TWI692531B - 鋁合金材料及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明有關於一種鋁合金材料及其製作方法。鋁胚係先提供，並進行均質化製程。然後，對均質化鋁胚進行冷卻製程，其中冷卻製程包含多階段之冷卻步驟，而可調整鋁胚中之固溶量。然後，對冷卻鋁胚進行熱軋製程與冷軋製程，而可製得本發明之鋁合金材料。鋁合金材料具有適當數量之釘紮顆粒，而可提升鋁合金材料之烘烤強度與耐壓性。
Description
本發明係有關一種鋁合金，特別是提供一種具有良好耐壓性與烘烤強度之鋁合金材料及其製作方法。
罐裝飲料之市場競爭激烈，為了對陳出新，以提高銷量。部分業者於飲料中添加更多之二氧化碳(CO2)，以提高飲品中之氣泡含量，而增加口感。然而，更多之二氧化碳亦大幅提升瓶內壓力，而使得飲料罐必須耐受更高壓力。再者，為了降低飲料罐之成本，製作罐身的鋁片厚度係被進一步減薄，而降低罐身強度。
另外，為增添飲料罐之識別性，裝填飲品前須彩繪瓶身，故所製得之飲料罐須進一步進行烘烤製程，以烘乾漆料，並同時對罐身進行高溫殺菌。於此同時，烘烤製程之高溫易誘發材料中之差排組織的相消、重組與多邊形等回復(recovery)行為，而進一步降低飲料罐之強度。據此，為避免較薄之瓶身無法耐受更高之瓶內壓力，飲料罐之品質要求係越趨嚴格。
一種習知方法係將鋁合金材料之析出顆粒的尺寸控制為大於1μm，並調整二次析出相之密度，惟其烘烤後之強度無法有效被提升，且具有較高之突耳率，而無法滿足後端應用之需求。另一種習知方法係額外添加Mg2Si與Al6Mn至鋁胚中，以降低所製得之鋁合金材料的突耳率，惟其烘烤後之強度降幅過大，而無法滿足應用之需求。
再一種習知方法係藉由調整熱處理之參數設定(例如：調高處理溫度、延長處理時間或加快淬火速度)及/或額外增設熱處理製程(例如：於冷軋製程前增設中間退火製程)，來調整鋁合金材料之烘烤強度與耐壓性。然而，此些習知方法均未有效提升鋁合金材料烘烤後之強度。再者，額外增設之中間退火製程易大幅增加鋁合金材料的製作成本，而不符合經濟效益與節能之環保要求。
有鑑於此，亟須提供一種鋁合金材料及其製作方法，以改進習知鋁合金材料的缺陷。
因此，本發明之一態樣是在提供一種鋁合金材料的製作方法，其藉由均質化製程、分段冷卻與熱軋製程之特定參數，而可調整所製得之鋁合金材料的析出物之數量和尺寸，進而於烘烤製程時，可抑制次晶粒之粗化及差排之消散，因此提升鋁合金材料之烘烤強度與耐壓性。
本發明之另一態樣是在提供一種鋁合金材料，其係藉由前述之製作方法所製得。
根據本發明之一態樣，提出一種鋁合金材料之製作方法。鋁胚係先被提供，並進行均質化製程，以製得均質化鋁胚。其中，鋁胚之材料為3000系鋁合金，且均質化製程之溫度不小於615℃。然後，對均質化鋁胚進行冷卻製程，以製得冷卻鋁胚。冷卻製程包含第一冷卻步驟、第二冷卻步驟與第三冷卻步驟，其中第一冷卻步驟係於2小時至6小時內將均質化鋁胚冷卻至520℃，第二冷卻步驟係於3小時內由520℃冷卻至350℃，且第三冷卻步驟係由350℃水淬至室溫。接著，對冷卻鋁胚進行熱軋製程，以製得熱軋鋁捲，並對熱軋鋁捲進行冷軋製程，即可製得鋁合金材料。
依據本發明之一實施例，前述鋁胚包含大於0.2重量百分比之銅與大於0.2重量百分比之鋅。
依據本發明之一實施例，前述均質化製程之溫度小於鋁胚之熔點。
依據本發明之一實施例，前述之均質化製程至少進行12小時。
依據本發明之一實施例，前述之熱軋製程包含熱粗軋步驟與熱精軋步驟，且熱粗軋步驟與熱精軋步驟之間隔時間不大於360秒。
依據本發明之一實施例，前述熱軋製程之完軋盤捲溫度大於350℃。
依據本發明之一實施例，前述熱軋鋁捲之冷卻速率每分鐘不大於1℃。
依據本發明之一實施例，於進行前述之冷軋製程前，製作方法不進行中間退火製程。
