CN104975208A

CN104975208A - 一种6000系高强塑积铝合金材料、铝合金板及其制造方法

Info

Publication number: CN104975208A
Application number: CN201510109918.4A
Authority: CN
Inventors: 冯伟骏; 刁可山; 李言波; 路旭; 蒋浩民
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2015-10-14

Abstract

本发明公开了一种6000系高强塑积铝合金材料，其化学元素质量百分比含量为：0.6％≤Mg≤1.2％；0.4％≤Si≤1.5％；0.08％≤Sn≤0.35％；0.15％≤Cu≤0.4％；0.02％≤Mn≤0.15％；0＜Fe≤0.7％；0.04％≤Cr≤0.35％；0.05％≤Ti≤0.15％；Zn≤0.25％；其余为Al和其他不可避免杂质；并且Mg和Si满足：Mg+Si≤2.0％。另外，本发明还公开了一种由6000系高强塑积铝合金材料制得的铝合金板及其制造方法。

Description

一种6000系高强塑积铝合金材料、铝合金板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料，尤其涉及一种6000系铝合金材料及其制造方法。

背景技术

汽车用材轻量化是当前汽车制造商关注的焦点。将铝合金板材应用于汽车结构件的生产线中也日益增多，可选择的铝合金板材有2000系、6000系、5000系和7000系。不过，含Cu的2000系的铝合金板材的耐腐蚀不佳，5000系的铝合金板材在烘烤处理中容易软化，而7000系的铝合金板材因延伸率不足而会使得板材加工困难。可进行热处理强化的6000系的铝合金板材具备较好的成形性、耐腐蚀性和可焊接性，其正逐渐得到广泛的应用，6000系的铝合金板材尤其适用于汽车内外板等结构件制造领域。

然而，汽车结构件不仅要求强度高，抗碰撞吸收性能也要好，也就是说，汽车结构件需要板材具有较高的强塑积(强塑积即为板材的抗拉强度与其总延伸率的乘积)。目前，现有技术中对于6000系的铝合金板材更多的关注在于成形性和烘烤硬化性能上。实际上，获得具有较高强塑积的铝合金板材也是未来的发展趋势。

公开号为CN1974814A，公开日为2007年6月6日，名称为“一种汽车用Al-Mg-Si-Cu合金及其加工工艺”的中国专利文献公开了一种汽车用的合金材料及其加工工艺。该Al-Mg-Si-Cu合金中的各化学元素的质量百分含量为(wt.％)：Mg：0.4～2.0wt.％，Si：0.5～1.5wt.％，Cu：0.01～0.5wt.％，Fe：0.05～0.15wt.％，Mn：0.01～0.1wt.％，Cr：0～0.15wt.％，Zn：0～0.30wt.％。该Al-Mg-Si-Cu合金的加工工艺为：将熔铸得到的铸锭在450～600℃下均匀化退火10～20小时，然后在400～550℃下保温1～2小时后进行热轧；热轧结束后，板材在280～560℃保温退火1～2小时，接着进行冷轧；冷轧结束后，在530～580℃之间保温1～2小时进行固溶处理。

公开号为CN102732760A，公开日为2012年10月17日，名称为“一种车身用铝合金板材”的中国专利文献记载了一种车身用铝合金板材。该铝合金板材的各化学元素及其质量百分比含量(wt.％)为：Si：0.5～0.8wt.％，Mg：0.6～1.2wt.％，Cu：0.6～1.1wt.％，Mn：0.15～0.3wt.％，其余为Al和微量杂质，该微量杂质的组成为：Fe＜0.3wt.％，Zn＜0.2wt.％，Ti＜0.1wt.％，Cr＜0.2wt.％；且Mg和Si的质量比在1～2之间；将上述铝合金板材经固溶淬火处理后在20分钟内进行热处理，热处理温度为100℃～150℃，热处理时间10分钟～2小时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种6000系高强塑积铝合金材料，其具有较大的强度，较高的强塑积，优良的成型性，良好的烘烤硬化效应以及优异的抗碰撞吸收性能，尤其适合用于制造汽车结构件。另外，本发明所述的6000系高强塑积铝合金材料经过涂漆烘烤后的强度会进一步地提高。

