CN111218590A - 一种高强度高成型性铝镁铜合金板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度高成型性铝镁铜合金板材，其特征在于，所述铝合金的组分及其质量百分含量为：Mg 4％‑6％，Mn≤0.4％，Cu 0.2％‑1％，Fe≤0.5％，Si≤0.2％，其余为Al和不可避免的杂质。本发明还公开了一种高强度高成型性铝镁铜合金板材的制备方法，包括熔炼、铸造、铣面、三级均匀化热处理、热轧、退火、冷轧等工艺，最终得到厚度范围为0.2‑0.6mm；屈服强度能达到450‑470MPa，抗拉强度能达到460‑480MPa，伸长率为2‑4％的高强度高成型性铝镁铜合金板材，铝镁铜合金板材经过树脂涂层烘烤或烤漆烘烤后，屈服强度为380‑400MPa，抗拉强度为420‑440MPa，伸长率为7‑9％。为铝镁系合金原有产品的减薄降本和进一步发展和应用提供了更好的性能支持。

Description

一种高强度高成型性铝镁铜合金板材及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金领域，具体涉及一种高强度高成型性铝镁铜合金板材及其制备方法。
背景技术
铝镁合金薄板是民用包装铝材的重要产品之一，因其强度高、成型性能好、耐蚀性能好、加工成本适中等优点，被广泛应用于制造罐盖、封皮、壳体等包装零部件。
为了降低用铝量，节约成本，铝镁合金板材一直在提高其强度，进而进行板材减薄。目前，常用的铝镁系铝合金薄板经过多年的开发与应用，强度基本已经接近极限(如5182-H48板材，屈服强度约为330-345Mpa)，若要进一步提高强度，只能考虑其他合金系，进而丧失铝镁系合金传统的耐蚀性能好、加工成本适中等优势。
发明内容
针对目前传统的铝镁系合金基本已经达到强度极限的局面，本发明提供一种强度更高，成型性能持平的铝镁铜合金板材及其制备方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种高强度高成型性铝镁铜合金板材，其组分及质量百分含量为：Mg 4％-6％，Mn≤0.4％，Cu 0.2％-1％，Fe≤0.5％，Si≤0.2％，其余为Al和不可避免的杂质；其中，Mg元素是合金中的主要强化元素，通过固溶强化来提高合金板材的性能。若Mg元素含量过高(＞6％)，会导致AlMg相在热轧、时效过程中大量析出，降低材料的强度、恶化材料的耐蚀性能。Cu元素是合金中的强化元素，在本申请中，通过固溶+时效处理，可以大幅度提高板材的强度。但若Cu含量过高(＞1％)，会导致材料的加工性能恶化。Mn、Fe、Si元素都是铝合金中经常出现的难以去除的杂质元素，由于其在铝合金中的溶解度较低，又容易与合金中的强化元素形成金属间化合物，因此其含量均需控制在较低水平。
一种高强度高成型性铝镁铜合金板材的制备方法如下：
(1)将所述铝合金依次进行熔炼、铸造、铣面；
(2)将铣面后的铝合金进行三级均匀化热处理，第一级均匀化热处理的处理温度为430-445℃、处理时间为3-8h；第二级均匀化热处理的处理温度为460-470℃、处理时间为24-48h；第三级均匀化热处理的处理温度为510-540℃、处理时间为3-8h。
(3)将三级均匀化热处理后的铝合金铸锭进行热轧，得到热轧板，热轧终轧温度为350-370℃，热轧板厚度为3-6mm；
(4)立即将热轧完成的热轧板进行连续退火处理，退火温度460-470℃，退火时间1-3min，退火完成后立即使用水淬或水雾冷却将板材冷却至室温。
(5)将退火后并冷却至室温的热轧板冷轧至0.2-0.6mm的薄板，总冷轧率需在90％以上。
根据上述的铝合金板材及其制备方法，所述铝合金的组分及其质量百分含量为：Mg 4.7-5.5％，Mn 0.2-0.3％，Cu 0.4-0.5％，Fe 0.1-0.15％，Si 0.05-0.08％，其余为Al和不可避免的杂质。
进一步地，步骤(2)中对铝合金铸锭进行三级均匀化热处理，第一级均匀化热处理的处理温度为435-440℃、处理时间为4-6h；第二级均匀化热处理的处理温度为465-470℃、处理时间为36-48h；第三级均匀化热处理的处理温度为520-540℃、处理时间为4-6h。
进一步地，步骤(3)中将三级均匀化热处理后的铝合金铸锭进行热轧，得到热轧板，热轧终轧温度为360℃-370℃，热轧板厚度为3-6mm。
