CN101545083B - 提高6xxx系铝合金薄板加工成形与烘烤硬化性能的热处理方法 - Google Patents
提高6xxx系铝合金薄板加工成形与烘烤硬化性能的热处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种可以提高6XXX系铝合金加工成形性和烘烤硬化特性并大幅延长烘烤硬化特性保持时间的热处理方法，6XXX系铝合金薄板固溶淬火处理后、冲压成形前进行一定时间的热处理，本发明的技术方案便于自动化操作，易于实现，可以节省能源和设备投资。6XXX系铝合金板材固溶后经本方法处理其加工成形性与烤漆强化性能得到明显改善，更为关键的是经过本发明方法预热处理，铝合金板材的烘烤硬化性能保持时间大大延长，可到3-4个月甚至6个月，以上优势将促进铝合金板材替代钢板减轻车体重量，从而在取得良好的经济效益的同时节约能源减少排放量。
Description
技术领域
本发明涉及汽车用铝合金外车身板材的预热处理技术领域，用这种方法能提高铝合金板材的可加工性和烘烤硬化性能及其保持时间。
背景技术
能源紧缺，汽车轻量化势在必行。铝合金材料具有比强度高、可加工性能好、焊接性能和抗蚀性优良、冲击韧性高及可以高速挤压成结构复杂的各种型材等特点，在节能减排和碰撞安全性方面具有很多优点，因此铝合金在现代汽车工业中得到了广泛应用，其中汽车车身板用铝合金以6016和6111合金为主。铝合金板材的生产过程大致如下：1.熔炼原材料，直接冷铸成铸锭或连续浇铸成厚板；2.均匀化处理，然后热轧成预定厚度；3.间歇性退火，接着冷轧至最终厚度并绕成卷材。卷材在送至汽车生产厂前经过固溶处理并淬火，此时卷材具有良好的加工成形性。卷材在汽车厂冲压成结构件后进行涂装烘烤，因时效硬化可获得较高的抗凹陷性能。
固溶处理时，轧制过程中产生的沉淀相溶解进入铝基体，接着快速冷却至环境温度形成过饱和固溶体。铝合金板材在运输和库存过程中过饱和溶质原子发生偏聚，强度高于淬火态但冲压成形性降低，达到T4状态，此时板材冲压后经烤漆处理其强度无明显提高甚至低于烤漆前强度。为了使铝合金板材在交付给汽车生产厂时易于加工变形且无过度回弹，而且一旦冲压成结构件经喷漆和烘烤后抗凹陷性能提高，铝合金板材在材料加工厂必须进行预热处理。一般汽车车身板材的性能要求是：到货时屈服强度低于140Mpa(或韦氏显微硬度低于70HV)，经喷漆烘烤后屈服强度高于200Mpa(或韦氏显微硬度高于90HV)同时为了获得良好的抗冲击性能屈服强度应低于290Mpa(或韦氏显微硬度低于120HV)。
目前国外商业利用的汽车车身用铝合金材料以6016和6111为主，其中6016铝合金含Cu量低，具有更为良好的抗腐蚀性、压边性能和表面质量。但是6016铝合金经喷漆和烘烤后强度较6111铝合金低，这大大限制了6016铝合金在汽车车身上的应用。1998年公布的世界专利号WO 98/59086公开了卷材快速冷却至65-75℃然后以2℃/h的速度冷却至室温的预热处理方法，这种方法中精确的冷却速度难以实现且其提高板材烤漆强化的能力有限。2000年公布的专利号WO 00/70115和2005年公布的专利号WO 2005/071127公开了在烘烤前进行180-300℃的短时间退火处理方法以提高其加工性和烘烤硬化性，但这两种方法同样是提高烘烤硬化的能力有限而且还要在汽车厂增加中温(300℃)热处理设备。土耳其专家Yucel Birol研究了AA6016合金在固溶处理后10min内在60-200℃进行2-30min的预热处理，得出固溶后10min内在140-180℃温度之间时间小于10min的预时效制度能在保持合金冲压成形性前提下改善烘烤硬化性，但实际上此方法改善烘烤硬化的能力很有限。国内刘宏和关绍康等人分别研究了Al-Mg-Si-Cu合金固溶处理后立即进行170℃预时效5-10min和150℃预时效5min的预处理工艺，其烤漆后结果虽然高于未进行预时效烤漆后的结果，但其转移时间短不易控制且烤漆前强度过大成形性降低。田妮等人提出的固溶水淬后室温停放2小时～5天，然后在180～200℃处理7-15min的方法实际上是世界专利WO 00/70115和WO 2005/071127的特例，其提高烘烤硬化的性能有限。然而最为关键的是以前提出的各种预处理方法保持烘烤硬化性能的时间较短(≤1month)或没做研究。尚未有系统研究预处理工艺与加工成形性、烘烤硬化性及其保持时间关系的工作。
发明内容
针对铝合金车身板预热处理工艺存在的问题，本发明提供能实现工业化生产的能显著提高6XXX系铝合金板材成形性、烘烤硬化性及其保持时间的预热处理方法。
本发明预热处理工艺优先在经固溶处理然后立即淬火后的1小时内进行，在连续处理线上时间延迟应当降低到大约几秒钟。经过系统研究汽车车身板用铝合金铝合金时效早期和欠时效状态下纳米沉淀相的析出序列、稳定性及结构演化关系，结合热处理与性能关系的研究，本发明提供的技术方案为：一种提高6XXX系铝合金加工成形性和烘烤硬化特性的热处理方法，6XXX系铝合金薄板固溶淬火处理后在1分钟内进行60℃-120℃的热处理，处理时间为30分钟-30小时。
优选的技术方案为：6XXX系铝合金薄板固溶淬火处理后在10秒钟内进行60℃-120℃的热处理，处理时间为30分钟-30小时。
所述热处理是60℃-80℃热处理5小时-25小时。
所述6XXX系铝合金为6016和6111铝合金。
本发明还提供了一种技术方案为：一种提高6XXX系铝合金加工成形性和烘烤硬化特性的热处理方法，6XXX系铝合金薄板固溶淬火处理后在1小时内进行120℃-180℃的处理，处理时间5分钟-30分钟；然后是在一天内接着进行50℃-80℃的热处理，处理时间1小时-10小时。
