CN103173661B - 一种汽车车身用铝合金板材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高烘烤硬化汽车车身板用铝合金板材及制备方法，属于铝合金技术领域，所发明的铝合金成分特征是在常规的Al-Mg-Si-Cu四元合金基础上加入Zn元素，从而实现合金具有更高的烘烤硬化性能，并通过合理的预时效工艺优化控制，从而实现了合理调控溶质元素之间的相互作用以及强化相析出过程等，成功开发了一种具有非常优异综合性能的汽车材料用新型Al-Mg-Si-Cu-Zn五元铝合金；本发明的铝合金材料由于元素Zn的添加，其性能特征体现在烤漆前屈服强度低，塑性好，有利于汽车覆盖件的冲压成形；烤漆后的屈服强度提高幅度大，抗拉强度高，具有高的烘烤硬化性能。

Description

一种汽车车身用铝合金板材及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种可实施低温烤漆，且具有高烘烤硬化的汽车车身用铝合金板材及其制备方法。

背景技术

当代汽车正朝着轻量化、高速、安全、舒适、低成本、低排放与节能的方向发展，节能、安全、环保是汽车现代化发展的三大主题。随着世界各国汽车数量的持续增加，燃油消耗及其废弃污染也在日益加剧，这促使汽车产业将持续发展的核心放在能源和环保上，在新能源技术发展尚未成熟，汽车减重无疑是降低能耗及污染的最佳途径，而以汽车轻量化为主导的先进汽车材料技术是实现这一目标的有效途径。铝及其合金由于具有质轻，耐磨，耐腐蚀，弹性好，比强度和比刚度高，抗冲击性能好，易表面着色，良好的加工成形性以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性成为汽车轻量化最理想的材料。目前，欧美国家主要以6xxx系合金为基础开发铝合金车身板，如车盖、后行李箱盖以及车门等车身构件。在欧洲广泛使用的是强度较低的AA6016合金，在北美则更偏重于强度较高的AA6111合金，最近还开发了抗蚀性更好的6022合金，其6022-T4E29(为Alcoa内部热处理)已专利化，并投入工业化生产，并在Ford Crow Victoria，Crand Marquis和Taurus/Sable等车型的外板及许多内板上均已有应用。世界发达国家用6xxx系合金替代钢作为车身板己迈出了成功的一步，但目前应用的AA6016和AA6111合金，其使用强度并非理想，特别对于可实施低温烤漆工艺的新型6xxx系列合金的开发，以及具有更高烘烤硬化性能的合金开发等，因此国内外关于汽车用新型6xxx系列合金的开发和加工方面的研究仍在继续。近年来，国内一些高等院校和科研院所，如中南大学、东北大学、郑州大学及苏州有色金属研究院等，在汽车车身用6xxx系铝合金的成分设计、时效析出行为、板材成形性和烘烤硬化性能等方面也进行了部分研究，但是在成分设计方面的大部分研究主要集中在围绕Mg和Si含量的调整和优化，以及微合金化元素的添加（如稀土元素等），并未引入新的强化相形成元素，更没有涉及可实施低温烤漆工艺的新型合金的开发，整体而言，所制备的6xxx系列铝合金汽车板的综合性能一般，普遍采用低合金化以牺牲部分强度来获得高的成形性能，或者通过牺牲成形性能来获得高强度，很难达到烤漆前成形性和烘烤硬化后高强度的良好配合。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种汽车车身板用铝合金板材及其制备方法，旨在通过引入合金元素Zn，从而合理调配Mg/Si比和Mg-Si之间的相互作用，并且进一步通过制备工艺的处理进而实现所开发的材料集高成形性能和高烤漆硬化性能于一身的目标。

本发明的目的通过以下方式来实现：

本发明的高烘烤硬化汽车车身板用铝合金，通过多种化学成分优化，最终获得的化学成分以重量百分比为：Zn 0.20～1.50wt%，Mg 0.30～1.40wt%，Si 0.40～1.40wt%，Cu 0.05～1.0wt%，Fe≤0.4wt%，Mn≤0.4wt%，Cr≤0.2wt%，Ti≤0.2wt%，B≤0.2wt%，余量为Al。

