CN112626385A - 一种高塑性快速时效响应的铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属金属材料技术领域，公开了一种高塑性快速时效响应的铝合金及其制备方法和应用，按重量百分比计包括Mg 0.6‑1.0％、Si 1.0‑1.5％、Cu 0.1‑0.4％、Mn 0.05‑0.10％和Fe 0.1‑0.20％。本发明基于微合金化原理，采用低Mg/Si、适量Cu含量，形成高密度分布含Cu元素的Mg2Si相，并实现铝合金在烤漆时效过程中快速时效强化；本发明还控制了Mn、Fe含量及其配比，通过双级均匀化处理，控制AlMnFeSi相尺寸、含量、形态与分布，有效抑制裂纹萌生，提高合金塑性与韧性。通过本发明可获得快速时效响应的铝合金，适合应用于汽车车身结构的加工和生产，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高塑性快速时效响应的铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
6xxx系铝合金(即Al-Mg-Si系合金)，由于其具有中高强度和高成型性等，成为新一代汽车轻量化的首选材料。铝合金车身板经过自然时效预处理、冲压成型、烤漆硬化三个步骤，要求在冲压成型前的抑制合金自然时效强化，而成型后烤漆阶段快速时效响应。而为了提高Al-Mg-Si系铝合金的强度，通常通过提高Mg、Si、Cu元素含量的方式，然而这样不但提高了合金自然时效的强度，也降低了汽车铝合金板材的成型性能，并不符合现代生产的需求。因此如何优化Cu元素含量，以提高合金强度、塑性与耐蚀性是合金设计重要因素。同时，微量Mn、Fe元素是提高合金塑性另一重要的影响因素。
发明内容
本发明提出一种高塑性快速时效响应的铝合金及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。本发明基于微合金化原理，通过设计多元微合金化快速时效响应铝合金材料，以满足汽车车身板成型性与烤漆硬化需求。
为了克服上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种铝合金，含主要组分Al，按重量百分比计，还包括如下组分：Mg 0.6-1.0％、Si1.0-1.5％、Cu 0.1-0.4％、Mn 0.05-0.10％和Fe 0.1-0.20％。
优选地，按重量百分比计，所述铝合金包括如下组分：Mg 0.6-0.9％、Si 1.1-1.3％、Cu 0.2-0.3％、Mn 0.05-0.10％和Fe 0.1-0.20％。
作为上述方案的进一步改进，按重量百分比计，所述铝合金中的杂质元素的含量≤0.15％。
作为上述方案的进一步改进，Mg与Si的质量比为(0.60-0.75):1。
作为上述方案的进一步改进，Cu与(Mg+Si)的质量比为(0.14-0.22):1。
作为上述方案的进一步改进，Mg与Fe的质量比为(0.50-0.65):1。
一种如本发明所述的铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)原料准备：称取所述的铝合金的配方含量的原料，备用；
2)制备合金铸锭：将所述原料经熔炼、精炼和浇注，得到合金铸锭；
3)双级均匀化热处理：将步骤2)所得的合金铸锭进行双级均匀化热处理；
4)热挤压：将经步骤3)所得的试样进行热挤压，再经在线水冷；
5)烤漆时效处理：将经步骤4)所得的试样进行烤漆时效处理，得所述的铝合金；
其中，步骤3)中所述双级均匀化热处理的过程为：将所述合金铸锭从室温升温至450-480℃，保温15-30h；再继续升温至500-540℃，保温15-30h；然后降温至100℃以下，即完成。
需要说明的是，本发明中将原料进行熔炼的过程为：在735-755℃温度条件下，先将高纯铝锭熔化，随后加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Si15中间合金，待中间合金熔化后加入99.99％镁以及覆盖剂，得到完全熔化的金属熔液。
所述精炼的过程为：在完全熔化的金属熔液中加入六氯乙烷进行除气处理，并充分搅拌，精炼时金属温度维持在730℃-750℃的范围内，精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟。
所述浇注的过程为：将金属熔液温度降至700℃-720℃，然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，充分静置后将金属熔液浇入温度为420℃-450℃金属模具内，即可获得合金铸锭。
作为上述方案的进一步改进，步骤4)中，所述热挤压时的温度为540-550℃、挤压比15-36、挤压速率为5-35m/min。
