CN104962846A - 一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，属于铝合金加工成形技术领域。本发明通过在传统热轧—冷轧工艺之间增加固溶与双级过时效热处理工艺，再冷轧至成品所需厚度，最后进行短时固溶、淬火和预时效处理，利用过时效产生的析出相粒子改变冷轧变形组织，进而影响合金随后工艺过程的再结晶组织，达到改善Al-Mg-Si合金板材最终各向异性的目的。该工艺方法只需在热轧与冷轧之间增加一次固溶及过时效处理工艺，便可使成品板材的平面各向异性降低，且不影响板材力学性能和冲压成形性能。本发明工艺简单、易于控制、可操作性强、经济实用，可应用于Al-Mg-Si系合金板材的生产中。

Description

一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法

技术领域

本发明公开了一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法；属于铝合金加工成形技术领域。

背景技术

汽车轻量化是解决油耗、安全和环保三大问题的有效手段和方法，铝合金的高比强度，良好的成形性和耐腐蚀性以及再结晶潜能，可以作为汽车中取代钢材的理想材料。汽车车身外板用铝合金以Al-Mg-Si系合金(6系铝合金)为主，表面质量和成形性是阻碍其应用的两个主要的因素。

工业制备Al-Mg-Si系铝合金板材时，工艺普遍按如下流程进行，即：熔炼铸造→均匀化→热粗轧→热精轧→冷轧→固溶处理→预时效，处理过程中的每一步以及每步之间的相互作用都会影响材料的性能。对于Al-Mg-Si系合金，为了提高其T4或T4P状态的可成形性以及改善表面质量，一个方面应当避免过多的再结晶织构形成，另一个方面应该延长其时效稳定性。然而，板材产品在最终固溶处理时的再结晶机制和织构的形成以及晶粒尺寸是由各工艺过程析出相的状态来控制的。

冷轧板材不可避免的会存在择优取向，再结晶过程中也会存在再结晶的择优取向，择优取向则是织构。一般而言，严重的织构引起的各向异性对晶体的变形及断裂方式有着重要的影响，一个方面不利于金属和合金的力学性能，降低成形性；另一个方面会导致板材表面出现roping line，影响表面质量。各向异性降低的另一个好处是可以改善板材的翻边性能，因为目前铝合金汽车外板和内板的连接方式多数为翻边连接，按现代物理冶金和力学冶金的进展和理念,材料性能的各向同性有利于改善翻边性能。

一般冲压板材用制耳率△r表示各向异性的情况，△r等于零则表示各向同性，用平均塑性应变比r表示金属薄板在某平面内承受拉力或压力时，抵抗变薄或变厚的能力，r越大，则表示冲压过程中厚度方向越不易致裂，长度和宽度方向上越容易变形。多晶材料是各种织构的混合体，不同的织构对平均塑性应变比r和制耳率△r有不同的影响，所以在改善各向异性的同时，不可避免的会改变r的情况，进而影响冲压性能。日本弘文井上在MaterialsTransactions期刊上发表的论文表明要增加塑性应变比，可以通过加强β取向线上的织构或者加强{111}方向上的织构。但这两种途径都意味着△r的增强，所以很难获得r较高但△r又很低的理想情况。织构对塑性应变比r和制耳率△r具体的影响情况是一个非常复杂的过程，其取决于织构的种类和强度。

工艺和模具设计经常采用极限拉延比LDR作为依据，所以如果能够降低制耳率，而基本不影响极限拉延比LDR，则可以在不降低板材冲压成形性能的情况下改善板材的表面质量和翻边延性。

