CN113584356A - 一种高强度铝合金汽车车身板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度铝合金汽车车身板材及其制备方法，制备铝合金原料的化学元素成分按照质量百分比进行计算，具体包括：Si：5~15 wt.%，Mg：3~5 wt.%，Fe：0.4~0.7 wt.%，Cu：0.20~0.30 wt.%，稀土RE：0.10~0.50 wt.%，Mn：0.30~0.40 wt.%，Ti：0.10~0.20 wt.%，Zn：0.05~0.10 wt.%，P：0.20~0.50 wt.%，V：0.1~0.5 wt.%，其他杂质元素总含量≤0.20 wt.%，所述制备方法中，融入低压铸造和电脉冲处理工艺，获得的铝合金，可以获得很高的抗拉强度，并且由于晶粒的协调变形，使得铝合金材料获得了较高的塑性，提高成形性及力学性能，具有很好的抗时效稳定性和烘烤硬化性，使得该合金能够满足汽车车身用板材材料需求，本发明应用于汽车轻量化铝合金制备领域。

Description

一种高强度铝合金汽车车身板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料工程领域，具体涉及一种高强度铝合金汽车车身板材及其制备方法。
背景技术
铝合金的用量仅次于钢铁材料，广泛应用于航空航天、汽车、航海、化工等领域，在汽车领域，汽车轻量化是未来发展的趋势，铝和铝合金是为实现这一目的首选材料，但是在车辆的运行中，很多部件都是在高温下运行的，如汽车的发动机、活塞等部件，工作温度范围为300~400℃之间，这样就需要考虑到部件在这一温度范围内的力学强度，众所周知，随着温度的提高，晶粒不断长大会降低抗拉强度，根据霍尔-彼奇（Hall-Petch）公式，即晶粒越细小，其硬度越高，抗拉强度越大，反之，晶粒越大，其硬度越低，抗拉强度越小。
1. 发明内容
本发明提供了高强度铝合金汽车车身板材及其制备方法，铝合金原料中加入RE元素，将低压浇铸与电脉冲处理技术结合，制备铝合金，可以获得缺陷较少，组织细化的铝合金，组织细化对合金性能的提高起决定作用。
2. 本发明的技术方案：
一种高强度铝合金汽车车身板材，制备铝合金原料的化学元素成分按照质量百分比进行计算，具体包括：Si：5~15 wt.%，Mg：3~5 wt.%，Fe：0.4~0.7 wt.%，Cu：0.20~0.30wt.%，稀土RE：0.10~0.50 wt.%，Mn：0.30~0.40 wt.%，Ti：0.10~0.20 wt.%，Zn：0.05~0.10wt.%，P：0.20~0.50 wt.%，V：0.1~0.5 wt.%，其他杂质元素总含量≤0.20 wt.%，余量为Al。
作为优选方案，上述RE元素包括镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu）以及钇(Y)和钪(Sc)中的任意一种。
作为优选方案，上述铝合金室温力学强度为600~800MPa，延伸率为10~17%。
一项所述的高强度铝合金汽车车身板材的制备方法，包括步骤如下：
（1）配制铝合金原料：按照汽车车身板材所用铝合金的各元素化学成分的比例称量铝合金原料，原料按照质量百分比进行配制；
（2）真空熔炼： 首先将各个原料加入到真空感应熔炼炉的陶瓷坩埚中，随后于300℃下预热30min，然后升温至800~850℃进行熔炼，熔炼3h后，取出陶瓷坩埚；在坩埚内铝合金熔体中添加六氯乙烷精炼剂以去除铝合金的氢气，静置10min，待温度降到760℃时，捞渣后所获得的铝合金熔体进行低压铸造，将铝合金熔体在0.06~0.15MPa下，由下而上压入铸型型腔，凝固过程中施加电脉冲处理，通过电脉冲处理打碎铝枝晶获得细晶组织以改善合金的力学性能，随后凝固成铝合金铸件，铸件厚度500mm，宽度为1800mm,长度为3000mm的合金铸锭；
（3）均匀化退火：将获得的合金铸锭于箱式热处理炉中在350℃的条件下保温8~12h，随后在460~480℃的条件下，保温24~26h进行均匀化处理；
