CN108220698B - 一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法 - Google Patents

一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种汽车车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法，属于铝合金技术领域。本发明通过固液熔铸复合将高塑性和耐蚀性Al‑Mn系合金与Al‑Mg‑Si‑Cu‑Zn系合金复合，然后通过后续热加工过程调控，不仅可以实现两种金属的协调变形进而制备出一定厚度比的复合板材，而且所制备的复合板材还具有优异的成形性能，尤其弯边性能可以获得大幅度提高。该制备方法的开发，彻底解决了Al‑Mg‑Si‑Cu‑Zn系合金基体内由于部分破碎不彻底粗大富铁相残留微裂纹而影响其弯边性能提高的问题，使得该系合金板材表现出非常优异的综合性能。所开发的高成形性铝合金复合板材及其制备方法非常适合应用于汽车车身外板的制造，特别是对冲压成形性能、弯边性能以及烤漆硬化增量等均有较高要求的复杂形状零部件的制造。

Description

一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，涉及一种汽车车身外板用高成形性铝合金复合板材及其制备方法，特别针对汽车轻量化对高成形性和高烤漆硬化铝合金板材均有较高要求而开发，该复合板材的开发可以保证其能够顺利冲压典型复杂汽车零部件，且大变形量弯边后不发生开裂或起皱现象。
背景技术
近年来我国的汽车制造业发展迅猛，产销量逐年递增。但是随着汽车数量的增加，尾气排放和能源消耗等问题不容忽视。汽车铝材化被认为是解决上述问题的较好途径之一。铝合金由于具有众多优点，高比强度、高成形性、耐蚀性以及易回收等，已被认为是汽车轻量化的关键材料之一。目前各大汽车生产厂家纷纷开始探索典型汽车零部件用铝合金板材冲压成形的相关应用研究，并取得较大进展。5xxx系铝合金由于冲压成形性能优异，已被广泛应用于车身内板的制造，相关合金体系和制备技术相对较为成熟。与5xxx系合金相比，虽然6xxx系铝合金具有众多优点，如冲压成形性能好、耐蚀性好、高烤漆硬化增量等，但是由于其主要应用于车身外板的制造，实际应用过程中需要其具有更加优异的冲压成形性能和烤漆硬化增量等。因此，该系合金无论合金成分优化还是后续工艺调控仍有大量工作有待开展。近几年为了提高6xxx系铝合金的烤漆硬化增量，已有大量研究采用引入7xxx系铝合金的主合金元素Zn到6xxx系合金内的成分设计思路，以期通过引入Zn并辅以预时效工艺调控能够诱发Mg-Si和Mg-Zn双相或多相协同析出，进而大幅加快合金的时效响应速率。研究结果表明，Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金确实可以表现出优异的烤漆硬化增量。为了进一步使其兼具有优异的冲压成形性能，通过在原有合金成分基础上引入一定量不同尺寸富铁相粒子不仅可以使得合金组织细化，而且还能使其织构获得显著弱化，最终表现出较为优异的冲压成形性能。但是研究发现，由于富铁相主要通过熔铸时添加的Fe、Mn和Si等元素合成，传统熔铸方法不可避免的会在合金基体内产生粗大富铁相粒子。虽然铸态下产生的富铁相会在后续均匀化和热加工过程中发生熔断和破碎，但是不可避免的会残留破碎不彻底的粗大富铁相。这些粗大富铁相内部常残留有微裂纹，其在合金冲压成形时很容易进一步发生扩展而降低合金的冲压成形性能，尤其在弯边变形时影响最为显著，残留的微裂纹很容易诱发裂纹萌生和扩展，最终使得板材弯边变形后外表面产生开裂现象。因此，非常有必要开发新的制备工艺避免粗大富铁相的残留或者微裂纹的萌生和扩展，以便使得该Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的综合性能获得更大程度提高。
考虑到Al-Mn系合金不仅耐蚀而且具有优异的塑性，如果将其包覆在新型Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金外表面，所形成的Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn复合板材的弯边性能一定能够获得大幅度提高，同时包覆的Al-Mn系合金对整个铝合金复合板材的冲压成形性能以及耐腐蚀性能等均会有一定的促进作用。基于此，本发明首先通过固-液复合获得铸态层状复合材料，然后对其进行热加工过程调控，使其组织和织构获得合理分布，最终使得所开发出的铝合金复合板材表现出优异的冲压成形性能，尤其弯边性能获得突破性提高。本发明就是根据这一设计思想进行复合板材设计和制备工艺开发的。
发明内容
