CN114480930B - 客车车身骨架用铝合金型材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的客车车身骨架用铝合金型材及其制备方法，属于铝合金材料技术领域。该高强耐热铝合金由以下质量百分比的组分组成：Zn为5.5～7.5wt％，Mg为2.5～3.5wt％，Sm为0.2～0.5wt％，Mn为0.2～0.5wt％，Zr为0.2～0.5wt％，余量为Al和不可避免的杂质。通过控制铝合金中Sm的含量，保证最终制备的铝合金微观组织均匀且晶粒尺寸较小，基面织构转化为稀土织构，促性非基面滑移开启，表现出高塑性，使铝合金的延伸率高达12％，并且塑性的提升并没有牺牲强度，反而提高了合金的抗拉强度。另外，制备该铝合金时所使用的原料成本低，只需加入少量的稀土元素，就能显著改变铝合金的塑性，且其制备方法简单，只需进行一次传统挤压，并不需要复杂的加工工艺，可移植性强，便于在工业中实现。

Description

客车车身骨架用铝合金型材及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种客车车身骨架用铝合金型材及其制备方法。

背景技术

铝合金具有密度小、比强度高等优点，被广泛应用于汽车、航空航天等领域，展现了轻质材料的广泛应用前景.汽车轻量化是在确保汽车强度和安全性能的条件下，通过采用轻质型材或改变车身骨架结构设计的方法尽可能减轻汽车的整车质量，从而实现降低油耗、节能减排以及提高汽车动力性能的目标。车身骨架作为客车的主要承载件，其轻量化对客车节能减排具有重要作用.在客车车身骨架中采用铝合金材料替代钢铁材料时，由于两种材料的弹性模量、密度和强度均不同，故需要对车身骨架结构件进行优化设计，以使车身骨架结构的刚度保持不变或有所增加。

目前，不含稀土的高强铝合金主要包括：Al-Mg、Al-Zn-Mg、Al-Mg-Sn等合金系列。Al-Mg系铝合金中的第二相主要为Mg₁₇A1₁₂相。在非平衡凝固过程中，析出大量的共晶Mg₁₇A1₁₂相，且以不规则网状分布于初晶α-Al相的晶界，该相质硬性脆，对合金的力学性能，特别是塑性造成较大的不利影响。Al-Zn-Mg系合金被广泛应用的变形铝合金，具有良好的可时效强化能力，与Al-Mg系合金相比有更高的强度和更好的承载能力，通过合金化已开发出多种新型Al-Zn-Mg系合金，但还是存在力学性能较低的问题。近年来，国内外对高强度变形铝合金的开发基本围绕合金化和变形加工技术展开。基于Al-Zn-Mg系合金，添加适量的合金元素(Ca，Sn，Ag，Cu，Y，Ho，Er，Nd，Gd等)进行微合金化，再通过固溶强化、析出相化和弥散强化来进一步提高铝合金的强度和塑性。但是仅仅通过合金化改性来增加铝合金的强度和塑性还是不能满足铝合金在大多数工程上的运用。为推动变形铝合金的更广泛使用，进而获得超细晶粒组织和优良的力学性能，国内外行业人员多采用大塑形变形(SPD技术，如等径角挤压工艺、搅拌摩擦焊工艺、差速轧制工艺、累计叠轧工艺、高压扭转工艺、多向锻造工艺、累计挤压、循环挤压压缩工艺等)、的技术手段通过细化晶粒和形变强化等机理获得性能更好的铝合金材料。

但现有的铝合金参加晶粒不够细化，铝合金铸件易于产生缩孔、偏析，其力学性能还不理想，不能满足航天航空等零部件对轻质高强度材料的要求，导致铝合金的利用领域受到限制。

发明内容

本发明的目的之一在于解决现有技术中的铝合金耐热性能较差问题，提供一种耐热铝合金，本发明的目的之二是提供一种耐热铝合金的制备方法。本发明的铝合金合金元素种类少，成本低，环境温度超过200℃后强度稳定。该制备方法简单易操作。

为了实现以上目的之一，本发明所采用的技术方案是：

一种高强度的含稀土的铝合金，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：Zn为5.5～7.5wt％，Mg为2.5～3.5wt％，Sm为0.2～0.5wt％，Mn为0.2～0.5wt％，Zr为0.2～0.5wt％，余量为Al和不可避免的杂质；

