CN112442618B - 一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料及其制备方法 - Google Patents

一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型碰撞用Al‑Mg‑Si铝合金吸能材料及其制备方法，属于铝合金材料技术领域，Al‑Mg‑Si铝合金吸能材料含有如下质量百分比的物质：Si：0.65‑0.85％，Fe≤0.15％，Cu：0.30‑0.35，Mn：0.60‑0.75％，Mg：0.65‑0.75％，Cr：0.20‑0.30％，Ti≤0.1％，其余单个杂质含量≤0.05％；其余杂质合计≤0.15％；余量为Al。本发明通过在合金中增加了大量的Mn元素，可以有效阻止再结晶过程，提高型材再结晶温度，使其在挤压过程中显著细化再结晶晶粒，进而提高了材料的吸能能力。

Description

一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，涉及一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料及其制备方法。
背景技术
在汽车生产中，为达到企业平均燃油效率(CAFE)标准，轻量化是新汽车的研究方向之一。为解决这一现象，汽车厂商开始使用铝合金替代传统钢铁材料。Al-Mg-Si-Cu合金因其优异的性能，已经被大范围应用于汽车车身中。而为了增加汽车车身的安全性，除了一些常见的安全装置外，碰撞吸能部件是必不可少的，但现有吸能元件仍多为传统的钢结构。
铝合金因具有较好的碰撞吸能性能与成型性能已被应用于吸能结构设计中。在汽车车身上应用的铝合金型材经常需要承受一定的冲击载荷，因此铝合金受到碰撞冲击时的吸能性能备受关注。
因此，有必要研发一种具有吸能性能的新型铝合金，以扩展铝合金的应用领域，实现轻量化目标。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料及其制备方法，以提高合金的吸能能力。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料，含有如下质量百分比的物质：Si：0.65-0.85％，Fe≤0.15％，Cu：0.30-0.35，Mn：0.60-0.75％，Mg：0.65-0.75％，Cr：0.20-0.30％，Ti≤0.1％，其余单个杂质含量≤0.05％；其余杂质合计≤0.15％；余量为Al。
一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料的制备方法，包括以下步骤：铝锭制备：根据Al-Mg-Si铝合金吸能材料的成分配比制备铝锭；均匀化热处理：温度为575±5℃，时间为4.5±0.5h，升温速率为80±1℃/h，出炉后直接冷却，冷却速率大于10℃/min；挤压加工：用挤压模具对铝锭进行挤压加工得到型材；时效处理：将挤出的型材在4±0.5h内进行预时效处理，然后再进行人工时效处理，预时效处理的温度为160±3℃，时间为10±2min，人工时效处理的温度为205±3℃，时间为7±0.5h。
可选地，在挤压加工后直接进行在线淬火处理，在在线淬火处理后直接进行短时预时效处理，短时预时效处理的工艺为160℃x10min。
可选地，均匀化热处理中铝锭出炉后直接采用水冷冷却，冷却后车去5mm厚的外皮。
可选地，挤压加工为热挤压加工，铝锭的加热温度为495～525℃，挤压速度为2.9～3.2m/min。
可选地，在挤压加工后，进行淬火处理的进淬温度为470～490℃，出淬温度为25±5℃。
可选地，在挤压加工后，型材采用两级淬火冷却方式冷却，第一级冷却为强水雾方式冷却，第二级冷却为穿水方式冷却。
可选地，将挤压加工后的型材在线冷却，将冷却后的型材拉伸校直，拉伸校直量为1.5-2.7％。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过在Al-Mg-Si合金中增加了大量的Mn元素，可以有效阻止再结晶过程，提高型材再结晶温度，使其在挤压过程中显著细化再结晶晶粒，进而提高了材料的吸能能力。
2.本发明通过在在线淬火处理后立即在160℃x10min的条件下进行短时预时效处理，可在基体中析出另一种原子团簇，为Cluster2，与β″相似，可以充当β″的形核点。Cluster2的生成可以有效缓解合金中溶质原子的过饱和度，有效抑制自然时效过程中原子团簇的聚集，随后进行人工时效后可以获得相比直接进行人工时效更高的强度，进而提高了材料的吸能能力，实现了在保证合金强度不变的同时提升了其吸能性能。
3.本发明通过调整Al-Mg-Si合金成分范围，改进铝合金生产工艺，设定合理的预处理及人工时效工艺，提升了Al-Mg-Si铝合金吸能性能，同时保证了合金的其他性能。
