CN114032423A - 用于汽车防撞梁的铝合金及其制备方法 - Google Patents

用于汽车防撞梁的铝合金及其制备方法 Download PDF

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CN114032423A CN202111143365.6A CN202111143365A CN114032423A CN 114032423 A CN114032423 A CN 114032423A CN 202111143365 A CN202111143365 A CN 202111143365A CN 114032423 A CN114032423 A CN 114032423A
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李永超
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Abstract

本发明公开了一种用于汽车防撞梁的铝合金，其主要由以下质量百分比的成分组成：Si 0.7‑0.9％，Mg 0.7‑0.9％，Cu≤0.1％，Mn 0.5‑0.7％，Fe≤0.35％，Zn≤0.1％，Cr≤0.1％，Ti≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免杂质的含量≤0.15％。相应的，本发明还公开了上述用于汽车防撞梁的铝合金的制备方法。实施本发明，可得到强度高、韧性强，内部组织稳定的铝合金。

Description

用于汽车防撞梁的铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种用于汽车防撞梁的铝合金及其制备方法。
背景技术
随着汽车制造进入轻量化的发展轨道，铝合金凭借质轻、比强度高、易成型和易加工等优良特性应用在汽车产品的比例越来越高。其中，汽车防撞梁是用来减轻车辆受到碰撞时吸收碰撞能量的装置，由横梁、吸能盒，连接汽车的安装板组成。当发生低速碰撞时，防撞梁能有效吸收碰撞能量，尽可能减少撞击力对车身的损害，减轻对人员伤害。
铝用防撞梁的材质一般使用6082铝合金，作为汽车安全件，要求有更高的强度和韧性。但现有的6082材料，其延伸率波动较大，有些甚至不足8％，难以有效满足防撞梁的使用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于汽车防撞梁的铝合金及其制备方法，其韧性好。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种用于汽车防撞梁的铝合金的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于汽车防撞梁的铝合金，其主要由以下质量百分比的成分组成：
Si 0.7-0.9％，Mg 0.7-0.9％，Cu≤0.1％，Mn 0.5-0.7％，Fe≤0.35％，Zn≤0.1％，Cr≤0.1％，Ti≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免杂质的含量≤0.15％。
作为上述技术方案的改进，所述主要由以下质量百分比的成分组成：
Si 0.8-0.9％，Mg 0.75-0.85％，Cu 0.04-0.08％，Mn 0.6-0.7％，Fe 0.1-0.2％，Zn≤0.1％，Cr≤0.05％，Ti 0.06-0.08％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免杂质的含量≤0.15％。
作为上述技术方案的改进，所述铝合金的抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥300MPa，断后延伸率≥12％。
相应的，本发明还公开了一种上述的用于汽车防撞梁铝合金的制备方法，其包括：
(1)按照比例准备各种原料备用；其中，以重量百分比计的原料配方如下：
Si 0.7-0.9％，Mg 0.7-0.9％，Cu≤0.1％，Mn 0.5-0.7％，Fe≤0.35％，Zn≤0.1％，Cr≤0.1％，Ti≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免杂质的含量≤0.15％；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
(3)将所述铸棒进行均质处理；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁铝合金成品。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，熔炼温度为740-760℃，铸造速度为60-80mm/min。
作为上述技术方案的改进，步骤(3)中，均质处理温度为540-550℃，均质处理时间为8-10h。
作为上述技术方案的改进，步骤(3)中，均质处理后采用强风和水雾共同进行冷却，以使冷却速率≥250℃/h。
作为上述技术方案的改进，步骤(4)中，挤压前铸棒温度为480-500℃，挤压出口粗坯温度≥540℃，挤压速度为6-8m/min。
