CN101880805B

CN101880805B - 汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金制造方法

Info

Publication number: CN101880805B
Application number: CN201010241213A
Authority: CN
Inventors: 丁荣辉; 黄文辉; 曲明洋; 曾凡清; 张超
Original assignee: Zhejiang Gko Aluminum Co ltd
Current assignee: Zhejiang Mingdao Industrial Co ltd
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: CN101880805A

Abstract

本发明提供了一种汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金及其制造方法，属于合金材料技术领域。它解决了现有的6000系铝合金冲压成形性能较差以及冲压后经烤漆可能降低其强度的问题。本汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金，该铝合金的成分及其质量百分比为：Si：0.75～1.5％；Fe：0.2～0.5％；Cu：0.2～1.0％；Mn：0.25～1.0％；Mg：0.75～1.85％；Zn：0.15～0.3％；Cr：0.05％～0.15％；Ti：0.05～0.15％；Zr：0.05～0.35％；余量为Al。汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金具有屈服强度低、冲压方便、塑性高、抗冲击性能以及烧烤硬化性良好的优点。

Description

汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金制造方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金及其制造方法，尤其涉及一种汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金及其制造方法，属于合金材料技术领域。

背景技术

世界汽车工业正面临越来越严峻的三大课题：能源、环保、安全。在世界工业发展要求节能、环保的迫切形势下，世界主要汽车制造商设法增加轻质材料在汽车上应用比例以减轻汽车自重以降低能耗，减少环境污染，提高汽车的燃料经济性。铝合金能显著减轻汽车自重，有助于提高汽车行驶平稳性、乘坐舒适性和安全性，而且具有优良的性能和高的回收再生性，被世界汽车行业公认为促进汽车轻量化最有效的材料。汽车车身约占汽车总重的30％，仅在汽车内外板上用铝合金来代替传统钢板就可使车身减重约40％～50％。另外，承受同样冲击，铝板比钢板多吸收冲击能50％。6000系铝合金是一种适合于汽车应用的轻量化材料。6000系铝合金具有成型性好、耐腐蚀性强、强度高、耐高温性能好等特点，抗疲劳强度高于7000系铝合金，耐腐蚀性能优于2000系铝合金，在T4态下具有良好的成形性，冲压时不产生滑移线痕，而且还有烘烤硬化特性，成品强度可与钢板媲美。

如果将6000系铝合金用作汽车车身板应具有良好的成形性和烧烤硬化性，在冲压成形前强度较低，塑性较好，而烤漆后具有较高的强度。但是现有的6000系铝合金车身板材是在材料加工厂进行固溶淬火后运送至汽车厂进行冲压然后烤漆制作成车身构件，在运输过程中铝合金板材会发生自然时效，两周后达到T4 态，其强度较高冲压成形性能较差，而且冲压后再经烤漆处理其强度不仅无明显提高，甚至还可能低于来料的T4态强度，不能发挥6000系铝合金预期的烧烤硬化效应。

发明内容

本发明的目的是针对现有的6000系铝合金车身板所存在的缺陷，提供一种汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金，该铝合金以6000系铝合金为研究对象，通过成分配伍合理，从而提高6000系铝合金的强度和冲压成形性能，使其能满足汽车车身板对性能的要求。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金，该铝合金的成分及其质量百分比为：Si：0.75～1.5％；Fe：0.2～0.5％；Cu：0.2～1.0％；Mn：0.25～1.0％；Mg：0.75～1.85％；Zn：0.15～0.3％；Cr：0.05％～0.15％；Ti：0.05～0.15％；Zr：0.05～0.35％；余量为Al。

现有技术中的6000系铝板的化学成份及其质量百分比为：Si：0.2～1.2％；Fe：0.15～1.0％；Cu：0.1～1.0％；Mn：0.1～1.0％；Mg：0.25～1.2％；Zn：0.1～0.3％；Cr：0.05％～0.15％；Ti：0.05～0.25％；余量为Al。

本发明以6000系铝合金为研究对象，在基体合金基础上添加0.05-0.35wt％的Zr。在铝镁硅铝合金中，析出了弥散、细小的共格第二相质点Al₃Zr，其强化机理是在合金中产生了极其强烈的细晶强化、亚结构强化、弥散强化及共格强化等强化作用，避免形成粗大的第二相化合物，细化材料的组织，改善材料的性能。

