高强度铝合金
阅读：610发布：2022-08-13
专利汇可以提供高强度铝合金专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 是一类具有细晶粒组织的新的6XXX系列的高强度 铝 合金 ，以及制备和挤出的方法。本发明的 铝合金 包含约0.90重量％至约1.2重量％的 硅 、至多约0.5重量％的 铁 、约0.05重量％至约0.3重量％的 铜 、至多约0.75重量％的锰、约0.70重量％至约1.0重量％的镁、至多约0.25重量％的铬、至多约0.05重量％的锌、至多约0.1重量％的 钛 ，余量基本上由铝组成。 铸造 并均质化所述合金，然后挤出、淬火和人工时效，以在最终铝产品内产生细晶粒结晶，其表现出优异的 抗拉强度 和伸长率特性。，下面是高强度铝合金专利的具体信息内容。
1.铝合金，其包含：
约0.90至约1.2重量％的硅，
至多约0.5重量％的铁，
约0.05至约0.30重量％的铜，
至多约0.75重量％的锰，
约0.70至约1.00％重量的镁，
至多约0.25重量％的铬，
至多约0.05重量％的锌，
至多约0.10重量％的钛，并且
余量基本上由铝组成。
2.根据权利要求1所述的合金，其中每种元素能够变化约10％。
3.根据权利要求1所述的合金，其具有细晶粒组织。
4.根据权利要求1所述的合金，其包含至多约0.03重量％的铬。
5.根据权利要求1所述的合金，其包含至多约0.20重量％的锰。
6.根据权利要求1所述的合金，其包含至多约0.15重量％的杂质。
7.根据权利要求1所述的合金，其包含：
约1.13重量％的硅，
约0.17重量％的铁，
约0.16重量％的铜，
约0.21重量％的锰，
约0.80％重量的镁，
约0.004重量％的铬，
约0.006重量％的锌，
约0.014重量％的钛，并且
余量基本上由铝组成。
8.根据权利要求7所述的合金，其具有细晶粒组织。
9.根据权利要求7所述的合金，其包含至多约0.15重量％的杂质。
10.具有细晶粒组织的挤出物，所述挤出物包含：
约0.90至约1.2重量％的硅，
至多约0.5重量％的铁，
约0.05至约0.3重量％的铜，
至多约0.75重量％的锰，
约0.70至约1.0重量％的镁，
至多约0.25重量％的铬，
至多约0.05重量％的锌，
至多约0.1重量％的钛，并且
余量基本上由铝组成。
11.根据权利要求10所述的挤出物，其中所述挤出物具有至少约290MPa的抗拉屈服强度和至少约310MPa的极限抗拉强度。
12.根据权利要求10所述的挤出物，其中所述挤出物的厚度是约0.050英寸至约0.500英寸。
13.根据权利要求10所述的挤出物，其中所述挤出物是6XXX铝合金。
14.根据权利要求10所述的挤出物，其中每种元素能够变化约10％。
15.根据权利要求10所述的挤出物，其包含至多约0.03重量％的铬。
16.根据权利要求10所述的挤出物，其包含至多约0.20重量％的锰。
17.根据权利要求10所述的挤出物，其包含至多约0.15重量％的杂质。
18.成型铝的方法，其包括：
在至少约800°F的初始棒坯温度下，以每分钟至少约40英尺的挤出速度通过压机，挤出初始铝棒坯；并且
在比初始棒坯温度高的出口温度下获得挤出的铝材。
19.根据权利要求18所述的方法，其还包括水淬火挤出的铝材。
20.根据权利要求18所述的方法，其还包括将挤出的铝材加热至约340°F约六小时。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述挤出的铝材具有至少约320MPa的抗拉屈服强度。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述挤出的铝材具有细晶粒组织。
23.根据权利要求18所述的方法，其中所述初始铝棒坯是合金，其包含：
约0.90至约1.2重量％的硅，
至多约0.5重量％的铁，
约0.05至约0.3重量％的铜，
至多约0.75重量％的锰，
约0.70至约1.0重量％的镁，
至多约0.25重量％的铬，
至多约0.05重量％的锌，
至多约0.1重量％的钛，并且
余量基本上由铝组成。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述合金包含至多约0.03重量％的铬。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述合金包含至多约0.20重量％的锰。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述合金包含至多约0.15重量％的杂质。
高强度铝合金
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本PCT国际申请要求于2014年3月11日提交的名称为“HIGH STRENGTH 6XXX ALLOY(HS6X))”的美国临时专利申请No.61/951,309的优先权，并且要求于2014年3月17日提交的题为“HIGH STRENGTH 6XXX ALLOY(HS6X))”的美国临时专利申请No.61/954,358的优先权，其各自通过引用以其整体并入本文。
技术领域
背景技术
[0004] 由于铝的重量较低，汽车产业朝着具有铝挤出部件而不是钢部件的车辆的方向发展。较低的重量使得燃油经济性更好，这是CAFE(企业平均燃油经济性)的规定所要求的。从钢向铝的发展已经导致对高强度合金的需求显著增加。通常，由于强度增加，将使用7XXX铝合金。然而，7XXX合金的铸造昂贵，挤出费时且需要更多的时间用于时效来达到最大强度，这些因素给客户增加了成本。
[0005] 高强度合金增大较薄挤出物的可能性，并且增大降低重量的可能性。但是，具有期望的抗拉屈服强度结果的合金可能表现出低于期望的伸长率。通过避免未重结晶的与粗的重结晶的晶粒的混合晶粒组织，转而形成完全重结晶的细晶粒组织，可以提高伸长率。