作为上述技术方案的改进，步骤(5)中，时效温度为170-180℃，时效时间为8-12h。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供了一种用于汽车防撞梁的铝合金，通过对于化学成分和工艺优化，使得铝合金的抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥300MPa，断后延伸率≥12％。且本发明的铝合金，其内部组织稳定，产品韧性好。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
本发明提供了一种用于汽车防撞梁的铝合金，其主要由以下质量百分比的成分组成：
Si 0.7-0.9％，Mg 0.7-0.9％，Cu≤0.1％，Mn 0.5-0.7％，Fe≤0.35％，Zn≤0.1％，Cr≤0.1％，Ti≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免杂质的含量≤0.15％。
其中，Si、Mg是主要的强化元素，其可结合形成镁硅化合物，优化铝合金的各项力学性能。Si的含量为0.7-0.9wt％，当Si含量＞0.9wt％时，合金内过剩Si含量过高，容易形成块状硅相，破坏基体的连续性，进而降低挤压塑性。示例性的，Si含量为0.72wt％、0.78wt％、0.83wt％或0.88wt％，但不限于此。优选的，Si的含量为0.8-0.9wt％。其中，Mg的含量为0.7-0.9wt％，示例性的为0.73wt％、0.75wt％、0.8wt％或0.85wt％，但不限于此。优选的，Mg的含量为0.75-0.85％。
其中，Mn和Cr在铝合金中可生成MnAl6和CrAl7，其以小质点形式弥散分布在基体，有效钉轧位错和亚晶界，提高再结晶温度，对再结晶和/或再结晶晶粒的长大起阻碍作用，同时可改善铝合金的韧性。但Mn、Cr添加过多会显著增加合金的淬火敏感性，过量时还会分别形成含Mn、Cr的粗大第二相，不仅削弱镁硅化合物的沉淀强化效果，还降低合金的可挤压性。因此，将Mn含量控制为0.5-0.7wt％，Cr含量控制为≤0.1wt％。示例性的，Mn含量为0.54wt％、0.57wt％、0.63wt％、0.66wt％或0.69wt％，但不限于此。优选的，Mn的含量为0.6-0.7wt％，Cr的含量≤0.05wt％。
其中，Ti可与Al形成TiAl3相，成为结晶时的非自发核心，用来细化铸态组织和提高材料韧性。具体的，其含量为≤0.1wt％。优选的，Ti含量为0.06-0.08wt％，示例性的为0.062wt％、0.064wt％、0.066wt％、0.07wt％或0.075wt％，但不限于此。
其中，Cu具有一定的强化作用，但也会增加淬火敏感性。为此，控制其含量≤0.1wt％。优选的，Cu的含量为0.04-0.08wt％；示例性的可为0.045wt％、0.05wt％、0.055wt％、0.06wt％、0.065wt％、0.07wt％、0.075wt％或0.08wt％，但不限于此。
其中，Fe、Zn属于杂质成分，Fe会降低铝合金塑性，弱化挤压性能。在本发明中，Fe含量≤0.35wt％，Zn含量≤0.1wt％。优选的，Fe的含量为0.1-0.2wt％；示例性的可为0.12wt％、0.14wt％、0.16wt％、0.18wt％或0.19wt％，但不限于此。
相应的，为了有效提升本发明中用于汽车防撞梁的铝合金的各项性能，还需要结合制备方法，具体的，本发明中用于汽车防撞梁的铝合金的制备方法包括以下步骤：
S1：按照比例准备各种原料备用；
具体的，本发明中的原料包括但不限于：回炉料、纯铝锭、Al-20％Mn中间合金、Al-20％Cr中间合金、Al-50％Cu中间合金、高纯镁、高纯硅、铝钛硼丝(控制各原料中的Fe含量即可，一般无需专门添加Fe元素，除非有必要可适当添加Fe)。
S2：将原料混合熔铸后得到铝铸棒；
具体的，S2包括：
S21：将各种原料混合熔炼，得到第一合金液；
具体的，由于本发明的铝合金中含有较多的难熔金属Mn，其容易引起晶内偏析及固液区塑性降低，导致抗裂能力不足。因此，将熔炼温度控制为740-760℃，并且在熔炼过程中作充分搅拌以保证炉内金属完全熔化与成分均匀。示例性的，熔炼温度为742℃、744℃、747℃、750℃、755℃或758℃，但不限于此。
S22：将第一合金液进行精炼静置，得到第二合金液；
具体的，精炼温度740-760℃，精炼过程中通入高纯氩气；精炼后静置0.5-1h。
S23：将第二合金液进行铸造，得到铸棒；
由于Mn增大了合金的粘度，使其流动性下降，影响合金铸造性能。当铸造速度过高时，会使液穴加深，延伸至结晶槽外，容易形成中心裂纹缺陷，铸造速度过低时，容易产生表面裂纹和冷隔等缺陷。因此铸造速度应控制在60-80m/min范围内。示例性的，铸造速度为61m/min、63m/min、65m/min、67m/min、70m/min、73m/min、75m/min或79m/min，但不限于此。
此外，为了消除Mn带来的不利影响，还应在铸造时加大冷却强度，以减少或消除晶内偏析现象，冷却水量应控制为260-280m3/h。
S3：将铸棒进行均质处理；
具体的，由本发明成分制备得到的铸棒中，铸态组织的塑性差，可挤压性较差。为提高铸棒的可挤压性，必须对铸棒进行均质化处理。均质化目的是通过退火，减少或消除铸造时快速冷凝产生的晶内偏析，球化晶界的针状或者片状的AlFeSi化合物，完成片状β相向球状α相的转变，起到消除铸造应力，减少变形抗力和提高可挤压性的效果。具体的，为了充分发挥Mn细化晶粒和增强韧性的作用，应适当降低均质温度，并提升均质后的冷却速率。
