CN108237147B - 车身用原位纳米颗粒增强铝基复合材料的轧制工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有色金属加工成型方法，具体为车身用原位纳米颗粒增强铝基复合材料的轧制工艺。具体的工艺为：在轧制变形之前，先将原位ZrB2纳米颗粒增强6111铝基复合材料坯锭置于箱式电阻炉中进行均匀化处理，将处理后的坯锭切头铣面，然后再次放入电阻炉中加热，保温一段时间以后转移到已预热的轧机中进行轧制加工，对轧后的复合材料进行T4P+人工时效热处理，获得合格的车身用复合材料板材。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属加工成型方法，具体为车身用原位纳米颗粒增强铝基复合材料的轧制工艺。
背景技术
近年来，世界各国燃油经济和排放量等不断严苛的标准对汽车制造业提出更高要求，汽车轻量化势在必行。由于6000系铝合金由于具有中高等强度，良好的成形性及耐蚀性，且焊接性好，烘烤后表面质量高，可进行热处理强化，因此成为目前首选的车身轻量化材料。但是6000铝合金的综合力学性能相比钢还有不足，无法完全代替钢实现车身的轻量化。铝基复合材料由于具有高强度、耐腐蚀、耐疲劳等特性，而被广大应用于航天航空、轨道交通等领域，特别是高效节能、轻型汽车部件上的应用。而原位生成颗粒相比于外加颗粒具有界面洁净、与基体结合好、热力学稳定等优点，因此原位纳米铝基纳米复合材料已成为轻量化车身领域研究的热点。
中国专利201611144480.4公开了一种铝基复合材料板材的轧制方法，该方法对平均粒径5μm的外加B4C颗粒增强铝基复合材料进行轧制，采用分段温度轧制，缩小了轧制温度和轧制速度区间，制备的铝基复合材料板材具有高强度、良好的耐腐蚀和耐疲劳性能，且能实现大尺寸板材的高效轧制。中国专利201310126296.7公开了一种合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法,该方法对平均粒径10μm的外加SiC/7075铝基复合材料进行轧制，通过改变每道次的下压量制备出抗拉强度和伸长率指标均非常优秀的高强高韧合金或金属基复合材料宽幅板材。
综上所述，轧制是有效改善复合材料的微观形貌及力学性能的重要手段之一。但是目前研究大多限于外加颗粒增强复合材料，且颗粒大小为微米级，而由于外加颗粒存在着易产生表面污染、界面结合差、易生成脆性相等缺点，在轧制过程中容易出现裂纹等缺陷，成品率低。原位颗粒增强铝基复合材料合成的颗粒具有优良的热力学稳定性、具有颗粒界面结合好、适应规模化生产等优点，但是对于原位纳米增强颗粒复合材料轧制工艺的研究较少，因此，针对原位纳米铝基复合材料的应用，急需研发一种新型的轧制处理工艺，使其获得更高综合性能和更广泛应用，具有十分重要的意义和工程价值。
发明内容
本发明的目的是提供车身用原位纳米颗粒增强铝基复合材料的轧制工艺，采用该轧制成型技术后能够提高6111颗粒增强铝基复合材料的致密度、改善颗粒分布、细化晶粒、消除显微组织缺陷，提高合金的综合力学性能。
本发明以美国广泛应用于车身的6111铝合金为基体的原位ZrB2纳米颗粒增强6111铝基复合材料为研究对象，系统的研究了其轧制变形和热处理工艺，获得车身用复合材料板材。复合材料经过轧制后，一方面由于其基体晶粒得到进一步细化，以及变形过程中的位错缠结等使位错运动受阻材料强度提高；另一方面，由于原位生成的ZrB2增强体颗粒破碎细化且更加均匀的分布在基体中，在变形过程中阻碍位错运动，提高了复合材料的变形抗力，使其强度迅速增强。但是轧制变形过程中位错缠结，基体和增强颗粒变形性能差异等造成的残余应力等使得轧制板材的延伸率大幅度降低，因此需要对变形后的材料进行进一步的热处理。经过固溶和时效处理后，轧制变形产生的残余应力基本得到了消除，所以板材塑性得到提高。同时由于峰值时效的时效强化作用，板材强度也得到进一步提高。
为了达到以上目的，具体的工艺为：在轧制变形之前，先将原位ZrB2纳米颗粒增强6111铝基复合材料坯锭置于箱式电阻炉中进行均匀化处理，将处理后的坯锭切头铣面，然后再次放入电阻炉中加热，保温一段时间以后转移到已预热的轧机中进行轧制加工，对轧后的复合材料进行T4P+人工时效热处理，获得合格的车身用复合材料板材。
所述的复合材料轧制坯锭是采用(Al-Zr-B)反应体系，在6111铝熔体直接加入反应物，在磁场作用下通过原位反应生成的ZrB2纳米颗粒增强体(粒径50-100nm)制备所得，其中增强体颗粒的体积分数为1％-5％。
所述的均匀化处理，温度为560-575℃，保温20-24h后随炉冷却。均匀化处理可使轧制坯锭的组织更加均匀，并且可以减少或消除枝晶偏析，使非平衡相回溶，同吋减少非平衡冷却时产生的内应力，从而显著提高合金的塑性，改善合金的热加工性。
所述的轧制加工采用热轧+冷轧技术，热轧为3-4道次，全程轧制温度需>300℃，在热轧过程中第一道次压下量在13％～45％，其余每道次压下量控制在6％～20％；冷轧为2-3道次，每道次变形量为10-15％；最终总变形量为80％-87％。每个热轧道次完成后均在430-460℃保温8-10min，以便消除变形抗力，为下一道次轧制做好准备，并且在热轧结束后降至室温后进行冷轧。