[0006] 因此，需要新的高强度铝合金，其减少与7XXX合金制备相关的成本和工作。需要新的6XXX系列铝合金，以减少与制备7XXX合金相关的成本和工作。需要新的6XXX系列铝合金，其具有重结晶的细晶粒组织且表现出高强度。
发明内容
[0007] 本发明涉及一类具有细晶粒组织的新的6XXX系列的高强度铝合金，以及制备和挤出的方法。本发明所发明的铝合金包含约0.90重量％至约1.2重量％的硅、至多约0.5重量％的铁、约0.05重量％至约0.3重量％的铜、至多约0.75重量％的锰、约0.70重量％至约1.0重量％的镁、至多约0.25重量％的铬、至多约0.05重量％的锌、至多约0.1重量％的钛，余量基本上由铝组成。
[0008] 本发明的一个目标是提供铝合金，其作为锭铸造，并且均质化以均匀地分散多种元素。本发明的另一目标是在初始棒坯温度(initial billet temperature)下并且以特定的挤出速度通过压机挤出铸铝。本发明的另一目标是通过压机挤出铝材后，淬火铝材。在另一个方面，公开了形成具有重结晶晶粒组织的挤出物的方法，所述挤出物的厚度范围为约0.050英寸到约0.500英寸。
[0009] 本发明的一个目标是人工时效挤出的铝材，并且在最终的铝产品中产生细晶粒组织，所述铝产品表现出优异的屈服强度和伸长率性能。本发明的一个目标是提供铝合金，其具有约320MPa的最小抗拉屈服强度。
[0011] 附图的图1是铝挤出物的示意性截面图(型材(section)569310)。
[0012] 附图的图2是铝挤出物的示意性截面图(型材569510)
[0013] 附图的图3是铝挤出型材(aluminum extrusion section)569310的多次装料的水淬火速率的图形表示。
[0014] 附图的图4是铝挤出型材569510的多次装料的水淬火速率的图形表示。
[0015] 附图的图5描述铝挤出型材569310的拉伸测试的位置。
[0016] 附图的图6描述铝挤出型材569510的拉伸测试的位置。
[0017] 附图的图7是铝挤出型材569310的自然时效极限抗拉强度随时效时间变化的图形表示。
[0018] 附图的图8是铝挤出型材569310的自然时效屈服强度随时效时间变化的图形表示。
[0019] 附图的图9是铝挤出型材569310的自然时效伸长率随时效时间变化的图形表示。
[0020] 附图的图10是铝挤出型材569310的人工时效极限抗拉强度随时效时间变化的图形表示。
[0021] 附图的图11是铝挤出型材569310的人工时效屈服强度随时效时间变化的图形表示。
[0022] 附图的图12是铝挤出型材569310的人工时效伸长率随时效时间变化的图形表示。
[0023] 附图的图13是铝挤出型材569510的人工时效极限抗拉强度随时效时间变化的图形表示。
[0024] 附图的图14是铝挤出型材569510的人工时效屈服强度随时效时间变化的图形表示。
[0025] 附图的图15是铝挤出型材569510的人工时效伸长率随时效时间变化的图形表示。
[0026] 附图的图16A是本发明的铝合金圆锭(alloy log)的抛光截面的显微照片(200倍的放大倍率的头部的中心)。
[0027] 附图的图16B是本发明的铝合金圆锭的抛光截面的显微照片(500倍的放大倍率的头部的中心)。
[0028] 附图的图17是本发明的铝合金圆锭的抛光截面的显微照片(100倍的放大倍率的头部的边缘)。
[0029] 附图的图18A是本发明的铝合金圆锭的抛光截面的显微照片(200倍的放大倍率的粗大端(butt)的中心)。
[0030] 附图的图18B是本发明的铝合金圆锭的抛光截面的显微照片(500倍的放大倍率的粗大端的中心)。
[0031] 附图的图19是本发明的铝合金圆锭的抛光截面的显微照片(50倍的放大倍率的粗大端的边缘)。
[0032] 附图的图20是本发明的铝合金圆锭的抛光和电解蚀刻截面的显微照片(50倍的放大倍率的头部的中心)。
[0033] 附图的图21是本发明的铝合金圆锭的抛光和电解蚀刻截面的显微照片(头部边缘)。
[0034] 附图的图22是本发明的铝合金圆锭的抛光和电解蚀刻截面的显微照片(50倍的放大倍率的粗大端的中心)
[0035] 附图的图23是本发明的铝合金圆锭的抛光和电解蚀刻截面的显微照片(粗大端的边缘)
[0036] 附图的图24是铝挤出型材569310的横截面的照片，显示未重结晶的区域。
[0037] 附图的图25是铝挤出型材569310的横截面的照片，显示未重结晶的区域。
[0038] 附图的图26是铝挤出型材569510的横截面的照片，显示细晶粒重结晶。
[0039] 附图的图27是铝挤出型材569510的横截面的照片，显示细晶粒重结晶。
[0040] 附图的图28是铝挤出型材569310的电解蚀刻截面的照片，显示具有粗晶粒重结晶的未重结晶的区域。
[0041] 附图的图29是铝挤出型材569510的电解蚀刻截面的照片，显示充分重结晶的晶粒组织。
[0042] 附图的图30是铝挤出型材569510的横向焊缝的照片。
[0043] 附图的图31是铝挤出型材569310的焊缝的照片。
[0044] 附图的图32是型材569310的模具设计的示意图。
[0045] 附图的图33是型材569510的模具设计的示意图。
[0046] 附图的图34是对于铝挤出型材569310的不同装料的屈服强度与挤出出口温度的图形表示，所述铝挤出型材569310在338/347°F下人工时效六小时。
[0047] 发明详述
[0048] 本发明的实施方案涉及包含铝和其他元素的高强度6XXX系列合金。所述合金铸造成锭，然后在特定的温度范围内加热或均质化，以便在整个铝基体中均匀地分散合金添加剂。然后，在初始棒坯温度和特定的挤出速度下，通过压机挤出本发明的铝合金的棒坯，在此之后，将所得挤出铝产品淬火。挤出过程是这样的，其为细晶粒重结晶组织提供合适的条件。细晶粒重结晶是本文所述的本发明的合金的主要目标。细晶粒结晶得到具有优异的屈服强度和伸长率性能的最终铝产品。
[0049] 特定温度下对挤出的铝材特定时间段的人工时效提供了最大化强度和伸长率的合适条件。
[0050] 化学组成和铸造
