CN104550231A - 汽车车身用热轧镁合金板材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金板材制造技术，以现有成熟并且综合性能较好，但并不完全满足车身板要求的常规镁合金为基础，采用微米准晶中间合金在线混熔技术、镁合金板材铸轧技术、动态再结晶热轧技术对其改性，使其性能得以提高。本发明使生产成本大幅度降低、板料性能提高，指标更接近汽车工业对钣金件材料的要求。

Description

汽车车身用热轧镁合金板材的制备方法

技术领域

本发明涉及镁合金板材的制备领域，具体为一种汽车车身用热轧镁合金板材的制备方法。

背景技术

减重、节能、环保、安全、舒适是汽车产业努力方向。在铝合金、镁合金、碳纤维增强树复合材料是汽车轻量化材料中，镁合金最轻、减震降噪性优异、抗冲击指标最适合做汽车材料。中国镁产业优势突出，为镁合金发展成汽车新材料提供了有利条件。

普通轿车车身是一种无骨架式的承载式车身。汽车车身几乎全部是用冲压加工的方法制作的。薄板冲压零件和焊接的构建及设施覆盖件等组成的壳体，焊接成一体，没有大梁结构，发动机、传动系统、前后悬挂等部件都装配到车身上，车身负载通过悬挂装置传给车轮。车身兼有承载的强度要求和功能性要求。例如，驾乘空间尽量不变形，车门就必须采用高强度的材料；车前和尾部采用中等强度、屈服强度低和吸震的材料，受碰撞时，发生溃缩而吸收撞击能量，从而减少传递到驾乘室空间的撞击力。车身外部面板不仅要求抗冲击，而且对冲击有抗凹陷能力，形成凹坑口也能修复。汽车车身外观还要满足美学视觉效果，外覆盖件上的棱线是车身造型风格的主要体现元素，要求极高。外板一般光顺形状相对简单，但对板材的尺寸精度、表面品质等要求甚高。内板要满足汽车功能和力学强度的要求，内板板料相对较厚，要求成型容易，孔位准。因此，镁合金是一种供车身钣金件选择采用的承载功能材料。

汽车采用镁合金已有很长历史，目前镁合金压铸件购买使用超过60种以上。镁合金型材、锻件和板材研发在不断深入，应用也在不断扩大。通用公司生产的镁合金后备厢面板内衬件，能承受77000次冲击、250千克撞击而安然无恙。该公司相信，镁制车身板件的应用，用户最终将获得更好的车身操控，更佳的性能表现以及更经济的燃油成本，更轻的车身将在整体层面上提升车辆的性能。德国大众公司一个车型的门内板加强件已经采用镁合金。德国驶多飞公司可以高效生产MnE21镁合金挤压板，已经向保时捷车提供镁合金汽车中控面板、发动机盖结构件，行李箱盖结构件，座椅骨架（仅限于螺纹连接件），车门梁（防撞杆），车顶梁，中控面板等。德国大众汽车公司开发了镁合金汽车覆盖件的热冲压成形技术，成功地加工出汽车内门板。中、美、加三国合作研究包括发动机前盖板等在内的镁合金前端结构可行性和相关应用技术已经持续多年，技术不断成熟。

但是，镁合金的强韧性尚显不足、冲压成形工艺复杂，在很大程度上限制了其应用。汽车行业标准需要兼顾行业特殊性技术要求，也要求车身镁合金板材应用技术指标要与其它材料的指标看齐。因此，镁合金汽车板面对许多问题有待于研究和解决，目前处于试制阶段。为此，韩国浦项、英国伊利可创镁铝公司在开发更好的镁合金汽车板。美国北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出一种新的技术，能够制造出用于商用车车架或汽车面板的高强度镁合金。研究人员选择Mg-Gd-Y-Ag-Zr等材料，均能够通过热轧法形成纳米间距堆垛层错结构，屈服强度达到575兆帕，极限强度达到600兆帕，延展性等级为中等级别（5.2%均匀伸长率）。用镁合金冲压汽车车身钣金件，需要在约450℃的环境下以非常慢的过程进行冲压成型。这使得制造的工艺要求和制造成本非常高。与铝制板材件相比，镁合金车身板件的成本要高出3至4倍。汽车钣金件采用镁合金板材，大幅度降低制造成本是显而易见的。对汽车用镁合金板材进一步提出了抗时效稳定性、成形性、烘烤硬化性、翻边延性、油漆光鲜性、表面处理特性、抗凹性等性能要求，如何将这些相互的矛盾特性达到合理的匹配，同时赋予板材合理的性价比，仍然有较多的研究与开发工作需要深入进行。另外，由于镁合金板材的特殊性，在修复工艺方面也同钢铁钣金件存在很大差异。许多企业把镁合金板材冲压车身钣金件作为研究目标。汽车制造商也认为，镁材料在汽车制造业中的情形，就像铝材料在25年前一样，他们有理由相信镁合金汽车板金件的应用前景是光明的。

