加ττ的總量應(yīng)低于約0. 4%，優(yōu)選低于約0. 32%，并且合適的最低值為約0. 12%。在本發(fā)明的合金產(chǎn)品的另一個實施方案中，所述合金產(chǎn)品不含有Mn，實際上這是 指Mn含量< 0. 03%，優(yōu)選< 0.02%，更優(yōu)選所述合金基本上不含有或?qū)嵸|(zhì)上不含有Mn。就 本發(fā)明而言，“基本上不含有”和“實質(zhì)上不含有”是指沒有有目的性地向組合物中加入這種 合金元素，但是由于雜質(zhì)和/或與制造設(shè)備接觸時的浸出而使痕量的這種元素進(jìn)入到最終 的合金產(chǎn)品中。在本發(fā)明的鋁合金產(chǎn)品的另一個優(yōu)選實施方案中，所述合金產(chǎn)品沒有故意地添 加V，因此該產(chǎn)品中僅僅存在，如果存在的話，低于0. 05%的常規(guī)雜質(zhì)水平的V，優(yōu)選低于 0. 02%。Ti尤其可被添加到合金產(chǎn)品中以達(dá)到在合金原料例如鑄塊或鋼坯的鑄造過程中 使晶粒細(xì)化的目的。Ti的添加應(yīng)不超過約0.3%，優(yōu)選不超過約0. 1%。Ti添加的優(yōu)選下 限為約0.01%。Ti可以作為一種單獨的元素添加或者與用作鑄造助劑的硼或碳一起添加， 用于控制晶粒尺寸。鈹?shù)奶砑油ǔ１挥米髅撗鮿?鑄塊裂紋抑制劑并且也可以應(yīng)用于本發(fā)明的合金 產(chǎn)品中。然而由于環(huán)境、健康和安全原因，本發(fā)明的較優(yōu)選實施方案基本上不含有Be。為了 與添加Be相同的目的，少量的Ca和Sr可以單獨添加或組合添加到所述合金產(chǎn)品中。優(yōu)選 添加Ca的范圍是約IOppm至1 OOppm。所述合金產(chǎn)品中余量為鋁以及正常的和/或不可避免的偶然元素和雜質(zhì)。通常這 些元素或雜質(zhì)的存在水平為每種< 0. 05%，總計< 0. 15%。在另一個實施方案中，本發(fā)明的合金產(chǎn)品具有在ΑΑ7010、ΑΑ7040、ΑΑ7140、ΑΑ7050、 ΑΑ7055、ΑΑ7075、ΑΑ7081或ΑΑ7085范圍內(nèi)的化學(xué)組成，加上對上述組成的修飾，并根據(jù)本發(fā) 明有目的性地添加Ge。所述合金產(chǎn)品為軋制、擠壓或鍛造產(chǎn)品的形式，更優(yōu)選該產(chǎn)品為板材、平板、鍛造 或擠壓產(chǎn)品的形式，理想地是作為飛行器結(jié)構(gòu)件的零件。這種飛行器結(jié)構(gòu)件包括，尤其是機(jī) 身板材、機(jī)身框架構(gòu)件、上翼板、下翼板、用于加工零件的厚板或者用于縱梁的鍛件或板材、 翼梁構(gòu)件、翼肋構(gòu)件、地愣橫梁構(gòu)件以及艙壁構(gòu)件。此外，本發(fā)明可用于非航空航天零件，例如用作通過例如壓鑄或注模成形制造成 形的塑料或橡膠產(chǎn)品的模具的模具板。所有的厚度都需要達(dá)到性能的良好組合，但是對于通常隨著厚度增加產(chǎn)品的淬火敏感性也增加的厚度范圍尤其有用。因此，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的合金產(chǎn)品在例如大于2英寸(50 毫米)至3英寸(76毫米)，最高至12英寸(305毫米)或更高的厚度范圍內(nèi)具有特殊的效用。雖然本發(fā)明的主要重點是使具有較厚橫截面的合金產(chǎn)品盡快淬火，但是本領(lǐng)域技 術(shù)人員將由此認(rèn)識到本發(fā)明的另一個應(yīng)用，即利用其低淬火敏感性并在薄截面的合金零件 上有意地使用慢淬火速率以降低其中由淬火導(dǎo)致的殘余應(yīng)力和由快速淬火帶來的變形量， 但并沒有因此顯著地犧牲強(qiáng)度和/或韌性。本發(fā)明另一方面涉及制造AA7000系列合金中的一種鍛造鋁合金產(chǎn)品的方法，該 方法包括如下步驟a.