Si是汽车车身板用6000系铝合金的主要强化元素，其主要作用是与合金中的Mg形成Mg₂Si序列强化相。板材中当Si含量由1.21％增加至1.55％时，铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率和r₁₅值都增加，n₁₅基本保持不变，Si含量适当提高能增加Mg₂Si 序列强化相的含量。当Si含量由1.55％进一步的提高时，由于铝合金中Mg₂Si序列强化相已经饱和，强度基本不变，但合金中残留结晶相的数量增加，它们对合金的成形性能产生不利影响，r₁₅和n₁₅都降低。将Mg元素的质量百分比控制在0.75～1.85％％，既可以和Si元素形成Mg₂Si序列强化相，保证了铝合金的强度。又满足了其作为汽车车身板塑性和抗腐蚀性的要求。将Mn元素的质量百分比控制在0.25～1.0％，不但有利于提高铝合金的抗腐蚀性，而且还能使铝合金的强度提高，将Cr元素的质量百分比控制在0.05％～0.15％，将Ti元素的质量百分比控制在0.05～0.25％，可以提高汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的抗腐蚀性能和在铸造过程中热裂纹倾向，同时又避免降低铝合金的加工性能。

在上述的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金中，作为优选，该铝合金的成分及其质量百分比为：Si：0.85～1.25％；Fe：0.25～0.35％；Cu：0.5～0.8％；Mn：0.25～0.5％；Mg：0.75～1.25％；Zn：0.15～0.2％；Cr：0.08％～0.12％；Ti：0.1～0.15％；Zr：0.15～0.25％；余量为Al。

本发明的另一个目的在于提供上述汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的制造方法，该方法包括以下步骤：

A、浇注成型：先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化至80％左右时，加入AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20中间合金；待熔体温度至740-780℃，加入Mg和Zn，除气除渣后，加入AlTi5B1中间合金，静置10-30分钟，降温至700-730℃在铸铁模中浇注成型；

B、均匀化处理：将上述浇注成型的铝合金铸锭进行均匀化退火并切头铣面，热轧并中间退火后冷轧成薄板；

C、固溶处理：将上述制得的薄板经过固溶处理后水淬，预处理后得到成品。

本发明步骤A中加入AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、 AlFe20中间合金熔化后除净熔渣，在720-760℃加入熔剂，作为优选，在740℃加入熔剂。熔剂一般由碱金属及碱土金属的氯化物及氟化物组成，其主要成分是KCl、NaCl、NaF.CaF、Na₃A1F₆、Na₂SiF₆等，待熔体温度至740-780℃，作为优选，待熔体温度至760℃，加入Mg和Zn。

在上述的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的制造方法中，作为优选，步骤A中加入六氯乙烷除渣，通入氩气除气，氩气气压为0.05-0.2MPa，通气时间为3-5分钟，作为优选，氩气气压为0.1MPa。将各种氯盐压入铝合金液内，使其与铝合金液发生反应，生成AlCl₃和HC l等挥发性气体，从而吸附氢气和氧化夹杂物上浮而达到除气和去渣的目的。目前，常用的氯盐有ZnCl₂、MnCl₂、C₂Cl₆等。

采用脱水ZnCl₂精炼的优点在于价格便宜，精炼效果较好。但其不足之处在于在精炼过程中要消耗部分铝，并且产生腐蚀性气体HCl，对环境会造成污染。此外，氯化锌加入铝合金液后反应生成的少量Zn会残留在合金液内，故对含Zn量控制严格的合金一般不采用此法。

氯化锰的价格比氯化锌高一些，但氯化锰的吸水性比氯化锌小，脱水和保存均很方便。此外，氯化锰被压入合金液后，气化和挥发速度较慢，因而生成AlCl₃气泡的速度慢，其气泡直径较小，所以精炼效果较ZnCl₂好。同时，反应生成的少量Mn留在合金液中对多数铝合金而言是强化元素，所以氯化锰精炼法在实际工业生产中的使用也较普遍。但用MnCl₂精炼存在与ZnCl₂相同的缺点，都会生成HCl腐蚀性气体。此外，反应生成的Mn残留在合金液中，对某些合金可能会有不利影响。

