CN107881384A

CN107881384A - 一种高卷边、高烘烤硬化性能铝合金板材及其制备方法

Info

Publication number: CN107881384A
Application number: CN201711217322.1A
Authority: CN
Inventors: 赵丕植; 吴新星; 刘贞山; 赵经纬; 李超; 范荣辉
Original assignee: China Aluminum Material Applied Research Institute Co Ltd
Current assignee: China Aluminum Material Applied Research Institute Co Ltd
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-04-06

Abstract

本发明提供了一种高卷边、高烘烤硬化性能铝合金板材，该合金由按质量百分比计的下述组分组成：Si：0.4～0.8，Mg：0.4～1，Fe≤0.3，Cu≤0.2，Mn≤0.2，余量为Al及含量均低于0.05wt％的杂质。本发明提供的合金力学性能优异，同时具有高卷边性能和高烘烤硬化性能，适用于车身覆盖尤其是车身覆盖件外板。

Description

一种高卷边、高烘烤硬化性能铝合金板材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金，具体涉及一种汽车车身外板用高卷边、高烘烤硬化性能铝合金板材及其制备方法。

背景技术

随着汽车行业的发展，人们对汽车的安全性与轻量化提出了更高的要求。汽车的轻量化，是指在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整体质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。铝合金以其强度和刚度高、抗冲击性能良好、加工成形性优异以及极高的再回收率等特性，成为汽车轻量化最理想的材料。

6XXX系铝合金作为常用的汽车车身外板，除要求具有良好的表面质量和力学性能外，对烘烤硬化性能和卷边性能也有较高要求。高烘烤硬化性能可以保证材料在涂装烘烤过程中迅速地由供货时的低屈服强度上升至高屈服强度，保证板材的抗凹陷性能。优异的卷边性能可以保证汽车在覆盖件成形过程中，覆盖件外板以卷边方式包覆盖件内板时，材料表面无微裂纹产生。

近年来，围绕着如何提高6XXX车身板的性能进行了大量的研究。在如何提高合金烘烤硬化性能方面，有在常规6XXX系铝合金中添加Cu元素和引入新的强化相元素Zn等方法，上述两种方法的弊端在于，引入新合金元素的同时，引起T4态下合金屈服度较高，板材冲制性能较差；在如何提高合金形成性能方面，现有的技术通过调节主元素Si、Mg的含量及配比以期获得优异成形性能，但这种优异成形性能仅仅指高延展性，高r值的简单力学性能指标，并不包括卷边性能。而现有的研究均集中在板材力学性能和烘烤性能方面，未将卷边性能因素纳入考虑范畴，所制备的板材不适用于汽车覆盖件外板。

因此，需要提供一种兼具优异力学性能、烘烤硬化性能和高翻边性能的铝合金。

发明内容

本发明的目的在于克服现有6XXX系板材无法同时兼顾力学性能和卷边性能的问题，提出一种具有高卷边、高烘烤硬化性能铝合金板材及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了采用下述技术方案：

一种高卷边、高烘烤硬化性能铝合金板材，所述合金含质量百分比计的下述组分：Si：0.4～0.8，Mg：0.4～1，Fe≤0.3，Cu≤0.2，Mn≤0.2，余量为Al及含量均低于0.05wt.％的杂质。

优选的，所述合金含质量百分比计的下述组分：Si：0.8，Mg：0.4，Fe：0.21，Cu：0.1，Mn：0.09，余量为Al及含量均低于0.05wt.％的杂质。

优选的，所述合金含质量百分比计的下述组分：Si：0.75，Mg：1.0，Fe：0.2，Cu：0.1，Mn：0.12，余量为Al及含量均低于0.05wt.％的杂质。

