CN106605004A - 具有优异碰撞性能的由6xxx铝合金挤出的高强度产品 - Google Patents

Abstract

一种铝合金挤出产品，其通过以下步骤获得：a)由6xxx铝合金铸造坯料，所述6xxx铝合金包含：Si：0.3‑1.5重量％；Fe：0.1‑0.3重量％；Mg：0.3‑1.5重量％；Cu<1.5重量％；Mn<1.0重量％；Zr<0.2重量％；Cr<0.4重量％；Zn<0.1重量％；Ti<0.2重量％；V<0.2重量％；其余为铝和不可避免的杂质；b)在比固相线温度低30℃至100℃的温度下对铸造坯料进行均匀化处理；c)将均匀化的坯料在低于固相线Ts、在Ts至(Ts‑45℃)且高于固溶线温度的温度下加热；d)冷却，直到坯料温度达到400℃至480℃的温度，同时确保坯料表面一直不低于大致接近350℃的温度；e)在冷却操作后的最多几十秒，将所述坯料通过模具挤出以形成至少一种挤出产品；f)将挤出产品淬火至室温；g)拉伸挤出产品；h)对挤出产品进行时效处理，而不预先对挤出产品进行任何单独的挤出后固溶热处理，进行所述时效处理使得产品在强度和可碰撞性之间呈现出优异的平衡，其中屈服强度Rp0.2高于240MPa，优选高于280MPa，并且当轴向压缩时，型材呈现出规则折叠的表面，所述表面具有最大长度为10mm、优选小于5mm的裂纹。

Description

具有优异碰撞性能的由6xxx铝合金挤出的高强度产品

本发明涉及实心或空心形式的AA6xxx系列铝合金挤出产品，其特别适于制造汽车、轨道或运输结构部件，如碰撞管理系统，其应同时具有高的机械性能(通常拉伸屈服强度高于240MPa，优选高于280MPa)和优异的碰撞性能。

除非另有说明，所有涉及合金的化学组成的信息均以基于合金总重量计的重量百分数表示。“6xxx铝合金”或“6xxx合金”表示具有镁和硅作为主要合金元素的铝合金。“AA6xxx系列铝合金”表示在铝业协会(The Aluminum Association,Inc.)出版的“International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for WroughtAluminum and Wrought Aluminum Alloys”中所列的任意6xxx铝合金。除非另有说明，将适用欧洲标准EN 515中所列的冶金状态的定义。静态拉伸机械特性，也就是说，极限拉伸强度R_m(或UTS)、在0.2％塑性延伸下的拉伸屈服强度R_p0.2(或YS)以及延伸率A％(或E％)根据NFEN ISO 6892-1的拉伸试验确定。

碰撞性能主要取决于碰撞元件的材料特性、设计和尺寸。已经开发了用于在碰撞相关的汽车部件或结构中获得令人满意的碰撞性能——也称为“可碰撞性”或“耐撞性”——的铝合金组成和状态，特别是当所述汽车部件或结构由挤出产品制成时。对于给定设计和尺寸的材料的适用性的关键要求是能够通过塑性变形展现出高的能量吸收能力，其特征在于型材面的规则折叠，没有形成裂纹或形成有限的裂纹而没有碎裂。许多动态碰撞试验，包括低速准静态试验，用于评估材料的碰撞性能。如Volkswagen TL 116，在速度、型材几何形状、长度方面对汽车供应商有具体的标准。它们共同具有相同的原理，即包括在切割为预定长度的挤出空心型材上施加轴向压缩载荷。该试验包括在一端上施加轴向压缩载荷，另一端由支撑压板封锁，并在保持型材的受控位移下测量载荷。重要的是观察变形过程中型材的性能，特别是由变形引起的缺陷是什么。为了确保挤压试验能够区分材料性能而不受挤出形状造成的任何偏差的影响，优选对所有评价的材料使用相同的部分，并且选择评价的材料以确保可重复的折叠，从而避免几何形状(如具有不超过2个腔的矩形管或圆管)造成的任何偏差。本领域技术人员知道，根据该试验，具有非常差的碰撞性能的材料通过压曲而变形，和/或是不规则折叠的，其在折叠表面上具有许多深裂纹。具有较好碰撞性能的材料的表面通过规则的渐进折叠而塑性变形。碰撞性良好的材料的挤压样品的表面应具有规则的折痕，理想的是没有任何裂纹。然而，甚至在可碎性良好的材料上也可以观察到裂纹，但是它们具有非常小的长度，通常小于10mm，优选小于5mm且更优选小于1mm。挤压样品的一般性质和在渐进折叠过程中产生的裂纹的最大长度被用于评估试验材料的碰撞性能。

