CN103757507A - 一种汽车车身外板用高烤漆硬化铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种汽车车身外板用高烤漆硬化铝合金材料及其制备方法。通过成分优化、加工和热处理工艺调控，该系合金可以充分利用溶质元素Mg与溶质元素Si和Zn能够同时作用并析出相应的溶质原子团簇或过渡相等，从而实现多种强化相协同析出和协同强化基体的目的，形成较常规Al-Mg-Si系合金具有更加优异的快速时效响应特性的铝合金板材，其经一定温度预时效处理后强度较低且室温稳定性较好，易于进行典型汽车零部件的冲压成形，而经烤漆处理后，其烤漆硬化增量可达158MPa，远高于商用AA6016或AA6111合金的80~90MPa的硬化增量，也高于改良型铝合金120MPa左右的硬化增量，适合应用于汽车车身外板的制造以及对铝合金时效响应速度有较高要求的技术行业。

Description

一种汽车车身外板用高烤漆硬化铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，涉及一种可工业化应用的新型高烤漆硬化铝合金材料及其制备方法，特别针对汽车领域车身外板用铝合金对成形性能和抗凹陷性能的特殊要求而开发，可以保证铝合金板材成形前具有较低的屈服强度，而成形后在短时烤漆过程中表现出优异的烤漆硬化特性。

背景技术

由于空气污染和气候状况不断恶化，世界各国对节能、减排的意识不断增强，而我国也制定了明确的节能减排“十二五”规划，其中在汽车燃油消耗方面明确规定了要由2010年的8升/百公里降低到2015年的6.9升/百公里，可见汽车轻量化已经刻不容缓。而铝合金由于具有优异的综合性能，如低密度、高强度、耐腐蚀性能、高成形性能以及易回收等特性，已被各国作为21世纪汽车轻量化的重要选材。目前，除了以往应用较多的铸造铝合金之外，变形铝合金用作汽车车身内板和外板材料的研究和应用也已取得较大进展，典型的合金系列有：Al-Cu系列、Al-Mg系列以及Al-Mg-Si系列，其中Al-Mg系列合金主要应用于汽车车身内板的制造，而Al-Mg-Si系列合金主要用作汽车车身外板的制造。

在汽车车身外板的制造过程中通常要求合金板材同时具有如下特性：高成形性能、低回弹性能、抗凹陷性能、抗腐蚀性能以及优异的表面质量等。而上述这些性能要求中，高成形性和低回弹性一般要求合金板材具有较低的屈服强度，而抗凹陷性能则要求合金板材具有较高的屈服强度。Al-Mg系列合金属于加工硬化型合金无法满足此要求，而Al-Mg-Si系列合金具有较好的烤漆硬化性能可以同时满足高成形性、低回弹性以及抗凹陷等性能要求。目前已经取得商业化应用的主要有AA6016和AA6111等系列合金，但是这些商用合金如果不经预时效处理，其烤漆硬化增量仅为30-40MPa，而经过一定的预时效处理后烤漆硬化增量也一般只在80～90MPa之间，部分合金经Mg、Si、Cu含量优化以及预时效工艺合理调控后烤漆硬化增量可达到120MPa左右。考虑到烤漆工艺逐渐向低温方向发展，这一烤漆硬化增量远远不能满足新一代汽车车身外板对铝合金材料的性能要求，因此急需开发具有快速时效响应型的新型铝合金及其制备方法，使得相应的合金板材能够具有更加优异的烤漆硬化增量。