优选的，所述合金板材的截面EBSD取向图中，Cube取向体积分数大于等于12％，S、Cu、Brass、P和R取向总体分数不超过18％。

优选的，所述EBSD测试过程中，测试区域晶粒数不少于1000个，各取向体积分数统计时取向差为12°～18°。

一种铝合金板材的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：

(1)将纯铝和中间合金的熔体精炼处理后铸造铸锭；

(2)将铸锭切头和铣面后均匀化处理；

(3)将均匀化处理后的铸锭冷却到热轧开轧温度保温，热轧后两次冷轧；

(4)500～560℃下，保温15s～30min固溶处理；

(5)于60～100℃下预时效处理2～10h，得成品铝合金板材。

优选的，所述步骤(1)中用半连续铸造设备铸造铸锭。

优选的，所述步骤(2)中在热处理炉中均匀化处理。

优选的，所述步骤(3)的两次冷轧期间的中间退火温度为400～520℃。

优选的，所述中间退火温度为400～500℃。

优选的，所述步骤(3)中两次冷轧的第二次冷轧的压下率为40～80％。

优选的，所述第二次冷轧的压下率为50％～80％。

半连续铸造设备包括变频超声系统和半连续铸造系统，所述变频超声系统包括变频超声电源、变频超声换能器、超声波导杆、超声辐射杆、超声冷却装置和精确定位装置，变频超声换能器为压电超声换能器或磁致伸缩超声换能器；所述压电超声换能器对应的超声冷却装置为气体冷却装置；所述磁致伸缩超声换能器对应的超声冷却装置为循环水冷却装置；所述变频超声换能器、超声波导杆和超声辐射杆依次设置；变频超声换能器、超声波导杆、超声辐射杆设于合金熔体内部，超声冷却装置与精确定位装置连接；所述的半连铸系统包括熔炼炉、中间包和结晶器，结晶器设于铸造平台之上，浇铸前将引锭装置置于结晶器内，熔炼炉与中间包之间通过导液管连通，熔体经结晶器后，在引锭装置顶部形成合金锭坯；在半连续铸造过程中，变频超声系统产生频率实时极速变化的变频超声场，在结晶器内熔体凝固过程中，实现全体合金熔体均处于连续变频率超声场处理之下。

所述热处理炉，包括：反应室和气氛采集构件，所述反应室具有保持被处理物的保持部；所述气氛采集构件在所述反应室内具有开口，从所述开口采集所述反应室内的气氛、所述开口与所述保持部的距离是可改变的。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的合金的平衡态较现有的6XXX系铝合金产生了更多的Mg₂Si析出相，具有比现有6XXX系铝合金更高的烘烤硬化性能，同时避免了Cu、Zn等合金元素的加入，引起T4态下合金屈服强度较高，导致板材冲制性能较差的后果。

2、本发明提供的合金对有利于卷边性能的Cube织构和不利于卷边性能的S、Cu、Brass、P和R织构体积分数进行了规定，保证了板材的高卷边性能；

3、本发明提供的制备方法严格控制制备过程中的退火温度，可以据此调节组织中粗大相和细小析出相的数量和比例，充分发挥粗大相促进再结晶进行(PSN)和细小析出相阻碍再结晶长大的双重作用，达到调节织构和晶粒尺寸的目的。

4、本发明提供的板材不仅具有优异的表面质量和力学性能，还能具有高卷边和高烘烤硬化性能，非常适用于车身覆盖件尤其是车身覆盖件外板。

附图说明

图1为汽车覆盖件卷边示意图；

图2为实施例2、5和比较例1、5开发板材卷边试样表面照片；

图3为实施例2和比较例4和6开发板材织构组分体积分数柱状图；

图4为实施例2和比较例2开发板材表面漆刷线照片；

图5为本发明所用半连续铸造设备的结构示意图；

图6为本发明所用热处理炉的结构概括图。

其中：

1：变频超声电源；2：引锭装置；3：合金锭坯；4：合金熔体；5：结晶器；6：中间包；7：熔炼炉；8：导液管；9：变频超声换能器；10：超声波导杆；11：超声辐射杆；12：涡流冷却管；13：超声架；14：主体部；14A：预热区；14B：第一加热区；14C：第二加热区；14D：第三加热区；15：隔板；16：炉底带；17：投入口；18：排出口；19：气氛采集管道；19A：开口；20：风扇；21：气氛气体供给部；22：铸锭；23：气氛分析部；24：气氛控制部。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

