CN103255324B - 一种适合于汽车车身板制造的铝合金材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种综合性能优异的、适合于汽车车身板制造的铝合金材料，其基础成分组成及范围为：Si 0.6～1.2wt％，Mg 0.7～1.3wt％，Zn 0.25～0.8wt％，Cu 0.02～0.20wt％，Mn 0.01～0.25wt％，Zr 0.01～0.20wt％，余者为Al和附带的元素；同时满足2.30wt％≤(Si+Mg+Zn+2Cu)wt％≤3.20wt％。优选地，所述合金含有：Si 0.6～1.2wt％，Mg 0.7～1.2wt％，Zn 0.3～0.6wt％，Cu 0.05～0.20wt％，Mn 0.05～0.15wt％，Zr 0.05～0.15wt％；同时满足2.50wt％≤(Si+Mg+Zn+2Cu)wt％≤3.00wt％，0.75≤10Mg/(8Si+3Zn)≤1.15，0.15wt％≤(Mn+Zr)wt％≤0.25wt％。本发明还涉及与该合金材料相匹配的制备方法。该材料表现出优异的快速烤漆时效硬化响应能力，在具有良好成形性的同时能够在现有汽车烤漆生产线上获得高的烤漆硬化性能，是制造汽车车身板的理想材料。

Description

一种适合于汽车车身板制造的铝合金材料及制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金及其制备加工技术领域，特别是由国际铝业协会所命名的6XXX系(Al-Mg-Si系)铝合金；更具体地，本发明涉及一种适合于汽车车身板制造的铝合金材料及其制备方法。
背景技术
汽车工业的发展是人类文明与社会进步的重要标志，也是经济发展的强大动力。但是，随着汽车工业的飞速发展，由此带来的能源消耗和环境污染问题愈发严重。因此，降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。
作为降低汽车燃料消耗率、节省能源的有效途径，汽车的轻量化已经成为世界汽车工业发展的潮流。研究显示，汽车整车重量降低10％，燃油效率可提高6-8％；若一辆中型汽车(约1500Kg)减少350Kg，则这辆汽车在使用年限内至少能降低约5250Kg的废气。汽车轻量化的途径有两种：一是优化汽车框架结构；另一种是采用轻质材料。工业发达国家实践表明前者已无太大潜力可挖，因而汽车行业普遍注重于开发轻量化材料来解决这一难题。在高强轻质材料中，复合材料难以回收且造成环境污染，镁合金因其抗蚀性和成形性差限制了它们的应用在汽车车身板材上的应用，而铝资源丰富，铝合金的比重仅为钢的1/3，铝合金具有质轻、耐磨、耐腐蚀、比强度高，抗冲击性能好，易表面着色等特点，并且80％以上的铝材可以回收再利用，使得铝合金成为理想的汽车轻量化材料。而且在承力相同的情况下，铝合金比钢轻50％左右；当承受同样的冲击时，铝板比钢板多吸收50％的冲击能，更具安全性。正是因为铝合金在汽车上应用的诸多优点，铝合金在工业发达国家汽车制造工业的应用逐年上升。
汽车车身是汽车中重量较大的部件，约占汽车重量的30％，所以车身的铝化举足轻重，而汽车车身板铝合金材料的开发是关键，备受铝加工行业和汽车制造商的关注。已用于汽车车身的铝合金主要有Al-Cu-Mg(2XXX系)、Al-Mg(5XXX系)和Al-Mg-Si(6XXX系)三大系列。其中，5XXX系铝合金虽具有优良的成形性，但是其强度比2XXX系和6XXX系低，而且在冲压过程中，表面容易产生“橘皮”和滑移线痕影响板材表面质量，并且烤漆过程中常伴有软化现象。可热处理强化型2xxx系铝合金虽具有高的强度和良好的焊接性和锻造性，但合金的耐蚀性能较差，而且该系合金通常烤漆时效响应速度慢，在低温人工时效时表现为强度下降，烤漆时要获得足够的强度，则需要较高的温度和较长的时间，使得其在烤漆过程中的时效硬化效应受到明显限制。而6xxx系铝合金同时兼具T4/T4P态良好的成形性和较高的烤漆时效硬化响应能力(烤漆前后合金 屈服强度的增量)，且不存在冲压过程中易出现的影响表面质量的吕德斯带，耐蚀性及焊接性优于2XXX系铝合金；同时，6XXX系铝合金可热处理强化的特点，恰与现有汽车车身生产体系相匹配，可以先将制备加工好的该系铝合金板材在材料厂进行固溶和预时效处理、以使其具有良好的成形性，然后到汽车厂进行冲压成形制造车身构件，随后可以直接借助原有钢质汽车车身构件的烤漆涂装加热生产线实现时效处理，获得明显的强度性能提高，使其铝合金车身构件具有高的抗凹性。因此6XXX系铝合金材料被认为是汽车车身用最有前景的铝合金材料。
