CN115216674B - 一种汽车用7000系铝合金薄板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种汽车用7000系铝合金薄板及其制备方法，涉及铝合金板材制造领域。汽车用7000系铝合金薄板的制备方法主要是配制原料，并熔炼、精炼处理、铸造成铸锭，合金元素组成包括：Si：≤0.08％，Fe：≤0.10％，Cu：1.6％‑2.0％，Mg：2.0％‑2.4％，Mn：≤0.05％，Cr：≤0.04％，Zn：5.8％‑6.4％，Ti：≤0.06％，Zr：0.10％‑0.15％，Y：0.10％‑0.20％，余量为Al；将铸锭进行均匀化热处理、变温热轧及冷轧、固溶淬火、人工时效处理。汽车用7000系铝合金薄板易于加工成型，且强度高，适合用作汽车面板，满足汽车轻量化要求。

Description

一种汽车用7000系铝合金薄板及其制备方法
技术领域
本申请涉及铝合金板材制造领域，具体而言，涉及一种汽车用7000系铝合金薄板及其制备方法。
背景技术
近年来，为了提高新能源汽车的续航能力，对汽车轻量化要求更高，使用轻质铝合金材料制造加工汽车零部件成为实现汽车轻量化的有效方式。在汽车车体之中，通常将面板，比如引擎罩、车门、车顶等的外面板、内面板等采用铝合金材料来部分替代钢板等钢铁材料。
7000系铝合金属于超高强铝合金，其抗拉强度可达500MPa以上，是理想的结构材料，但是由于其存在成型困难，对加工和热处理技术要求高，导致7000系合金在新能源汽车上的应用受到极大限制。虽然研究者发现高温可以改善7000系铝合金的成型性，但是常常会导致铝合金零部件的强度降低。为了保证汽车使用的安全性，必然需要增加7000系铝合金零部件的截面厚度，而厚度的增加会降低汽车轻量化效果。因此目前的7000系铝合金无法作为厚度小的汽车面板。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种汽车用7000系铝合金薄板及其制备方法，易于加工成型，且强度高，适合用作汽车面板，满足汽车轻量化要求。
第一方面，本申请实施例提供了一种汽车用7000系铝合金薄板的制备方法，其包括以下步骤：
按照7000系铝合金的合金元素组成配制原料，并熔炼、精炼处理、铸造成7000系铝合金铸锭，按质量百分比计，合金元素组成包括：Si：≤0.08％，Fe：≤0.10％，Cu：1.6％-2.0％，Mg：2.0％-2.4％，Mn：≤0.05％，Cr：≤0.04％，Zn：5.8％-6.4％，Ti：≤0.06％，Zr：0.10％-0.15％，Y：0.10％-0.20％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al；
将7000系铝合金铸锭进行均匀化热处理、变温热轧及冷轧、固溶淬火、人工时效处理，得到7000系铝合金薄板。
在上述技术方案中，在7000系铝合金中添加合金元素Y，Y可以形成纳米结构Al8Cu4Y，这些粒子在变温轧制过程中在晶界聚集，起到扎钉晶界的作用，阻止晶粒长大，获得异构等轴晶组织；该粒子在铝合金中可以起到强化的效果，相较于在7000系铝合金中加入Sc的强化效果相当，但Y的价格便宜，具有应用潜力，对未来高强铝合金的设计具有重要意义。
另外，主合金元素的设计兼顾考虑了7000系铝合金的成形性和力学性能，特别是对于Zn含量和Cu含量控制在7000系中的较低值，保证汽车薄板的成形性能。
在一种可能的实现方式中，按质量百分比计，合金元素组成包括：Si：＜0.06％，Fe：＜0.08％，Cu：1.8％-2.0％，Mg：2.2％-2.4％，Mn：≤0.02％，Cr：≤0.01％，Zn：6.0％-6.4％，Ti：≤0.03％，Zr：0.10％-0.13％，Y：0.15％-0.20％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al。
在一种可能的实现方式中，均匀化热处理是采用二级均匀化热处理制度，第一级均匀化热处理是在450-465℃的条件下保温12-24h，第二级均匀化热处理是在470-478℃的条件下保温6-18h。
