CN109468502A - 一种抗冲击吸能特性的铝合金挤压材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抗冲击吸能特性的铝合金挤压材及其制造方法，所述铝合金属于Al‑Mg‑Si‑Mn系合金，含有主合金元素Mg、Si、Mn和微量元素Cr、Er、La、Sr、Ti、B，其制造方法包括熔炼配制铝合金液、炉内喷吹精炼、在线细化变质、在线除气过滤、半连续铸造、铸锭均匀化、加热挤压、在线淬火和人工时效。本发明通过细化变质针状β‑富Fe相和过剩Si相，使其转变为细小均匀的颗粒状并弥散分布在α‑Al基体，消除针状富Fe相和过剩Si相对强度和塑性的危害。通过形成多元共格弥散相质点抑制再结晶和晶粒长大，使铝合金挤压材保持细小纤维晶组织，提高冲击韧性和抗腐蚀性能。本发明铝合金挤压材具有优异的抗冲击吸能效果，适合于制造受冲击碰撞的吸能构件。

Description

一种抗冲击吸能特性的铝合金挤压材及其制造方法
技术领域
本发明属于铝合金加工技术领域，具体是涉及一种抗冲击吸能特性的铝合金挤压材及其制造方法。
背景技术
汽车轻量化是在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的重量，提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。轻量化是实现汽车节能减排的重要措施之一，对汽车工业的可持续发展具有重要意义。铝合金具有密度低、比强度高、可回收利用等优点，是目前汽车轻量化的首选材料，近年来在汽车上的应用日益扩大。
保险杠是安装在汽车前后部位用于吸收和缓和外界冲击力、防护车身前后的重要安全装置，是汽车发生碰撞事故时首先接触的部件。保险杠由防撞梁和吸能盒组成，防撞梁的两端连接吸能盒，然后再通过螺栓连接在车体的纵梁上。当汽车发生低速碰撞时，防撞梁将碰撞能量传递至两端的吸能盒，防撞梁和吸能盒通过塑性变形吸收碰撞能量，减小撞击力对车身纵梁的损害，对车辆起到保护作用，降低车辆的维修成本。当汽车发生高速碰撞，特别是高速偏置碰撞时，防撞梁将撞击力传递到车身纵梁，尽可能让整个车体去吸收碰撞能量，以保护驾乘人员的安全。
保险杠是通过自身的弹塑性变形将碰撞能量转化为内能，吸收缓和外界冲击力，达到降低车速、保护驾车人员和车身安全的目的。因此，保险杠对铝合金的综合性能要求较高，首先必须具有较高的强度，但强度也不能太高，强度必须与车身设计相匹配。其次必须具有良好的塑性和冲击韧性，当遭受碰撞冲击时，保险杠能迅速发生塑性变形并延迟断裂破碎，以提高抗冲击吸能效果。另外，生产中需要将防撞梁弯曲加工成弧形，使防撞梁的形状与车辆前后形状相匹配，这要求铝合金具有良好的弯曲加工性能和抗应力腐蚀开裂性能。生产中还需要将防撞梁与吸能盒进行焊接组装，因而还要求铝合金具有良好的焊接性能。
Al-Mg-Si-Mn系铝合金是可热处理强化的中高铝合金，具有良好的焊接性能、耐腐蚀性能和弯曲加工性能，广泛用于汽车、轨道车辆、船舶、飞机等交通运输工具。但用于制造汽车保险杠的防撞梁和吸能盒时，现有Al-Mg-Si-Mn系铝合金的塑性、冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能仍显不足，在汽车遭受严酷环境下的高速碰撞时，铝合金防撞梁和吸能盒容易断裂破碎，抗冲击吸能效果大幅下降，对汽车和驾乘人员的安全无法起到有效的保护作用。因此，现有Al-Mg-Si-Mn系铝合金及其制造方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种以Al-Mg-Si-Mn系铝合金为基础，通过优化合金成分组成，获得较高的抗拉强度、屈服强度和塑性以及优异的冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能，抗冲击吸能效果更好的铝合金挤压材及其制造方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述抗冲击吸能特性的铝合金挤压材，其特点是：该铝合金挤压材由以下质量百分比的成分组成：Mg 0.6～0.9％，Si 0.9～1.1％，Mn 0.4～0.6％，Cr 0.15～0.3％，Er 0.05～0.1％，La 0.1～0.2％，Sr 0.05～0.1％，Ti 0.01～0.02％，B 0.002～0.004％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的其它杂质，其中，Cr与Er的质量比为3:1，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
本发明所述抗冲击吸能特性的铝合金挤压材的制备方法，其特点是包括以下步骤：
第一步：按照所述铝合金挤压材的成分组成及质量百分比，选用牌号Al99.70的铝锭、牌号Mg9980的镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金、AlLa10合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在740～760℃加热熔化，然后加入镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金和AlLa10合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度≥99.9％的氮气和占原材料总重量为0.3～0.5％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10～20分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置20～40