从上世纪70年代起，欧美、日本等汽车工业发达国家在6XXX系铝合金车身板材料研制方面投入了大量的人力和物力，相继开发注册了6009、6010、6016、6111、6022等国际铝合金牌号，并申请和获得了一大批相关的合金成分设计与关键工艺技术方面的专利。上世纪70年代中期，美国率先研发了6009和6010铝合金，6009-T4铝合金和6010-T4铝合金的烤漆硬化性较2036-T4铝合金好，合金的耐蚀性和焊接性都有很大提高，但边缘成形性不如2036铝合金好；80年代初期北美和欧洲分别研发了高Cu的6111铝合金和低Cu的6016铝合金，6111铝合金在6010铝合金的基础上烤漆硬化性和成形性得到明显提高，且6111铝合金烤漆处理后具有较高的强度；6016铝合金则表现出更佳的成形性和耐蚀性；90年代中期北美研发了6022铝合金，该合金的成形性、抗蚀性和烤漆硬化性均优于6111铝合金，其6022-T4E29(为Aloca内部热处理)已专利化，并投入工业化生产，在Ford Crow，Crand Marquis和Taurus/Sable等车型的外板和内板上获得了应用。目前获得应用的汽车车身板用6XXX系铝合金主要有6016、6111、6022铝合金，欧洲汽车制造商多选用具有较好成形性能的低Cu的6016铝合金，美国则更多采用具有较高强度性能的6111铝合金和6022铝合金。截止目前，欧美等发达国家在铝合金车身板方面已形成了较为完善的研发和生产体系，并在汽车车身应用方面取得了骄人的业绩，但现有铝合金车身板在协调其高成形性和高烤漆时效硬化性上仍存在着困难，还难以充分体现出用铝合金板取代钢板的优越性，加上其制造成本偏高，很大程度上制约了其在汽车车身制造中的全面应用。
对汽车车身板的基本要求是尽可能高的冲压成形性能、足够高的抗凹陷能力、良好的焊接性以及优异的耐腐蚀性能。汽车车身用6XXX系铝合金板材通常以T4(固溶+自然时效)或T4P(固溶+人工预时效)状态供货。一般要求该材料在汽车厂冲压成形前所具有的屈服强度较低(小于150MPa，最好小于140MPa)、加工硬化率及延伸率较高(大于25％)为好，从而提供良好的成形性能，冲压构件在最后的烤漆(制度通常为170～180℃/20～30min)过程中通过时效硬化获得尽可能高的强度(至少大于200MPa，同时为获得良好的抗冲击性能需低于290MPa)，以保证汽车车身板铝合金材料在服役过程中具有较高的抗凹陷和抗冲击性能。国际上现有商用6XXX系车身板铝合金中，6111铝合金烤漆硬化性较好，但其冲压前的屈服强度较高(通常超过150MPa，甚至更高)， 造成该材料成形性能明显下降、翻边延性较差，难以全面满足汽车车身板的成形性要求；同时该合金的Cu含量较高，降低了材料的耐蚀性能。6016、6022铝合金中Cu含量较低，具有较好的成形性，但其(特别是6016合金)烤漆硬化性相对6111铝合金较低。针对以上铝合金材料存在的不足，经过国内外科学工作者十多年的努力，通过控制合金中主合金元素Mg、Si和Cu的含量及其配比、采用多种微合金化(Mn、Fe、Cr、Ti、Zr等)手段、优化变形和预时效等工艺措施进行改善，较好地增强了合金高成形性和高烤漆时效硬化性的匹配性，在保证满足车身板成形性的要求下使合金烤漆时效硬化响应能力从早期的30～40MPa左右提升到了目前60～90MPa的水平，但受烤漆前低屈服强度要求和已定烤漆工艺参数的限制，其烤漆硬化响应能力已基本接近极限水平、可挖潜力非常有限，距离汽车生产方对铝合金车身板发展提出的、在保持良好成形性的前提下烤漆后屈服强度提高100MPa以上的设计目标还存在一定的差距。
为更好地满足汽车工业发展对铝合金车身板的要求，近年来国内外一些研究机构和企业大力投入，在现有汽车用6XXX系铝合金的基础上，通过合金成分和制备加工工艺优化设计，开展创新性工作，对开发全新的高性能6XXX铝合金车身板进行大量的探索研究，相继获得了一些性能良好的汽车车身板用铝合金材料。例如，发明专利CN101880805A公开了一种汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金及其制造方法，其基本成分范围为：Si：0.75～1.5wt％，Fe：0.2～0.5wt％，Cu：0.2～1.0wt％，Mn：0.25～1.0wt％，Mg：0.75～1.85wt％，Zn：0.15～0.3wt％，Cr：0.05％～0.15wt％，Ti：0.05～0.15wt％，Zr：0.05～0.35wt％，余量为Al。该材料中添加了少量的Zn、Cu含量接近甚至高于6111铝合金的水平；但从实施例给出的性能结果看，该材料供货状态屈服强度偏高，烤漆硬化响应能力有限(约50MPa)。发明专利CN101935785B公开了一种高成形性汽车车身板用铝合金，其基本成分范围为：Si：0.50～1.20wt％，Mg：0.35～0.70wt％，Cu：0.01～0.20wt％，Mn：0.05～0.20wt％，Cr≤0.10wt％，Zn：0.01～0.25wt％，Ti≤0.15wt％，Fe：0.05～0.15wt％，余量为Al；该铝合金材料Cu含量控制较低，还加入了少量的Zn元素、以微量元素含量进行控制；从实施例给出的性能结果看，材料表现出较好的成形性和烤漆硬化响应能力，但材料烤漆后的强度性能有待提高。
