CN104975209A - 一种高自然时效稳定性6000系铝合金材料、铝合金板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高自然时效稳定性6000系铝合金材料，其化学元素质量百分比含量为：0.2％≤Mg≤0.8％；0.8％≤Si≤1.5％；0.07％≤Sn≤0.25％；0＜Cu≤0.05％；0.02％≤Mn≤0.2％；0＜Fe≤0.5％；0.05％≤Ti≤0.15％；Zn≤0.2％；Cr≤0.1％；余量为Al和其他不可避免杂质。相应的，本发明还公开了采用该高自然时效稳定性6000系铝合金材料制得的铝合金板以及铝合金板的制造方法。本发明涉及的铝合金材料和铝合金板在不降低成形性能和烘烤硬化性能的基础上，具有良好自然时效稳定性。

Description

一种高自然时效稳定性6000系铝合金材料、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系铝合金材料及相应的制造方法。

背景技术

近年来，为了提高汽车的燃油效率，越来越多的汽车材料采用轻量化的铝合金来代替钢材，特别是6000系铝合金，格外受到青睐。这是因为在冲压和包边加工过程中，6000系铝合金板借助低屈服强度来确保成形性，成形后的板材在涂装烘烤处理等比较低温的人工时效处理时进行时效硬化，从而提高了屈服强度，改善了抗凹性能。

但是6000系铝合金板材在固溶处理后会发生自然时效现象，镁硅原子在室温会发生偏聚，从而引起屈服强度的升高。特别是在铝合金板运输和存储的过程中，随着时间的推移，铝合金板的机械性能不稳定，经常是屈服强度和抗拉强度均上升，而延伸率显著下降，导致时效后的铝合金板在冲压时回弹现象严重，甚至在包边加工时发生开裂，严重影响生产质量。因此，自然时效问题已经严重影响了6000系铝合金板的广泛应用。

目前，现有技术往往采用预时效处理工艺和后续拉伸校平手段来缓解自然时效问题。

公开号为CN1162341A，公开日为1995年9月5日，名称为“铝合金板材的热处理方法”的中国专利文献公开了在固溶处理后采用一次或多次后继热处理的工艺，其将板材加热到100-300℃范围内的某一峰值温度并保持1分钟以内，然后冷却到85℃或更低，或者同时施加不大于2％的拉伸。采用这种方法解决自然时效问题的最好的试验结果是AA6016合金经过一个星期的自然时效后，屈服强度相对于未处理时升高了25％。

公开号为WO2002/090608A1，公开日为2002年11月14日，名称为“Processfor preparing an aluminum alloy sheet with improved bendability and aluminumalloy sheet produced therefrom”的国际专利文献公开了一种铝合金板材，其成分为Si：0.7-0.85wt％，Mg：0.5-0.75wt％，Mn：0.15-0.35wt％，Fe：0.1-0.3wt％，可选Cu：0.2-0.4wt％，余量为Al和不可避免元素。该技术方案的关键预时效处理工艺是从80℃以上的预时效温度开始快速冷却到室温，冷却速度不小于5℃每小时。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种高自然时效稳定性6000系铝合金材料，该铝合金材料通过添加Sn元素，在不降低铝合金材料成形性能和烘烤硬化性能的基础上，使铝合金板具备良好自然时效稳定性，从而使该铝合金材料适宜于用作汽车内外板和结构件，并且可以实现低成本工业化生产。

为了实现上述目的，本发明提出了一种高自然时效稳定性6000系铝合金材料，其化学元素质量百分比含量为：

0.2％≤Mg≤0.8％；0.8％≤Si≤1.5％；0.07％≤Sn≤0.25％；0＜Cu≤0.05％；0.02％≤Mn≤0.2％；0＜Fe≤0.5％；0.05％≤Ti≤0.15％；Zn≤0.2％；Cr≤0.1％；余量为Al和其他不可避免杂质。

优选地，在本发明所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料中，控制Si/Mg≥1.6。

优选地，在本技术方案中，其他不可避免的杂质总量控制为≤0.15％。

进一步地，本发明所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料的其微观组织包括：α(Al)基体、分布均匀的近椭球形细小析出物和颗粒状结晶相。

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，所述颗粒状结晶相的平均尺寸≤1μm。如果颗粒状结晶相的尺寸大于1μm，会造成材料强度和成形性相对较差。