在上述技术方案中，第一级均匀化的目的是为了消除铸造坯料中产生的共晶相，第二级均匀化的目的主要是为了稀土Al3Y颗粒的生成，该项相在变温轧制过程中可以起到扎钉晶界，阻止晶界长大的作用。
在一种可能的实现方式中，变温热轧是将7000系铝合金切头铣面后加热至440-450℃的条件下保温100-120min得到板材，然后进行多道次热轧，热轧过程中使板材表面和芯部温度差为40-50℃，变温热轧至最终厚度为6-8mm。
在上述技术方案中，变温热轧相比与均温轧制而言，可以获得材料厚度方向的异构组织，即通过调控板材芯部与表层的温度差，增大表层变形抗力，降低芯部变形抗力，使压缩变形能深入板材芯部，获得每一层的晶粒组织有所差异，通过调节应变量、各道次与温度间的关系可以获得具有纳米晶、微晶和粗晶的混合组织，该组织可同时提升材料的强度和塑性，易于加工成型，且强度高，满足汽车板材的要求，适合用作汽车面板，从而满足汽车轻量化要求。
在一种可能的实现方式中，采用间歇式给轧辊加热的方式进行多道次热轧，每2个道次加热给轧辊加热一次。
在一种可能的实现方式中，冷轧是将变温热轧后的板材空冷至室温，再进行多道次冷轧，冷轧总变形量超过80％，冷轧至最终厚度为1.5-3.0mm。
在一种可能的实现方式中，固溶淬火是在450-500℃的条件下保温30-60min，然后直接进行水淬。
在一种可能的实现方式中，人工时效处理是在80-120℃的条件下保温8-10h。
在上述技术方案中，通过设定特殊的人工时效制度，达到一种欠时效的状态，可以使得材料获得一定的强度，又具有较好的延伸性能，为冲压变形做好基础准备，又能在样件最后的热处理阶段提供析出基础，最终使得样件既具有良好的成形性，又有较高的力学性能。温度过高，析出相增多、粗大，GP区、一塔撇转化为一塔相，强度显著增加，成形开裂，温度过低，起不到为后续热处理提供析出基础，材料无法完成性能要求。
第二方面，本申请实施例提供了一种汽车用7000系铝合金薄板，其是采用第一方面提供的汽车用7000系铝合金板材的制备方法制得，汽车用7000系铝合金板材的厚度为1.5-3.0mm，抗拉强度为600-650MPa，屈服强度为530-580MPa，延伸率≥15.0％。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1的7000系铝合金薄板的显微组织图；
图2为不同实施例的7000系铝合金薄板的力学性能曲线图；
图3为对比例1的7000系铝合金薄板的力学性能曲线图；
图4为对比例2的7000系铝合金薄板的力学性能曲线图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例的汽车用7000系铝合金薄板及其制备方法进行具体说明。
第一方面，本申请实施例提供了一种汽车用7000系铝合金薄板的制备方法，其包括以下步骤：
(a)按照7000系铝合金的合金元素组成配制原料，并熔炼、精炼处理、铸造成7000系铝合金铸锭，按质量百分比计，合金元素组成包括：Si：≤0.08％，Fe：≤0.10％，Cu：1.6％-2.0％，Mg：2.0％-2.4％，Mn：≤0.05％，Cr：≤0.04％，Zn：5.8％-6.4％，Ti：≤0.06％，Zr：0.10％-0.15％，Y：0.10％-0.20％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al。可选地，按质量百分比计，合金元素组成包括：Si：＜0.06％，Fe：＜0.08％，Cu：1.8％-2.0％，Mg：2.2％-2.4％，Mn：≤0.02％，Cr：≤0.01％，Zn：6.0％-6.4％，Ti：≤0.03％，Zr：0.10％-0.13％，Y：0.15％-0.20％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al。
(b)将7000系铝合金铸锭进行均匀化热处理、变温热轧及冷轧、固溶淬火、人工时效处理，得到7000系铝合金薄板。
其中，均匀化热处理是采用二级均匀化热处理制度，第一级均匀化热处理是在450-465℃的条件下保温12-24h，第二级均匀化热处理是在470-478℃的条件下保温6-18h。