六氯乙烷加入到铝合金熔液中后会发生反应，反应生成的AlCl₃和C₂Cl₄均不溶于铝合金液，都能起精炼作用，其精炼效果好。此外，C₂Cl₆不吸潮，不需要进行脱水处理，且保存和使用都很方便。综上所述，选择C₂Cl₆进行精炼。

气态精炼剂有惰性气体(N₂、Ar等)和活性气体Cl₂两大类。通过向铝合金液内吹入既不溶于铝合金液又不与氢产生反应的惰性气体(N₂或Ar等)，获得无氢气泡。由于这些小气泡在上浮过程中，一方面会吸附Al₂O₃等夹杂物，另一方面还会借助氮气或氩气气泡和合金液接触界面间的压力差，将溶于合金液中的氢吸入气泡内。当吸附了夹杂物或氢的气泡上浮到液面被排除后，可以达到去气和除渣的目的。但氮在725～730℃时会与铝反应生成大量氧化铝夹杂，与镁容易反应生成氮化镁夹杂。

虽然活性气体氯气不溶于铝合金液，但能和铝及溶于铝合金液中的氢发生强烈的化学反应，生成的不溶于铝合金液的HCl和AlCl₃气体和未参加反应的Cl₂三者都能起吸附氢气和氧化夹杂物的作用，所以其精炼净化效果比使用单一气体Ar或N₂好得多。虽然通氯气精炼的效果较好，但整套设备比较复杂，并且氯气有毒性，对人体有害和对设备、环境有腐蚀作用，本发明使用Ar进行精炼。

在上述的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的制造方法中，作为优选，步骤B中均匀化退火的温度为530-560℃，保温时间为10-16小时；进一步优选，均匀化退火的温度为550℃，保温时间为12小时。

在上述的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的制造方法中，作为优选，步骤B中热轧时的温度为430-450℃，将铝合金铸锭热轧至6.0mm厚铝合金板。

在上述的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的制造方法中，作为优选，步骤B中中间退火的温度为400-420℃，保温时间为40-80分钟。

在上述的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的制造方法中，作为优选，步骤B中冷轧时的温度为180-250℃，将铝合金板从6.0mm冷轧至4.2mm，再冷轧至3.0mm，再冷轧至2.0mm，再冷轧至1.4mm，最后冷轧至1.0mm厚铝合金薄板。

在上述的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的制造方法中，作为优选，步骤C中固溶处理的温度为530-550℃，保温时间为20-40分钟。

在上述的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的制造方法中，作为优选，步骤C预处理的温度为150-200℃，保温时间为20-40分钟。

本发明的Al-Mg-Si系铝合金作为汽车车身板材料，除了快速的时效和硬化能力外，还要有良好的冲压成型性和表面质量，而这些都与生产过程中形成组织状态有密切的关系。在均匀化退火过程中，可以形成较多数量的Al₈Fe₂Si化合物，在铸造时形成的含Mn化合物部分溶解，其中内部细小的球状组织几乎全部溶解，经热轧后，化合物碎裂并呈颗粒状分布于基体上；经中间退火处理后，分布在基体上的化合物颗粒的形状和分布并没有发生明显变化，但是基体晶粒发生再结晶，原来的变形晶粒已经消失，取而代之的是比较粗大、形状不规则的块状晶粒；经过冷轧后基体晶粒被明显拉长，晶粒呈纤维状；固溶处理后，变形基体发生再结晶，并形成接近等轴状的再结晶晶粒。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、本发明的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金在6000系铝合金基础上通过对成分的适当配比，添加少量的Zr后的合金薄板冲压前的屈服强度较低，有利于冲压成形，而烤漆后强度没有降低，而且有所升高，该铝合金用作车身板具有良好的抗冲击性能。

2、本发明对合金成分的优化，对Mg、Si元素的最佳组合，从而加强时效强化相的析出，改善了材料的性能；本发明汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金具有良好的成形性能和烧烤硬化性，冲压前具有较低的屈服强度和较高的塑性，烧烤后强度显著提高，满足汽车车身的要求。