所述的T4P+人工时效热处理工艺为固溶淬火：温度540-550℃，保温时间2-3h，水淬；自然时效：常温放置14-15d；人工时效：温度170-180℃，保温时间20-40min，经T4P+人工时效热处理后，轧制变形产生的残余应力基本得到了消除，所以板材塑性得到提高。同时由于峰值时效的时效强化作用，板材强度也得到进一步提高。
本发明的显著效果是：
本发明提供车身用原位纳米颗粒增强铝基复合材料的轧制工艺，该方法中规定了轧制所需的坯锭状态和特征，并提供了细致的轧制方案与关键参数，从而更加准确地控制铝基复合材料板材的组织和性能，并且提高轧制效率。该方法通过热轧+冷轧的加工工艺的手段，通过可以改善材料加工变形过程中变形组织与再结晶共存的不均匀性的状态，并通过加工变形细化增强体颗粒，打破颗粒团簇使均匀分布，提高板材强度、改善板材性能、减少能耗、提高生产效率，获得可应用于车身的复合材料板材。
附图说明
以下结合附图对本发明实施方案进一步描述：以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为本发明的制备工艺流程图。
图2为本发明实施例中轧制后的微观组织。
图3为本发明实施例中纳米增强颗粒的形貌图。
图4为本发明实施例中轧制后的应力应变曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
各实例加入增强颗粒之后的6111铝合金具体成分为：Si-1.41，Mg-0.582，Cu-0.760，Fe-0.462，Mn-0.303，Zn-0.218，Ti-0.0538，Zr-2，余量为Al。
实例1：
将直接熔体法制备的ZrB2纳米颗粒增强6111基复合材料坯锭进行在560℃下保温20h的均匀化处理，随炉冷却至室温，切头铣面后重新加热至430℃开轧，轧制工艺如下：
制得获得约2mm的薄板，将薄板放入电阻炉中加热至545℃保温2h固溶水淬处理，室温放置14天后进行170℃保温20min的人工时效处理，获得车身用复合材料板材，随后测定板材的力学性能。
实例2：
轧制坯锭制备方法与实施例1中基本相同，不同之处在于，将轧制坯锭在560℃下保温24h后，随炉冷却至室温，切头铣面后重新加热至430℃开轧，轧制工艺如下：
制得获得约2mm的薄板，将薄板放入电阻炉中加热至545℃保温2h固溶水淬处理，室温放置14天后进行180℃保温20min的人工时效处理，获得车身用复合材料板材，随后测定板材的力学性能。
实例3：
轧制坯锭制备方法与实施例1中基本相同，不同之处在于，将轧制坯锭在560℃下保温20h后，随炉冷却至室温，切头铣面后重新加热至460℃开轧，轧制工艺如下：
制得获得约2mm的薄板，将薄板放入电阻炉中加热至545℃保温2h固溶水淬处理，室温放置15天后进行180℃保温30min的人工时效处理，获得车身用复合材料板材，随后测定板材的力学性能。
实例1、2、3均为6111纳米增强复合材料轧制材的制备以及轧制和轧后热处理的工艺过程，具体的机械性能见下表：
表1最终性能检测结果
综上，本发明实施例具有如下有益效果：拉伸强度、屈服强度有较大提高，延伸率很大，成形性能好，并且可以看出，实施例2材料的综合力学性能最好，因此本发明的实施例的性能指标始终体现出比基体合金更加优异的性能，并且各项机械性能可以满足汽车车身材质的要求。
Claims (3)
1.车身用原位纳米颗粒增强铝基复合材料的轧制工艺，其特征在于：在轧制变形之前，先将原位ZrB2纳米颗粒增强6111铝基复合材料坯锭置于箱式电阻炉中进行均匀化处理，将处理后的坯锭切头铣面，然后再次放入电阻炉中加热，保温一段时间以后转移到已预热的轧机中进行轧制加工，对轧后的复合材料进行T4P+人工时效热处理，获得合格的车身用复合材料板材；
所述的轧制加工采用热轧+冷轧技术，热轧为3-4道次，全程轧制温度需>300℃，在热轧过程中第一道次压下量在13％～45％，其余每道次压下量控制在6％～20％；冷轧为2-3道次，每道次变形量为10-15％；最终总变形量为80％-87％；每个热轧道次完成后均在430-460℃保温8-10min，以便消除变形抗力，为下一道次轧制做好准备，并且在热轧结束后降至室温后进行冷轧；
所述的T4P+人工时效热处理工艺为：固溶淬火：温度540-550℃，保温时间2-3h，水淬；自然时效：常温放置14-15d；人工时效：温度170-180℃，保温时间20-40min，经T4P+人工时效热处理后，轧制变形产生的残余应力基本得到了消除，所以板材塑性得到提高，同时由于峰值时效的时效强化作用，板材强度也得到进一步提高。
2.如权利要求1所述的车身用原位纳米颗粒增强铝基复合材料的轧制工艺，其特征在于：所述的复合材料轧制坯锭是采用Al-Zr-B反应体系，在6111铝熔体直接加入反应物，在磁场作用下通过原位反应生成的粒径50-100nm的ZrB2纳米颗粒增强体制备所得，其中增强体颗粒的体积分数为1％-5％。
3.如权利要求1所述的车身用原位纳米颗粒增强铝基复合材料的轧制工艺，其特征在于：所述的均匀化处理，温度为560-575℃，保温20-24h后随炉冷却；均匀化处理可使轧制坯锭的组织更加均匀，并且可以减少或消除枝晶偏析，使非平衡相回溶，同时减少非平衡冷却时产生的内应力，从而显著提高合金的塑性，改善合金的热加工性。
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Non-Patent Citations (2)
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