（4）热轧：将均匀化退火后的合金铸锭，经过辊轧机在450~500℃条件下辊轧成厚度为8~10mm的热轧板；
（5）冷轧：将上述热轧板冷却至室温，然后轧制成厚度为5~7mm的冷轧板；
（6）切割成品：利用锯床将冷轧板切割成汽车车身，获得汽车车身用铝合金成品板材；
（7）固溶处理：将切割后的铝合金成品板材在550~580℃下进行固溶处理，保温2~3h，取出板材，并放入油中做淬火处理，获得固溶板材；
（8）人工时效处理：将处理后的固溶板材在200~300℃进行固溶时效处理，处理时间为20~24h，随后进行炉冷获得铝合金板材。
作为优选方案，上述步骤（2）中的电脉冲处理工艺参数为脉冲电压300~1000V，脉冲频率3~22Hz，脉冲时间15~60s。
作为优选方案，采用本发明所制备的铝合金高温力学强度为600~800MPa，延伸率为10~17%。
作为优选方案，上述制备的汽车车身可应用于高档轿车，货车，电动汽车的汽车车身。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：利用低压浇铸与电脉冲处理技术结合，可以获得超细晶组织，铝晶粒尺寸为100-200 nm，晶粒呈现均匀化分布，可以获得很高的抗拉强度，并且由于晶粒的协调变形，使得铝合金材料获得了较高的塑性，提高成形性及力学性能，具有很好的抗时效稳定性和烘烤硬化性，使得该合金能够满足汽车车身用板材材料需求，本发明应用于汽车轻量化铝合金制备领域。
附图说明
图1是本发明制备的铝合金铝基体的SEM形貌图。
图1显示了本发明所制备的铝合金铝基体的微观组织形貌，由图可以看出，试样经过OPS腐蚀抛光后铝晶粒的尺寸为100~200nm。根据霍尔-彼奇（Hall-Petch）公式判断，这种铝细晶结构会带来很高的强度，同时通过晶粒的协调变形，可实现较高的塑性。另外，在铝晶界附近会有细小的弥散相析出，图中的弥散相没有显示出来，是由于弥散相被OPS腐蚀掉的缘故，不过这种弥散相析出可以通过固溶时效处理来实现，这也是本领域人员所知晓的，故不必详提。
具体实施方式
本发明实施例中采用原料的纯度都在99.5%以上，并采用真空感应炉进行铝合金的熔炼。
实施例1：
一种高强度铝合金汽车车身板材，制备铝合金原料的化学元素成分按照质量百分比进行计算，具体包括：Si：5 wt.%，Mg：3 wt.%，Fe：0.4 wt.%，Cu：0.20 wt.%，稀土元素镧(La）：0.10 wt.%，Mn：0.30 wt.%，Ti：0.100 wt.%，Zn：0.05 wt.%，P：0.20 wt.%，V：0.1wt.%，其他杂质元素总含量≤0.20 wt.%，余量为Al。本实施例合金总重为2kg。
一种高强度铝合金汽车车身板材，具体制备步骤如下：
（1）配制铝合金原料：按照上述汽车车身板材所用铝合金的各元素化学成分的比例称量铝合金原料，原料按照质量比进行配制；
（2）真空熔炼： 首先将各个原料加入到真空感应熔炼炉的陶瓷坩埚中，随后于300℃下预热30min，然后升温至800℃进行熔炼，熔炼3h后，取出陶瓷坩埚；在坩埚内铝合金熔体中添加六氯乙烷精炼剂（精炼剂的添加量为原料总重量的0.3wt.%）以去除铝合金的氢气，静置10min，待温度降到760℃时，捞渣后所获得的铝合金熔体进行低压铸造，将铝合金熔体在0.06MPa下，由下而上压入铸型型腔，凝固过程中施加电脉冲处理，通过电脉冲处理，电脉冲处理工艺参数为脉冲电压300V，脉冲频率5Hz，脉冲时间15s打碎铝枝晶获得细晶组织以改善合金的力学性能，随后凝固成铝合金铸件，铸件厚度500mm，宽度为1800mm,长度为3000mm的合金铸锭；
（3）均匀化退火：将获得的合金铸锭于箱式热处理炉中在350℃的条件下保温8h，随后在460℃的条件下，保温24h进行均匀化处理；
（4）热轧：将均匀化退火后的合金铸锭，经过辊轧机在450℃条件下辊轧成厚度为8~10mm的热轧板；
（5）冷轧：将上述热轧板冷却至室温，然后轧制成厚度为5~7mm的冷轧板；
（6）切割成品：利用锯床将冷轧板切割成汽车车身，获得汽车车身用铝合金成品板材；