3、本发明的制造方法通过每个工艺流程形成了较为理想的组织状态，除了具有快速的时效硬化能力，而且还具有良好的冲压成型性和表面质量，完全可以替代钢板生产汽车汽车车身板；可行性强，能实现大规模工业化生产。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明；但是本发明并不限于这些实施例。

本发明以6111铝合金为研究对象，材料的成分及其质量百分比为：Si：0.75～1.5％；Fe：0.2～0.5％；Cu：0.2～1.0％；Mn：0.25～1.0％；Mg：0.75～1.85％；Zn：0.15～0.3％；Cr：0.05％～0.15％；Ti：0.05～0.15％；Zr：0.05～0.35％；余量为Al。

优选为：Si：0.85～1.25％；Fe：0.25～0.35％；Cu：0.5～0.8％；Mn：0.25～0.5％；Mg：0.75～1.25％；Zn：0.15～0.2％；Cr：0.08％～0.12％；Ti：0.1～0.15％；Zr：0.15～0.25％；余量为Al。

具体制造时，合金原料采用电解纯铝，99.99％Mg、99.99％Zn和AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20、AlTi5B1中间合金。

表1：实施例1-4铝合金成分的质量百分数(wt％)

实施例1

按照表1中实施例1质量百分比进行配料，制成铝锭，中间合金AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20、AlTi5B1中间合金。

先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化至80％左右时，加入AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20中间合金；熔化后除净熔渣，在740℃加入熔剂，待熔体温度至760℃，加入Mg和Zn，加入六氯乙烷除渣，通入氩气除气，氩气气压为0.1MPa，通气时间为3-5分钟。除气除渣后，加入AlTi5B1中间合金，静置20分钟，降温至720℃在铸铁模中浇注成型。

将上述浇注成型的铝合金铸锭进行均匀化退火并切头铣面，均匀化退火的温度为540℃，保温时间为14小时。然后温度为430℃，将铝合金铸锭热轧至6.0mm厚铝合金板，并在温度为420℃，保温时间为60分钟的条件下进行中间退火，然后在温度为220℃，将铝合金板从6.0mm冷轧至4.2mm，再冷轧至3.0mm，再冷轧至2.0mm，再冷轧至1.4mm，最后冷轧至1.0mm厚铝合金薄板。

将上述制得的薄板经过固溶处理后水淬，固溶处理的温度为540℃，保温时间为30分钟；最后在温度为200℃，保温时间为30分钟的条件下预处理得到成品。

实施例2

按照表1中实施例2质量百分比进行配料，制成铝锭，中间合金AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20、AlTi5B1中间合金。

先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化至80％左右时，加入AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20中间合金；熔化后除净熔渣，在730℃加入熔剂，待熔体温度至750℃，加入Mg和Zn，加入六氯乙烷除渣，通入氩气除气，氩气气压为0.1MPa，通气时间为3-5分钟。除气除渣后，加入AlTi5B1中间合金，静置30分钟，降温至710℃在铸铁模中浇注成型。

将上述浇注成型的铝合金铸锭进行均匀化退火并切头铣面，均匀化退火的温度为550℃，保温时间为12小时。然后温度为450℃，将铝合金铸锭热轧至6.0mm厚铝合金板，并在温度为420℃，保温时间为40分钟的条件下进行中间退火，然后在温度为250℃，将铝合金板从6.0mm冷轧至4.2mm，再冷轧至3.0mm，再冷轧至2.0mm，再冷轧至1.4mm，最后冷轧至1.0mm厚铝合金薄板。

将上述制得的薄板经过固溶处理后水淬，固溶处理的温度为530，保温时间为40分钟；最后在温度为180℃，保温时间为30分钟的条件下预处理得到成品。

实施例3

按照表1中实施例3质量百分比进行配料，制成铝锭，中间合金AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20、AlTi5B1中间合金。

先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化至80％左右时，加入AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20中间合金；熔化后除净熔渣，在760℃加入熔剂，待熔体温度至780℃，加入Mg和Zn，加入六氯乙烷除渣，通入氩气除气，氩气气压为0.05MPa，通气时间为3-5分钟。除气除渣后，加入AlTi5B1中间合金，静置30分钟，降温至700℃在铸铁模中浇注成型。