虽然近年来已经取得了一定的成绩，但仍难以满足未来汽车工业发展对铝合金金车身板的严苛要求。进一步提高现有合金的综合性能、发展新型车身板用高性能6XXX铝合金材料已成为全世界铝工业亟待解决的问题，也是汽车制造业发展的迫切需求。
发明内容
本发明通过大量研究和工业实践发现，现有商用汽车车身板用6XXX(Al-Mg-Si)系铝合金主要以Mg、Si为主要强化组元、以Mg2Si结构相为主要强化相，其析出序列和主要强化相类型相对单一，在限定的烤漆处理条件下难以获得理想的烤漆时效硬化响应能力；在现有6XXX系铝合金中，以主合金元素的形式添加适量的Zn，会使合金中新增加一个时效析出序列，能显著增强合金的烤漆时效硬化响应能力；通过控制合金元素Cu含量在较低水平，可以在适当增加合金时效硬化响应速率的同时使合金保持较好的抗蚀性能；同时辅助采用Zr、Mn等元素进行微合金化有利于材料组织的细化、材料性能及表面质量的提高。对该合金的成分范围及各元素配比进行精细优化设计，是保证其获得优异性能匹配的重要保障。通过合理的设计，可以使合金在保证良好的冲压成形性的情况下，在烤漆时效过程中协同析出Mg2Si结构和MgZn2结构的沉淀强化相，从而使本发明的6XXX系合金在汽车厂常规烤漆处理过程中即可实现快速时效硬化响应，获得更为优异的使用强度性能。本发明还发现，对于因添加多种合金元素导致的合金多层次组织的复杂化，需要通过制备加工工艺的优化设计来加以匹配调控。
本发明的目的在于克服现有汽车车身用铝合金材料性能的不足，在现有汽车车身用铝合金材料的基础上，通过成分及制备加工工艺的优化设计，为汽车制造业提供一种兼顾高烤漆硬化性及良好成形性的汽车车身板用6XXX系铝合金的理想选材。
本发明要解决的首要技术问题在于提出一种适用于汽车车身板用高性能铝合金材料，本发明要解决的第二个技术问题在于提出该铝合金材料的制备方法；本发明要解决的第三个技术问题在于提出该铝合金材料与本身或其它合金焊接在一起，形成新的产品；本发明要解决的第四个技术问题在于提出该铝合金材料通过各种表面处理、冲压成形、烤漆处理方式，被加工为最终构件；本发明要解决的第五个技术问题在于提出所述的最终构件的应用。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案为：
本发明涉及一种适合于汽车车身板制造的铝合金材料，所述铝合金中的成分和重量百分比为：Si0.6～1.2wt％，Mg0.7～1.3wt％，Zn0.25～0.8wt％，Cu0.01～0.20wt％，Mn0.01～0.25wt％，Zr0.01～0.20wt％，余者为Al和附带的元素；且同时满足2.30wt％≤(Si+Mg+Zn+2Cu)wt％≤3.20wt％。
本发明的第一优选方案为：所述铝合金中的成分和重量百分比为：Si0.6～1.2wt％，Mg0.7～1.2wt％，Zn0.3～0.6wt％，Cu0.05～0.20wt％，Mn0.05～0.15wt％，Zr0.05～0.15wt％，余者为A和附带的元素；且同时满足2.50wt％≤(Si+Mg+Zn+2Cu)wt％≤3.00wt％。
本发明的第二优选方案为：所述铝合金材料中合金成分需满足0.75≤10Mg/(8Si+3Zn)≤1.15。
本发明的第三优选方案为：所述铝合金材料中合金成分需满足0.15wt％≤(Mn+Zr)wt％≤0.25wt％。
本发明的第四优选方案为：上述铝合金材料还可能包括在制造铝合金锭坯过程中， 作为杂质或随晶粒细化剂带入的元素(除要求添加的合金化元素外的金属或非金属元素，包括Fe、Ti、Cr、Ni、V、Ag、Bi、Ga、Li、Pb、Sn、B等)，一般称之为附带的元素，所述的附带的元素含有Fe和Ti和选自其它附带元素中的一种或几种，其中，Fe≤0.40wt％，Ti≤0.15wt％，其它附带元素的每种≤0.15wt％、且其它附带元素总和≤0.25wt％。优选满足：Fe≤0.20wt％，Ti≤0.10wt％，其它附带元素的每种≤0.05wt％、且其它附带元素总和≤0.15wt％。
本发明的第五优选方案为：所述铝合金材料中，杂质元素Fe和微合金化元素Mn之间需满足Fe wt％≤(2Mn)wt％。