具体的，均质温度为540-550℃，示例性的为542℃、544℃、546℃或548℃，但不限于此。均质时间为8-10h，示例性的为8.2h、8.5h、9h或9.5h，但不限于此。均质后采用强风+水雾冷却(冷却速率≥250℃/h)，以消除晶内偏析及铸造应力，获得组织均匀的铸棒。
S4：将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；
其中，由于防撞梁型材的力学性能指标高，需较多镁硅相强化，导致合金的变形抗力大，因此挤压时应适当提高铸棒加热温度，但不能过高，否则容易在型材的圆角位拖铝。具体的，挤压前铸棒温度应控制480～500℃，示例性的为483℃、486℃、488℃、450℃、452℃、454℃或458℃，但不限于此。
其中，由于本发明的铝合金中含有较多的过剩硅，导致其脆性增加，挤压速度过快容易导致型材拖铝。而含量较高的Mn会使合金的淬火敏感性显著增加，当挤压速度过慢时，会延长型材通过模具工作带至淬火区入口这段区域的时间，导致镁硅相大量高温析出，降低基体的过饱和固溶度，造成力学性能损失。因此挤压速度控制在6-8m/min，示例性的为6.3m/min、6.6m/min、6.9m/min、7.2m/min、7.5m/min或7.9m/min，但不限于此。
其中，挤压出口粗坯温度≥540℃，具体的为540～550℃。此温度在镁硅化合物的固溶温度以上，可保证不降低其过饱和度，提升时效过程中镁硅强化相的弥散析出量，提升强度。
S5：将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁铝合金成品。
其中，时效温度为170～180℃，在该温度下可使得固溶的Mg、Si原子重新分解，在铝合金基体中沉淀出细小、弥散分布的镁硅强化相，进而提升力学性能。示例性的，时效温度为172℃、174℃、176℃、178℃或180℃，但不限于此。时效时间为8～12h，示例性的为8.5h、9h、9.5h、10h、10.5h、11h或11.5h，但不限于此。
综上，通过上述配方与工艺的综合调节，可得到抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥300MPa，断后延伸率≥12％的铝合金型材。此外，对本发明中铝合金进行晶粒度评级，其显微晶粒级别指数≥11级，粗晶层晶粒度级别指数≥5级，粗晶层深度为0.3～0.5mm。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种用于汽车防撞梁的铝合金，其配方为：
Si 0.73％，Mg 0.95％，Cu 0.01％，Mn 0.55％，Fe 0.33％，Zn 0.05％，Cr0.09％，Ti 0.06％，不可避免杂质0.15％，余量为Al。
其制备方法为：
(1)按照比例准备各种原料备用；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
其中，熔炼温度为740℃，铸造速度为80m/min；
(3)将铸棒进行均质处理；其中，均质温度为550℃，时间为8h；均质后采用强风+水雾冷却，冷却速度为280℃/h；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；其中，挤压前铸棒温度为480℃，挤压出口粗坯的温度为540℃，挤压速度为8m/min；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁的铝合金成品。
其中，时效制度为170℃×12h。
实施例2
本实施例提供一种用于汽车防撞梁的铝合金，其配方为：
Si 0.88％，Mg 0.73％，Cu 0.1％，Mn 0.53％，Fe 0.25％，Zn 0.03％，Cr 0.05％，Ti 0.05％，不可避免杂质0.15％，余量为Al。
其制备方法为：
(1)按照比例准备各种原料备用；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
其中，熔炼温度为740℃，铸造速度为75m/min；
(3)将铸棒进行均质处理；其中，均质温度为540℃，时间为10h；均质后采用强风+水雾冷却，冷却速度为260℃/h；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；其中，挤压前铸棒温度为490℃，挤压出口粗坯的温度为550℃，挤压速度为6.5m/min；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁的铝合金成品。
其中，时效制度为180℃×12h。
实施例3
本实施例提供一种用于汽车防撞梁的铝合金，其配方为：
Si 0.78％，Mg 0.87％，Cu 0.05％，Mn 0.68％，Fe 0.12％，Zn 0.02％，Cr0.02％，Ti 0.06％，不可避免杂质0.13％，余量为Al。
其制备方法为：
(1)按照比例准备各种原料备用；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
其中，熔炼温度为760℃，铸造速度为70m/min；
(3)将铸棒进行均质处理；其中，均质温度为550℃，时间为8.5h；均质后采用强风+水雾冷却，冷却速度为250℃/h；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；其中，挤压前铸棒温度为500℃，挤压出口粗坯的温度为550℃，挤压速度为8m/min；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁的铝合金成品。