（7） 固溶处理：将切割后的铝合金成品板材在550℃下进行固溶处理，保温2~3h，取出板材，并放入油中做淬火处理，获得固溶板材；
（8）人工时效处理：将处理后的固溶板材在200℃进行固溶时效处理，处理时间为20~24h，随后进行炉冷获得铝合金板材。
真空熔炼是为了防止原料中的稀土发生氧化以造成稀土的烧损，因为一般的熔炼都是在空气条件下进行的，在熔体中直接加入稀土会引起氧化烧损。低压浇铸可以实现铸件压力下结晶，铸件组织致密、轮廓清晰、表面光洁，力学性能较高，对于大薄壁件的铸造尤为有利。但是仅通过低压浇铸其组织细化能力有限，只能细化到微米级别，所以在凝固过程中施加电脉冲处理可以制备超细晶组织的铝合金，其原理是利用电脉冲搅拌即将凝固的铝合金熔体以打碎铝枝晶，通过电脉冲处理控制金属的凝固过程，以实现组织的超细晶化。
实施例2：
一种高强度铝合金汽车车身板材，其特征在于，制备铝合金原料的化学元素成分按照质量比进行计算，具体包括：Si：15 wt.%，Mg 5 wt.%，Fe：0.7 wt.%，Cu：0.30 wt.%，稀土铈(Ce）：0.50 wt.%，Mn：0.40 wt.%，Ti：0.20 wt.%，Zn：0.10 wt.%，P：0.50 wt.%，V：0.5wt.%，其他杂质元素总含量≤0.20 wt.%，余量为Al。本实施例合金总重为2kg。
一种高强度铝合金汽车车身板材，具体制备步骤如下：
（1）配制铝合金原料：按照汽车车身板材所用铝合金的各元素化学成分的比例称量铝合金原料，原料按照质量百分比进行配制；
（2）真空熔炼： 首先将各个原料加入到真空感应熔炼炉的陶瓷坩埚中，随后于300℃下预热30min，然后升温至850℃进行熔炼，熔炼3h后，取出陶瓷坩埚；在坩埚内铝合金熔体中添加0.5份的六氯乙烷精炼剂以去除铝合金的氢气，静置10min，待温度降到760℃时，捞渣后所获得的铝合金熔体进行低压铸造，将铝合金熔体在0.15MPa下，由下而上压入铸型型腔，凝固过程中施加电脉冲处理，通过电脉冲处理，电脉冲处理工艺参数为脉冲电压1000V，脉冲频率22Hz，脉冲时间60s，打碎铝枝晶获得细晶组织以改善合金的力学性能，随后凝固成铝合金铸件，铸件厚度500mm，宽度为1800mm,长度为3000mm的合金铸锭；
（3）均匀化退火：将获得的合金铸锭于箱式热处理炉中在350℃的条件下保温12h，随后在460~480℃的条件下，保温26h进行均匀化处理；
（4）热轧：将均匀化退火后的合金铸锭，经过辊轧机在500℃条件下辊轧成厚度为8~10mm的热轧板；
（5）冷轧：将上述热轧板冷却至室温，然后轧制成厚度为5~7mm的冷轧板；
（6）切割成品：利用锯床将冷轧板切割成汽车车身，获得汽车车身用铝合金成品板材；
（7）固溶处理：将切割后的铝合金成品板材在580℃下进行固溶处理，保温2~3h，取出板材，并放入油中做淬火处理，获得固溶板材；
（8）人工时效处理：将处理后的固溶板材在300℃进行固溶时效处理，处理时间为20~24h，随后进行炉冷获得铝合金板材。
对比例1：与实施例1的区别在于不施加电脉冲处理。
对比例2：与实施例2的区别在于不施加电脉冲处理。
性能检测
将实施例1~2与对比例1~2所制备的铝合金汽车车身板材利用线切割机器裁成小试样，根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验标准》 进行拉伸性能测试，测试的结果见表1。
表1 实施例1~3和对比例1~3所制备铝合金的高温力学性能数据列表
案例 抗拉强度（MPa） 延伸率（%）
实施例1 660 15
实施例2 756 17
对比例1 456 10
对比例2 505 12
表1显示了实施例1~2和对比例1~2所制备铝合金的高温力学性能，结果显示相比于对比例1~2，实施例1~3的抗拉强度、延伸率，均有所提高，这是由于通过低压浇铸与电脉冲相结合的方法所制备的铝合金拥有超细晶组织结构，根据霍尔-彼奇（Hall-Petch）公式，即晶粒越细小，其硬度越高，抗拉强度越大，而且在外力作用下，细小的晶粒之间会引起协调变形，导致合金延伸率提高，塑性增强。
