TWI888188B - 7xxx系鋁合金、其製造方法及汽車結構材料 - Google Patents

Abstract

本發明開發一種7XXX系鋁合金的成形製程，其作法係結合鋁廠及成形廠的製程條件，而在烤漆條件不變下，調整合金成份，使滿足10 wt%＜Zn+Mg+4Mn+Cu＜12 wt%。接著施加適當的製程以獲得特定厚度的鋁捲。然後，進行成形兼時效製程，藉由控制模具溫度，促使高溫鋁片直接冷至成核溫度範圍，以避免造成烤漆強度弱化的不良原子團GPI析出，後續搭配晶核安定化處理，以確保利於烘烤強化的適當原子團GPII得以順利成長。藉此，可進一步延長室溫庫存時間達半年以上，且經車廠烘烤後，強度亦符合安全需求。

Description

7XXX系鋁合金、其製造方法及汽車結構材料

本發明是關於一種鋁合金及其製造方法，特別是關於一種用做汽車組件之鋁合金及其製造方法。

節能減碳使得汽車輕量化議題持續加溫，使得鋁合金的應用逐漸從外觀組件延伸至內構件。其中7XXX系的鋁-鋅-鎂-銅(Al-Zn-Mg-Cu)航空用鋁合金之比強度不亞於15B22熱衝壓鋼，不但可取代鋼材於汽車上保護駕駛與乘客安全的功能，更能進一步減輕汽車重量。因此，鋁材於車輛之滲透率逐年攀升。然而，我國汽車或電動車產業的內需及經濟規模均較小，而多以外銷為主，所生產之零組件需藉由海運運輸至全球各地指定車廠。根據車廠的用料習慣，因車款不同使得零組件設計不盡相同，故不會馬上逕行組裝，而是按廠家並累積足量才一併生產，因而導致室溫存放時間持續延長。

不幸的是，7XXX系Al-Zn-Mg-Cu鋁合金為析出硬化型鋁合金，於室溫下容易發生時效硬化的現象，且 硬度會隨儲存時間延長而增加，則於組裝成車後施加烤漆處理時，會導致烘烤強度增幅不足而無法符合安全規範。因此，先進鋁廠大多採取與車廠為鄰的策略，如日本分別於北美、墨西哥、中國及泰國等地就近設廠，然此舉投資金額太過高昂，不適合我國產業生態的屬性(我國無汽車產業鏈，多需送至世界各地進行組裝)。

另外，7XXX系鋁合金的室溫成形性並遍不佳，對於衝程較大且造型複雜的結構鈑件容易衝裂，故須利用提高成形溫度，以克服此問題。舉例而言，專利公開號為WO 2008059242A2、WO 2016067045A1及CN 102216484A的習知技術係透過整併工序的作法，將高溫固溶及加工成形整合為一，再將高溫狀態下的鋁材傳送至模具(冷模)上同時進行成形及淬火。此外，尚需將已成形的零組件依照AMS-2772的規範施予冗長的人工時效熱處理，例如以約121℃的溫度進行24小時，方可提高強度。然而，此舉不但耗時費能又增碳，且大量佔用爐子以致產率降低。再加上組裝成車後，尚需烤漆處理，反使得強度發生軟化終不敷安全需要，而無法順利出貨。

為了縮短人工時效時間過長的問題，中國專利公開號CN 110191970A採取冶金概念，將高溫成形及急冷後的零組件，立即進行低溫短時間的熱處理，以生成足夠核種，使之於車廠進行烤漆時，強度得以持續提升，從而取代冗長的時效處理。缺點是形成之核種種類較多元，自然混雜相當比例的不良原子團GPI，易衍生庫存硬化的 問題，海運或庫存時間若稍長一點，將導致烤漆後強化效果驟減而不合規範，大大增加產品性質的不穩定性。

此外，中國專利公開號CN 104959437A係先將模具進行預熱，將凹模溫度加熱至160℃至250℃，凸模溫度則保持室溫，將厚度為0.8mm至1.5mm的6XXX系-T4板材不經加熱放置於模具上進行成形。成形結束後模具需進行保壓，保壓過程不超過5分鐘，接著取出成形後的板材空冷至室溫，以得到主要強化相。缺點是為了使板材在後續烤漆時可提高強度，故需在模具成形後進行約5分鐘內的保壓，然過長的保壓時間會降低生產速率。此外，前述專利的原料要求為已熱處理的T4狀態，不同於本發明的一般冷軋料，故與本案的設計理念大相逕庭。

