一種汽車用高成形性鋁合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種汽車用高成形性鋁合金材料及其制備方法；包括：新型鋁合金成分選擇，合金配制和熔煉鑄造，均勻化，熱軋變形，中間退火或冷軋變形+中間退火，冷軋變形，固溶，淬火和多級預(yù)時效處理。所述合金材料利用不同溶質(zhì)元素間可形成一定量多尺度粒子，進而在高溫?zé)崽幚磉^程中同時發(fā)揮粗大粒子刺激再結(jié)晶形核而細小粒子阻礙再結(jié)晶晶粒長大的雙重作用，使得合金板材在沖壓成形前的組織由細小均勻分布的再結(jié)晶晶粒構(gòu)成；使得合金板材各向異性得到很好控制，且沖壓成形性能較為優(yōu)異。同時具有高成形性和高烤漆硬化增量的新型鋁合金非常適合應(yīng)用于汽車車身外板的制造，特別是對沖壓成性能以及烤漆硬化增量有較高要求的復(fù)雜形狀零部件的制造。
【專利說明】一種汽車用高成形性鋁合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋁合金【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種汽車用高成形性鋁合金材料及其制備方法，特別針對汽車領(lǐng)域車身外板用鋁合金對成形性能和抗凹陷性能的特殊要求而開發(fā)，可以保證鋁合金板材成形前各向異性得到較好控制，并具有優(yōu)異的沖壓成形性能，而成形后在短時烤漆過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的烤漆硬化特性。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車數(shù)量的不斷增加，空氣污染和氣候狀況不斷惡化，世界各國對節(jié)能、減排的意識不斷增強。因此，如何實現(xiàn)汽車輕量化進而達到節(jié)能減排的目的已經(jīng)成為汽車領(lǐng)域進一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。而鋁合金由于具有眾多獨特的優(yōu)點，是新一代汽車輕量化的關(guān)鍵材料。相比而言，幾大系列鋁合金中的6xxx系鋁合金(即Al -Mg-Si系合金)由于具有如下特點:可熱處理強化、耐蝕性好、焊接性好、易于表面著色以及成形性好，而且更為重要的是該系合金普遍具有較高的烤漆硬化特性(即刷漆后的成形部件再經(jīng)烤漆處理，其強度可以獲得進一步較大幅度的提升，進而使得合金板材具有較好的抗凹陷能力)，所有這些優(yōu)點使得該系合金非常適合應(yīng)用于汽車車身外板的加工，而且目前已經(jīng)有幾個牌號的合金獲得廣泛應(yīng)用，如AA6016，AA6111以及AA6022等。
[0003]將Al -Mg-Si系合金用作汽車車身外板的研究和應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)雖然該系合金具有較好的沖壓成形性能，r值一般可達0.55以上，但是與鋼鐵相比仍然存在一定差距。因此，在保證合金烤漆硬化性能較好的情況下如何進一步提高該系鋁合金的沖壓成形性能是其能夠得到更加廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在。由于汽車外板用Al -Mg -Si系合金的制備過程較長，涉及的熱加工工藝較為復(fù)雜。因此，隨著合金成分以及熱加工工藝參數(shù)的變化，合金板材的織構(gòu)組分和含量、顯微組織均會發(fā)生顯著變化，進而導(dǎo)致合金板材的沖壓成形性能也會發(fā)生大幅改變。