发明内容

本发明的目的是提供一种在力学性能及成形性能、生产成本等诸方面更适用于汽车车身钣金件用镁合金板材的制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种汽车车身用热轧镁合金板材的制备方法，包括如下步骤：

（1）、将预热的准晶中间合金薄带在线连续加入到母镁合金液的液流中熔化并混合，准晶中间合金微粒均匀分散于母镁合金液的液流中，构成混熔镁合金液；

（2）、混熔镁合金液经均匀布流进入铸轧机，被铸轧成厚度为2～4mm的板带卷；

（3）、板带卷加热后，置于380～420℃的热卷箱中，然后利用热轧机进行多道次可逆热轧，热轧过程中弥散准晶颗粒激发动态再结晶，得到厚度为1～2mm的汽车车身用热轧镁合金板材。

本发明方法选择综合性能优良的镁合金，例如MB8、AZ31D、ZK60或者稀土镁合金等作为母镁合金，以微米准晶中间合金薄带在线与母镁合金熔体混熔，经过流嘴均匀布流进入铸轧机的轧辊辊缝被铸轧成板带卷，铸轧板带卷成分均匀化加热后进行可逆热轧，热轧时发生微米准晶激发的动态再结晶，从而在压下率较小的条件下获得细晶轧板材，符合汽车车身钣金件的要求。

第一步，将MB8或其它镁合金，按常规工艺熔化和精炼，洁净的镁合金液被热管输送入铸轧机的前箱液池。前箱内基体合金液（母镁合金液）的温度一般控制在700～710℃，用喂入器将已经预热的准晶中间合金薄板带卷连续插入前箱内的母镁合金液面以下，使之熔化并同母镁合金液混合。中间合金板带卷的预热温度为250～350℃，用量为合金液总质量的0.1～0.2%，控制喂入速度同在线金属流量匹配以保证其正确含量。由于准晶颗粒在合金液中能溶解或溃散，因此中间合金板带从混熔到铸轧成镁合金板的时间控制不超过10分钟。

准晶中间合金薄带的成分为Mg-3%Zn-7%Y，该成分的合金用快速凝固技术制成含约80%体积分数的微米准晶弥散相的薄带。关于准晶中间合金的更详细的信息，可在相关专利或文献获取。

第二步，混熔镁合金液被均匀布流并被输送到铸轧机流嘴，再被轧辊辊缝中在压制下激冷、凝固和塑性变形制成铸轧板带卷。板带卷达到规定的卷重后，被剪切机剪断。将带卷取下并重新下一卷的铸轧循环。生产过程可以按坩埚容量间歇进行，也可以采用不断补加坩埚的金属液的方法较长时间连续生产。铸轧生产过程的工艺参数控制，主要包括：流嘴布流速度和流速流量，流嘴处液流温度，铸轧辊内水冷流量，铸轧板出口速度、铸轧板厚度和板型，轧制压力和压下率，板带张力等。铸轧板带的厚度预先设定，一般在2～4mm范围取值，并在生产过程中保持稳定不变。其它参数也同样根据具体产品和工艺的工艺参数要求，由本领域技术操作人员根据机器反馈指标和铸轧镁合金板的目视质量观察和测量，按照操作规程调整，以达到生产过程的产品质量实时控制。

铸轧镁合金板应满足尺寸精度板型平整度的要求，铸轧态无明显缺陷，断口均匀致密，固溶态为等轴晶组织，平均晶粒与板材厚度和铸轧工艺相关，一般晶粒直径处于30～50um范围，属于部分塑性变形的细晶粒铸造组织。

