CN103060632A

CN103060632A - 一种汽车车身用铝合金及其热处理方法

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Publication number: CN103060632A
Application number: CN2012105484011A
Authority: CN
Inventors: 曹玲飞; 迈多; 保罗; 钟皓; 高翔; 纪艳丽; 胡平; 郭富安
Original assignee: Monash University; Suzhou Nonferrous Metal Research Institute Co Ltd
Current assignee: Monash University; Suzhou Nonferrous Metal Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明涉及一种汽车车身用铝合金及热处理方法，其成分：Si0.35～0.75wt%，Mg0.75～1.15wt%，Cu0.20～0.50wt%，Mn0.10～0.60wt%，Cr≤0.10wt%，Ti≤0.15wt%，Zn≤0.25wt%，Fe0.05～0.30wt%，其他元素或杂质各自<0.05wt%，并且总计<0.15wt%，余量为Al。铝合金板材在540～565℃固体处理后快速淬火至不高于100℃，在15分钟内进行180～200℃预时效10～60秒或70～130℃预时效0.2～12小时。铝合金经过预时效处理后的室温放置过程中性能稳定，烤漆前具有较好成形性能。

Description

一种汽车车身用铝合金及其热处理方法

技术领域

本发明涉及一种用于汽车车身板的铝合金材料及其热处理工艺，属于铝合金材料技术领域。

背景技术

汽车轻量化是汽车发展方向之一，而汽车车身的铝合金化则是轻量化的重要手段。6xxx系Al-Mg-Si合金，如AA6022、AA6111和AA6016，作为最有应用前景的车身板材已经在欧美、日本等国生产的汽车中得到应用。该系合金通常在材料生产厂进行固溶处理，然后经过一段时间的存储及运输后，再在汽车生产厂进行冲压成形，并最终进行烤漆处理。因此对于6xxx系铝合金汽车板的一般要求为：在材料冲压前的放置过程中，性能稳定；材料成形性能较高，以利于冲压成形；较高的时效硬化效应，以利于在烤漆处理过程中，提高材料的强度（抗冲击性能）。目前已经得到应用的汽车车身用6xxx系合金主要为过剩Si型合金。过剩Si的添加一方面能提高材料的成形性能，另一方面则可能增加材料的自然时效效应，降低材料的烤漆硬化效果。同时，高Si含量也不利于材料的再回收。

因此有必要开发一种新型的汽车车身板用6xxx系铝合金及其热处理工艺，使得合金板材在汽车材料生产厂制备完毕后，性能能稳定至材料冲压之前；且具有较高的成形性能以及烤漆硬化能力。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的不足，提供一种过剩Mg型的汽车车身板用6xxx系铝合金及其预热处理方法，通过合理优化6xxx系合金中各合金元素的含量及预时效工艺，使得材料具有较好的综合性能。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种汽车车身用铝合金，其成分的质量百分含量为：

Si 0.35～0.75 wt%，

Mg 0.75～1.15 wt%，

Cu 0.20～0.50 wt%，

Mn 0.10～0.60 wt%，

Cr ≤0.10 wt%，

Ti ≤0.15 wt%，

Zn ≤0.25 wt%，

Fe 0.05～0.30 wt%，

其他元素或杂质各自<0.05 wt%，并且总计<0.15 wt%，

余量为Al。

进一步的，上述的一种汽车车身用铝合金，合金为过剩Mg型合金，即，Mg含量与Si含量之比大于1。

更进一步的，上述的一种汽车车身用铝合金，成分的质量百分含量：Mg为0.85～1.05 wt%，Si为0.40～0.55 wt%，Cu为0.20～0.35 wt%，Mn为0.1～0.25 wt%， Fe为0.05～0.20 wt%。