已有研究表明，合金基體內(nèi)如果存在一定數(shù)量的粗大粒子(直徑dMym),變形態(tài)合金在高溫?zé)崽幚磉^程中會發(fā)生粒子刺激再結(jié)晶形核(即所謂的PSN效應(yīng))，導(dǎo)致粒子周圍出現(xiàn)大量再結(jié)晶核心，這些再結(jié)晶晶粒的出現(xiàn)也會使得合金板材的再結(jié)晶織構(gòu)以旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)Cubem和P織構(gòu)為主，這些織構(gòu)組分對于提高合金板材的沖壓性能較為有利。此外，考慮到合金基體內(nèi)如果僅存在粗大粒子，那么一方面細小再結(jié)晶晶粒分布會很不均勻，另一方面由PSN效應(yīng)產(chǎn)生的細小再結(jié)晶晶粒也很容易在熱處理過程中發(fā)生長大。因此，如果在成分設(shè)計過程中能夠進一步引入一定量的其它合金元素或者控制熱加工工藝使得冷軋態(tài)合金基體內(nèi)同時存在一定數(shù)量的粗大粒子和納米級的細小彌散粒子，那么冷軋態(tài)合金板材在后續(xù)固溶熱處理過程中一定可以形成大量細小的再結(jié)晶晶粒且不容易發(fā)生長大(詳見圖2所示示意圖)，最終使得合金板材再經(jīng)預(yù)時效處理能夠同時兼具有優(yōu)異的沖壓成形性能和烤漆硬化性能。本發(fā)明就是根據(jù)這一設(shè)計思想進行新合金成分設(shè)計和制備工藝開發(fā)的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對目前汽車車身外板用Al -Mg-Si系合金沖壓成形性能不夠理想的問題，開發(fā)一種具有優(yōu)異沖壓性能和較高烤漆硬化性能的新型鋁合金。該新型合金充分利用不同溶質(zhì)元素相互作用可以形成多尺度粒子(粗大粒子和細小粒子等)，這些多尺度粒子在熱加工過程中可以顯著影響位錯和晶界的運動方式，進而在高溫?zé)崽幚磉^程中同時發(fā)揮粗大粒子刺激再結(jié)晶形核(PSN效應(yīng))而細小粒子阻礙再結(jié)晶晶粒長大的雙重作用方式，最終使得合金板材在沖壓成形前的組織由細小均勻分布的再結(jié)晶晶粒構(gòu)成。此組織特征不僅可以保證合金板材各向異性得到很好控制，而且可以保證合金板材的沖壓成形性能較為優(yōu)異。此外，在合金成分設(shè)計時充分考慮了多相強化的突出貢獻，可以保證合金板材沖壓成形后具有較高的烤漆硬化增量，因此，發(fā)明合金在Al - Mg - S1- Cu合金體系的基礎(chǔ)上添加了一定量的兀素Zn,通過對Mg、S1、Cu和Zn主合金兀素的含量和配比進行很好地設(shè)計和優(yōu)化，最終使得合金板材不僅沖壓成形性能較為優(yōu)異，而且烤漆硬化增量也獲得了大幅度提升。該發(fā)明合金適合應(yīng)用于汽車車身外板的制造，特別是對沖壓成性能以及烤漆硬化增量有較高要求的復(fù)雜形狀零部件的制造。
[0005]本發(fā)明通過成分設(shè)計和優(yōu)化首先對新型高成形性和高烤漆硬化鋁合金的成分范圍進行選擇，然后通過熔煉鑄造等工序制備所設(shè)計合金并對顯微組織演化過程、成形性能和時效析出行為進行研究，最終確定具有高成形性和高烤漆硬化性能的新型鋁合金成分范圍以及合金板材的相應(yīng)制備方法。具體的制備工藝如下:新型鋁合金成分選擇一合金配制和熔煉鑄造一鑄錠均勻化一熱軋變形一中間退火(或冷軋變形一中間退火)一冷軋變形一固溶一淬火一預(yù)時效(如圖1所示)。
[0006]本發(fā)明的第一目的在于提出一種具有高成形性和高烤漆硬化性能的汽車車身外板用新型鋁合金，其特征在于該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比含量為:Ζη:0.02~
4.2wt%, Mg:0.4 ~1.5wt%, S1:0.2 ~1.25wt%, Cu:0.05 ~1.0wt%, Fe ( 0.65wt%,Mn:0.05 ~0.5wt%, Cr ( 0.25wt%, Ti ( 0.25wt%, B ( 0.2wt%，余量為 Al。