本发明还涉及生产该铝合金材料的制备方法。所述铝合金变形加工板材的过程可描述为“合金配制及熔炼-半连续铸造制备铸锭-铸锭的均匀化热处理-热轧变形-中间退火-冷轧变形-固溶处理及矫直-预时效处理-供货产品”。其包括以下步骤：
(1)制造如如本发明所述的铝合金材料的铸锭；
(2)对所得铸锭进行均匀化热处理；
(3)对经均匀化热处理的铸锭进行热轧变形和冷轧变形加工，从而得到所需规格的铝合金板材；
(4)对变形加工后的铝合金板材进行固溶热处理；
(5)将经固溶热处理后的铝合金板材迅速冷却到室温；和
(6)对铝合金板材进行自然时效或人工预时效处理以获得良好的性能匹配，以满足汽车厂车身板制造的需要。
其中在步骤(1)中，采用熔炼、除气、除夹杂及半连续铸造的方式进行铸锭的制造；在熔炼过程中，以Mg、Zn为核心来精确控制元素含量，通过在线成分检测分析，快速补充调整合金元素之间的配比，并完成全部的铸锭制造过程。在一个优选方面，其中在步骤(1)中，在熔炼、除气、除夹杂及半连续铸造过程中，进行电磁搅拌、超声搅拌或机械搅拌。
在步骤(2)中，所述均匀化热处理通过选自下组的方式中的一组的方式进行：(1)在360～560℃范围内，进行总时间为16～60h的连续升温均匀化热处理，且1℃/h＜升温速率≤30℃/h；和(2)在400～560℃范围内，进行总时间为12～60h的多级均匀化热处理，其中，级数为3～6级，第一级温度≤465℃，最后一级温度≥540℃、且保温时间≥6h。
在步骤(3)中包括以下工序：(1)先对锭坯进行预热处理，随炉加热，预热温度为380～460℃，时间为1～6h，再通过交替换向轧制或顺轧的方式对锭坯进行热轧变形加工，初轧温度为380～450℃，终轧温度为320～400℃，总变形量大于60％，得到5～10mm厚度规格的热轧坯料；(2)对热轧坯料进行中间退火热处理，温度为350～450℃，保温时间0.5～10h，空冷；(3)完成中间退火，在室温至200℃温度范围进行冷轧变形加工，加工至所要求的成品厚度规格，总变形量大于65％。
在步骤(3)中，在冷轧变形加工道次间歇，还包括增加350～450℃/0.5～3h的第二次的中间退火处理。
在步骤(4)中，所述固溶热处理需根据性能要求进一步调控板材中晶粒尺寸和再结晶组织比例，并通过选自下组的方式中的一组的方式进行：(1)在440～560℃范围内对铝合金板材进行总时间为0.1～3h的双级或多级固溶热处理，随炉升温；和(2)在440～560℃范围内，进行总时间为0.1～3h的连续升温固溶热处理。在一个优选方面，其中采用连续升温固溶热处理，0℃/min＜升温速率≤60℃/min。
在步骤(5)中，使用选自冷却介质喷淋式淬火、强风冷却淬火、浸没式淬火或及其组合的方式将铝合金板材迅速冷却至室温。
在步骤(6)中，所述人工预时效热处理通过选自下组的方式中的一组的方式进行：(1)完成淬火冷却后进行自然时效，环境温度≤40℃，时间≥14天；(2)完成淬火冷却后2h内，在60～200℃范围内进行单级、双级或多级人工时效处理，总时间为1～600min；和(3)完成淬火冷却后，采用自然时效和人工时效相结合的方式进行，人工时效温度60～200℃，时间1～600min，自然时效时间2～360h。
在步骤(5)和(6)之间，还可包括以下步骤：对经冷却的板材进行矫直处理，使用辊式矫直、拉伸矫直、拉伸弯曲矫直或及其组合的方式，消除板形缺陷，提高板材平直度，便于后续加工。
其中，所发明的铝合金材料制成的铝合金板材的屈服强度≤150MPa，延伸率≥25％，经汽车厂冲压变形和常规烤漆(170～180℃/20～30min)处理后，铝合金板材的屈服强度≥220MPa，抗拉强度≥290MPa，烤漆后屈服强度提高90MPa以上。优选所述铝合金材料的屈服强度≤140MPa，延伸率≥26％，经汽车厂常规烤漆处理后，铝合金板材的屈服强度≥235MPa，抗拉强度≥310MPa，烤漆后的铝合金板材的屈服强度提高100MPa以上。进一步优选所述铝合金板材的屈服强度≤140MPa，延伸率≥27％，经汽车厂常规烤漆处理后，铝合金板材的屈服强度≥245MPa，抗拉强度≥330MPa，烤漆后屈服强度提高110MPa以上。
如本发明所述铝合金材料，其与本身或其它合金焊接在一起，形成新的产品；焊接方式为搅拌摩擦焊、熔化焊、钎焊、电子束焊或激光焊；其通过各种表面处理、冲压成形和烤漆处理方式，被加工为最终构件；所述的最终构件为汽车车身的外覆盖件或内覆盖件。
本发明涉及的一种适合于汽车车身板制造的铝合金材料及制备方法的有益效果在于：
(1)通过对Al-Mg-Si系铝合金进行成分优化设计，并辅以相匹配的制备方法，实现了Mg/Si和Mg/Zn双时效析出序列协同强化提升合金烤漆硬化响应能力，使该材料在保持良好成形性的同时获得高的烤漆时效硬化性能，同时兼具良好的耐蚀性及表面质量。材料表现出优异的综合性能，是汽车车身板制造用理想材料，能满足汽车制造业对 铝合金车身板提出的苛刻要求。