近年来有很多相关专利提出改善铝合金板材成形性的方法，如“提高6111铝合金汽车板材冲压成形性的加工方法(201010199928.9)”提出采用双级均匀化工艺调控合金中的各种析出相，最终达到改善合金冲压成形性的目的；“一种汽车用高成形性铝合金材料及其制备方法(CN104018040)”提出在Al-Mg-Si-Cu合金体系的基础上添加一定量的元素Zn，使得冷轧态合金基体内同时存在一定数量的粗大粒子和纳米级的细小弥散粒子，以期控制合金固溶处理时的再结晶从而达到改善合金的冲压成形性和烤漆硬化性的目的；“汽车车身板用Al-Mg-Si系铝合金制造方法(CN101880805)”提出在6000系铝合金的基体合金基础上添加0.05-0.35wt％的Zr，由弥散、细小的共格第二相质点Al₃Zr来细化材料的组织从而改善性能；“一种汽车车身板用铝合金及其制造方法(CN101294255)”以6022铝合金为研究对象，在基体合金基础上添加0.01～0.2wt％的稀土Ce，在低Cu含量的情况下避免形成粗大的Al-Cu-Ce及Mg-Ce化合物的同时细化材料的组织，改善材料的性能；“汽车变形铝合金板材的预处理工艺(CN200910103136.4)”针对6022和6016的预处理技术，通过预处理工艺改善板材的力学性能，使板材的成形性和烘烤硬化性及抗时效稳定性合理匹配。另外还有“铝合金及制造铝合金板的方法(WO 96/03531)”，“可热处理强化的铝合金板的制造工艺(WO 00/03052)”，“冲压铝合金产品的热处理(WO 00/70115)”，“具有良好弯曲性能的铝合金板材的制造方法”等，针对不同成份系的铝合金板材的性能改善提出了相应的处理工艺方法。发明专利中多以添加合金元素或改变生产工艺来改善合金的成形性，很少涉及到各向异性的降低以及表面质量和翻边延性的改善，真正合适的铝合金汽车板的成份或者真正较为简便的改善合金综合性能的方法尚无统一的方案。

综上所述，本领域仍有改善Al-Mg-Si系铝合金板各向异性且保持优良力学性能和良好冲压成形性能的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺简单、操作方便、可有效降低铝合金板各向异性且保持优良力学性能和良好冲压成形性能的降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法。

本发明一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，包括下述步骤：

第一步：将均匀化处理后的铸锭进行热轧；

第二步：对热轧件进行一次固溶与过时效处理；所述一次固溶温度为500℃-560℃；所述过时效处理为双级过时效，一级过时效温度为120℃-180℃，二级过时效温度为200-270℃；

第三步：冷轧及二次固溶、预时效处理；所述冷轧的变形量≥75％，冷轧时道次变形量和变形速率以板材不开裂为准。

本发明一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，一次固溶保温时间为1h-5h。

本发明一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，优选的一次固溶温度为520℃-540℃，保温时间为1h-2h。

本发明一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，过时效处理中，一级过时效保温时间6h-36h，二级过时效保温时间3h-8h。

本发明一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，过时效处理中，优选的一级过时效温度为160℃-180℃，保温时间12h-24h，二级过时效温度为220-250℃，保温时间3h-6h。

本发明一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，第一步中，均匀化处理、热轧为现有热轧本的常规工艺，通常选择的铸锭均匀化处理温度为520-550℃，保温时间为12-48h；热轧选自热粗轧、热精轧中的至少一种；热轧总变形量大于80％。

本发明一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，第三步中，冷轧、二次固溶、预时效的工艺参数与现有铝板的处理工艺相同，通常的二次固溶温度为520-540℃，保温时间为5-60min；预时效处理温度为120-160℃，保温时间为5-30min。

本发明一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，所述Al-Mg-Si合金，按质量百分比，包括下述组分：Si 0.6％-1.5％，Mg 0.4％-1.0％，其余为Al。

本发明一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，处理后的Al-Mg-Si合金板材各向异性较采用传统的热轧、冷轧、固溶处理、预时效处理的板材至少下降40％。

本发明一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，将冷轧板材短时高温固溶并淬火后进行预时效处理，其最终的板材状态为T4P状态。

本发明设计的一种提高Al-Mg-Si合金板材成形性的工艺方法，可以明显降低板材各向异性。

本发明的机理简述于下：

织构是影响合金板材各向异性的一个主要因素，同时织构也是影响塑性应变比的一个主要因素。对于支配铝合金板的塑性各向异性的集合组织，通过控制各个结晶取向的比例，可以达到控制板材塑性应变比r值和板平面各向异性指数△r的目的。