近些年，为了提高Al-Mg-Si系列合金的烤漆硬化增量，研究人员对已经得到商业化应用的AA6016和AA6111合金进行了大量的成分调整或者合金改良，不过主要集中在改变Mg/Si比，或者添加少量的Cu、Ag等其它合金元素，如专利US20110165437A1，US6267922B1，US6117252，EP1967599A1以及CN818123A等专利，但是基本都没有跨出6xxx系铝合金的成分设计范围，因此，所开发或改良的合金的烤漆硬化增量增加均非常有限。考虑到MgZn2强化相可以大幅度提高Al-Zn-Mg-Cu系合金的强度，如果能够在Al-Mg-Si系列合金基体内添加一定量的元素Zn，通过合适的加工和热处理工艺能够调控合金在烤漆过程中快速时效析出大量Mg2Si和MgZn2强化相或者这两种强化相的过渡相等，从而实现多相协同析出进而发挥多相协同强化作用，所开发的合金应该能够表现出优异的烤漆硬化性能。此外，考虑到要想充分利用上述两种强化相或者其过渡相的快速时效析出和协同强化，两种强化相的共用溶质元素Mg含量应该较高，因此，相应的Mg/Si比、Cu和Zn含量必须设计合理。本发明就是根据这一设计思想进行新合金成分设计和制备工艺开发的。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，针对目前汽车车身外板用Al-Mg-Si系合金烤漆硬化性能不够高的问题，开发一种具有高烤漆硬化性能的新型铝合金。该新型合金充分利用溶质元素Mg可以与溶质元素Si和Zn同时发生相互作用，进而在烤漆过程中能够快速形成Mg2Si和MgZn2（或者其相应的过渡相）多种强化相，最终使得合金烤漆硬化增量得到大幅度升高。该发明合金适合应用于汽车车身外板的制造，特别是汽车车身外板成形后要求具有优异烤漆硬化增量的情况，以及已经或者准备采用低温烤漆工艺的汽车车身外板材料生产厂家应用。

本发明通过成分设计和优化首先对新型高烤漆硬化铝合金的成分范围进行选择，然后通过熔炼铸造等工序制备所设计合金并对其时效析出行为进行研究，最终确定具有高烤漆硬化性能的新型铝合金成分范围以及合金板材的相应制备方法。具体的制备工艺如下：FactSage相图计算→新型铝合金成分选择→合金配制和熔炼铸造→铸锭均匀化→热轧变形→中间退火→冷轧变形→固溶→淬火→预时效→冲压成形（或预变形）→模拟烤漆硬化处理（如图1所示）。

本发明的第一目的在于提出一种具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金，该铝合金的化学成分及其质量百分比含量为：Zn:0.05～4.0wt%，Mg0.5～1.5wt%，Si0.2～1.2wt%，Cu0～1.0wt%，Fe≤0.35wt%，Mn≤0.35wt%，Cr≤0.25wt%，Ti≤0.25wt%，余量为Al。

优选地，其化学成分的Zn、Si和Cu含量范围分别为：Zn0.3～3.9wt%，Si0.4～1.0wt%，Cu0～0.9wt%。

优选地，其化学成分Mg、Si的Mg/Si质量比范围为1.0～2.0；Fe和Mn的质量百分比含量为：Fe≤0.2wt%，Mn≤0.15wt%。

本发明的第二目的在于提出一种上述具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、熔炼铸造；

步骤二、双级均匀化；

步骤三、热轧变形；

步骤四、中间退火；

步骤五、冷轧变形；

步骤六、固溶处理；

步骤七、分级淬火处理；

步骤八、预时效处理。

优选地，所述步骤二的双级均匀化具体为：将熔炼铸造后的合金试样以25～45℃/h升温速率开始从室温升温到460～485℃保温2～5h，然后再以25～45℃/h继续升温到545～555℃保温16～22h，最后再以25～45℃/h的降温速率随炉降温至100℃以下时取出。

优选地，所述步骤三的热轧变形条件具体为：开轧温度在530～550℃，道次压下量为4%～35%，热轧总变形量＞90%，终轧温度≥300℃；

所述步骤四的中间退火具体为，将热轧变形后的合金试样以30℃/h～1200℃/h的升温速率升温到350～450℃，保温1～3h进行中间退火，然后空冷；

所述步骤五的冷轧变形的冷轧总变形量处于60%～80%之间，道次压下量处于20%～35%之间。

优选地，所述步骤六的固溶处理具体为：在盐浴炉中进行545～555℃/1-6min的固溶处理。

优选地，所述步骤七的分级淬火处理是将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以30～1900℃/s的降温速率降温到250～320℃，然后再以1～70℃/s的降温速率降温到150～200℃，最后再以30～0.17℃/s的速率降温到室温。

优选地，所述步骤八的预时效处理是将分级淬火后的合金试样在2～5min内转移到70-130℃预时效炉中进行10～16h的预时效处理，并在室温放置14天，或是将分级淬火后的合金试样在2～5min内转移到60～140℃预时效炉中以1～16℃/h的降温速率降温到20～40℃取出，并在室温放置14天。