固相线Ts是这样的温度，即低于该温度，合金的固体分数等于1。固溶线定义这样的温度，即其在合金的平衡相图中是固溶度的极限。对于高强度要求，应加入共晶合金元素如Si、Mg和Cu，以形成析出的硬化相。然而，加入合金元素通常导致固相线和固溶线温度之差减小。当共晶合金元素的含量高于临界值时，合金的固相线至固溶线的范围变为窄的“窗口”，其中固相线与固溶线之差通常低于20℃，并且因此上述元素在挤出过程中通常实现的固溶热处理不能在不观察到初熔的情况下获得。实际上，在挤出过程中达到的局部温度梯度通常超过20℃，这意味着，当达到固溶线时，部分型材显示的温度将超过固相线Ts。这种合金被认为是不可挤出合金，或仅在挤出后单独固溶处理的情况下被认为是可挤出合金。

现有技术已知，对于常规挤出的铝合金产品，强度水平的增加使与延展性相关的特性(如延伸率或碰撞性能)变差。为了达到高的拉伸屈服强度，通常高于240MPa，优选高于280MPa，并同时保持6xxx合金的高碰撞性能，已经提出了一些技术方案。其中之一是在欧洲专利EP 2 563944中记载的方法，其中所使用的6xxx系列铝合金包含用于形成硬化颗粒的高含量的Mg和Si以及包晶元素如Ti或V，并且其中需要大大过量的Mg，因为它限制Si向晶粒边界扩散，因此显著提高了损伤容限和耐撞性。然而，由于必需的高Mg含量(EP 2 563 944优选的Mg含量在0.65重量％和1.2重量％之间)，这种合金的可挤出性特别低。

申请人决定开发一种制造高强度可碰撞AA6xxx合金挤出物的方法，所述合金挤出物以更可接受的挤出速度以实心或空心形式获得，并且同时具有高于240MPa、优选高于280MPa的拉伸屈服强度和优异的碰撞性能(如动态碰撞试验所评估的)。

本发明的第一个目的是一种铝合金挤出产品，其通过以下步骤获得：

a)由6xxx铝合金铸造坯料，所述6xxx铝合金包含：Si：0.3-1.5重量％；Fe：0.1-0.3重量％；Mg：0.3-1.5重量％；Cu<1.5重量％；Mn<1.0重量％；Zr<0.2重量％；Cr<0.4重量％；Zn<0.1重量％；Ti<0.2重量％；V<0.2重量％；其余为铝和不可避免的杂质；

其中选择共晶形成元素(Mg、Si和Cu)的含量，以使在平衡条件下固相线与固溶线温度之差高于5℃，优选20℃；

b)在温度T_H下对铸造的坯料进行均匀化处理，所述温度T_H比固相线温度Ts低30℃至100℃，Ts通常为565℃至620℃；

c)将均匀化的坯料加热至Ts至(Ts-45℃)且高于固溶线温度的温度T_h，保持足够长的时间以确保析出的共晶相完全溶解；

d)冷却，直到坯料的温度达到400℃至480℃的温度Td，同时确保坯料表面一直不低于大致接近350℃、优选400℃的温度；

e)立即挤出，即在冷却操作后最多几十秒，将所述坯料通过模具挤出以形成至少一种实心或空心的挤出产品。使挤出物的表面温度高于430℃，优选460℃，并且低于固相线，通常为500℃至580℃，这样的挤出速度是有利的；