其中，变温热轧是将7000系铝合金切头铣面后加热至440-450℃的条件下保温100-120min得到板材，然后进行多道次热轧，可以采用间歇式给轧辊加热的方式进行多道次热轧，每2个道次加热给轧辊加热一次，热轧过程中使板材表面和芯部温度差为40-50℃，变温热轧至最终厚度为6-8mm。冷轧是将变温热轧后的板材空冷至室温，再进行多道次冷轧，冷轧总变形量超过80％，冷轧至最终厚度为1.5-3.0mm。
其中，固溶淬火是在450-500℃的条件下保温30-60min，然后直接进行水淬。
其中，人工时效处理是在80-120℃的条件下保温8-10h。
另外，本申请实施例还提供了一种汽车用7000系铝合金薄板，其是采用上述的汽车用7000系铝合金板材的制备方法制得，汽车用7000系铝合金板材的厚度为1.5-3.0mm，抗拉强度为600-650MPa，屈服强度为530-580MPa，延伸率≥15.0％。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种7000系铝合金薄板，其制备方法如下：
(1)按照7000系铝合金的合金元素组成配制原料，并熔炼、精炼处理、铸造成7000系铝合金铸锭，按质量百分比计，合金元素组成为：Si：0.06％，Fe：0.06％，Cu：2.0％，Mg：2.4％，Mn：0.02％，Cr：0.01％，Zn：6.0％，Ti：0.03％，Zr：0.13％，Y：0.15％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al。
(2)将7000系铝合金铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理是采用二级均匀化热处理制度，第一级均匀化热处理是在465℃的条件下保温20h，第二级均匀化热处理是在478℃的条件下保温16h。
(3)将均匀化热处理后的铸锭进行变温热轧及冷轧，变温热轧是将7000系铝合金切头铣面后加热至450℃的条件下保温120min得到板材，然后进行多道次热轧，可以采用间歇式给轧辊加热的方式进行多道次热轧，每2个道次加热给轧辊加热一次，热轧过程中使板材表面和芯部温度差为50℃，变温热轧至最终厚度为6mm。冷轧是将变温热轧后的板材空冷至室温，再进行多道次冷轧，冷轧总变形量80％，冷轧至最终厚度为2.0mm。
(4)将轧制得到的板材进行固溶淬火，固溶淬火是在475℃的条件下保温30min，然后直接进行水淬。
(5)将淬火后的板材进行人工时效处理，人工时效处理是在100℃的条件下保温10h，得到7000系铝合金薄板。
7000系铝合金薄板的显微组织图如图1所示，通过图1分析得到：通过添加Y获得的板材组织具有粗细晶的混晶组织，这种结构的获得是基于添加Y元素，形成的较大的Al8Cu4Y在变温轧制过程中起到PSN诱发形核的作用，使得大量再结晶晶粒生成，及弥散细小的Al3Y颗粒组织再结晶晶粒长大，最终获得变形组织和再结晶组织混合的结构，该结构在材料变形过程中可同时提高强度和塑性。
实施例2
本实施例提供一种7000系铝合金薄板，其制备方法如下：
(1)按照7000系铝合金的合金元素组成配制原料，并熔炼、精炼处理、铸造成7000系铝合金铸锭，按质量百分比计，合金元素组成为：Si：0.08％，Fe：0.10％，Cu：1.6％，Mg：2.2％，Mn：0.02％，Cr：0.02％，Zn：5.8％，Ti：0.04％，Zr：0.15％，Y：0.10％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al。
(2)将7000系铝合金铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理是采用二级均匀化热处理制度，第一级均匀化热处理是在455℃的条件下保温20h，第二级均匀化热处理是在475℃的条件下保温12h。
(3)将均匀化热处理后的铸锭进行变温热轧及冷轧，变温热轧及冷轧，变温热轧是将7000系铝合金切头铣面后加热至445℃的条件下保温100min得到板材，然后进行多道次热轧，可以采用间歇式给轧辊加热的方式进行多道次热轧，每2个道次加热给轧辊加热一次，热轧过程中使板材表面和芯部温度差为45℃，变温热轧至最终厚度为6mm。冷轧是将变温热轧后的板材空冷至室温，再进行多道次冷轧，冷轧总变形量80％，冷轧至最终厚度为2.0mm。