根據本發明之另一態樣，提出一種鋁合金材料，其係藉由前述之製作方法所製得。此鋁合金材料於每立方微米(μm3)之單位體積含有30至80個釘紮顆粒，且每一個釘紮顆粒之粒徑小於1μm。
依據本發明之一實施例，經220℃之烘烤後，前述鋁合金材料之降伏強度係大於260MPa，且降伏強度的降幅不大於20MPa。
應用本發明之鋁合金材料及其製作方法，其藉由均質化製程、冷卻製程之分段冷卻與熱軋製程之特定參數，來調控鋁合金材料之析出顆粒的數量與尺寸，以提供適當之釘紮力，進而於後端應用之烘烤製程中，有效抑制鋁合金材料中次晶粒的粗化與差排的消散，因此提升鋁合金材料之烘烤強度與耐壓性。
100‧‧‧方法
110/120/131/133/135/140/150/160‧‧‧操作
130‧‧‧冷卻製程
為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下：〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施例之鋁合金材料的製作方法之流程圖。
以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。
請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施例之鋁合金材料的製作方法之流程圖。方法100係先提供鋁胚，如操作110所示。鋁胚之材料可為3000系鋁合金。在一些實施例中，鋁胚可為3104鋁合金、3004鋁合金、其他適當之鋁合金材料，或上述材料之任意混合。在此些實施例中，鋁胚可包含大於0.2重量百分比之銅與大於0.2重量百分比之鋅。其中，銅與鋅之含量不超過規範含量(即3000系鋁合金之規範含量)。若銅或鋅之含量小於0.2重量百分比時，所製得之鋁合金材料具有較差之耐壓性，而無法滿足後端之應用需求。若銅或鋅之含量大於規範含量時，所製得之鋁合金材料無法滿足規定之規格，且過多之銅或鋅易降低鋁合金材料之耐腐蝕性，而使鋁合金材料具有易被腐蝕之缺陷。
然後，對鋁胚進行均質化製程，如操作120所示。當進行均質化製程時，鋁胚中之組成物可均勻地擴散分佈，而利於後續析出物之形成，進而可提升所製得鋁合金材料之烘烤強度與耐壓性。其次，於鑄造鋁胚時，部分組成物易形成尺寸較大之析出顆粒。於進行均質化製程時，此些析出顆粒可進一步被細化縮小。均質化製程之溫度不小於615℃。在一些實施例中，均質化製程之溫度係小於鋁胚之熔
點。若均質化製程之溫度小於615℃時，鋁胚中之組成物無法均勻擴散，而不利於後續析出物之形成，因此降低所製得之鋁合金材料之烘烤強度與耐壓性。在一些實施例中，均質化製程至少進行12小時。
於進行操作120後，對均質化製程所製得之均質化鋁胚進行冷卻製程130。其中，冷卻製程130包含多階段之冷卻步驟(如圖1所示之操作131至操作135)，以調整所製得鋁合金材料之析出物數量、尺寸與分佈。首先，第一冷卻步驟係先進行，以控制析出物之尺寸。在一些實施例中，第一冷卻步驟係將均質化鋁胚由均質化製程之溫度緩慢冷卻至520℃。在一些實施例中，第一冷卻步驟係於2小時至6小時內將均質化鋁胚冷卻至520℃。若第一冷卻步驟係冷卻至小於520℃時，析出物之數量將過多且過密，而降低所製得鋁合金材料之烘烤強度與耐壓性。
於進行第一冷卻步驟後，進行第二冷卻步驟，以進一步降低鋁胚之溫度。於第二冷卻步驟中，為避免析出物大量析出，鋁胚須快速降溫至設定溫度(即低於易形成析出物的溫度範圍之溫度)，以控制後續所形成之釘紮顆粒的密度，而使所製得之鋁合金材料滿足應用之需求。在一些實施例中，第二鋁卻步驟係於3小時內，將經第一冷卻步驟冷卻後之鋁胚冷卻至350℃或更低之溫度。換言之，於本發明之冷卻製程130中，鋁胚中之析出物主要係於第一冷卻步驟時析出。