f)将挤出产品淬火至室温；

g)拉伸挤出产品以获得塑性变形，塑性变形通常为0.5％至5％或甚至更高(最高达10％)；

h)对挤出产品进行时效处理，而不预先对挤出产品进行任何单独的挤出后固溶热处理，进行时效处理使得

·由根据上述方法获得的型材加工的拉伸试验样品的Rp0.2高于240MPa，优选高于280MPa；

·根据步骤a)至h)制备空心挤出物，其具有总体上约40×55mm的矩形横截面与接近2.5mm的壁厚，以评价可碎性，

-当轴向压缩使得挤压距离大于初始切割挤出物的长度的一半时，从所述挤出物上切割的碰撞试验样品产生规则折叠的表面，所述表面具有最大长度为10mm、优选5mm的裂纹；

-由所述挤出物加工的拉伸试验样品的屈服强度Rp0.2高于240MPa，优选高于280MPa。

当轴向压缩使得挤压距离大于其长度的一半时，从所述型材上切割的碰撞试验样品具有规则折叠的表面，所述表面具有最大长度为10mm、优选5mm、更优选1mm的裂纹。

由靠近碰撞试验样品的型材加工的拉伸试验样品的Rp0.2高于240MPa，优选高于280MPa。

优选地，时效处理通过两个连续步骤进行：

h1)对挤出产品进行自然时效最少1小时，优选多于48小时，以便在峰时效条件下使材料强度最大化。

h2)对挤出产品进行人工时效至T6至T7状态，使用一步或多步热处理以实现强度和碰撞性能的组合目标，所述热处理通常在150℃至200℃的温度下进行1至100小时。

根据本发明，所述铝合金挤出产品通过由6xxx铝合金铸造坯料而获得，所述6xxx铝合金包含：Si：0.3-1.5重量％；Fe：0.1-0.3重量％；Mg：0.3-1.5重量％；Cu<1.5重量％；Mn<1.0重量％；Zr<0.2重量％；Cr<0.4重量％；Zn<0.1重量％；Ti<0.2重量％；V<0.2重量％；其余为铝和不可避免的杂质。本发明的铝合金为AlMgSi型，与其他类型如AlZnMg合金相比，其用于能量吸收部件在延伸率和可成形性方面具有良好的先决条件。

优选地，Mg和Si含量相对较低，即均低于1.0％，以使合金易于挤出。优选地，不存在过量的Mg。有利地，Mg/Si重量比大大低于对应于Mg₂Si(1.73)的化学计量重量比，通常低于1。更优选地，Mg含量不高于0.7重量％。甚至更优选地，Mg含量不高于0.6重量％。为了获得足够的强度水平，本发明的合金还优选包含铜和/或形成分散体(dispersoid)的元素添加物，如Mn、Ti、Zr、Cr、V或Nb。

在本发明的一些实施方案中，铜的加入量高于0.05％以具有强化效果，并且低于0.4重量％以使得固相线与固溶线之差高于5℃，优选高于20℃。

由US 6 685 782已知，包晶合金元素如钒对6xxx系列铝合金的碰撞性能具有积极效果。因此，在本发明的一些实施方案中，有利地单独地或以组合方式加入包晶合金元素，通常为含量高于0.01重量％且优选低于0.1重量％的Ti、含量高于0.02重量％且优选低于0.15重量％的Nb或含量高于0.01重量％且优选低于0.1重量％的V。可加入其它包晶合金元素如Mo(含量优选低于0.2％)或甚至是Hf和Ta。

通过对包括但不限于Mn、Cr、Ti和Zr的含有分散体的合金进行本发明的过热和淬火步骤c)和d)，尤其是如果如本发明的均匀化步骤b)中所述的在低温下进行均匀化处理，可以制造高强度的挤出产品，其具有更好的碰撞性能，可能是因为它们具有大量的非重结晶区，这些非重结晶区显示具有比使用常规的单独的挤出后固溶热处理时更多保留的变形构造的纤维结构，所述变形构造使材料具有高强度，也必然导致变形后的恢复和重结晶。

对本发明的铸造坯料进行均匀化处理。由于步骤c)的热处理，均匀化处理可在非常低的均匀化温度(即比固相线低30℃至100℃的T_H)下进行，通常进行3至10小时。通常，在480℃至575℃的温度下对铸造坯料进行均匀化处理。然后将均匀化的坯料冷却至室温。