臺灣專利公告號TW I728287B則能有效同時解決上述人工時效處理及存放硬化的問題，但其設計係針對鋁廠所生產的鋁捲，非本發明同時針對鋁廠、車廠或代工成形廠的要求。再者，其強度較低，僅為規範要求的一半，故無法符合安全性的要求。

有鑑於此，本發明整合鋁廠及汽車產業一級供應商(tier 1)及設備製造商的製程，在不增加成本負擔的條件下，藉由適當調控主要強化元素的比例為10wt%<Zn+Mg+4Mn+Cu<12wt%，再經必要的生產過程後，從而獲得厚度為1mm至4mm的鋁捲。然後，在成形廠利用高溫成形輔以適當的模具溫度，以調控冷卻速 度，促使鋁材得以冷卻至強化相的最適成核溫度範圍(例如100℃至150℃)，避免直接冷至室溫，反而產生造成烤漆強度弱化的不良原子團GPI析出。此外，在慮及年產量的要求下，合模保壓時間須不大於15秒。因此，後續當須搭配以120℃至160℃的溫度進行60分鐘至300分鐘的晶核安定化處理，以確保利於烘烤強化的適當原子團GPII得以順利成長，達到改變晶核種類及尺寸的目的，從而提高材料穩定性，故可延長室溫庫存時間達半年以上。再經車廠烤漆後，鋁合金的強度得以進一步提高至安規所需，而足以滿足全球化汽車產業的各式需求。

本發明之一態樣是提供一種鋁合金的製造方法，其係藉由控制鋁胚的成分及晶核安定化處理，以延長鋁合金的室溫庫存時間。

本發明之另一態樣是提供一種鋁合金，其係利用上述態樣所製得。

本發明之再一態樣是提供一種汽車結構材料，其係包含上述態樣的鋁合金。

根據本發明之一態樣，提供一種鋁合金的製造方法，其係包含提供鋁胚；對鋁胚進行軋延操作，以獲得冷軋鋁捲；對冷軋鋁捲進行成形操作，以獲得成形鋁片；以及對成形鋁片進行晶核安定化處理，以獲得鋁合金。基於鋁胚為100wt%，前述鋁胚包含3.5wt%至7.5wt%的 鋅、1.0wt%至4.0wt%的鎂、不大於3.0wt%的銅、不大於0.5wt%的矽、不大於0.5wt%的鐵、不大於0.3wt%的鈦、不大於0.5wt%的錳、不大於1.5wt%的雜質及平衡量的鋁，且鋁胚中的鋅(Zn)、鎂(Mg)、銅(Cu)和錳(Mn)滿足下式：10wt%<Zn+Mg+4Mn+Cu<12wt%。前述成形操作包含將冷軋鋁捲放置於模具中，且模具的合模溫度為100℃至150℃。前述晶核安定化處理的安定化處理溫度為120℃至160℃，且晶核安定化處理的安定化處理時間為60分鐘至300分鐘。鋁合金為7XXX系鋁合金。

根據本發明之一實施例，在進行軋延操作之前，對鋁胚進行兩段式均質化處理，其中兩段式均質化處理包含第一段均質化處理，其中第一段均質化處理的處理溫度為465℃至485℃，且第一段均質化處理的處理時間為12小時至36小時；以及第二段均質化處理，其中第二段均質化處理的處理溫度為470℃至500℃，且第二段均質化處理的處理時間為12小時至48小時。

根據本發明之一實施例，上述軋延操作包含對鋁胚進行熱軋操作，以獲得熱軋鋁捲；以及對熱軋鋁捲進行冷軋操作，以獲得冷軋鋁捲。

根據本發明之一實施例，上述冷軋鋁捲之厚度為1mm至4mm。

根據本發明之一實施例，在冷軋鋁捲放置於模具中的操作之前，成形操作更包含加熱冷軋鋁捲至400℃至 500℃。

根據本發明之一實施例，在冷軋鋁捲放置於模具中的操作之後，成形操作更包含對冷軋鋁捲進行保壓操作，其中保壓操作的保壓時間為不小於10秒。

根據本發明之一實施例，上述方法更包含對鋁合金進行烤漆處理，其中烤漆處理的烤漆溫度為170℃至205℃，且烤漆處理的烤漆時間為20分鐘至30分鐘。

根據本發明之一實施例，上述鋁合金在進行烤漆處理之前的庫存時間不短於六個月。

根據本發明之另一態樣，提供一種鋁合金，其係利用上述態樣所述之鋁合金的製造方法所製得。

根據本發明之另一態樣，提供一種汽車結構材料，其係包含上述態樣的鋁合金。

應用本發明之鋁合金及其製造方法，其係藉由控制鋁胚的成分組成以及晶核安定化處理的條件，以析出特定原子團，進而提高材料穩定性並延長鋁合金的室溫庫存時間，且能具有符合安全規範的強度。

