CN110252841A

CN110252841A - 一种铝合金板材的成形方法

Info

Publication number: CN110252841A
Application number: CN201910607171.3A
Authority: CN
Inventors: 吕崇新
Original assignee: Shenzhen Wanjia Interactive Technology Co Ltd
Current assignee: Foshan oulande building materials Co., Ltd
Priority date: 2019-07-06
Filing date: 2019-07-06
Publication date: 2019-09-20
Anticipated expiration: 2039-07-06
Also published as: CN110252841B

Abstract

本发明开发出了一种Al‑Mg‑Si系铝合金的温成形工艺。本发明使用的Al‑Mg‑Si系铝合金板材由于其独特的成分配比以及制备工艺，兼具了优异的机械性能和成形性能，配合本发明的温成形工艺能得到综合性能极好的如机动车车体等部件的铝合金薄壁制品。本发明对于温成形的预热温度、成形时间都进行了控制，从而能够在较低的成形温度下获得良好的成形性能。本发明的铝合金板材还选用了性能优异、适用性强的润滑剂，以获得更好的成形效果以及后续的处理性能。

Description

一种铝合金板材的成形方法

技术领域

本发明涉及铝合金板材的加工技术领域，具体涉及一种铝合金，特别是一种具有优异综合性能的、以Al-Mg-Si合金为基础的铝合金板材的成形工艺，尤其是一种铝合金板材的温成形工艺。

背景技术

近年来，由于人们对于废气排放等环境保护问题的日益重视，以及对减少不可再生能源消耗的不断需求，对于机动车等运输工具的车体轻量化也提出了越来越高的要求。

而在包括引擎盖、车门、车顶等机动车车体的构造材料中，质量更轻(约为钢板密度的1/3)成形性能和烘烤硬化性能优异的铝合金材料的使用迅猛增加，逐渐替代了之前一直主要使用的钢材。

在现有众多的铝合金材料中，6000系铝合金(即JIS6000系铝合金，Al-Mg-Si类)以镁和硅为必要的合金元素，通过析出Mg₂Si作为主要强化相，具有密度小、比强度与比刚度高、抗冲击性好、耐蚀性高和散热性好等优点，其制备得到的铝合金板尤其适于作为薄壁且对强度要求高的机动车车体构造材料，是目前在机动车领域应用最广泛的铝合金。同时，6000系铝合金产品的废料在再利用过程中，由于合金元素不多而熔融后很容易再次获得6000系铝合金材料铸块，其循环再利用性也极佳。

尽管6000系铝合金具有上述优异的性能和广泛的应用，但在显著提升铝合金强硬度等机械性能的同时，却也导致铝合金在室温条件下的塑性和延伸率较差，室温成形能力不佳，从而对铝合金的广泛应用造成了限制。

为此，采用了铝合金的温成形加工工艺来解决上述问题，即通过加热铝合金，降低铝合金的局部变形抗力，使得铝合金的成形性能在中等温度区间例如200℃～400℃的温度范围内得到显著的提高。尽管如此，中等温度范围内铝合金板材的成形性能远不如钢铁板材，想要得到成形质量高的薄壳构件仍有一定难度。

因此，在现有温成形的基础上，通过开发成形性更为优异的铝合金板材原料，以及更好地控制温成形的工艺步骤和参数，以进一步提高铝合金板材的成形性能是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于温成形加工工艺的Al-Mg-Si合金为基础的铝合金板材，以及通过温成形工艺步骤和参数的控制，来获得该铝合金板材的优异成形性。