为了实现上述目的，本发明提出了一种6000系高强塑积铝合金材料，其化学元素质量百分比含量为：

0.6％≤Mg≤1.2％；

0.4％≤Si≤1.5％；

0.08％≤Sn≤0.35％；

0.15％≤Cu≤0.4％；

0.02％≤Mn≤0.15％；

0＜Fe≤0.7％；

0.04％≤Cr≤0.35％；

0.05％≤Ti≤0.15％；

Zn≤0.25％；

其余为Al和其他不可避免杂质；

并且Mg和Si满足：Mg+Si≤2.0％。

本发明所述的6000系高强塑积铝合金材料中的各化学元素的设计原理为：

镁和硅：Mg和Si是6000系铝合金材料中的主要元素，它们是形成Mg-Si系金属间化合物的关键元素。当Mg含量增加时，可以提高铝合金材料的强度，但会使得铝合金材料的塑性显著下降。同时，如果提高Si含量也可以有效地提升最终的析出物含量，从而提高铝合金材料的强度。但是，这两者的总含量不能超过2.0wt.％，否则析出物强化相会粗化，进而严重影响铝合金材料的成形性。本发明中的铝合金材料的最终析出物为Mg₂Si，因不需要考虑材料的表面性能，适当的Mg富余可以有效地提升材料的强度。为此，本发明的6000系高强塑积铝合金材料中的Mg：0.6～1.2wt.％，Si：0.4～1.5wt.％。优选地，本发明的6000系高强塑积铝合金材料中的Mg：0.8～1.0wt.％，Si：0.6～1.2wt.％。

锡：Sn在铝中的空位结合能为0.32ev，其大大高于Cu的空位结合能(Cu在铝中的空位结合能为0.05ev)。经固溶处理后的铝基体中会形成大量的空位，Sn和空位结合，产生大量的束缚空位，自由空位浓度大幅降低，影响了空位在室温中的扩散，也抑制了自然时效的发生。当时效温度大于130℃以上时，大量束缚空位集中释放，快速形成高浓度的空位原子团簇，有助于加速GPⅡ区的形核与长大。由于析出自由能较高，易于形成弥散分布、细小的析出相，大大地提高铝合金材料的强度。进一步地，当析出峰值在温度200℃以下时才能最大幅度地有效析出强化相。但是只有固溶的Sn才能和空位结合，并且由于Sn在铝基体中溶解量不超过0.65wt.％，为了保证在铝基体中有效的固溶Sn，Sn的质量百分含量不低于0.08％。但是，过多的Sn并不能带来显著的性能变化，而且其细化功能也并不突出。在本发明的技术方案中，Sn的质量百分含量为0.08％～0.35％。

铜：Cu能够有效地促进在烘烤过程中铝合金材料的强化相的形成，从而提高其烘烤硬化效应，但是Cu易于在晶界内聚集，从而会显著地降低铝合金材料的耐腐蚀性和成形性。在此，本发明所述的6000系高强塑积铝合金材料的Cu元素的质量百分含量的设定范围为：0.15wt.％≤Cu≤0.4wt.％。优选地，Cu元素的质量百分含量的设定范围为：0.20wt.％≤Cu≤0.4wt.％。

锰和铁：Mn、Fe元素也可以起到细化晶粒的效果。另外，所添加的Mn元素能够溶解杂质铁，形成Al₆(FeMn)，以减少铁的有害作用。但若Mn含量超过0.15wt.％时，容易生成粗大的树枝状金属间化合物。因此，就本发明所述的6000系高强塑积铝合金材料来说，应当将Mn元素的范围控制在0.02wt.％～0.15wt.％范围之间。Fe元素在本发明的技术方案中为有益残留元素，将Fe元素控制为：0＜Fe≤0.7wt.％。更为优选的是，Mn元素的范围是0.05wt.％～0.1wt.％，Fe元素的范围是：0＜Fe≤0.5wt.％。