本发明为了克服现有技术不足，针对Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金内部分粗大富铁相破碎不彻底而残留的微裂纹对其弯边性能产生不利影响等问题，开发一种车身外板用高成形性铝合金复合板材及其制备方法。该复合板材的开发充分利用Al-Mn系合金兼具有优异的耐蚀性和塑性，通过固液熔铸复合使Al-Mn系合金包覆于Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金外表面，然后通过热加工过程调控复合材料内两种合金的协调变形以及组织演化等，使得复合板材厚度比、力学性能以及组织搭配均较为合适，最终所开发的Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn复合板材一定可以表现出优异的冲压成形性能以及弯边性能等。该发明铝合金复合板材适合应用于汽车车身外板的制造，特别是对冲压成性能、弯边性能以及强度等均有较高要求的复杂形状零部件的制造。
本发明通过合金成分设计、复合板材构成设计、固液复合工艺设计和优化，首先确定了最佳的合金成分以及复合工艺，然后通过对热加工过程中复合板材组织和性能演化规律的系统研究，确定了复合板材的最佳热加工工艺，最终确定了高成形性铝合金复合板材的制备方法。具体的制备工艺如下：Al-Mg-Si-Cu-Zn合金熔铸→均匀化→车床铣光外表面→预热处理→放入钢制模具内→Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金与Al-Mn系合金熔体进行固液复合→车铣复合铸锭外表面→热轧→冷轧→中间退火→冷轧→固溶处理→淬火处理→低温预时效处理→高成形性铝合金复合板材。
一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法，其特征在于复合板采用Al-Mn系和Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金进行复合，其化学成分及其质量百分比含量分别为：Al-Mn系合金为：Mg:0.05～0.13wt％，Si：0.1～0.28wt％，Cu：0.01～0.1wt％，Mn：0.4～0.5wt％，Fe：0.1～0.3wt％，Ti:0.05～0.15wt％，Zn：0.2～0.35wt％，Cr：0.02～0.1wt％，B≤0.05wt％，余量为Al，其中Fe/Mn<0.7；Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金为：Mg:0.8～1.1wt％，Si：0.9～1.3wt％，Cu：0.1～0.4wt％，Mn：0.3～0.5wt％，Fe：0.3～0.5wt％，Ti：0.05～0.15wt％，Zn：2.0～3.5wt％，Cr：0.02～0.1wt％，B≤0.05wt％，余量为Al；两种合金复合制备工艺采用如下技术路线：
1)中频感应熔炼Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，
2)双级均匀化，第一级450～490℃保温2～6h，第二级540～560℃保温15～30h，升降温速率20～50℃/h；
3)车床铣光外表面，表面粗糙度Ra25以下，然后置于535～570℃预热炉中进行5min～60min预热处理；
4)放入钢制模具内，将温度处在740～850℃的Al-Mn系合金熔体浇铸到模具内Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的侧边或者上表面进行固液复合；
5)车铣复合铸锭外表面并控制Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn合金厚度比在1:2～1:9；
6)热轧变形，开轧温度520～560℃，变形量60～95％，道次压下量30～60％；
7)冷轧，变形量30～60％，道次压下量10～30％；
8)中间退火，温度390～450℃，时间1～4h；
9)冷轧，变形量30～60％，道次压下量10～30％；
10)固溶处理，温度520～570℃，保温1min～1h，升温速率大于50℃/s；
11)淬火处理，冷却速率大于200℃/s；
12)低温预时效处理，温度60～90℃，时间1h-20h，得到高成形性铝合金复合板材。
优选地，步骤3)所述外表面铣好的Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金预热处理方式为：置于535～565℃预热炉中进行10min～40min预热处理，CO2气体保护。
优选地，步骤4)所述固液复合采用如下方式进行：将Al-Mn系合金熔化，然后待温度处在740～810℃时将其快速浇铸到模具内Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的侧边或者上表面进行固液复合。
优选地，步骤6)所述热轧变形采用开轧温度在530～560℃，热轧总变形量70～95％，道次压下量为30％～55％，终轧温度不低于300℃得到热轧板材。
优选地，步骤8)所述中间退火是以20℃/h～200℃/min的升温速率升温到390～440℃进行1～3h的退火处理，然后直接取出进行空冷。
优选地，步骤10)所述固溶处理：在530～560℃热处理炉中进行2～30min的固溶处理，试样升温速率大于60℃/s。
优选地，步骤12)所述低温预时效处理，将淬火态试样在1.5min内转移到60℃～90℃等温预时效炉中进行1～15h的等温预时效，得到具有高成形性铝合金复合板材。
