高性能3000系列铝合金制造技术

表现出高强度、高延展性、高抗蠕变性、高热稳定性和耐久性的铝‑锰‑锆‑孕育剂合金，可以使用回收的用过的铝罐制造所述合金。

High performance 3000 series aluminum alloy

The aluminum manganese zirconium inoculant alloy with high strength, high ductility, high creep resistance, high thermal stability and durability can be made from recycled used aluminum cans.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高性能3000系列铝合金本申请要求于2017年3月8日提交的名称为High-Performance3000-SeriesAluminumAlloys的美国序列号第62/468,461号的权益，通过引入将其内容并入本文。本专利技术是在国家科学基金会授予的第IIP1549282号联邦资助下做出的。政府拥有本专利技术的某些权利。
本申请涉及具有高强度、高延展性、高抗蠕变性、高热稳定性和耐久性的3000系列铝合金族。所公开的合金特别有利于但不限于改善饮料罐和喷雾罐的性能。另外，所公开的合金例如有利于改善屋顶和壁板材料、化学和食品设备、储槽、压力容器、家用器具、厨具、金属片工件、卡车和拖车零件、汽车零件以及热交换器。
技术介绍
主要用于存储饮料的铝罐的生产是世界上铝的单一最大用途。年产量是惊人的3200亿罐/年，相当于41.6亿公斤铝。此外，铝罐可能是世界上最好的回收范例，因为75％的罐用铝被回收。铝罐的生产量庞大，因此效率改进带来了巨大的乘法效应；罐中节省一克重量每年可在全球范围内节省超过20万公吨的铝。连同这种重量效益，降低了运输期间的能量消耗和CO2排放量—这两者是环境可持续性的关键指标。此外，铝罐的轻质有助于在产品寿命结束时的充填、存储、运输和报废期间节省资源。因此，使罐轻量化已经成为数十年来的热点问题。饮料包装工业正在不断寻求保持罐性能同时继续尽可能多地削减材料的方式。常见罐设计由两部分组成：罐体由3000系列铝特别是AA3004制成，而罐盖和开罐器由5000系列铝特别是AA5182制成。铝罐的一致且精确生产背后的成功是基于坚固却可成型的3000系列和5000系列铝片材。罐身是罐质量的约75％，而较小的盖子占其余的25％。设计较轻罐的两个最明显方式是：(i)设计较小的盖子和(ii)减小罐壁和盖子的厚度。为了使罐体和盖子变薄，需要更坚固的3000系列和5000系列合金，同时维持重要的特性，例如密度、成型性和耐腐蚀性。航空级2000系列和7000系列非常坚固，但它们低的成型性不适用于罐装。因此，开发新罐装材料的常见方法是修改当前利用的合金，即，修改当前的3000系列和5000系列合金的合金组成和热机械工艺，以便对它们强化而不牺牲其它重要性能。此外，罐中的铝的75％被回收并且目前被用于重新铸造铝片材，所述铝片材被返回罐制造商以生产新批次的罐。回收在罐装经济性中起着重要作用，因此修改当前的3000系列和5000系列合金将有助于维持低成本回收罐的使用。增强商业铝合金的强度并维持其延展性的公知方法是添加低浓度的钪(Sc)。强化作用源自于在时效期间产生与铝基质共格的L12结构的Al3Sc纳米析出物(直径约5-10nm)。这些析出物的小体积分数、纳米尺寸和基质共格性有助于合金维持其它性能，例如延展性和成型性。然而，钪极其昂贵(比银贵十倍)，从而严重抑制了其在价格敏感应用如食品和饮料包装中的使用。因此，需要更坚固的3000系列铝合金，同时维持重要的特性，例如密度、成型性和耐腐蚀性。利用更坚固的材料，可以使罐壁更薄、从而导致更轻的饮料罐。
技术实现思路