4.本发明通过增强Al-Mg-Si铝合金的吸能性能，提升了铝合金作为吸能元件时的安全性，扩大了铝合金在交通产品上的应用范围。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为现有合金6005A型材时效后合金晶粒度示意图；
图2为本发明的合金型材时效后合金晶粒度示意图；
图3为现有合金6005A与本发明合金力学性能对比图；
图4为合金在不同状态下的载荷-位移曲线图；
图5为现有合金6005A与本发明合金经预时效处理后载荷及吸能变化图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图5，一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料，含有如下质量百分比的物质：Si：0.65-0.85％，Fe≤0.15％，Cu：0.30-0.35，Mn：0.60-0.75％，Mg：0.65-0.75％，Cr：0.20-0.30％，Ti≤0.1％，其余单个杂质含量≤0.05％；其余杂质合计≤0.15％；余量为Al。
本发明通过提高Mg、Si合金含量，致使合金中过剩的Si含量增加，进而提升合金的强度和铸造流动性；另外，由于现阶段吸能元件仍采用焊接的方式连接，过剩的Si还能增加合金的可焊性；考虑吸能元件工作环境，在合金中适当增加Cu元素的含量，Cu能促进β＂相的形核，改善合金的热加工塑性，提升合金的热稳定性，扩大合金的服役范围，本合金在熔铸后进行挤压，Cu元素能够抑制挤压效应，增加合金晶粒的均匀性。合金中增加了大量的Mn元素，可以有效阻止再结晶过程，提高型材再结晶温度，使其在挤压过程中显著细化再结晶晶粒。
一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料的制备方法，包括以下步骤：铝锭制备：根据Al-Mg-Si铝合金吸能材料的成分配比制备铝锭；均匀化热处理：温度为575±5℃，时间为4.5±0.5h，升温速率为80±1℃/h，出炉后直接冷却，冷却速率大于10℃/min；挤压加工：用挤压模具对铝锭进行挤压加工得到型材；时效处理：将挤出的型材在4±0.5h内进行预时效处理，然后再进行人工时效处理，预时效处理的温度为160±3℃，时间为10±2min，人工时效处理的温度为205±3℃，时间为7±0.5h。
本发明采用在挤压加工后直接进行在线淬火处理，在在线淬火处理后直接进行短时预时效处理，短时预时效处理的工艺为160℃x10min。
在线淬火处理后立即在(160℃x10min)进行短时预时效，此时基体中会析出另一种原子团簇，为Cluster2，与β″相似，可以充当β″的形核点。Cluster2的生成可以有效缓解合金中溶质原子的过饱和度，有效抑制自然时效过程中原子团簇的聚集，随后进行人工时效后可以获得相比直接进行人工时效更高的强度。
优选地，均匀化热处理中铝锭出炉后直接采用水冷冷却，冷却后车去5mm厚的外皮。
优选地，挤压加工为热挤压加工，铝锭的加热温度为495～525℃，挤压速度为2.9～3.2m/min。
优选地，在挤压加工后，进行淬火处理的进淬温度为470～490℃，出淬温度为25±5℃。
优选地，在挤压加工后，型材采用两级淬火冷却方式冷却，第一级冷却为强水雾方式冷却，第二级冷却为穿水方式冷却。
优选地，将挤压加工后的型材在线冷却，将冷却后的型材拉伸校直，拉伸校直量为1.5-2.7％。
实施例
一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料的制备方法，包括以下步骤：
配料：计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，使合金成分质量百分比控制在：Si：0.65-0.85％，Fe≤0.15％，Cu：0.30-0.35，Mn：0.60-0.75％，Mg：0.65-0.75％，Cr：0.20-0.30％，Ti≤0.1％，其余单个杂质含量≤0.05％；其余杂质合计≤0.15％；余量为Al。
熔铸：使用常规半连续铸造方式，铸造铸棒。
均匀化热处理：(575±5℃x4.5h)，升温速率为80±1℃/h，加热过程中实时监控铸锭温度，出炉后直接进行水冷，冷却速率大于10℃/min，冷却后车床车去5mm厚的外皮。
挤压：铝合金铸锭的加热温度为495-525℃，挤压速度为2.9-3.2m/min，进淬温度为470-490℃，出淬温度为25±5℃，防止晶粒过度长大，挤压后的冷却方式综合考虑强度与塑性方面为两个阶段，第一阶段是强水雾方式冷却，第二阶段为穿水方式冷却。冷却后的型材拉伸校直量为1.5-2.7％。
时效处理：挤出的型材要在4h内进行预时效以保证人工时效后获得较高韧性。预时效工艺为(160±3℃x10min)，人工时效工艺为(205±3℃x7h)。
采用预时效可以显著的减少自然时效所带来的负面影响，可以很好的提高其后续人工时效的整体性能。这是因为在预时效过程中Cluster2原子团簇的形成可以很大程度上降低铝基体中溶质原子的过饱和度，这样就很好的抑制了自然时效过程中原子团簇的形成，从而抑制了自然时效的负面效应。