研究表明，铝合金在冷变形较大(＞70％)，变形温度低于300℃时，大尺寸的析出相粒子周围会产生大量变形带，在随后的再结晶处理时可以引发粒子诱导再结晶形核效应(PSN效应)，且其所产生的再结晶织构通常是非常微弱和随机出现的，而对于支配铝合金板的塑性各向异性的集合组织，通过控制各个结晶取向的比例，可以达到控制板材塑性应变比r值和板平面各向异性指数△r的目的，从而改善铝合金板材的成形性。添加其他组成大颗粒的合金元素如铁和锰，能有效成为再结晶形核效应的形核点从而改善织构的分布情况，但是其含量过多的话会降低材料的成形性，因此，本发明采用在冷轧前引入固溶与双级过时效工艺，控制好Al-Mg-Si铝合金中主要析出相Mg₂Si的状态，从而，获得具有良好成形性的板材。

本发明针对现有T4及T4P态Al-Mg-Si系铝合金汽车板冲压成形性尚不能满足冲压生产要求的问题，本发明提供一种能降低其各向异性且适用于工业化生产的工艺方法。

本发明提出在冷轧前引入一次固溶与双级过时效工艺，研究表明：对Al-Mg-Si合金双级过时效可以使析出相分布趋于均匀，也会改变析出相的形状和大小，使其成为球块状，并且析出相粒子尺寸变大。球块状析出相减弱了对基体的割裂作用，可以提高合金的塑性，大尺寸的析出相粒子在冷轧变形时会在其周围形成变形带，在之后的热处理过程中，将成为再结晶的核心从而实现粒子诱导再结晶效应(PSN效应)，继而影响合金的织构分布情况。均匀的析出相粒子分布则可以产生分布均匀的粒子诱导再结晶效应，提高材料的均匀度。由回复再结晶产生的织构主要是立方织构，粒子诱导再结晶所产生的织构主要是旋转立方，Cube_ND和P织构，而且其织构一般都较弱，同时可以抑制较强的立方织构的产生。随机度大、强度较弱的织构组分意味着较低的择优取向，从而可以获得各向异性较低的Al-Mg-Si系合金板材，提高其成形性。本发明通过一次固溶，获得饱和的固溶体组织，为后续时效的析出提供良好的析出动力。在随后的双级过时效过程中将获得尺寸大，分布趋于均匀的析出相粒子。大尺寸的析出相粒子将在随后的冷轧过程中，在其周围形成变形带。而大尺寸粒子周围的变形带在二次固溶过程中，将会成为再结晶的核心从而实现粒子诱导再结晶效应，使得材料获得强度弱并且随机分布的织构。

本发明工艺过程相比于其他工艺，无需改变生产线，同时也不需要添加大型贵重设备，只需要在热轧与冷轧之间进行固溶与双级过时效热处理工艺，即可实现板材各向异性的降低。本发明工艺除了提高其成形性，对后续的板材应用过程中也可以提高表面质量，对于采用各向同性进行有限元模拟的模型，也可以提高冲压模拟的精确度。

本发明工艺简单、易于控制、可操作性强、经济实用，可应用于Al-Mg-Si系合金板材的生产中。

附图说明

附图1为本发明工艺流程图。

附图2为现有技术工艺流程图。

附图3本发明工艺T4P板材{111}极图。

附图4传统工艺T4P板材{111}极图。

具体实施方式

实施例1

一种提高Al-Mg-Si合金板材成形性的工艺方法(如图1所示)，其主要包括以下步骤：

1、取Al-Mg-Si合金热轧板，其成分为：Si1.5％，Mg0.6％，Cu0.18％，Fe0.5％，Mn0.2％，Zn0.22％，Ti0.15％，Cr0.1％，其余为Al。

将其切割成5×120×200大小的板子，以200mm长度方向为宽度方向，120mm长度方向为轧制方向，以便于后面取样做力学性能测试；

2、将5mm厚的铝合金热轧板随炉升温到540℃保温2h后水淬进行一级固溶处理；

3、将固溶的板材装入180℃的炉内保温24h，然后升温至250℃保温5h后空冷至室温进行双级过时效处理；

4、将过时效处理后的热轧板冷轧至1mm，总压下量为80％；

5、将冷轧板材装入540℃炉内二级固溶30min并淬火后，在烘干箱中进行预时效处理，温度为160℃，时间为7min，得到T4P板材；

6、取T4P板材进行力学性能测试，其结果如表1所示；

7、取T4P板材利用扫描电镜上的EBSD装置测试其织构，测试结果如图3所示；

8、为了对比本发明对提高板材成形性的实际效果，将传统工艺(热轧-冷轧之间未进行过时效处理工艺，见图2)获得的T4P板材进行对比，并测定其力学性能(表1)和织构(图4)；