本文所述的实施方案涉及包含Al3Zr纳米级析出物的可热处理的铝锰基(3000系列)合金，其中所述纳米级析出物的平均直径为约20nm或更小并且具有在α-Al面心立方基质中的Ll2结构，其中纳米级析出物的平均数密度为约2021m-3或更大。它们表现出高强度、高延展性、高抗蠕变性、高热稳定性和耐久性，同时基本上不含钪(即，不有意地添加钪)。在一些实施方案中，该合金在高达400℃的温度下是耐热的和抗蠕变的。在一些实施方案中，可以使用回收利用的铝罐来制造该合金。附图说明图1A-1D是以下合金的亮场双束透射电子显微图像:(A)Al-1.2Mn重量％，示出Al6Mn析出物，(B)Al-1.2Mn-0.12Cu-0.7Fe-0.5Si重量％(AA3003)，示出α-Al(Mn,Fe)Si析出物，(C)Al-1.2Mn-0.12Cu-0.7Fe-0.5Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(本专利技术合金)，示出Al(Mn,Fe)Si和L12-Al3Zr纳米析出物，以及(D)图1C的一部分的高放大率的图像。图2A和2B：(A)来自文献的AA3003合金(●)和以下两种合金的拉伸强度与伸长率的关系：Al-1.2Mn-0.12Cu-0.7Fe-0.5Si重量％(□)和Al-1.2Mn-0.12Cu-0.7Fe-0.5Si-0.3Zr-0.lSn重量％(本专利技术合金)(▲)，存在Al3Zr纳米析出物，以及(B)冷轧Al-1.2Mn重量％(Al-Mn)合金和Al-1.2Mn-0.2Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(Al-Mn-nano)(本专利技术合金)合金的显微硬度与退火温度(在每个温度下1小时)的关系。图3：峰值时效并轧制的Al-1.2Mn-1.0Mg-0.4Fe-0.3Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(3004-nano)(本专利技术合金)和Al-1.2Mn-0.4Mg-0.7Fe-0.5Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(3005-nano)(本专利技术合金)的机械性能，相比于Al-1.2Mn-1.0Mg-0.1Si重量％(3004)和Al-1.2Mn-0.4Mg-0.2Si重量％(3005)薄片材(300μm厚度)。图4：在400℃下Al-1.2Mn重量％(Al-Mn)、Al-1.2Mn-0.12Cu-0.7Fe-0.5Si重量％(3003)和Al-1.2Mn-0.12Cu-0.7Fe-0.5Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(3003-nano)(本专利技术合金)合金的拉伸蠕变速率与施加应力的关系。图5：Al-1.2Mn-0.12Cu-0.7Fe-0.5Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(3003-nano)合金(本专利技术合金)在升高温度(400℃)下的拉伸强度，相比于用于轻质高温结构应用的商品2000系列铝合金(全部为T6-状态)。图6：Al-1.0Mn-1.0Mg-0.15Cu-0.5Fe-0.2Si重量％(AA3004)(示例合金)和Al-1.0Mn-1.0Mg-0.15Cu-0.5Fe-0.2Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(AA3004-nano)(本专利技术合金)的拉伸强度与断裂伸长率的关系，通过以下步骤制造：铸造、热轧、冷轧和在约350℃至约450℃范围内的温度下热时效处理持续约2小时至约24小时的时间。详细说明AA3003铝合金是3000系列中最基础的合金，含有1-1.5Mn，0.05-0.2Cu，≤0.7Fe和≤0.5Si作为杂质，并且任何其它杂质各自＜0.05(重量％)。锰是3000系列铝合金中的主要合金化元素，它要么以固溶体要么作为细金属间相提高强度。研究了最大允许的Fe和Si浓度以及Al3Zr纳米析出物对这种基础合金的性能的影响。应注意，已知少量存在的Cu浓度不会影响AA3003合金的机械性能。三种所研究合金的纳米结构示于图1A-1D中，即Al-1.2Mn，Al-1.2Mn-0.12Cu-0.7Fe-0.5Si和Al-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝合金，其包含/n铝、锰、镁、硅、锆和孕育剂，并且包括含Al