第三步，将铸轧板带转变成热塑性变形板带材。镁合金晶粒细化是改善性能的有效方法，其中动态再结晶细化效果最佳。但是，一般情况下镁合金发生动态再结晶需要在较高温度、很大的塑性变形率和缓慢变形速率的工艺条件下。对于2～4mm厚的铸轧板热轧成1～2mm厚的成品板，要在约50%的轧制总压下率的工艺限制条件下实现动态再结晶热轧是很困难的。为此，本方法以弥散微米准晶激发动态再结晶热轧，使热轧板的质量符合技术标准的要求。在母镁合金液体精炼结束后，将准晶中间合金薄带在线连续混熔到待铸轧的镁合金液流中，在铸轧板带中形成弥散分布的微米尺寸的准晶颗粒。由于0.75μm为析出相质点激发再结晶形核的临界尺寸，大于该尺度的微米准晶才有可能在热轧时激发动态再结晶。热轧变形时微米准晶颗粒周围会形成强烈的晶格畸变区，该区域的亚晶大小不一，且取向差异较大，亚晶内位错密度较高，因此可提供较大的亚晶界迁移驱动力，促进再结晶形核。为了有利于动态再结晶顺利进行，在道次、压下率、热轧速度等参数设计也加以优化。热轧道次安排通常是以较高的温度、较少的道次、较慢的热轧速度工艺参数下进行。

由于准晶第二相对晶界或亚晶界有强烈的钉扎作用，可以抑止晶粒的长大，细小动态再结晶晶粒不易长大并被下一道次热轧继承，多道次累积细化效果。这些弥散准晶既能应变激发动态再结晶，又能抑制了再结晶晶粒的长大粗化。本方法的热轧，在合理的工艺条件下，热轧板能满足尺寸精度板型平整度的要求，外观无明显缺陷，断面呈撕裂状韧性断口。金相显微组织的晶粒属于再结晶的等轴晶，晶粒多集中在10um附近。

上述方法制备的汽车车身用热轧镁合金板材的有益效果如下：

选择综合性能好的成熟镁合金，如MB8、AZ31、ZK60或者稀土镁合金等为母镁合金，对其加以弥散准晶混熔、铸轧、热轧，以进一步改善强韧性和冲压成形性能使之更符合车身板材的技术标准。在熔铸时，将微米准晶颗粒弥散分布于母镁合金的组织中，在一定体积分数的微米准晶颗粒弥散分布于基体合金组织中的前提下，配合优化的热轧工艺是本方法要点。基于准晶与基体变形时协调能力强，在热变形时弥散准晶相能随软性、连续的基体流动，既不影响热变形的塑性，同时促进位错繁殖和促进动态再结晶，并阻止晶粒再结晶长大，既能获得高性能的镁合金板材，也使其具备钣金件成型顺利进行。按照本方法生产的汽车车身用镁合金板材外观平整、无裂纹、表面平整光洁，呈银白色的金属光泽，微观组织中晶粒细小较为均匀。将2～4mm的铸轧板热轧，压下比不同，晶粒度不同，但只要在热轧过程发生动态再结晶，平均晶粒尺寸可以控制在10微米以下。热轧态板材的力学性都能达到显著改善的水平。板材焊接性能良好，可以很好地进行氩弧焊和电阻焊，接头的常规力学性能达到母板的85～90%。在175℃镁合金板的杯形件拉深的拉深比可达2.0，而在225℃时可达3.0，超过了钢板和铝板在室温下的拉深比（分别为2.2和2.6）。在一定条件下板材具还有超塑性，可以单次成形复杂的零件。当改性后合金的晶粒尺寸为7微米左右时，以变形速度0.2～5mm/min，温度320～400℃的工艺塑性成形，有优良的超塑性，最大延伸率可达304%。例如1.5mm厚度的镁合金板材，以气体介质压力为0.6～0.9MPa、380℃吹塑成形，能单次吹出复杂形状的零件。也尝试以类似工艺吹塑成形某型轿车后备厢内衬试验件，成形试验进程较为顺利，试验没有出现明显缺陷，成形件外形基本完整。

本方法设计合理，以现有成熟并且综合性能较好，但并不完全满足车身板要求的常规镁合金为基础，采用微米准晶中间合金在线混熔技术、镁合金板材铸轧技术、动态再结晶热轧技术对其改性，使其性能得以提高。实施过程与常规镁合金板材生产相比，工艺简化、生产成本大幅度降低、板料性能显著提高，指标更接近汽车工业对钣金件材料的要求。

