CN104018038A - 一种汽车防撞梁用铝合金及其产品制造方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车防撞梁用铝合金及其产品制造方法，该铝合金的成分及其质量百分比为：Zn：6.50%～6.80%；Mg：0.90%～1.10%；Cu：0.2～0.30%；Zr：0.15%～0.20%；Mn：0.10%～0.15%；Ti：0.01～0.02%；Cr：≤0.05%；Fe：≤0.25%；Si：≤0.20%；余量为Al。利用本发明所得的汽车防撞梁的抗拉强度达到420MPa以上，屈服强度可稳定控制在390～420MPa之间，断后伸长率大于10%，可焊性及耐蚀性均比采用原有合金系统有不同程度提高；更符合汽车防撞吸能要求且保留7003合金低淬火敏感性特点，可用于生产高性能的汽车防撞梁。

Description

一种汽车防撞梁用铝合金及其产品制造方法

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，尤其涉及一种汽车防撞梁用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其产品制造方法。

背景技术

铝合金是以铝为基体元素，加入一种或多种合金元素组成的合金。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。目前汽车防撞梁用的铝合金挤压材传统上多采用6061、6082、6351铝合金挤压材或7003、7005(7N01)、7021、7029铝合金挤压材制作，前3种铝合金材料的抗拉强度属于300MPa级，其屈服强度和断后伸长率约为250MPa和8%；后4种合金材料的抗拉强度属于350MPa级，屈服强度和断后伸长率分别为290MPa和8%。

随着我国在车辆安全方面的法规不断完善及人们对汽车行驶安全性的认识不断提高，现今对汽车防撞梁铝合金材料的性能提出了更高的要求，规定其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率必须分别达到420MPa、390～420MPa和10%。防撞梁是为了保证车辆在低速碰撞的时候不至于发生过多的形变，损伤过度,但如果防撞梁的结构强度远远超过车体自身强度的话，撞击力量就会直接传递到车身，这样即使防撞梁没有明显损坏而车体却已经遭受损伤了。因此，对防撞梁的性能要求既不能太硬，也不能太软，硬度需要与车身设计相匹配，以达到低速抗撞击、高速吸能的目的。而现有的铝合金性能难以满足此需求，因而开发一种能够满足新要求的汽车防撞梁用的铝合金具有重要的意义。

发明内容

为克服现有技术的不足及存在的问题，本发明提供一种汽车防撞梁用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其产品制造方法，以在7003合金的基础上，提供一种配方设计更为合理，强度性能指标更高，韧性更好，更符合汽车防撞吸能要求且保留7003合金低淬火敏感性特点的铝合金挤压材料，可用于生产高性能的汽车防撞梁。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种汽车防撞梁用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，该铝合金的成分及其质量百分比为：

Zn：6.50%～6.80%；Mg：0.90%～1.10%；Cu：0.2～0.30%； Zr：0.15%～0.20%； Mn：0.10%～0.15%；Ti：0.01～0.02%；Cr：≤0.05%；Fe：≤0.25%；Si：≤0.20%；余量为Al。

本发明还保护一种铝合金产品制造方法，所述铝合金产品可为汽车防撞梁，该方法包括以下步骤：

A、浇注熔融合金铸造铸锭，所述合金的成分及其质量百分比为：Zn：6.50%～6.80%；Mg：0.90%～1.10%；Cu：0.2～0.30%； Zr：0.15%～0.20%； Mn：0.10%～0.15%；Ti：0.01～0.02%；Cr：≤0.05%；Fe：≤0.25%；Si：≤0.20%；余量为Al；