为实现上述目的，本发明提供了一种铝合金板材的成形方法，其特征在于：

1)将冲压凹模加热至预设温度T₁；

2)将预处理的铝合金板材置于加热的冲压凹模之上；

3)将冲压凸模移动至与铝合金板材表面接触，并冷却至预设温度T₂；

4)将压板加热至预设温度T₁，并移动至与铝合金表面的边缘接触后，与冲压凹模一起施力将铝合金板材的边缘夹紧；

5)将铝合金板材保持一定时间t₁后，将冲压凸模向冲压凹模移动以对铝合金板材进行冲压成形。

进一步优选的，所述冲压凹模加热的预设温度T₁为100-150℃。

进一步优选的，所述冲压凸模冷却的预设温度T₂比冲压凹模加热的预设温度T₁低80℃以上。

进一步优选的，所述铝合金板材保持时间t₁为2min≤t₁≤5min

进一步优选的，80mm/min≤所述冲压成形的速度≤160mm/min。

进一步优选的，所述预处理是指将铝合金板材表面涂布润滑剂，所述润滑剂由下述成分组成，以重量百分含量计，8-12％油酸，20-25％硬脂酸铝，10-15％聚乙烯二醇，35-40％烷基萘，15-20％水。

进一步优选的，所述铝合金板材为Al-Mg-Si系铝合金，含有以质量百分含量计算，1.0-1.5％Mg，3.5-4.0％Si，0.3-0.5％Cu，0.4-1.0％Fe，0.05-0.20％Mn，0.20-0.30％Li，余量为Al和不可避免的杂质。

进一步优选的，所述铝合金板材是经过连续铸造得到铸坯，再将铸坯经均质化处理、热轧、初冷轧、退火、终冷轧、固溶处理后再进行热处理、热处理后再进行拉伸矫直得到的。其中，固溶处理是将终冷轧后的板材以100-300℃/min的加热速度急速加热至520-550℃的固溶处理温度后，保温4-6小时；随后将板材在水浴条件下急冷至100℃后，再保温1-2小时，空冷至室温，水浴的溶液为pH＝2-4、含0.5-1g/L硝酸锆的水溶液。其中，所述拉伸矫直是指，将板材在拉伸矫直设备中施加以产生0.2-0.5％的拉伸应变，随后在150-160℃的温度下保温0.5-1小时

进一步优选的，所述铝合金板材为矩形或方形板材，所述冲压凹模以及压板的加热元件分别为多个且内置于冲压凹模和压板内部，以使得铝合金板材的所述边缘的顶角处的温度高于所述边缘的其他部位。

本发明还提供一种Al-Mg-Si合金制品，其通过上述成形工艺加工制备得到。

与现有铝合金的温成形工艺相比，本发明开发出了一种与Al-Mg-Si系铝合金相适应的工艺，本发明使用的Al-Mg-Si系铝合金板材由于其独特的成分配比以及制备工艺，兼具了优异的机械性能和成形性能，配合本发明的温成形工艺能得到综合性能极好的如机动车车体等部件的铝合金薄壁制品。本发明对于温成形的预热温度、成形时间都进行了控制，从而能够在较低的成形温度下获得良好的成形性能。本发明的铝合金板材还选用了性能优异、适用性强的润滑剂，以获得更好的成形效果以及后续的处理性能。

具体实施方式

实施例1

(一)Al-Mg-Si系铝合金板材的制备

本发明中的综合性能优异的Al-Mg-Si系铝合金板材通过如下方法制备：

首先，按照质量百分含量计算，以1.5％Mg，4.0％Si，0.5％Cu，0.9％Fe，0.20％Mn，0.25％Li，余量为Al和不可避免的杂质的配比比例称取各原料后，将原料加热至比液相线温度高40℃以得到熔融金属液，由于本发明中含有较多硅和镁等轻合金元素，在加热熔融过程中充分搅拌以得到混合均匀的金属液。

随后，将金属液浇注到双辊铸轧设备，液面高出浇口30mm，以保证产生足够的静压从而稳定辊间压铸熔体的状态，其中双辊铸轧设备为空心铜辊，并且空心内部通有冷却液体，以保证金属液从熔融温度以200℃/s以上的速度急冷至650℃以下，之所以要保证这样的急冷速度，是因为可以获得超细的金属间化合物，从而能够有效提高铝合金板材的高温强度。同时，驱动双辊以70m/分的旋转周速相向旋转，并分别对铜辊施加对向压力1.8kN/mm(kN/mm表示施加至铜辊的压力除以铜辊的厚度)，如果辊速达不到要求容易导致铸造过程中双辊所受载荷的增加以及熔体凝固层厚度波动，但是辊速也不能太高，太高容易导致熔体与辊面接触的不均匀，而施加一定的对向压力可以配合辊速旋转，以保持凝固部的形状稳定，但是压力过大则会导致辊面的粗糙化进而影响板坯表面的光滑。

