CN103290278B

CN103290278B - 一种汽车车身用高吸能性铝合金

Info

Publication number: CN103290278B
Application number: CN201310225657.3A
Authority: CN
Inventors: 李落星; 刘志文; 王冠
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: CN103290278A

Abstract

一种汽车车身用高吸能性铝合金，它的重量百分比组成是：Mg0.56%~0.64%，Si0.42%~0.50%，Cu0.17%~0.19%，Fe0.20%~0.22%，Mn0.028%~0.032%，Cr0.028%~0.032%，Zn0.028%~0.032%，Ti0.29%~0.31%，Zr0.29%~0.31%，其余为Al。其制备方法是：按各组分重量百分比配料，然后加热至740℃~750℃熔化，降温，静置，精炼，浇注至250℃~300℃的铁模中；然后铸锭在560℃均匀化处理9h，快速水冷，加热，挤压成形，采用水或雾淬，再在180℃下人工时效。本发明组分配比合理，操作工艺简单，热挤压成形性好。

Description

一种汽车车身用高吸能性铝合金

技术领域

本发明涉及一种铝镁硅铝合金，特别是指一种含有元素Ti和Zr的Al-Mg-Si新型铝合金，适用于汽车防撞梁和吸能盒等典型关键安全元件结构材料。

背景技术

轻量化被认为是实现交通运输业可持续发展的最有效途径。Al-Mg-Si合金比强度高、比刚度高、焊接性能好，可回收性好，是汽车轻量化的理想材料。现有的常规商业Al-Mg-Si合金中，6061铝合金强度较高，热挤压成形性好，具有作为车身用铝合金的应用前景。然而其延展性较差，高速冲击过程中变形褶皱不规整，抗开裂能力差，吸能性能低，难以在汽车车身上进行大规模推广应用。为满足汽车使用安全性能要求，有必要进一步优化现有的Al-Mg-Si合金成分，使合金具有优良的综合机械性能和安全吸能性，同时热挤压成形性良好。Zr元素对铝合金的积极作用，目前多数利用都是针对Al-Zn-Mg、Al-Cu-Mg-Mn合金的，而在Al-Mg-Si合金中国内外尚未见相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有常规商业Al-Mg-Si合金抗压溃开裂能力差的缺陷，提出一种组分配比合理、加工制造容易、操作工艺简单、利用Ti和Zr元素合金化改善铝合金组织结构、提高其综合机械性能的高吸能性铝合金及其制备方法。

本发明的技术方案之一是，所述汽车车身用高吸能性铝合金的重量百分比组成是：

Mg：0.56%~0.64%， Si：0.42%~0.50%，

Cu：0.17%~0.19%， Fe：0.20%~0.22%，

Mn：0.028%~0.032%， Cr：0.028%~0.032%，

Zn：0.028%~0.032%， Ti：0.29%~0.31%，

Zr：0.29%~0.31%，其余为Al。

本发明的技术方案之二是，上述重量百分比组成的汽车车身用高吸能性铝合金的制备方法的步骤是：

a.按所述各组分的重量百分比配料；

b.将步骤a所配制的原料加热至740℃~750℃，完全熔化，静置10 min ~20min之后，再用六氯乙烷进行精炼，熔体静置、扒渣后，于685℃—695℃在保护气氛下浇注于预热至250℃~300℃的铁模中，得铸锭；

c.将所得铸锭于550℃~570℃均匀化处理8.5h—9.5h，用室温水冷却1min —2min后，得均匀化后铸锭；

d.将挤压筒、挤压模具及挤压垫加热至450℃~480℃并保温；

e. 将所述均匀化后铸锭加热至480℃~500℃温度保温3~4h，在放入预先加热的挤压筒中进行挤压成型，挤压比为40~90，得铝合金型材；

f.将所得铝合金型材进行在线水淬或雾淬，最后再在175℃~185℃下人工时效30 min ~540min，即得。

本发明的技术原理是，在现有的常规商业Al-Mg-Si合金成分基础上添加钛和锆元素，并合理优化组元成分比例；利用Ti和Zr元素合金化，显著细化Al-Mg-Si合金铸造组织，提高合金强度；同时，通过利用Ti、Zr原子与Al原子的原子半径差和电负性差异，使合金在凝固过程中形成一种Al₃Ti、Al₃Zr质点，在合金后续挤压过程中，大量质点阻碍了位错的运动和对晶界的钉扎作用，抑制再结晶晶粒长大，使材料即使在较高的温度下变形也能得到均匀的细晶组织。经人工时效后，所开发合金的抗拉强度可达302MPa，伸长率大于19.5%，综合性能远高于现有Ti含量低和不含Zr的Al-Mg-Si合金。同时，由于等轴的细晶组织降低了型材的各向异性，提高了型材抗压溃开裂能力，吸能性能好。此外，与常规Al-Mg-Si合金相比，本发明合金Si含量过剩，保证了合金的强度；Fe、Zn元素含量偏低，有利于提高合金的塑性和韧性。

