7xxx系列合金的老化时间减少的制作方法

本发明提供减少7xxx系列合金的人工老化时间的方法。目前，典型的7xxx系列合金的人工老化时间可能长达24小时。本发明允许显著减少老化时间和提高生产率，以实现所期望的强度和伸长率特性，从而节省能量、时间和金钱。

背景技术：

传统上，汽车车身结构主要由钢薄板材制成。然而，最近汽车行业中已经出现了用较轻的铝薄板材代替较重的钢薄板材的趋势。

然而，为了使汽车车身薄板材可以接受，铝合金不仅必须具有例如强度和耐腐蚀性的必要特性，而且还必须表现出良好的延展性和韧性。

大多数用于汽车行业中的铝合金是铝-镁或5xxx系列合金，以及铝-镁-硅或6xxx系列合金。虽然汽车行业已经看到用于汽车制造的高强度和超高强度钢的出现，但是5xxx和6xxx系列合金已经达到了其强度潜力。然而，铝-锌或7xxx系列合金提供比5xxx或6xxx合金显著更高的强度，因而使其成为替代高强度钢的优异候选者。7xxx系列合金的缺点之一是实现峰值强度所需的人工老化时间过长(长达24小时或更长时间)。相比之下，汽车行业熟悉的是通常不到30分钟的烤漆时间。为了顺利实施7xxx系列合金进入汽车行业，需要减少人工老化时间。

因此，需要使7xxx合金实现所期望的强度和延展性特性且同时减少老化时间、能量和成本的改进方法。

技术实现要素：

本发明所涵盖的实施方案由权利要求书而不是发明内容限定。本发明内容是对本发明的各个方面的高级概述，并且介绍了在下面的具体实施方式部分中进一步描述的一些概念。本发明内容不旨在鉴定所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在孤立使用以确定所要求保护的主题的范围。应通过参考整个说明书的适当部分、任何或所有的附图和每个权利要求来理解所述主题。

本发明解决了现有技术中的问题，并提供了减少7xxx系列合金的人工老化时间的方法。目前，典型的7xxx系列合金的人工老化时间可能长达24小时。本发明允许7xxx合金的卷材或成形部件的老化时间显著减少并节省能量、时间、金钱以及工厂和仓库储存空间。

本发明还提供在使薄板材经受约180℃的烤漆条件约30分钟后实现所期望的强度且同时保持所期望的伸长率的益处。

本发明提供了用于减少7xxx系列合金的人工老化持续时间的最佳的温度和时间。提出了不同的温度、暴露于这些温度的持续时间和加热步骤的数目，以实现减少的人工老化时间，同时达到所期望的强度和延展性的机械性能。

在一个实施方案中，使用一步老化法来用短的老化时间达到所期望的机械性能。

在另一个实施方案中，使用两步老化法来用短的老化时间达到所期望的机械性能。

在另一个实施方案中，使用三步老化法来用短的老化时间达到所期望的机械性能。

对于7xxx系列合金，本发明将老化时间从目前使用的约24小时减少到少于4小时或少于2小时。目前使用的过长的人工老化时间降低了7xxx系列合金生产中的效率和产量，增加了生产7xxx系列合金所需的能耗，并且自然老化7xxx系列合金的卷材或汽车冲压部件需要占据更多的占地面积。此外，典型的预老化实际操作导致屈服强度显著增加。本发明在预老化后导致强度显著增加，特别是汽车工艺链中通常使用的固溶热处理以及烤漆操作后的第一周内。

在实施方案中，在汽车应用中，烤漆步骤可以作为第二或第三人工老化步骤并入，以减少总体老化周期时间。

本发明可以显著减少7xxx薄板材的老化周期时间。这在制造期间转化为更高的生产率和降低的能源使用。消费者还可以使用本发明来减少运输行业各个方面的制造商(包括但不限于汽车、卡车、摩托车、飞机、航天器、自行车、铁路客车和船舶的制造商)特别关注的老化周期时间。本发明特别适用于汽车行业。