进一步地，步骤(4)中立即将热轧完成的热轧板进行连续退火处理，退火温度465-470℃，退火时间2-3min，退火完成后立即使用水淬或水雾冷却将板材冷却至室温。
利用上述方法制备得到的铝合金板材的厚度范围为0.2-0.6mm；屈服强度为450-470MPa，抗拉强度为460-480MPa，伸长率为2-4％；铝合金板材经过树脂涂层烘烤或烤漆烘烤后，屈服强度为380-400MPa，抗拉强度为420-440MPa，伸长率为7-9％。
本发明的有益技术效果：与现有技术相比，本发明的铝镁铜板材在相同的状态下，屈服强度高于现有高强铝镁合金50Mpa左右，抗拉强度高于现有高强铝镁合金50MPa左右，伸长率仍然保持在7-9％。为铝镁系合金原有产品的减薄降本和进一步发展和应用提供了更好的性能支持。
具体实施方式
本发明的一种高强度高成型性铝镁铜合金板材，其组分的质量百分含量为：Mg 4-6％，Mn≤0.4％，Cu 0.2-1％，Fe≤0.5％，Si≤0.2％，其余为Al和不可避免的杂质。
一种高强度高成型性铝镁铜合金板材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述铝合金依次进行熔炼、铸造、铣面，得到铝合金铸锭；
(2)将铝合金铸锭进行三级均匀化热处理，第一级均匀化热处理的处理温度为430-445℃、处理时间为3-8h；第二级均匀化热处理的处理温度为460-470℃、处理时间为24-48h；第三级均匀化热处理的处理温度为510-540℃、处理时间为3-8h。
选择三级均匀化工艺的原因：第一级均匀化为传统铝镁合金均匀化制度，目的是为了固溶AlMg二元相。第二级均匀化为本申请的创新点，由于在合金中加入了较多的Cu元素，合金铸态组织内会出现AlCuMg三元相，通过第二级均匀化将其固溶，才能为后续的时效强化带来显著的提高。第三级均匀化为传统铝镁合金均匀化制度，目的是固溶部分AlFeMn相，使高熔点化合物更加细小。
(3)将三级均匀化热处理后的铝合金铸锭进行热轧，得到热轧板，热轧终轧温度为350-370℃，热轧板厚度为3-6mm；该工艺的热轧终轧温度较传统铝镁合金终轧温度偏高，目的是为了用较高的终轧温度来防止AlCuMg三元相在热轧过程中的析出。
(4)立即将热轧完成的热轧板进行连续退火处理，退火温度460-500℃，退火时间1-3min，退火完成后立即使用淬水或水雾冷却至室温。
该步骤为本申请实现该合金板材高强度高成型性的关键步骤。若按原有工艺将热轧板收卷并冷却，Cu元素会在冷却过程中大量析出，析出的析出相不但没有强化效果，反而会削弱Mg元素的固溶强化效果，使材料强度低于未加Cu的合金。因此，本申请创新性地在热轧完成后，加入了连续退火与淬火处理，将热轧过程中析出的少量含Cu相重新固溶入基体中，并使用淬火将过饱和固溶体组织进行保留，不但可以提高Cu元素的固溶强化效果，还可以为后续的烤漆或树脂涂层烘烤提供时效析出强化的组织准备。
(5)将退火后并冷却至室温的热轧板冷轧至0.2-0.6mm的薄板，总冷轧率需在90％以上。
该步骤特征为总冷轧率需在90％以上，除了传统铝合金薄板轧制的工艺因素外，更高的冷轧率能在板材内积累更多的位错与能量，为时效析出过程提供短路扩散通道与形核点，提高时效强化的强化效果。
根据本发明铝合金组分及其板材的制备方法，可以获得屈服强度为450-470MPa，抗拉强度为460-480MPa，伸长率为2-4％；所述铝合金板材经过树脂涂层烘烤或烤漆烘烤后，屈服强度为380-400MPa，抗拉强度为420-440MPa，伸长率为7-9％；
实施例与比较例
实施例1：
本实施例的铝镁铜板材状态为H19和H48，厚度为0.6mm，其生产流程包括：熔炼→铸造→铣面→三级均匀化退火→热轧→连续退火→淬火→冷轧→时效，具体工艺参数如下：
熔铸：熔炼的铝水化学成分的质量百分数为：Mg：6.0、Mn：0.4、Cu：1.0、Fe：0.5、Si：0.2；其余为Al和不可避免的杂质。
均匀化退火：第一级均匀化热处理的处理温度为445℃、处理时间为8h；第二级均匀化热处理的处理温度为470℃、处理时间为48h；第三级均匀化热处理的处理温度为540℃、处理时间为8h。
热轧：将材料热轧至6mm，热轧终轧温度370℃。
连续退火：热轧卷收卷后立刻送往连续退火炉进行退火，退火温度470℃，退火时间3min。
淬火：在连续退火炉出口处设置水淬装置，将板材冷却至室温。