随后，对板坯进行均质化处理，具体将浇注后的板材加热至500℃温度后保温15小时后，以130℃/小时的冷却速度冷至320℃以下。均质化处理的温度必须保证铸造板坯中的合金元素均匀、消除偏析，并使得Mg₂Si能够充分固溶。同时，之所以必须保证足够的冷却速度，是防止冷却过程中Mg-Si的化合物产生析出、凝集，从而影响后续的深拉伸性能以及低温烘烤硬化等性能。均质化处理时间也要得到保证，以保证导致成形性劣化的第二相粒子的充分固溶，但过长的均质化处理效果饱和且造成生产性的低下和成本的增加。

随后，在420℃的开轧温度进行热轧处理，热轧压下率90％。开轧温度过低使得板材变形抗力过高而难以有效热轧，并会导致Mg-Si的化合物产生析出、凝集，从而影响后续的深拉伸性能以及低温烘烤硬化等性能。但是开轧温度也不能过高，否则会使得热轧过程中晶粒粗化。热轧压下率太低会使得Cube取向的生成不充分，进而影响卷边加工等成形性能。热轧压下率也不能过高，需保证板材热轧后足够的厚度，以留有后续冷轧的足够的压下空间。

随后，进行初冷轧，初冷轧的压下率为40％。初冷轧过低会导致退火后的终冷轧压下率过大而造成Cube取向的过分生成，进而导致板材异向性的产生，导致深拉伸性能降低。

随后，进行退火处理，具体是将初冷轧后的板材加热至480℃后保温2小时，随后随炉冷却。退火处理的温度必须保证充分再结晶，但是也不能过高，以防止退火过程中晶粒粗化而导致卷边加工等成形性变差。

随后，进行终冷轧，终冷轧后，两次冷轧的总压下率为65％。冷轧总压下率的足够大能够保证Cube取向的充分生成。但是总压下率也不宜过大，如超过70％，将会导致各向异性的问题。

终冷轧后，对板材进行固溶处理，具体是将冷轧后的板材以超过200℃/min的加热速度急速加热至530℃的固溶处理温度后，保温5小时，固溶处理温度过低或者保温时间不足，都会导致固溶处理不充分，急速加热更有利于铝合金板材强度以及板材涂装加热后强度的提高，但是加热速度和温度不宜过快过高，否则可能会由于过烧而引起共晶部分的溶解氧化问题进而导致成形性能恶化；随后将板材置入水浴设备急冷至100℃以下，所述水浴的水溶液为pH＝3、含有0.8g/L硝酸锆的水溶液，硝酸锆水溶液能够在固溶处理后板材表面形成的氧化膜的表面形成一层锆膜，从而能够提高板材表面的脱脂性和化成处理性能，为了保证锆膜充分覆盖氧化膜的表面，硝酸锆的浓度不能太低，但是过高的含量将使得脱脂性等提高效果饱和而无谓增加成本，同时还应保证水浴溶液的pH值，过低的pH值对设备伤害大，但是过高的pH将使得硝酸锆水溶液不稳定而产生沉淀；再保温1.5小时，空冷至室温，通过水浴急冷至比固溶处理低的温度，能够使得母相中固溶元素处于过饱和状态，从而促进能在后续时效热处理阶段形成Mg₂Si类有益的强化相的Mg-Si中间化合物的形成，相对地，自然会抑制其他有害的Mg-Si金属间化合物生成。而后再进行时效热处理，具体是将板材加热至110℃后，保温7小时后空冷至室温，时效温度过低或时间过短的话，会导致固溶元素不能充分析出以形成Mg₂Si，使得强度降低，而温度过高或时间过久则会导致延伸性能不足。