(2)本发明在无需改变汽车厂现有烤漆工艺及设备的情况下进一步发掘出了铝合金时效硬化的潜力，将有力促使汽车生产厂广泛采用该铝合金材料来代替钢生产汽车外车身冲压件，有利于推动汽车轻量化的发展，具有重要的社会效益和经济效益。
(3)本发明材料性能优越、价格适中，制备方法简单实用、可操作性强，易于产业化推广，市场前景可观。
附图说明
图1为本发明合金、6016、6111和6022铝合金关键性能的对比。
具体实施方式
实施例1
在实验室规模制备合金板材，以证明本发明的原理。实验合金的成分组成如表1所示。通过业内所周知的合金熔炼、除气、除夹杂、并模拟半连续铸造条件制备60mm厚度规格的扁锭，将铸锭装入温度小于360℃的电阻加热炉中，在360～560℃范围内，进行总时间为36h的缓慢连续升温均匀化热处理，升温速率严格控制在5～10℃/h范围，完成均匀化热处理后进行空冷。经剥皮、铣面、锯切后得到40mm厚度规格的轧制坯料。将坯料在450±10℃下预热2h，初轧温度440℃，先沿着扁锭宽度方向轧制2～3道次，然后换向轧制、沿着扁锭长度方向轧至厚约6mm规格，终轧温度340℃。将热轧板切定尺后进行410±5℃/2h的中间退火处理，再经5～7道次冷轧变形最终获得约1mm厚度的薄板。将薄板装入460℃的空气炉中，进行温度460～550℃、总时间为40min的连续升温固溶热处理，水淬后立即进行矫直处理，随后根据合金特点分别进行90～140℃/10～40min的双级预时效处理；经室温下停放2周后切取部分板材依照相关方法进行拉伸和杯突实验，剩余板材经2％预变形处理后进行175℃/20min模拟烤漆热处理，并依照相关的测试标准对合金板材的T4P态屈服强度(Rp0.2)、伸长率(A)、硬化指数(n15)、塑性应变比(r15)、杯突值(IE)、以及烤漆态屈服强度(Rp0.2)、抗拉强度(Rm)分别进行测试，以作为板材T4P态(供货状态)和烤漆处理后的性能指标进行评价，结果如表2所示。
表1 实验合金成分
*注：表示该元素为添加的微量元素，并非杂质元素。
表2 实验合金的性能测试结果
从表2中可以看出，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#合金均具有T4P态成形性与烤漆硬化性的良好匹配。供货态屈服强度保持在150MPa以下，伸长率均高于26.0％，且具有良好的深冲性能；同时经常规烤漆处理后，屈服强度提高105MPa以上，且具有高的抗拉强度、均高于300MPa。10#、11#、12#、13#、14#、15#、16#、17#、18#、19#合金制品的性能未能满足上述成形性能与烤漆硬化性能的良好匹配，导致合金综合性能不理想。其中，10#、11#、15#、17#、19#合金具有相对较高的合金含量或u含量，供货态合金屈服强度偏高，不利于汽车厂冲压成形；12#合金具有相对高Zn含量、供货态合金伸长率偏低，不利于汽车厂冲压成形；13#、14#虽满足合金成分范围要求，但未满足成分配比关系，前者供货态屈服强度偏高，后者性能偏低；16#合金成分与6016合金接近，成形性良好，但烤漆硬化性能有限；18#合金含Zn量偏少、且未添加微量元素Mn和Zr含量，合金综合性能偏低。
实施例2
在实验室制备不同Zn含量的铝合金板材，实验合金成分组成如表3所示。通过业内所周知的合金熔炼、除气、除夹杂、以及模拟半连续铸造条件制备60mm厚度规格的扁锭，铸锭均分别进行单级550±3℃/24h和连续升温均匀化热处理(360～560℃范围内、总时间为30h、升温速率为6～9℃/h)，完成均匀化热处理后均进行空冷，对铸锭进行金相和电子显微镜观察、并结合DSC分析，观察分析合金组织的高烧情况，结果见表4所示。
表3 实验合金成分
表4 实验合金经不同均匀化制度处理后组织的过烧情况
由以上结果分析可知，对于添加Zn的Al-Mg-Si-Cu合金而言，采用高温单级均匀化容易导致过烧现象的发生。为此，对上述实验合金20#、21#和22#的扁锭均采用连续升温均匀化(360～560℃范围内、总时间为30h、升温速率为6～9℃/h)处理。经与实施例1相同的轧制、固溶淬火及预时效和模拟烤漆等处理。依照相关的测试标准，对合金板材的T4P态屈服强度(Rp0.2)、伸长率(A)、硬化指数(n15)、塑性应变比(r15)、杯突值(IE)、以及烤漆态屈服强度(Rp0.2)、抗拉强度(Rm)和晶间腐蚀性能分别进行测试，以作为板材T4P态(供货状态)和烤漆处理后的性能指标进行评价，结果如表5所示。
表5 实验合金的性能测试结果