對本發(fā)明AlZnMg (Cu) Ge合金的鑄塊或薄板坯原料進(jìn)行鑄造；b.預(yù)熱和/或均化該鑄造原料；c.通過選自軋制、擠壓和鍛造中的一種或多種方法對該原料進(jìn)行熱加工；d.任選地對熱加工后的原料進(jìn)行冷加工；e.對熱加工后且任選地冷加工后的原料進(jìn)行固溶熱處理(SHT)；f.冷卻所述固溶熱處理后的原料；g.任選地拉伸或者壓縮冷卻后的經(jīng)固溶熱處理的原料，或者對冷卻后的經(jīng)固溶熱 處理的原料進(jìn)行冷加工以釋放應(yīng)力，例如對冷卻后的經(jīng)固溶熱處理的原料進(jìn)行整平、回火 (drawing)或冷車Lh.使冷卻后并任選地拉伸或壓縮或者經(jīng)其它冷處理后的固溶熱處理原料老化以 獲得理想的狀態(tài)?？梢蕴峁┳鳛殍T錠或板材或坯材形式的所述鋁合金，通過本領(lǐng)域常規(guī)用于鑄造產(chǎn) 品的鑄造技術(shù)(例如，DC-鑄造、EMC-鑄造、EMS-鑄造)制造成合適的鍛造產(chǎn)品。也可以使 用由連鑄(例如，帶式連鑄機(jī)或輥式連鑄機(jī))得到的坯材，尤其當(dāng)生產(chǎn)更薄規(guī)格的最終產(chǎn)品 時可能特別有利。在將該合金坯料鑄造之后，通常將鑄錠剝皮，以除去臨近該鑄錠的鑄造表 面的偏析區(qū)。均化熱處理的目的如下(i)溶解盡可能多的在凝固過程中形成的粗糙可溶相， (ii)降低濃度梯度以利于溶解步驟。預(yù)熱處理也可達(dá)到其中的一些目的。通常預(yù)熱處理的 溫度為420°C至460°C，熱處理時間為3至50小時，更通常的時間為3至M小時。重要的 是，使合金產(chǎn)品中的可溶性共晶相(例如S-相、T-相和M-相)溶解。這通常通過將原料加 熱到溫度低于500°C來實施，并且通常為440°C至485°C，因為AA7000系列合金中S-相共晶 相(Al2MgCu相)的熔融溫度為約4890C，并且M-相(MgZn2相)的熔點為約478°C。如本領(lǐng) 域所公知的，這可以通過在上述溫度范圍內(nèi)進(jìn)行均化處理并將原料冷卻到熱加工溫度，或 者均化之后隨后將原料冷卻并再加熱到熱加工溫度來實現(xiàn)。如果需要的話，均化過程也可 以通過兩步或更多步驟來完成，并且對于本發(fā)明的合金產(chǎn)品通常在溫度為430°C至490°C 的范圍內(nèi)實施均化。例如在兩步驟的方法中，根據(jù)具體的合金組成，第一步溫度在445°C至 455°C之間，第二步溫度在460°C至485°C之間，以優(yōu)化各個相的溶解過程。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，在均化溫度下的熱處理時間取決于合金，并且通常 為約1-50小時。使用的加熱速率可以是本領(lǐng)域常規(guī)的加熱速率。根據(jù)合金產(chǎn)品中存在的Ge和Si的含量，尤其對于約0. 1 %或更高的水平，所述均化工序包括另一個溫度稍高的步驟可能更為有利，例如使溫度高于500°C但低于該合金的 固相線溫度，以使所有存在的Ge相和Si相盡可能溶解。對于本發(fā)明的合金產(chǎn)品，優(yōu)選溫度 為> 500°C至550°C，優(yōu)選為5051至M0°C，更優(yōu)選為510°C至535°C。對于本發(fā)明的合金 體系，在稍高溫度的保溫時間為約1小時至最長約50小時。更實際的保溫時間為不大于約 30小時。保溫時間太長可能導(dǎo)致分散膠體產(chǎn)生不期望的粗化，從而對最終合金產(chǎn)品的機(jī)械 性能產(chǎn)生不利影響。在預(yù)熱和/或均化工序后，可以通過一種或多種選自軋制、擠壓和鍛造的方法對 該坯料進(jìn)行熱加工，優(yōu)選使用常規(guī)的工業(yè)工序。本發(fā)明優(yōu)選使用熱軋的方法。