综上所述，本发明的合金组分配比合理、加工制造容易、操作工艺简单，利用Ti、Zr元素合金化，有效改善了Al-Mg-Si合金组织结构，提高了合金的综合力学性能和吸能性，可广泛应用于作为汽车防撞梁和吸能盒等车身典型安全结构件材料。该合金制成的型材准静态压缩和动态冲击变形褶皱良好，吸能性能高。

附图说明

图1是本发明实施例和对比例合金铸态组织，其中：(a)为实施例合金，(b)为对比例6061铝合金；

图2是本发明实施例和对比例合金均匀化处理后在500℃不同应变速率下的热压缩真应力-真应变曲线，其中，(a)为实施例合金，(b)为对比例6061铝合金；

图3是本发明实施例和对比例合金在500℃， =10s^-1热变形的显微组织，其中：(a)为实施例合金，(b)为对比例6061铝合金；

图4是本发明实施例合金热挤压加工制备的防撞梁和吸能盒型材；

图5是本发明实施例和对比例合金热挤压加工制备的吸能盒准静态压缩实验变形结果，其中：(a) 为压缩前，(b)为压缩后实施例合金，(c)为压缩后对比例6061铝合金；

图6是本发明实施例合金热挤压加工制备的防撞梁和吸能盒总成和原钢制防撞梁和吸能盒总成49km/h的台车碰撞变形结果，其中：(a)碰撞装车前形状，(b)为碰撞后的实施例铝合金，(c)为碰撞后的原钢制结构件；

图7为实施例合金热挤压加工制备的防撞梁和吸能盒总成和原钢制防撞梁和吸能盒总成49km/h台车碰撞的加速度-时间曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明给出了两种具体的合金作为实施和对比例，其中：

实施例：重量百分比组成为：0.6%Mg，0.43%Si，0.18%Cu，0.21%Fe，0.03%Mn，0.03Cr%，0.03%Zn，0.3%Ti，0.3%Zr，余量为Al；

对比例：重量百分比组成为：0.9%Mg，0.5%Si，0.18%Cu，0.7%Fe，0.15%Mn，0.04%~0.35%Cr，0.25%Zn，0.15%Ti，余量为Al，不含锆元素。

本发明按上述两种合金成分配比，其中对比例合金为现有常规商业6061合金成分配比。采用工业纯铝，工业纯镁，Al-Cu，Al-Si，Al-Mn、Al-Cr、Al-Zr，Al-Ti等中间合金配制。采用铸锭冶金法制备，设置特定工艺条件，用石墨坩埚在井室电阻炉中进行熔炼，熔炼温度为740℃~750℃，用六氯乙烷精炼，静置10~20min，减少铝合金氧化，去除合金液表面的熔渣，提高合金纯度。采用铁模浇注，浇注温度为690℃，在保护气氛（氮气）下将合金液平稳浇入预热至250℃~300℃的铁模中。铸锭经560℃均匀化处理9h，用室温水冲洗1min左右后去皮；加热至480℃~500℃并保温3~4h，进行热挤压，挤压比为40~90；进行在线水淬或雾淬，最后再在180℃下人工时效8h。

采用实施例和对比例合金所制备的型材在180℃下人工时效时间8h后，依据GB/T228-2000进行力学性能测试，结果见表1。由表可知，添加Zr和相对较多的Ti原子合金的峰值时效抗拉强度达302MPa，延伸率为19.5%。抗拉强度与实施例6061铝合金相近，延伸率大于6061铝合金，综合性能远好于6061铝合金。这主要是由于Zr和Ti加入合金后晶粒得到显著细化。

表1 实施例和对比例合金人工时效8h的力学性能

图1为实施例和对比例合金铸态的显微组织。由图1(a)可知，实施例铝合金的铸态晶粒组织呈较为规则的等轴状，平均晶粒大小约为93.5μm左右。由于添加了量较多的Ti和Zr元素合金在凝固过程中形成大量Al₃Zr、Al₃Ti质点，能显著细化铸态晶粒组织。而图1(b)对比例铝合金的铸态组织相比明显粗大，平均晶粒大小约为224.75μm左右。