作为上述方案的进一步改进，步骤5)中，所述烤漆时效处理的温度为160℃-190℃，所述烤漆时效处理的时长为0.5h。
本发明所述的铝合金在汽车车身结构领域中的应用。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种高塑性快速时效响应的铝合金及其制备方法和应用，较现有技术而言，本发明具有如下优越性：
(1)本发明采用低Mg/Si、适量Cu含量，形成高密度分布含Cu元素的Mg2Si相，并实现铝合金在烤漆时效过程中快速时效强化；
(2)控制了Mn、Fe含量及其配比，通过双级均匀化处理，控制AlMnFeSi相尺寸、含量、形态与分布，有效抑制裂纹萌生，提高合金塑性与韧性。
(3)通过本发明可获得快速时效响应的铝合金，适合应用于汽车车身结构的加工和生产，应用前景广泛。
附图说明
图1是实施例1所得的铝合金的显微组织图；图2是对比例3所得铝合金的显微组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明所作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。同时，下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或提取方法为均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或提取方法。
实施例1-3及对比例1-3
表1-1实施例1-3(铸锭号分别对应1#-3#)和对比例1-3(铸锭号分别对应4#-6#)，分别所得铝合金的组分及重量百分比。
| 铸锭号 | 组别 | Mg | Si | Cu | Mn | Fe | Al |
| 1# | 实施例1 | 0.75 | 1.1 | 0.25 | 0.1 | <0.2 | 余量 |
| 2# | 实施例2 | 0.8 | 1.1 | 0.30 | 0.1 | <0.2 | 余量 |
| 3# | 实施例3 | 0.9 | 1.2 | 0.30 | 0.1 | <0.2 | 余量 |
| 4# | 对比例1 | 1.1 | 0.8 | 0.30 | 0.1 | <0.2 | 余量 |
| 5# | 对比例2 | 0.8 | 1.1 | - | 0.1 | <0.2 | 余量 |
| 6# | 对比例3 | 0.75 | 1.1 | 0.25 | 0.30 | <0.5 | 余量 |
铝合金的制备方法为：
1)配比原料：按照表1-1所述的组分及其重量百分比配比原料，并以高Mg/Si的4#合金、未添加Cu元素的5#合金以及高Mn、Fe元素含量的6#合金作为对比；
2)原料熔炼：在745℃温度条件下，先将高纯铝锭熔化，随后加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Si15中间合金，待中间合金熔化后加入99.99％镁以及覆盖剂；
3)精炼：在完全熔化的金属熔液中加入六氯乙烷进行除气处理，并充分搅拌，精炼时金属温度维持在740℃的范围内，精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；
4)浇注：将金属熔液温度降至730℃，然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，充分静置后将金属熔液浇入温度为420℃金属模具内，即可获得合金铸锭；
5)双级均匀化热处理：将熔炼铸造后的合金试样升温至460℃保温18h；再继续升温到520℃保温16h，然后随炉降温至100℃时，取出试样；
6)热挤压：将步骤5)处理后的试样在挤压温度545℃，挤压比25，挤压速率20m/min的条件下进行热挤压，随后在线水冷却；
7)烤漆时效处理：将步骤6)得到的试样转移到180℃的等温时效炉中进行0.5h的烤漆时效处理，所得铝合金成品分别记为1#-6#铝合金。
产品性能测试1
分别将实施例1-3、对比例1-3所得的，在经烤漆时效处理后的铝合金进行抗拉强度、屈服强度、延伸率和盐雾腐蚀速率的检测。所得结果如下表1-2所示。
表1-2
从表1-2可以看出：本发明所得的高强耐蚀稀土铝合金(实施例1-3所得的1#-3#铝合金成品)在所述工艺下合金抗拉强度超过了350MPa，延伸率超过28％，力学性能与耐蚀性达到汽车结构铝合金要求，具有广泛应用前景；而对比例1-3中可以明显看到，对比例1中高Mg/Si的4#合金，对比例2中未添加Cu元素，对比例3中添加了高Mn、Fe元素含量，分别所得的4#、5#和6#铝合金，虽然形成高含量的AlFeMnSi相，因而提高了合金强度，但降低了合金塑性，并不符合汽车车身结构的要求。
此外，图1是实施例1所得铝合金的显微组织图。从图1可以看出，实施例1所得的铝合金经过双级均匀化热处理后形成了弥散分布的颗粒状的AlMnFeSi相。图2是对比例3所得铝合金，添加较多Mn、Fe元素，形成高含量的AlFeMnSi相，降低了合金塑性。