上述技术方案优选为：6XXX系铝合金薄板固溶淬火处理后在10秒钟内进行120℃-180℃的处理，处理时间5分钟-30分钟；然后是在一天内接着进行50℃-80℃的热处理，处理时间1小时-10小时。
进一步优选为：6XXX系铝合金薄板固溶淬火处理后进行120℃-150℃的热处理20分钟-30分钟；然后是在10分钟内进行50℃-70℃处理5小时-10小时。
120℃-150℃处理后在实际环境下自然冷却至50℃-70℃，然后保持5小时-10小时；或者在同一热处理设备中从120℃-150℃以10℃-20℃/h的速度冷却至50℃-70℃，取出自然冷却或在此温度范围再保持5小时-10小时。
所述6XXX系铝合金为6016和6111铝合金。
本发明所述的热处理都是在6XXX系铝合金板固溶水淬后、冲压成形前进行的。
本发明能在所有汽车车身用铝合金板材上实施，以国外已经应用的抗腐蚀优良的6016合金薄板为研究对象，6016铝合金的成分按质量比为：1.0-1.5％Si，0.25-0.6％Mg，＜0.2％Cu，＜0.5％Fe，＜0.2％Mn，＜0.2％Zn，＜0.1％Ti，＜0.1％Cr，其余为Al。
本发明方法转移时间可容范围长符合工厂实际情况便于自动化操作，采用温度较低且有较宽温度窗口，易于实现，可以节省能源和设备投资。更为重要的是6XXX系铝合金板材固溶后经本方法处理其加工成形性与烤漆强化性能得到明显改善，这提高了汽车厂车身冲压件的加工精度和表面质量，降低了冲压成本，而且使烘漆后的产品强度明显升高。更为关键的是经过本发明方法预热处理，铝合金板材的烘烤硬化性能保持时间大大延长，可到3-4个月甚至6个月，铝合金板材自然条件下放置很长时间后仍具有良好的加工性能和烤漆强化性能，这有利于产品出口创汇，提高产品竞争力。以上优势将促进铝合金板材替代钢板减轻车体重量，从而在取得良好的经济效益的同时节约能源减少排放量。
附图说明
图1是实施例14在1周时模拟烤漆前后的应力应变曲线；
图2是实施例14在2周时模拟烤漆前后的应力应变曲线；
图3是实施例14在一个月时模拟烤漆前后的应力应变曲线；
图4是实施例5在2周时模拟烤漆前后的应力应变曲线；
图5是实施例13在2周时模拟烤漆前后的应力应变曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明方法进一步阐释并进行数据说明。为便于对比实施例所用样品均为汽车车身板铝合金6016，其化学成分(质量分数)为：Mg0.39％，Si0.80％，Cu0.011％，Mn0.051％，Cr0.055％，其余为铝。合金硬度测试在HXD-1000T型Vickers硬度试验机上进行，实验载荷为4.9N，持续时间为10s，拉伸试验采用标准为：GB228-87。模拟烤漆前没有模拟加工应变(实际上如果加上加工应变，烤漆后强度通常会高8-10HV(约30Mpa)。
为降低自然时效团簇颗粒的析出对烤漆强化性能的不利影响，铝合金板材预处理后必须形成弥散分布的且能够快速生长的稳定的析出相。基于以上考虑设计了一下实施例：
对比实施例
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，再在室温下分别停放2周、1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例1
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行65℃×5h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例2
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行65℃×15h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例3
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行65℃×25h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例4
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行65℃×30h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例5
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行70℃×5h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例6
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行70℃×15h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例7
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行70℃×25h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例8
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行70℃×30h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例9