本发明的第三目的在于提出一种汽车零部件的制备方法，其特征在于，在利用前述制备方法制备出新型铝合金材料后，进行如下步骤：

步骤九、冲压成形；

步骤十、刷漆及烤漆硬化处理。

通过采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：本发明的新型铝合金可以充分利用基体内的Mg-Si以及Mg-Zn之间的强烈相互作用，通过合适的加工和热处理工艺调控使得合金板材在模拟烤漆过程中可以实现多种强化相的快速时效析出，进而发挥多相协同强化使得合金烤漆硬化增量得到大幅度提高。本发明合金非常适合应用于汽车车身外板用铝合金的加工和生产，以及对烤漆硬化增量有较高要求的其它部分车身部件用铝合金板材的生产，当然也适合应用于对铝合金时效析出相应速度有较高要求的其它技术行业。

附图说明

图1发明合金制备工艺流程图。

图2几种固溶淬火态合金在自然时效过程中的硬度变化规律示意图。

图3几种T4态合金的DSC曲线图。

图4几种T4态合金在170℃时效过程中的硬度变化规律示意图。

图5几种T4态合金在185℃时效过程中的硬度变化规律示意图。

图6几种T4P等温预时效态合金在自然时效过程中的硬度变化规律示意图。

图7几种T4P等温预时效态合金的DSC曲线图。

图8T4态5#合金由室温以10℃/min升温到250℃时的TEM组织图。

图9等温T4P态7#合金由室温以10℃/min升温到250℃时的TEM组织图。

图10几种T4P等温预时效态合金在185℃人工时效过程中的硬度变化规律示意图。

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。

原材料分别采用99.9wt%的高纯铝、工业纯Mg、工业纯Zn、中间合金Al-20wt%Si、Al-50wt%Cu、Al-20wt%Fe、Al-10wt%Mn等。在电阻炉中的具体熔炼过程为，首先将纯铝全部加入坩埚，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中间合金，并加入覆盖剂（50wt%NaCl+50wt%KCl）；继续加热熔体，待中间合金熔化，熔体温度达到750℃后对其进行搅拌使溶质元素混合均匀，然后在750℃保温30min后设定炉温使熔体降温到710℃，然后向熔体中加入纯Zn和纯Mg，并充分搅拌使其彻底溶解；待熔体温度再次达到730℃时取样分析成分，如果成分测量值低于设计值，根据烧损情况适当添加一定量的中间合金，如果成分测量值高于设计值，根据过量值适当添加一定量的金属纯铝进行稀释；继续待熔体升至740℃后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt%Ti-1wt%B晶粒细化剂并进行适当搅拌，最后在此温度保温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。

表1实施发明合金化学成分（质量百分数，wt%）

	Mg	Si	Cu	Fe	Mn	Zn	Cr	Ti	Al
										1#	0.9	0.5	0	0.1	0.07	0.5	≤0.2wt%	≤0.01wt%	余量
2#	0.9	0.5	0	0.1	0.07	1.5	≤0.2wt%	≤0.01wt%	余量
										3#	0.9	0.5	0	0.1	0.07	3.0	≤0.2wt%	≤0.01wt%	余量
4#	0.9	0.5	0.2	0.1	0.07	0	≤0.2wt%	≤0.01wt%	余量
										5#	0.9	0.5	0.2	0.1	0.07	0.5	≤0.2wt%	≤0.01wt%	余量
6#	0.9	0.5	0.2	0.1	0.07	1.5	≤0.2wt%	≤0.01wt%	余量
										7#	0.9	0.5	0.2	0.1	0.07	3.0	≤0.2wt%	≤0.01wt%	余量
8#	0.9	0.5	0.8	0.1	0.07	0.5	≤0.2wt%	≤0.01wt%	余量
										9#	0.9	0.5	0.8	0.1	0.07	1.5	≤0.2wt%	≤0.01wt%	余量
10#	0.9	0.5	0.8	0.1	0.07	3.0	≤0.2wt%	≤0.01wt%	余量