分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为150～200转/分钟、氩气流量为0.6～1立方米/小时的除气机和孔隙率为40～60ppi的泡沫陶瓷过滤板，进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度690～710℃、铸造速度80～120毫米/分钟、冷却水压力0.4～0.6MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将铝合金圆棒先加热至350～360℃保温1～2小时，接着继续升温到570～580℃保温4～5小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将铝合金圆棒先加热至505～515℃，然后在模具温度360～380℃、挤压筒温度320～330℃、挤压速度为8～12米/分钟条件下将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压材，然后将铝合金挤压材穿水冷却至室温；
第九步：将铝合金挤压材先加热至155～165℃保温2～3小时，然后再继续升温至195～205℃保温3～4小时进行时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压材。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明通过优化设计Mg、Si、Mn主合金元素的含量，确保铝合金挤压材的强度大于330MPa，又不高于370MPa，满足防撞梁和吸能盒对铝合金挤压材的强度的要求；
(2)本发明通过添加微量Sr和La元素分别对针状β-Fe富铁相和过剩单质Si相进行细化变质，使其转变为细小颗粒状或短棒状，并弥散分布在α-Al基体上，消除针状β-Fe富铁相和过剩单质Si相对铝合金挤压材塑性和韧性的危害，提高铝合金挤压材的塑性和韧性；
(3)本发明通过优化设计Cr和Er的成分范围和配比，形成Cr和Er的多元共格弥散相质点阻碍晶界、亚晶界的迁移，抑制再结晶和晶粒长大，使铝合金挤压材沿挤压方向上保持细小纤维晶粒组织，提高铝合金挤压材的冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能；
(4)本发明铝合金挤压材的抗拉强度为330～370MPa，屈服强度为310～350MPa，伸长率为15～20％，冲击韧性值大于30J·cm2，抗应力腐蚀开裂试验大于50天，具有较高的抗拉强度、屈服强度和塑性，优异的冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能，有效提升了铝合金挤压材的抗冲击吸能效果。
附图说明
图1为实施例1铝合金挤压材试样静态压缩后的形貌图。
图2为对比例1铝合金挤压材试样静态压缩后的形貌图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例和对比例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所述抗冲击吸能特性的铝合金挤压材，由以下质量百分比的成分组成：Mg0.6～0.9％，Si 0.9～1.1％，Mn 0.4～0.6％，Cr 0.15～0.3％，Er 0.05～0.1％，La0.1～0.2％，Sr 0.05～0.1％，Ti 0.01～0.02％，B 0.002～0.004％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的其它杂质，其中，Cr与Er的质量比为3:1，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
Mg是铝合金挤压材的主要合金元素之一，Mg在铝合金中的固溶度较大，可通过固溶强化提高铝合金挤压材的强度。Mg与Si还会形成Mg2Si强化相增强铝合金挤压材的强度。Mg含量越高，铝合金挤压材的强度越高。Mg含量低于0.6％时，铝合金挤压材的强度太低，抗拉强度达不到330MPa，Mg含量大于0.9％时，铝合金挤压材的强度太高，抗拉强度超过370MPa，均满足不了汽车防撞梁和吸能盒的要求。当Mg含量为0.6～0.9％时，铝合金挤压材的抗拉强度为330～370MPa，满足汽车防撞梁和吸能盒的要求，即强度既不能太高又不能太低的要求。因此，Mg含量选择为0.6～0.9％。
Si是铝合金挤压材的主要合金元素之一，Si与Mg可形成Mg2Si强化相增强铝合金挤压材的强度。Mg2Si强化相中Mg与Si的质量比为1.73。本发明铝合金挤压材中Mg与Si的质量比小于1.73，因此，Si除了形成Mg2Si强化相外，还有较多过剩的单质Si相，当过剩的单质Si相呈细小颗粒状弥散分布在铝合金挤压材中时，同样有利于增强铝合金挤压材的强度。当Si含量低于0.9％时，铝合金挤压材的抗拉强度达不到330MPa，当Si含量大于1.1％时，铝合金挤压材的抗拉强度会超过370MPa均满足不了汽车防撞梁和吸能盒的要求。当Si含量为0.9～1.1％时，铝合金挤压材的抗拉强度为330～370MPa，满足汽车防撞梁和吸能盒的要求。因此，Si含量选择为0.9～1.1％。
Mn是铝合金挤压材的主要合金元素之一，Mn在铝合金中的固溶度较大，通过固溶强化可以提高铝合金挤压材的强度。Mn在铝合金中还可与Al形成MnAl6化合物弥散粒子，并分布在晶界上，对铝合金型材的再结晶起到阻碍作用，提高铝合金的再结晶温度，不仅有利于铝合金挤压材获得纤维晶组织，更重要的还有利于抑制焊接接头晶粒的长大，提高铝合金的焊接性能。MnAl6还能溶解杂质元素Fe，形成FeMnAl6相，消除部分杂质元素Fe的有害影响。但Mn含量也不宜太高，否者容易形成粗大的MnAl6化合物，并产生严重的偏析，反而会恶化铝合金挤压材的力学性能，因此，Mn含量选择为0.4～0.6％。