[0051] 本发明的铝合金是高强度6XXX合金。在一个实施方案中，本发明的铝合金主要包含铝，以及至少约1.05重量％的硅、至少约0.12重量％的铜、约0.20重量％的锰和至少0.76重量％的镁。除非另有说明，合金组分的量以合金的重量百分数说明。
[0052] 在一个实施方案中，本发明的铝合金包含约0.90重量％至约1.2重量％的硅、至多约0.5重量％的铁、约0.05重量％至约0.3重量％的铜、至多约0.75重量％的锰、约0.70重量％至约1.0重量％的镁、至多约0.25重量％的铬、至多约0.05重量％的锌、至多约0.1重量％的钛，余量基本上由铝组成。
[0053] 在一个实施方案中，本发明的铝合金包含：约1.13重量％的硅、约0.17重量％的铁、约0.16重量％的铜、约0.21重量％的锰、约0.80重量％的镁、约0.004重量％的铬、约0.006重量％的锌、约0.014重量％的钛，余量基本上由铝组成。
[0054] 在一个实施方案中，铝合金内杂质的总量约是零。在一个实施方案中，铝合金内杂质的总量包含约0.15重量％。在一个实施方案中，任何单种杂质的量不超过约0.05重量％。
[0055] 在合金内，硅可以以约0.90重量％至约1.20重量％之间的量存在。在一个实施方案中，硅以约1.05重量％至约1.12重量％之间的量存在；在一个实施方案中，硅以约1.05重量％至约1.10重量％之间的量存在。在合金内，硅可以以约0.90、0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99、1.00、1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06、1.07、1.08、1.09、
1.10、1.11、1.12、1.13、1.14、1.15、1.16、1.17、1.18、1.19或1.20重量％的量存在。
1.10、1.11、1.12、1.13、1.14、1.15、1.16、1.17、1.18、1.19或1.20重量％的量存在。
[0056] 在合金内，铁可以以至多约0.50重量％的量存在。在一个实施方案中，铁以至多约0.25重量％的量存在。在合金内，铁可以以约零、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、
0.08、0.09、0.10、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20、0.21、0.22、
0.23、0.24、0.25、0.26、0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、
0.38、0.39、0.40、0.41、0.42、0.43、0.44、0.45、0.46、0.47、0.48、0.49或0.50重量％的量存在。
0.08、0.09、0.10、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20、0.21、0.22、
0.23、0.24、0.25、0.26、0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、
0.38、0.39、0.40、0.41、0.42、0.43、0.44、0.45、0.46、0.47、0.48、0.49或0.50重量％的量存在。
[0057] 在合金内，铜可以以约0.05重量％至约0.3重量％之间的量存在。在一个实施方案中，铜以约0.05重量％至约0.30重量％之间的量存在；在一个实施方案中，铜以约0.12重量％至约0.18重量％之间的量存在；在一个实施方案中，铜以约0.09重量％至约0.15重量％之间的量存在。在合金内，铜可以以约0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20、0.21、0.22、0.23、0.24、0.25、0.26、0.27、
0.28、0.29或0.30重量％的含量存在。
0.28、0.29或0.30重量％的含量存在。
[0058] 在合金内，锰可以至多以约0.75重量％的量存在。在一个实施方案中，锰以约0.15重量％至约0.75重量％之间的量存在；在一个实施方案中，锰以约0.15重量％至约0.20重量％之间的量存在；在一个实施方案中，锰以约0.51重量％至约0.56重量％之间的量存在。
[0059] 在合金内，锰可以以约0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20、0.21、0.22、0.23、0.24、0.25、
0.26、0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39、0.40、
0.41、0.42、0.43、0.44、0.45、0.46、0.47、0.48、0.49、0.50、0.51、0.52、0.53、0.54、0.55、
0.56、0.57、0.58、0.59、0.60、0.61、0.62、0.63、0.64、0.65、0.66、0.67、0.68、0.69、0.70、
0.71、0.72、0.73、0.74或0.75重量％的量存在。虽然存在于合金内的锰含量可以低于
0.10％或者是零，但因为降低断裂韧性，这不是优选的。锰增加重结晶过程的阻力，并且，为了形成完全重结晶的晶粒组织，优选锰应该尽可能地接近于零。然而，加入锰对于材料的断裂韧性具有积极的影响。加入锰以获得细晶粒重结晶，而不会对合金的断裂韧性产生负面影响。
0.26、0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39、0.40、
0.41、0.42、0.43、0.44、0.45、0.46、0.47、0.48、0.49、0.50、0.51、0.52、0.53、0.54、0.55、
0.56、0.57、0.58、0.59、0.60、0.61、0.62、0.63、0.64、0.65、0.66、0.67、0.68、0.69、0.70、