B、将铸造的铸锭进行均匀化加热，加热温度为450～470℃，保温时间为7～9h，然后出炉空冷至室温；

C、将铸锭按所需长度锯切成挤压锭坯，送入感应炉加热至400～440℃后，以4～5mm/s的挤压速度进行挤压，挤压出口温度为460～480℃；

D、将已淬火的铝合金产品拉伸矫直，停放8～12小时后，进行双级时效处理。

优选地，在步骤C中，采用在线风冷淬火或者在线水雾淬火进行挤压成型。

优选地，在步骤D中，按照1%～1.5%的变形量对已淬火的铝合金产品进行拉伸矫直。

优选地，在步骤D中，所述双级时效处理包括：

D1、进行温度为90～110℃的预时效处理，保温时间为5.5～6.5小时；

D2、进行温度为140～160℃的终时效处理，保温时间为7.5～8.5小时。

与现有技术比较，本发明的铝合金及利用其制造的汽车防撞梁的抗拉强度可达到420MPa以上，比传统采用的6061、6082等合金提高约40%，而比传统采用的7003、7005等合金提高约20%；其屈服强度可稳定的控制在390～420MPa之间，比传统采用的6061、6082等合金提高约56%，而比传统采用的7003、7005等合金提高约34%；其断后伸长率大于10%，比传统采用的6061、6082、7003、7005等合金提高约25%；由所述铝合金生产的挤压型材，呈非再结晶纤维组织状态，其可焊性(抗焊接裂纹倾向性)及耐蚀性(抗应力腐蚀裂纹性)均比原有采用的合金系统有不同程度的提高；保持了原7003合金的低淬火敏感性和淬透性的特点，可采用在线直接风冷或直接水雾淬火批量生产，生产成本低廉。

附图说明

附图1为应用本发明的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金制造的汽车防撞梁的截面示意图；

附图2为应用本发明的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金制造的汽车防撞梁的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。应当指出，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种应用于制造汽车防撞梁的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，该铝合金的成分及其质量百分比为：

Zn：6.50%～6.80%；Mg：0.90%～1.10%；Cu：0.2～0.30%； Zr：0.15%～0.20%； Mn：0.10%～0.15%；Ti：0.01～0.02%；Cr：≤0.05%；Fe：≤0.25%；Si：≤0.20%；余量为Al。

在实际应用中，由于原料及加工过程的原因，铝合金组分中不可避免地含有微量杂质，比如铬（Cr）。在本发明中严格控制杂质的含量，控制其他单个杂质≤0.05%，其他杂质总和≤0.15%，以满足工业应用的标准和要求。含有此允许范围的杂质的铝合金应当包含在本发明的保护范围内。

本发明在基本维持原7003合金Zn与Mg的百分比的前提下，增加合金中主要元素Zn和Mg的含量，将合金中Zn和Mg的含量分别控制在6.50%～6.80%和0.90%～1.10%的范围内，目的是在保证材料具有要求的机械性能前提下，保持新合金的低淬火敏感性。同时，在合金中加入0.20%～0.30%的Cu，除Cu本身的固溶强化作用外，也改变了合金沉淀相的形态结构，使时效组织更为弥散均匀，既提高了强度，也改善了塑性，同时在抗应力腐蚀方面也起到良好的作用；另一方面，控制所加入Cu的比例，主要是避免过分增加合金的淬火敏感性。

合金中的Zr和Al形成的ZrAl₃金属间化合物成弥散质点存在时，可细化晶粒，并在热加工及热处理后容易保持未再结晶或部分再结晶的组织，提高合金强度和抗应力腐蚀性能。为此，将7003原合金中的Zr含量由0.05%～0.25%调整为0.15％～0.20％。并同时将原合金中以杂质形式存在的Mn作为一种微量添加元素控制在0.10%～0.15%的范围，以增强合金抑制再结晶的作用，同时消除或减少杂质Fe和Si的有害作用，并缩小或消除合金在淬火和时效时可能形成的无析出带，相应提高合金的力学性能及耐蚀性和韧性。由于Cr对合金的淬火敏感性影响较大，将其含量由原合金的≤0.20%调整为≤0.05%，并归入杂质中进行控制。

将合金中的杂质Fe和杂质Si分别控制在不大于0.25%和0.20%的水平，以尽可能降低这两种杂质对合金强度性能和耐蚀性能的不利影响，同时又便于生产中可以采用Al99.70的原铝锭，并基本满足现有生产工艺不可避免的增铁倾向，从而使生产成本得到控制。

为了降低合金中Cr和Zr元素对晶粒细化剂Al-Ti-B细化效果的不利影响，同时，也为了降低细化剂的用量，可将细化剂由传统的Al-Ti-B更改为Al-Ti-C，并把Ti的含量控制在0.01%～0.02%的范围，从总体上，降低合金的杂质含量，使材料更“清洁”，从而全面提高合金的韧性、可焊性及耐蚀性。

本发明的还公开了应用上述Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的铝合金产品的制造方法，以汽车防撞梁为例，该方法包括以下步骤：