微量的Cr和Er在铝合金挤压材中主要作用是抑制再结晶和晶粒长大，使铝合金挤压材获得纤维晶组织。发明人通过大量实验研究发现，使铝合金挤压材保持挤压加工态的细小纤维晶组织，可以显著提高铝合金挤压材的冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能。Cr和Er在铝合金中可分别形成与铝基体共格的弥散相，弥散分布在铝基体上能阻碍晶界和亚晶界的迁移，抑制铝合金再结晶和晶粒长大。分别添加Cr或Er，虽然对铝合金再结晶和晶粒长大都有抑制作用，但都无法使铝合金挤压材完全保持细小纤维晶组织，只能获得由部分再结晶组织和部分纤维晶组织共同组成的混合晶组织，这使铝合金挤压材冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能的提高仍然受到极大的限制。发明人通过大量实验研究发现，而当复合添加0.15～0.3％的Cr和0.05～0.1％的Er，且Cr与Er的质量比为3:1时，通过形成Cr和Er的多元铝化物共格弥散相质点，可以完全抑制铝合金再结晶和晶粒长大，确保铝合金挤压材沿挤压方向获得细小纤维晶组织，显著提高铝合金挤压材的冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能。当Cr和Er的含量范围不在上述范围时或者Cr与Er的质量比不是3:1时，都不能使铝合金挤压材沿挤压方向获得完全的细小纤维晶组织，只能获得由再结晶组织和纤维晶组织共同构成的混合晶组织。因此，Cr含量选择为0.15～0.3％，Er含量选择为0.05～0.1％，且Cr与Er的质量比为3:1。
微量的La元素在铝合金挤压材中主要作用是细化变质过剩Si相。本发明铝合金挤压材的Si含量较高，Mg与Si的质量比小于1.73，Si除了形成Mg2Si强化相外，还有较多的过剩单质Si，过剩的单质Si通常呈针片状形式存在于铝合金中，这些针片状单质Si相为硬脆相，会严重割裂铝合金基体，降低铝合金挤压材的强度，特别是塑性和韧性。为了解决这个问题，发明人通过大量实验研究发现，通过在铝合金中添加0.1～0.2％的La元素，对针片状单质Si相具有显著的细化变质作用，可以使针片状单质Si相转变为细小均匀的颗粒状并弥散分布在铝合金基体上，不仅可以增强铝合金挤压材的强度，同时还能消除改善针片状单质Si相对铝合金挤压材塑性和韧性的危害。La含量低于0.1％，无法完全细化变质针片状的单质Si相。因此，La含量选择为0.1～0.2％。
微量的Sr元素在铝合金挤压材中的主要作用是细化变质针状β-Fe富铁相。Fe是铝锭中不可避免的杂质元素，在铝合金中通常以细长的针状β-Fe富铁相形式存在于铝合金中，如FeAl3、FeSiAl3、FeMnAl6等，这些针状β-Fe富铁相为硬脆相，会严重割裂铝合金基体，成为断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，显著降低铝合金的塑性和韧性。另外，这些β-Fe富铁相还会与铝基体形成微电偶腐蚀，降低铝合金的抗腐蚀性能。发明人通过大量实验研究发现，添加0.05～0.1％的Sr，对针状β-Fe富铁相具有显著有细化变质作用，可使β-Fe富铁相从细长针状转变为细小颗粒状或短棒状，并均匀弥散分布在铝合金基体上，不仅可以提高铝合金挤压材的强度，还能消除针状β-Fe富铁相对铝合金挤压材塑性、韧性和抗腐蚀性能的有害影响，显著提高铝合金挤压材的塑性和韧性。Sr含量小于0.05％，无法完全细化变质针状β-Fe富铁相。但Sr含量也不宜超过0.1％，否者容易形成粗大的含Sr金属间化合物，恶化铝合金的力学性能。因此，Sr含量选择为0.05～0.1％。
Ti和B是以AlTi5B1合金杆的形式在线加入到铝合金液中，主要作用是细化铝合金圆棒的晶粒组织，改善铝合金圆棒的组织均匀性，提高铝合金圆棒的挤压加工性能。添加0.2～0.4％的AlTi5B1合金杆，铝合金挤压材中含有0.01～0.02％的Ti，0.002～0.004％的B，可将铝合金圆棒的组织细化为细小均匀的等轴晶，显著改善铝合金圆棒的组织均匀性，提高铝合金圆棒的挤压加工性能。
本发明所述抗冲击吸能特性优异的铝合金挤压材的制造方法，包括以下步骤：
第一步：按照所述铝合金挤压材的成分组成及质量百分比，选用牌号Al99.70的铝锭、牌号Mg9980的镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金、AlLa10合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
所述牌号Al99.70的铝锭是指铝含量不低于99.7％的铝锭。Fe是铝锭、镁锭和其它中间合金中不可避免的杂质元素，在铝合金中通常以针状FeAl3、FeSiAl3、FeMnAl6等针状β-Fe富铁相形式存在于铝合金中，这些针状β-Fe富铁相为硬脆相，会严重割裂铝合金基体，降低铝合金的塑性和韧性。另外，这些针状β-Fe富铁相还会与铝基体形成微电偶腐蚀，降低铝合金的抗腐蚀性能。因此，需要严格控制铝合金中Fe的含量。本发明通过选用铝含量不低于99.7％的铝锭作为主要原材料，控制Fe含量≤0.15％，再结合后续的细化变质处理和均匀化处理，可以消除Fe杂质元素的对铝合金挤压材塑性、韧性和抗腐蚀性能的有害影响。铝锭的纯度越高，铝合金中Fe的含量也越低，越有利于铝合金挤压材塑性、韧性和和抗腐蚀性能的提高。但铝锭的纯度越高，价格也越贵，相应的会大幅度增加铝合金挤压材的生产成本。因此，优选为牌号Al99.70的铝锭；