0.71、0.72、0.73、0.74或0.75重量％的量存在。虽然存在于合金内的锰含量可以低于
0.10％或者是零，但因为降低断裂韧性，这不是优选的。锰增加重结晶过程的阻力，并且，为了形成完全重结晶的晶粒组织，优选锰应该尽可能地接近于零。然而，加入锰对于材料的断裂韧性具有积极的影响。加入锰以获得细晶粒重结晶，而不会对合金的断裂韧性产生负面影响。
[0060] 在合金内，镁可以以约0.70重量％至约1.0重量％之间的量存在。在一个实施方案中，镁以约0.74重量％至约0.80重量％之间的量存在；在一个实施方案中，镁以约0.76重量％至约0.82重量％之间的量存在。在合金内，镁可以以约0.70、0.71、0.72、0.73、0.74、0.75、0.76、0.77、0.78、0.79、0.80、0.81、0.82、0.83、0.84、0.85、0.86、0.87、0.88、0.89、
0.90、0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99或1.0重量％的量存在。
0.90、0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99或1.0重量％的量存在。
[0061] 铬增加重结晶过程的阻力，并且，为了形成完全重结晶的晶粒组织，优选铬应该尽可能地接近于零。合金中可以不存在铬(即，重量百分数是零)。在合金内，铬可以至多以约0.250％的量存在。在一个实施方案中，铬至多以约0.030重量％的量存在；在一个实施方案中，铬至多以约0.010重量％的量存在；在一个实施方案中，铬至多以约0.005重量％的量存在。在合金内，铬可以以约0.005、0.010、0.015、0.020、0.025、0.030、0.035、0.040、0.045、
0.050、0.055、0.060、0.065、0.070、0.075、0.080、0.085、0.090、0.095、0.100、0.105、
0.110、0.115、0.120、0.125、0.130、0.135、0.140、0.145、0.150、0.155、0.160、0.165、
0.170、0.175、0.180、0.185、0.190、0.195、0.200、0.205、0.210、0.215、0.220、0.225、
0.230、0.235、0.240、0.245或0.250重量％的量存在。由于分散体形成的不同位置，铬比锰更能阻碍重结晶。
0.050、0.055、0.060、0.065、0.070、0.075、0.080、0.085、0.090、0.095、0.100、0.105、
0.110、0.115、0.120、0.125、0.130、0.135、0.140、0.145、0.150、0.155、0.160、0.165、
0.170、0.175、0.180、0.185、0.190、0.195、0.200、0.205、0.210、0.215、0.220、0.225、
0.230、0.235、0.240、0.245或0.250重量％的量存在。由于分散体形成的不同位置，铬比锰更能阻碍重结晶。
[0062] 在合金内，锌可以至多以约0.050重量％的量存在。在一个实施方案中，锌至多以约0.020重量％的量存在；在一个实施方案中，锌至多以约0.005重量％的量存在。在合金内，锌可以以约零、0.005、0.010、0.015、0.020、0.025、0.030、0.035、0.040或0.045重量％的量存在。
[0063] 在合金内，钛可以至多以约0.100重量％的量存在。在一个实施方案中，钛至多以约0.040重量％的量存在；在一个实施方案中，钛至多以约0.015重量％的量存在。在合金内，钛可以以约零，0.005、0.010、0.015、0.020、0.025、0.030、0.035、0.040、0.045、0.050、0.055、0.060、0.065、0.070、0.075、0.080、0.085、0.090、0.095或0.100重量％的量存在。
[0064] 在合金内，杂质可以至多以约0.150重量％的总量存在。在合金内，杂质可以以约零、0.005、0.010、0.015、0.020、0.025、0.030、0.035、0.040、0.045、0.050、0.055、0.060、0.065、0.070、0.075、0.080、0.085、0.090、0.095、0.100、0.105、0.110、0.115、0.120、
0.125、0.130、0.135、0.140、0.145或0.150重量％的总量存在。
0.125、0.130、0.135、0.140、0.145或0.150重量％的总量存在。
[0065] 本发明的铝合金内包括的各元素(即：硅、铁、铜、锰、镁、铬、锌、钛和杂质)的量可以在期望值的约1％和约25％之间变化。每种元素的量可以与期望值有约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、
20％、21％、22％、23％、24％或25％的偏差。作为非限制性的实施例，在设计包含约1.0重量％的硅的本发明的合金内，其中硅的量可以有10％的偏差，最终的合金可以包含约0.9重量％至约1.1重量％的硅。在另一个非限制性的实施例中，在设计包含约0.15重量％的铜的本发明的合金内，其中铜的量可以有20％的偏差，最终的合金可以包含约0.12重量％至约
0.18重量％的铜。
20％、21％、22％、23％、24％或25％的偏差。作为非限制性的实施例，在设计包含约1.0重量％的硅的本发明的合金内，其中硅的量可以有10％的偏差，最终的合金可以包含约0.9重量％至约1.1重量％的硅。在另一个非限制性的实施例中，在设计包含约0.15重量％的铜的本发明的合金内，其中铜的量可以有20％的偏差，最终的合金可以包含约0.12重量％至约
0.18重量％的铜。
[0066] 合金可以按照常规方法铸造成圆锭(logs)或棒坯(billets)。特别地，合金可以在高于约1,300°F，更特别地在约1,310°F与约1,330°F之间的温度下铸造。根据需要，圆锭可以被铸造成任何适当的尺寸或形状。
