CN111876639A - 一种汽车立柱用7000系铝合金及其板材的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车立柱用7000系铝合金及其板材的制造方法，属于合金材料技术领域。其中所述的汽车立柱用7000系铝合金，按重量百分比计由以下组分组成：Si≤0.05％，Fe≤0.1％，Cu 1.2～1.8％，Mn≤0.1％，Mg 2.2～2.6％，Cr≤0.1％，Zn 5.5～6.0％，Ti≤0.1％，Zr 0.04～0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量≤0.1％。按本发明所述配方及方法制得的板材具有更高的力学性能(抗拉强度在540MPa以上，屈服强度在460MPa以上，延伸率大于14％)，而且热冲压成型合格率高(热冲压成型合格率在95％以上)。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金材料，具体涉及一种汽车立柱用7000系铝合金及其板材的制造方法。
背景技术
为了提高新能源汽车的续航能力，使用轻质铝合金材料制造加工汽车零部件成为现代广泛采用的汽车轻量化方式。据测算，汽车每减重10％，续航里程可提高约5.5％。目前新能源汽车用铝合金主要为5000系和6000系铝合金，由于强度较低，抗拉强度在400MPa以下，因此该类铝合金主要用作汽车的覆盖件、装饰件等承力要求较低的部件，难以用作汽车承力结构件。
7000系铝合金属于超高强铝合金，其抗拉强度可达500MPa以上，是理想的结构材料，但是由于成型困难，加之其性能对加工和热处理技术要求高，导致该系合金在新能源汽车上的应用受到极大限制。高温可以改善7000系铝合金的成型性，公开号为CN106756673A的发明专利公开了一种7075铝合金材料汽车B柱的加工工艺，该工艺通过高温固溶处理使7075铝合金得以软化，然后进行冲压成型，并借助冲压模具的冷却使成型后的合金快速淬火到室温状态。一体化热成型技术的应用有助于7000系合金直接应用现有的钢制汽车立柱生产线进行铝制汽车零部件的生产制造。然而7000系合金淬火敏感性较高，由于固溶后的合金在转移至冲压模具时温度会发生明显下降，加之冲压过程会导致合金温度升高，这使得成型淬火过程中7000系合金的固溶淬火效果差，时效后零部件的强度较低。因此，该发明(CN106756673A)中7075铝合金时效后的抗拉强度在480～520MPa，这大大低于7075-T6合金通常条件下的抗拉强度值(570MPa左右)。合金强度的降低，在保证安全的前提条件下，新能源汽车立柱的截面厚度必然需要增加，而厚度的增加在降低铝制汽车部件轻量化效果的同时还增加了设计和成型难度。
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种适宜于一体化热成型处理的7000系铝合金及其板材的制造方法，以降低合金的淬火敏感性并提高其高温成型性，从而制造出成型性好、强度高的新能源汽车立柱用铝板材。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适宜于通过一体化热成型技术生产新能源汽车立柱用7000系铝合金及其板材的制造方法，在确保合金板材冲压性能良好的基础上，使产品具有更高的力学性能(抗拉强度在540MPa以上，屈服强度在460MPa以上，延伸率大于14％)，而且热冲压成型合格率高(热冲压成型合格率在95％以上)。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种汽车立柱用7000系铝合金，按重量百分比计，它由以下组分组成：
Si≤0.05％，Fe≤0.1％，Cu 1.2～1.8％，Mn≤0.1％，Mg 2.2～2.6％，Cr≤0.1％，Zn 5.5～6.0％，Ti≤0.1％，Zr 0.04～0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量≤0.1％。
进一步的，本发明所述汽车立柱用7000系铝合金的组成按重量百分比计优选为：Si≤0.05％，Fe≤0.1％，Cu 1.2～1.5％，Mn≤0.1％，Mg 2.3～2.5％，Cr≤0.1％，Zn 5.6～5.9％，Ti≤0.1％，Zr 0.05～0.09％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量≤0.1％。