於進行第二冷卻步驟後，進行第三冷卻步驟。由於鋁胚於第二冷卻步驟之溫度已低於易形成析出物之溫度，故第三冷卻步驟之冷卻速率沒有特別之限制。在一些實施例中，為縮短冷卻製程之時間，第三冷卻步驟可於鋁胚不變形之條件下，直接水淬至室溫。
於進行冷卻製程130後，對所製得之冷卻鋁胚進行熱軋製程，以製得熱軋鋁捲，如操作140所示。在一些實施例中，熱軋製程包含熱粗軋步驟與熱精軋步驟。一般而言，於進行熱粗軋步驟之後，由於設備之限制，故經熱粗軋之熱軋鋁片須經一停留時間才可輸送至熱精軋機，以進行接續之熱精軋步驟(可理解的是，此停留時間即為熱粗軋步驟與熱精軋步驟之間隔時間)。惟，熱軋製程係於高溫下進行，故為避免過長之停留時間導致鋁片中之析出物再次析出，停留時間係不大於360秒。其次，為避免經熱粗軋步驟所製得之鋁合金片的溫度降低過多，而須重新加熱，故停留時間係不大於360秒。
在一些實施例中，熱軋製程之完軋盤捲溫度可大於350℃，且熱軋製程所製得之熱軋鋁捲的冷卻速率不大於1℃/分鐘，以維持所需之固溶量。
於進行操作140後，對熱軋鋁捲進行冷軋製程，即可製得本發明之鋁合金材料，如操作150與操作160所示。在一些實施例中，冷軋製程之冷軋量可為85%至90%。於所製得之鋁合金材料中，藉由前述之均質化製程、冷卻製程與熱軋製程，鋁合金材料具有粒徑小於1μm之釘
紮顆粒(即析出物)。在一些具體例中，釘紮顆粒於鋁合金材料之顆粒密度為30個/μm3至80個/μm3。
於後端應用時，所製得之鋁合金材料經220℃之烘烤後，鋁合金材料之降伏強度係大於260MPa，且降伏強度的降幅不大於20MPa。據此，本發明所製得之鋁合金材料具有良好之烘烤強度。其次，由於釘紮顆粒係分佈於鋁合金材料中，故釘紮顆粒可提供釘紮力，而可有效抑制晶界與差排(dislocation)之移動。因此，經高溫烘烤後，鋁合金材料於橫方向(即垂直於軋延方向)上的次晶粒之平均尺寸係不大於1.5μm，且次晶粒並無明顯粗化。另外，於烘烤時，釘紮顆粒可有效抑制差排的移動，而可降低差排之消散速度，進而抑制差排密度減少(即抑制回復速度)的程度。在一些具體例中，於烘烤後，鋁合金材料之差排密度不小於1012cm/cm3。
由於本發明之鋁合金材料具有適當數量之釘紮顆粒，故所製得鋁合金材料之耐壓性係不小於6.4Kg/cm2，而可滿足後端應用之需求。
在一些實施例中，於進行冷軋製程前，本發明之製作方法100不須進行中間退火製程。故，本發明之製作方法100可有效降低能量之損耗，並縮短製程時間。
在一應用例中，本發明之鋁合金材料具有適當數量之析出物，而可有效釘紮晶界與差排於烘烤時之移動，進而可抑制鋁合金材料經烘烤時之次晶粒粗化程度與差排
之消散速度。因此，所製得之鋁合金材料具有良好之烘烤強度與耐壓性。
以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。
以下係根據第1表製備實施例1至實施例4與比較例1至比較例7之鋁合金材料。
首先，對滿足3104鋁合金之規範的鋁合金原料進行澆鑄製程，以製得實施例1之鋁胚。其中，銅與鋅之含量分別為0.23重量百分比。然後，以大於615℃之溫度對鋁胚進行均質化製程。經過12小時後，對鋁胚進行冷卻製程，其中冷卻製程係區分為三個階段。於第一冷卻步驟中，鋁胚係於3.8小時內由均質化溫度冷卻至520℃。然後，進行第二冷卻步驟，以於2.14小時內由520℃冷卻至350℃。接著，以水淬之方式直接將鋁胚冷卻至室溫。
進行冷卻製程後，對鋁胚進行熱軋製程。其中，熱粗軋步驟所製得之鋁合金片經196秒之停留時間後，進行熱精軋步驟。熱精軋步驟所製得之熱軋鋁捲的完軋盤捲溫度為362℃，且冷卻速率為0.62℃/min。熱軋製程所製得之鋁捲係進一步進行冷軋量為85%至90%之冷軋製程，以製得
實施例1之鋁合金材料，並以下述之評價方式進行評價，其結果如第1表所示。