从表5中可以看出，本发明的21#合金均具有良好的T4P态成形性能与烤漆硬化性能的匹配。而未添加Zn的20#合金虽成形性良好，但其烤漆硬化响应能力偏低；而添加较多Zn含量的22#合金，虽表现出较好的烤漆硬化响应能力，但其成形性和耐腐蚀性能明显降低，难以满足汽车车身板的制造要求。
实施例3
在实验室制备不同Cu含量的铝合金板材，实验成分组成如表6所示。经与实施例1相同的熔铸制备获得铸锭；将铸锭装入温度小于380℃的电阻加热炉中，在400～560 ℃范围内，选择进行总时间为48h的多级均匀化热处理，空冷。经剥皮、铣面、锯切后得到40mm厚度规格的轧制坯料。将坯料在425±10℃下预热4h，初轧温度420℃，先沿着扁锭宽度方向轧制2～3道次，然后换向轧制、沿着扁锭长度方向轧至厚约6mm规格，终轧温度320℃。将热轧板切定尺后进行380±10℃/4h的中间退火处理，再经5～7道次冷轧变形最终获得约1.1mm厚度的薄板。随后，在盐浴槽中对薄板进行温度(465±5℃/20min)+(550±5℃/10min)的双级固溶热处理，水淬后立即进行矫直处理，并根据合金特点分别进行85～145℃/10～50min的三级人工预时效处理；经室温下停放2周后切取部分板材依照相关方法进行拉伸和杯突实验，剩余板材经2％预变形处理后进行175℃/20min模拟烤漆热处理，并依照相关的测试标准对合金板材的T4P态屈服强度(Rp0.2)、伸长率(A)、硬化指数(n15)、塑性应变比(r15)、杯突值(IE)、以及烤漆态屈服强度(Rp0.2)、抗拉强度(Rm)分别进行测试，以作为板材T4P态(供货状态)和烤漆处理后的性能指标进行评价，结果如表2所示。依照相关的测试标准，对合金板材的T4P态屈服强度(Rp0.2)、伸长率(A)、硬化指数(n15)、塑性应变比(r15)、杯突值(IE)、以及烤漆态屈服强度(Rp0.2)、抗拉强度(Rm)和晶间腐蚀性能分别进行测试，以作为板材T4P态(供货状态)和烤漆处理后的性能指标进行评价，结果如表7所示。
表6 实验合金成分
表7 实验合金的性能测试结果
从表5中可以看出，本发明的24#合金均具有良好的T4P态成形性能与烤漆硬化性能的匹配。而未添加Cu的23#合金虽成形性良好，但其烤漆硬化响应能力偏低；而添加较多Cu含量的25#合金，虽表现出较好的烤漆硬化响应能力，但其耐腐蚀性能明显降低，难以满足汽车车身板的制造要求。
实施例4
在实验室制备不同Mn、Zr含量的合金板材，其成分组成如表8所示。经与实施例 3相同的熔铸、均匀化、轧制、固溶淬火及预时效和模拟烤漆等处理。依照相关的测试标准，对合金板材的T4P态屈服强度(Rp0.2)、伸长率(A)、硬化指数(n15)、塑性应变比(r15)、杯突值(IE)、以及烤漆态屈服强度(Rp0.2)、抗拉强度(Rm)和晶间腐蚀性能分别进行测试，以作为板材T4P态(供货状态)和烤漆处理后的性能指标进行评价，结果如表9所示。
表8 实验合金成分
表9 实验合金的性能测试结果
从表9中可以看出，本发明的28#合金均具有良好的T4P态成形性能与烤漆硬化性能的匹配。而未添加Mn、Zr的26#合金虽烤漆硬化响应能力较强，但其因晶粒组织粗大、成形性能较差；未添加Zr元素的27#合金表现出较好的烤漆硬化响应能力，其成形性虽好于27#合金，但仍明显低于本发明的28#合金。
实施例5
工业规模制备合金，合金的成分组成如表10所示。通过业内所周知的合金熔炼、除气、除夹杂、以及模拟半连续铸造条件制备180mm厚度规格的扁锭，25#合金铸锭的均匀化退火制度选择连续升温均匀化热处理(360～555℃范围内、总时间为30h、升温速率为5～9℃/h)，其余合金均采用其常规的退火制度550±5℃/24h，空冷。经剥皮、锯切后得到120mm厚度规格的轧制坯料。将坯料在445±10℃下预热5h，初轧温度440℃，进行顺轧热变形加工，经6～10个道次变形得到厚约10mm的热轧板坯，终轧温度为380℃。将热轧板切定尺后进行410±5℃/2h的中间退火处理；完成中间退火后，在室温条件至200℃温度范围内进行冷轧变形加工，板坯经2～4道次冷轧变形加工至5mm厚度规格时，增加360～420℃/1～2.5h的中间退火处理；待板材完全冷却后接着进行冷轧变形加工，最终获得0.9mm厚度规格的薄板。将薄板装入460℃的空气炉中，进行440～550℃的、总时间为40min的连续升温固溶热处理，水淬后立即进行整平处理，随后根据合 金自身特点，分别进行90～140℃/10～40min的单级或多级预时效处理，再在室温下停放2周后依照相关方法进行拉伸和杯突实验；另外，板材经2％预变形处理后进行175℃/30min模拟烤漆加热处理，并依照相关的测试标准，对合金板材的T4P态屈服强度(Rp0.2)、伸长率(A)、硬化指数(n15)、塑性应变比(r15)、杯突值(IE)、以及烤漆态屈服强度(Rp0.2)、抗拉强度(Rm)分别进行测试，以作为板材T4P态(供货状态)和烤漆处理后的性能指标进行评价，同时进行模拟冲压试验观察板材表面质量情况，结果如表11所示。