所述熱加工，特別是熱軋，可以達(dá)到最終規(guī)格，例如0. 125英寸(3毫米)或更低或 者厚度較厚的產(chǎn)品，例如2英寸(50毫米)或更高，例如最高達(dá)12英寸(305毫米)或更 高，例如3英寸(76毫米)至9英寸023毫米)?？晒┻x擇地，所述熱加工步驟可以提供中 間厚度的坯料，通常為板材或薄板。此后，可以對中間厚度的坯料進(jìn)行冷加工，例如通過軋 制的方法，以達(dá)到最終的厚度。根據(jù)合金的組成以及冷加工的量，在冷加工操作之前或過程 中，可以對其進(jìn)行中間的退火。對經(jīng)過冷加工和任選的冷加工處理的合金產(chǎn)品在溫度和時間足以使基本上所有 可溶性成分(包括任何可能的Mg2Si相和含Ge相)盡可能多地進(jìn)入固溶體中的條件下進(jìn) 行固溶熱處理(SHT)，所述可溶性成分可能是在從均化處理冷卻的過程中沉淀出來的或者 在先對合金進(jìn)行熱加工操作或任何其它中間熱處理，之后再對該鋁合金產(chǎn)品快速冷卻的過 程中沉淀出來的。固溶熱處理優(yōu)選在與本說明書所描述的均化處理相同的溫度范圍和時間 范圍(連同優(yōu)選的較窄范圍)下實施。但是，相信較短的保溫時間仍然會很有用，例如約2 至180分鐘。固溶熱處理通常在間歇式加熱爐中實施，但也可以以連續(xù)的方式實施。固溶熱處理之后，重要的是將所述鋁合金冷卻到約150°C或更低的溫度，優(yōu)選到環(huán) 境溫度，以防止或盡量減少第二相(例如Al2CuMg和/或Mg2Zn)的不可控析出。另一方面， 冷卻速率優(yōu)選不應(yīng)太高，以在產(chǎn)品中獲得足夠的平整度以及低水平的殘余應(yīng)力。合適的冷 卻速率可以通過使用水來獲得，例如水浸或水噴射。本發(fā)明的合金產(chǎn)品的降低的或較低的 淬火敏感性極其重要。對于厚度較厚的產(chǎn)品，淬火敏感性越低，合金產(chǎn)品將合金元素保留在 固溶體中的能力就越好(從而避免從固溶熱處理溫度緩慢冷卻時形成不良沉淀、粗晶粒和 其它物質(zhì))，這尤其表現(xiàn)在比較緩慢地冷卻這些厚合金產(chǎn)品的中平面和四分之一平面區(qū)域 時。還可以進(jìn)一步對所述原料進(jìn)行冷加工，例如，通過以原始長度的約0. 5%至8%的 幅度進(jìn)行拉伸以釋放殘余應(yīng)力并改進(jìn)產(chǎn)品的平整性。優(yōu)選拉伸幅度為約0. 5%至6%，更優(yōu) 選為約0.5%至5%。冷卻之后，通常在環(huán)境溫度下對所述坯料進(jìn)行老化，和/或可選地對所述坯料進(jìn) 行人工老化。本領(lǐng)域公知的及隨后開發(fā)出的所有老化工序都可應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的方法獲 得的AA7000系列合金產(chǎn)品中，以得到所需的強(qiáng)度和其它工程性能。例如，通過一個階段、兩 個階段或三個階段的人工老化工序或可選地如國際專利申請W0-2007/106772-A2中公開 的通過非等溫老化工序獲得的T6和T7x狀態(tài)。然后可以從熱處理后的板截面加工理想的結(jié)構(gòu)形狀，一般更經(jīng)常在人工老化后進(jìn) 行加工，例如，整個翼梁。在通過擠壓和/或鍛造方法步驟對厚截面進(jìn)行加工之后，也進(jìn)行類似的固溶熱處理、淬火、經(jīng)常的應(yīng)力釋放操作和人工老化。本發(fā)明合金產(chǎn)品的較低淬火敏感性可以提供制造鍛造鋁合金產(chǎn)品的另一實施方 案，其中通過擠壓和壓力淬火對所述合金產(chǎn)品進(jìn)行熱成形?！皦毫Υ慊稹睘楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員 公知，是一種包括控制擠壓溫度和其它擠壓條件，使得脫離擠壓模具時，此零件處于或接近 理想的固溶熱處理溫度并將可溶性成分有效地帶到固溶體中的方法。