實施例2至實施例4與比較例1至比較例6係使用與實施例1之鋁合金材料相同之製造方法，不同之處在於實施例2至實施例4及比較例1至比較例6係改變鋁胚中之銅與鋅的含量，以及冷卻製程、熱軋製程與冷軋製程等之參數設定。其條件及評價結果如第1表所示，在此不另贅述。
比較例7係使用與實施例1之鋁合金材料相同之製造方法，不同之處在於比較例7係改變鋁胚中之銅與鋅的含量，且於進行均質化製程後，以特定之設備於5小時內將鋁胚由均質化溫度緩冷至480℃至520℃，並於同一設備中直接進行熱軋製程。經熱軋製程與冷軋製程後，即可製得比較例7之鋁合金材料。所得之鋁合金原料以下述之評價方式進行評價，其結果如第1表所示。
實施例1至實施例4與比較例1至比較例7所製得之鋁合金材料的顆粒密度係以穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscope；TEM)來量測。
實施例1至實施例4與比較例1至比較例7所製得之鋁合金材料的突耳率係以本發明所屬技術領域具有通常知識者所熟知之方法量測，並以下述之基準進行評價：
◎：突耳率約為1%。
○：突耳率約為2%。
×：突耳率約為3%。
首先，分別對實施例1至實施例4與比較例1至比較例7所製得之鋁合金材料放置於220℃之環境中，以進行烘烤製程。然後，以穿透式電子顯微鏡來量測鋁合金材料中之次晶粒的尺寸。其中，次晶粒尺寸係指於橫方向(即垂直於軋延方向)上之次晶粒所對應的等效橢圓之長軸。
首先，分別對實施例1至實施例4與比較例1至比較例7所製得之鋁合金材料放置於220℃之環境中，以進行烘烤製程。然後，以穿透式電子顯微鏡來量測鋁合金材料中之差排密度。
首先，以本發明所屬技術領域具有通常知識者所熟知之方法與儀器來量測實施例1至實施例4與比較例1至比較例7所製得之鋁合金材料的降伏強度。
然後，分別將鋁合金材料放置於220℃之環境中，以進行烘烤製程。待進行烘烤製程後，以本發明所屬技術領域具有通常知識者所熟知之方法與儀器來量測烘烤後
之鋁合金材料的降伏強度，並計算烘烤前後，鋁合金材料之降伏強度的降幅。
首先，分別對實施例1至實施例4與比較例1至比較例7所製得之鋁合金材料放置於220℃之環境中，以進行烘烤製程。然後，以本發明所屬技術領域具有通常知識者所熟知之方法與儀器來量測烘烤後之鋁合金材料的耐壓性。
請參照第1表。於實施例1至實施例4中，由於所製得之鋁合金材料具有適當數量之釘紮顆粒(每立方微米之鋁合金材料具有30個至80個釘紮顆粒)，故於進行烘烤製程時，此些釘紮顆粒可提供足夠之釘紮力，以限制次晶粒與差排之移動，而可抑制次晶粒之粗化與差排消散的程度，進而確保鋁合金材料於烘烤後仍具有良好之降伏強度，並降低鋁合金材料於烘烤後之降伏強度的降幅。據此，實施例1至實施例4所製得之鋁合金材料具有良好之烘烤強度。另外，由於烘烤後之鋁合金材料具有良好之降伏強度，故其亦具有良好之耐壓性。
於比較例1中，由於第一冷卻步驟之時間過長，而使得冷卻速率過於緩慢，進而導致所析出之釘紮顆粒粗化，故於烘烤時，釘紮顆粒對於晶粒粗化之抑制效果與差排消散的限制效果係被減弱。據此，於烘烤製程後，比較例1所製得之鋁合金材料具有較大之強度降幅，而具有較差之降伏強度。於比較例2中，由於第二冷卻步驟之時間過長，而
使得第二冷卻步驟之冷卻速率過慢，而大幅增加析出物之析出量，進而、降低鋁合金材料中之固溶量，因此減少其中之強化相。據此，於烘烤製程後，所製得之鋁合金材料具有較差之烘烤強度，且此鋁合金材料具有較差之突耳率，而降低鋁合金材料之成品性質。
顯然，本發明之鋁合金材料藉由多段冷卻來調控釘紮顆粒之析出數量與尺寸，藉以提升其所提供之釘紮力，而可提升所製得鋁合金材料的烘烤強度與耐壓性，進而滿足後端應用之需求。
於比較例3至比較例5中，由於熱軋製程之停留時間被延長(即比較例3)，故鋁合金材料中之析出物於此階段大幅析出，而降低鋁合金材料之固溶量，進而降低烘烤後之降伏強度與耐壓性。其次，過低之完軋盤捲溫度與過快之冷卻速率均減少鋁合金材料中之固溶量，而降低鋁合金材料之烘烤強度與耐壓性。