表10 实验合金成分
注：26#、27#和28#的成分点分别取自6016、6111和6022铝合金在国际铝业协会注册成分范围的中线值。
表11 实验合金的性能测试结果
从表11中可以看出，本发明的29#合金均具有良好的T4P态成形性能与烤漆硬化性能的匹配，与同等条件下制备的6016合金(30#合金)、6111合金(31#合金)、6022合金(32#合金)相比，具有明显的综合性能优势，特别是在保持合金具有优良成形性能的同时，表现出显著增强的烤漆硬化响应能力，能更好地满足汽车车身板的制造要求。图1给出了本发明合金29#、6016合金、6111合金和6022合金关键性能的对比。可以看出，本发明合金制品显示出了良好的成形性能与烤漆硬化性能匹配。

Claims (27)

1.一种适合于汽车车身板制造的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金中的成分和重量百分比为：Si 0.6～1.2wt％，Mg 0.7～1.2wt％，Zn 0.25～0.8wt％，Cu 0.05～0.20wt％，Mn 0.01～0.25wt％，Zr 0.01～0.20wt％，余者为Al和附带的元素；同时满足配比关系2.30wt％≤(Si+Mg+Zn+2Cu)wt％≤3.20wt％。
2.根据权利要求1所述的适合于汽车车身板制造的铝合金材料，其特征在于，所述铝合金中的成分和重量百分比为：Si 0.6～1.2wt％，Mg 0.7～1.2wt％，Zn 0.3～0.6wt％，Cu0.05～0.20wt％，Mn 0.05～0.15wt％，Zr 0.05～0.15wt％，余者为Al和附带的元素；同时满足配比关系2.50wt％≤(Si+Mg+Zn+2Cu)wt％≤3.00wt％。
3.根据权利要求2所述的适合于汽车车身板制造的铝合金材料，其特征在于，在所述铝合金中，0.75≤10Mg/(8Si+3Zn)≤1.15。
4.根据权利要求2所述的适合于汽车车身板制造的铝合金材料，其特征在于，在所述铝合金中，0.15wt％≤(Mn+Zr)wt％≤0.25wt％。
5.根据权利要求2所述的适合于汽车车身板制造的铝合金材料，其特征在于，所述的附带的元素是在制造铝合金锭坯过程中，作为杂质或随晶粒细化剂带入的元素，附带的元素含有Fe和Ti和选自其它附带元素中的一种或几种，其中，Fe≤0.40wt％，Ti≤0.15wt％，其它附带元素的每种≤0.15wt％、且其它附带元素总和≤0.25wt％。
6.根据权利要求5所述的适合于汽车车身板制造的铝合金材料，其特征在于，所述的附带的元素是在制造铝合金锭坯过程中，作为杂质或随晶粒细化剂带入的元素，其中Fe≤0.20wt％，Ti≤0.10wt％，其它附带元素的每种≤0.05wt％、且其它附带元素总和≤0.15wt％。
7.根据权利要求2所述的适合于汽车车身板制造的铝合金材料，其特征在于，在所述铝合金中，Fe wt％≤(2Mn)wt％；其中，Fe为附带的元素。
8.生产该铝合金材料的方法，其包括以下步骤：
(1)制造如权利要求1～7中任一项所述的铝合金材料的铸锭；
(2)对所得铸锭进行均匀化热处理；
(3)对经均匀化热处理的铸锭进行热轧变形和冷轧变形加工，从而得到所需规格的铝合金板材；
(4)对变形加工后的铝合金板材进行固溶热处理；
(5)将经固溶热处理后的铝合金板材迅速冷却到室温；和
(6)对铝合金板材进行自然时效或人工预时效处理获得良好的性能匹配，以满足汽车厂车身板制造的需要。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(1)中，采用熔炼、除气、除夹杂及半连续铸造的方式进行铸锭的制造；在熔炼过程中，以Mg、Zn为核心来精确控制元素含量，通过在线成分检测分析，快速补充调整合金元素之间的配比，并完成全部的铸锭制造过程。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在步骤(1)中，在熔炼、除气、除夹杂及半连续铸造过程中，进行电磁搅拌、超声搅拌或机械搅拌。
11.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(2)中，所述均匀化热处理通过选自下组的方式中的一组的方式进行：
1)在360～560℃范围内，进行总时间为16～60h的连续升温均匀化热处理，且1℃/h<升温速率≤30℃/h；和
2)在400～560℃范围内，进行总时间为12～60h的多级均匀化热处理。