【化学成分组成】

按质量百分比计，本发明的6XXX系合金含：Si：0.4～0.8％，Mg：0.4～1.0％，Fe≤0.3％，Cu≤0.2％，Mn≤0.2％，其余为Al及正常杂质。

其中，0.4～0.8％的Si和0.4～1.0％的Mg为6XXX系铝合金主元素，在人工时效过程中会发生时效析出物，从而提高合金强度。与传统6016、6022等Si含量偏高、Mg含量偏低的合金不同，本发明合金降低Si含量、提高Mg含量，旨在提高合金平衡状态下Mg₂Si相含量，获得较常规6XXX系合金更高的烘烤硬化效果；

其中，0.3％以下的Fe主要与Al、Si等形成金属间化合物，Fe含量若高于0.3％则易形成粗大化合物，成为卷边等开裂的起点；

其中，0.2％以下的Cu的主要是为了保证合金的烘烤硬化效果，Cu含量高于0.2％会导致合金初始屈服强度急剧增加；

其中，0.2％以下的Mn在均匀化处理过程中Mn会促进铸锭中的长条状β相(AlFeSi)向团状α相(AlFeMnSi)转变，减少卷边过程裂纹开裂起源；但Mn元素含量过多时会导致合金铸造过程中形成粗大金属间化合物，成为卷边等开裂的起点；

【织构组分】

Cube取向：{001}<100>

S取向：{123}<634>

Cu取向：{112}<111>

Brass取向：{011}<211>

P取向：{011}<111>

R取向：{124}<211>

其中，Cube取向晶粒泰勒因子高，在卷边过程中不易产生剪切带富集，有利于卷边性能提高，而S、Cu、Brass、P和R取向晶粒则刚好相反，不利于卷边性能。高卷边性能板材的获得，必须保证板材中Cube取向晶粒体积分数不低于12％，而S、Cu、Brass、P和R取向晶粒总体积分数不超过18％。

【制备方法】

本发明提供的汽车车身用高卷边和高烘烤硬化性能铝合金板材及其制备方法的步骤如下：

铸锭：

熔化下列配比(Si：0.4～0.8，Mg：0.4～1，Fe≤0.3，Cu≤0.2，Mn≤0.2，余量为Al及正常杂质，且，杂质总量低于0.15wt.％，每种杂质元素含量低于0.05wt.％)的纯铝和各种中间合金进行，熔体经精炼处理后利用半连续铸造设备铸造出铸锭。

本发明所用半连续铸造设备可以采用图5所示的半连续铸造设备或者本领域的现有其他铸造设备。如图5所示，该半连续铸造设备包括变频超声系统和半连续铸造系统，所述变频超声系统包括变频超声电源、变频超声换能器、超声波导杆、超声辐射杆、超声冷却装置和精确定位装置，变频超声换能器为压电超声换能器或磁致伸缩超声换能器；所述压电超声换能器对应的超声冷却装置为气体冷却装置；所述磁致伸缩超声换能器对应的超声冷却装置为循环水冷却装置；所述变频超声换能器、超声波导杆和超声辐射杆依次设置；变频超声换能器、超声波导杆、超声辐射杆设于合金熔体内部，超声冷却装置与精确定位装置连接；所述的半连铸系统包括熔炼炉、中间包和结晶器，结晶器设于铸造平台之上，浇铸前将引锭装置置于结晶器内，熔炼炉与中间包之间通过导液管连通，熔体经结晶器后，在引锭装置顶部形成合金锭坯；在半连续铸造过程中，变频超声系统产生频率实时极速变化的变频超声场，在结晶器内熔体凝固过程中，实现全体合金熔体均处于连续变频率超声场处理之下。