发明合金铸锭在循环空气炉中进行均匀化处理，处理工艺为：将合金铸锭放入循环空气炉内，打开电源，以20～50℃/h升温速率开始升温，待温度达到450～490℃保温2～6h，然后再以20～50℃/h继续升温到540～560℃保温16～25h，最后再以20～50℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出试样；随后对均匀化态铸锭进行热轧变形→中间退火→冷轧变形，为了更好地优化成分，一部分试样直接取自均匀化态，一部分取自冷轧态，然后将切取的块状试样放入540～560℃的盐浴炉中进行1～7min的固溶处理；随后进行分级淬火处理，将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度降温到室温。最后对分级淬火的试样进行预时效→预变形→模拟烤漆硬化处理，并对不同状态合金试样进行DSC分析、显微硬度和拉伸性能测量分析合金析出行为和烤漆硬化增量的变化情况。具体的实施方式如下：

实施例1

从实施发明合金1#、2#、3#、5#、6#、7#、8#、9#和10#经熔炼铸造后，对其进行均匀化处理，处理工艺为：以25～45℃/h升温速率开始升温，待温度达到460～485℃保温2～5h，再以25～45℃/h继续升温到545～555℃保温16～22h，然后再以25～45℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出试样。随后再在均匀化处理后的块体材料上直接切取试样置于545～555℃盐浴炉中进行1～6min固溶处理。随后将固溶处理后的合金试样进行分级淬火处理从固溶处理温度以30～1900℃/s的降温速率降温到250～320℃，然后再以1～70℃/s的降温速率降温到150～200℃，最后再以30℃/s～0.17℃/s的速率降温到室温，随后在自然时效状态下放置14天，比较各种合金自然时效过程中的硬度变化情况（详见图2所示）。此外，还对14天自然时效态5#、6#和7#试样进行DSC分析，具体实施方案为：切取直径3mm×1mm，质量约为15mg的圆片，利用差示扫描量热仪Q2000（DSC）进行差热分析，用高纯Al作为标样，以10℃/min的加热速率从20℃加热到400℃。据此进一步分析不同成分合金的时效析出行为差异（详见图3所示）。

实施例2

从实施发明合金1#、2#、3#、5#、6#、7#、8#、9#和10#经熔炼铸造后，对其进行均匀化处理，处理工艺为：以25～45℃/h升温速率开始升温，待温度达到460～485℃保温2～5h，再以25～45℃/h继续升温到545～555℃保温16～22h，然后再以25～45℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出试样。随后再在均匀化处理后的块体材料上直接切取试样置于545～555℃盐浴炉中进行1～6min固溶处理。随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以30～1900℃/s的降温速率降温到250～320℃，然后再以1～70℃/s的降温速率降温到150～200℃，最后再以30℃/s～0.17℃/s的速率降温到室温。将多级淬火样品在室温状态下放置14天（T4态），然后对其分别进行170℃和185℃不同时间的人工时效进而分析合金的时效析出行为差异（详见图4和图5所示）。

实施例3

从实施发明合金1#、2#、3#、5#、6#、7#、8#、9#和10#经熔炼铸造后，对其进行均匀化处理，处理工艺为：以25～45℃/h升温速率开始升温，待温度达到460～485℃保温2～5h，再以25～45℃/h继续升温到545～555℃保温16～22h，然后再以25～45℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出试样。随后再在均匀化处理后的块体材料上直接切取试样置于545～555℃盐浴炉中进行1～6min固溶处理。随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以30～1900℃/s的降温速率降温到250～320℃，然后再以1～70℃/s的降温速率降温到150～200℃，最后再以30℃/s～0.17℃/s的速率降温到室温。随后将淬火态试样在2～5min内转移到70～130℃的等温预时效炉中进行10～16h的预时效处理，并在室温放置14天（T4P态），比较各种合金的自然时效过程中的硬度变化情况（详见图6所示）。此外，还对T4P态5#、6#和7#试样进行DSC分析，具体实施方案为：切取直径3mm×1mm，质量约为15mg的圆片，利用差示扫描量热仪Q2000（DSC）进行差热分析，用高纯Al作为标样，以10℃/min的加热速率从20℃加热到400℃。据此进一步分析不同成分合金的时效析出行为差异（详见图7所示）。

实施例4

从实施发明合金1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#和10#经熔炼铸造后，对其进行均匀化处理，处理工艺为：以25～45℃/h升温速率开始升温，待温度达到460～485℃保温2～5h，再以25～45℃/h继续升温到545～555℃保温16～22h，然后再以25～45℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出试样。随后再在均匀化处理后的块体材料上直接切取试样置于545～555℃盐浴炉中进行1～6min固溶处理。随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以30～1900℃/s的降温速率降温到250～320℃，然后再以1～70℃/s的降温速率降温到150～200℃，最后再以30℃/s～0.17℃/s的速率降温到室温。随后将多级淬火态试样在2～5min内转移到70～130℃等温预时效炉中进行10～16h的预时效处理，并在室温放置14天（T4P态），然后对其进行185℃不同时间的人工时效分析合金的时效析出行为（详见图8所示）。