附图说明

图1显示了在限定的持续时间和温度下的单一加热步骤且接着在室温下自然老化对屈服强度(y.s.，以mpa计)和伸长率(el％)的影响。

图2显示了在限定的持续时间和温度下的两步加热后的屈服强度(y.s.，以mpa计)和伸长率(el％)的双重老化响应。

图3是两步老化法的示意图，其中第一加热步骤为70℃持续6小时，接着第二加热步骤为150℃持续1小时或6小时，或者175℃持续1小时或6小时。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图4是两步老化法的示意图，其中第一加热步骤为100℃持续1小时，接着第二加热步骤为150℃持续1小时或6小时，或者175℃持续1小时或6小时。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图5是两步老化法的示意图，其中第一加热步骤为100℃持续6小时，接着第二加热步骤为150℃持续1小时或6小时，或者175℃持续1小时或6小时。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图6是两步老化法的示意图，其中第一加热步骤为120℃持续1小时，接着第二加热步骤为150℃持续1小时或6小时，或者175℃持续1小时或6小时。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图7是两步老化法的示意图，其中第一加热步骤为100℃持续1小时，接着第二加热步骤为180℃持续30分钟，这是常规的烤漆条件。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图8是两步老化法的示意图，其中第一加热步骤为120℃持续1小时，接着第二加热步骤为180℃持续30分钟，这是常规的烤漆条件。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图9是两步老化法的示意图，其中第一加热步骤为70℃持续6小时，接着第二加热步骤为180℃持续30分钟，这是常规的烤漆条件。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图10是两步老化法的示意图，其中第一加热步骤为110℃持续6小时，接着第二加热步骤为180℃持续30分钟，这是常规的烤漆条件。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图11是两步老化法的示意图，其中第一加热步骤为125℃持续6小时，接着第二加热步骤为180℃持续30分钟，这是常规的烤漆条件。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图12是两步老化法的示意图，其中第一加热步骤为125℃持续24小时(t6条件)，接着第二加热步骤为180℃持续30分钟，这是常规的烤漆条件。第二加热步骤紧接在第一步骤之后或3小时后发生。显示了对屈服强度和伸长率的影响。特性在室温下测量。

图13是三步老化法的示意图，其中第一加热步骤为100℃持续1小时，接着第二加热步骤为150℃持续1小时，并且第三加热步骤为180℃持续30分钟，这是常规的烤漆条件。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图14是三步老化法的示意图，其中第一加热步骤为120℃持续1小时，接着第二加热步骤为150℃持续1小时，并且第三加热步骤为180℃持续30分钟，这是常规的烤漆条件。显示了对屈服强度和伸长率的影响。

图15是一步老化法的示意图，其中第一加热步骤为110℃持续6小时，接着空气冷却到室温(----线)或以3℃/小时的速率冷却到目标温度50℃(--·--·--线)。显示了在t4条件下对屈服强度和伸长率的影响。

图16是一步老化法的示意图，其中第一加热步骤为125℃持续6小时，接着空气冷却到室温(----线)或以3℃/小时的速率冷却到目标温度50℃(--·--·--线)。显示了在t4条件下对屈服强度和伸长率的影响。

具体实施方式

定义和描述：

如本文所用，术语“发明”和“本发明”旨在广泛地指代本专利申请和下文权利要求的所有主题。应理解包含这些术语的陈述不是限制本文所描述的主题或限制下文专利权利要求的含义或范围。

在本说明书中，提及由aa号码和其它相关名称(例如“系列”)识别的合金。为了理解最常用于命名和识别铝及其合金的编号命名系统，参见美国铝协会出版的“锻造铝和锻造铝合金的国际合金命名和化学组成极限值”或“呈铸件和铸锭形式的铝合金的铝协会合金命名和化学组成极限值的登记记录”。