本发明还提供将上述汽车立柱用7000系铝合金加工成板材的制造方法，包括熔炼铸造、均热处理、预热及热轧、冷轧、三级退火处理、横切开板、热冲压成型和时效处理步骤，其中，所述三级退火处理步骤中，三级退火处理工艺为：100～200℃/12～48h+200～300℃/12～48h+300～450℃/12～48h。
上述制造方法的熔炼铸造步骤与现有技术相同，具体是将铝合金于740～760℃熔炼，然后制成铸锭，优选是制成扁锭(厚度优选为400～700mm)。
上述制造方法的均热处理步骤中，均热处理采用三级均匀化热处理，具体的工艺为：400～450℃/2～8h+420～470℃/4～24h+430～480℃/12～48h。
上述制造方法的预热及热轧步骤中，预热优选控制在510±5℃条件下进行，时间为4～20h；热轧温度与预热温度相同，热轧终轧温度控制在300～350℃。在热轧时，热轧的变形道次通常为14～18道次，总变形量为90～99％。在本申请中，通常是将均热处理后的铸锭最终热轧至厚度为4.0～6.0mm的热轧铝合金板。
上述制造方法的冷轧步骤中，冷轧的变形道次为3～4道次，总变形量为40～75％，控制冷轧终轧温度为80～130℃。在本申请中，通常是将热轧铝合金板冷轧至厚度为1.5～2.5mm的冷轧铝合金板。
当铝合金经过上述熔炼铸造、均热处理、预热及热轧、冷轧、三级退火处理步骤后，得到成品卷材。所得成品卷材需要根据客户需求裁切成相应规格，即本发明所述方法的横切开板步骤。
上述制造方法的热冲压成型步骤中，热冲压成型温度490±3℃，热冲压成型模具采用室温水循环冷却。经成型后的样品进行时效处理，时效温度为100～170℃，时间12～24h。
与现有技术相比，本发明通过添加Zr元素，同时调控Zn、Mg、Cu元素含量，改善合金的淬火敏感性，从而减少热冲压成型淬火过程中合金固溶度的下降，以提高合金时效后的强度；进一步的，本发明采用多级低温退火处理，抑制热冲压成型淬火过程中再结晶的发生，并调控再结晶织构和轧制织构的比例，在保持合金高强度的同时，提高板材的冲压性能；再者，采用三级均热处理工艺改善板材组织和性能的均匀性，进一步提高其冲压性能；通过本发明方法一步一步相互作用和影响，能有效降低合金的淬火敏感性、改善合金的冲压性能(热冲压成型合格率在95％以上)，因而有利于通过一体化热成型技术制得成型性好、强度高的新能源汽车用7000系铝立柱，所得立柱的抗拉强度在540MPa以上，屈服强度在460MPa以上，延伸率大于14％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述，以更好地理解本发明的内容，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
一种汽车立柱用7000系铝合金，其中各合金元素的重量百分比计为：
Si 0.043％，Fe 0.092％，Cu 1.320％，Mn 0.057％，Mg 2.423％，Cr 0.081％；Zn5.855％，Ti 0.032％，Zr 0.069％，余量为Al和不可避免的杂质，所述单个不可避免的杂质≤0.005％，杂质总和≤0.1％。
将上述汽车立柱用7000系铝合金加工成板材的制造方法，包括以下步骤：
1)熔炼、铸造：将各种合金元素按重量百分比混合，于750℃熔炼6h，之后于730℃保温7h，经除气、过滤后制成铸锭(规格为420mm×1650mm×7000mm的扁锭)；
2)均热处理：将铸锭进行三级均匀化热处理，具体的工艺为：420℃/6h+450℃/12h+470℃/12h，出炉冷却，冷却后切头尾铣面，上下表面各铣面15mm，侧边铣面15mm，即得均热处理后的铸锭；
3)预热及热轧：将均热处理后的铸锭升温至510℃(升温速率为200℃/h)进行预热，料温到达指定温度后保温时间18h；之后保持预热温度热轧至厚度为5.0±0.03mm(热轧的变形道次为16道次，总变形量为98％，轧制速度为100～150m/min)，控制热轧终轧温度为330℃，自然冷却，得到热轧铝合金板；
4)冷轧：将热轧铝合金板冷轧至厚度为2.0±0.05mm(冷轧的变形道次为3道次，总变形量为60％，轧制速度为620m/min)，控制冷轧终轧温度为115℃，得到冷轧铝合金板；
