高性能5000系列铝合金制造技术

表现出高强度、良好延展性、高抗蠕变性、高热稳定性和耐久性的铝‑镁‑锰‑锆‑孕育剂合金。

High performance 5000 series aluminum alloy

Aluminum magnesium manganese zirconium inoculant alloy with high strength, good ductility, high creep resistance, high thermal stability and durability.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高性能5000系列铝合金本申请要求于2017年3月8日提交的名称为High-Performance5000-SeriesAluminumAlloys的美国序列号第62/468,467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、良好延展性、高抗蠕变性、高热稳定性和耐久性的5000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盖子和拉环的性能。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、家用器具、金属片工件、船舶零件、运输零件、重型炊具、液压管、燃料箱、压力容器、重型卡车和拖车体和组件、钻机、导弹部件和有轨电车。
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5000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，可以使罐盖和拉环更薄、从而导致更轻的饮料罐。另外，在许多其他应用中，出于轻量化的目的，不断需要更高性能的5000系列铝合金。
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镁基(5000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、良好延展性、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)。附图说明图1A和1B：Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si重量％(AA5182)、Al-4.5Mg-0.35Mn-0.3Zr重量％(AA5182+Zr)和Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(AA5182+Zr+Sn)(本专利技术合金)在(A)等时和(B)400℃等温时效期间的显微硬度演变。为了图形清晰，省略了一些数据点的误差棒。图2A和2B：(A)Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(本专利技术合金)的亮场、双射束透射电子显微图，和(B)更高放大倍数视图，显示了Al3Zr纳米析出物(圆圈)的存在。图3：Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si重量％(AA5182)、Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si-0.3Zr-0.003Sr重量％(AA5182+Zr+Sr)(本专利技术合金)和Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si-0.3Zr-0.5Zn重量％(AA5182+Zr+Zn)(本专利技术合金)的等时时效期间的显微硬度演变。为了图形清晰，省略了一些数据点的误差棒。图4：Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si重量％(AA5182)和Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(AA5182+纳米析出物)(本专利技术合金)在峰值时效和冷轧之后的机械性能。图5：冷轧的Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si重量％(AA5182)和Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(AA5182+纳米析出物)(本专利技术合金)的显微硬度与退火温度(各温度下1小时)的关系。具体实施方式5000系列铝合金是可应变硬化的但不可热处理。它们包含镁作为主要合金化元素，任选地具有锰，并且典型具有良好的强度、可成形性和耐腐蚀性。含有4-5Mg和0.2-0.5Mn(重量％)的AA5182铝合金目前被用于饮料罐盖子。它也被用于汽车应用。研究了Al3Zr纳米析出物对该合金的机械性能的影响。图1A显示了Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si重量％(AA5182，示例合金)、Al-4.5Mg-0.35Mn-0.3Zr重量％和Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si-0.3Zr-0.1Sn重量％(本专利技术合金)的等时时效期间的显微硬度演变。AA5182是不可热处理的，因此在所有温度下其显微硬度演变无变化。添加0.3％Zr时，在所有温度下，显微硬度的演变也没有变化。与基础AA5182合金相比，从400℃到550℃显微硬度略有增加，但这在实验误差之内。添加0.3Zr+0.1Sn重量％时，在450℃下观察到86±3HV的峰值显微硬度(提高23％)，相比于基础AA5182合金中的70±4HV。这是Al3Zr纳米析出物的有力迹象，已知该析出物在此温度附近形成并增加强度。如图1B所示，这三种合金在400℃的等温期间的显微硬度演变证实了这一点。基础AA5182合金的显微硬度没有变化，而当添加Zr时在时效24小时之后显微硬度开始增加。在Al-4.5Mg-0.35Mn-0.2Si-0.3Zr-0.1Sn重量％的本专利技术合金中，它在时效期间迅速增加并在24h时达峰值，达到～90±5HV(增加29％)，相比于基础AA5182合金中的70±5HV。应当注意的是，仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝合金，包含：/n铝、镁、锰、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 62/468,4671.一种铝合金，包含：
铝、镁、锰、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具有约20nm或更小的平均直径并且具有在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、锶和锌中的一种或多种；
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380MPa的屈服强度，至少约440MPa的拉伸强度和至少约5％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190MPa的屈服强度，至少约320MPa的拉伸强度和至少约18％的伸长率。


2.权利要求1的铝合金，包含：
约3.0至约6.2重量％的镁；
约0.01至约1.8重量％的锰；
约0.01至约0.2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1的铝合金，包含：
约3.0至约6.2重量％的镁；
约0.01至约1.8重量％的锰；
约0.01至约0.2重量％的硅；
约0.2至约0.5重量％的锆；
约0.001至约0.1重量％的锶；和
作为余量的铝。


4.权利要求1的铝合金，包含：
约3.0至约6.2重量％的镁；
约0.01至约1.8重量％的锰；
约0.01至约0.2重量％的硅；
约0.2至约0.5重量％的锆；
约0.1至约1重量％的锌；和
作为余量的铝。


5.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。


6.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。


7.权利要求1的铝合金，包含：
约4.5重量％的镁；
约0.35重量％的锰；
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。


8.权利要求1的铝合金，包含：
约4.5重量％的镁；
约0.25重量％的锰；
约0.09重量％的硅；
约0.2重量％的铁；
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，包含：
约4.5重量％的镁；
约0.35重量％的锰；
约0.2重量％的硅；
约0.3重量％的锆；
约0.003重量％的锶；和
作为余量的铝。


10.权利要求1的铝合金，包含：
约4.5重量％的镁；
约0.35重量％的锰；
约0.2重量％的硅；
约0.3重量％的锆；
约0.5重量％的锌；和
作为余量的铝。


11.权利要求1的铝合金，其中所述合金具有约300℃的再结晶温度。

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【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