铬和钛：在本技术方案中，Cr和Ti元素可以有效地细化晶粒，大幅度地提高铝合金材料的成形性。但是，如果Ti元素超过0.15wt.％，或Cr元素超过0.35wt.％，会在铝合金材料中形成粗大的结晶物，由此反而会劣化材料的成形性。因此，基于本发明的技术方案，铝合金材料中的Cr元素含量为：0.04wt.％≤Cr≤0.35wt.％，Ti元素含量为：0.05wt.％≤Ti≤0.15wt.％。更为优选的是，将Cr元素含量设计为：0.10wt.％≤Cr≤0.30wt.％，将Ti元素设计含量为：0.05wt.％≤Ti≤0.10wt.％。

锌：在本发明的技术方案中，Zn元素是需要控制的杂质元素。如果铝合金材料中含有Zn元素，那么Zn元素的质量百分含量不能超过0.25％，这样才不会劣化铝合金材料的各项性能参数。

本发明的技术方案采用了Al-Mg-Si系的成分设计，通过适当添加微量的Sn和Cu元素来共同提高铝合金材料的烘烤硬化效应。此外，由于不需要考虑材料的表面质量，本发明的6000系高强塑积铝合金材料以Mg富余为主，从而大幅度地提高了材料的强度。通过本发明的成分设计获得的6000系高强塑积铝合金材料的强度大，强塑积高，成形性好，抗碰撞吸收性能佳，烘烤硬化效应良好。尤其地，本发明的6000系高强塑积铝合金材料经涂漆烘烤后的强度会进一步地得到提升。

进一步地，本发明所述的6000系高强塑积铝合金材料中的其他不可避免杂质的总量不超过0.15wt.％。

在本发明的技术方案中，其他不可避免的杂质元素应该控制得越低越好，但是又要考虑到生产成本的因素，因此将其他不可避免的杂质元素的总量控制为≤0.15wt.％。

进一步地，本发明所述的6000系高强塑积铝合金材料的微观组织包括：α(Al)基体、分布均匀的近椭球形细小析出物以及颗粒状结晶相。

更进一步地，所述颗粒状结晶相包括Al₆(FeMn)和Al₁₂(FeMn)₃Si。

更进一步地，上述颗粒状结晶相的平均尺寸≤1μm。

将颗粒状结晶相Al₆(FeMn)和Al₁₂(FeMn)₃Si的平均尺寸控制为≤1μm的原因在于：当颗粒状结晶相尺寸大于1μm时，其会严重恶化材料的包边性能。

更进一步地，上述α(Al)基体的平均晶粒尺寸在40μm以下。

若α(Al)基体的平均晶粒尺寸超过40μm，容易导致板材在成形过程中表面出现橘皮现象，影响了外板的表面质量。另外，晶粒尺寸过大将不能有效地阻止裂纹扩展，降低了韧性。

更进一步地，上述近椭球形细小析出物的平均尺寸在1μm以下。

近椭球形细小弥散析出物的平均尺寸不应超过1μm，因为粗大的析出物是一种硬脆相，其将显著降低材料的韧性和疲劳性能。

本发明的另一目的在于提供一种铝合金板，该铝合金板由上文所涉及的任意一种6000系高强塑积铝合金材料制得的。

本发明的又一目的在于提供一种铝合金板的制造方法，通过该铝合金板制造方法可以获得强度大，强塑积高，成型性能良好，烘烤硬化效应优良，并且抗碰撞吸收性能优异的铝合金板。

本发明所述的铝合金板的制造方法可以采用长流程制造工艺，其包括步骤：熔炼、铸造、均热化热处理、轧制和固溶处理；此外，固溶处理的温度为520～550℃，保温时间为5～30min。

本技术方案在制造铝合金板时采用了现有技术中通常采用的长流程制造工艺的基本步骤，但是对固溶处理的详细工艺参数进行了调整。一般来说，长流程制造工艺是：首先将纯铝在730℃-750℃融化，并加入中间合金，精炼和除渣；然后将半连续铸造得到的铸锭进行均热化热处理；然后进行热轧，热轧总压下量大于75％；接着进行冷轧，冷轧总压下量大于80％。冷轧后进行固溶处理。在本技术方案中，固溶处理的工艺参数不同于现有技术，为在520℃-550℃保温5-30分钟。