将待挤出的均匀化的铸造坯料加热至稍低于固相线温度Ts的温度Th，以进行固溶热处理。根据本发明，该温度为Ts-45℃至Ts。加热温度显著高于常规加热温度，通常比Ts低50℃至150℃。因此，参考常规实践，将步骤c)称为“过热”。坯料优选在感应炉中加热并在Th下保持十秒至几分钟，通常为80至120秒，即有足够长的时间以确保析出的共晶相完全溶解。

然后优选通过喷水或水浴冷却坯料，直到其温度达到400℃至480℃，同时确保坯料表面一直不低于大致接近350℃、优选400℃的温度。一些试验似乎表明，坯料表面的温度可低于400℃，甚至可至少部分地出现一些组成颗粒，特别是硬化颗粒，如Mg₂Si或Al2Cu的析出。我们假定，这些颗粒(如果有的话)会在挤出过程中溶解，因为它们位于金属坯料的周边，这些颗粒填满沿着死区延伸的狭窄区域，所述死区在挤出过程中靠近模具形成。从坯料的周边产生的材料流经该区域，并容易经受非常强的剪切应力。由于施加的非常高的剪切应变速率和在该区域中产生的热量，颗粒(如果有的话)很可能在挤出过程中溶解，使得从模具中出来的型材的表面没有所述颗粒。

无论如何，必须对坯料进行冷却，优选通过以下方式以高冷却速率进行淬火：控制坯料的平均温度并检查表面温度高于接近350℃的温度，即大大高于环境温度。这意味着冷却步骤d)必须遵循这样的操作路线，其应例如通过实验或通过数值模拟而预先定义，其中至少考虑坯料的几何形状、合金在不同温度下的导热率以及与冷却方式相关的传热系数。

以1kW/m²/°K的传热系数对直径为254mm的坯料进行冷却的FEM模拟表明，冷却应在约40s后停止以避免坯料表面低于400℃。此时，坯料芯的温度仍接近530℃，但40秒后，由于铝合金的高导热率，坯料中的温度几乎又是均匀的，即在芯和靠近表面处为约480℃。

对于更大直径的坯料而言，冷却方式应具有更高的冷却能力，或者，如果使用相同的冷却方式，则冷却应分几个步骤进行，包括激冷，当表面温度接近400℃时停止冷却，将坯料保持几秒，使得芯和表面温度彼此接近，并且只要坯料的平均温度高于480℃，则开始新的类似的冷却步骤。

对于更小直径的坯料而言，可使用具有较低冷却能力的冷却方式，或者，如果使用相同的冷却方式，则应在较短时间之后停止冷却，该时间可通过适当的数值模拟进行估计。

一旦坯料温度达到450℃至480℃的温度，即在停止冷却操作之后的几十秒，将坯料引入挤压机中并通过模具挤出以形成一个或数个实心或空心的挤出产品或挤出物。控制挤出速度以使挤出物表面出口温度高于430℃，优选460℃，但低于固相线温度Ts。出口温度可非常低，这是因为，由于步骤c)和d)，形成硬化析出物的合金元素仍溶于铝晶格中。出口温度应足够高以仅避免析出。实际上，目标挤出物表面温度通常在500℃至580℃的范围内，以具有与令人满意的生产率相适应的挤出速度。

然后在挤出机的出口处，即在位于距模具500mm至5m的出口的区域中对挤出产品进行淬火。使用激冷装置(例如向挤出物上喷水的装置)将其冷却至室温。然后将挤出物拉伸以获得通常在0.5％至5％或甚至更高(最高达10％)的塑性变形，以便获得消除应力的直型材。

然后对型材进行时效处理，而不预先进行任何单独的挤出后固溶热处理，以实现型材的目标强度和碰撞性能。时效处理通过两个连续步骤进行。首先进行最少1小时、优选多于48小时的自然时效步骤，以便在峰时效条件下使材料强度最大化。然后在150至200℃的温度下进行规定时间的一步或多步的人工时效处理，所述时间为1至100小时，这取决于目标特性。本发明的合金和方法特别适于获得T6状态或T7状态，以便实现高于240MPa、优选高于280MPa的Rp0.2，同时显示出由挤压样品表征的优异的碰撞性能，所述挤压样品的表面规则地折叠而没有任何裂纹，或具有最大长度为10mm、优选5mm、更优选1mm的裂纹。