本发明合金具体的加工工艺为：原材料分别采用99.9%的高纯铝，工业纯Mg和Zn，中间合金Al-20%Si、Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn等（其中百分比均为重量百分比）。当合金彻底熔炼并保证成分均匀以后在720℃将熔体浇铸在四周水冷的钢模内。铸锭后续的加工工艺为：555℃/16h均匀化→555℃热轧90%→冷轧47%→400℃/1h退火→冷精轧（变形量≥75%）→555℃/2min盐浴固溶处理→水淬，对水淬样品分别进行T4处理（固溶水淬后自然放置14天以上）和T4P处理（固溶水淬后马上转移至恒温干燥箱中进行预时效处理，温度为40℃-80℃，时间为12h-29h，预时效后自然放置14天以上），然后对比合金性能差异并进行模拟烤漆后的力学性能测试。

通过采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：本发明的高烘烤硬化汽车车身用铝合金板材，通过控制Mg、Si、Cu 和Zn含量，并对加工和热处理制度进行优化使得这些元素相互作用以及强化相析出过程达到合理调控，特别是引入合金化元素Zn，利用其在铝中具有较高固溶度，以及与元素Mg之间强烈的相互作用，从而实现影响Mg-Si强化相析出动力学的目的。最终使得合金烤漆硬化前的屈服强度较低，保证合金具有优异的加工成形性能，而经过烤漆处理以后强度得到大幅度提高，同时还可以实施低温烤漆硬化处理。

具体实施方式

下面结合具体实施方案对本发明做进一步的补充和说明。

铝合金板材的原材料分别采用99.9%的高纯铝、工业纯Mg、工业纯Zn、中间合金Al-20%Si、Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-5%Cr。铝合金板材的制备方法包括熔炼铸造、均匀化、热轧、冷轧、中间退火、冷精轧、水淬后进行T4或T4P处理等步骤。其中在电阻炉中的熔炼步骤包括：

1）首先将10Kg纯铝除了留下200g左右备用外，其余的全部加入坩埚，将炉温设定在850℃，待纯铝熔化后加入Al-20%Si、Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn中间合金，并加入少量覆盖剂，覆盖剂为约50g的Nacl和KCl（质量比为1:1）；

2）继续加热熔体，待中间合金熔化，熔体达到750℃后对其进行搅拌，使溶质元素混合均匀，然后在750℃保温30min后加入备用的200g纯铝搅拌熔体降温，待熔体温度降到710℃后加入纯Zn和纯Mg，并充分搅拌溶解；

3）待熔体温度再次达到730℃时取样分析成分，并对成分进行适当调整, 如果成分测量值低于设计值，根据烧损适当添加一定量的中间合金，如果成分测量值高于设计，则根据烧损适当添加一定量的金属纯铝；

4）继续待熔体升至740℃后扒渣、除气精炼；待熔体温度降至720℃时加入Al-5Ti-B（这是一种晶粒细化剂：Al-5wt%Ti-1wt%B）搅拌，然后在此温度保温10min后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内。

实施发明合金的具体化学成分见表1。

均匀化处理：经熔炼好的合金铸锭在循环空气炉中进行均匀化处理：均匀化制度为555℃/16h，升降温速度为30℃/h，均匀化的步骤具体是：将合金铸锭放入循环空气炉内，打开电源，以30℃/h升温速率开始升温，待温度达到555℃时，保温16h,然后再以30℃/h的降温速率随炉降温到100℃时取出样品。

热轧：均匀化后将铸锭切头铣面，重新加热到555℃供热轧，热轧总变形量＞90%，终轧温度≥300℃，热轧终轧厚度为7.5mm；

冷轧：对热轧后的板材由7.5mm冷轧到4mm厚，变形量为47%；

中间退火：冷轧后的板材经400℃/1h中间退火，升降温速度为30℃/h；

冷精轧：对中间退火后的板材进行冷精轧，终轧厚度为0.8mm～1mm厚，变形量≥75%； 

水淬后进行T4或T4P处理：对冷轧后的板材经555℃/2min盐浴固溶处理后水淬；T4处理，固溶水淬后自然放置14天以上；T4P处理，固溶淬火后马上转移至恒温干燥箱中进行预时效处理，温度为40℃-80℃，时间为12h-29h，预时效后自然放置14天以上。