通过采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：本发明的Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn复合板材不仅可以充分利用Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的高烤漆硬化增量特性、高成形性，而且还可以利用Al-Mn系合金的高塑性和高耐蚀性，最终使得所开发的复合板材兼具有上述所有优点，尤其可以解决Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金由于富铁相残留微裂纹而影响其弯边性能提高等问题，该问题的解决对于该系合金更好应用于车身外板的制造具有重要意义，进而也可有效促进汽车轻量化用铝合金板材的广泛使用。本发明合金非常适合应用于汽车车身外板用铝合金的加工和生产，以及对冲压成形性能有特定要求的其它零部件的生产使用，当然也适合应用于对铝合金成形性能、弯边性能和强度均有较高要求的其它技术行业。
附图说明
图1对比例1和实施例2,3,4对应板材弯边后外表面形貌
图2a为侧边浇铸复合示意图，图2b为复合后界面扫描组织
图3实施例2中铝合金复合材料固液复合后界面扫描组织
图4实施例2中固液复合后冷轧态扫描组织
图5实施例3中铝合金复合材料固液复合后界面扫描组织
图6实施例3中铝合金复合板材固溶淬火态扫描组织
图7实施例4中铝合金复合板材固溶淬火态扫描组织
具体实施方式
下面结合具体实施方案对本发明做进一步的补充和说明。
本发明铝合金复合板材制备工艺包括如下步骤：首先采用中频感应熔炼Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，熔炼方法如下，将纯铝全部加入坩埚并采用中频感应熔化，温度控制在780～880℃，然后先后加入Al-20wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-20wt％Fe、Al-10wt％Mn、Al-5wt％Cr和Al-19wt％Ti等中间合金，并采用大功率熔化后保温5min，然后向熔体中加入纯Zn和纯Mg，并采用大功率充分搅拌使其彻底溶化，保温5min；继续待熔体降温至740℃后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，最后在此温度保温5min后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内。为了使组织均匀，对Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金铸锭进行双级均匀化处理，具体工艺为：第一级450～490℃保温2～6h，第二级540～560℃保温15～30h，升降温速率20～50℃/h。发明合金经双级均匀化处理后，对其进行如下工艺处理：车床铣光外表面(表面粗糙度Ra25以下)→然后置于535～570℃预热炉中进行5min～60min预热处理→放入钢制模具内→将温度处在740～850℃的Al-Mn系合金熔体浇铸到模具内Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的侧边或者上表面进行固液复合→车铣复合铸锭外表面并控制Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn合金厚度比在1:2～1:9。用于制备铝合金复合材料的实施发明合金的具体化学成分见表1。
表1实施发明合金化学成分(质量百分数，wt％)
厚度比得到控制后的Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn复合材料进行如下热加工工艺调控组织和性能，热轧(开轧温度520～560℃，变形量60～95％，道次压下量30～60％)→冷轧(变形量30～60％，道次压下量10～30％)→中间退火(温度390～450℃，时间1～4h)→冷轧(变形量30～60％，道次压下量10～30％)→固溶处理(温度520～570℃，保温1min～1h，升温速率大于50℃/s)→淬火处理→低温预时效处理(温度60～120℃，时间1h-20h)→高成形性铝合金复合板材。
具体的实施方式如下：
对比例1
实施Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金直接进行熔铸、均匀化和热加加工，熔炼方法如下，将纯铝全部加入坩埚并采用中频感应熔化，温度控制在780～880℃，然后先后加入Al-20wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-20wt％Fe、Al-10wt％Mn、Al-5wt％Cr和Al-19wt％Ti等中间合金，并采用大功率熔化后保温5min，然后向熔体中加入纯Zn和纯Mg，并采用大功率充分搅拌使其彻底溶解，保温5min；继续待熔体降温至740℃后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，最后在此温度保温5min后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内。