100:方法

110,120,130,140:操作

根據以下詳細說明並配合附圖閱讀，使本揭露的態樣獲致較佳的理解。需注意的是，如同業界的標準作法，許多特徵並不是按照比例繪示的。事實上，為了進行清楚討論，許多特徵的尺寸可以經過任意縮放。

[圖1]係繪示根據本發明一些實施例之鋁合金的製造方法 的流程圖。

如本發明所使用的「大約(around)」、「約(about)」、「近乎(approximately)」或「實質上(substantially)」一般係代表在所述之數值或範圍的百分之20以內、或百分之10以內、或百分之5以內。

鋁合金(例如7XXX系鋁合金)因強度高，且性能不亞於1500MPa等級的熱衝壓鋼，而成為輕量化的電動車及燃油車的主要材料之一。然而，鋁合金材料在室溫庫存時具有自然時效硬化的缺點，但車廠於組裝前通常需要長時間的運輸與集中，則自然時效硬化的問題會導致鋁合金在後續烤漆處理後的強度下降，而不符合安全規範。因此，本發明提供一種鋁合金及其製造方法，其係藉由控制鋁胚的成分比例以及晶核安定化處理的條件，以析出特定原子團，進而提高材料穩定性並延長鋁合金的室溫庫存時間，且能具有符合安全規範的強度。

請參閱圖1，其係繪示根據本發明一些實施例之鋁合金的製造方法100的流程圖。首先，進行操作110，提供鋁胚。在一些實施例中，鋁胚的成分係符合7XXX系鋁合金的成分。在一些實施例中，基於鋁胚為100wt%，鋁胚包含3.5wt%至7.5wt%的鋅、1.0wt%至4.0wt%的鎂、不大於3.0wt%的銅、不大於0.5wt%的矽、不大於0.5wt%的鐵、不大於0.3wt%的鈦、不大於0.5 wt%的錳、不大於1.5wt%的雜質及平衡量的鋁。在前述實施例中，鋁胚中的鋅(Zn)、鎂(Mg)、銅(Cu)和錳(Mn)滿足下式：10wt%<Zn+Mg+4Mn+Cu<12wt%。若鋁胚不符合前述條件，例如前述總和小於或等於10wt%，則易生成過多粗大魚骨狀顆粒，使得後續製得之鋁合金不耐衝擊且易破裂；反之，若前述總和大於或等於12wt%，則會形成過多AlCuMg相，而消耗大量的強化原子，進而造成後續製得之鋁合金的強度及安全性不足。

接著，進行操作120，對鋁胚進行軋延操作，以獲得冷軋鋁捲。在一些實施例中，軋延操作包含先對鋁胚進行熱軋操作，以獲得熱軋鋁捲；以及對熱軋鋁捲進行冷軋操作，以獲得冷軋鋁捲。在一些實施例中，冷軋鋁捲的完軋厚度為約1mm至約4mm，但完軋厚度仍須視產品需求而定，故本發明不限於此。

在一些實施例中，在進行操作120之前，可選擇性地對鋁胚進行兩段式均質化處理，以消除低熔點相，並進一步提高固溶原子的含量。再者，兩段式均質化處理可使較粗大晶相被球化，可避免在進行軋延操作時產生裂邊或斷裂，亦避免後續成形時因過多的粗大顆粒而導致破裂發生。

在一些實施例中，兩段式均質化處理包含第一段均質化處理及第二段均質化處理，其中第一段均質化處理的處理溫度為約465℃至約485℃，且處理時間為約12小時至約36小時；而第二段均質化處理的處理溫度為約 470℃至約500℃，且處理時間為約12小時至約48小時。

接著，進行操作130，對冷軋鋁捲進行成形操作，以獲得成形鋁片。在一些實施例中，成形操作包含將冷軋鋁捲加熱至約400℃至約500℃。前述範圍的加熱溫度為較佳的成形溫度，可使所得之成形鋁片具有較佳的延性且不易脆化，故不易破裂而可順利成形。