更进一步地，所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。

更进一步地，所述α(Al)基体的平均晶粒尺寸在30μm以下。

若α(Al)基体的平均晶粒尺寸超过30μm，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。

本发明所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料中的各化学元素的设计原理为：

Mg和Si：Mg、Si是6000系铝合金添加的主要合金元素，是形成Mg-Si系金属间化合物的关键元素。固溶处理后，Mg、Si原子固溶在基体中，在随后的自然时效、低温人工时效或烘烤处理中偏聚长大并析出，有助于强度的提升，因此在本技术方案中，Si元素含量的下限需控制为1.0％，同时Si元素含量不宜超过1.5％，否则在铸造中凝固析出的结晶物会粗大化，这将会恶化成形性能。另外，为了更好的利用烘烤硬化效果，本技术方案中Mg含量不能小于0.2％，另一方面，若Mg含量超过0.6％，则会易在板材表面出现拉伸应变痕。优选地，可以进一步控制Si含量为1.0-1.3％，Mg元素含量为0.4-0.6％。另外，发明人发现，相对于Mg含量，Si含量的适度富余将有助于展示更优异的烘烤硬化效应，因此优选地，控制Si/Mg≥1.6。

Sn：Sn元素在Al中的空位结合能为0.32ev，大大高于Cu的0.05ev的空位结合能。固溶处理后基体中形成大量的空位，Sn元素跟空位会结合，产生大量的束缚空位，从而使得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。在时效温度大于120℃以上，大量束缚空位释放，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，易于形成弥散分布的细小的析出相，从而大幅提高强度，而且析出峰值不会超过200℃。但是只有固溶的Sn才能跟空位结合，由于Sn在铝基体中溶解量不超过0.065％，因此，为了保证有效的固溶Sn，需要将Sn元素控制在0.07％-0.25％。

Cu：Cu元素在铝合金中固溶，时效过程中铜元素形成的Q’相析出能够有效提高烘烤硬化性能，但是Cu易于在晶界聚集，所以会显著降低耐腐蚀性能和成形性能。因此，在本技术方案中，Cu元素为有益的残留元素，本发明不有意添加Cu，同时控制Cu不大于0.05％。

Mn：Mn在均热化处理中会生成弥散颗粒，该颗粒具有妨碍再结晶后的晶粒长大的作用，因此可以起到细化晶粒的效果，同时能溶解杂质Fe，形成Al₆(FeMn)，减少Fe的有害作用。但是若Mn元素含量超过0.2％，容易生成粗大的树枝状AlFeSiMn系金属间化合物，这会严重地恶化包边性能。因此，本技术方案将Mn元素含量控制为0.02-0.2％。

Fe：Fe是作为基体金属杂质混入合金中的，在铸造凝固中其与Mn、Si一起生成片层状的Al₆(FeMn)和Al₁₂(FeMn)₃Si金属间化合物而析出，热轧卷取后以该结晶物为形核点进行再结晶，可以得到微细的再结晶晶粒。但是Fe含量超过0.5％会引起粗大的树枝状金属间化合物，而且还会造成材料强度和成形性相对较差。

Ti：Ti是很好的铸锭细化剂，添加适宜量的Ti元素可以使得铸锭的晶粒得到微细化，从而有效的提高成形性。但是，若Ti元素含量超过0.15％，则会形成粗大的结晶物，反而劣化成形性。

Cr和Zn：Cr和Zn元素在本技术方案中是有害元素，其含量在本案限定了上限的情况下，应尽可能地低。

本发明的另一目的在于，提供一种采用上述高自然时效稳定性6000系铝合金材料制得的铝合金板。

本技术方案的又一目的在于，提供一种上述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，其中在所述固溶处理步骤中：以5-50℃/s的速度加热到500-560℃，保温5-60s，然后以30-150℃/s的速度冷却到20-60℃。

优选地，在所述均热化热处理步骤中：热处理温度为500-580℃，热处理时间为1-12h。

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，但是对固溶处理和均热化热处理的详细工艺参数进行了调整。其中：

在熔炼、铸造步骤中：可以将原料熔炼后进行半连续铸造(Direct chillcaster)，在720～750℃向熔炼炉的熔融铝水中加入中间合金和细化剂。从液相线温度快速冷却到固相线温度的冷却速度不小于100℃每分钟，这是为了控制成分偏析和抑制粗大结晶物的生成。

在均热化热处理步骤中：均热化热处理使合金元素和粗大的化合物充分固溶，从而消除铸造时组织的偏析，达到组织均匀。若热处理温度低于500℃，铸坯的组织均匀化时间较长，结晶内的偏析不能完全消除，会造成包边性能下降。若热处理温度高于580℃，则铸坯局部性再熔融，会导致铝板的表面性能恶化。另外，如果热处理时间低于1小时，则铸坯的均质化有可能未完毕，时间过长则会导致生产效率低下。