除非上下文另有明确规定，否则如本文所用的“一”和“所述”的含义包括单数个和复数个所指物。

本发明提供了一种处理7xxx合金以加速老化并达到所期望的强度和延展性的方法。在一些实施方案中，在固溶热处理(sht)之后，将7xxx合金薄板材在一个老化步骤中加热到130℃至150℃范围内的温度持续1至5小时。在其它实施方案中，在sht之后，将7xxx合金薄板材在第一老化步骤中加热到50℃至120℃范围内的温度持续0.5至6小时(或70℃至120℃持续1至6小时)，并将所述合金薄板材在第二老化步骤中加热到150℃至175℃的温度持续1至6小时。可选地，在第一加热步骤之后，所述合金薄板材经受180℃的烤漆温度持续30分钟。在其它实施方案中，在sht之后，将7xxx合金薄板材在三个连续的老化步骤中进行加热，其中第一老化步骤在100℃至120℃的温度下持续1小时，第二老化步骤在150℃下持续1小时，并且第三老化步骤在180℃的温度下持续30分钟。

应当理解，本申请中所有叙述的温度和温度范围都可以包括所述范围的上限和下限的±5℃。因此，例如，上文在第一老化步骤中所述的70℃至120℃的范围还包括65℃至125℃、70℃至125℃、75℃至125℃、65℃至120℃、75℃至120℃、65℃至115℃、70℃至115℃和75℃至115℃。

在实验室用炉子达到所述温度需要大约两分钟。在工业设置中的固溶热处理(cash)之后的预老化步骤中使用这个概念意味着当其通过预老化炉时相对快速地加热薄板材。在这种情况下，达到所期望温度的加热时间更快，低于1分钟。然而，如果两步老化法将在卷材上分别使用，则所述卷材可能需要约6小时来加热到所期望的温度，这取决于炉子的结构及其初始设定温度。

这种方法中可使用各种7xxx合金，包括(但不限于)7075、7010、7040、7050、7055、7150、7085、7016、7020、7021、7022、7029和7039。本申请中测试和呈现的7075合金样品都是2mm规格轧制薄板材。所采用的测试方法是本领域普通技术人员根据astmb557-10已知的：tys、uts、n、r、ue、总伸长率、应力-应变曲线(http：//www.astm.org/database.cart/historical/b557-10.htm)。

在本文提供的一些实施例中，将7xxx合金在50秒内从室温加热到480℃的固溶热处理(sht)温度，在480℃保持90秒，然后冷却到450℃，然后以大于150℃/秒的冷却速率快速冷却到室温。接着，发生第一步骤老化。薄板材在约2分钟内被加热到选定的温度。注意，这个2分钟加热步骤适用于实验室规模的样品，而工业规模的加热将需要如本领域普通技术人员通常所知的额外时间。

对于单一老化步骤的实施方案，测试130℃和150℃的温度持续1或5小时。

对于两个老化步骤的实施方案，测试了70℃、100℃、110℃、120℃和125℃的第一步骤温度。对于大部分的这些温度测试1或6小时的持续时间。在一些实施方案中，在步骤一的1或6小时持续时间后，然后将样品加热到150℃或175℃的目标温度并保持1或6小时持续时间。在其它实施方案中，在步骤一的1小时持续时间后或在6小时持续时间后，然后将样品加热到180℃的温度持续约30分钟，如汽车行业中的烤漆条件所通常进行的。如本文所述的烤漆温度条件是指在180℃的温度下加热约30分钟。

对于三个老化步骤的实施方案，对于100℃和120℃的第一步骤温度测试1小时的持续时间，接着是150℃的第二步骤温度持续1小时，接着是180℃的第三步骤温度持续30分钟。