制成成品板材：

将上述铸锭进行切头和铣面后放入热处理炉中进行500℃、保温10h的均匀化处理，完成均匀化处理后的铸锭冷却至开轧温度保温一段时间后开始热轧。将板材热轧至6mm后，进行冷轧和400～520℃高温中间退火2h获得1mm厚的冷轧板，然后再冷轧至最终成品板厚度，保证此时的冷轧压下率为40～80％；得到的冷轧板材经550℃、2min的固溶、水淬处理后进行为75℃，时间为10h的预时效处理即可获得成品板材。

其中，高温中间退火旨在调节组织中粗大Mg₂Si相和细小Mg₂Si析出相的数量和比例，充分发挥粗大相促进再结晶行核(PSN)和细小析出相阻碍再结晶晶粒长大的双重作用，达到调控织构和晶粒尺寸目的。温度低于400℃，细小析出相过多，粗大第二相PSN行核受抑制，晶粒粗化，导致卷边试样表面粗糙；温度高于520℃，粗大Mg₂Si相过多，细小Mg₂Si相过少，固溶Mg₂Si量少，导致烘烤硬化性能较差。

本发明所用热处理炉可采用图6所示的热处理炉也可用本领域的现有其他结构的热处理炉。如图6所示，该热处理炉包括：反应室和气氛采集构件，所述反应室具有保持被处理物的保持部；所述气氛采集构件在所述反应室内具有开口，从所述开口采集所述反应室内的气氛、所述开口与所述保持部的距离是可改变的。

本发明所述的汽车车身用铝合金板材，按照图1所示的结构进行卷边安装。

【铝合金板材的制备】

实施例1～6的铝合金板材分别含有0.10wt.％的Cu、≤0.05wt.％的Zn、≤0.05wt.％的Ti以及余量的Al，该合金中的其余组分及工艺参数列于下表1

表1：

对比例1～4的铝合金板材合金成分与实施例1～4的分别一一对应相同，工艺参数列于下表2：

表2：

对比例编号	第二次冷轧压下率	中间退火温度(℃)
			对比例1	450	35
对比例2	450	85
			对比例3	530	50
对比例4	360	50

对比例5～8的铝合金板材分别含有0.10wt.％的Cu、≤0.05wt.％的Zn、≤0.05wt.％的Ti以及余量的Al，该合金中的其余合金含量列于下表3，其工艺参数与实施例4相同：

表3：

编号	Si(wt.％)	Mg(wt.％)	Fe(wt.％)	Mn(wt.％)
					对比例5	1.00	0.40	0.20	0.10
对比例6	0.75	1.20	0.20	0.10
					对比例7	0.30	0.60	0.20	0.10
对比例8	0.70	0.30	0.20	0.10

【性能测试】

1、力学性能测试：

对所获得成品板材停放1个月后进行屈服强度(YS)、抗拉强度(UTS)和延伸率(EL)测试；板材经2％预拉伸+185℃×20min模拟烤漆后进行YS测试。所有力学性能测试样品沿垂直轧制方向进行取样，试样尺寸采用GB/T228的推荐的A₅₀拉伸试样，测试结果列于表4.。

2、卷边性能的评价：

从成品板材上截取长度为250mm，宽度为30mm的长条状样品进行卷边性能评价。将样品沿长度方向预拉伸10％后再截取50mm×30mm矩形试样，然后利用压头进行180°弯曲试验(保持r/t＝0.5，r为压头半径，t为板厚)，试验过程中，保证支承辊间距为3.0～3.1mm。弯曲后对外表面进行金相拍照和等级评价(1级：表面光滑、无微裂纹和连续颈缩；2级：表面轻微粗糙、无微裂纹和连续颈缩；3级：表面有微裂纹或连续颈缩；4级：表面有明显裂纹，其中1级和2级可被汽车公司接受，3级和4级不可接受)，测试结果列于表4.。