实施例5

从实施发明合金4#和7#经熔炼铸造后，对其进行均匀化处理，处理工艺为：以25～45℃/h升温速率开始升温，待温度达到460～485℃保温2～5h，再以25～45℃/h继续升温到545～555℃保温16～22h，然后再以25～45℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出试样。随后再在均匀化处理后的块体材料上直接切取试样置于545～555℃盐浴炉中进行1～6min固溶处理（即在545～555℃的盐浴炉中进行1-6min的固溶处理）。随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以30～1900℃/s的降温速率降温到250～320℃，然后再以1～70℃/s的降温速率降温到150～200℃，最后再以30℃/s～0.17℃/s的速率降温到室温。将多级淬火后的合金试样在2～5min内转移到60-140℃预时效炉中以1-16℃/h的降温速率降温到20～40℃取出，并在室温放置14天，然后对其进行185℃/20min人工时效分析合金时效析出行为（详见表2所示）。

实施例6

从实施发明合金4#和7#经熔炼铸造后，对其进行均匀化处理，处理工艺为：以25～45℃/h升温速率开始升温，待温度达到460～485℃保温2～5h，再以25～45℃/h继续升温到545～555℃保温16～22h，然后再以25～45℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出试样。均匀化后将铸锭切头铣面，重新加热到530～550℃供热轧，道次压下量为4%～35%，热轧总变形量＞90%，终轧温度≥300℃；对热轧后的板材以30℃/h～1200℃/h的升温速率升温到350-450℃进行1～3h的退火处理，然后将其冷轧到1mm厚，道次压下量处于20～35%，总变形量为60～80%；然后再在冷轧板材上直接切取试样置于545～555℃盐浴炉中进行1～6min固溶处理。随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以30～1900℃/s的降温速率降温到250～320℃，然后再以1～70℃/s的降温速率降温到150～200℃，最后再以30℃/s～0.17℃/s的速率降温到室温。随后将多级淬火态试样在2～5min内转移到70～130℃的等温预时效炉中进行10～16h的等温预时效处理，并在室温放置14天（T4P态）。冲压成形、刷漆及烤漆硬化处理是典型汽车零部件（如门板等）真实的生产步骤，由于典型汽车零部件冲压成形过程的变形量大部分为2～5%，冲压成形后首先要在表面刷漆，刷完漆之后需要进行烘烤，烘烤工艺一般为185℃/20min，在烘烤过程中合金强度会上升。为了模拟由本发明生产出的典型汽车零部件，可以通过对等温预时效态试样进行2%～5%的预拉伸模拟典型零部件的冲压成形过程，然后进行185℃/20min的模拟烤漆处理来评价合金的烤漆硬化增量，其中该模拟烤漆硬化处理直接在时效炉中进行即可，最后分析合金板材的烤漆硬化增量（详见表3所示）。

实施例7

从实施发明合金4#和7#经熔炼铸造后，对其进行均匀化处理，处理工艺为：以25～45℃/h升温速率开始升温，待温度达到460～485℃保温2～5h，然后再以25～45℃/h继续升温到545～555℃保温16～22h，然后再以25～45℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出试样。均匀化后将铸锭切头铣面，重新加热到530～550℃供热轧，道次压下量为4%～35%，热轧总变形量＞90%，终轧温度≥300℃；对热轧后的板材以30℃/h～1200℃/h的升温速率升温到350～450℃进行1～3h的退火处理，然后将其冷轧到1mm厚，道次压下量处于20～35%，总变形量为60～80%；然后再在冷轧板材上直接切取试样置于545～555℃盐浴炉中进行1～6min固溶处理。随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以30～1900℃/s的降温速率降温到250～320℃，然后再以1～70℃/s的降温速率降温到150～200℃，最后再以30℃/s～0.17℃/s的速率降温到室温。将上述多级淬火后的合金试样在2～5min内转移到60～140℃预时效炉中以1～16℃/h的降温速率降温到20～40℃取出，并在室温放置14天，对降温预时效态试样进行2%～5%的预拉伸，最后对其进行185℃/20min模拟烤漆处理分析合金板材的烤漆硬化增量。（详见表4所示）。