在均热化热处理步骤后可以进行铣面步骤。铣面深度可以为10～20mm，从而确保表面缺陷不留存在随后轧制的铸坯中。

轧制步骤包括热轧和冷轧，其中：

热轧工序包括粗轧、精轧和卷取。粗轧温度可以控制在420-480℃。精轧的结束温度(即终轧温度)最好不超过360℃，这样可以抑制粗大的再结晶晶粒的生成。但是终轧温度最好也不要低于300℃，否则轧制变形抗力大，再结晶进行不充分，残存轧制组织，会影响后续的冷轧工序。在热轧步骤中，总道次压下率最好大于75％，最终热轧板厚度可以为4-10mm。

冷轧工序是对热轧板进行轧制以达到规定铝合金板的成品厚度。一般来说，冷轧的冷加工率越高，其应变畸变能越高，后续的固溶处理再结晶组织的晶粒越细小，表面性能越好。因此，对于本技术方案来说，冷轧总压下率最好为60-90％。

固溶处理是本技术方案中的核心步骤。为了使Mg、Si尽可能多地固溶，以确保成形后的烘烤硬化性，本技术方案中固溶处理的温度下限需要控制在500℃，但是如果固溶处理的温度上限超过560℃，则共晶熔融会导致材料延伸率下降并且导致表面性能劣化。本技术方案中，固溶处理的加热速度控制为5～50℃/s，达到上述范围温度后，需要保持5s以上，但是若超过60s后，晶粒会粗大。在固溶处理的冷却过程中，若冷却速度低于30℃/s，则容易在晶界处析出粗大的Mg₂Si、游离Si等，从而恶化材料的成形性和包边性。另外，为了获得更多的空位，冷却结束温度最好控制为20～60℃，冷却方式优选水冷。

优选地，在本发明所述的铝合金板的制造方法中，在所述固溶处理步骤后还具有预拉伸步骤：拉伸量为铝合金板长度的0.1-2％。

更优选地，在本发明所述的铝合金板的制造方法中，在所述预拉伸步骤后还具有时效预处理步骤：时效温度60-80℃，保温30-90min。

时效预处理步骤和预拉伸步骤也是本技术方案较之于现有技术的改进，通过增加这两个步骤，可以使得本技术方案具有更好的技术效果。其中控制时效温度为60-80℃，保温30-90min，可以使得剩余空位湮灭，有利于保持材料性能的稳定性，有利于板材的工业化批量冲压生产。此外，进行0.1～2％的预拉伸处理不仅可以改善板型，而且还可以增强材料抵抗自然时效的效果。

本发明所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料通过添加适量Sn元素，并结合与其匹配的工艺，使得该铝合金材料和铝合金板在不降低成形性能和烘烤硬化性能的基础上，具有良好自然时效稳定性。其特别适合用于汽车内外板和结构件。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的铝合金板在固溶处理步骤后室温放置90天后的显微组织图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料、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。

按照长流程工艺制造实施例1-7中的铝合金板(实施例1-7中的铝合金板的各化学元素的质量百分比含量如表1所示)：

(1)熔炼；

(2)铸造：采用半连续铸造法(Direct chill caster)浇铸合金铸坯，铸坯厚度为500mm，宽度为1800mm；

(3)均热化热处理：热处理最终温度为500-580℃，热处理时间为1-12h，可以分两步将温度加热到目标温度(各实施例中的具体工艺参数参见表2)；

(4)铣面：切削深度达到10mm；

(5)热轧：包括粗轧、精轧和卷取，热轧工艺参数采用常规的工艺参数，制得热轧卷的厚度为4-8mm；

(6)冷轧：采用四辊可逆冷轧机将热轧卷轧制成0.8-1.2mm厚的冷轧卷，冷轧工艺参数也采用常规的工艺参数；

(7)固溶处理：采用连续气垫式热处理线进行固溶处理和卷取，以5-50℃/s的速度加热到500-560℃，保温5-60s，然后以30-150℃/s的速度冷却到20-60℃，冷却方式采用水冷(各实施例中的具体工艺参数参见表2)；

(8)进行0.1-2％的预拉伸板型处理；

(9)时效预处理：时效温度60-80℃，保温30-90min。

表1列出了实施例1-7和对比例1-3的铝合金板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)