[0007]優(yōu)選地，其化學(xué)成分的Zn、Si和Cu含量范圍分別為Zn:.025~4.0wt %, Si:0.35~L Owt %, Cu:0.1~0.95wt %，其化學(xué)成分Mg、Si的Mg/Si質(zhì)量比范圍為1.0~
2.3, Fe ^ 0.55wt%, Mn:0.06 ~0.4wt%。
[0008]本發(fā)明的第二目的在于提出一種上述具有高成形性的汽車車身外板用鋁合金材料的制備方法，所述制備方法包括以下步驟:
[0009]步驟一、熔煉鑄造:首先將純鋁全部加入坩堝，將爐溫設(shè)定在850°C，待純鋁熔化后加入 Al - 20wt % S1、Al - 50wt % Cu、Al - 20wt% Fe、Al -1Owt% Mn 中間合金，并加入覆蓋劑(50wt% NaCl+50wt% KCl);繼續(xù)加熱熔體，待中間合金熔化，熔體溫度達到750°C后對其進行攪拌使溶質(zhì)元素混合均勻，然后在750°C保溫30min后設(shè)定爐溫使熔體降溫到710°C，然后向熔體中加入純Zn和純Mg，并充分攪拌使其徹底溶解；待熔體溫度再次達到730°C時取樣分析成分，如果成分測量值低于設(shè)計值，根據(jù)燒損情況適當(dāng)添加一定量的中間合金，如果成分測量值高于設(shè)計值，根據(jù)過量值適當(dāng)添加一定量的金屬純鋁進行稀釋；繼續(xù)待熔體升至740°C后扒渣、加入精煉劑進行除氣精煉；然后將熔體溫度降至約720°C時加入Al - 5wt% T1-1wt % B晶粒細化劑并進行適當(dāng)攪拌，最后在此溫度保溫IOmin后將熔體澆鑄到四周水冷的鋼模內(nèi)；
[0010]步驟二、單級或雙級均勻化:Zn含量低于0.5?〖％的鋁合金可以直接采用單級均勻化，即將熔煉鑄造后的合金試樣以20~50°C /h升溫到540~560°C保溫15~30h，然后再以20~50°C /h的降溫速率隨爐降溫至100°C時取出試樣；而Zn含量處于0.5wt%~
4.0wt%時，采用雙級均勻化工藝，即將熔煉鑄造后的合金試樣以20~50°C /h升溫速率開始升溫，待溫度達到450~490°C保溫2~6h，再以20~50°C /h繼續(xù)升溫到540~560°C保溫15~30h，然后再以20~50°C /h的降溫速率隨爐降溫至100°C時取出試樣；
[0011]步驟三、熱軋變形:將步驟二取出的試樣進行熱軋:開軋溫度在520~555 °C，道次壓下量為4%~36%，熱軋總變形量> 92%，終軋溫度低于300°C得到熱軋板材；
[0012]步驟四、中間退火或冷軋變形+中間退火:將步驟三得到的熱軋板材進行中間退火或冷軋變形+中間退火，然后直接取出進行空冷得到退火態(tài)板材；
[0013]步驟五、冷軋變形:將所述步驟四得到的退火態(tài)板材進行冷軋變形，所述冷軋變形的冷軋總變形量處于50%~85%之間，道次壓下量處于10%~35%之間得到冷軋板材；
[0014]步驟六、固溶處理:將步驟五得到的冷軋板材進行固溶處理:在545~560°C熱處理爐中進行I~15min的固溶處理,試樣升溫速率大于100°C /min ；
[0015]步驟七、淬火處理:將固溶處理后的合金試樣從固溶處理溫度以大于100°C /s的降溫速率冷卻到室溫得到淬火態(tài)試樣；
[0016]步驟八、多級預(yù)時效處理:將步驟七得到的淬火態(tài)試樣在2~5min內(nèi)轉(zhuǎn)移到100°C~130°c等溫預(yù)時效爐中進行I~30min的等溫預(yù)時效，然后將其轉(zhuǎn)移到60°C~90°C的等溫預(yù)時效爐中進行5 ~15h的等溫預(yù)時效處理，最后將其在室溫放置14天得到具有高成形性的鋁合金板材。
[0017]優(yōu)選的所述步驟四中的中間退火均以20°C /h~200°C /min的升溫速率升溫到300~500°C進行I~4h的退火處理，然后直接取出進行空冷。