将上述浇注成型的铝合金铸锭进行均匀化退火并切头铣面，均匀化退火的温度为530℃，保温时间为16小时。然后温度为430℃，将铝合金铸锭热轧至6.0mm厚铝合金板，并在温度为400℃，保温时间为80分钟的条件下进行中间退火，然后在温度为180℃，将铝合金板从6.0mm冷轧至4.2mm，再冷轧至3.0mm，再冷轧至2.0mm，再冷轧至1.4mm，最后冷轧至1.0mm厚铝合金薄板。

将上述制得的薄板经过固溶处理后水淬，固溶处理的温度为530℃，保温时间为40分钟；最后在温度为150℃，保温时间为 40分钟的条件下预处理得到成品。

实施例4

按照表1中实施例4质量百分比进行配料，制成铝锭，中间合金AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20、AlTi5B1中间合金。

先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化至80％左右时，加入AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20中间合金；熔化后除净熔渣，在720℃加入熔剂，待熔体温度至740℃，加入Mg和Zn，加入六氯乙烷除渣，通入氩气除气，氩气气压为0.2MPa，通气时间为3-5分钟。除气除渣后，加入AlTi5B1中间合金，静置10分钟，降温至730℃在铸铁模中浇注成型。

将上述浇注成型的铝合金铸锭进行均匀化退火并切头铣面，均匀化退火的温度为560℃，保温时间为10小时。然后温度为450℃，将铝合金铸锭热轧至6.0mm厚铝合金板，并在温度为420℃，保温时间为40分钟的条件下进行中间退火，然后在温度为250℃，将铝合金板从6.0mm冷轧至4.2mm，再冷轧至3.0mm，再冷轧至2.0mm，再冷轧至1.4mm，最后冷轧至1.0mm厚铝合金薄板。

将上述制得的薄板经过固溶处理后水淬，固溶处理的温度为550℃，保温时间为20分钟；最后在温度为200℃，保温时间为20分钟的条件下预处理得到成品。

随机抽取上述实施例1-2制得铝合金成品在室温下停放15天后进行拉伸试验。模拟170℃×30min烤漆处理是在电阻炉中进行。详细见表2。

表2

本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims

1.一种汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的制造方法，所述的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的成分及其质量百分比为：

Si：0.75～1.5%；Fe：0.2～0.5%；Cu：0.2～1.0%；

Mn：0.25～1.0%；Mg：0.75～1.85%；Zn：0.15～0.3%；

Cr：0.05%～0.15%；T i：0.05～0.15%；Zr：0.05～0.35%；

余量为Al；

其特征在于：该方法包括以下步骤：

A、浇注成型：先将铝锭加入坩埚电阻炉中,待铝锭熔化至80%左右时，加入AlSi15、AlCu50、AlMn10、AlCr5、AlZr5、AlFe20中间合金；待熔体温度至740-780℃，加入Mg和Zn，除气除渣后，加入AlTi5B1中间合金，静置10-30分钟，降温至700-730℃在铸铁模中浇注成型；所述的除气除渣是加入六氯乙烷除渣，通入氩气除气，氩气气压为0.05-0.2MPa,通气时间为3-5分钟；

B、均匀化处理：将上述浇注成型的铝合金铸锭进行均匀化退火并切头铣面，热轧并中间退火后冷轧成薄板；所述的均匀化退火的温度为560℃,保温时间为10-16小时；上述中间退火的温度为400-420℃，保温时间为40-80分钟；上述冷轧时的温度为180-250℃，将铝合金板从6.0mm冷轧至4.2mm，再冷轧至3.0mm，再冷轧至2.0mm，再冷轧至1.4mm，最后冷轧至1.0mm厚铝合金薄板；

C、固溶处理：将上述制得的薄板经过固溶处理后水淬，预处理后得到成品；所述的固溶处理的温度为530-550℃，保温时间为20-40分钟；所述的预处理的温度为150-200℃，保温时间为20-40分钟。

2.根据权利要求1所述的汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金的制造方法，其特征在于：步骤B中热轧时的温度为430-450℃，将铝合金铸锭热轧至6.0mm厚铝合金板。