12.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(3)中包括以下工序：
1)先对锭坯进行预热处理，预热温度为380～460℃，时间为1～6h，再通过交替换向轧制或顺轧的方式对锭坯进行热轧变形加工，初轧温度为380～450℃，终轧温度为320～400℃，总变形量大于60％，得到5～10mm厚度规格的热轧坯料；
2)对热轧坯料进行中间退火热处理，温度为350～450℃，保温时间0.5～10h；
3)完成中间退火，在室温至200℃温度范围进行冷轧变形加工，加工至所要求的成品厚度规格，总变形量大于65％。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在步骤(3)中，在冷轧变形加工道次间歇，还包括增加350～450℃/0.5～3h的第二次的中间退火处理。
14.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(4)中，所述固溶热处理选自下组的方式中的一组的方式进行：
1)在440～560℃范围内对铝合金板材进行总时间为0.1～3h的双级或多级固溶热处理；和
2)在440～560℃范围内，进行总时间为0.1～3h的连续升温固溶热处理。
15.根据权利要求14所述的方法，其中采用连续升温固溶热处理，0℃/min<升温速率≤60℃/min。
16.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(5)中，使用选自冷却介质喷淋式淬火、强风冷却式淬火、浸没式淬火或及其组合的方式将铝合金板材迅速冷却至室温。
17.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(6)中，所述人工预时效热处理通过选自下组的方式中的一组的方式进行：
1)完成淬火冷却后进行自然时效，环境温度≤40℃，时间≥14天；
2)完成淬火冷却后2h内，在60～200℃范围内进行人工时效处理，总时间为1～600min；和
3)完成淬火冷却后，采用自然时效和人工时效相结合的方式进行，人工时效温度60～200℃，时间1～600min，自然时效时间2～360h。
18.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(5)和(6)之间，还可包括以下步骤：对经冷却的板材进行矫直处理，使用辊式矫直、拉伸矫直、拉伸弯曲矫直或其组合的方式，消除板形缺陷，提高板材平直度，便于后续加工。
19.权利要求1～7中任一项所述的铝合金材料或用权利要求8～18中任一项所述方法制造的铝合金材料，其中，用该铝合金材料制成铝合金板材的屈服强度≤150MPa，延伸率≥25％，经汽车厂冲压变形和常规烤漆即170～180℃/20～30min的烤漆处理后，铝合金板材的屈服强度≥220MPa，抗拉强度≥290MPa，烤漆后的铝合金板材的屈服强度提高90MPa以上。
20.根据权利要求19中所述的铝合金材料，其中所述铝合金板材的屈服强度≤140MPa，延伸率≥26％，经汽车厂常规烤漆处理后，铝合金板材的屈服强度≥235MPa，抗拉强度≥310MPa，烤漆后屈服强度提高100MPa以上。
21.根据权利要求20中所述的铝合金材料，其中所述铝合金板材的屈服强度≤140MPa，延伸率≥27％，经汽车厂常规烤漆处理后，铝合金板材的屈服强度≥245MPa，抗拉强度≥330MPa，烤漆后屈服强度提高110MPa以上。
22.权利要求1～7中任一项以及权利要求20～21中任一项所述的铝合金材料或用权利要求8～18中任一项所述方法制造的铝合金材料，其与本身或其它合金焊接在一起，形成新的产品；焊接方式为搅拌摩擦焊、熔化焊、钎焊、电子束焊或激光焊。
23.权利要求19所述的铝合金材料，其与本身或其它合金焊接在一起，形成新的产品；焊接方式为搅拌摩擦焊、熔化焊、钎焊、电子束焊或激光焊。
24.用权利要求1～7中任一项以及权利要求20～21中任一项所述的铝合金材料或用权利要求8～18中任一项所述方法制造的铝合金材料制成铝合金板材，并通过各种表面处理、冲压成形和烤漆处理方式，被加工为最终构件。
25.用权利要求19所述的铝合金材料制成铝合金板材，并通过各种表面处理、冲压成形和烤漆处理方式，被加工为最终构件。
26.根据权利要求24所述的最终构件，其特征在于，所述的最终构件为汽车车身的外覆盖件或内覆盖件。
27.根据权利要求25所述的最终构件，其特征在于，所述的最终构件为汽车车身的外覆盖件或内覆盖件。
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