據此，本發明之鋁合金材料的製作方法藉由適當之熱軋製程，而可調整所製得之熱軋鋁捲的固溶量，進而有效補強鋁合金材料，故本發明之鋁合金材料可具有良好之烘烤強度與耐壓性。
另外，於比較例6中，鋁胚含有過少之銅與鋅，而降低所製得鋁合金材料之耐壓性，故無法滿足後端應用之需求。於比較例7中，由於鋁合金材料係以特定設備製作，故其設備成本較高昂。再者，由於比較例7之鋁合金材料於緩冷至設定溫度(480℃至520℃)後，即直接進行熱軋製
程，故比較例7之鋁合金材料缺乏本發明前述之第二冷卻步驟。因此，比較例7之鋁合金材料具有過多之析出顆粒，而具有較高之強度降幅，故具有較差之耐壓性。
依據前述之說明可知，本發明之鋁合金材料的製作方法藉由均質化製程、分段冷卻與具有特定參數之熱軋製程，調整鋁合金材料中所析出之釘紮顆粒的數量與尺寸，而可提供適當之釘紮力，進而提升鋁合金材料之烘烤強度與耐壓性。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧方法
110/120/131/133/135/140/150/160‧‧‧操作
130‧‧‧冷卻製程
Claims (10)
- 一種鋁合金材料的製作方法，包含：提供一鋁胚，其中該鋁胚之材料為3000系鋁合金；對該鋁合金胚料進行一均質化製程，以製得一均質化鋁胚，其中該均質化製程之一溫度不小於615℃；對該均質化鋁胚進行一冷卻製程，以製得一冷卻鋁胚，其中該冷卻製程包含：進行一第一冷卻步驟，其中該第一冷卻步驟係於2小時至6小時內將該均質化鋁胚由該均質化製程之該溫度冷卻至520℃；進行一第二冷卻步驟，其中該第二冷卻步驟係於3小時內由520℃冷卻至350℃；以及進行一第三冷卻步驟，其中該第三冷卻步驟係由350℃水淬至室溫；對該冷卻鋁胚進行一熱軋製程，以製得一熱軋鋁捲；以及對該熱軋鋁捲進行一冷軋製程，即可製得該鋁合金材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金材料的製作方法，其中該鋁胚包含大於0.2重量百分比之銅與大於0.2重量百分比之鋅。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金材料的製作方法，其中該均質化製程之該溫度小於該鋁胚之一熔點。
- 如申請專利範圍第3項所述之鋁合金材料的製作方法，其中該均質化製程至少進行12小時。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金材料的製作方法，其中該熱軋製程包含一熱粗軋步驟與一熱精軋步驟，且該熱粗軋步驟與該熱精軋步驟之一間隔時間不大於360秒。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金材料的製作方法，其中該熱軋製程之一完軋盤捲溫度大於350℃。
- 如申請專利範圍第6項所述之鋁合金材料的製作方法，其中該熱軋鋁捲之一冷卻速率每分鐘不大於1℃。
- 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金材料的製作方法，於進行該冷軋製程前，該製作方法不進行中間退火製程。
- 一種鋁合金材料，係藉由如申請專利範圍第1至8項中之任一項所述之製作方法所製得，其中該鋁合金材料於每立方微米(μm3)之單位體積含有30至80個釘紮顆粒，且每一該些釘紮顆粒之粒徑小於1μm。
- 如申請專利範圍第9項所述之鋁合金材料，其中經220℃之一烘烤製程後，該鋁合金材料之一降伏強度係大於260MPa，且該降伏強度的降幅不大於20MPa。
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