然后在零件離開擠壓 機(jī)時通過水、加壓空氣或其它介質(zhì)對其立即進(jìn)行直接連續(xù)的淬火。然后再對壓力淬火的零 件部進(jìn)行常規(guī)的拉伸，隨后進(jìn)行自然或人工老化。因此，通過這一有利的壓力淬火變式取消 了昂貴的單獨的固溶熱處理過程，從而顯著降低了總體制造成本以及能量消耗。由于所述 合金產(chǎn)品具有很低的淬火敏感性，可以預(yù)計在壓力淬火過程中其性能的退化被消除或顯著 降低到對于許多應(yīng)用來說可接受的水平。本發(fā)明合金產(chǎn)品的另一實施方案提供了一種通常通過砂型鑄造、永久型鑄造或壓 鑄生產(chǎn)的鑄鋁或鋁鑄造合金產(chǎn)品。在這個實施方案中，所述鑄鋁優(yōu)選以T5、T6或T7狀態(tài) 提供。T5狀態(tài)涉及從模具中提取后再將產(chǎn)品立即淬火(例如在水中)，然后人工老化的狀 態(tài)。T6狀態(tài)涉及對產(chǎn)品進(jìn)行固溶熱處理、淬火以及人工老化至最大強(qiáng)度或接近最大強(qiáng)度的 狀態(tài)。T7狀態(tài)涉及對產(chǎn)品進(jìn)行固溶熱處理、淬火以及穩(wěn)定或老化至超過最大強(qiáng)度點的狀態(tài)。本發(fā)明的鋁鑄造產(chǎn)品可用于汽車和航空航天應(yīng)用，特別是需要相當(dāng)大的承重能力 的應(yīng)用。另一方面，本發(fā)明提供了一種制造本發(fā)明鑄造產(chǎn)品的方法，該方法包括如下步 驟a.制備本發(fā)明的AlZnMg (Cu) Ge-合金組合物的鋁合金熔融物，b.在用于形成鑄件的模具中對熔融物的至少一部分進(jìn)行鑄造，優(yōu)選通過砂鑄、永 久型鑄造或壓鑄的方法，以及c.從模具中將鑄件取出。在鑄造方法的一個實施方案中還包括對鑄件進(jìn)行老化處理，優(yōu)選人工老化處理， 并優(yōu)選在老化處理之前進(jìn)行固溶熱處理和冷卻。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，受益于降低的淬火敏感性，機(jī) 械變形不是必需的。更重要的是，在鑄造操作或者與隨后的固溶熱處理組合操作的過程中 可以將Ge帶入溶液中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)用作鑄造產(chǎn)品時，正如在商業(yè)基礎(chǔ)上使用的7xx系列鑄造合金產(chǎn)品上 實施的，所述合金產(chǎn)品中的狗含量可以容忍甚至高達(dá)約0. 6%的更高水平，這仍然是受益 于本發(fā)明產(chǎn)品的降低的淬火敏感性。下面，將通過如下的非限定性實施例對本發(fā)明進(jìn)行說明。
具體實施例方式實施例1鑄造具有表1所列組成的三種鋁合金，其中合金1為現(xiàn)有技術(shù)的合金，合金2和3 為本發(fā)明的合金。使用常規(guī)的Ti-C晶粒細(xì)化劑。將坯料加工成300mmX80mm的尺寸。對 每塊坯料進(jìn)行均化，先在455°C下保溫12小時，然后在460°C下保溫M小時，隨后在530°C 下保溫M小時，并冷卻到室溫。在對坯料進(jìn)行熱軋之前先將其預(yù)熱到450°C，隨后從厚度為 80毫米熱軋至40毫米。對熱軋后的樣品條在470°C下進(jìn)行固溶熱處理1小時，然后再以不