[0067] 刚刚铸造完之后，由于凝固过程，圆锭或棒坯的微观组织可能是不均匀的。由于相图的性质，凝固始于α-铝。相对于热传递的方向，铝形成单晶树枝状晶体，而树枝状晶体周围的区域是富于需要被溶解的Mg2Si的溶质。为了在整个α-铝基体内均匀地分散合金添加剂，均质化铸铝。
[0068] 均质化可以发生在低于铸造温度的温度下，优选在约1,045°F和约1,070°F之间的温度。铸铝应该在升高的温度下均质化足够的时间，以使得合金元素具有扩散到铝树枝状晶体臂内的能量，以形成更均匀的微观组织。在一个实施方案中，在几个小时的跨度内发生均质化，在一个实施方案中，均质化发生约4小时。均质化可以会发生在诸如Canefco炉的炉内。
[0069] 挤出和淬火
[0070] 在将铝合金铸造成圆锭或棒坯后，将铝通过压机挤出以获得所需的形状或形式。棒坯可通过压机在基于挤出物的尺寸和形状的任何适当的温度下挤出。应当选择初始棒坯温度，以确保材料具有容易地挤出的能力。为了生产率并且确保细晶粒的重结晶组织，选择温度。初始棒坯温度可以低于均质化温度。在一个实施方案中，初始棒坯温度高于约800°F；
在一个实施方案中，初始棒坯温度在约840°F和约880°F之间；在一个实施方案中，初始棒坯温度在约850°F和约870°F之间；初始棒坯温度可以是约850°F、约855°F、约860°F、约865°F或约870°F。
在一个实施方案中，初始棒坯温度在约840°F和约880°F之间；在一个实施方案中，初始棒坯温度在约850°F和约870°F之间；初始棒坯温度可以是约850°F、约855°F、约860°F、约865°F或约870°F。
[0071] 基于挤出物的尺寸和形状使用任何适当的速度的压头，可以将棒坯通过压机挤出。在一个实施方案中，压机压头速度在每分钟约9.0和13.0英寸之间；在一个实施方案中，压机压头速度是每分钟约9.0和约10.0英寸之间；在一个实施方案中，压机压头速度是每分钟约12.0和约12.5英寸之间。
[0072] 铝材在比初始棒坯温度高的出口温度下离开挤出机。在一个实施方案中，铝材的出口温度是约1040°F。相比较低的出口温度，优选较高的温度，因为较低的出口温度对金属的强度产生不利的影响。
[0073] 离开挤出机后，铝材用水淬火。在几秒钟的跨度内，温度从约出口温度的温度降低到约环境温度。在一个实施方案中，铝材在约8秒和约16秒之间被淬火；在一个实施方案中，铝材在约10秒和约14秒之间被淬火；铝材可以在约8秒、约9秒、约10秒、约11秒时、约12秒、约13秒、约14秒、约15秒或约16秒内被淬火。
[0074] 铝挤出物的型材可以具有任何合适的厚度，并且挤出型材的优选的厚度范围可以从约0.050英寸至约0.500英寸。在一个实施方案中，铝挤出物的每个壁的厚度在约0.080英寸和约0.200英寸之间；在一个实施方案中，铝挤出物的每个壁的厚度在约0.080英寸和约0.150英寸之间。
[0075] 人工时效
[0076] 淬火后，可以将挤出的铝材料放置在炉内，将其稳定化。稳定化可以在任何合适的炉温下发生任何合适的时间；在一个实施方案中，炉温是约250°F，并且铝在炉内被稳定约两个小时。
[0077] 为了实现充分的强度，铝挤出物必须通过加热铝材到合适的温度并且达到适当的时间而进行人工时效。人工时效的温度范围可以从约300°F至约450°F；在一个实施方案中，温度范围是约320°F至约385°F；在一个实施方案中，温度范围是约320°F至约330°F；在一个实施方案中，温度范围是约335°F至约350°F；在一个实施方案中，温度范围是约355°F至约365°F；在一个实施方案中，温度范围是约370°F至约385°F；温度可以是约300°F、约305°F、约310°F、约315°F、约320°F、约325°F、约330°F、约335°F、约340°F、约345°F、约350°F、约
355°F、约360°F、约365°F、约370°F、375°F、约380°F、约385°F、约390°F、约395°F、约400°F、约405°F、约410°F、约415°F、约420°F、约425°F、约430°F、约435°F、约440°F、约445°F或者约
450°F。在一个优选实施方案中，人工时效温度范围是约335°F至约350°F。
355°F、约360°F、约365°F、约370°F、375°F、约380°F、约385°F、约390°F、约395°F、约400°F、约405°F、约410°F、约415°F、约420°F、约425°F、约430°F、约435°F、约440°F、约445°F或者约
450°F。在一个优选实施方案中，人工时效温度范围是约335°F至约350°F。
[0078] 人工时效条件可以施加约1至约16小时之间；在一个实施方案中，人工时效条件施加约2至约12小时；在一个实施方案中，人工时效条件施加约2至约10小时；在一个实施方案中，人工时效条件施加约4至约16小时；在一个实施方案中，人工时效条件施加约1至约6小时；人工时效条件可以施加约1小时、约2小时、约3小时、约4小时、约5小时、约6小时、约7小时、约8小时、约9小时、约10小时、约11小时、约12小时、约13小时、约14小时、约15小时或约16小时。在一个优选实施方案中，人工时效条件施加约六小时。在一个优选实施方案中，人工时效温度范围是约335°F至约350°F，并且所述条件施加约六小时。
[0079] 材料测试：拉伸性能
[0080] 可以手动或通过自动过程测定抗拉强度。例如，自动化测试可以在Zwick自动拉伸试验机上完成。