最后，对时效热处理后的板材在拉伸矫直设备中施加0.3％的拉伸应变，随后在150℃的温度下保温0.8小时。产生所述拉伸应变，能够有效抵抗随后自然时效所导致的屈服强度的升高而提高板材的成形性能，但是该拉伸应变不宜过大，否则由于拉伸应变会导致强度的变大反而影响板材的成形性能。

将制备得到的铝合金板材在室温自然放置至少180日待用。

(二)Al-Mg-Si系铝合金板材的压制成形

准备好压制材料选取上述制备工艺得到的Al-Mg-Si系铝合金板材，并截取厚1mm、1000mm×750mm的矩形板作为Al-Mg-Si系铝合金板材原料，其中板材原料需要进行预处理，具体是，将铝合金板材表面涂布润滑剂，所述润滑剂由下述成分组成，以重量百分含量计，10％油酸，22％硬脂酸铝，13％聚乙烯二醇，36％烷基萘，19％水；所述润滑剂中油酸比例不能太低，否则润滑性不足而影响成形性能，但是也不宜过高，否则会对铝合金板材产生较强的腐蚀作用；润滑剂中硬脂酸铝的比例也不能太低，否则润滑性不足而影响成形性能，但是也不宜过高，否则会导致润滑剂的粘度过大、流动性不足；润滑剂中聚乙烯二醇的比例不能太低，否则会导致成形后板材表面脱脂性困难，但是含量也不宜过高，否则会导致成形性能恶化；润滑剂中烷基萘的含量不宜过低，否则会使得板材成形性不足，但是含量也不能过高，否则会导致润滑剂整体润滑性能不足；水作为调整成分，可以使得润滑剂整体的水溶性增加，从而更利于成形后的洗净脱脂，为此含量不宜过低，但是过高会影响润滑剂的润滑性而影响成形性能。

准备好冲压设备，具体是将冲压凹模、压板和冲压凸模等模具安装于冲压设备；其中，冲压凹模具有与压板对应的法兰部和与冲压凸模对应的凹模部，冲压凹模的法兰部和压板为具有方形外缘的等宽带状；冲压凸模呈600mm×350mm、R80mm的略矩形，冲压凹模的凹模尺寸与凸模对应；在冲压凹模的法兰部的所述方形带的四条边和四个角中设置8个加热元件，在所述压板的对应位置也设置8个加热元件，在冲压凸模中则设置冷却管路；调整冲压凹模和冲压凸模对中。

对冲压凹模进行加热，其中控制冲压凹模的法兰部的角部温度为130℃、边部温度为100℃，如此冲压凹模设置可以使得在对方形板材进行冲压过程中，板材的法兰边缘部位的角部的温度更高而具有更低的变形抗力，从而冲压过程中更易变形而提高板材的整体成形性能，为保证效果，法兰部的角部温度和边部温度的差应至少超过20℃，当然从设备的制造简便和节省成本考虑，也可以不局限于本实施例的8个加热元件，而只在冲压凹模的法兰部的角部位置设置加热元件。同时，冲压凹模的整体温度不能低于100℃，否则其引起的板材法兰部的变形抗力减小不充分而不能达到温成形加工的要求，但也不宜过高，过高的温度一方面会造成成形润滑剂的失效，以及加工成本和效率等的劣化，另一方面还会导致板材的时效硬化反而会恶化板材的温成形性能。

随后将预处理的铝合金板材置于加热的冲压凹模之上，并将冲压凸模移动至与铝合金板材表面接触，冷却冲压凸模至预设温度0℃；理论上，冲压凸模的冷却温度越低越好，温度越低，能够使得板材法兰部与中间部温差越大，从而产生足够的强度差而获得好的成形性能，应至少保证温差达到80℃，但是冷却温度也不宜过低，否则导致经济性不足，效果也不明显。