为了使组织均匀，对Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金铸锭进行双级均匀化处理，具体工艺为：第一级450～490℃保温2～6h，第二级540～560℃保温15～30h，升降温速率20～50℃/h；然后对其进行如下热加工工艺处理：热轧(开轧温度530～560℃，变形量70～95％，道次压下量30～55％)→冷轧(变形量30～60％，道次压下量10～30％)→中间退火(以20℃/h～200℃/min的升温速率升温到390～440℃进行1～3h的退火处理，然后直接取出进行空冷)→冷轧(变形量30～60％，道次压下量10～30％)→固溶处理(温度530～560℃，保温2min～30min，升温速率大于60℃/s)→淬火处理(冷却速率大于200℃/s)→低温预时效处理(将淬火态试样在1.5min内转移到60℃～100℃等温预时效炉中进行1～15h的等温预时效)→Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材。
实施例1
实施铝合金复合板材1#采用如下工艺进行：首先采用中频感应熔炼Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，熔炼方法如下，将纯铝全部加入坩埚并采用中频感应熔化，温度控制在780～880℃，然后先后加入Al-20wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-20wt％Fe、Al-10wt％Mn、Al-5wt％Cr和Al-19wt％Ti等中间合金，并采用大功率熔化后保温5min，然后向熔体中加入纯Zn和纯Mg，并采用大功率充分搅拌使其彻底溶解，保温5min；继续待熔体降温至740℃后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，最后在此温度保温5min后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内。为了使组织均匀，对Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金铸锭进行双级均匀化处理，具体工艺为：第一级450～490℃保温2～6h，第二级540～560℃保温15～30h，升降温速率20～50℃/h。发明合金经双级均匀化处理后，对其进行如下工艺处理：车床铣光外表面(表面粗糙度Ra25以下)→然后置于550℃预热炉中进行30min预热处理，无气体保护→放入钢制模具内→将温度处在845℃的Al-Mn系合金熔体浇铸到模具内Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的侧边进行固液复合→观察复合效果，复合示意图及复合界面组织如图2所示。
实施例2
实施铝合金复合板材2#采用如下工艺进行：首先采用中频感应熔炼Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，熔炼方法如下，将纯铝全部加入坩埚并采用中频感应熔化，温度控制在780～880℃，然后先后加入Al-20wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-20wt％Fe、Al-10wt％Mn、Al-5wt％Cr和Al-19wt％Ti等中间合金，并采用大功率熔化后保温5min，然后向熔体中加入纯Zn和纯Mg，并采用大功率充分搅拌使其彻底溶解，保温5min；继续待熔体降温至740℃后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，最后在此温度保温5min后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内。为了使组织均匀，对Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金铸锭进行双级均匀化处理，具体工艺为：第一级450～490℃保温2～6h，第二级540～560℃保温15～30h，升降温速率20～50℃/h。发明合金经双级均匀化处理后，对其进行如下工艺处理：车床铣光外表面(表面粗糙度Ra25以下)→然后置于550℃预热炉中进行30min预热处理，无气体保护→放入钢制模具内→将温度处在770℃的Al-Mn系合金熔体浇铸到模具内Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的上表面进行固液复合→车铣复合铸锭外表面并控制Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn合金厚度比在1:2→热轧(开轧温度530～560℃，变形量70～95％，道次压下量30～55％)→冷轧(变形量30～60％，道次压下量10～30％)→中间退火(以20℃/h～200℃/min的升温速率升温到390～440℃进行1～3h的退火处理，然后直接取出进行空冷)→冷轧(变形量30～60％，道次压下量10～30％)→固溶处理(温度530～560℃，保温2min～30min，升温速率大于60℃/s)→淬火处理(冷却速率大于200℃/s)→低温预时效处理(将淬火态试样在1.5min内转移到60℃～90℃等温预时效炉中进行1～15h的等温预时效)→高成形性铝合金复合板材。固液复合后界面如图3所示，合金冷轧态组织如图4所示，最终弯边后外表面形貌如图1所示。