11同的冷卻速率進(jìn)行淬火，即通過水淬(“WQ”)以及通過在冷卻爐中以約1_3°C /min的冷卻 速率冷卻(“FC”)。將樣品條冷卻到環(huán)境溫度并表現(xiàn)出T4型狀態(tài)后M小時時，測量所有 樣品條的硬度(HB 62. 5/2. 5)和電導(dǎo)率(IACS)。硬度和電導(dǎo)率測量的結(jié)果列于表2中。之 后通過將樣品條在135°C下保持12小時，隨后在水中淬火使試樣進(jìn)入T6狀態(tài)。再次測量所 有樣品條的硬度并將結(jié)果也列于表2中。表1被試合金的化學(xué)組成(以wt. %計)，余量為鋁以及不可避免的和常規(guī)的雜質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種以軋制、擠壓或鍛造產(chǎn)品的形式用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可時效硬化的鋁合金產(chǎn)品，該 產(chǎn)品的化學(xué)組成為以wt. %計包含Zn 3% 至 11% Mg 至 3% Cu 0.9%至 3% Ge 0.03%至 0.4% Si 最多0.5% Fe 最多0.5% Ti 最多 0.3%，余量為鋁以及正常的和/或不可避免的元素和雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金產(chǎn)品，還包含選自如下元素的一種或多種元素 Mn 最多 0. 4%，優(yōu)選< 0. 3%，Ti 最多0. 3%，優(yōu)選最多0. Cr 最多0.4%Zr 最多 0. 5%，優(yōu)選 0. 03%至 0. 25%， Sc 最多0.5% Hf 最多0.3% V 最多0.4% Ag 最多0.5% Li 最多 2.5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金產(chǎn)品，還包含選自如下元素的一種或多種元素 Mn 最多 0. 4%，優(yōu)選< 0. 3%，Cr 最多 0. 4%，優(yōu)選 0. 04%至 0. 2%， Zr 最多 0. 5%，優(yōu)選 0. 03%至 0. 25%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金含有0.03%至0.5%的^ ，優(yōu)選 為 0. 03%至 0. 25%的 Zr。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金含有0.04%至0. 3 %的Cr，優(yōu)選 為 0. 04%至 0. 2%的 Cr。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品含有至少 0. 05%的Ge，優(yōu)選為至少0. 08%的Ge。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品含有最多0. 35%的 Ge。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品含有至少1. 的 Cu。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品含有最多2.6%的Cu，優(yōu)選為最多2. 2%的Cu。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品含有最多 2. 5%的 Mg。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品含有最多. 8. 5%的Zn，優(yōu)選為最多8. 的Si。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品含有至少 6. 的Zn，優(yōu)選為至少6. 4%的Si。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品含有最多 0. 35%的Si，優(yōu)選為最多0. 的Si。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品具有至少 2英寸(50毫米)的厚度，優(yōu)選在其最厚的橫截面點具有2英寸(50毫米)至12英寸(305 毫米)的厚度，并且優(yōu)選至少3英寸(76毫米)的厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品經(jīng)過熱變形 操作、固溶熱處理、淬火和老化處理。