第二步：将铝锭在740～760℃加热熔化，然后加入镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金和AlLa10合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度≥99.9％的氮气和占原材料总重量为0.3～0.5％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10～20分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置20～40分钟；
所述无钠精炼剂是指不含NaCl、NaF、Na2CO3等钠盐的精炼剂，这是铝合金熔铸领域技术人员的公知常识。Na在铝合金中几乎不溶解，最大固溶度小于0.0025％，并且Na的熔点低，仅为97.8℃。当采用传统含Na盐的精炼剂对铝合金液进行精炼时，会使铝合金液中残留Na元素，在铝合金液凝固过程中，Na吸附在铝枝晶表面或晶界上，在铝合金热加工和服役使用过程中，晶界上的Na形成液态吸附层，使铝合金挤压材产生脆性开裂，即“钠脆”。因此，本发明选用不含NaCl、NaF、Na2CO3等钠盐的精炼剂对铝合金液进行精炼，避免“钠脆”而降低铝合金挤压材的强度和韧性；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
加入AlSr5合金杆主要作用是引入Sr元素，细化变质针状β-Fe富铁相。添加Sr元素容易导致铝合金液吸气，因此，以AlSr5合金杆在流槽在线加入形式引入Sr元素，铝合金液经在线除气过滤后立即进行半连续铸造，可以避免添加Sr元素引起铝合金液吸气问题；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为150～200转/分钟、氩气流量为0.6～1立方米/小时的除气机和孔隙率为40～60ppi的泡沫陶瓷过滤板，进行在线除气过滤处理；
气孔和夹杂是铝合金的常见缺陷，这些缺陷也是铝合金断裂的裂纹源和被腐蚀的起点。为了确保能够获得高性能的铝合金挤压材，本发明首先对炉内铝合金液进行喷吹精炼除气除杂，然后再将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理，对铝合金进行深度净化，使铝合金的气含量低于0.12毫升/100克铝，夹杂物含量低于0.15平方毫米/千克铝，确保铝合金挤压材能够获得高强度、高塑性、高韧性以及优异的抗腐蚀性能；
第六步：将铝合金液在铸造温度690～710℃、铸造速度80～120毫米/分钟、冷却水压力0.4～0.6MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将铝合金圆棒先加热至350～360℃保温1～2小时，接着继续升温到570～580℃保温4～5小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
均匀化处理的目的是消除圆棒内部Mg、Si、Mn等合金元素的宏微观偏析，使粗大金属间化合物尽可能充分熔解。申请人通过大量实验研究后发现，将铝合金圆棒先加热至350～360℃保温1～2小时，接着继续升温到570～580℃保温4～5小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温，才能完全彻底消除圆棒内部Mg、Si、Mn等合金元素的宏微观偏析，使粗大金属间化合物充分熔解，消除粗大金属间化合物对铝合金力学性能和抗腐蚀性能的有害影响；
第八步：将铝合金圆棒先加热至505～515℃，然后在模具温度360～380℃、挤压筒温度320～330℃、挤压速度为8～12米/分钟条件下将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压材，然后将铝合金挤压材穿水冷却至室温；
抑制铝合金挤压材再结晶和晶粒长大，使铝合金挤压材沿挤压方向获得细小纤维晶组织，可以显著提高铝合金挤压材的冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能。发明人通过对本发明铝合金的挤压工艺进行系统研究后发现，将铝合金圆棒先加热至505～515℃，然后在模具温度360～380℃、挤压筒温度320～330℃、挤压速度为8～12米/分钟条件下将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压材，然后将铝合金挤压材穿水冷却至室温，可以完全抑制再结晶和晶粒长大，确保铝合金挤压材沿挤压方向获得细小纤维晶组织。如果挤压工艺参数不在上述匹配范围内，都可能诱发铝合金挤压材发生再结晶，只能得到由再结晶组织和纤维晶组织共同构成的混合晶组织；
第九步：将铝合金挤压材先加热至155～165℃保温2～3小时，然后再继续升温至195～205℃保温3～4小时进行时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压材。
铝合金挤压材的时效工艺会直接影响到Mg2Si强化相的形态、大小和分布，并最终影响到铝合金挤压材的强度、冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能。现有技术通常采用单级峰值时效工艺对Al-Mg-Si-Mn系铝合金进行时效处理，虽然可以获得最高的强度，但会大幅度牺牲铝合金的塑性、韧性和抗应力腐蚀开裂性能。发明人对本发明铝合金挤压材的时效工艺进行系统研究后发现，采用双级时效工艺，即铝合金挤压材先加热至155～165℃保温2～3小时，然后再继续升温至195～205℃保温3～4小时进行时效处理，铝合金挤压材既可以获得所需要的强度，同时又具有优异的冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能。如果时效温度和时效时间不在上述匹配范围内，铝合金挤压材都会出现欠时效或者过时效，铝合金挤压材无法获得期望的强度、冲击韧性和抗应力腐蚀开裂性能。