	Mg	Si	Sn	Cu	Mn	Fe	Ti	Cr	Zn
										实施例1	0.26	1.05	0.23	0.01	0.14	0.18	0.05	0.02	0.03
实施例2	0.38	1.18	0.12	0.03	0.12	0.20	0.07	0.04	0.02
										实施例3	0.45	1.16	0.07	0.02	0.03	0.15	0.14	0.05	0.07
实施例4	0.52	1.22	0.17	0.01	0.18	0.20	0.10	0.03	0.09
										实施例5	0.60	1.08	0.14	0.02	0.20	0.32	0.06	0.03	0.02
实施例6	0.50	1.05	0.20	0.01	0.15	0.20	0.08	0.01	0.02
										实施例7	0.48	1.30	0.10	0.03	0.18	0.38	0.05	0.02	0.08
										对比例1	0.40	1.22	-	0.10	0.08	0.29	0.01	-	-
对比例2	0.60	0.8	-	-	0.2	0.25	-	-	-
										对比例3	0.50	1.0	-	-	0.05	0.20	0.01	-	-

表2列出了实施例1-7中的铝合金板所采用的制造方法中的固溶处理步骤、均热化热处理步骤、时效预处理和预拉伸步骤的具体工艺参数。

表2.

将按照上述步骤制得的本案实施例1-7的铝合金板在室温中分别保持7天，30天和90天的自然时效，再检测力学性能来评估其时效稳定性，测试结果列于表3中。其中，按照ASTM标准测试力学性能，检测项目包括0.2％屈服强度、抗拉强度、总延伸率；烘烤硬化值的测试条件是：预拉伸2％，加热到185℃，烘烤20分钟，测试0.2％屈服强度的变化。

表3.

注：其中T4表示单向拉伸性能，T8表示烘烤硬化性能。

表4中列出了采用现有技术中常规的长流程制造方法制得的对比例1-3中的铝合金板经过0天、7天、14天、28天和100天的自然时效后测试的力学性能。

表4.

注：其中T4表示单向拉伸性能，T8表示烘烤硬化性能。

结合表1，从表3和表4可以看出，本发明实施例中均添加了不同含量的Sn，而对比例中没有添加Sn元素，对比例1添加了0.1％Cu，对比例2和对比例3均未添加Cu元素。从表3可见，本案实施例中铝合金板的烘烤硬化前的单向拉伸性能更为稳定，屈服强度波动比较小，而烘烤硬化后的BH2较为稳定，且延伸率均优于对比例，说明本技术方案的成形性能更好。

另外，图1为本案实施例1的铝合金板在固溶处理步骤后在室温放置90天后的显微组织照片。该铝合金板在固溶处理后的微观组织包括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，近椭球形细小析出物的平均尺寸在1μm以下，α(Al)基体的平均晶粒尺寸在30μm以下，颗粒状结晶相的平均尺寸≤1μm。

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 (13)

1.一种高自然时效稳定性6000系铝合金材料，其特征在于，其化学元素质量百分比含量为：

0.2％≤Mg≤0.8％；0.8％≤Si≤1.5％；0.07％≤Sn≤0.25％；0＜Cu≤0.05％；0.02％≤Mn≤0.2％；0＜Fe≤0.5％；0.05％≤Ti≤0.15％；Zn≤0.2％；Cr≤0.1％；余量为Al和其他不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料，其特征在于，Si/Mg≥1.6。

3.如权利要求1所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料，其特征在于，其他不可避免的杂质总量控制为≤0.15％。

4.如权利要求1所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料，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和颗粒状结晶相。

5.如权利要求4所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料，其特征在于，所述颗粒状结晶相包括Al₆(FeMn)和Al₁₂(FeMn)₃Si。

6.如权利要求4所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料，其特征在于，所述颗粒状结晶相的颗粒尺寸≤1μm。

7.如权利要求4所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料，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.如权利要求4所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料，其特征在于，所述α(Al)基体的平均晶粒尺寸在30μm以下。

9.采用如权利要求1-8中任意一项所述的高自然时效稳定性6000系铝合金材料制得的铝合金板。

10.如权利要求9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、固溶处理，其特征在于，在所述固溶处理步骤中：以5-50℃/s的速度加热到500-560℃，保温5-60s，然后以30-150℃/s的速度冷却到20-60℃。

11.如权利要求10所述的铝合金板的制造方法，其特征在于，在所述固溶处理步骤后还具有预拉伸步骤：拉伸量为铝合金板长度的0.1-2％。

12.如权利要求11所述的铝合金板的制造方法，其特征在于，在所述预拉伸步骤后还具有时效预处理步骤：时效温度60-80℃，保温30-90min。

13.如权利要求10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500-580℃，热处理时间为1-12h。