表2不同成分T4和等温T4P态合金经185℃20min时效处理后硬度增量

表3合金板材等温T4P态和模拟烤漆态力学性能

表4合金板材降温T4P态和模拟烤漆态力学性能

由于合金成分、显微组织以及热处理工艺均对Al-Mg-Si系合金的沉淀析出行为有影响，为了消除热加工和冷加工过程中形成的变形组织对合金析出行为的影响，从而保证更好地优化出具有高烤漆硬化性能的新型铝合金成分，不同热处理状态所用合金均取自均匀化处理后的铸锭试样。实施例1～5经不同热处理工艺处理后的铝合金硬度变化、相应的DSC曲线以及TEM组织如图2～10所示。由图2可以看出，无论Cu和Zn含量如何变化，固溶淬火后的试样在自然时效过程中均会随着时效时间的延长而发生硬度上升（对于汽车板材这一强度上升会降低合金板材的冲压成形性能）。虽然有些合金硬度增幅较小，但是其强度上升说明析出了大量粗大溶质原子团簇（如图3中DSC回溶峰所示），这些溶质原子团簇会显著降低合金后续高温人工时效析出速度（对于汽车板材则会显著降低其在烤漆过程中的硬化增量，自然时效过程中强度上升导致的上述两方面恶化效应是汽车板材生产过程中必须严格加以控制的）。正如实施例2对T4态合金分别进行170℃和185℃不同时间的人工时效，由图4和图5可以看出，T4态合金不仅在人工时效过程中时效硬化速度相对较慢，而且最为关键的是在时效20min后部分合金出现了硬度下降现象（如表2所示），当然有些成分合金（如添加一定量元素Zn的合金成分）硬度上升也较大。这一点由图3所示的DSC曲线也可以看出添加一定量的元素Zn能够使峰值温度在250℃左右的β″相析出峰向低温方向推移（如图3所示）。但是整体而言仅通过成分优化很难彻底消除该新型铝合金的自然时效恶化效应。而合金板材在室温放置过程中的性能稳定是汽车生产厂家非常关注的性能指标之一。因此，本发明进一步对所开发的新型铝合金，提出一种适合于该类合金的预时效工艺，使其室温稳定性能和烤漆硬化增量得到提高。

如果对发明合金进行相应的等温预时效处理（实施例3），几种合金在室温放置过程中性能相对较为稳定，基本不会出现明显的硬度上升现象（如图6所示）。而且对几种典型合金进行相应的DSC分析可以明显看出，经过预时效工艺处理后的合金试样，低温回溶峰面积明显减小，而且部分合金在250℃附近出现了双峰叠加（如图7所示），说明新开发合金经过预时效处理后在升温过程中会出现多种强化相析出。对T4态5#合金和T4P态7#合金以10℃/min从室温升温到250℃（模拟DSC升温过程中的沉淀相析出）。由图8和图9可以看出，两种合金基体内均会有点状和针状两种不同类型的析出相。此外，与T4态5#合金相比，T4P态7#合金从室温升温到250℃时基体内细小点状沉淀相数量明显增多，此结果均表明新型铝合金通过成分和热处理工艺优化可以实现多相协同析出和协同强化的目的。如果对T4P等温预时效态合金进一步进行高温人工时效（实施例4），由图10可以看出，所有成分合金较T4态合金时效析出速度均有较大幅度的提高，而且部分合金出现了硬度双峰现象，这主要是由于两种或多种强化相先后析出所致。此外，合金经185℃/20min短时时效后硬度均发生了明显的上升，最高硬度增幅可达25HV（如图10和表2所示）。而部分合金如果采用实施例5进行降温预时效处理，合金经185℃/20min短时时效后硬度同样均发生了明显的上升（如表2所示）。上述研究结果表明所开发的合金如果应用于汽车板材的生产可能会表现出非常优异的烤漆硬化增量。