一种本发明高强度的含稀土的铝合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)按比例称取并将纯铝、纯锌、纯镁与中间合金Mg-25Sm预热；

(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化，加热至700～720℃时加入中间合金Mg-25Sm，保温至合金全部熔化后去除表面浮渣；然后升温至730～740℃，搅拌均匀后，再降温至690～700℃并保温，得合金液；

(3)将步骤(2)所得合金液浇注至模具中，得铸态合金；

(4)机加工：将步骤(3)中得到的铸锭锯切、车皮后备用；

(5)均匀化处理；

(6)挤压。

作为本发明一种优选的技术方案，高强度的含稀土的铝合金的制备方法，步骤如下：

a.原料准备：

以纯Al锭、纯Zn锭、Mg锭、Sm、Mn、Zr中间合金锭为原料，在原料配料时，以原料总质量为100％计算，主要原料成分按照如下质量百分比(％)组成进行原料配料：Zn为5.5～7.5wt％，Mg为2.5～3.5wt％，Sm为0.2～0.5wt％，Mn为0.2～0.5wt％，Zr为0.2～0.5wt％，余量为Al和不可避免的杂质；

b.合金熔炼工艺：

利用铝合金熔炼炉将在所述步骤a中准备的原料熔化，待坩埚内温度不低于350℃时，升温到350～450℃时，先加入纯Al锭、纯Zn锭、Mg锭、Mn中间合金锭；继续升温至650～720℃，再加入Zr、Sm中间合金锭；上述原料分多次少量加入，同时开启搅拌桨进行搅拌；在完成原料熔化和合金化后，进行合金浇铸，浇铸时控制合金熔体过热度高于铝熔点至少40℃，并在浇铸时使用保护气罩防护；浇铸组织凝固后得到铝合金铸坯；

c.塑性加工工艺：

采用挤压加工工艺，将在所述步骤b中制备铝合金铸坯进行塑性加工，得到铝合金型材，具体工艺过程如下：

将铝合金铸坯进行均匀化热处理，所述均匀化热处理过程是将铝合金铸坯加热到275～480℃、保温6～12小时；将经过均匀化热处理后的铝合金铸坯进行挤压，控制挤压比为8～22，挤压速度0.5～2.0mm/s，挤压温度为400～450℃，并使铝合金铸坯经拉伸矫直处理，得到稀土铝合金的挤压型材；

本发明提供了一种含稀土钐的室温高塑性铝合金及其制备方法，通过向铝合金中加入Sm元素并同时控制两种元素的含量，保证最终制备的铝合金微观组织均匀且晶粒尺寸较小，基面织构转化为稀土织构，促进非基面滑移开启，表现出高塑性，使铝合金的延伸率高达12％，并且塑性的提升并没有牺牲强度，反而提高了合金的抗拉强度。其中，Sm元素有两方面作用，一是与Al形成Al₃Sm第二相，在热变形动态再结晶过程中第二相钉扎晶界，细化晶粒；二是使再结晶晶粒发生偏转，形成稀土织构，使合金基面织构弱化，促进非基面滑移开启。较弱的基面织构决定了板材有着一定数量非基面取向的晶粒，在沿着挤压方向进行拉伸时，非基面取向的晶粒发生基面滑移的施密特因子较大，因此在第一变形阶段基面滑移最容易开启。随着应变的增加，基面滑移的SF下降，锥面和柱面的SF增加，所以在变形后期非基面滑移容易激活。且基面滑移以及拉伸力偶导致晶粒发生转动，非基面取向的晶粒也因基面滑移转至基面，此时晶粒取向不利于基面滑移，另外Sm的添加，降低了镁的堆垛层错能，然后促进非基面滑移的开启，可以协调C轴方向的应变。若Sm的添加量过少，形成的第二相较少，且分布不均匀，挤压后沿挤压方向呈流线分布，没有有效钉扎晶界，阻碍再结晶晶粒长大的效果，也没有弥散强化的效果，从而使最终制备的合金综合性能不好。若是Sm的含量增多，则形成更多、更粗大的第二相，粗大的第二相常以本身的断裂，或者颗粒与基体间的脱开作为诱发微孔的地点，从而降低塑形应变，以致断裂。将Sm用量设定为0.3-0.6％，可以保证最终制备的合金中第二相分布均匀，且不会明显粗化，保证合金具有优异的塑性。另外，制备该铝合金时所使用的原料成本低，只需加入少量的稀土元素，就能显著改变铝合金的塑性，且其制备方法简单，只需进行一次传统挤压，并不需要复杂的加工工艺，所使用的熔炼炉、挤压机均为常规通用设备，可移植性强，便于在工业中实现。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1、本发明实施例1中耐热铝合金的试样图片。