对所有所述的合金和状态组合使用相同的挤出形状评价碰撞性能。所述挤出形状为具有总体上约40×55mm的矩形横截面与接近2.5mm的壁厚的空心挤出物。将挤压样品切割至给定长度。优选使用的长度为型材横截面回转半径的3至10倍，更优选4至7倍。然后，对切割型材进行轴向压缩，通常使用具有平模的液压机进行。对于由可挤压的铝合金材料制成的碰撞样品，在试验开始时增加压缩力，直到开始折叠；当开始折叠，压缩力基本上恒定，在渐进折叠过程中稍微变化。当压缩力显著增加时，达到挤压距离。挤压距离通常大于切割型材长度的一半。一旦达到挤压距离，就观察挤压样品的一般性质和其折叠的表面。碰撞性能的水平通过测量出现在折叠表面上的裂纹的最大长度给出。

本发明的另一个目的是本发明的铝合金挤出产品用于制造汽车、轨道或运输应用如冲撞盒或碰撞管理系统的结构组件的部件的用途。

实施例

由两种6xxx铝合金(A、B)制成的空心型材通过以下两种不同的方法路线进行挤出：目前现有技术路线和本发明的路线。这些合金的化学组成示于表1中。合金A为AA6008合金。合金B为AA6560合金。

表1

合金	Si	Mg	Mn	Fe	Cu	Cr	Zn	Ti	V
										A	0.60	0.53	0.08	0.24	0.14	0.009	0.03	0.024	0.071
B	0.47	0.54	0.06	0.2	0.18	0.002	0.01	0.035	-

将直径为254mm和长度为820mm的均匀化的铸造坯料加热，引入挤出机中并压制以形成单腔的空心型材，其具有总体上约40×55mm的矩形横截面与接近2.5mm的壁厚。这种几何形状是用于汽车工业制造冲撞盒的典型空心型材，并且是适于评价耐撞性的几何形状。以200mm的长度切割型材以形成碰撞试样。该长度对应于约10倍的所述型材的回转半径，所述回转半径围绕对应于所述矩形的宽度方向的轴计算。由靠近碰撞试样的空心型材加工拉伸试样。

然后使用液压机以320mm/min的移动速度通过轴向压缩在两个平模之间挤压200mm长的碰撞试样，直到达到125mm的位移。然后观察和测量在压缩载荷下产生的折痕。达到的挤压距离大于100mm。

通过以下常规路线获得型材A-2、A-3和B-2：

·在接近575℃的温度下对铸造坯料进行均匀化处理；

·将均匀化的铸造坯料加热至接近460℃的温度；

·以高于530℃且低于580℃的表面出口温度将所述坯料挤出，以便避免由型材过热点中溶质元素(例如Mg₂Si、Al₂Cu)所形成的析出物的非平衡熔化所引起的初熔，但仍容许溶解部分上述相，该部分随后会通过时效过程中的再析出而有助于合金的硬化。

·用激冷装置(水淬)将挤出材料淬火至室温。

·拉伸1％

·在150至200℃的温度下进行时效热处理；特别地，A-2和B-2在190℃下加热7h；A-3在170℃下加热8h。

通过以下本发明的路线获得型材A-1和B-1。

·在接近575℃的温度下对铸造坯料进行均匀化处理

·将均匀化的铸造坯料加热至接近575℃的温度

·通过喷水冷却，直到坯料温度达到接近430℃的温度Td，同时确保坯料表面一直不低于大致接近350℃的温度；

·在冷却操作后几十秒，以高于500℃且低于580℃的表面出口温度将坯料挤出；

·用激冷装置(水淬)将挤出材料淬火至室温

·拉伸1％

·通过两个连续步骤的热处理进行时效处理至T7状态；特别地，A-1和B-1在环境温度下进行自然时效48h，并在190℃下加热7h。

表2示出了材料的极限拉伸强度(Rm)、拉伸屈服强度(Rp0.2)和碰撞性能

表2

表2的结果表明，本发明的方法路线能够制造比通过常规路线获得的产品同时具有更好强度(Rm和Rp0.2)和碰撞性能的铝合金挤出产品。

在iso设计下，很好地观察到，根据本发明，可以同时获得强度和耐撞性。使用常规路线，通过调节时效条件可以提高至本发明水平的强度(A-2和A-3的例子)，但是观察到其使可碎性变差：缺损的长度增加。