此外，考虑到所开发的新型铝合金能够表现出多相协同析出和多相协同强化，具有较好的快速时效响应特性，非常适合应用于汽车车身外板用铝合金的制造，因此，对4#和7#合金进行了热加工（热轧变形）、冷加工变形（冷轧变形）以及多级热处理（固溶处理、分级淬火处理、预时效处理）（如实施6和实施例7）。发明合金经过此两种实施例中的等温和降温预时效处理后，再经后续的185℃/20min模拟烤漆处理后均表现出非常优异的烤漆硬化增量（如表3和表4所示）。不过与不添加Zn元素的4#合金相比，添加一定量元素Zn之后的7#合金，无论经等温预时效还是降温预时效，此种成分合金板材的模拟烤漆硬化增量分别可以达到144和158MPa。此烤漆硬化增量远高于目前商业生产的AA6016和AA6111合金的烤漆硬化增量。

综上所述，本发明通过成分设计、加工和热处理工艺优化，对新型铝合金内各主合金元素Mg、Si、Cu和Zn之间的相互作用进行了很好地调控，使该系合金在时效过程中可以表现出多相协同析出进而使合金基体能够得到多相协同强化，最终使得所开发的铝合金经预时效处理后不仅强度较低而且性能稳定性也较好，非常有利于冲压成形不同形状的汽车零部件。此外，较常规汽车车身外板用Al-Mg-Si系合金具有更加优异的烤漆硬化增量。因此，此发明合金和工艺不仅非常适合应用于汽车车身外板用铝合金的制造，从而加快汽车轻量化进程，而且对于其他领域用快速时效响应型铝合金的开发、加工和应用也具有一定的指导意义，值得汽车生产厂家和铝合金加工企业对此发明合金和相关的制备工艺加以重视，使其尽早能够在这一领域得到推广和应用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料，其特征是在于该铝合金的化学成分及其质量百分比含量为：Zn: 0.05～4.0wt%，Mg 0.5～1.5wt%，Si 0.2～1.2wt%，Cu 0～1.0wt%，Fe≤0.35wt%，Mn≤0.35wt%，Cr≤0.25wt%，Ti≤0.25wt%，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料，其特征是，其化学成分的Zn、Si和Cu含量范围分别为：Zn 0.3～3.9wt% ，Si 0.4～1.0 wt%，Cu 0～0.9wt%。

3.根据权利要求1所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料，其特征是，其化学成分Mg、Si的Mg/Si质量比范围为1.0～2.0；Fe和Mn的质量百分比含量为：Fe≤0.2wt%，Mn≤0.15wt%。

4.根据权利要求1~3任一项所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、熔炼铸造； 

步骤二、双级均匀化；

步骤三、热轧变形；

步骤四、中间退火；

步骤五、冷轧变形；

步骤六、固溶处理；

步骤七、分级淬火处理；

步骤八、预时效处理。

5.如权利要求4所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二的双级均匀化具体为：将熔炼铸造后的合金试样以25~45℃/h升温速率开始从室温升温到460~485℃保温2~5h，然后再以25~45℃/h 继续升温到545~555℃保温16~22h，最后再以25~45℃/h的降温速率随炉降温至100℃以下时取出。

6.如权利要求4所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三的热轧变形条件具体为：开轧温度在530~550℃，道次压下量为4%~35%，热轧总变形量＞90%，终轧温度≥300℃；

所述步骤四的中间退火具体为，将热轧变形后的合金试样以30℃/h~1200℃/h的升温速率升温到350~450℃，保温1~3h进行中间退火，然后空冷；

所述步骤五的冷轧变形的冷轧总变形量处于60%~80%之间，道次压下量处于20%~35%之间。

7.如权利要求4所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤六的固溶处理具体为：在盐浴炉中进行545~555℃/1-6min的固溶处理。

8.如权利要求4所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤七的分级淬火处理是将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以30~1900℃/s的降温速率降温到250~320℃，然后再以1~70℃/s的降温速率降温到150~200℃，最后再以30 ~0.17℃/s的速率降温到室温。

9.如权利要求4所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤八的预时效处理是将分级淬火后的合金试样在2~5min内转移到70-130℃预时效炉中进行10~16h的预时效处理，并在室温放置14天，或是将分级淬火后的合金试样在2~5min内转移到60~140℃预时效炉中以1~16℃/h的降温速率降温到20~40℃取出，并在室温放置14天。

10.一种汽车零部件的制备方法，其特征在于，在利用如权利要求4-9任一项所述的制备方法制备出新型铝合金材料后，进行如下步骤：

步骤九、冲压成形；

步骤十、刷漆及烤漆硬化处理。

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