A、按所述Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的成分及其质量百分比铸造铸锭；

B、将铸造的铸锭进行均匀化加热，加热温度为450～470℃，保温时间为7～9h，然后出炉空冷至室温；

C、将铸锭按所需长度锯切成挤压锭坯，送入感应炉加热至400～440℃后，以4～5mm/s的挤压速度进行挤压，挤压型材出口温度为460～480℃；

D、按照1%～1.5%的变形量将已淬火的汽车防撞梁拉伸矫直，停放8～12小时后，进行双级时效处理：进行温度为90～110℃的预时效处理，保温时间为5.5～6.5小时；然后进行温度为140～160℃的终时效处理，保温时间为7.5～8.5小时。

本发明所制得的汽车防撞梁所期望的综合性能的达成除了正确地控制合金化元素的化学成分范围和微量元素的含量之外，还需要对该合金进行合理的热处理，把它的强度提高到要求的水平，并保持材料基本上呈未再结晶的显微组织。

在步骤B中，采用均匀化加热+空冷的均匀化处理工艺，以实现合金中可溶元素Zn和Mg的充分均匀化及过饱和元素Mn、Zr、Cr、Fe的充分析出，相应提高合金的强度性能和抗应力腐蚀开裂性能。其中较佳的均匀化工艺参数为：加热温度为460℃±5℃，保温时间为8h。

在步骤C中，挤压成型过程中进行在线风冷淬火或水雾淬火时，挤压出口温度即型材模具出口温度宜保持在470℃±10℃范围内。由于本铝合金保持了原7003合金的低淬火敏感性和淬透性的特点，因此可在大生产条件下采用在线直接风冷或直接水雾淬火批量生产，生产成本低廉。

在步骤D中，采用包括预时效处理和终时效处理的双级时效制度，以形成细小弥散的多相析出组织和较窄的无析出带宽度，得到较高的合金强度和耐蚀性。较佳地，所述预时效处理的温度为100℃±5℃，保温时间为6h；终时效处理的温度为150℃±5℃，保温时间为8h。

采用本发明的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，根据上述方法所制造得到的汽车防撞梁，其抗拉强度可大于等于420MPa，屈服强度达到390～420MPa，断后伸长率大于10%，其强度指标及韧性符合汽车防撞梁的低速抗撞击、高速吸能的使用要求。

本发明提供了以下五个实施例对本发明进一步阐述说明。在下述的实施例中利用本发明的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金制造汽车防撞梁并对其物理性能进行测试，所述汽车防撞梁的结构如附图1、2所示。

实施例1

先按铝合金组成的质量百分比铸造铸锭，铸锭的的组成按质量百分比计为(在铸造流盘中取样分析化学成分)：锌(Zn)6.80%，镁(Mg)1.05%，铜(Cu)0.26%，锆(Zr)0.17%，锰(Mn)0.12%，钛(Ti)0.012%，铬(Cr)0.02%,铁(Fe)0.22%，硅(Si)0.18%，余量为铝(Al)。可通过熔化然后直接冷硬的方法或其他常规铸造技术铸造成铸锭，铸锭直径为Ф240mm。

接着，将铸造的铸锭进行均匀化加热，在460℃的温度条件下均匀化保热8h后，出炉空冷至室温。

然后，将铸锭按要求的长度锯切成挤压锭坯(取低倍、高倍试样)，送入感应炉快速加热至420℃后，按5mm/s的挤压速度挤压成空心型材(两个孔腔)，挤压型材出口温度为460～480℃，采用在线水雾淬火方式。

最后，按照1%～1.5%的变形量将已淬火的汽车防撞梁拉伸矫直、切成品、装框，停留约8～12小时后进时效炉进行双级时效处理，预时效处理温度100℃，保温时间为6h；终时效处理温度148℃，保温时间为8h。

对成品的各项性能进行测试，得到的测试平均值为：抗拉强度R_m=437MPa；屈服强度R_p0.2=411MPa；断后伸长率A₅₀=13.5%，满足目标值要求。

实施例2

先按铝合金组成的质量百分比铸造铸锭，铸锭的的组成按质量百分比计为(在铸造流盘中取样分析化学成分)：锌(Zn)6.65%，镁(Mg)0.95%，铜(Cu)0.25%，锆(Zr)0.18%，锰(Mn)0.10%，钛(Ti)0.014%，铬(Cr)0.03%,铁(Fe)0.19%，硅(Si)0.15%，余量为铝(Al)。可通过熔化然后直接冷硬的方法或其他常规铸造技术铸造成铸锭，铸锭直径为Ф240mm。