在一些實施例中，成形操作還包含將前述加熱後的冷軋鋁捲放置於模具中合模衝壓成形，其中模具係先預熱至約100℃至約150℃的合模溫度，促使鋁片冷卻至適當的成核溫度，以避免在後續製程中析出會造成強度弱化的不良原子團GPI。若合模溫度太低(例如小於100℃)，則冷卻速度太快，而導致析出的晶核種類彼此競爭，故無法有效抑制不良原子團GPI的析出；反之，若合模溫度太高(例如大於120℃)，則會直接反應成粗大相，導致成品的強度太低且不耐衝撞。

在一些實施例中，成形操作還包含對模具中的冷軋鋁捲進行保壓操作，其中保壓操作的保壓時間為不小於10秒，較佳為約10秒至約15秒。若保壓時間太短(例如小於10秒)，則強化原子團GPII的成核量不足，且會導致不良原子團GPI析出，而導致鋁合金在後續製程中發生庫存硬化的行為，進而使成品強度弱化。因此，適當的保壓時間可使強化原子團GPII析出的數量增加，且可減少製程成本。

然後，進行操作140，對成形鋁片進行晶核安定化處理，以獲得鋁合金。在一些實施例中，晶核安定化處理的安定化處理溫度為約120℃至約160℃，且晶核安定化處理的安定化處理時間為約60分鐘至約300分鐘。若安定化處理溫度太低(例如小於120℃)或安定化處理時間過短(例如小於60分鐘)，則安定化效果不佳；反之，若安定化處理溫度太高(例如大於160℃)或安定化處理時間過長(例如大於300分鐘)，則會迫使晶核直接演化成粗大相，則鋁合金在後續製程中強度會持續降低，不符合安全規範。

在一些實施例中，可選擇性地對鋁合金進行烤漆處理。在一具體例中，烤漆處理的烤漆溫度為約170℃至約205℃，且烤漆時間為約20分鐘至約30分鐘。在一些實施例中，鋁合金在進行烤漆處理之前，可於室溫庫存的時間不短於六個月。換言之，所製得之鋁合金具有良好的經時穩定性(aging stability)。

藉由方法100所製得之鋁合金可做為汽車鋁製零組件，其在完成車體組裝及烤漆處理後的強度可滿足安全要求且具有良好的經時穩定性。因此，可同時兼顧安全及輕量化的需求，亦可符合車廠的用料習慣。

以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，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。

實施例一

實施例一係利用符合國際規範AA7075的鋁胚，且基於鋁胚為100wt%，鋁胚中的Zn+Mg+4Mn+Cu為11.1wt%。將鋁胚經過兩段式均質處理，其中第一段均質化處理的處理溫度為465℃至約485℃，且處理時間為約12小時至約36小時；而第二段均質化處理的處理溫度為約470℃至約500℃，且處理時間為約12小時至約48小時。接著，對經兩段式均質處理後的鋁胚依序進行熱軋操作及冷軋操作，以獲得厚度為1mm至4mm的冷軋鋁捲。

然後，將冷軋鋁捲加熱至約400℃至約500℃，接著放置於預熱至103℃的模具中，並進行12秒的保壓操作，以獲得成形鋁片。接著，以121℃的安定化處理溫度對成形鋁片進行120分鐘的晶核安定化處理，以獲得鋁合金。將鋁合金放置於室溫，經過半年的庫存時間後，進行烤漆處理，其中烤漆處理的烤漆溫度為170℃至205℃，且烤漆時間為20分鐘至30分鐘。最後，對烤漆處理後的成品進行強度及三點彎曲的耐撞能力測試。測試結果如下表一所示，耐撞能力符合規範的以V表示，不合規範的以X表示。

實施例二至三及比較例一至七

實施例二至三及比較例一至七係利用與實施例一 相似的製程來製造鋁合金，其差異僅在於鋁胚的Zn+Mg+4Mn+Cu含量總和、合模溫度、保壓時間及晶核安定化處理條件。實施例二至三及比較例一至七的製程條件及測試結果係如下表一所示。

如表一所示，實施例一至三所製得之鋁合金皆具有符合規範的強度及耐撞能力。相對地，比較例一的元素組合低於要求，易生成過多粗大魚骨狀顆粒，使得後續製得之鋁合金不耐衝擊且易破裂；而比較例二的元素組合高於要求，會形成過多AlCuMg相，而消耗大量的強化原子，進而造成強度不足。