图2为实施例和对比例合金均匀化处理后在500℃时的热压缩真应力-真应变曲线。从图2(a)可知，实施例合金在热压缩过程中，在变形的开始阶段，流变应力值随应变的增加迅速升高，显示出明显的加工硬化现象；随着应变量的逐渐增大，当应力值达到峰值后，流变应力逐渐降低，出现了明显的动态再结晶行为。而图2(b)中对比例合金热变形行为为明显的动态回复机制。

图3为实施例和对比例合金在500℃，=10s^-1热变形的显微组织。由图3(a)可以看出实施例合金已发生完全再结晶，由于Ti和Zr元素形成的Al₃Zr、Al₃Ti质点，抑制再结晶晶粒长大，使变形组织由动态回复性的带状组织转变为等轴状的再结晶组织，晶粒尺寸为45.83μm。而图3(b)对比例合金呈现为典型的动态回复性纤维组织。

图4为实施例合金经热挤压加工制备的防撞梁和吸能盒型材。合金热挤压成形性好，表面光泽度亮。

图5为本发明实施例和对比例合金所制备的吸能盒准静态压缩实验变形结果。由图5(b)可知，实施例型材准静态压缩变形褶皱良好，呈手风琴模式，无开裂现象。由于形成的再结晶组织降低挤压型材的各向异性，提高其沿挤压方向抗压溃开裂能力，大幅度提高了Al-Mg-Si铝合金的吸能性能。图5(c)所示为对比例合金型材在准静态压缩过程中沿棱角出现严重的材料失效撕裂现象，导致吸能性能差。

图6为实施例合金热挤压加工制备的防撞梁和吸能盒总成和原钢制前防撞梁总成高速碰撞条件下变形结果。由图6(b)可知，铝合金前防撞梁和吸能盒在高速碰撞过程中变形模式理想，无开裂情况，充分吸收冲击能量，对车身后面的乘员区起到很好的保护作用。而图6(c)中钢制前防撞梁和吸能盒在碰撞过程中变形模式不均匀，左右两侧上撇，吸能盒几乎没压溃。

图7为实施例合金热挤压加工制备的防撞梁和吸能盒总成和原钢制防撞梁和吸能盒总成49km/h的台车碰撞的加速度-时间曲线。通过实验验证，实施例铝合金保险杠总成加速度峰值低于钢制保险杠，样品1和样品2加速度峰值分别降低了29.6%和24.6%。且碰撞过程中加速度变化均匀，波动较小，更有利于车内乘员安全。

Claims

1.一种汽车车身用高吸能性铝合金，其特征是，它的重量百分比组成是：

Mg：0.56%， Si：0.42%~0.43%，

Cu：0.17%~0.19%， Fe：0.20%~0.22%，

Mn：0.028%~0.032%， Cr：0.028%~0.032%，

Zn：0.028%~0.032%， Ti：0.29%~0.31%，

Zr：0.29%~0.31%，其余为Al。

2.一种生产如权利要求1所述汽车车身用高吸能性铝合金的方法，其特征是，该方法的步骤是：

a、按所述各组分的重量百分比配料；

b、将步骤a所配制的原料加热至740℃~750℃，完全熔化，静置10 min ~20min之后，再用六氯乙烷进行精炼，熔体静置、扒渣后，于685℃—695℃浇注于预热至250℃~300℃的铁模中，得铸锭；

c、将所得铸锭于550℃~570℃均匀化处理8.5h—9.5h，然后再用室温水冷却1min—2min后，得到均匀化铸锭；

d、将挤压筒、挤压模具及挤压垫加热至450℃~480℃并保温；

e、将所述均匀化后铸锭加热至480℃~500℃温度保温3~4h，在放入预先加热的挤压筒中进行挤压成型，挤压比为40~90，得铝合金型材；

f、将所得铝合金型材进行在线水淬或雾淬，最后再在175℃~185℃下人工时效30 min ~540min，即得。

3.根据权利要求2所述汽车车身用高吸能性铝合金的方法，其特征是，用该方法制得的汽车车身用高吸能性铝合金型材，即使在480℃~520℃的温度下变形也能得到小于50μm的动态再结晶组织；经人工时效后，所述合金型材的抗拉强度可达302MPa，伸长率大于19.5%。

4.一种汽车车身用高吸能性铝合金，其特征是，它的重量百分比组成是：

Mg：0.6%， Si： 0.43%，

Cu：0.18%， Fe： 0.21%，

Mn：0.03%， Cr： 0.03%，

Zn：0.03%， Ti： 0.3%，

Zr：0.3%，其余为Al。