本发明用于在7xxx铝合金薄板材中实现所期望的屈服强度和伸长率的一种方法通常包括：

a)将所述薄板材快速加热到450℃至510℃的温度；

b)将所述薄板材保持在450℃至510℃长达20分钟；

c)将所述薄板材在大于50℃/秒下快速冷却到室温；

d)将所述薄板材加热到约50℃至150℃的温度；

e)将所述薄板材在约50℃至150℃的温度下保持约0.5至6小时的持续时间；

f)将所述薄板材加热到约150℃至200℃的温度；和

g)将所述薄板材在约150℃至200℃的温度下保持约0.5至6小时的持续时间。

在本发明的另一个实施方案中，用于在7xxx铝合金薄板材中实现所期望的屈服强度和伸长率的方法包括：

a)将所述薄板材快速加热到约450℃至约510℃的温度；

b)将所述薄板材在450℃至510℃下保持长达20分钟；

c)将所述薄板材在大于50℃/秒下快速冷却到室温；

d)将所述薄板材加热到约110℃至约125℃的温度；

e)将所述薄板材在约110℃至约125℃的温度下保持约6小时的持续时间；

f)将所述薄板材加热到约180℃的温度；和

g)将所述薄板材在约180℃的温度下保持约0.5小时的持续时间。

在本发明的另一个实施方案中，用于在7xxx铝合金薄板材中实现所期望的屈服强度和伸长率的方法包括：

a)将所述薄板材快速加热到约450℃至约510℃的温度；

b)将所述薄板材在450℃至510℃下保持长达20分钟；

c)将所述薄板材在大于50℃/秒下快速冷却到室温；

d)将所述薄板材加热到约130℃至约150℃的温度；

e)将所述薄板材在约130℃至约150℃的温度下保持约1-5小时的持续时间。

在本发明的另一个实施方案中，用于在7xxx铝合金薄板材中实现所期望的屈服强度和伸长率的方法包括：

a)将所述薄板材快速加热到约450℃至约510℃的温度；

b)将所述薄板材在450℃至510℃下保持长达20分钟；

c)将所述薄板材在大于50℃/秒下快速冷却到室温；

d)将所述薄板材加热到约100℃至约120℃的温度；

e)将所述薄板材在约100℃至约120℃的温度下保持约1小时的持续时间；

f)将所述薄板材加热到约150℃的温度；

g)将所述薄板材在约150℃的温度下保持约1小时的持续时间；

h)将所述薄板材加热到约180℃的温度；和

g)将所述薄板材在约180℃的温度下保持约0.5小时的持续时间。

铸造具有以下组成的铸锭：5.68重量％zn、2.45重量％mg、1.63重量％cu、0.21重量％cr、0.08重量％si、0.12重量％fe和0.04重量％mn，其余为al。每次落下铸造两个铸锭。铸锭尺寸如下：380mm×1650mm×4100mm。铸锭被剥去2×10mm的深度。铸锭在以下两个阶段过程中均质化。将它们首先在8小时内加热到465℃，然后在480℃下浸泡10小时。

轧制工艺按照工业规模进行。将铸锭加热到420℃+/-10℃(金属温度(mt))持续0至6小时。在350-400℃的温度范围内进行连续热轧。热轧薄板材的出口规格为10.5mm。然后以10.5mm至6.3mm至4mm至2.9mm四次通过冷轧，最后达到2mm作为最终规格，而其间不进行中间退火。来自两个铸锭的两个卷材显示相同的特性。因此，测试是在所述薄板材之一上进行的。从这个2mm卷绕薄板材获取拉伸样品，以进行固溶热处理和本文提出的老化实际操作。

在470℃下进行固溶热处理20分钟和水淬火后，对aa7045合金进行单一老化步骤。所述单一老化步骤在130℃至150℃范围内的温度下持续1至5小时。在实施方案中，达到至少400mpa的屈服强度。在实施方案中，达到至少470的屈服强度。在实施方案中，达到至少5％的伸长率。表1显示了单一老化步骤对屈服强度(y.s.，以mpa计)、极限拉伸强度(rm，以mpa计)、均匀伸长率(ag，以％计)和总伸长率(a80，以％计)的影响。

表1

在470℃下进行20分钟的固溶热处理和水淬火后，对aa7022合金进行单一老化步骤。单一老化步骤在130℃至150℃范围内的温度下持续1至5小时(显示12小时和24小时的持续时间用于比较)。在实施方案中，达到至少400mpa的屈服强度。在实施方案中，达到至少470的屈服强度。在实施方案中，达到至少5％的伸长率。表1显示了单一老化步骤对屈服强度(y.s.，以mpa计)、极限拉伸强度(rm，以mpa计)，均匀伸长率(ag，以％计)和总伸长率(a80，以％计)的影响。