实施例1：
铝合金挤压材由以下质量百分比的成分组成：Mg 0.8％，Si 1.0％，Mn 0.5％，Cr0.21％，Er 0.07％，La 0.15％，Sr 0.08％，Ti 0.015％，B 0.003％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；其制造方法包括以下步骤：
第一步：按照所述铝合金挤压材的成分组成及质量百分比，选用牌号Al99.70的铝锭、牌号Mg9980的镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金、AlLa10合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在750℃加热熔化，然后加入镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金和AlLa10合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量为0.4％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼15分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置30分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为180转/分钟、氩气流量为0.8立方米/小时的除气机和孔隙率为50ppi的泡沫陶瓷过滤板，进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度700℃、铸造速度90毫米/分钟、冷却水压力0.5MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将铝合金圆棒先加热至355℃保温1.5小时，接着继续升温到575℃保温4.5小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将铝合金圆棒先加热至510℃，然后在模具温度370℃、挤压筒温度325℃、挤压速度为10米/分钟条件下将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压材，然后将铝合金挤压材穿水冷却至室温；
第九步：将铝合金挤压材先加热至160℃保温2.5小时，然后再继续升温至200℃保温3.5小时进行时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压材。
实施例2：
铝合金挤压材由以下质量百分比的成分组成：Mg 0.6％，Si 1.1％，Mn 0.4％，Cr0.3％，Er 0.1％，La 0.1％，Sr 0.1％，Ti 0.01％，B 0.002％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；其制造方法包括以下步骤：
第一步：按照所述铝合金挤压材的成分组成及质量百分比，选用牌号Al99.70的铝锭、牌号Mg9980的镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金、AlLa10合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在760℃加热熔化，然后加入镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金和AlLa10合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量为0.3％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼20分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置40分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为150转/分钟、氩气流量为1立方米/小时的除气机和孔隙率为40ppi的泡沫陶瓷过滤板，进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度710℃、铸造速度80毫米/分钟、冷却水压力0.6MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将铝合金圆棒先加热至350℃保温2小时，接着继续升温到580℃保温4小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将铝合金圆棒先加热至515℃，然后在模具温度360℃、挤压筒温度330℃、挤压速度为12米/分钟条件下将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压材，然后将铝合金挤压材穿水冷却至室温；
第九步：将铝合金挤压材先加热至155℃保温3小时，然后再继续升温至205℃保温3小时进行时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压材。
实施例3：
铝合金挤压材由以下质量百分比的成分组成：Mg 0.9％，Si 0.9％，Mn 0.6％，Cr0.15％，Er 0.05％，La 0.2％，Sr 0.05％，Ti 0.02％，B 0.004％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；其制造方法包括以下步骤：