5)三级退火处理：将冷轧铝合金板进行三级退火处理，所述三级退火处理工艺为：150℃/24h+250℃/24h+400℃/24h，出炉冷却，得到成品卷材；
6)横切开板：将成品卷材按需进行开卷、切板，得到7000系铝合金板材(规格为：厚度2.0±0.05mm，宽度1600±0.5mm，长度2000±2mm)；
7)热冲压成型：将所得7000系铝合金板材进行热冲压成型，热冲压成型温度为490±3℃，热成型模具采用室温水循环冷却，得到成型后的样品；
8)时效处理：将所得成型后的样品进行时效处理，时效温度为120℃，时间为24h。
本实施例中，热冲压成型合格率为97％；本实施例最终制得的成品的抗拉强度为565MPa，屈服强度为492MPa，延伸率为16％。
对比例1
一种汽车立柱用7075系铝合金，其中各合金元素的重量百分比计为：
Si 0.096％，Fe 0.208％，Cu 1.38％，Mn 0.06％，Mg 2.44％，Cr 0.2％，Zn5.7％，Ti≤0.022％，余量为Al和不可避免的杂质，所述单个不可避免的杂质≤0.005％，杂质总和≤0.1％。
将上述汽车立柱用7075系铝合金加工成板材的制造方法：除步骤7)中热冲压成型温度为475±3℃(温度过高容易发生过烧现象)之外，其余同实施例1。
本对比例中，热冲压成型合格率为87％；本对比例最终制得的成品的抗拉强度为520MPa，屈服强度为450MPa，延伸率为12％。
对比例2
一种汽车立柱用7000系铝合金，其中各合金元素的重量百分比计同实施例1。
将上述汽车立柱用7000系铝合金加工成板材的制造方法，除省略步骤5)之外，其余同实施例1。
本对比例中，热冲压成型合格率为83％；最终制得的成品的抗拉强度为520MPa，屈服强度为450MPa，延伸率为13％。
对比例3
一种汽车立柱用7000系铝合金，其中各合金元素的重量百分比计同实施例1。
将上述汽车立柱用7000系铝合金加工成板材的制造方法，除步骤5)按下述操作进行退火之外，其余同实施例1。
5)退火：将冷轧铝合金板进行单级退火处理，退火温度为440℃，保温时间为24h，出炉冷却，得到成品卷材；
本对比例中，热冲压成型合格率为98％；最终制得的成品的抗拉强度为460MPa，屈服强度为400MPa，延伸率为14％。
实施例2
一种汽车立柱用7000系铝合金，其中各合金元素的重量百分比计为：
Si 0.051％，Fe 0.084％，Cu 1.513％，Mn 0.069％，Mg 2.237％，Cr 0.075％，Zn6.0％，Ti 0.053％，Zr 0.04％，余量为Al和不可避免的杂质，所述单个不可避免的杂质≤0.005％，杂质总和≤0.1％。
将上述汽车立柱用7000系铝合金加工成板材的制造方法，包括以下步骤：
1)熔炼、铸造：将各种合金元素按重量百分比混合，于740℃熔炼7h，之后于740℃保温5h，经除气、过滤后制成铸锭(规格为420mm×1650mm×7000mm的扁锭)；
2)均热处理：将铸锭进行三级均匀化热处理，具体的工艺为：450℃/3h+470℃/24h+480℃/24h，出炉冷却，冷却后切头尾铣面，上下表面各铣面15mm，侧边铣面15mm，即得均热处理后的铸锭；
3)预热及热轧：将均热处理后的铸锭升温至515℃(升温速率为202℃/h)进行预热，料温到达指定温度后保温时间5h；之后保持预热温度热轧至厚度为4.0±0.03mm(热轧的变形道次为16道次，总变形量为97％，轧制速度为100～150m/min)，控制热轧终轧温度为350℃，自然冷却，得到热轧铝合金板；
4)冷轧：将热轧铝合金板冷轧至厚度为2.0±0.05mm(冷轧的变形道次为4道次，总变形量为50％，轧制速度为650m/min)，控制冷轧终轧温度为80℃，得到冷轧铝合金板；
5)三级退火处理：将冷轧铝合金板进行三级退火处理，所述三级退火处理工艺为：200℃/12h+300℃/12h+450℃/12h，出炉冷却，得到成品卷材；
6)横切开板：将成品卷材按需进行开卷、切板，得到7000系铝合金板材(规格为：厚度2.0±0.05mm，宽度1600±0.5mm，长度2000±2mm)；
7)热冲压成型：将所得7000系铝合金板材进行热冲压成型，热冲压成型温度为490±3℃，热成型模具采用室温水循环冷却，得到成型后的样品；
8)时效处理：将所得成型后的样品进行时效处理，时效温度为110℃，时间为24h。