接着，将铸造的铸锭进行均匀化加热，在450℃的温度条件下均匀化加热7h后，出炉空冷至室温。

然后，将铸锭按要求的长度锯切成挤压锭坯(取低倍、高倍试样)，送入感应炉快速加热至420℃后，按5mm/s的挤压速度挤压成空心型材(两个孔腔)，挤压型材出口温度为460～480℃，采用在线水雾淬火方式。

最后，按照1%～1.5%的变形量将已淬火的汽车防撞梁拉伸矫直、切成品、装框，停留约8～12小时后进时效炉进行双级时效处理，预时效处理温度100℃，保温时间为6h；终时效处理温度148℃，保温时间为8h。

对成品的各项性能进行测试，得到的测试平均值为：抗拉强度R_m=426MPa；屈服强度R_p0.2=405MPa；断后伸长率A₅₀=12.5%，满足目标值要求。

实施例3

先按铝合金组成的质量百分比铸造铸锭，铸锭的的组成按质量百分比计为(在铸造流盘中取样分析化学成分)：锌(Zn)6.55%，镁(Mg)0.90%，铜(Cu)0.20%，锆(Zr)0.20%，锰(Mn)0.15%，钛(Ti)0.01%，铬(Cr)0.01%,铁(Fe)0.25%，硅(Si)0.20%，余量为铝(Al)。可通过熔化然后直接冷硬的方法或其他常规铸造技术铸造成铸锭，铸锭直径为Ф240mm。

接着，将铸造的铸锭进行均匀化加热，在460℃的温度条件下均匀化加热9h后，出炉空冷至室温。

然后，将铸锭按要求的长度锯切成挤压锭坯(取低倍、高倍试样)，送入感应炉快速加热至420℃后，按5mm/s的挤压速度挤压成空心型材(两个孔腔)，挤压型材出口温度为460～480℃，采用在线水雾淬火方式。

最后，按照1%～1.5%的变形量将已淬火的汽车防撞梁拉伸矫直、切成品、装框，停留约8～12小时后进时效炉进行双级时效处理，预时效处理温度90℃，保温时间为6.5h；终时效处理温度160℃，保温时间为7.5h。

对成品的各项性能进行测试，得到的测试平均值为：抗拉强度R_m=423MPa；屈服强度R_p0.2=398MPa；断后伸长率A₅₀=10.5%，满足目标值要求。

实施例4

先按铝合金组成的质量百分比铸造铸锭，铸锭的的组成按质量百分比计为(在铸造流盘中取样分析化学成分)：锌(Zn)6.73%，镁(Mg)0.98%，铜(Cu)0.27%，锆(Zr)0.15%，锰(Mn)0.13%，钛(Ti)0.02%，铬(Cr)0.01%,铁(Fe)0.20%，硅(Si)0.15%，余量为铝(Al)。可通过熔化然后直接冷硬的方法或其他常规铸造技术铸造成铸锭，铸锭直径为Ф240mm。

接着，将铸造的铸锭进行均匀化加热，在470℃的温度条件下均匀化加热8h后，出炉空冷至室温。

然后，将铸锭按要求的长度锯切成挤压锭坯(取低倍、高倍试样)，送入感应炉快速加热至420℃后，按5mm/s的挤压速度挤压成空心型材(两个孔腔)，挤压型材出口温度为460～480℃，采用在线水雾淬火方式。

最后，按照1%～1.5%的变形量将已淬火的汽车防撞梁拉伸矫直、切成品、装框，停留约8～12小时后进时效炉进行双级时效处理，预时效处理温度110℃，保温时间为5.5h；终时效处理温度140℃，保温时间为8.5h。

对成品的各项性能进行测试，得到的测试平均值为：抗拉强度R_m=435MPa；屈服强度R_p0.2=409MPa；断后伸长率A₅₀=13.0%，满足目标值要求。

实施例5

先按铝合金组成的质量百分比铸造铸锭，铸锭的的组成按质量百分比计为(在铸造流盘中取样分析化学成分)：锌(Zn)6.50%，镁(Mg)1.10%，铜(Cu)0.30%，锆(Zr)0.15%，锰(Mn)0.14%，钛(Ti)0.018%，铬(Cr)0.05%,铁(Fe)0.21%，硅(Si)0.17%，余量为铝(Al)。可通过熔化然后直接冷硬的方法或其他常规铸造技术铸造成铸锭，铸锭直径为Ф240mm。