9、对比表1表明本发明方案获得的板材纵向上强度有所上升，应变硬化指数n和平均塑性应变比r值稍微有所下降，根据文献报道，极限拉延比(LDR)可按下式计算：

$\mathrm{LDR}=\sqrt{e^{2{\mathrm{fe}}^{-n}\sqrt{\frac{1+\stackrel{\‾}{r}}{2}}}+e^{2n\sqrt{\frac{1+\stackrel{\‾}{r}}{2}}}-1}$

其中f是拉伸效率因子，普遍认为其为0.9时计算较为准确，而且由式子可知，平均塑性应变比是影响LDR的主要参数。

经过计算(数据见表1)，采用本发明方法处理后，铝合金板的LDR数值为2.02，而现有技术处理的铝合金板的LDR数值为2.04，表明：采用本发明方法对铝合金板进行处理后，对LDR值几乎没有影响。板平面各向异性指数△r降低到0.05，与传统工艺(-0.095)相比各向异性降低47％。(说明：绝对值相比较(0.095-0.05)/0.095为变化率)

10、进一步的对比图3和图4极图，可知本发明方法获得的织构强度相比于传统工艺有所降低，且等密度线分布更趋向于均匀性，因为如果多晶体内无织构，极密度分布在极图上将是均匀的，存在织构，则会存在等密度线偏聚，故由此也可知本发明工艺的各向异性更低。

11、将极图与标准极图对照，可确定板材所含有的主要织构类型，板材所含有的主要织构的大小是由极图上给出的强度值得出；而体积分数则需要利用电镜系统上自带的OIMAnalysis分析软件对原始数据进行计算。一般情况下，织构的强度和体积分数是一致的，其值越大，表明各向异性越明显。

参见附图3、4，经过OIM Analysis分析软件进行数据处理可知，本发明方法获得的板材织构主要是Cube_ND织构(体积含量为4％)，其次为{001}<490>织构(体积含量为3.3％)；而传统工艺所获得的板材的主要织构为{001}<490>(体积含量为5.2％)，其次为Cube_ND织构(体积含量为4.7％)和P织构(体积含量为3.5％)，由此可知传统工艺所获得的板材的主要织构的体积分数比本专利所述工艺所获得的板材的主要织构的体积分数更大，进一步说明本专利所述的方法获得的板材的各向异性更低。

表1 T4P板材性能指标

Claims (8)

1.一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，包括下述步骤：

第一步：将均匀化处理后的Al-Mg-Si合金铸锭进行热轧；

第二步：对热轧件进行一次固溶与过时效处理；所述一次固溶温度为500℃-560℃；所述过时效处理为双级过时效，一级过时效温度为120℃-180℃，二级过时效温度为200-270℃；

第三步：冷轧及二次固溶、预时效处理；所述冷轧总变形量≥75％。

2.根据权利要求1所述的一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，其特征在于：一次固溶保温时间为1h-5h。

3.根据权利要求2所述的一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，其特征在于：一次固溶温度为520℃-540℃，保温时间为1h-2h。

4.根据权利要求1所述的一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，其特征在于：过时效处理中，一级过时效保温时间6h-36h，二级过时效保温时间3h-8h。

5.根据权利要求4所述的一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，其特征在于：过时效处理中，一级过时效温度为160℃-180℃，保温时间12h-24h，二级过时效温度为

220-250℃，保温时间3h-6h。

6.根据权利要求1所述的一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，其特征在于：二次固溶温度为520-540℃，保温时间为5-60min；预时效处理温度为120-160℃，保温时间为5-30min。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，其特征在于：所述Al-Mg-Si合金，按质量百分比，包括下述组分：

Si 0.6％-1.5％，Mg 0.4％-1.0％，其余为Al。

8.根据权利要求7所述的一种降低Al-Mg-Si合金板材各向异性的工艺方法，其特征在于：处理后的Al-Mg-Si合金板材各向异性较采用传统的热轧、冷轧、固溶处理、预时效处理的板材至少下降40％。