随后，将压板加热至与冲压凹模相同一致的温度，并移动至与铝合金板材表面的边缘接触后，与冲压凹模一起施力将铝合金板材的边缘夹紧，将铝合金板材保持在该状态下3min，以对板材进行热传导，保持时间必须足够以确保板材各个部位达到所需的温度，但是也不宜保持过久，否则会使得板材由于加热而出现时效硬化而影响温成形性能。随后冲压凸模向冲压凹模移动以对铝合金板材进行冲压成形从而得到本发明中的成形铝合金产品，成形速度为120/min，成形速度过快会导致加工硬化的板材法兰部回复不充分而影响成形，成形速度过慢则由于成形时间过长而可能会导致时效硬化从而恶化板材的温成形性能。

实施例2-5主要对润滑剂的成分进行了调整，具体成分配比参见表1，其余工艺步骤、参数等条件均与实施例1相同。

表1本发明预处理用润滑剂成分配比

序号	油酸	硬脂酸铝	聚乙烯二醇	烷基萘	水
						1	10	22	13	36	19
2	5	23	12	39	21
						3	11	15	14	37	23
4	9	24	5	39	23
						5	12	23	15	30	20

实施例6将冲压凹模的预热温度统一设置为130℃，实施例7将冲压凸模设置为室温(约30℃)，其余工艺步骤、参数等条件均与实施例1相同。

实施例8将保持时间调整为7min，其余工艺步骤、参数等条件均与实施例1相同。

实施例9将冲压成形速度调整为200mm/min，其余工艺步骤、参数等条件均与实施例1相同。

实施例10直接将固溶处理保温后的板材空冷至室温而不经硝酸锆水溶液水浴急冷保温处理，其余工艺步骤、参数等条件均与实施例1相同。实施例11将硝酸锆水溶液的浓度调整为0.2g/L，其余工艺步骤、参数等条件均与实施例1相同。

实施例12中，固溶热处理后的铝合金板材未经拉伸矫直处理而在放置后直接进行温成形，其余工艺步骤、参数等条件均与实施例1相同。

对实施例1-12温成形压制品进行了温成形性能、脱脂洗净性和涂装烘烤硬化性能的测试。其中，温成形性能是以本发明的温成形压制条件，冲压至板材破裂时张出的高度(单位mm)作为评判，数值越大，成形性能越好；脱脂洗净性能是将温成形压制后的板材用干燥的布进行擦拭，擦拭后，目视和手触均无油感则洗净性为优(○)，目视无而手触有油感则洗净性为可(△)，目视即有油感则洗净性为差(×)；涂装烘烤硬化性能是将温成形压制品加热至140℃后保温30分钟以模拟涂装烘烤的处理，随后测试板材表面的维持硬度(Hv)。测试得到的性能参数具体参见表2。

表2本发明Al-Mg-Si系铝合金板材温成形的相关性能

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													张出高度	121	105	98	116	101	105	112	109	95	91	106	87
洗净性	○	△	○	×	○	○	△	○	○	×	×	○
													烘烤后硬度	145	140	142	146	145	150	145	148	146	135	140	125

(三)Al-Mg-Si系铝合金板材的组成元素

本发明中，合金元素Si与Mg是Al-Mg-Si系铝合金的主要合金元素，其能够形成β相的Mg-Si化合物Mg₂Si，从而通过热处理有效析出并对合金起到强化作用，同时，在Si与Mg形成Mg₂Si后剩余的Si固溶在基体中最后再次析出，能够进一步对铝合金起到强化作用，为了实现上述作用，Si的含量太少将不能析出足够的β相，同时会导致后续的烘烤硬化性能显著下降，延展也变差，并且适量的Si能增加熔体流动性从而提高合金熔体的铸造性能；但Si的含量也不能过高，否则会使得晶界偏析以及晶粒析出的粗大化，进而使得延展性和成形性能变差，同时，过多的Si含量会导致熔体合金分布的均匀性难以实现。

如上所述，合金元素Mg主要是与Si形成强化相，为了获得足够的强化相，Mg的含量不能过低；但如果Mg的含量过高，将无法获得多余的Si所形成的额外的强化效果，同时Mg含量过高也容易引起合金熔体的成分偏析而影响铸造效果和产品性能。