本发明一种汽车车身用铝合金的热处理方法，将铝合金铸锭进行均匀化退火热处理后，再经过热轧、中间退火、冷轧加工成板材；将铝合金板材在540～565℃进行固体处理后快速淬火至不高于100℃，然后在15分钟内进行预时效处理，预时效处理工艺是180～200℃预时效10～60秒或者70～130℃预时效0.2～12小时。

再进一步的，上述的一种汽车车身用铝合金的热处理方法，在180～200℃预时效10～60秒后再在24小时之内进行70～130℃时效处理0.2～12小时。

再进一步的，上述的一种汽车车身用铝合金的热处理方法，板材进行烤漆处理，使材料的屈服强度不低于180 MPa。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明通过控制合金元素Mg、Si、Cu、Mn的含量，以及相关预时效工艺的开发，使得材料具有优异的烘烤硬化以及成形性能，同时使材料具有优异的室温稳定性（自然时效过程中材料性能稳定）。

具体实施方式

本发明一种汽车车身用铝合金，其成分的质量百分含量为：Si 0.35～0.75 wt%，Mg 0.75～1.15 wt%，Cu 0.20～0.50 wt%，Mn 0.10～0.60 wt%，Cr ≤0.10 wt%，Ti ≤0.15 wt%，Zn ≤0.25 wt%，Fe 0.05～0.30 wt%，其他元素或杂质各自<0.05 wt%，并且总计<0.15 wt%，余量为Al。合金为过剩Mg型合金，即，Mg含量与Si含量之比大于1。

最佳成分范围是：Mg为0.85～1.05 wt%，Si为0.40～0.55 wt%，Cu为0.20～0.35 wt%，Mn为0.1～0.25 wt%， Fe为0.05～0.20 wt%。

本发明一种汽车车身用铝合金的热处理方法，将铝合金铸锭进行均匀化退火热处理后，再经过热轧、中间退火、冷轧加工成板材；将铝合金板材在540～565℃进行固体处理后快速淬火至不高于100℃，然后在15分钟内进行预时效处理，预时效处理工艺是180～200℃预时效10～60秒或者70～130℃预时效0.2～12小时，即高温短时或者低温长时间预时效，从而使合金在预时效后性能稳定，能够室温放置较长时间（如1个月）。如果是180～200℃预时效10～60秒，需再在24小时之内进行70～130℃时效处理0.2～12小时，能够使合金在长时间自然时效中保持性能稳定。板材进行烤漆处理，使材料的屈服强度不低于180 MPa，烤漆处理等效于将材料在170℃人工时效 0.5小时。

Mg和Si元素是6xxx系铝合金中的主要合金元素。提高合金中Si元素的含量，由于促进了强化相的形成以及固溶强化效应，从而使得材料具有更高的烤漆强度。同时Si元素的增加有利于提高材料的加工硬化能力和抗应变集中的能力，从而使得材料具有较高的成形性能。另一方面，较高的Si元素可能使得材料在固溶处理之后的自然时效过程中，性能更加不稳定，从而降低材料的烤漆性能，且Si含量过高不利于材料的回收。因此相对于高Si的车身用铝合金，本专利限制Si在较低的范围之内：0.35-0.75 wt.%。为使材料具有较好的烤漆性能，还必须添加适量的Mg元素。Mg元素过高则会降低材料的抗应变集中的能力，虽然提高Mg含量也能提高加工硬化能力，但在两者的综合作用下，将降低材料的成形性能。在更高Mg的情况下，体系中还可能形成难溶的Mg₂Si大颗粒，进一步降低材料的成形性能。而Mg元素过低，则可能造成强化效果的不足。因此本专利限制Mg在0.75～1.15 wt.%。

通常6xxx系铝合金中，还会添加Cu元素以抑制自然时效的不利作用。同时Cu元素还将提高材料的加工硬化能力。但Cu的添加，也可能对材料的耐腐蚀性能带来不利的影响。因此本专利限制Cu在0.20～0.50 wt.%。