表2

图1显示单一加热步骤和接着在室温下自然老化对屈服强度(y.s.，以mpa计)和伸长率(el％)的影响。t6是在125℃下进行24小时的固溶热处理后的热处理工艺。在固溶热处理和淬火后，状态称为w回火。淬火与后续t6热处理之间的延迟称为“自然老化”期。图2显示在限定的温度和持续时间下两步加热后的屈服强度(y.s.，以mpa计)和伸长率(el％)的双重老化响应。

在一个实验中，在加热到120℃持续1小时的第一步骤后，将样品冷却到室温，之后进行在150℃或175℃下分别持续6或1小时的第二加热步骤。这导致最终屈服强度分别为510mpa和479mpa，其中伸长率值分别为13.4％或12.8％。因此，在第一加热步骤之后，在第二步骤开始加热之前，似乎对冷却到室温没有明显的影响。

因此，似乎在特定目标温度下从第一步骤加热条件直接转到第二步骤加热条件持续1小时或6小时或者其间的一些持续时间足以实现所期望的强度和伸长率值(图2-6)。

结果还表明，从第一步骤加热条件直接转到180℃的烤漆温度持续30分钟也足以实现所期望的强度和伸长率值(图7-11)。

在另一个实施方案中，第一步骤为100℃持续1小时，接着是第二步骤150℃持续1小时，最后是烤漆条件180℃持续30分钟，其导致强度为496mpa，伸长率值为12.6％(图13)。在另一个实施方案中，第一步骤为120℃持续1小时，接着是第二步骤150℃持续1小时，最后是烤漆条件180℃持续30分钟，其导致强度为493mpa，伸长率值为12.6％(图14)。

在一个实施方案中，通过组合预老化和烤漆周期，可以获得高于400mpa的7xxx合金的强度水平。在另一个实施方案中，通过组合预老化和烤漆周期，可以获得高于470mpa的7xxx合金的强度水平。在另一个实施方案中，通过组合预老化和烤漆周期，可以获得高于500mpa的7xxx合金的强度水平。

在一个实施方案中，其中在较低温度下短时间老化的第一步骤和接着在较高温度下老化的第二步骤的两步老化法导致屈服强度高于500mpa。

在另一个实施方案中，在低温第一步骤老化下，第二步骤需要更多的时间来实现高强度。在一个实施方案中，通过组合预老化和烤漆周期，可以获得高于470mpa或500mpa的7xxx合金的强度水平。例如，在70℃下1小时的第一步骤需要在175℃下6小时的第二步骤。相比之下，在100℃或120℃下老化的第一步骤仅需要在175℃下老化1小时的第二步骤。第一步骤的较长持续时间没有显著改变强度。

在另一个实施方案中，在第一步骤老化的100℃或更高温度下，如果两个步骤之一进行较长的持续时间(例如在120℃下6小时，然后在175℃下1小时，或在120℃下1小时，然后在150℃下6小时，或在100℃下6小时，然后在175℃下1小时，或在100℃下1小时，然后在150℃下6小时)，则可能达到高于500mpa的强度水平。

在一个实施方案中，如果在100℃或更高温度下进行第一步骤老化，则在175℃下老化较长持续时间的第二步骤可能由于过老化而降低强度。

通过在100℃下老化6小时的第一步骤和在150℃下6小时的第二步骤实现了最高强度(屈服强度为517mpa)(图5)。将第一步骤老化时间降至1小时，接着在150℃下6小时的第二步骤产生509mpa的屈服强度(图4)。

在另一个实施方案中，可以通过遵循两步短期老化方法与180℃烤漆处理约30分钟来达到接近于500mpa的强度水平(3步法，图13、图14)。

自然老化的前两周显示对强度的最大影响。自然老化一周和更长时间似乎轻微降低峰值强度水平(降低小于10mpa)。

在70℃、100℃、110℃和125℃下预老化导致自然老化反应的稳定化。这种作用在较长的预老化持续时间(即6小时)下更显著(图1)。

在70℃、100℃和125℃下预老化6小时导致高于520mpa的t6强度水平和约14％的总伸长率(图1)。

在110℃和125℃下预老化6小时(这在当前的连续退火固溶热(continuousannealingsolutionheat，cash)生产线配置中相当实用)将自然老化的强度水平提高到450mpa以上。