第一步：按照所述铝合金挤压材的成分组成及质量百分比，选用牌号Al99.70的铝锭、牌号Mg9980的镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金、AlLa10合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在740℃加热熔化，然后加入镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金和AlLa10合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量为0.5％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置20分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为200转/分钟、氩气流量为0.6立方米/小时的除气机和孔隙率为60ppi的泡沫陶瓷过滤板，进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度690℃、铸造速度120毫米/分钟、冷却水压力0.4MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将铝合金圆棒先加热至360℃保温1小时，接着继续升温到570℃保温5小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将铝合金圆棒先加热至505℃，然后在模具温度380℃、挤压筒温度320℃、挤压速度为8米/分钟条件下将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压材，然后将铝合金挤压材穿水冷却至室温；
第九步：将铝合金挤压材先加热至165℃保温2小时，然后再继续升温至195℃保温4小时进行时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压材。
对比例1：
铝合金挤压材由以下质量百分比的成分组成：Mg 0.8％，Si 1.0％，Mn 0.5％，Cr0.21％，Er 0.07％，La 0.15％，Ti 0.015％，B 0.003％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；其制造方法包括以下步骤：
第一步：按照所述铝合金挤压材的成分组成及质量百分比，选用牌号Al99.70的铝锭、牌号Mg9980的镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金、AlLa10合金和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在750℃加热熔化，然后加入镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金和AlLa10合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量为0.4％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼15分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置30分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为180转/分钟、氩气流量为0.8立方米/小时的除气机和孔隙率为50ppi的泡沫陶瓷过滤板，进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度700℃、铸造速度90毫米/分钟、冷却水压力0.5MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将铝合金圆棒先加热至355℃保温1.5小时，接着继续升温到575℃保温4.5小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将铝合金圆棒先加热至510℃，然后在模具温度370℃、挤压筒温度325℃、挤压速度为10米/分钟条件下将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压材，然后将铝合金挤压材穿水冷却至室温；
第九步：将铝合金挤压材先加热至160℃保温2.5小时，然后再继续升温至200℃保温3.5小时进行时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压材。
对比例2：
铝合金挤压材由以下质量百分比的成分组成：Mg 0.6％，Si 1.1％，Mn 0.4％，Cr0.3％，Er 0.1％，Sr 0.1％，Ti 0.01％，B 0.002％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；其制造方法包括以下步骤：