[0081] 被挤出并且经过人工时效的铝材的极限抗拉强度可以大于约310MPa；在一个实施方案中，极限抗拉强度范围可以是约310MPa至约370MPa。极限抗拉强度可以是约310MPa、约315MPa、320MPa、约325MPa、330MPa、约335MPa、340MPa、约345MPa、350MPa、355MPa、360MPa、约365MPa或约370MPa。相比较而言，被挤出并且经过自然时效的本发明的铝合金的抗拉强度的范围可以是约260MPa至约295MPa。在一个优选实施方案中，被挤出并且经过人工时效的铝材的极限抗拉强度大于约320MPa；在一个优选实施方案中，被挤出并且经过人工时效的铝材的极限抗拉强度在约340MPa和约360MPa之间；在一个优选实施方案中，被挤出并且经过人工时效的铝材的极限抗拉强度是约350MPa。
[0082] 被挤出并且经过人工时效的铝材的屈服强度可以大于约275MPa；在一个实施方案中，极限抗拉强度范围可以是约285MPa至约350MPa。极限抗拉强度可以是约285MPa、290MPa、295MPa、300MPa、约305MPa、约310MPa、约315MPa、320MPa、约325MPa、330MPa、约
335MPa、约340MPa、约345MPa或约350MPa。相比较而言，被挤出并且经过自然时效的本发明的铝合金的屈服强度范围可以是约140MPa至约180MPa。在一个优选实施方案中，被挤出并且经过人工时效的铝材的屈服强度大于约320MPa；在一个优选实施方案中，被挤出并且经过人工时效的铝材的屈服强度在约325MPa和约335MPa之间。
335MPa、约340MPa、约345MPa或约350MPa。相比较而言，被挤出并且经过自然时效的本发明的铝合金的屈服强度范围可以是约140MPa至约180MPa。在一个优选实施方案中，被挤出并且经过人工时效的铝材的屈服强度大于约320MPa；在一个优选实施方案中，被挤出并且经过人工时效的铝材的屈服强度在约325MPa和约335MPa之间。
[0083] 被挤出并且经过人工时效的铝材的伸长率可以小于约17％；在一个实施方案中，伸长率的范围可以是约17％至约7.0％。伸长率可以是约17.0％、约16.5％、约16.0％、约15.5％、约15.0％、约14.5％、约14.0％、约13.5％、约13.0％、约12.5％、约12.0％、约
11.5％、约11.0％、约10.5％、约10.0％、约9.5％、约9.0％、约8.5％、约8.0％、约7.5％或约
7.0％。相比较而言，被挤出并且经过自然时效的本发明的铝合金的伸长率范围可以是约
24.5％至约21.0％。在一个优选实施方案中，被挤出并且经过人工时效的铝材的伸长率在约11.0％和约14.0％之间。
11.5％、约11.0％、约10.5％、约10.0％、约9.5％、约9.0％、约8.5％、约8.0％、约7.5％或约
7.0％。相比较而言，被挤出并且经过自然时效的本发明的铝合金的伸长率范围可以是约
24.5％至约21.0％。在一个优选实施方案中，被挤出并且经过人工时效的铝材的伸长率在约11.0％和约14.0％之间。
[0084] 材料测试：晶粒组织和模具结构
[0085] 本文所描述的新化学组成的主要目标是实现细晶粒的重结晶。通常，当晶粒组织以细晶粒完全重结晶时，由于在晶粒内的滑移距离，伸长率特性较好。与较大晶粒相比，在较小晶粒内的滑移距离显著降低。由于晶粒在三维空间内随机取向，滑移平面取向也沿着随机的方向。
[0086] 当单晶粒处于拉伸或压缩载荷下，滑移平面开始受到剪应力。这种应力将开始在整个晶粒的滑移系统内增加，并且分离晶体。然而，考虑到随机取向晶粒和滑移平面的整体系统时，问题变得更加复杂。随机取向的滑移平面会在不同方向上被拉动，引起材料伸长，直到滑移平面之一塌下(giveaway)并且部件(piece)断裂。随着晶粒的数量增加以及滑移距离缩短，与具有较大晶粒的材料相比，由于晶界不相容而形成的局部应力较低。
[0087] 为了帮助具有细晶粒的合金重结晶，调整分散体元素的量，即锰和铬。在一个实施方案中，锰的存在范围是约0.15至0.2，并且铬存在的最大量是约0.03。锰和铬均增加重结晶过程的阻力，因此，为了形成完全重结晶的晶粒组织，元素越接近于零越好。然而，加入锰对材料的断裂韧性具有积极影响。加入锰是为了获得细晶粒重结晶，而对断裂韧性不产生不利影响。
[0088] 除了合金组成，挤出过程也影响合金的重结晶性能。挤出机模具的设计可能影响挤出铝材的晶粒组织。以相似的速度和温度通过两种不同模具的两种铝棒坯(aluminum billet)可能根据模具设计产生不同的晶粒组织。具体地，节流内浇口(choke)和铝流过的端口数量可能影响重结晶过程。
[0089] 节流内浇口有助于使铝金属轻松地通过模具，这又将导致更少的应变能的存在。如果没有足够的能量来这样做，晶粒不会从铸态组织重结晶。节流内浇口的存在将减少金属通过模具时的应变能，并且可能导致未重结晶区域。节流内浇口的缺失会增加金属通过模具时的应变能，这可能导致重结晶的区域。
[0090] 端口的数量也可能影响重结晶过程。额外的端口或更大的端口可以使金属更容易地流过。挤出的铝将选择这些较低阻力的路径流动。然后，增加的金属流将增加在金属内的剪应力，并且增加的剪应力给金属更多的能量来重结晶。
[0091] 初始棒坯温度、挤出速度以及出口温度也影响重结晶过程，并且最终影响挤出合金的强度。应该选择初始棒坯温度以确保材料可以容易地挤出，同时实现所希望的强度和晶粒组织。
[0092] 无论自然或人工时效，挤出的铝材料的电导率可以在约40.0和50.0之间。电导率可以是约40.0、约41.0、约42.0、约43.0、约44.0、约45.0、约46.0、约47.0、约48.0、约49.0或约50.0。在一个优选实施方案中，电导率是约46.0至约48.0之间；在一个优选实施方案中，电导率是约46.0。
[0093] 现已全部描述本发明主题的合金以及方法，本领域技术人员将理解，可以在等效的条件范围、配制物和其他参数的范围内来完成所述合金和方法，而不会影响它们的范围或其任何实施方案。所有引用的专利、专利申请和出版物通过引用整体而完全并入。
[0094] 以下参考非限制性实施例，将更好地理解本文描述的组合物和方法。
[0095] 实施例1
[0096] 铸造
[0097] 表1中显示了命名为HS6X的新合金的化学组成限值。
[0098] 表1：HS6X的目标化学组成
[0099]