实施例3
实施铝合金复合板材3#采用如下工艺进行：首先采用中频感应熔炼Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，熔炼方法如下，将纯铝全部加入坩埚并采用中频感应熔化，温度控制在780～880℃，然后先后加入Al-20wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-20wt％Fe、Al-10wt％Mn、Al-5wt％Cr和Al-19wt％Ti等中间合金，并采用大功率熔化后保温5min，然后向熔体中加入纯Zn和纯Mg，并采用大功率充分搅拌使其彻底溶解，保温5min；继续待熔体降温至740℃后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，最后在此温度保温5min后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内。为了使组织均匀，对Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金铸锭进行双级均匀化处理，具体工艺为：第一级450～490℃保温2～6h，第二级540～560℃保温15～30h，升降温速率20～50℃/h。发明合金经双级均匀化处理后，对其进行如下工艺处理：车床铣光外表面(表面粗糙度Ra25以下)→然后置于550℃预热炉中进行30min预热处理，CO2气体保护→放入钢制模具内→将温度处在770℃的Al-Mn系合金熔体浇铸到模具内Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的上表面进行固液复合→车铣复合铸锭外表面并控制Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn合金厚度比在1:2→热轧(开轧温度530～560℃，变形量70～95％，道次压下量30～55％)→冷轧(变形量30～60％，道次压下量10～30％)→中间退火(以20℃/h～200℃/min的升温速率升温到390～440℃进行1～3h的退火处理，然后直接取出进行空冷)→冷轧(变形量30～60％，道次压下量10～30％)→固溶处理(温度530～560℃，保温2min～30min，升温速率大于60℃/s)→淬火处理(冷却速率大于200℃/s)→低温预时效处理(将淬火态试样在1.5min内转移到60℃～90℃等温预时效炉中进行1～15h的等温预时效)→高成形性铝合金复合板材。固液复合后界面如图5所示，铝合金复合板材固溶淬火态组织如图6所示，最终弯边后外表面形貌如图1所示。
实施例4
实施铝合金复合板材4#采用如下工艺进行：首先采用中频感应熔炼Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，熔炼方法如下，将纯铝全部加入坩埚并采用中频感应熔化，温度控制在780～880℃，然后先后加入Al-20wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-20wt％Fe、Al-10wt％Mn、Al-5wt％Cr和Al-19wt％Ti等中间合金，并采用大功率熔化后保温5min，然后向熔体中加入纯Zn和纯Mg，并采用大功率充分搅拌使其彻底溶解，保温5min；继续待熔体降温至740℃后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，最后在此温度保温5min后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内。为了使组织均匀，对Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金铸锭进行双级均匀化处理，具体工艺为：第一级450～490℃保温2～6h，第二级540～560℃保温15～30h，升降温速率20～50℃/h。发明合金经双级均匀化处理后，对其进行如下工艺处理：车床铣光外表面(表面粗糙度Ra25以下)→然后置于550℃预热炉中进行30min预热处理，CO2气体保护→放入钢制模具内→将温度处在770℃的Al-Mn系合金熔体浇铸到模具内Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的上表面进行固液复合→车铣复合铸锭外表面并控制Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn合金厚度比在1:9→热轧(开轧温度530～560℃，变形量70～95％，道次压下量30～55％)→冷轧(变形量30～60％，道次压下量10～30％)→中间退火(以20℃/h～200℃/min的升温速率升温到390～440℃进行1～3h的退火处理，然后直接取出进行空冷)→冷轧(变形量30～60％，道次压下量10～30％)→固溶处理(温度530～560℃，保温2min～30min，升温速率大于60℃/s)→淬火处理(冷却速率大于200℃/s)→低温预时效处理(将淬火态试样在1.5min内转移到60℃～90℃等温预时效炉中进行1～15h的等温预时效)→高成形性铝合金复合板材。铝合金复合板材固溶淬火态组织如图7所示，最终弯边后外表面形貌如图1所示。