接着，将铸造的铸锭进行均匀化加热，在470℃的温度条件下均匀化加热8h后，出炉空冷至室温。

然后，将铸锭按要求的长度锯切成挤压锭坯(取低倍、高倍试样)，送入感应炉快速加热至420℃后，按5mm/s的挤压速度挤压成空心型材(两个孔腔)，挤压型材出口温度为460～480℃，采用在线水雾淬火方式。

最后，按照1%～1.5%的变形量将已淬火的汽车防撞梁拉伸矫直、切成品、装框，停留约8～12小时后进时效炉进行双级时效处理，预时效处理温度110℃，保温时间为5.5h；终时效处理温度140℃，保温时间为8.5h。

对成品的各项性能进行测试，得到的测试平均值为：抗拉强度R_m=429MPa；屈服强度R_p0.2=404MPa；断后伸长率A₅₀=11.5%，满足目标值要求。

本发明的汽车防撞梁与中华人民共和国国家标准GB/T 6892-2006一般工业用铝及铝合金及挤压型材中的7003合金在相同的型材壁厚小于10mm、T6状态下各项物理性能的比较列表如下：

试验证明，本发明的汽车防撞梁与传统采用的汽车防撞梁，尤其是7系合金的汽车防撞梁相比较，具有以下突出优点和效果：

1、其抗拉强度可达到420MPa以上，比传统采用的7003、7005等合金提高约20%；

2、其屈服强度可稳定的控制在390-420MPa之间，比传统采用的7003、7005等合金提高约34%；

3、其断后伸长率大于10%，比传统采用的7003、7005等合金提高约25%。

而且利用本发明的方法所制造的挤压型材，基本呈非再结晶纤维组织状态，其可焊性(抗焊接裂纹倾向性)及耐蚀性(抗应力腐蚀裂纹性)均比原有采用的合金系统有不同程度的提高。

上述实施例中提到的内容并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域技术人员来说，只要不背离本发明的主旨和范围的情况下，可作多种改变或调整是显然的。

Claims (6)

1.一种汽车防撞梁用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，该铝合金的成分及其质量百分比为：

Zn：6.50%～6.80%；Mg：0.90%～1.10%；Cu：0.2～0.30%； Zr：0.15%～0.20%； Mn：0.10%～0.15%；Ti：0.01～0.02%；Cr：≤0.05%；Fe：≤0.25%；Si：≤0.20%；余量为Al。

2.一种铝合金产品制造方法，该方法包括以下步骤：

A、浇注熔融合金铸造铸锭，所述合金的成分及其质量百分比为：Zn：6.50%～6.80%；Mg：0.90%～1.10%；Cu：0.2～0.30%； Zr：0.15%～0.20%； Mn：0.10%～0.15%；Ti：0.01～0.02%；Cr：≤0.05%；Fe：≤0.25%；Si：≤0.20%；余量为Al；

B、将铸造的铸锭进行均匀化加热，加热温度为450～470℃，保温时间为7～9h，然后出炉空冷至室温；

C、将铸锭按所需长度锯切成挤压锭坯，送入感应炉加热至400～440℃后，以4～5mm/s的挤压速度进行挤压，挤压出口温度为460～480℃；

D、将已淬火的铝合金产品拉伸矫直，停放8～12小时后，进行双级时效处理。

3.根据权利要求2所述的铝合金产品制造方法，其特征在于：在步骤C中，采用在线风冷淬火或者在线水雾淬火进行挤压成型。

4.根据权利要求2所述的铝合金产品制造方法，其特征在于：在步骤D中，按照1%～1.5%的变形量对已淬火的铝合金产品进行拉伸矫直。

5.根据权利要求2所述的铝合金产品制造方法，其特征在于，在步骤D中，所述双级时效处理包括：

D1、进行温度为90～110℃的预时效处理，保温时间为5.5～6.5小时；

D2、进行温度为140～160℃的终时效处理，保温时间为7.5～8.5小时。

6.根据权利要求2～5中任一项所述的铝合金产品制造方法，其特征在于：所述铝合金产品为汽车防撞梁。