附图说明

图1表示镁合金板带铸轧示意图。

图2表示镁合金板带材可逆热轧示意图。

图中，1-上辊，2-中间辊，3-下辊，4-密封管道，5-母镁合金液，6-准晶中间合金薄带，7-前箱，8-流嘴，9-混熔镁合金液，10-铸轧薄板带，11-剪切机，12-卷取机，13-工作辊，14-镁合金板材，15-支持辊，16-热卷箱，17-喂入机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1

汽车车身用热轧镁合金板材（弥散准晶相强化MB8镁合金板带）的制备方法，包括如下步骤：

（1）、以MB8作为母镁合金，铸轧机工作时，如图1所示，处理好的洁净母镁合金液5，被热密封管道4送到镁合金铸轧机的前箱7液池，前箱7内的母镁合金液体在710℃保温。喂入器17将预热温度为300℃的准晶中间合金薄带6按占金属总质量0.15%的比率均匀插入母镁合金液内并被熔化，准晶中间合金微粒均匀分散于母镁合金液的液流中，构成混熔镁合金液9。所述准晶中间合金薄带6的成分为Mg-3%Zn-7%Y，也就是Zn元素占3%，Y（钇）元素占7%，Mg元素占90%。

（2）、如图1所示，混熔镁合金液9被连续均匀布流到铸轧机流嘴8，进而被铸轧辊（中间辊2和下辊3）辊缝中在压制下传热、凝固和塑性变，形成铸轧薄板带10，厚度为2mm，然后离开铸轧辊缝出口，最后被卷取机12张力卷成板带卷。其中，准晶中间合金板带从混熔到铸轧成镁合金板（铸轧薄板带10）的时间控制不超过10min。

镁合金薄板带卷卷取到一定直径后被剪切机11切断、取走、再卷取另外一卷。铸轧板带的外观、组织、力学性能、成形性能都比常规MB8板材有明显改进。

（3）、如图2所示，板带卷加热后，置于380℃的热卷箱16中，然后利用热轧机进行多道次可逆热轧，热轧过程中弥散准晶颗粒激发动态再结晶，得到厚度为1mm左右的汽车车身用热轧镁合金板材14。热轧是热卷箱可逆轧制，带卷始终处于热轧温度下，以保持轧制过程的回复和再结晶能顺利进行。铸轧带卷被装入热轧机后，先往返多道次烫辊，至工作辊辊面温度高于120℃后，再开始进行正式多道次可逆热轧。

传统MB8热变形总加工率小于40%时，产品的抗拉强度、屈服强度、延伸率都较低，且不稳定，经过350℃退火后观察显微组织，晶粒粗大，该MB8板材不能满足车身板的需要。上述方法制备的改性MB8板材的强度提高近30%，纵横方向上的差异基本消除；板材焊接性能良好，接头的常规力学性能达到母板的85%以上；吹塑成型某汽车内部结构试验件，成型件完整。

实施例2

汽车车身用热轧镁合金板材（弥散准晶相强化AZ31B镁合金板带）的制备方法，包括如下步骤：

（1）、以AZ31D作为母镁合金，铸轧机工作时，如图1所示，处理好的洁净母镁合金液5，被热密封管道4送到镁合金铸轧机的前箱7液池，前箱7内的母镁合金液体在700℃保温。喂入器17将预热温度为250℃的准晶中间合金薄带6（成分为Mg-3%Zn-7%Y）按占金属总质量0.1%的比率均匀插入母镁合金液中并被熔化，准晶中间合金微粒均匀分散于母镁合金液的液流中，构成混熔镁合金液9。

（2）、如图1所示，混熔镁合金液9被连续均匀布流到铸轧机流嘴8，进而被铸轧辊（中间辊2和下辊3）辊缝中在压制下传热、凝固和塑性变，形成铸轧薄板带10，厚度为4mm，然后离开铸轧辊缝出口，最后被卷取机12张力卷成板带卷。其中，准晶中间合金板带从混熔到铸轧成镁合金板（铸轧薄板带10）的时间控制不超过10min。

镁合金薄板带卷卷取到一定直径后被剪切机11切断、取走、再卷取另外一卷。铸轧板带的外观、组织、力学性能、成形性能都比常规板材有显著改进。

（3）、如图2所示，板带卷加热后，置于420℃的热卷箱中，然后利用热轧机进行多道次可逆热轧，热轧过程中弥散准晶颗粒激发动态再结晶，得到厚度为2mm左右的汽车车身用热轧镁合金板材14。热轧是热卷箱可逆轧制，带卷始终处于热轧温度下，以保持轧制过程的回复和再结晶能顺利进行。铸轧带卷被装入热轧机后，先往返多道次烫辊，至工作辊辊面温度高于120℃后，在开始进行正式多道次可逆热轧。