由于汽车轻量化车身外板用铝合金材料不仅要具有较好的烤漆硬化增量以保证最终的强度较高，还必须具有优异的冲压成形性能以满足不同形状零部件的冲压成形顺利完成。以往开发的Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金由于引入溶质元素Zn可以使得该系合金烤漆硬化增量获得了较大提高，而且通过进一步引入一定量的多尺度富铁相粒子还可以使其冲压成形性能较为优异，表征冲压成形性能的塑性应变比r值大于0.6，而Δr<<0.1，这为汽车轻量化用铝合金提供了重要材料保障。但是研究和应用过程中发现，由于富铁相引入是通过熔铸时添加Fe、Mn和Si元素，进而原位合成富铁相。由于铝合金传统熔铸方法凝固速率较低，富铁相很容易在铸造过程中发生偏聚长大为棒状或枝晶状形态，经过后续均匀化可以使其发生一定程度熔断，进而再辅以热加工过程调控可进一步使其发生破碎并相对均匀弥散分布于合金基体内，但是不可避免的会残留部分破碎不彻底且内部分布有一定量微裂纹的粗大富铁相，这些富铁相的存在会影响合金的成形性能，尤其弯边性能影响更为显著。如图1所示的对比例1中Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金预时效态下进行弯边变形后(r/t＝0.5)外表面出现了开裂现象。因此，针对此问题，本发明提出了在该系合金外表面包覆一层耐蚀性和塑性均较为优异的Al-Mn系合金，以使其弯边性能获得大幅度提高。由实施例1可以看出，通过侧边浇铸Al-Mn合金熔体到预热后的Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金一侧可以完全保证两种金属发生较好的复合，复合界面平直也结合效果较好(如图2所示)。如果将Al-Mn系合金熔体从预热后的Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金上表面进行浇铸，其复合效果更好，界面不仅结合良好而且发生了一定程度的互扩散(如图3所示)。对该铝合金复合材料进行热加工变形，两种金属能够相互协调变形，最终冷轧态复合板材结合非常优异，而且最初设计的厚度比通过热加工调控完全可以保持基本不变(如图4所示)。对其进一步进行固溶处理和预时效处理后，该铝合金复合板材表现出非常优异的弯边性能，原先在Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金外表面观察到的开裂现象彻底得到抑制，外表面光洁平整完全可以满足汽车生产厂家的应用要求(如图1所示)。此外，由于Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金预热过程中很容易发生氧化，如果对其进行一定的CO2气体保护，其预热过程中的氧化可以得到控制。通过实施例3的进行，其固液复合后的界面变得更加优异，界面结合良好且组织均匀性很好(如图5所示)。进一步对其进行热加工和固溶处理后，Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金发生了完全再结晶，但是Al-Mn系合金由于基体内分布有大量的纳米Al6Mn粒子可以对再结晶产生显著的阻碍作用，仅观察到了再结晶亚晶组织，而且晶粒呈拉长状形态(如图6所示)，这对于裂纹萌生和扩展具有非常有效的抑制作用。因此该预时效铝合金复合板材经弯边变形后(r/t＝0.5)，其外表面无任何微裂纹且非常光洁，同样可以很好满足实际应用需求(如图1所示)。最后，由于Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn复合板材的厚度比变化对其强度有较大影响，实际应用过程中均期望所开发的复合板材能够保证最佳弯边性能的同时，其强度能够尽可能的高。所以本发明还将Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn复合板材的厚度比降低到1/9(如实施例4)。通过实施例4的实施，发现铝合金复合板材热加工过程中同样可以很好进行协调变形，界面结合优异，而且固溶淬火态组织同样显示Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金发生了完全再结晶，此时，由于Al-Mn系合金厚度较薄，部分Zn元素扩散进入该系合金，所以热加工时应变储能相对较大，固溶淬火后同样发生了再结晶，不过其晶粒形态同样为拉长状(如图7所示)。进一步对预时效态该复合板材弯边变形，可以发现其弯边性能仍然十分优异，外表面光洁可以满足实际应用需求(如图1所示)。由此可见，该发明提出的在Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金外表面包覆一层耐蚀性和高塑性的Al-Mn系合金可以完全实现提高其成形性能的目的，尤其其弯边性能可以获得显著提高。