[0100] 数值以重量百分数显示(余量是铝)。
[0101] HS6X被铸造成36个单独的圆锭，每个圆锭直径是10英寸，长度是140英寸。所使用的铸造操作显示在图1中。
[0102] 图表1：用于HS6X的临时铸造操作
[0103]
[0104] 铸造时，对HS6X的化学组成采得三个样品：A1、B1和C1。样品A1是在铸造开始时采样，样品B1在中间采样，样品C1在结束时采样。在表2中报告数据。
[0105] 表2：HS6X的化学组成。
[0106]
[0107] 数值以重量百分数显示(余量是铝)。
[0108] 刚完成铸造时，由于凝固过程，圆锭的微观组织是不均匀的。为了在整个的α-铝基体中均匀地分散合金添加剂，圆锭被均质化。
[0109] 所有的圆锭在1,045-1,065°F下均质化四个小时。这种升高的温度使合金元素具有扩散到铝树枝状晶体臂内的能量，以形成更均匀的微观组织。
[0110] 实施例2
[0111] 挤出
[0112] 用实施例1的HS6X合金挤出两个汽车保险杠型材。型材示于图1和图2中。尽管型材看上去相似，但还是有一些显著的差异。相比型材569310，型材569510具有更薄的壁。型材569510的中心和底壁也含有区域，其中面积(area)是不一致的，也称为缩小的面积(reduced area)。每个型材进行七次装料，所有装料均在离开压机之后进行水淬火。缩小的面积在图2中用箭头指示。
[0113] 关于棒坯温度、压头速度以及出口温度的信息在挤出过程中在压机收集。所采集的数据显示于表3中。每次装料的数据在装料完成一半的时候在靠近每次装料完成的半途被收集，以保证速度和温度是恒定的，因为中断(breakout)速度和温度是低于合金所能够达到的。确定来自两个型材的装料1和2不能代表整体，因为其进行得慢，并且具有低的出口温度。
[0114] 表3：在挤出过程中，从压机收集的信息
[0115]
[0116]
[0117] 使用附有两个热电偶的淬火速率仪，测得水淬火速率。型材569310的淬火速率图显示在图3中，型材569510的淬火速率图显示在图4中。
[0118] 多次装料的淬火速率数据位于表4中。
[0119] 表4：各次装料的水淬火速率
[0120]
[0121]
[0122] 实施例3
[0123] 自然时效
[0124] 只对实施例2的型材569310进行自然时效测试。此时效过程的时间段分别是0、1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、50和60天。每个时间段结束后，电导率的测量和拉伸测试被用于确定强度变化。型材569310的拉伸测试的位置显示在图5中(由椭圆形表示)。由于型材
569310基本上是对称的，沿虚线切割挤出物，使两侧均可以用于测试。
569310基本上是对称的，沿虚线切割挤出物，使两侧均可以用于测试。
[0125] 型材569310的自然时效电导率和抗拉强度数据报告于表5中。极限抗拉强度、屈服强度和伸长率随自然时效时间的变化分别显示在图7、图8和图9中。
[0126] 表5：型材569310的自然时效的抗拉强度和电导率数据
[0127]
[0128]
[0129]
[0130]
[0131] 实施例4
[0132] 人工时效
[0133] 实施例2的铝，其在实施例3中不用于自然时效测试，在250°F下被放置在炉中两小时以稳定化。将金属稳定化防止人工时效响应的损失(例如强度损失)，当有显著的自然时效时间时，在6XXX合金中发生人工时效响应的损失。然后，稳定化的部件可以被用于人工时效测试，其独立于不同的自然时效时间对于强度的效果。
[0134] 不同于实施例3中的自然时效测试，实施例2的挤出型材569310和569510均进行时效处理和测试。型材569510的拉伸测试位置示于图6中(由椭圆形表示)。由于型材569510具有沿一侧的底部的箭头表示的缩小的面积，两侧不能都用于测试目的。
[0135] 几种人工时效条件被用于确定新合金的时效动力学和特性。表6列出了用于时效过程的条件。金属进行时效处理后，电导率测量和拉伸测试被用于确定材料的强度。
[0136] 表6：用于人工时效测试的时效条件
[0137]
[0138] 型材569310的人工时效电导率和抗拉强度数据报告于表7中。型材569310的极限抗拉强度、屈服强度和伸长率随时效时间和温度的变化显示在图10-12中。
[0139] 表7：型材569310的人工时效抗拉强度和电导率数据
[0140]
[0141]
[0142]
[0143]
[0144]
[0145]
[0146]
[0147] 型材569510的人工时效电导率和抗拉强度数据报告于表8中。型材569510的极限抗拉强度、屈服强度和伸长率随时效时间和温度的变化分别显示在图13、图14以及图15中。
[0148] 表8：型材569510的人工时效抗拉强度和电导率数据
[0149]
[0150]
[0151]
[0152]
[0153]
[0154]
[0155]
[0156]
[0157] 本型材与型材569310的拉伸性能表明极限抗拉强度和屈服强度之间的差别不大，伸长率稍有不同。
[0158] 要求较高温度和较短时间的人工时效操作显示过度时效。在型材569310显示抗拉强度和屈服强度均下降时，型材569510只有抗拉强度下降，而屈服强度保持在高强度水平，这是不常见的。检查表5和7所收集的数据之后，确定异乎寻常的屈服强度的原因在于取样位置。型材569310每次测试的装料的位置都是相同的，而型材569510的更随机：在前段、中间和后段采样，而不是每个条件使用相同的位置。
[0159] 尽管型材569510被充分地重结晶，型材569310的伸长率更好。这可能是由于在中心壁中的未重结晶的晶粒组织。换言之，没有足够的重结晶粗晶粒干涉伸长率。本文描述的本发明的化学组成的形成是为了避免沿边缘的粗晶粒所致的伸长率差的问题，但由于型材569310的模具设计，未重结晶部分对于所使用的挤出过程是不可避免的。
[0160] 实施例5