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170308 US 62/468,4611.一种铝合金，其包含
铝、锰、镁、硅、锆和孕育剂，并且包括含Al3Zr的纳米级析出物；
其中所述纳米级析出物的平均直径为约20nm或更小并且具有在α-Al面心立方基质中的L12结构；
其中所述纳米级析出物的平均数密度为约2021m-3或更大；
其中所述孕育剂包含锡；
其中，如果所述铝合金处于硬状态，则其在室温下具有至少约330MPa的屈服强度，至少约360MPa的拉伸强度和至少约3％的伸长率；和
其中，如果所述铝合金处于软状态，则其在室温下具有至少约230MPa的拉伸强度和至少约10％的伸长率。


2.权利要求1的铝合金，还包含：
约0.05至约0.7重量％的铁；并且
其中所述合金包含
约0.8至约1.5重量％的锰；
约0.05至约3.0重量％的镁；
约0.05至约0.6重量％的硅；
约0.2至约0.5重量％的锆；
约0.01至约0.2重量％的锡；和
作为余量的铝。


3.权利要求2的铝合金，还包含约0.05至约0.2重量％的铜。


4.权利要求1的铝合金，其中所述多个L12析出物具有约10nm或更小的平均直径。


5.权利要求1的铝合金，其中所述多个L12析出物具有约3nm至约7nm的平均直径。


6.权利要求1的铝合金，其中如果所述铝合金处于硬状态，则在室温下所述合金具有至少约370MPa的屈服强度，至少约395MPa的拉伸强度，以及至少约4％的伸长率。


7.权利要求1的铝合金，还包含约0.7重量％的铁，并且其中所述合金包含约1.2重量％的锰，0.4重量％的镁，约0.5重量％的硅，约0.3重量％的锆，约0.1重量％的锡，和作为余量的铝。


8.权利要求1的铝合金，还包含约0.4重量％的铁，并且其中所述合金包含约1.2重量％的锰，1.0重量％的镁，约0.3重量％的硅，约0.3重量％的锆，约0.1重量％的锡，和作为余量的铝。


9.权利要求1的铝合金，还包含约0.15重量％的铜和约0.5重量％的铁，并且其中所述合金包含约1.0重量％的锰，1.0重量％的镁，约0.2重量％的硅，约0.3重量％的锆，约0.1重量％的锡，和作为余量的铝。


10.权利要求1的铝合金，还包含约0.17重量％的铜和约0.52重量％的铁，并且其中所述合金包含约0.85重量％的锰，约2.0重量％的镁，约0.24重量％的硅，约0.3重量％的锆，约0.1重量％的锡，和作为余量的铝。


11.权利要求1的铝合金，其中所述合金基本上不含钪。


12.权利要求1的铝合金，其中所述合金的至少约70％是从用过的铝罐回收。


13.权利要求1的铝合金，其中所述合金的至少约80％是从用过的铝罐回收。


14.权利要求1的铝合金，其中所述合金的至少约90％是从用过的铝罐回收。


15.权利要求1的铝合金，其中所述合金的至少约95％是从用过的铝罐回收。


16.由权利要求1的铝合金制造部件的方法，该方法包括：
a)在约700℃至约900℃的温度下熔化合金；
b)然后将合金浇铸到环境温度下的铸模中；
c)然后使用冷却介质冷却铸锭；和
d)然后在约350℃至约450℃的温度下将铸锭热时效持续约2小时至约48小时的时间。


17.权利要求16的方法，还包括将铸锭冷轧以形成片材产品。


18.权利要求17的方法，还包括在约140℃至约170℃的温度下对所述片...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·Q·沃，E·拉莫斯，D·巴颜山，F·弗洛莱斯，
申请(专利权)人：纳诺尔有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US