(4)将轧制得到的板材进行固溶淬火，固溶淬火是在475℃的条件下保温30min，然后直接进行水淬。
(5)将淬火后的板材进行人工时效，人工时效处理是在120℃的条件下保温10h，得到7000系铝合金薄板。
实施例3
本实施例提供一种7000系铝合金薄板，其制备方法如下：
(1)按照7000系铝合金的合金元素组成配制原料，并熔炼、精炼处理、铸造成7000系铝合金铸锭，按质量百分比计，合金元素组成为：Si：0.06％，Fe：0.08％，Cu：2.0％，Mg：2.4％，Mn：0.02％，Cr：0.01％，Zn：6.4％，Ti：0.03％，Zr：0.13％，Y：0.18％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al。
(2)将7000系铝合金铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理是采用二级均匀化热处理制度，第一级均匀化热处理是在465℃的条件下保温12h，第二级均匀化热处理是在475℃的条件下保温10h。
(3)将均匀化热处理后的铸锭进行变温热轧及冷轧，变温热轧是将7000系铝合金切头铣面后加热至440℃的条件下保温100min得到板材，然后进行多道次热轧，可以采用间歇式给轧辊加热的方式进行多道次热轧，每2个道次加热给轧辊加热一次，热轧过程中使板材表面和芯部温度差为40℃，变温热轧至最终厚度为8mm。冷轧是将变温热轧后的板材空冷至室温，再进行多道次冷轧，冷轧总变形量85％，冷轧至最终厚度为3.0mm。
(4)将轧制得到的板材进行固溶淬火，固溶淬火是在478℃的条件下保温35min，然后直接进行水淬。
(5)将淬火后的板材进行人工时效处理，人工时效处理是在100℃的条件下保温8h，得到7000系铝合金薄板。
实施例4
本实施例提供一种7000系铝合金薄板，其制备方法如下：
(1)按照7000系铝合金的合金元素组成配制原料，并熔炼、精炼处理、铸造成7000系铝合金铸锭，按质量百分比计，合金元素组成为：Si：0.06％，Fe：0.08％，Cu：1.9％，Mg：2.3％，Mn：0.02％，Cr：0.01％，Zn：6.2％，Ti：0.03％，Zr：0.15％，Y：0.20％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al。
(2)将7000系铝合金铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理是采用二级均匀化热处理制度，第一级均匀化热处理是在465℃的条件下保温12h，第二级均匀化热处理是在475℃的条件下保温16h。
(3)将均匀化热处理后的铸锭进行变温热轧及冷轧，变温热轧是将7000系铝合金切头铣面后加热至445℃的条件下保温100min得到板材，然后进行多道次热轧，可以采用间歇式给轧辊加热的方式进行多道次热轧，每2个道次加热给轧辊加热一次，热轧过程中使板材表面和芯部温度差为45℃，变温热轧至最终厚度为7mm。冷轧是将变温热轧后的板材空冷至室温，再进行多道次冷轧，冷轧总变形量90％，冷轧至最终厚度为2.0mm。
(4)将轧制得到的板材进行固溶淬火，固溶淬火是在476℃的条件下保温30min，然后直接进行水淬。
(5)将淬火后的板材进行人工时效处理，人工时效处理是在100℃的条件下保温10h，得到7000系铝合金薄板。
图2为实施例1-4的7000系铝合金薄板力学性能曲线图，由图2可以看出，实施例1-4的7000系铝合金薄板具有较高的强度和塑性。
对比例1
本对比例提供一种7000系铝合金薄板，其与实施例1的不同之处在于：合金元素组成为：Si：0.06％，Fe：0.06％，Cu：2.0％，Mg：2.4％，Mn：0.02％，Cr：0.01％，Zn：6.0％，Ti：0.03％，Zr：0.13％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al。