[0162] 为了表征的目的，均质化之后，从实施例1的一根圆锭取得样品切片。一片取自头部(顶部)，另一片取自圆锭的粗大端(底部)。每片得到两张微图像；一张沿着横向方向上的边缘，另一张来自相对于铸造方向的长度方向的中心。抛光片的图像示于图16A、16B、17、18A、18B和19中。
[0163] 在摄取抛光微图像之后，然后电解蚀刻微图像，进一步确定晶粒组织。电解蚀刻的微图像的图像示于图20-23中。
[0164] 实施例6
[0165] 冶金效果：挤出
[0166] 样品型材是从实施例2的多次装料取得的。型材569510显示细粒重结晶，而型材569310显示未重结晶的和粗晶粒的混合晶粒组织。
[0167] 型材569310挤出的晶粒组织示于图24和25中。通过型材569510挤出的部件的晶粒组织示于图26和27中。
[0168] 含有来自两个型材的电解蚀刻样品的图像位于图28和29中。沿边缘和焊缝的粗晶粒重结晶对于型材569310更加明显。型材569510的细晶粒组织也更加明显。
[0169] 实施例7
[0170] 冶金效果：焊缝完整性
[0171] 对每个部件的焊缝进行了检查。在前部样品中，型材569510显示横向焊缝的迹象。横向焊缝的图像示于图30中。横向焊缝不存在于检查的中间样品中，并且确定挤出长度的正面微调(front trim)不足以克服焊缝。正面微调从12英尺改变到14英尺，以抵消它。
[0172] 型材569310显示在中心壁中的不良焊缝的迹象，如图31中所示。在焊缝整体上有清晰的分离。在中心壁内的不良焊缝(bad weld)在装料4、5和6的前部、中部和后部样品中发现，并且在装料7的前部和中部中发现。由于不良焊缝大量存在于样品内，确定模具的设计是发生这种情况的最可能的原因。尽管焊缝没有影响到该实施例的测试，但模具需要重新设计，以防止不良焊缝的发生。
[0173] 实施例7
[0174] 晶粒组织和模具设计
[0175] 当用相同的合金挤出两个相似型材时，重要的是注意到使用的模具的设计的差异，如果有的话。两个型材(569310和569510)以相似的速度和温度(如上文的实施例2中所示)通过挤出机，但是具有非常不同的晶粒组织(如上文的实施例6中所示)。
[0176] 型材569310的模具设计示于图32中；型材569510的模具设计示于图33中。模具之间有几个不同点。型材569310的模具含有四个铝流过的端口，以及形状外侧周围的六度节流内浇口(six degree choke)。与此对比，型材569510的模具具有五个端口，并且无节流内浇口。端口的数量与节流内浇口对于重结晶过程均产生作用。
[0177] 节流内浇口对晶粒的重结晶起着很大的作用，尤其是缺乏重结晶。节流内浇口有助于金属通过模具，其反过来又引起较少的存在的应变能。如果没有足够的能量来这么做，晶粒不会从铸态组织重结晶。这种能量的缺乏是导致型材569310中的未重结晶区域(图1)的原因，其具有形状外侧周围的六度节流内浇口(图32)。相比之下，型材569510(图2)不存在任何节流内浇口(图33)。没有节流内浇口(例如型材569510)将增加金属被推送时的应变能，这可能解释外壁中的重结晶。
[0178] 模具设计中存在的端口数量对于形状的影响稍有不同。型材569510上额外的第五个端口的尺寸是其他四个的近两倍，从而导致金属更加自由地流过它，并且更容易一些。铝更容易采用这条路径，因为对其的流动阻力较小。这增加通过中心的金属流，其然后增大了金属内的剪应力。增大的剪应力给金属更多的能量，这是重结晶所必需的，因此整个中心壁能够重结晶。
[0179] 包括至少铬和锰的添加剂的组合物以及挤出方法有助于合金在挤出通过型材569510后即重结晶。
[0180] 实施例8
[0181] 机械性能：挤出加工的影响
[0182] 为实施例2中的型材所运行的过程表明，棒坯和出口温度以及挤出速度(上述表3)是可以接受的，并且给合金提供适度的强度。如此的棒坯温度确保材料具有容易挤出的能力。设定出口温度，使得存在的Mg2Si沉淀物溶解。速度是材料可以不撕裂材料而处理的快速度，并且确保金属使它淬火，从而使溶解后的Mg2Si不能沉淀出来。
[0183] 实施例2的每个型材在挤出过程中的出口温度根据装料而变化。两种型材的第一次装料的出口温度比其他五个较低。这对金属强度产生了不利的影响。较低的出口温度导致Mg2Si沉淀，从而不完全溶解，这将导致其变得粗糙，并进一步彼此分开，其允许更多的错位，以移动通过部件。图34显示型材569310的抗拉强度随人工时效操作338/347°F六小时的出口温度的变化。因为较低的出口温度，装料1和2经历了低于组中其余的强度。由于这种强度下降，将前两次装料从测试结果中弃去。
[0184] 实施例9
[0185] 比较
[0186] 与本文的实施例中所描述的所有其他条件相比较，实施例4中描述的338/347°F六小时的人工时效操作被确定是最佳的选择。型材569310和型材569510在这个时间和温度的平均抗拉强度在330和335MPa之间，高于320MPa的最低要求。型材569310的伸长率具有12％的平均值，并且型材569510的伸长率是10％。尽管不要求伸长率，但它对材料具有益处。使用这种时效操作，HS6X能够作为用于汽车开发的7003铝合金的合适替代品。
[0187] 实施例10
[0188] 下文的实施方案仅仅是说明性和预言性的。数值以重量百分数显示，余量是铝，除非另有说明。
[0189] 在第一实施方案中，一种HS6X的组成如下：
[0190]
[0191] 在第二实施方案中，一种HS6X的组成如下：
[0192]
[0193] 在第三实施方案中，一种HS6X的组成如下：
[0194]
[0195] 在第四实施方案中，一种HS6X的组成如下：
[0196]
[0197] 尽管已经在不同范围的许多实施方案中说明和描述了本发明，但应当理解，这种公开仅以示例的方式给出，而不是限制性的，可以在本发明的精神和范围内进行改变。因此，意图在于，在所附权利要求书中给出的本发明的范围不被上文的描述以及上述的示例性实施方案的任何特定的措词所限定。
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