冷轧：将退火后板材冷轧至0.6mm，冷轧总加工率为90％。
成品板材(H19)力学性能为：抗拉强度483MPa，屈服强度472MPa，伸长率2.5％。
经过树脂涂层烘烤(H48)后，板材力学性能为：抗拉强度444MPa，屈服强度402MPa，伸长率7.5％。
实施例2：
本实施例的铝镁铜板材状态为H19和H48，厚度为0.2mm，其生产流程包括：熔炼→铸造→铣面→三级均匀化退火→热轧→连续退火→淬火→冷轧→时效，具体工艺参数如下：
熔铸：熔炼的铝水化学成分的质量百分数为：Mg：4.1、Mn：0.2、Cu：0.2、Fe：0.1、Si：0.05；其余为Al和不可避免的杂质。
均匀化退火：第一级均匀化热处理的处理温度为430℃、处理时间为3h；第二级均匀化热处理的处理温度为460℃、处理时间为24h；第三级均匀化热处理的处理温度为510℃、处理时间为3h。
热轧：将材料热轧至3mm，热轧终轧温度360℃。
连续退火：热轧卷收卷后立刻送往连续退火炉进行退火，退火温度465℃，退火时间1min。
淬火：在连续退火炉出口处设置水雾冷却装置，将板材冷却至室温。
冷轧：将退火后板材冷轧至0.2mm，冷轧总加工率为93.3％。
成品板材(H19)力学性能为：抗拉强度471MPa，屈服强度460MPa，伸长率3.5％。
经过树脂涂层烘烤(H48)后，板材力学性能为：抗拉强度422MPa，屈服强度381MPa，伸长率9.5％。
实例3：
本实施例的铝镁铜板材状态为H19和H48，厚度为0.4mm，其生产流程包括：熔炼→铸造→铣面→三级均匀化退火→热轧→连续退火→淬火→冷轧→时效，具体工艺参数如下：
熔铸：熔炼的铝水化学成分的质量百分数为：Mg：5.5、Mn：0.3、Cu：0.3、Fe：0.15、Si：0.08；其余为Al和不可避免的杂质。
均匀化退火：第一级均匀化热处理的处理温度为435℃、处理时间为6h；第二级均匀化热处理的处理温度为465℃、处理时间为36h；第三级均匀化热处理的处理温度为520℃、处理时间为4h。
热轧：将材料热轧至2mm，热轧终轧温度320℃。
连续退火：热轧卷收卷后立刻送往连续退火炉进行退火，退火温度460℃，退火时间2min。
淬火：在连续退火炉出口处设置水雾冷却装置，将板材冷却至室温。
冷轧：将退火后板材冷轧至0.2mm，冷轧总加工率为93.3％。
成品板材(H19)力学性能为：抗拉强度463MPa，屈服强度455MPa，伸长率3.5％。
经过树脂涂层烘烤(H48)后，板材力学性能为：抗拉强度426MPa，屈服强度389MPa，伸长率8.0％。
实例4：
本实施例的铝镁铜板材状态为H19和H48，厚度为0.4mm，其生产流程包括：熔炼→铸造→铣面→三级均匀化退火→热轧→连续退火→淬火→冷轧→时效，具体工艺参数如下：
熔铸：熔炼的铝水化学成分的质量百分数为：Mg：4.7、Mn：0.3、Cu：0.7、Fe：0.1、Si：0.08；其余为Al和不可避免的杂质。
均匀化退火：第一级均匀化热处理的处理温度为440℃、处理时间为4h；第二级均匀化热处理的处理温度为465℃、处理时间为36h；第三级均匀化热处理的处理温度为520℃、处理时间为6h。
热轧：将材料热轧至2mm，热轧终轧温度320℃。
连续退火：热轧卷收卷后立刻送往连续退火炉进行退火，退火温度460℃，退火时间2min。
淬火：在连续退火炉出口处设置水雾冷却装置，将板材冷却至室温。
冷轧：将退火后板材冷轧至0.6mm，冷轧总加工率为90％。
成品板材(H19)力学性能为：抗拉强度461MPa，屈服强度452MPa，伸长率3.5％。
经过树脂涂层烘烤(H48)后，板材力学性能为：抗拉强度424MPa，屈服强度383MPa，伸长率8.5％。
比较例1：
比较例1的Cu元素含量为1.1％，除此以外的成产流程皆与实施例1相同。对比较例1制备的铸锭进行均匀化退火和组织观察发现，比较例1中含有较多的AlCuMg三元相，通过第一级和第二级均匀化热处理后，该AlCuMg三元相仍然无法完全固溶，若继续实施第三级均匀化，将导致铸锭过烧而报废；若不实施第三级均匀化，则大尺寸的AlFeMn相无法被细化，最终H48态板材的伸长率仅为6％，无法满足高成型性能的要求。
比较例2：
比较例2的Cu元素含量为0.15％，除此以外的成产流程皆与实施例2相同。铸态合金中，AlCuMg三元相的含量极少，经过后续加工过程后，比较例2板材H48态的屈服强度为355MPa，抗拉强度为404MPa，伸长率为8.5％。该力学性能与传统5182-H48合金相似，明显低于本申请中板材的力学性能。