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行75℃×5h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例10
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行75℃×15h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例11
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行75℃×25h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例12
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行75℃×30h处理，再在室温下分别停放1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
表1-3是各个实施例模拟烤漆前后的显微硬度测试值，以上实施例均重复3次以上，因此显微硬度值是大量实验的平均值。
以上结果已达到汽车车身铝板的基本性能指标且烤漆性能保持时间较长，为进一步提高烤漆强化能力和稳定性，预处理后的铝合金板应形成分布弥散且尺寸分布更为均一的早期析出相。基于以上理解我们设计了先让固溶水淬后的样品在120-180℃处理5-30min，然后控温冷却或直接到50-80℃保持1-10h，具体实施时发现在120-150℃处理20-30min，然后控温冷却或直接到50-70℃保持3-10h效果最好，具体实施例包括：
实施例13
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行120℃×30min处理，再在室温下分别停放1周、2周、1个月、2个月和3个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例14
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行120℃×30min处理，然后在60℃保持5h，再在室温下分别停放2周、1个月、2个月、3个月和4个月后进行硬度测试和拉伸试验。再在室温下分别停放1周、2周、1个月、2个月和3个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例15
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行120℃×10min处理，然后控温冷却(20℃/h)到60℃保持5h，再在室温下分别停放1周和2周后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例16
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行120℃×30min处理，然后在70℃保持5h，再在室温下分别停放1周、2周、1个月、2个月和3个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例17
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行150℃×20min处理，然后在60℃保持5h，再在室温下分别停放1周、2周、1个月、2个月和3个月后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
实施例18
铝合金铸锭在循环空气电阻炉中470℃×5h+540℃×15h均匀化处理后，切头铣面，经热轧、间歇性退火并最后冷轧成1mm厚的薄板。薄板在空气循环电阻炉中进行560℃×30min固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行150℃×20min处理，然后控温冷却(20℃/h)到60℃保持5h，再在室温下分别停放1周和2周后进行硬度测试和拉伸试验。模拟烤漆在油浴炉中进行，制度为180℃×30min，烤漆后进行硬度测试和拉伸试验。
表4是各个实施例模拟烤漆前后的显微硬度测试值，以上实施例均重复3次以上，因此显微硬度值是大量实验的平均值。
表5是取典型案例进行拉伸试验的测量结果。
由表1-5及附图可以明显看出本发明工艺能提高6XXX系铝合金加工成形性和烘烤硬化特性并大幅延长烘烤硬化特性保持时间，这在汽车轻量化车身领域有很大价值。
Claims (3)
1.一种提高6XXX系铝合金加工成形性和烘烤硬化特性的热处理方法，其特征是，6XXX系铝合金薄板固溶淬火处理后在1小时内进行120℃-180℃的热处理，处理时间5分钟-30分钟；然后在一天内接着进行50℃-80℃的热处理，处理时间1小时-10小时。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征是，6XXX系铝合金薄板固溶淬火处理后在10秒钟内进行120℃-180℃的处理，处理时间5分钟-30分钟；然后是在一天内接着进行50℃-80℃的热处理，处理时间1小时-10小时。
3.根据权利要求1或2所述的热处理方法，其特征是，6XXX系铝合金薄板固溶淬火处理后进行120℃-150℃的热处理20分钟-30分钟；然后是在10分钟内进行50℃-70℃处理5小时-10小时。
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