本实施例中，热冲压成型合格率为95％；本实施例最终制得的成品的抗拉强度为550MPa，屈服强度为487MPa，延伸率为15％。
实施例3
一种汽车立柱用7000系铝合金，其中各合金元素的重量百分比计为：
Si 0.038％，Fe 0.075％，Cu 1.8％，Mn 0.078％，Mg 2.586％，Cr 0.068％，Zn5.574％，Ti 0.089％，Zr 0.975％，余量为Al和不可避免的杂质，所述单个不可避免的杂质≤0.005％，杂质总和≤0.1％。
将上述汽车立柱用7000系铝合金加工成板材的制造方法，包括以下步骤：
1)熔炼、铸造：将各种合金元素按重量百分比混合，于760℃熔炼5h，之后于730℃保温7h，经除气、过滤后制成铸锭(规格为420mm×1650mm×7000mm的扁锭)；
2)均热处理：将铸锭进行三级均匀化热处理，具体的工艺为：400℃/8h+420℃/12h+480℃/24h，出炉冷却，冷却后切头尾铣面，上下表面各铣面15mm，侧边铣面15mm，即得均热处理后的铸锭；
3)预热及热轧：将均热处理后的铸锭升温至505℃(升温速率为199℃/h)进行预热，料温到达指定温度后保温时间10h；之后保持预热温度热轧至厚度为6.0±0.03mm(热轧的变形道次为16道次，总变形量为98％，轧制速度为100～150m/min)，控制热轧终轧温度为300℃，自然冷却，得到热轧铝合金板；
4)冷轧：将热轧铝合金板冷轧至厚度为2.0±0.05mm(冷轧的变形道次为3道次，总变形量为40％，轧制速度为600m/min)，控制冷轧终轧温度为130℃，得到冷轧铝合金板；
5)三级退火处理：将冷轧铝合金板进行三级退火处理，所述三级退火处理工艺为：100℃/48h+200℃/24h+300℃/12h，出炉冷却，得到成品卷材；
6)横切开板：将成品卷材按需进行开卷、切板，得到7000系铝合金板材(规格为：厚度2.0±0.05mm，宽度1600±0.5mm，长度2000±2mm)；
7)热冲压成型：将所得7000系铝合金板材进行热冲压成型，热冲压成型温度为490±3℃，热成型模具采用室温水循环冷却，得到成型后的样品；
8)时效处理：将所得成型后的样品进行时效处理，时效温度为130℃，时间为24h。
本实施例中，热冲压成型合格率为98％；本实施例最终制得的成品的抗拉强度为573MPa，屈服强度为504MPa，延伸率为15％。
Claims (7)
1.一种汽车立柱用7000系铝合金，其特征在于，按重量百分比计，它由以下组分组成：
Si≤0.05％，Fe≤0.1％，Cu 1.2～1.8％，Mn≤0.1％，Mg 2.2～2.6％，Cr≤0.1％，Zn5.5～6.0％，Ti≤0.1％，Zr 0.04～0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质的总量≤0.1％。
2.将权利要求1所述汽车立柱用7000系铝合金加工成板材的制造方法，包括熔炼铸造、均热处理、预热及热轧、冷轧、三级退火处理、横切开板、热冲压成型和时效处理步骤，其特征是，所述三级退火处理步骤中，三级退火处理工艺为：100～200℃/12～48h+200～300℃/12～48h+300～450℃/12～48h。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征是，所述均热处理步骤中，均热处理工艺为：400～450℃/2～8h+420～470℃/4～24h+430～480℃/12～48h。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征是，所述预热及热轧步骤中，预热在510±5℃条件下进行，时间为4～20h；热轧温度与预热温度相同，热轧终轧温度控制在300～350℃。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征是，所述预热及热轧步骤中，热轧至厚度为4.0～6.0mm。
6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征是，所述冷轧步骤中，冷轧的变形道次为3～4道次，总变形量为40％～75％。
7.根据权利要求2所述的制造方法，其特征是，所述冷轧步骤中，冷轧至厚度为1.5～2.5mm。
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