比较例3：
从熔铸到热轧工序结束，比较例3与实施例1的生产流程相同。之后比较例3的热轧卷材进行收卷和自然冷却，然后再进行与实施例1相同的冷轧。比较例3板材H48态的屈服强度为338MPa，抗拉强度为387Mpa，伸长率为8.0％。该力学性能低于传统的5182-H48合金板材，更低于本申请中的板材的力学性能。
比较例4：
从熔铸到均匀化退火工序结束，以及连续退火和淬火工艺，比较例4与实施例2的生产流程相同。比较例4的热轧板厚度为2mm，成品厚度为0.3mm，总冷轧率为85％。其板材H48的力学性能为屈服强度361Mpa，抗拉强度410Mpa，伸长率7.5％。该力学性能与传统5182-H48合金相似，明显低于本申请中板材的力学性能。

Claims (9)

1.一种高强度高成型性铝镁铜合金板材，其特征在于，所述铝合金的组分及其质量百分含量为：Mg 4％-6％，Mn≤0.4％，Cu 0.2％-1％，Fe≤0.5％，Si≤0.2％，其余为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度高成型性铝镁铜合金板材，其特征在于，所述铝合金的组分及其质量百分含量为：Mg 4.7-5.5％，Mn 0.2-0.3％，Cu 0.3-0.7％，Fe 0.1-0.15％，Si 0.05-0.08％，其余为Al和不可避免的杂质。
3.一种根据权利要求1或2所述的高强度高成型性铝镁铜合金板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述铝合金依次进行熔炼、铸造、铣面；
(2)将铣面后的铝合金进行三级均匀化热处理，第一级均匀化热处理的处理温度为430-445℃、处理时间为3-8h；第二级均匀化热处理的处理温度为460-470℃、处理时间为24-48h；第三级均匀化热处理的处理温度为510-540℃、处理时间为3-8h。
(3)将三级均匀化热处理后的铝合金铸锭进行热轧，得到热轧板，热轧终轧温度为320-370℃，热轧板厚度为2-6mm；
(4)立即将热轧完成的热轧板进行连续退火处理，退火温度460-500℃，退火时间1-3min，退火完成后立即使用淬水或水雾冷却至室温。
(5)将退火后并冷却至室温的热轧板冷轧至0.2-0.6mm的薄板，总冷轧率需在90％以上。
4.根据权利要求3所述的高强度高成型性铝镁铜合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中对铝合金铸锭进行三级均匀化热处理，第一级均匀化热处理的处理温度为435-440℃、处理时间为4-6h；第二级均匀化热处理的处理温度为465-470℃、处理时间为36-48h；第三级均匀化热处理的处理温度为520-540℃、处理时间为4-6h。
5.根据权利要求3所述的高强度高成型性铝镁铜合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中将三级均匀化热处理后的铝合金进行热轧，得到热轧板，热轧终轧温度为360-370℃，热轧板厚度为3-6mm。
6.根据权利要求3所述的高强度高成型性铝镁铜合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中立即将热轧完成的热轧板进行连续退火处理，退火温度465-470℃，退火时间2-3min，退火完成后立即使用水淬或水雾冷却将板材冷却至室温。
7.根据权利要求3所述的高强度高成型性铝镁铜合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中的热轧板进行冷轧，总冷轧率≥90％。
8.根据权利要求1或2所述高强度高成型性铝镁铜合金板材，其特征在于，铝镁铜合金板材的厚度范围为0.2-0.6mm；屈服强度为450-470MPa，抗拉强度为460-480MPa，伸长率为2-4％。
9.根据权利要求8所述的高强度高成型性铝镁铜合金板材，其特征在于，铝镁铜合金板材经过树脂涂层烘烤或烤漆烘烤后，屈服强度为380-400MPa，抗拉强度为420-440MPa，伸长率为7-9％。
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