进一步地，本技术方案所述的铝合金板的制造方法，其还对所述均热化热处理步骤的工艺参数进行了调整，其中热处理温度为450-550℃，热处理时间为12-24h。

另外，本发明所述的铝合金板的制造方法也可以采用双带式连铸短流程制造工艺，其包括步骤：熔炼、双带式连铸、冷轧和固溶处理；此外，固溶处理的温度为500～550℃，保温时间为10～60min。

本技术方案在制造铝合金板时采用了现有技术中通常采用的双带式连铸短流程制造工艺的基本步骤，但是对固溶处理的详细工艺参数进行了调整。一般来说，双带式连铸短流程制造工艺是：将成分满足要求的熔融的铝液引入到双带式连铸机中，对板坯进行连续铸造，厚度达到8-20mm，并以20-50℃/s速率冷却到室温。然后进行冷轧，总压下量75-90％。然后进行固溶处理。在本技术方案中的固溶处理参数不同于现有技术，其为在500℃-550℃保温10-60min。

本发明所述的6000系高强塑积铝合金材料具有较大的强度和较高的强塑积。与此同时，本发明所述的6000系高强塑积铝合金材料具有良好的成形性和优良的抗碰撞吸收性能。另外，本发明所述的6000系高强塑积铝合金材料还具备优异的烘烤硬化效应。经涂漆烘烤后，铝合金材料的强度进一步地提升，且抗碰撞吸收性能更为优良。

本发明所述的铝合金板具有较大的屈服强度、抗拉强度和总延伸率，较高的强塑积，以及良好的成形性能、抗碰撞吸收性能和烘烤硬化效应。此外，本发明所述的铝合金板尤其适合于汽车结构件的制造。

本发明所述的铝合金板的制造方法能够生产获得强度大，强塑积高，成形性好，抗碰撞吸收性能佳且烘烤硬化效应优的铝合金板。

附图说明

图1为本发明实施例3的铝合金板在固溶处理步骤后在室温放置7天后的显微组织图。

图2显示了实施例4的铝合金板的强度和烘烤温度之间的关系。

具体实施方式

下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的6000系高强塑积铝合金材料、铝合金板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而，该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

表1中列出了本案实施例1-8和对比例1-2的铝合金板中的各化学元素的质量百分比含量。

表1.(wt.％，余量为Al和其他不可避免的杂质)

序号	Mg	Si	Sn	Cu	Mn	Fe	Cr	Ti	Zn	Mg+Si
											实施例1	0.90	1.18	0.09	0.18	0.14	0.18	0.05	0.08	0.03	1.68
实施例2	0.68	0.58	0.24	0.23	0.12	0.22	0.34	0.05	0.02	1.26

实施例3	1.05	0.45	0.15	0.22	0.03	0.35	0.15	0.10	0.07	1.5
											实施例4	1.12	0.59	0.13	0.31	0.08	0.21	0.05	0.06	0.09	1.71
实施例5	0.77	1.48	0.35	0.32	0.05	0.32	0.20	0.08	0.02	1.27
											实施例6	0.85	0.78	0.15	0.21	0.15	0.20	0.21	0.08	0.02	1.63
实施例7	0.99	0.65	0.20	0.38	0.09	0.50	0.12	0.10	0.10	1.64
											实施例8	1.16	1.02	0.18	0.21	0.08	0.38	0.28	0.05	0.08	1.86
对比例1	0.62	1.32	-	0.02	0.04	0.12	0.11	-	0.21	1.94
											对比例2	0.75	0.75	-	0.8	0.15	0.20	0.15	0.12	-	1.50

采用长流程制造工艺，按照下述步骤制造实施例1A，2，3A，4A，6和8A中的铝合金板：

1)熔炼：将纯铝在730～750℃融化，加入合金元素，精炼、除渣；

2)采用半连续铸造方法铸造得到铸锭；

3)均热化热处理：在450～550℃下均匀化退火12～24h；

4)轧制：热轧总压下量大于75％，冷轧总压下量大于80％；

5)固溶处理：固溶处理的温度为520～550℃，保温时间为5～30min。

另外，采用双带式连铸短流程制造工艺，按照下述步骤制造实施例1B，3B，4B，5，7和8B中的铝合金板：

2)双带式连铸：将上述熔融的铝液引入到双带式连铸机中，进行连续铸造，并以20～50℃/s速率冷却到室温；

3)冷轧：冷轧总压下量75～90％；

4)固溶处理：固溶处理的温度为500～550℃，保温时间为10～60min，以获得铝合金板。

本技术方案中较之于现有技术进行了调整的均热化热处理步骤、固溶处理步骤的具体工艺参数参见表2。

表2.