图3为对比例1的7000系铝合金薄板力学性能曲线图，从对比例1的力学数据可以看出，其抗拉强度和屈服强度均较低，小于600Mpa，这主要是由于材料本身决定的，一方面是材料成分，另一方面是材料的结构。
对比例2
本对比例提供一种7000系铝合金薄板，其与实施例1的不同之处在于：将均匀化热处理后的铸锭进行恒温热轧及冷轧，恒温热轧是将7000系铝合金切头铣面后加热至445℃的条件下保温100min得到板材，然后进行多道次热轧，热轧过程中使板材无温差，热轧至最终厚度为7mm。
图4为对比例2的7000系铝合金薄板力学性能曲线图，对比图2和图4可以看出，对比例2的7000系铝合金薄板虽然也具有比较高的强度和塑性，但仍低于实施例1-4，这主要是因为材料没有经过变温处理，未获得异构组织所致。
综上所述，本申请实施例的汽车用7000系铝合金薄板易于加工成型，且强度高，适合用作汽车面板，满足汽车轻量化要求。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种汽车用7000系铝合金薄板的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
按照7000系铝合金的合金元素组成配制原料，并熔炼、精炼处理、铸造成7000系铝合金铸锭，按质量百分比计，所述合金元素组成包括：Si：≤0.08％，Fe：≤0.10％，Cu：1.6％-2.0％，Mg：2.0％-2.4％，Mn：≤0.05％，Cr：≤0.04％，Zn：5.8％-6.4％，Ti：≤0.06％，Zr：0.10％-0.15％，Y：0.10％-0.20％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al；
将所述7000系铝合金铸锭进行均匀化热处理、变温热轧及冷轧、固溶淬火、人工时效处理，得到7000系铝合金薄板；
所述变温热轧是将所述7000系铝合金切头铣面后加热至440-450℃的条件下保温100-120min得到板材，然后进行多道次热轧，热轧过程中使所述板材表面和芯部温度差为40-50℃，变温热轧至最终厚度为6-8mm；所述人工时效处理是在80-120℃的条件下保温8-10h。
2.根据权利要求1所述的汽车用7000系铝合金薄板的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述合金元素组成包括：Si：＜0.06％，Fe：＜0.08％，Cu：1.8％-2.0％，Mg：2.2％-2.4％，Mn：≤0.02％，Cr：≤0.01％，Zn：6.0％-6.4％，Ti：≤0.03％，Zr：0.10％-0.13％，Y：0.15％-0.20％，其他单个元素≤0.030％，其他杂质元素总量≤0.100％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的汽车用7000系铝合金薄板的制备方法，其特征在于，所述均匀化热处理是采用二级均匀化热处理制度，第一级均匀化热处理是在450-465℃的条件下保温12-24h，第二级均匀化热处理是在470-478℃的条件下保温6-18h。
4.根据权利要求1所述的汽车用7000系铝合金薄板的制备方法，其特征在于，采用间歇式给轧辊加热的方式进行多道次热轧，每2个道次加热给轧辊加热一次。
5.根据权利要求1所述的汽车用7000系铝合金薄板的制备方法，其特征在于，所述冷轧是将变温热轧后的板材空冷至室温，再进行多道次冷轧，冷轧总变形量超过80％，冷轧至最终厚度为1.5-3.0mm。
6.根据权利要求1所述的汽车用7000系铝合金薄板的制备方法，其特征在于，所述固溶淬火是在450-500℃的条件下保温30-60min，然后直接进行水淬。
7.一种汽车用7000系铝合金薄板，其特征在于，其是采用如权利要求1至6中任一项所述的汽车用7000系铝合金板材的制备方法制得，所述汽车用7000系铝合金板材的厚度为1.5-3.0mm，抗拉强度为600-650MPa，屈服强度为530-580MPa，延伸率≥15.0％。
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