6xxx系铝合金中通常添加Fe、Mn元素。Fe、Mn元素形成的含Fe相颗粒有利于细化再结晶晶粒，降低或减轻橘皮状表皮现象的敏感性。且含Fe颗粒对于加工硬化能力的提高也有帮助。但是Fe、Mn元素过多，将降低材料的成形性能并且可能造成耐蚀性能的下降。综合考虑，Fe和Mn元素的含量，分别限制在：0.05～0.30 wt％和0.10～0.60 wt.%。

同时6xxx系铝合金中的微量元素Cr、Zn、Ti对材料的性能也有一定的影响，需要进一步的限定。

在获得以上叙述成分的合金后，还需要对合金施加合适的预热处理工艺，以发挥材料合金成分的优势。通常6xxx系铝合金固溶淬火后，在室温放置过程中，将由于组织中原子团簇的形成，造成强度的升高和烤漆硬化能力的下降。若在合金淬火后的15分钟之内，对合金施以（180~200℃）x （10~60）秒的预时效，则能够在此后的24小时内稳定材料的性能；若对材料施以（70~130℃）x （0.2~12）小时的预热处理，则能使得材料的性能在更长时间内（如1个月）保持稳定。前者适合于在线预热处理，而后者适合于批处理。根据材料生产厂的生产条件，两种预热处理工艺可以结合起来，稳定材料的性能。

本发明将主合金元素Mg、Si、Cu以及Fe、Mn等微量元素含量合理调整，并对合金施以预时效处理，使得材料性能稳定，并兼顾较高的成形性能和烤漆硬化能力。本发明的实际应用及其优点将由以下例子体现。

表1列出6种合金成分，其相关处理工艺如实例1~6所示，其中3#~6#为比较合金。

表1 合金成分(wt.%)

合金	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Ti
								1#	0.48	0.08	0.29	0.12	0.96	0.12	0.11
2#	0.42	0.09	0.27	0.17	1.04	0.15	0.09
								3#	0.50	0.07	<0.01	0.12	1.06	0.12	0.10
4#	1.26	0.07	<0.01	0.12	0.41	0.13	0.11
								5#	1.22	0.09	0.27	0.12	0.35	0.11	0.11
6#	0.41	0.09	0.73	0.17	1.01	0.15	0.11

实施例1

合金固溶处理水淬后，自然放置一周，其力学性能及成形性能与现有汽车车身板用铝合金对比如表2所示。1#，3#合金的成形性能与现有AA6016、AA6022和AA6111合金的相当。一般用n值（加工硬化指数）评价合金板材加工硬化能力，n值越高表明冲压成形过程中板材变形更加均匀。FLD₀也是衡量材料成形性能的一个重要参数。该值越高，材料成形性能越好。同时，从表2还可以看到，在3#合金基础上进一步添加Cu元素（1#合金），在其他性能不发生明显变化的基础上，合金成形性能显著提升。

表2. T4态合金机械性能、成形性能对比

合金	Rp0.2 (MPa)	Rm (MPa)	Au (%)	A (%)	n	FLD₀
							1#	135	261	24.7	33.6	0.27	0.28
3#	120	231	23.6	33.6	0.25	0.22
							6022-T4E29^[1]	118	228	24.3	27.5	0.27	0.21
6016-T4^[2]	127	235	24.6	28.1	0.26	0.26
							6111-T4^[1]	165	283	23.0	25.0	0.26	0.21

Rp0.2为屈服强度；Rm为抗拉强度；Au为均匀延伸率；A为总延伸率；n为加工硬化指数；FLD₀为平面应变条件下的变形极限。

实施例2

1#合金经550℃×30min固溶处理并水淬至室温，自然放置0.25h后进行100℃×2h预时效处理，预时效后自然放置30天，然后进行170℃×30min模拟烤漆处理。5#合金采用1#合金同样处理工艺，分别对两合金T4P态和烤漆态进行性能测试，性能结果如表3所示。