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品是飛行器的 結(jié)構(gòu)件。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的鋁合金產(chǎn)品，其中，所述合金產(chǎn)品是用于制造 成形的塑料制品的模具。
18.一種制造AA7000系列合金中的一種鍛造鋁合金產(chǎn)品的方法，該方法包括如下步驟a.對包含權(quán)利1至13中任一項所述的鋁合金的AA7000系列鋁合金的鑄塊原料進(jìn)行鑄造；b.預(yù)熱和/或均化該鑄造原料；c.通過選自軋制、擠壓和鍛造中的一種或多種方法對該原料進(jìn)行熱加工；d.任選地對熱加工后的原料進(jìn)行冷加工；e.對熱加工后且任選地冷加工后的原料進(jìn)行固溶熱處理(SHT)；f.冷卻固溶熱處理后的原料；g.任選地拉伸或者壓縮冷卻后的經(jīng)固溶熱處理的原料，或者對冷卻后的經(jīng)固溶熱處理 的原料進(jìn)行冷加工以釋放應(yīng)力，例如對冷卻后的經(jīng)固溶熱處理的原料進(jìn)行整平、回火或冷 軋。h.使冷卻后并任選地拉伸或壓縮或者經(jīng)其它冷處理后的固溶熱處理原料老化以獲得 理想的狀態(tài)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的制造AA7000系列合金中的一種鍛造合金產(chǎn)品的方法，其 中，所述產(chǎn)品具有至少2英寸(50毫米)的最終厚度。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的制造AA7000系列合金中的一種鍛造合金產(chǎn)品的方 法，其中，通過將原料加熱到430至490°C的溫度，然后再加熱到> 500至550°C的溫度，對 鑄造原料進(jìn)行均化。
21.根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項所述的制造AA7000系列合金中的一種鍛造合金產(chǎn) 品的方法，其中，所述合金產(chǎn)品經(jīng)過了軋制。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項所述的制造AA7000系列合金中的一種鍛造合金產(chǎn) 品的方法，其中，所述合金產(chǎn)品在擠壓操作中經(jīng)擠壓成形并經(jīng)壓力淬火。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁合金產(chǎn)品，特別是用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可時效硬化的A1-Zn-Mg型合金產(chǎn)品，該合金產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、高韌性以及降低的淬火敏感性，并且其化學(xué)組成為以wt.％計包含Zn約3％至11％、Mg約1％至3％、Cu約0.9％至3％、Ge約0.03％至0.4％、Si最高0.5％、Fe最高0.5％，余量為鋁以及正常的和/或不可避免的元素和雜質(zhì)。此外，本發(fā)明還涉及生產(chǎn)這種鋁合金產(chǎn)品的方法。
文檔編號C22F1/053GK102066596SQ200980122719
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者A·博格, A·諾曼, H·范斯庫內(nèi)維爾特, S·霍斯拉, 莊林忠, 陳尚平 申請人:阿勒里斯鋁業(yè)科布倫茨有限公司