本发明的铝合金板经固溶处理步骤后在室温放置7天后，取样进行产品性能测试，分别测试单向拉伸性能(T4态)和烘烤硬化性能(T8态)，烘烤硬化的测试条件是：预拉伸2％，加热到185℃并烘烤20分钟。经过测试后所获得力学性能参数如表3所示。表3列出的对比例的铝合金板是采用现有技术中的常规长流程工艺制得的。

表3.

*注：1)YS为屈服强度，2)UTS为极限抗拉强度，3)EL为延伸率，4)UTS×EL为强塑积。

由表3可以看出，较之于对比例，本案实施例中的铝合金板在烘烤硬化后具有更高的强度，因此导致其强塑积均超过了8700Mpa*％。

图1为本发明实施例3的铝合金板在固溶处理步骤后在室温放置7天后的显微组织图。在室温下放置7天后，经固溶处理的铝合金板的微观组织包括α(Al)基体和分布均匀的近椭球形的细小析出物以及颗粒状结晶相。经过检测，α(Al)基体的平均晶粒尺寸在40μm以下，且近椭球形细小析出物的平均尺寸在1μm以下，颗粒状结晶相的平均尺寸≤1μm。

图2显示了具有实施例4的成分的铝合金板在烘烤时间20min的条件下，其拉伸强度和烘烤温度之间的关系。可以看出，铝合金板的屈服强度(YS)和抗拉强度(TS)随着烘烤温度的上升而大幅度地增加，但是当烘烤温度一旦超过200℃时，该铝合金板的屈服强度(YS)和抗拉强度(TS)就会快速降低。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种6000系高强塑积铝合金材料，其特征在于，其化学元素质量百分比含量为：

0.6％≤Mg≤1.2％；0.4％≤Si≤1.5％；0.08％≤Sn≤0.35％；0.15％≤Cu≤0.4％；0.02％≤Mn≤0.15％；0＜Fe≤0.7％；0.04％≤Cr≤0.35％；0.05％≤Ti≤0.15％；Zn≤0.25％；其余为Al和其他不可避免杂质；并且Mg和Si满足：Mg+Si≤2.0％。

2.如权利要求1所述的6000系高强塑积铝合金材料，其特征在于，其他不可避免的杂质总量控制为≤0.15％。

3.如权利要求1所述的6000系高强塑积铝合金材料，其特征在于，其微观组织包括：α(Al)基体、分布均匀的近椭球形细小析出物以及颗粒状结晶相。

4.如权利要求3所述的6000系高强塑积铝合金材料，其特征在于，所述颗粒状结晶相包括Al₆(FeMn)和Al₁₂(FeMn)₃Si。

5.如权利要求3所述的6000系高强塑积铝合金材料，其特征在于，所述颗粒状结晶相的平均尺寸≤1μm。

6.如权利要求3所述的6000系高强塑积铝合金材料，其特征在于，所述α(Al)基体的平均晶粒尺寸在40μm以下。

7.如权利要求3所述的6000系高强塑积铝合金材料，其特征在于，所述近椭球形细小析出物的平均尺寸在1μm以下。

8.采用如权利要求1-7中任意一项所述的6000系高强塑积铝合金材料制得的铝合金板。

9.如权利要求8所述的铝合金板的制造方法，其采用长流程制造工艺，包括步骤：熔炼、铸造、均热化热处理、轧制和固溶处理；其特征在于，所述固溶处理的温度为520～550℃，保温时间为5～30min。

10.如权利要求9所述的铝合金板的制造方法，其特征在于，在所述均热化热处理步骤中，热处理温度为450-550℃，热处理时间为12-24h。

11.如权利要求8所述的铝合金板的制造方法，其采用双带式连铸短流程制造工艺，包括步骤：熔炼、双带式连铸、冷轧和固溶处理，其特征在于，所述固溶处理的温度为500～550℃，保温时间为10～60min。