[0018]優(yōu)選的所述步驟四中的冷軋變形+中間退火為冷軋變形道次壓下量為10~35%，總變形量為30~60%;中間退火均以20°C /h~200°C /min的升溫速率升溫到300~500°C進行I~4h的退火處理，然后直接取出進行空冷。
[0019]優(yōu)選的所述步驟五中的冷軋變形總變形量處于50%~75%之間，道次壓下量處于15%~30%之間。
[0020]優(yōu)選的所述步驟六中的固溶處理:在545~555 °C熱處理爐中進行2~8min的固溶處理，試樣升溫速率大于200°C /min。
[0021]優(yōu)選的所述步驟七中的淬火處理，將固溶處理后的合金試樣從固溶處理溫度以大于200°C /s的降溫速率冷卻到室溫得到淬火態(tài)試樣。
[0022]優(yōu)選的所述步驟八中的多級預(yù)時效處理,將淬火態(tài)試樣在2~5min內(nèi)轉(zhuǎn)移到110°C~130°C等溫預(yù)時效爐中進行I~15min的等溫預(yù)時效，然后將其轉(zhuǎn)移到60°C~80°C的等溫預(yù)時效爐中進行6~13h的等溫預(yù)時效處理，最后將其在室溫放置14天得到具有高成形性的鋁合金板材。
[0023]通過采用上述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性:本發(fā)明的汽車用高成形性和高烤漆硬化新型鋁合金可以充分利用基體內(nèi)的不同尺度粒子對再結(jié)晶晶粒形核、長大的復(fù)合交互作用，從而使得固溶處理后的再結(jié)晶晶粒尺寸細小且均勻，形成有利于提高沖壓成形性能的旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)或P織構(gòu)，或者織構(gòu)得到弱化；此外，發(fā)明合金充分利用溶質(zhì)元素Cu等對Mg - Si和Mg - Zn形成溶質(zhì)原子團簇或者相應(yīng)GP區(qū)的促進作用，并通過合適的加工和熱處理工藝調(diào)控使得合金板材經(jīng)預(yù)時效處理后，不僅可以表現(xiàn)出優(yōu)異的沖壓成形性能，而且也可以表現(xiàn)出優(yōu)異的烤漆硬化特性。本發(fā)明合金非常適合應(yīng)用于汽車車身外板用鋁合金的加工和生產(chǎn)，以及對沖壓成形性能有特定要求的其它零部件的生產(chǎn)使用，當(dāng)然也適合應(yīng)用于對鋁合金成形性能和時效響應(yīng)速度有較高要求的其它技術(shù)行業(yè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明合金制備工藝流程圖；
[0025]圖2不同尺度粒子刺激再結(jié)晶形核和長大過程模型圖(a) (b) (C)溶質(zhì)元素濃度較低的鋁合金，(d) (e) (f)溶質(zhì)元素濃度較高的鋁合金；
[0026]圖3實施例5中5#合金Imm冷軋態(tài)的TEM顯微組織；
[0027]圖4a為實施例5中5#合金固溶淬火態(tài)合金晶粒尺寸示意圖；
[0028]圖4b為實施例5中5#合金固溶淬火態(tài)合金晶粒取向的EBSD分析示意圖；
[0029]圖5a實施例6中6#合金固溶淬火態(tài)合金晶粒尺寸示意圖；
[0030]圖5b實施例6中6#合金固溶淬火態(tài)合金晶粒取向的EBSD分析示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實施方案對本發(fā)明做進一步的補充和說明。
[0032]圖1為本發(fā)明合金制備工藝流程圖；如圖所示制備工藝包括如下步驟:
[0033]原材料分別采用99.9被％的高純鋁、工業(yè)純Mg、工業(yè)純Zn、中間合金Al - 20wt%Si,Al -50wt% Cu,Al -20wt% Fe,Al -10wt%Mn等。在電阻爐中的具體熔煉過程為，首先將純鋁全部加入坩堝，將爐溫設(shè)定在850°C，待純鋁熔化后加入Al - 20wt% S1、Al - 50wt%Cu、Al - 20wt% Fe、Al -1Owt % Mn 中間合金，并加入覆蓋劑(50wt% NaCl+50wt% KCl);繼續(xù)加熱熔體，待中間合金熔化，熔體溫度達到750°C后對其進行攪拌使溶質(zhì)元素混合均勻，然后在750°C保溫30min后設(shè)定爐溫使熔體降溫到710°C，然后向熔體中加入純Zn和純Mg，并充分攪拌使其徹底溶解；待熔體溫度再次達到730°C時取樣分析成分，如果成分測量值低于設(shè)計值，根據(jù)燒損情況適當(dāng)添加一定量的中間合金，如果成分測量值高于設(shè)計值，根據(jù)過量值適當(dāng)添加一定量的金屬純鋁進行稀釋；繼續(xù)待熔體升至740°C后扒渣、加入精煉劑進行除氣精煉；然后將熔體溫度降至約720°C時加入Al - 5wt% T1- lwt% B晶粒細化劑并進行適當(dāng)攪拌，最后在此溫度保溫1min后將熔體澆鑄到四周水冷的鋼模內(nèi)。實施發(fā)明合金的具體化學(xué)成分見表1。
[0034]表1實施發(fā)明合金化學(xué)成分(質(zhì)量百分數(shù)，Wt% )
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種汽車用高成形性鋁合金材料，其特征在于該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比含量為:Zn: 0.02 ~4.2wt%, Mg:0.4 ~1.5wt%, S1:0.2 ~1.25wt%, Cu:0.05 ~1.0wt%,Fe ( 0.65wt%, Mn:0.05~0.5wt%, Cr ( 0.25wt%, Ti ( 0.25wt%, B ^ 0.2wt%，余量為 Al。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車用高成形性鋁合金材料，其特征是:其化學(xué)成分中的Zn、Si 和 Cu含量范圍分別為 Zn:0.025 ~4.0wt% ,S1:0.35 ~1.0 wt%,Cu:0.1 ~0.95wt%,其化學(xué)成分Mg、Si的Mg/Si質(zhì)量比范圍為1.0~2.3，F(xiàn)e ( 0.55wt%, Mn:0.06~0.4wt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1~2任一項所述的汽車用高成形性鋁合金材料的制備方法，所述制備方法包括以下步驟: 步驟一、熔煉鑄造:首先將純鋁全部加入坩堝，將爐溫設(shè)定在850°C，待純鋁熔化后加入 Al-20wt%S1、Al-50wt%Cu、Al_20wt%Fe、Al_10wt%Mn 中間合金，并加入覆蓋劑(50wt%NaCl+50wt%KCl);繼續(xù)加熱熔體，待中間合金熔化，熔體溫度達到750°C后對其進行攪拌使溶質(zhì)元素混合均勻，然后在750°C保溫30min后設(shè)定爐溫使熔體降溫到710V，然后向熔體中加入純Zn和純Mg，并充分攪拌使其徹底溶解；待熔體溫度再次達到730°C時取樣分析成分，如果成分測量值低于設(shè)計值，根據(jù)燒損情況適當(dāng)添加一定量的中間合金，如果成分測量值高于設(shè)計值，根據(jù)過量值適當(dāng)添加一定量的金屬純鋁進行稀釋；繼續(xù)待熔體升至740°C后扒渣、加入精煉劑進行除氣精煉；然后將熔體溫度降至約720°C時加入Al-5wt%T1-lwt%B晶粒細化劑并進行適當(dāng)攪拌，最后在此溫度保溫IOmin后將熔體澆鑄到四周水冷的鋼模內(nèi)； 步驟二、單級或雙級均勻化:Zn含量低于0.5wt%的鋁合金直接采用單級均勻化，即將熔煉鑄造后的合金試樣以2(T50°C /h升溫到54(T560°C保溫15~30h，然后再以2(T50°C /h的降溫速率隨爐降溫至100°C時取出試樣；而Zn含量處于0.5wt9T4.0被％時，采用雙級均勻化工藝，即將熔 煉鑄造后的合金試樣以2(T50°C /h升溫速率開始升溫，待溫度達到45(T490°C保溫2~6h，再以2(T50°C /h繼續(xù)升溫到54(T560°C保溫15~30h，然后再以20^500C /h的降溫速率隨爐降溫至100°C時取出試樣； 步驟三、熱軋變形:將步驟二取出的試樣進行熱軋:開軋溫度在52(T555°C，道次壓下量為4%~36%，熱軋總變形量> 92%，終軋溫度低于300°C得到熱軋板材； 步驟四、中間退火或冷軋變形+中間退火:將步驟三得到的熱軋板材進行中間退火或冷軋變形+中間退火，然后直接取出進行空冷得到退火態(tài)板材； 步驟五、冷軋變形:將所述步驟四得到的退火態(tài)板材進行冷軋變形，所述冷軋變形的冷軋總變形量處于50%~85%之間，道次壓下量處于10%~35%之間得到冷軋板材； 步驟六、固溶處理:將步驟五得到的冷軋板材進行固溶處理:在545飛60°C熱處理爐中進行l(wèi)~15min的固溶處理,試樣升溫速率大于100°C /min ； 步驟七、淬火處理:將固溶處理后的合金試樣從固溶處理溫度以大于100°C /s的降溫速率冷卻到室溫得到淬火態(tài)試樣； 步驟八、多級預(yù)時效處理:將步驟七得到的淬火態(tài)試樣在疒5min內(nèi)轉(zhuǎn)移到100Π30?等溫預(yù)時效爐中進行f 30min的等溫預(yù)時效，然后將其轉(zhuǎn)移到60°C、0°C的等溫預(yù)時效爐中進行5~15h的等溫預(yù)時效處理，最后將其在室溫放置14天得到具有高成形性的鋁合金板材。
4.如權(quán)利要求3所述的汽車用高成形性鋁合金材料的制備方法，其特征在于:所述步驟四中的中間退火均以20°C /h^200°C /min的升溫速率升溫到30(T500°C進行l(wèi)~4h的退火處理，然后直接取出進行空冷。
5.如權(quán)利要求3所述的汽車用高成形性鋁合金材料的制備方法，其特征在于:所述步驟四中的冷軋變形+中間退火為冷軋變形道次壓下量為10~35%，總變形量為30-60% ;中間退火均以20°C /h^200°C /min的升溫速率升溫到30(T500°C進行I~4h的退火處理，然后直接取出進行空冷。
6.如權(quán)利要求3所述的汽車用高成形性鋁合金材料的制備方法，其特征在于:所述步驟五中的冷軋變形總變形量處于50%~75%之間，道次壓下量處于15%~30%之間。
7.如權(quán)利要求3所述的汽車用高成形性鋁合金材料的制備方法，其特征在于:所述步驟六中的固溶處理:在545~555°C熱處理爐中進行2~8min的固溶處理,試樣升溫速率大于2000C /min。
8.如權(quán)利要求3所述的汽車用高成形性鋁合金材料的制備方法，其特征在于:所述步驟七中的淬火處理，將固溶處理后的合金試樣從固溶處理溫度以大于200°C /s的降溫速率冷卻到室溫得到淬火態(tài)試樣。
9.如權(quán)利要求3所述的汽車用高成形性鋁合金材料的制備方法，其特征在于:所述步驟八中的多級預(yù)時效處理，將淬火態(tài)試樣在2~5min內(nèi)轉(zhuǎn)移到110°C ~130°C等溫預(yù)時效爐中進行f 15min的等溫預(yù)時效，然后將其轉(zhuǎn)移到60°C~80°C的等溫預(yù)時效爐中進行6~13h的等溫預(yù)時效處理，最后將其在室溫放置14天得到具有高成形性的鋁合金板材。
【文檔編號】C22F1/053GK104018040SQ201410283404
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】郭明星, 張濟山, 莊林忠, 彭祥陽, 汪小鋒, 張艷 申請人:北京科技大學(xué)