本发明提供了一种高强度铝合金汽车车身板材及其制备方法，本发明可以获得以下有益效果：
利用低压浇铸与电脉冲处理技术结合，可以获得超细晶组织，铝晶粒尺寸为100-200 nm，晶粒呈现均匀化分布，可以获得很高的抗拉强度，并且由于晶粒的协调变形，使得铝合金材料获得了较高的塑性，提高成形性及力学性能，具有很好的抗时效稳定性和烘烤硬化性，使得该合金能够满足汽车车身用板材材料需求，本发明应用于汽车轻量化铝合金制备领域。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高强度铝合金汽车车身板材，其特征在于，制备铝合金原料的化学元素成分按照质量百分比进行计算，具体包括：Si：5~15 wt.%，Mg：3~5wt.%，Fe：0.4~0.7 wt.%，Cu：0.20~0.30 wt.%，稀土RE：0.10~0.50 wt.%，Mn：0.30~0.40 wt.%，Ti：0.10~0.20wt.%，Zn：0.05~0.10 wt.%，P：0.20~0.50 wt.%，V：0.1~0.5 wt.%，其他杂质元素总含量≤0.20 wt.%，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的高强度铝合金汽车车身板材，其特征在于，所述RE元素包括镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu）以及钇(Y)和钪(Sc)中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的高强度铝合金汽车车身板材，其特征在于，所述铝合金高温力学强度为600~800MPa，延伸率为10~17%。
4.权利要求1~3任意一项所述的高强度铝合金汽车车身板材的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
（1）配制铝合金原料：按照汽车车身板材所用铝合金的各元素化学成分的比例称量铝合金原料，原料按照质量百分比进行配制；
（2）真空熔炼： 首先将各个原料加入到真空感应熔炼炉的陶瓷坩埚中，随后于300℃下预热30min，然后升温至800~850℃进行熔炼，熔炼3h后，取出陶瓷坩埚；在坩埚内铝合金熔体中添加六氯乙烷精炼剂以去除铝合金的氢气，静置10min，待温度降到760℃时，捞渣后所获得的铝合金熔体进行低压铸造，将铝合金熔体在0.06~0.15MPa下，由下而上压入铸型型腔，凝固过程中施加电脉冲处理，通过电脉冲处理打碎铝枝晶获得细晶组织以改善合金的力学性能，随后凝固成铝合金铸件，铸件厚度500mm，宽度为1800mm,长度为3000mm的合金铸锭；
（3）均匀化退火：将获得的合金铸锭于箱式热处理炉中在350℃的条件下保温8~12h，随后在460~480℃的条件下，保温24~26h进行均匀化处理；
（4）热轧：将均匀化退火后的合金铸锭，经过辊轧机在450~500℃条件下辊轧成厚度为8~10mm的热轧板；
（5）冷轧：将上述热轧板冷却至室温，然后轧制成厚度为5~7mm的冷轧板；
（6）切割成品：利用锯床将冷轧板切割成汽车车身，获得汽车车身用铝合金成品板材；
（7）固溶处理：将切割后的铝合金成品板材在550~580℃下进行固溶处理，保温2~3h，取出板材，并放入油中做淬火处理，获得固溶板材；
（8）人工时效处理：将处理后的固溶板材在200~300℃进行固溶时效处理，处理时间为20~24h，随后进行炉冷获得铝合金板材。
5.根据权利要求4所述的一种高强度铝合金汽车车身板材的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的电脉冲处理工艺参数为脉冲电压300~1000V，脉冲频率3~22Hz，脉冲时间15~60s。
6.权利要求4~5中任意一项所述的一种高强度铝合金汽车车身板材的制备方法，其特征在于，所制备的汽车车身可应用于高档轿车，货车，电动汽车的汽车车身。
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