图2、本发明实施例2中耐热铝合金的试样图片。

图3、本发明实施例3中耐热铝合金的试样图片。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，一种高强度的含稀土的铝合金，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：Zn为5.5wt％，Mg为2.5wt％，Sm为0.2wt％，Mn为0.2wt％，Zr为0.2wt％，余量为Al和不可避免的杂质。

在本实施例中，一种本实施例高强度的含稀土的铝合金的制备方法，步骤如下：

a.原料准备：

以纯Al锭、纯Zn锭、Mg锭、Sm、Mn、Zr中间合金锭为原料，在原料配料时，以原料总质量为100％计算，主要原料成分按照如下质量百分比(％)组成进行原料配料：Zn为5.5wt％，Mg为2.5wt％，Sm为0.2wt％，Mn为0.2wt％，Zr为0.2wt％，余量为Al和不可避免的杂质；

b.合金熔炼工艺：

利用铝合金熔炼炉将在所述步骤a中准备的原料熔化，待坩埚内温度不低于350℃时，升温到450℃时，先加入纯Al锭、纯Zn锭、Mg锭、纯Mn锭；继续升温至720℃，再加入Zr锭、Sm锭；上述原料分多次少量加入，同时开启搅拌桨进行搅拌；在完成原料熔化和合金化后，进行合金浇铸，浇铸时控制合金熔体过热度高于铝熔点至少40℃，并在浇铸时使用保护气罩防护；浇铸组织凝固后得到铝合金铸坯；

c.塑性加工工艺：

采用挤压加工工艺，将在所述步骤b中制备铝合金铸坯进行塑性加工，得到铝合金型材，具体工艺过程如下：

将铝合金铸坯进行均匀化热处理，所述均匀化热处理过程是将铝合金铸坯加热到580℃、保温6小时；将经过均匀化热处理后的铝合金铸坯进行挤压，控制挤压比为8，挤压速度0.5mm/s，挤压温度为490℃，并使铝合金铸坯经拉伸矫直处理，得到稀土铝合金的挤压型材；

实验测试分析：

将本实施例制备的高强度的含稀土的铝合金成品作为样品，进行材料力学实验分析，所得材料的力学性能如下：抗拉强度为625MPa，屈服强度为530MPa，延伸率为9.3％。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种高强度的含稀土的铝合金，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：Zn为6.5wt％，Mg为3.0wt％，Sm为0.3wt％，Mn为0.3wt％，Zr为0.3wt％，余量为Al和不可避免的杂质。

在本实施例中，一种本实施例高强度的含稀土的铝合金的制备方法，步骤如下：

a.原料准备：

以纯Al锭、纯Zn锭、Mg锭、Sm、Mn、Zr中间合金锭为原料，在原料配料时，以原料总质量为100％计算，主要原料成分按照如下质量百分比(％)组成进行原料配料：Zn为6.5wt％，Mg为3.0wt％，Sm为0.3wt％，Mn为0.3wt％，Zr为0.3wt％，余量为Al和不可避免的杂质；

b.合金熔炼工艺：

利用铝合金熔炼炉将在所述步骤a中准备的原料熔化，待坩埚内温度不低于350℃时，升温到450℃时，先加入纯Al锭、纯Zn锭、Mg锭、纯Mn锭；继续升温至700℃，再加入Zr锭、Sm锭；上述原料分多次少量加入，同时开启搅拌桨进行搅拌；在完成原料熔化和合金化后，进行合金浇铸，浇铸时控制合金熔体过热度高于铝熔点至少40℃，并在浇铸时使用保护气罩防护；浇铸组织凝固后得到铝合金铸坯；

c.塑性加工工艺：

采用挤压加工工艺，将在所述步骤b中制备铝合金铸坯进行塑性加工，得到铝合金型材，具体工艺过程如下：

将铝合金铸坯进行均匀化热处理，所述均匀化热处理过程是将铝合金铸坯加热到560℃、保温12小时；将经过均匀化热处理后的铝合金铸坯进行挤压，控制挤压比为12，挤压速度1.0mm/s，挤压温度为480℃，并使铝合金铸坯经拉伸矫直处理，得到稀土铝合金的挤压型材；