Claims (9)

1.一种铝合金挤出产品，其通过以下步骤获得：

a)由6xxx铝合金铸造坯料，所述6xxx铝合金包含：

Si：0.3-1.5重量％；Fe：0.1-0.3重量％；Mg：0.3-1.5重量％；Cu<1.5重量％；Mn<1.0重量％；Zr<0.2重量％；Cr<0.4重量％；Zn<0.1重量％；Ti<0.2重量％；V<0.2重量％；其余为铝和不可避免的杂质；

其中选择共晶形成元素(Mg、Si和Cu)的含量，以在平衡条件下固相线与固溶线之差高于5℃，优选20℃；

b)在比固相线温度低30℃至100℃的温度下对铸造的坯料进行均匀化处理；

c)将均匀化的坯料在低于固相线Ts、在Ts至(Ts-45℃)且高于固溶线温度的温度下加热足够长的时间，以确保析出的共晶相完全溶解；

d)冷却，直到坯料温度达到400℃至480℃的温度，同时确保坯料表面一直不低于大致接近350℃的温度；

e)在冷却操作后的最多几十秒，将所述坯料通过模具挤出以形成至少一种挤出产品；

f)将所述挤出产品淬火至室温；

g)任选地拉伸所述挤出产品以获得通常在0.5％至5％的塑性变形；

h)对所述挤出产品进行时效处理，而不预先对挤出产品进行任何单独的挤出后固溶热处理，进行所述时效处理使得：

·来自所述挤出产品的拉伸试验样品的屈服强度Rp0.2高于240MPa，优选高于280MPa

·根据步骤a)至h)制备具有约40×55mm的总体上为矩形横截面与接近2.5mm的壁厚的空心挤出物，以评价可碎性

-当轴向压缩使得挤压距离大于初始切割型材长度的一半时，从所述挤出物上切割的碰撞试验样品产生规则折叠的表面，所述表面具有最大长度为10mm、优选5mm的裂纹

-来自所述挤出物的拉伸试验样品的屈服强度Rp0.2高于240MPa，优选高于280MPa。

2.根据权利要求1的铝合金挤出产品，其特征在于，当轴向压缩使得挤压距离大于初始切割型材长度的一半时，从具有总体上约40×55mm的矩形横截面与接近2.5mm的壁厚的空心挤出物上切割的碰撞试验样品产生规则折叠的表面，所述表面具有最大长度为5mm、优选1mm的裂纹。

3.根据权利要求1或2的铝合金挤出产品，其特征在于，时效处理h)包括两个连续步骤：

h1)对挤出产品进行自然时效最少1小时，优选多于48小时；

h2)对挤出产品进行人工时效至T6或T7状态，以获得所述碰撞性能和强度。

4.根据权利要求1至3中任一项的铝合金挤出产品，其特征在于，Mg<1.0重量％，且Si<1.0重量％。

5.根据权利要求1至4中任一项的铝合金挤出产品，其特征在于，Mg<0.7％，优选0.6重量％。

6.根据权利要求1至5中任一项的铝合金挤出产品，其特征在于，所述6xxx铝合金包含Cu：0.05-0.4重量％。

7.根据权利要求1至6中任一项的铝合金挤出产品，其特征在于，所述6xxx铝合金包含Mn：0.1-1.0重量％。

8.根据权利要求1至7中任一项的铝合金挤出产品，其特征在于，所述6xxx铝合金包含Ti：0.01-0.1重量％和/或V 0.01-0.1重量％和/或Nb 0.02-0.15重量％。

9.权利要求1至8中任一项的铝合金挤出产品用于制造汽车、轨道或运输结构组件如碰撞管理系统的用途。