热轧工艺与实施例1相同，热轧态板材的力学性都能达到抗拉强度280MPa，屈服强度220MPa、延伸率为15%。板材焊接性能良好，接头的常规力学性能达到母板的85%以上。国外用户以本方法生产的AZ31B板，试制后备箱盖板，成型件初步认为基本符合试制预期。

实施例3

汽车车身用热轧镁合金板材（弥散准晶相强化ZK60镁合金板带）的制备方法，包括如下步骤：

（1）、以ZK60作为母镁合金，铸轧机工作时，如图1所示，处理好的洁净母镁合金液5，被热密封管道4送到镁合金铸轧机的前箱7液池，前箱7内母镁合金液体在705℃保温。喂入器17将预热温度为350℃的准晶中间合金薄带6（成分为Mg-3%Zn-7%Y）按占金属总质量0.2%的比率均匀插入母镁合金液中并被熔化，准晶中间合金微粒均匀分散于母镁合金液的液流中，构成混熔镁合金液9。

（2）、如图1所示，混熔镁合金液9被连续均匀布流到铸轧机流嘴8，进而被铸轧辊（中间辊2和下辊3）辊缝中在压制下传热、凝固和塑性变，形成铸轧薄板带10，厚度为3mm，然后离开铸轧辊缝出口，最后被卷取机12张力卷成板带卷。其中，准晶中间合金板带从混熔到铸轧成镁合金板（铸轧薄板带10）的时间控制不超过10min。

镁合金薄板带卷卷取到一定直径后被剪切机11切断、取走、再卷取另外一卷。

（3）、如图2所示，板带卷加热后，置于400℃的热卷箱中，然后利用热轧机进行多道次可逆热轧，热轧过程中弥散准晶颗粒激发动态再结晶，得到厚度为1.5mm左右的汽车车身用热轧镁合金板材14。热轧是热卷箱可逆轧制，带卷始终处于热轧温度下，以保持轧制过程的回复和再结晶能顺利进行。铸轧带卷被装入热轧机后，先往返多道次烫辊，至工作辊辊面温度高于120℃后，在开始进行正式多道次可逆热轧。

热轧态板材的力学性都能达到抗拉强度350MPa，屈服强度290MPa、延伸率为20%。准晶改性的合金强度比常规板材提高近15%以上，纵横方向上的差异基本消除。国外用户以本方法生产的AZ31B板试制成型某汽车发动机仓机盖，吸能缓冲性能好，有较好的刚性和强度。

Claims (6)

1.一种汽车车身用热轧镁合金板材的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、将预热的准晶中间合金薄带在线连续加入到母镁合金液的液流中熔化并混合均匀，构成混熔镁合金液；

（2）、混熔镁合金液经均匀布流进入铸轧机，被铸轧成厚度为2～4mm的板带卷；

（3）、板带卷加热后，置于380～420℃的热卷箱中，然后利用热轧机进行多道次可逆热轧，得到厚度为1～2mm的汽车车身用热轧镁合金板材。

2.根据权利要求1所述的汽车车身用热轧镁合金板材的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，选择MB8、AZ31D、ZK60或者稀土镁合金作为母镁合金液；所述准晶中间合金薄带的成分为Mg-3%Zn-7%Y，添加量为混熔镁合金液重量的0.1%～0.2%。

3.根据权利要求2所述的汽车车身用热轧镁合金板材的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述母镁合金液的温度为700～710℃，所述准晶中间合金薄带的预热温度为250～350℃。

4.根据权利要求3所述的汽车车身用热轧镁合金板材的制备方法，其特征在于：准晶中间合金薄带从混熔到铸轧成镁合金板的时间在10min以内。

5.根据权利要求2所述的汽车车身用热轧镁合金板材的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述准晶中间合金薄带的添加量为镁合金母液重量的0.15%。

6.根据权利要求4所述的汽车车身用热轧镁合金板材的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，板带卷被装入热轧机后，先往返多道次烫辊，至工作辊辊面温度高于120℃后，再进行多道次可逆热轧。