其中，时效制度为180℃×10h。
实施例4
本实施例提供一种用于汽车防撞梁的铝合金，其配方为：
Si 0.85％，Mg 0.79％，Cu 0.03％，Mn 0.68％，Fe 0.23％，Zn 0.01％，Cr0.01％，Ti 0.08％，不可避免杂质0.1％，余量为Al。
其制备方法为：
(1)按照比例准备各种原料备用；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
其中，熔炼温度为755℃，铸造速度为75m/min；
(3)将铸棒进行均质处理；其中，均质温度为548℃，时间为9h；均质后采用强风+水雾冷却，冷却速度为260℃/h；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；其中，挤压前铸棒温度为495℃，挤压出口粗坯的温度为540℃，挤压速度为7.5m/min；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁的铝合金成品。
其中，时效制度为175℃×10h。
实施例5
本实施例提供一种用于汽车防撞梁的铝合金，其配方为：
Si 0.83％，Mg 0.78％，Cu 0.05％，Mn 0.66％，Fe 0.15％，Zn 0.02％，Cr0.04％，Ti 0.07％，不可避免杂质0.1％，余量为Al。
其制备方法为：
(1)按照比例准备各种原料备用；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
其中，熔炼温度为755℃，铸造速度为75m/min；
(3)将铸棒进行均质处理；其中，均质温度为548℃，时间为9h；均质后采用强风+水雾冷却，冷却速度为260℃/h；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；其中，挤压前铸棒温度为495℃，挤压出口粗坯的温度为540℃，挤压速度为7.5m/min；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁的铝合金成品。
其中，时效制度为175℃×10h。
实施例6
本实施例提供一种用于汽车防撞梁的铝合金，其配方为：
Si 0.83％，Mg 0.78％，Cu 0.05％，Mn 0.66％，Fe 0.15％，Zn 0.02％，Cr0.04％，Ti 0.07％，不可避免杂质0.1％，余量为Al。
其制备方法为：
(1)按照比例准备各种原料备用；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
其中，熔炼温度为755℃，铸造速度为75m/min；
(3)将铸棒进行均质处理；其中，均质温度为540℃，时间为10h；均质后采用强风+水雾冷却，冷却速度为250℃/h；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；其中，挤压前铸棒温度为495℃，挤压出口粗坯的温度为540℃，挤压速度为8m/min；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁的铝合金成品。
其中，时效制度为180℃×9h。
对比例1
本对比例提供一种用于汽车防撞梁的铝合金，其配方为：
Si 0.75％，Mg 0.9％，Cu 0.1％，Mn 0.2％，Fe 0.3％，Zn 0.1％，Cr 0.1％，Ti0.1％，不可避免杂质0.15％，余量为Al。
其制备方法为：
(1)按照比例准备各种原料备用；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
其中，熔炼温度为755℃，铸造速度为75m/min；
(3)将铸棒进行均质处理；其中，均质温度为548℃，时间为9h；均质后采用强风+水雾冷却，冷却速度为260℃/h；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；其中，挤压前铸棒温度为495℃，挤压出口粗坯的温度为540℃，挤压速度为7.5m/min；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁的铝合金成品。
其中，时效制度为175℃×10h。
对比例2
本对比例提供一种用于汽车防撞梁的铝合金，其配方为：
Si 0.75％，Mg 1.05％，Cu 0.05％，Mn 0.8％，Fe 0.3％，Zn 0.05％，Cr 0.01％，Ti 0.03％，不可避免杂质0.1％，余量为Al。
其制备方法为：
(1)按照比例准备各种原料备用；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
其中，熔炼温度为755℃，铸造速度为75m/min；
(3)将铸棒进行均质处理；其中，均质温度为548℃，时间为9h；均质后采用强风+水雾冷却，冷却速度为260℃/h；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；其中，挤压前铸棒温度为495℃，挤压出口粗坯的温度为540℃，挤压速度为7.5m/min；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁的铝合金成品。
其中，时效制度为175℃×10h。
对比例3