如图1所示，为常用的6005A合金材质的挤压型材时效后晶粒度示意图，6005A合金经挤压后皮质层厚度达到0.479mm，
图2为采用本实施例的合金成分的挤压型材时效后晶粒度示意图，合金经时效处理后的合金组织呈纤维状，在外侧出现部分再结晶现象，形成粗晶，但晶粒细小，这是由于合金中Mn、Cr元素具有良好的抑制再结晶的作用，所以粗晶层厚度较小，很好的增加了合金组织的均匀性，合金中添加过量的Mn元素，型材结晶相及弥散相粒子数量也会随着增加，结晶相在挤压过程中被挤碎，并沿挤压方向分布，从而使合金组织纤维化，弥散相粒子钉扎晶界阻碍再结晶过程。因此，当型材进行压缩试验时，细小的晶粒间受力平均，可以使其变形均匀，从而减少裂纹的产生，作为吸能材料，可以尽可能的吸收更多能量。
如图3所示，为合金经预处理及人工时效后力学性能变化图，预时效工艺(160℃x10min)和人工时效(205℃x5h)后合金的强度相较于直接人工时效(205℃x5h)抗拉强度增强5.6％，延伸率变化不大。这是由于预时效时形成的β″形核点在后续人工时效后形成了更多的β″，从而提高强度。同理，预时效(160℃x10min)和人工时效(205℃x7h)后合金的强度相较于直接人工时效(205℃x7h)抗拉强度增强了5.4％。而预时效(160℃x10min)和人工时效(205℃x7h)后合金的强度比直接人工时效(205℃x5h)抗拉强度仅仅下降4MPa，且伸长率高于预时效(160℃x10min)和人工时效(205℃x5h)后合金13.16％，其进行压缩试验时变形情况均匀，在相同压力下可以承受的载荷将会增加，代表此时合金吸能能力也在增强。
图4为不同合金在不同状态下的载荷-位移曲线，其中，曲线1为6005A型材经人工时效(205℃x5h)后的载荷-位移曲线，曲线2为本发明新合金型材直接人工时效(205℃x5h)后的载荷-位移曲线，曲线3为本发明新合金型材预时效(160℃x10min)和人工时效(205℃x7h)后的载荷-位移曲线。该图很好地反应了合金经过预处理后材料吸能变化情况，根据公式(1)能够计算吸收功，
Figure BDA0002795580140000051
式中S为试验过程中试样的瞬时位移。通过公式(1)计算，绘制合金经预时效处理后载荷及吸能变化如图5所示，其中，4为载荷变化图，5为吸能变化图。预时效(160℃x10min)和人工时效(205℃x7h)后新合金对比人工时效(205℃x5h)合金抗拉强度相近，但其最大载荷为307KN，压缩吸收功增加26.5％，压缩性能对比见图5。
本发明通过调整合金成分及后续生产工艺，提高了材料的力学性能和吸能性能；通过预时效可以在保证合金强度不变的同时提升其吸能性能，与现有技术相比对，吸能性能有不同程度的提升。本发明增强了合金的吸能性能，提升了铝合金作为吸能元件时的安全性，进而扩展了铝合金的应用领域，对于实现轻量化目标，具有极强的科学意义及现实意义。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
铝锭制备：根据Al-Mg-Si铝合金吸能材料的成分配比制备铝锭；Al-Mg-Si铝合金吸能材料含有如下质量百分比的物质：Si：0.65-0.85％，Fe≤0.15％，Cu：0.30-0.35，Mn：0.60-0.75％，Mg：0.65-0.75％，Cr：0.20-0.30％，Ti≤0.1％，其余单个杂质含量≤0.05％；其余杂质合计≤0.15％；余量为Al；
均匀化热处理：温度为575±5℃，时间为4.5±0.5h，升温速率为80±1℃/h，出炉后直接冷却，冷却速率大于10℃/min；
挤压加工：用挤压模具对铝锭进行热挤压加工得到型材；
在线淬火处理：在挤压加工后直接进行在线淬火处理，并采用两级淬火冷却方式冷却，其中，第一级冷却为强水雾方式冷却，第二级冷却为穿水方式冷却；淬火处理的进淬温度为470～490℃，出淬温度为25±5℃；
时效处理：将挤出的型材在4±0.5h内进行预时效处理，然后再进行人工时效处理，预时效处理的温度为160±3℃，时间为10±2min，人工时效处理的温度为205±3℃，时间为7±0.5h。
2.根据权利要求1所述的一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料的制备方法，其特征在于：均匀化热处理中铝锭出炉后直接采用水冷冷却，冷却后车去5mm厚的外皮。
3.根据权利要求1所述的一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料的制备方法，其特征在于：铝锭的加热温度为495～525℃，挤压速度为2.9～3.2m/min。
4.根据权利要求1所述的一种新型碰撞用Al-Mg-Si铝合金吸能材料的制备方法，其特征在于：将挤压加工后的型材在线冷却，将冷却后的型材拉伸校直，拉伸校直量为1.5-2.7％。
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