合金元素Cu能够与Si配列形成化合物，从而避免Si的晶界偏析导致的脆化，进而提升合金的强度，以及烘烤硬化性能，还能提高合金的耐腐蚀性和耐高温性能；但Cu的含量也不宜过高，否则反而会导致耐腐蚀性等劣化。

合金元素Fe能够起到固溶强化的作用，同时Fe能够起到晶粒细化的作用，从而提高合金的拉伸强度等机械性能，并且由于晶粒细化导致的晶粒数量的增加，能够有效抑制多余的Si在晶界的偏析而导致的晶界脆化等问题，为了发挥上述作用，Fe的含量不能过低；但由于Fe容易与Al生成金属间化合物从而降低铝合金的塑性加工性能，因此其含量也不宜过高。

合金元素Mn具有一定的固溶强化作用，同时由于能够形成Al-Mn分散粒子而发挥抑制晶粒粗化，从而达到晶粒细化的目的；同时还能促进Fe-Al化合物的球状析出，从而避免Fe-Al化合物对加工塑形产生的不良影响；但是Mn的含量也不宜过多，否则反而会引起粗大结晶物的析出进而导致加工性能的恶化，并且过多的Mn还会使得熔体固相线温度升高，从而使得铸造温度升高而增加生产成本并降低生产效率。

合金元素Li能够在涂装烧烤硬化处理过程中，明显促进β”相析出，从而在后续的自然时效过程中转变为稳定的Mg₂Si强化相，因此Li的添加能够显著降低涂装烧烤硬化的处理温度以及时效硬化的性能，为了发挥上述租用，Li的添加量不能过低；但是Li的添加量也不能过高，过高会导致合金的延伸率和成形性能下降，并且会使得熔体有明显的成分偏析而影响铸造产品的性能。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims

1.一种铝合金板材的成形方法，其特征在于：

1)将冲压凹模加热至预设温度T₁；

2)将预处理的铝合金板材置于加热的冲压凹模之上；

2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于：所述冲压凹模加热的预设温度T₁为100-150℃。

3.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于：所述冲压凸模冷却的预设温度T₂比冲压凹模加热的预设温度T₁低80℃以上。

4.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于：所述铝合金板材保持时间t₁为2min≤t₁≤5min。

5.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于：80mm/min≤所述冲压成形的速度≤160mm/min。

6.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于：所述预处理是指将铝合金板材表面涂布润滑剂，所述润滑剂由下述成分组成，以重量百分含量计，8-12％油酸，20-25％硬脂酸铝，10-15％聚乙烯二醇，35-40％烷基萘，15-20％水。

7.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于：所述铝合金板材为Al-Mg-Si系铝合金，含有以质量百分含量计算，1.0-1.5％Mg，3.5-4.0％Si，0.3-0.5％Cu，0.4-1.0％Fe，0.05-0.20％Mn，0.20-0.30％Li，余量为Al和不可避免的杂质。

8.根据权利要求7所述的成形方法，其特征在于：所述铝合金板材是经过连续铸造得到铸坯，再将铸坯经均质化处理、热轧、初冷轧、退火、终冷轧、固溶处理后再进行热处理、热处理后再进行拉伸矫直得到的。其中，固溶处理是将终冷轧后的板材以100-300℃/min的加热速度急速加热至520-550℃的固溶处理温度后，保温4-6小时；随后将板材在水浴条件下急冷至100℃后，再保温1-2小时，空冷至室温，水浴的溶液为pH＝2-4、含0.5-1g/L硝酸锆的水溶液。其中，所述拉伸矫直是指，将板材在拉伸矫直设备中施加以产生0.2-0.5％的拉伸应变，随后在150-160℃的温度下保温0.5-1小时。

9.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于：所述铝合金板材为矩形或方形板材，所述冲压凹模以及压板的加热元件分别为多个且内置于冲压凹模和压板内部，以使得铝合金板材的所述边缘的顶角处的温度高于所述边缘的其他部位。