表1 实施发明合金化学成分（重量百分数，wt%）

	Mg	Si	Cu	Fe	Mn	Zn	Cr	Ti	B	Al
											1#	0.89	0.90	0.45	0.06	0.10	0.25	≤0.2	≤0.01	≤0.01	余量
2#	0.90	0.94	0.46	0.05	0.10	0.53	≤0.2	≤0.01	≤0.01	余量
											3#	0.90	0.90	0.47	0.07	0.10	0.79	≤0.2	≤0.01	≤0.01	余量
4#	0.93	0.96	0.49	0.05	0.10	1.08	≤0.2	≤0.01	≤0.01	余量
											5#	0.80	0.93	0.51	0.21	0.10	0.53	≤0.2	≤0.01	≤0.01	余量
6#	0.82	0.91	0.52	0.22	0.10	1.02	≤0.2	≤0.01	≤0.01	余量
											7#	0.79	0.93	0.19	0.22	0.10	0.54	≤0.2	≤0.01	≤0.01	余量
8#	0.80	0.90	0.50	0.22	0.10	0	≤0.2	≤0.01	≤0.01	余量

然后对T4和T4P处理的样品进行力学性能测试和模拟烤漆态（120~200℃/10~40min）力学性能测试。拉伸试样按照标准GB/T 228 1999、GB/T 5027 1999、GB/T 5028 1999制样，具体实施方式如下：

实施例1   

从实施发明合金1#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理，然后在室温停放14天后进行T4态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例2

从实施发明合金2#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理，然后在室温停放14天后进行T4态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例3

从实施发明合金3#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理，然后在室温下停放14天后进行T4态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例4

从实施发明合金4#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理，然后在室温下停放14天后进行T4态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例5

从实施发明合金1#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例6

从实施发明合金2#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min

实施例7

从实施发明合金3#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min

实施例8

从实施发明合金4#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min

实施例9

从实施发明合金1#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为170℃/20min。

实施例10

从实施发明合金2#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为170℃/20min。

实施例11

从实施发明合金3#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为170℃/20min。

实施例12

从实施发明合金4#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为170℃/20min。

实施例13

从实施发明合金5#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例14

从实施发明合金6#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例15

从实施发明合金7#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例16

从实施发明合金5#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃-40℃模拟降温预时效热处理，预时效时间为29h，冷却速度为1℃-3℃/h，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例17

从实施发明合金6#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃-40℃模拟降温预时效热处理，预时效时间为29h，冷却速度为1℃-3℃/h，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例18

从实施发明合金7#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃-40℃模拟降温预时效热处理，预时效时间为29h，冷却速度为1℃-3℃/h，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为185℃/20min。

实施例19

从实施发明合金6#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为150℃/20min。

实施例20

从实施发明合金6#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃-40℃模拟降温预时效热处理，预时效时间为29h，冷却速度为1℃-3℃/h，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为150℃/20min。

实施例21

从实施发明合金8#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃/12h的预时效热处理，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为150℃/20min。

实施例22

从实施发明合金8#经熔炼铸造→均匀化→热轧→冷轧→中间退火→冷精轧后的冷轧薄板上截取样品，样品在盐浴炉中进行555℃/2min固溶处理后保证在1min内放入恒温干燥箱中进行80℃-40℃模拟降温预时效热处理，预时效时间为29h，冷却速度为1℃-3℃/h，再在室温下停放14天后进行T4P态及相应烤漆态力学性能测试，烤漆工艺为150℃/20min。

实施例1-22铝合金薄板的T4态、T4P态及其相应的模拟烤漆态性能如表2所示。

表2 实施例1-22铝合金薄板的T4态、T4P态及其相应的模拟烤漆态性能指标

                                                

 由表2实施例1-4对比实施例5-8，我们可以看出采用合适的预时效工艺，T4P态薄板烤漆前的屈服强度相对T4态的屈服强度有所降低，塑性较好，能够保证发明合金具有良好的成形性能；T4P态合金烤漆后屈服强度相对于T4态烤漆后的屈服强度提高了近65MPa，具有非常高的烘烤硬化性；对比表2实施例5-8和实施例9-12，我们可以发现发明合金在采用合适的预时效工艺后，即使降低烤漆温度发明合金依然能够获得较高的烘烤硬化性能。