表3. 1#、5#合金T4P态和烤漆态力学性能对比

合金	1# T4P	5# T4P	1# PB	5# PB
					Rp0.2(MPa)	130	115	191	148
Rm(MPa)	249	242	295	263
					Au(%)	23.9	25.9	19.2	23.1
A(%)	28.9	29.4	25.0	29.7

表3试验结果表明，采用相同的热处理工艺条件，过剩Mg合金中加入Cu元素比过剩Si合金中加入Cu元素具有更好的烤漆硬化效应。

实施例3

表4为1#、3#、4#、5#合金经550℃×30min固溶处理并水淬至室温，然后经过表4所示自然时效、预时效及烤漆制度处理后的维氏硬度（采用5kg压力）。

从表1可知：

(1)3#和4#合金中不含Cu元素，而1#和5#合金含Cu量均少于0.3wt.%；

(2)3#和4#合金总溶质原子总量相近，而1#和5#也有同样关系；

(3)1#和3#合金为Mg过剩型合金，而4#和5#为Si过剩型合金。

表4. 1#、3#、4#、5#合金不同热处理制度下维氏硬度(HV₅)比较

其中NA表示自然时效，PA表示预时效，PB表示烤漆

PA前放置时间	PA制度	PA后放置时间	PB制度	3#	4#	1#	5#
								0.2h	/	/	/	46	51	45	46
1个月	/	/	/	82	80	82	80
								1个月	-	-	170℃×0.5h	83	77	87	74
0.25h	200℃×20s	0.25h	-	58	66	54	55
								0.25h	200℃×20s	1个月	-	78	72	79	74
0.25h	200℃×20s	1个月	170℃×0.5h	88	81	80	79
								0.25h	100℃×2h	0.25h	-	68	74	72	71
0.25h	100℃×2h	1个月	-	71	78	76	75
								0.25h	100℃×2h	1个月	170℃×0.5h	90	96	100	92

通过表4所示结果可知：

(1)自然时效1个月之后烤漆处理，降低4#和5#（过剩Si型合金）的硬度，但是过剩Mg型合金尤其是1#合金的硬度略有提升。

(2)采用如表4所示制度进行预时效处理能稳定合金微观结构。在预时效后1个月自然时效过程中，采用预时效处理后的合金硬度变化小于未处理的合金。采用100℃×2h制度预时效处理，其烤漆硬化效应要优于采用200℃×20s预时效制度。

(3)采用100℃×2h预时效处理制度时，合金具有最好的烤漆硬化效应，而此时加Cu的过剩Mg型合金1#烤漆后具有最高的硬度和烤漆硬化效应。

实施例4

合金2#、6#经550℃×0.5h固溶处理水淬至室温后，自然时效一周，其力学性能和成形性能如表5所示。

表5. 2#和6#合金T4态力学性能和成形性能

合金	Rp0.2 (MPa)	Rm (MPa)	Au(%)	A (%)	FLD₀
						2#	121	248	22.8	28.4	0.26
6#	134	278	28.4	33.3	0.27

表5所示结果可知：合金中含有更多的Cu元素有利于提高强度和成形性能。并且6#合金FLD₀略高于2#合金。2#、6#合金的FLD₀与表2中3#、4#合金对比可知，当合金中Cu元素含量从无增加到0.3wt.%时，合金成形性能显著增强，但是继续增加Cu元素含量至0.8wt.%，成形性能提升不明显。

实施例5

合金2#、6#和6016合金经550℃×0.5h固溶处理并水淬至室温，自然放置2分钟后进行200℃×20s预时效处理，合金自然时效24h后，进行170℃×0.5h模拟烤漆处理，其性能结果如表6所示。