综上所述，本发明通过成分设计、固液复合工艺设计和优化，以及后续加工和热处理工艺合理调控，最终使得铝合金复合板材界面结合优异且组织控制合理，预时效态铝合金复合板材表现出优异的成形性能，尤其其弯边性能比单纯的Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材提高很多，完全可以满足实际应用需求。因此，本发明合金和工艺不仅非常适合应用于汽车车身外板用铝合金的制造，从而加快汽车轻量化进程，而且对于其他领域用高强度和高成形性铝合金的开发、加工和应用也具有一定的指导意义，值得汽车生产厂家和铝合金加工企业对此发明合金和相关的制备工艺加以重视，使其尽早能够在这一领域得到推广和应用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法，其特征在于复合板采用Al-Mn系和Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金进行复合，其化学成分及其质量百分比含量分别为：Al-Mn系合金为：Mg:0.05～0.13wt％，Si：0.1～0.28wt％，Cu：0.01～0.1wt％，Mn：0.4～0.5wt％，Fe：0.1～0.3wt％，Ti:0.05～0.15wt％，Zn：0.2～0.35wt％，Cr：0.02～0.1wt％，B≤0.05wt％，余量为Al，其中Fe/Mn<0.7；Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金为：Mg:0.8～1.1wt％，Si：0.9～1.3wt％，Cu：0.1～0.4wt％，Mn：0.3～0.5wt％，Fe：0.3～0.5wt％，Ti：0.05～0.15wt％，Zn：2.0～3.5wt％，Cr：0.02～0.1wt％，B≤0.05wt％，余量为Al；两种合金复合制备工艺采用如下技术路线：
1)中频感应熔炼Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，
2)双级均匀化，第一级450～490℃保温2～6h，第二级540～560℃保温15～30h，升降温速率20～50℃/h；
3)车床铣光外表面，表面粗糙度Ra25以下，然后置于535～570℃预热炉中进行5min～60min预热处理；
4)放入钢制模具内，将温度处在740～850℃的Al-Mn系合金熔体浇铸到模具内Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的侧边或者上表面进行固液复合；
5)车铣复合铸锭外表面并控制Al-Mn/Al-Mg-Si-Cu-Zn合金厚度比在1:2～1:9；
6)热轧变形，开轧温度520～560℃，变形量60～95％，道次压下量30～60％；
7)冷轧，变形量30～60％，道次压下量10～30％；
8)中间退火，温度390～450℃，时间1～4h；
9)冷轧，变形量30～60％，道次压下量10～30％；
10)固溶处理，温度520～570℃，保温1min～1h，升温速率大于50℃/s；
11)淬火处理，冷却速率大于200℃/s；
12)低温预时效处理，温度60～90℃，时间1h-20h，得到高成形性铝合金复合板材。
2.如权利要求1所述的一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法,其特征在于：步骤3)所述外表面铣好的Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金预热处理方式为：置于535～565℃预热炉中进行10min～40min预热处理，CO2气体保护。
3.如权利要求1所述的一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法,其特征在于：步骤4)所述固液复合采用如下方式进行：将Al-Mn系合金熔化，然后待温度处在740～810℃时将其快速浇铸到模具内Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的侧边或者上表面进行固液复合。
4.如权利要求1所述的一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法,其特征在于：步骤6)所述热轧变形采用开轧温度在530～560℃，热轧总变形量70～95％，道次压下量为30％～55％，终轧温度不低于300℃得到热轧板材。
5.如权利要求1所述的一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法,其特征在于：步骤8)所述中间退火是以20℃/h～200℃/min的升温速率升温到390～440℃进行1～3h的退火处理，然后直接取出进行空冷。
6.如权利要求1所述的一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法,其特征在于：步骤10)所述固溶处理：在530～560℃热处理炉中进行2～30min的固溶处理，试样升温速率大于60℃/s。
7.如权利要求1所述的一种车身外板用高成形性铝合金复合板材的制备方法,其特征在于：步骤12)所述低温预时效处理，将淬火态试样在1.5min内转移到60℃～90℃等温预时效炉中进行1～15h的等温预时效，得到具有高成形性铝合金复合板材。
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