在另一个实施方案中，在110℃下预老化6小时或在125℃下预老化6小时后，在180℃下进行烤漆30分钟，产生高于500mpa的强度水平(图10、图11)。110℃的预老化温度似乎产生非常好的结果。该过程可以通过将再加热炉温度设定为比该值高约10℃而并入cash生产线实际操作中，其条件是进一步卷材冷却将花费约8小时。这种方法基本上消除了产生卷材形式的t6或t7回火薄板材所需的炉中另一个长的人工老化周期。为达到t6强度水平，卷材的典型工业规模人工老化花费大量的时间，用于加热(长达12小时)和在120℃-125℃范围内的温度下的常规老化时间(长达24小时)。卷材的温度需要精确，并且控制多卷老化炉中的单个卷材的温度可能是有挑战性的。本发明的这个实施方案通过选择预老化或再加热实际操作并缩短流路，可以生产出所期望的回火和性能的卷材，并且还节省了时间、能量和金钱。

以下实施例将用于进一步说明本发明，但同时并不对其构成任何限制。相反，应清楚地理解，可以诉诸在阅读本文的描述之后可以为本领域技术人员所想到而不脱离本发明的精神的各种实施方案、其修改和等同物。在以下实施例中描述的研究中，除非另有说明，否则遵循常规程序。为了说明性目的，下面描述一些程序。

实施例1

使用aa7075和aa7022合金薄板材在多种加热温度和持续时间下测试一步老化法。结果示于表1和表2中。相比于常规技术(其可能花费24小时或更长时间)，更快地达到高强度水平和所期望的伸长率百分比。

实施例2

使用aa7075合金薄板材在多种加热温度和持续时间下测试两步老化法。结果示于图2至图6中。相比于常规技术(其可能花费24小时或更长时间)，更快地达到高强度水平和所期望的伸长率百分比。

实施例3

使用aa7075合金薄板材在多种第一步骤加热温度和持续时间下，接着在180℃下持续30分钟的第二步骤(这是烤漆条件)，来测试两步老化法。结果示于图2和图7至图11中。相比于常规技术(其可能花费24小时或更长时间)，更快地达到高强度水平和所期望的伸长率百分比。

实施例4

在本实施例中，第一加热步骤为125℃持续24小时(t6条件)，接着第二加热步骤为180℃持续30分钟，这是常规的烤漆条件。第二加热步骤发生在第一步骤之后或3小时后。强度和伸长率的结果是相似的，并且在烤漆条件之前延迟三小时没有影响，这意味着这种延迟对烤漆特性没有任何影响。结果示于图12中。值得注意的是，当将图12中呈现的结果与图3至图11中的结果进行比较时，可以采用更短的老化时间来达到所期望的强度水平和延展性，从而节省能量、费用和制造时间和储存，因而显著提高生产率。

实施例5

在本实施例中使用三步老化法。在暴露于100℃或120℃下一小时，接着在150℃下一小时之后，第三步骤构成烤漆条件。结果显示，使用总持续时间为2.5小时的三个加热步骤，达到非常高的强度水平和延展性。结果示于图13和图14中。

实施例6

本实施例显示一步老化法，其中第一加热步骤为110℃持续6小时，接着空气冷却至室温(----线)或以3℃/小时的速率冷却到目标温度50℃(--·--·--线)。结果示于图15和图16中，并且显示该单一加热步骤可以产生高强度水平，不希望的伸长率值，在125℃下持续6小时获得优异的结果，如图16中所示。在以3℃/小时的速率逐渐冷却到50℃之后获得非常高的强度水平，这与在铝合金的自动薄板材制造中的卷材冷却过程相似。

上文引用的所有专利、出版物和摘要通过引用整体并入本文。已经描述了本发明的各种实施方案，以实现本发明的各种目的。应当认识到，这些实施方案仅仅是本发明的原理的说明。在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，本发明的众多修改和改变对于本领域技术人员将是显而易见的。