表6. 2#、6#和6016合金T4P和PB态力学性能对比

合金	2#-T4P	6#-T4P	6016-T4P	2#-PB	6#-PB	6016-PB
							Rp0.2(MPa)	99	107	90	181	192	147
Rm(MPa)	223	247	202	286	309	239
							Au(%)	24.3	28.5	21.3	19.4	19.4	17.3
A(%)	29.9	31.3	25.3	24.1	25.1	20.8

表6所示结果表明，高Cu合金在 T4P及PB态均具有更高的强度。2#和6#合金具有相似的烤漆硬化效应，其烤漆硬化效应均强于6016合金，同时烤漆处理后2#和6#合金强度及成形性能均优于6016合金，由此可知作为车身板使用，2#、6#合金比6016具有更好的耐冲击性。

实施例6

合金1#经550℃×0.5h固溶处理并水淬至室温，自然放置15分钟后进行100℃×2h预时效处理，接着室温放置1周后，再进行170℃×0.5h模拟烤漆处理。合金T4P态及烤漆态性能如表7所示。

表7. 1#合金T4P态及烤漆态性能

合金	Rp0.2 (MPa)	Rm (MPa)	Au (%)	A (%)	n	FLD₀
							1#-T4P	121	244	26.2	35.6	0.27	0.23
1#-PB	194	291	20.3	29.0	/	/

表7示结果表明：1#合金经预时效处理后，其成形性能仍与表2所示现有商用车身板铝金相当。且烤漆处理后，其力学性能与表3所示1#合金PB态性能接近，这表明了经过预处理后，自然时效对材料的性能影响较小。

综上所述，本发明通过合理调整合金元素Mg、Si、Cu、Mn等元素的含量，以及相关预时效工艺的开发，使得材料具有优异的烘烤硬化以及成形性能，同时使材料具有优异的室温稳定性（自然时效过程中材料性能稳定）。具有较好的综合性能：T4P态下，板材总延伸率高于25%，屈服强度小于130MPa，面应变下的成形极限（FLD₀）大于等于0.23；烤漆处理后屈服强度大于等于180MPa，抗拉强度大于 280MPa，总延伸率大于18%。多种技术措施确保材料具有较好的综合力学性能，是制造汽车车身板的理想材料，较好满足汽车工业的使用要求，市场应用前景广阔。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种汽车车身用铝合金，其特征在于其成分的质量百分含量为：

Si 0.35～0.75 wt%，

Mg 0.75～1.15 wt%，

Cu 0.20～0.50 wt%，

Mn 0.10～0.60 wt%，

Cr ≤0.10 wt%，

Ti ≤0.15 wt%，

Zn ≤0.25 wt%，

Fe 0.05～0.30 wt%，

其他元素或杂质各自<0.05 wt%，并且总计<0.15 wt%，

余量为Al。

2.根据权利要求1所述的一种汽车车身用铝合金，其特征在于：合金为过剩Mg型合金，即，Mg含量与Si含量之比大于1。

3.根据权利要求1或2所述的一种汽车车身用铝合金，其特征在于：成分的质量百分含量：Mg为0.85～1.05 wt%，Si为0.40～0.55 wt%，Cu为0.20～0.35 wt%，Mn为0.1～0.25 wt%， Fe为0.05～0.20 wt%。

4.权利要求1所述的一种汽车车身用铝合金的热处理方法，其特征在于：将铝合金铸锭进行均匀化退火热处理后，再经过热轧、中间退火、冷轧加工成板材；将铝合金板材在540～565℃进行固体处理后快速淬火至不高于100℃，然后在15分钟内进行预时效处理，预时效处理工艺是180～200℃预时效10～60秒或者70～130℃预时效0.2～12小时。

5.根据权利要求4所述的一种汽车车身用铝合金的热处理方法，其特征在于：在180～200℃预时效10～60秒后再在24小时之内进行70～130℃时效处理0.2～12小时。

6.根据权利要求4所述的一种汽车车身用铝合金的热处理方法，其特征在于：板材进行烤漆处理，使材料的屈服强度不低于180 MPa。