比較例三的合模溫度太低，故冷卻速度太快，而導致析出的晶核種類彼此競爭，故無法有效抑制不良原子團GPI的析出；而比較例四的合模溫度太高，使得晶核直接反應成粗大相，無法滿足強度及耐撞能力的需求。比較例五的保壓時間過短，強化原子團GPII的成核量不足，且會導致不良原子團GPI析出，而導致鋁合金在後續製程 中發生庫存硬化的行為，進而使成品強度弱化。

比較例六是在晶核安定化處理中使用太低的安定化處理溫度，故安定化效果不佳；而比較例七則是在晶核安定化處理中使用太高的安定化處理溫度，迫使晶核直接演化成粗大相，則鋁合金在烤漆處理後強度持續降低，不符合安全規範。

根據上述實施例，本發明提供之鋁合金及其製造方法係藉由調控特定元素組成，並進行特定條件的成形操作及晶核安定化處理，以使鋁合金析出較多強化原子團，進而增加鋁合金的室溫庫存時間，並兼具足夠的強度，故可應用為汽車零組件。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，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

110,120,130,140:操作

Claims (9)

1. 一種鋁合金的製造方法，包含： 提供一鋁胚，其中基於該鋁胚為100 wt%，該鋁胚包含： 3.5 wt%至7.5 wt%的鋅； 1.0 wt%至4.0 wt%的鎂； 不大於3.0 wt%的銅； 不大於0.5 wt%的矽； 不大於0.5 wt%的鐵； 不大於0.3 wt%的鈦； 不大於0.5 wt%的錳； 不大於1.5 wt%的雜質；及 平衡量的鋁，且該鋁胚中的鋅(Zn)、鎂(Mg)、銅(Cu)和錳(Mn)滿足下式： 10 wt%＜Zn+Mg+4Mn+Cu＜12 wt%； 對該鋁胚進行一軋延操作，以獲得一冷軋鋁捲； 對該冷軋鋁捲進行一成形操作，以獲得一成形鋁片，其中該成形操作包含： 加熱該冷軋鋁捲至400℃至500℃；及 將加熱後的該冷軋鋁捲放置於一模具中，其中該模具的一合模溫度為100℃至150℃；以及 對該成形鋁片進行一晶核安定化處理，以獲得該鋁合金，其中該晶核安定化處理的一安定化處理溫度為120℃至160℃，且該晶核安定化處理的一安定化處理時間為60分鐘至300分鐘，且該鋁合金為7XXX系鋁合金。
2. 如請求項1所述之鋁合金的製造方法，更包含： 在進行該軋延操作之前，對該鋁胚進行一兩段式均質化處理，其中該兩段式均質化處理包含： 一第一段均質化處理，其中該第一段均質化處理的一處理溫度為465℃至485℃，且該第一段均質化處理的一處理時間為12小時至36小時；以及 一第二段均質化處理，其中該第二段均質化處理的一處理溫度為470℃至500℃，且該第二段均質化處理的一處理時間為12小時至48小時。
3. 如請求項1所述之鋁合金的製造方法，其中該軋延操作包含： 對該鋁胚進行一熱軋操作，以獲得一熱軋鋁捲；以及 對該熱軋鋁捲進行一冷軋操作，以獲得該冷軋鋁捲。
4. 如請求項1所述之鋁合金的製造方法，其中該冷軋鋁捲之一厚度為1 mm至4 mm。
5. 如請求項1所述之鋁合金的製造方法，其中在該冷軋鋁捲放置於該模具中的操作之後，該成形操作更包含： 對該冷軋鋁捲進行一保壓操作，其中該保壓操作的一保壓時間為不小於10秒。
6. 如請求項1所述之鋁合金的製造方法，更包含： 對該鋁合金進行一烤漆處理，其中該烤漆處理的一烤漆溫度為170℃至205℃，且該烤漆處理的一烤漆時間為20分鐘至30分鐘。
7. 如請求項6所述之鋁合金的製造方法，其中該鋁合金在進行該烤漆處理之前的一庫存時間不短於六個月。
8. 一種鋁合金，利用請求項1至7之任一者所述之鋁合金的製造方法所製得。
9. 一種汽車結構材料，包含請求項8所述之鋁合金。

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