实验测试分析：

将本实施例制备的高强度的含稀土的铝合金成品作为样品，进行材料力学实验分析，所得材料的力学性能如下：抗拉强度为632MPa，屈服强度为539MPa，延伸率为8.7％。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种高强度的含稀土的铝合金，其主要成分按照如下质量百分比(％)组成：Zn为7.5wt％，Mg为3.5wt％，Sm为0.5wt％，Mn为0.5wt％，Zr为0.5wt％，余量为Al和不可避免的杂质。

在本实施例中，一种本实施例高强度的含稀土的铝合金的制备方法，步骤如下：

a.原料准备：

以纯Al锭、纯Zn锭、Mg锭、Sm、Mn、Zr中间合金锭为原料，在原料配料时，以原料总质量为100％计算，主要原料成分按照如下质量百分比(％)组成进行原料配料：Zn为7.5wt％，Mg为3.5wt％，Sm为0.5wt％，Mn为0.5wt％，Zr为0.5wt％，余量为Al和不可避免的杂质；

b.合金熔炼工艺：

利用铝合金熔炼炉将在所述步骤a中准备的原料熔化，待坩埚内温度不低于350℃时，升温到450℃时，先加入纯Al锭、纯Zn锭、Mg锭、Mn中间合金锭；继续升温至650～720℃，再加入Zr、Sm中间合金锭；上述原料分多次少量加入，同时开启搅拌桨进行搅拌；在完成原料熔化和合金化后，进行合金浇铸，浇铸时控制合金熔体过热度高于铝熔点至少40℃，并在浇铸时使用保护气罩防护；浇铸组织凝固后得到铝合金铸坯；

c.塑性加工工艺：

采用挤压加工工艺，将在所述步骤b中制备铝合金铸坯进行塑性加工，得到铝合金型材，具体工艺过程如下：

将铝合金铸坯进行均匀化热处理，所述均匀化热处理过程是将铝合金铸坯加热到590℃、保温12小时；将经过均匀化热处理后的铝合金铸坯进行挤压，控制挤压比为15，挤压速度2.0mm/s，挤压温度为500℃，并使铝合金铸坯经拉伸矫直处理，得到稀土铝合金的挤压型材；

实验测试分析：

将本实施例制备的高强度的含稀土的铝合金成品作为样品，进行材料力学实验分析，所得材料的力学性能如下：抗拉强度为627MPa，屈服强度为521MPa，延伸率为10.0％。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种耐热铝合金型材的制备方法，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：Zn为5.5～7.5wt％，Mg为2.5～3.5wt％，Sm为0.2～0.5wt％，Mn为0.2～0.5wt％，Zr为0.2～0.5wt％，余量为Al和不可避免的杂质；该耐热铝合金型材的制备方法包括如下步骤：

a.原料准备：

以纯Al锭、纯Zn锭、Mg锭、及Sm、Mn、Zr中间合金锭为原料，在原料配料时，以原料总质量为100％计算，主要原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：Zn为5.5～7.5wt％，Mg为2.5～3.5wt％，Sm为0.2～0.5wt％，Mn为0.2～0.5wt％，Zr为0.2～0.5wt％，余量为Al和不可避免的杂质；

b.合金熔炼工艺：

利用铝合金熔炼炉将在所述步骤a中准备的原料熔化，待坩埚内温度升温到350～450℃时，先加入纯Al锭、纯Zn锭、Mg锭、Mn中间合金锭；继续升温至650～720℃，再加入Zr中间合金锭、Sm中间合金锭；上述原料分多次少量加入，同时开启搅拌桨进行搅拌；在完成原料熔化和合金化后，进行合金浇铸，浇铸时控制合金熔体过热度高于铝熔点至少40℃，并在浇铸时使用保护气罩防护；浇铸组织凝固后得到铝合金铸坯；

c.塑性加工工艺：

采用挤压加工工艺，将在所述步骤b中制备铝合金铸坯进行塑性加工，得到铝合金型材，具体工艺过程如下：

将铝合金铸坯进行均匀化热处理，所述均匀化热处理过程是将铝合金铸坯加热到275～480℃、保温6～12小时；将经过均匀化热处理后的铝合金铸坯进行挤压，控制挤压比为8～22，挤压速度0.5～2.0mm/s，挤压温度为400～450℃，并使铝合金铸坯经拉伸矫直处理，得到稀土铝合金的挤压型材。

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