第一步：按照所述铝合金挤压材的成分组成及质量百分比，选用牌号Al99.70的铝锭、牌号Mg9980的镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在760℃加热熔化，然后加入镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金和AlLa10合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量为0.3％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼20分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置40分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为150转/分钟、氩气流量为1立方米/小时的除气机和孔隙率为40ppi的泡沫陶瓷过滤板，进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度710℃、铸造速度80毫米/分钟、冷却水压力0.6MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将铝合金圆棒先加热至350℃保温2小时，接着继续升温到580℃保温4小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将铝合金圆棒先加热至515℃，然后在模具温度360℃、挤压筒温度330℃、挤压速度为12米/分钟条件下将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压材，然后将铝合金挤压材穿水冷却至室温；
第九步：将铝合金挤压材先加热至155℃保温3小时，然后再继续升温至205℃保温3小时进行时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压材。
对比例3：
铝合金挤压材由以下质量百分比的成分组成：Mg 0.9％，Si 0.9％，Mn 0.6％，Cr0.15％，Er 0.1％，La 0.2％，Sr 0.05％，Ti 0.02％，B 0.004％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；其制造方法包括以下步骤：
第一步：按照所述铝合金挤压材的成分组成及质量百分比，选用牌号Al99.70的铝锭、牌号Mg9980的镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金、AlLa10合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在740℃加热熔化，然后加入镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金和AlLa10合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量为0.5％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置20分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为200转/分钟、氩气流量为0.6立方米/小时的除气机和孔隙率为60ppi的泡沫陶瓷过滤板，进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度690℃、铸造速度120毫米/分钟、冷却水压力0.4MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将铝合金圆棒先加热至360℃保温1小时，接着继续升温到570℃保温5小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将铝合金圆棒先加热至505℃，然后在模具温度380℃、挤压筒温度320℃、挤压速度为8米/分钟条件下将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压材，然后将铝合金挤压材穿水冷却至室温；
第九步：将铝合金挤压材先加热至165℃保温2小时，然后再继续升温至195℃保温4小时进行时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压材。
按标准GB/T16865-2013《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》，将实施例1～3和对比例1～3制造的铝合金挤压材加工成标准拉伸试样，在WCW-2009型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，检测铝合金挤压材的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，检测结果如表1所示。
表1实施例1～3和对比例1～3铝合金挤压材的拉伸力学性能
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 断后伸长率/％
实施例1 369.3 346.6 15.8
实施例2 332.1 314.8 19.5
实施例3 355.7 334.5 17.1
对比例1 326.2 294.2 10.9
对比例2 308.4 271.6 13.7
对比例3 315.6 284.2 11.4
从表1可看到，本发明实施例1～3制造的铝合金挤压材的抗拉强度为330～370MPa，屈服强度为310～350MPa，断后伸长率为15～20％。对比例1由于未添加Sr元素对针状β-Fe富铁相进行细化变质处理，对比例2由于未添加La元素对过剩Si相进行细化变质处理，对比例3由于Cr与Er的质量比不是3:1，导致对比例1～3制造的铝合金挤压材的抗拉强度、屈服强度和伸长率都低于实施例1～3制造的铝合金挤压材。
冲击韧性是表征材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，是反映材料对外来冲击负荷的抵抗能力。按标准HB 5144-1980《金属室温冲击韧性试验方法》，将实施例1～3和对比例1～3制造的铝合金挤压材加工成标准试样，在PYM-100型冲击试验机上进行室温冲击试验，检测铝合金的冲击韧性值，检测结果如表2所示。