对比实施例13-15和实施例16-18，我们可以发现，无论采用恒温还是降温预时效工艺，发明合金在烤漆前屈服强度均较低，而延伸率普遍较高，经过185℃模拟烤漆后合金屈服强度增量较高。此外，由表2还可以看出实施例19-22，发明合金采用合适的预时效工艺处理后，即使经短时低温烘烤（150℃/20min）处理后，依然能够同时具有良好的成形性和高的烘烤硬化性能。

综上所述，本发明通过合理调整Mg、Si、Cu和Zn主合金元素含量，以及制备工艺的优化，尤其是预时效工艺的优化和控制，成功实现了发明合金高成形性和高烘烤硬化性能的良好匹配。新开发的汽车车身用新型6xxx系铝合金板材及其制备方法对汽车用铝合金板材的开发、加工和应用均具有一定的促进作用，值得汽车生产厂家对此发明合金和相关的制备工艺加以重视，并尽早在这一领域能够得到推广。

以上所述只是本发明的一些实施例，对于本发明的范围没有任何限制，凡采用等同变化或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明专利的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种汽车车身板用铝合金板材的制备方法，该合金的化学成分及其重量百分比含量为：Zn:0.20～1.50wt％，Mg:0.30～1.40wt％，Si:0.40～1.40wt％，Cu:0.05～1.0wt％，Fe≤0.4wt％，Mn≤0.4wt％，Cr≤0.2wt％，Ti≤0.2wt％，B≤0.2wt％，余量为Al；其特征在于，所述方法包括熔炼铸造、均匀化处理、热轧、冷轧、中间退火、冷精轧以及固溶水淬后进行T4或T4P处理的步骤；所述熔炼步骤包括：

1)首先将10kg纯铝除了留下200g左右备用外，其余的全部加入坩埚，将炉温设定在850℃，待纯铝熔化后加入Al‐20wt％Si、Al‐50wt％Cu、Al‐20wt％Fe、Al‐10wt％Mn、Al‐5wt％Cr中间合金，并加入少量覆盖剂；

2)继续加热熔体，待中间合金熔化，熔体达到750℃后对其进行搅拌使溶质元素混合均匀，然后在750℃保温30min后加入备用的200g纯铝搅拌熔体降温，待熔体温度降到710℃后加入纯Zn和纯Mg，并充分搅拌溶解；

3)待熔体温度再次达到730℃时取样分析成分，并对成分进行适当调整；

4)继续待熔体升至740℃后扒渣、除气精炼；待熔体温度降至720℃时加入Al‐5wt％Ti‐1wt％B搅拌，然后在此温度保温10min后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内；

其中所述均匀化处理是：将合金铸锭放入循环空气炉内，打开电源，以30℃/h升温速率开始升温，待温度达到555℃时，保温16h,然后再以30℃/h的降温速率随炉降温到100℃时取出样品；

所述热轧总变形量＞90％，终轧温度≥300℃，热轧终轧厚度为7.5mm；对热轧后的板材由7.5mm冷轧到4mm厚，变形量为47％；冷轧后的板材经400℃/1h中间退火，升降温速度为30℃/h；对中间退火后的板材进行冷精轧，终轧厚度为0.8mm～1mm厚，变形量≥75％；

所述T4处理是固溶水淬后自然放置14天以上；所述T4P处理是固溶水淬后马上转移至恒温干燥箱中进行预时效处理，温度为80℃‐40℃，时间为12h‐29h，预时效后自然放置14天以上；所述预时效处理后的铝合金板材具备烤漆前屈服强度较低，塑性好，有利于汽车覆盖件的冲压成形；烤漆后的屈服强度提高幅度大，抗拉强度高，具有高的烘烤硬化性能；

将铝合金板材固溶水淬后，保证在1min内进行80℃‐40℃降温预时效处理，冷却速度为1℃‐3℃；

将T4P处理后的铝合金板材采用低温烤漆硬化处理120～200℃/10～40min。