3、漆刷线强度的评价：

从成品板材上截取长度为250mm，宽度为35mm的矩形样品进行表面漆刷线和橘皮缺陷评价，样品长度方向垂直于轧制方向，宽度方向沿轧制方向。将样品沿长度方向预拉伸10％，再用320#砂石对板材表面轻微打磨，然后进行板材表面漆刷线强度评价(1级：表面无白色条纹；2级：表面有不连续白色条纹；3级：表面有连续白色条纹，其中1级和2级可被汽车公司接受，3级不可接受)，测试结果列于表4。

表4：实施例和比较例的力学性能、漆刷线等级和卷边等级

4、结论：

从表4可知，实施例1～6的板材停放1个月后屈服强度保持为90～106MPa，延伸率≥27％，满足了板材冲制要求；板材经2％预拉伸+185℃×20min模拟烤漆后，屈服强度大于210MPa，卷边性能优异，漆刷线满足市场要求。

实施例2、5和比较例1、5开发板材卷边试样表面照片如图2所示；实施例2和比较例4和6开发板材织构组分体积分数柱状图如图3所示；实施例2和比较例2开发板材表面漆刷线照片如图4所示；

在合金成分相同，制备工艺参数不同的情况下：

A、比较例1因中间退火后冷轧率过低，导致试制板材晶粒粗大，板材卷边后表面粗糙，卷边性能不满足要求；

B、比较例2因中间退火后冷轧率过高，试制板材表面漆刷线明显，不满足要求；

C、比较例3因中间退火温度过高，板材中粗大Mg₂Si过多，而细小Mg₂Si较少，导致后期固溶Mg₂Si太少，试制板材烘烤性能较差不满足要求；

D、比较例4因中间退火温度过低，板材中粗大Mg₂Si较少，而细小Mg₂Si过多，导致Cube取向晶粒体积分数不足，卷边性能差不满足要求；

在制备工艺参数相同、合金成分不相同的情况下：

比较例5、比较例6、比较例7和比较例8因试制板材中Cube或S+Cu+Brass+P+R取向晶粒体积分数不满足本发明要求，卷边性能差不满足要求；

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种高卷边、高烘烤硬化性能铝合金板材，其特征在于：所述合金含质量百分比计的下述组分：Si：0.4～0.8，Mg：0.4～1，Fe≤0.3，Cu≤0.2，Mn≤0.2，余量为Al及含量均低于0.05wt％的杂质。

2.根据权利要求1所述的铝合金板材，其特征在于：所述合金含质量百分比计的下述组分：Si：0.8，Mg：0.4，Fe：0.21，Cu：0.1，Mn：0.09，余量为Al及含量均低于0.05wt.％的杂质。

3.根据权利要求1所述的铝合金板材，其特征在于：所述合金含质量百分比计的下述组分：Si：0.75，Mg：1.0，Fe：0.2，Cu：0.1，Mn：0.12，余量为Al及含量均低于0.05wt.％的杂质。

4.根据权利要求1所述的铝合金板材，其特征在于：所述合金板材的截面EBSD取向图中，Cube取向体积分数大于等于12％，S、Cu、Brass、P和R取向总体分数不超过18％。

5.根据权利要求4所述的铝合金板材，其特征在于：所述EBSD测试过程中，测试区域晶粒数不少于1000个，各取向体积分数统计时取向差为12°～18°。

6.如权利要求1～5所述的铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

(1)将纯铝和中间合金的熔体精炼处理后铸造铸锭；

(2)将铸锭切头和铣面后均匀化处理；

(4)500～560℃下，保温15s～30min固溶处理；

(5)于60～100℃下预时效处理2～10h，得成品铝合金板材。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中用半连续铸造设备铸造铸锭。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中在热处理炉中均匀化处理。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的两次冷轧期间的中间退火温度为400～520℃。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述中间退火温度为400～500℃。

11.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中两次冷轧的第二次冷轧的压下率为40～80％。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述第二次冷轧的压下率为50％～80％。