对比例4
对比例4为7#试样，其与1#试样的制备，区别仅在于，对比例4未采用双级均匀化处理工艺，而是采用常规均匀化的热处理方式，其他工艺相同，具体工艺步骤如下：
1)配比原料：配比原料：按照表1-1所述1#铸锭的组分及其重量百分比配比原料；
2)原料熔炼：在745℃温度条件下，先将高纯铝锭熔化，随后加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Si15中间合金，待中间合金熔化后加入99.99％镁以及覆盖剂；
3)精炼：在完全熔化的金属熔液中加入六氯乙烷进行除气处理，并充分搅拌，精炼时金属温度维持在740℃的范围内，精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；
4)浇注：将金属熔液温度降至730℃，然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，充分静置后将金属熔液浇入温度为420℃金属模具内，即可获得合金铸锭；
5)常规均匀化：将熔炼铸造后的合金试样升温至520℃保温16h，然后随炉降温至100℃时，取出试样；
6)热挤压：将步骤5)处理后的试样在挤压温度545℃，挤压比25，挤压速率20m/min的条件下进行热挤压，随后在线水冷却；
7)烤漆时效处理：将步骤6)得到的试样转移到180℃的等温时效炉中进行0.5h的烤漆时效处理，所得铝合金成品分别记为7#铝合金。
产品性能测试2
分别将实施例1、对比例4分别所得的铝合金进行抗拉强度、屈服强度、延伸率的检测，所得结果如下表1-3所示。
表1-3
从表1-3可以看出：对比例4所得的7#铝合金，由于是用常规均匀化热处理方式，而未采用双级均匀化热处理，所得铝合金的抗拉强度为348MPa，尤其是延伸率为17.9％，性能远低于双级均匀化工艺处理的实施例1所得的铝合金，不能满足汽车结构领域的要求。
对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。
Claims (10)
1.一种铝合金，其特征在于，按重量百分比计，包括如下组分：Mg 0.6-1.0％、Si 1.0-1.5％、Cu 0.1-0.4％、Mn 0.05-0.10％和Fe 0.1-0.20％。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，按重量百分比计，包括如下组分：Mg0.6-0.9％、Si 1.1-1.3％、Cu 0.2-0.3％、Mn 0.05-0.10％和Fe 0.1-0.20％。
3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，按重量百分比计，所述铝合金中的杂质元素的含量≤0.15％。
4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Mg与Si的质量比为(0.6-0.75):1。
5.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Cu与(Mg+Si)的质量比为(0.14-0.22):1。
6.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Mg与Fe的质量比为(0.50-0.65):1。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)原料准备：称取所述的铝合金的配方含量的原料，备用；
2)制备合金铸锭：将所述原料经熔炼、精炼和浇注，得到合金铸锭；
3)双级均匀化热处理：将步骤2)所得的合金铸锭进行双级均匀化热处理，取出试样；
4)热挤压：将经步骤3)所得的试样进行热挤压，再经在线水冷却；
5)烤漆时效处理：将经步骤4)所得的试样进行烤漆时效处理，得所述的铝合金；
其中，步骤3)中所述双级均匀化热处理的过程为：将所述合金铸锭从室温升温至450-480℃，保温15-30h；再继续升温至500-540℃，保温15-30h；然后降温至100℃以下，即完成。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述热挤压时的温度为540-550℃、挤压比15-36、挤压速率为5-35m/min。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述烤漆时效处理的温度为160℃-190℃，所述烤漆时效处理的时长为0.3h-1h。
10.权利要求1-6任一项所述的铝合金在汽车车身结构领域中的应用。
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