本对比例提供一种用于汽车防撞梁的铝合金，其配方为：
Si 0.83％，Mg 0.78％，Cu 0.05％，Mn 0.66％，Fe 0.15％，Zn 0.02％，Cr0.04％，Ti 0.07％，不可避免杂质0.1％，余量为Al。
其制备方法为：
(1)按照比例准备各种原料备用；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
其中，熔炼温度为720℃，铸造速度为100m/min；
(3)将铸棒进行均质处理；其中，均质温度为530℃，时间为12h；均质后采用强风+水雾冷却，冷却速度为200℃/h；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；其中，挤压前铸棒温度为495℃，挤压出口粗坯的温度为540℃，挤压速度为7.5m/min；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁的铝合金成品。
其中，时效制度为175℃×10h。
对比例4
本对比例提供一种用于汽车防撞梁的铝合金，其配方为：
Si 0.83％，Mg 0.78％，Cu 0.05％，Mn 0.66％，Fe 0.15％，Zn 0.02％，Cr0.04％，Ti 0.07％，不可避免杂质0.1％，余量为Al。
其制备方法为：
(1)按照比例准备各种原料备用；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
其中，熔炼温度为755℃，铸造速度为75m/min；
(3)将铸棒进行均质处理；其中，均质温度为548℃，时间为9h；均质后采用强风+水雾冷却，冷却速度为260℃/h；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；其中，挤压前铸棒温度为460℃，挤压出口粗坯的温度为520℃，挤压速度为12m/min；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁的铝合金成品。
其中，时效制度为160℃×12h。
将实施例1-6、对比例1-4的铝合金做测试，结果如下：
Figure BDA0003284508130000101
Figure BDA0003284508130000111
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于汽车防撞梁的铝合金，其特征在于，其主要由以下质量百分比的成分组成：
Si 0.7-0.9％，Mg 0.7-0.9％，Cu≤0.1％，Mn 0.5-0.7％，Fe≤0.35％，Zn≤0.1％，Cr≤0.1％，Ti≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免杂质的含量≤0.15％。
2.如权利要求1所述的用于汽车防撞梁的铝合金，其特征在于，所述主要由以下质量百分比的成分组成：
Si 0.8-0.9％，Mg 0.75-0.85％，Cu 0.04-0.08％，Mn 0.6-0.7％，Fe 0.1-0.2％，Zn≤0.1％，Cr≤0.05％，Ti 0.06-0.08％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免杂质的含量≤0.15％。
3.如权利要求1或2所述的用于汽车防撞梁的铝合金，其特征在于，所述铝合金的抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥300MPa，断后延伸率≥12％。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的用于汽车防撞梁铝合金的制备方法，其特征在于，包括：
(1)按照比例准备各种原料备用；其中，以重量百分比计的原料配方如下：
Si 0.7-0.9％，Mg 0.7-0.9％，Cu≤0.1％，Mn 0.5-0.7％，Fe≤0.35％，Zn≤0.1％，Cr≤0.1％，Ti≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免杂质的含量≤0.15％；
(2)将原料混合熔铸后得到铸棒；
(3)将所述铸棒进行均质处理；
(4)将均质后的铸棒挤压，得到粗坯；
(5)将粗坯进行时效处理，即得用于汽车防撞梁铝合金成品。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，熔炼温度为740-760℃，铸造速度为60-80mm/min。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，均质处理温度为540-550℃，均质处理时间为8-10h。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，均质处理后采用强风和水雾共同进行冷却，以使冷却速率≥250℃/h。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，挤压前铸棒温度为480-500℃，挤压出口粗坯温度≥540℃，挤压速度为6-8m/min。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，时效温度为170-180℃，时效时间为8-12h。
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