应力腐蚀开裂是一种脆性断裂，是在应力和腐蚀环境共同作用下所引起的材料腐蚀破坏。按标准GB/T22640-2008《铝合金加工产品的环形试样应力腐蚀试验方法》，将实施例1～3和对比例1～3制造的铝合金挤压材加工成标准试样，在GYG-400型应力腐蚀试验机上进行C环应力腐蚀试验，应力为300MPa，检测铝合金的抗应力腐蚀开裂性能，检测结果如表2所示。
在实施例1～3和对比例1～3制造的铝合金挤压材上取样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在LEICA-300型金相显微镜下对铝合金挤压材挤压方向的显微组织进行观察，检测结果如表2所示。
表2实施例和对比例铝合金挤压材的冲击韧性、抗应力腐蚀性能和显微组织
从表2可看到，本发明实施例1～3制造的铝合金挤压材的冲击韧度大于30J·cm2，抗应力腐蚀开裂试验大于50天，挤压材沿挤压方向的金相显微组织均为细小纤维晶组织。对比例1由于未添加Sr元素对针状β-Fe富铁相进行细化变质处理，对比例2由于未添加La元素对过剩Si相进行细化变质处理，对比例3由于Cr与Er的质量比不是3:1，铝合金挤压材沿挤压方向的显微组织为由部分纤维晶和部分再结晶组织构成的混合晶组织，导致对比例1～3制造的铝合金冲击韧度小于30J·cm2，抗应力腐蚀开裂试验小于50天。
在实施例1和对比例1制造的铝合金挤压材上取样制造成单腔的柱状体试样，然后安装在300吨材料拉伸试验机夹板上进行常温常压条件下的静态压缩试验，通过观察试样压缩后的表面形貌对比来评价铝合金挤压材的抗冲击吸能特性，压缩试样的初始长度为300毫米，压缩距离为200毫米，压缩变形速率为100毫米/分钟，测试方向为平行于压向方向。附图1为实施例1制造的铝合金挤压材试样静态压缩后的形貌。附图2为对比例1制造的铝合金挤压材试样静态压缩后的形貌。从附图1可看到，实施例1制造的铝合金挤压材试样压缩后的形貌呈现规律性起皱，表面虽然有轻微的初期裂缝，但裂缝没有贯穿试样。从附图2可看到，对比例1制造的铝合金挤压材试样压缩后的形貌虽然也呈现规律性起皱，但表面开裂严重，裂缝贯穿整个壁厚。通过比较可看到，实施例1制造的铝合金挤压材比对比例1制造的铝合金挤压材具有更好的抗冲击吸能特性。

Claims (2)

1.一种抗冲击吸能特性的铝合金挤压材，其特征在于：该铝合金挤压材由以下质量百分比的成分组成：Mg 0.6～0.9％，Si 0.9～1.1％，Mn 0.4～0.6％，Cr 0.15～0.3％，Er0.05～0.1％，La 0.1～0.2％，Sr 0.05～0.1％，Ti 0.01～0.02％，B 0.002～0.004％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的其它杂质，其中，Cr与Er的质量比为3:1，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
2.一种如权利要求1所述抗冲击吸能特性的铝合金挤压材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：按照所述铝合金挤压材的成分组成及质量百分比，选用牌号Al99.70的铝锭、牌号Mg9980的镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金、AlLa10合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在740～760℃加热熔化，然后加入镁锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlEr10合金和AlLa10合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度≥99.9％的氮气和占原材料总重量为0.3～0.5％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10～20分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置20～40分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为150～200转/分钟、氩气流量为0.6～1立方米/小时的除气机和孔隙率为40～60ppi的泡沫陶瓷过滤板，进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度690～710℃、铸造速度80～120毫米/分钟、冷却水压力0.4～0.6MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将铝合金圆棒先加热至350～360℃保温1～2小时，接着继续升温到570～580℃保温4～5小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将铝合金圆棒先加热至505～515℃，然后在模具温度360～380℃、挤压筒温度320～330℃、挤压速度为8～12米/分钟条件下将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压材，然后将铝合金挤压材穿水冷却至室温；
第九步：将铝合金挤压材先加热至155～165℃保温2～3小时，然后再继续升温至195～205℃保温3～4小时进行时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压材。
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