CN115852210B - 一种压溃性能优良的铝合金生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压溃性能优良的铝合金型材生产工艺，从铝合金充分固溶的角度出发，发现型材内尺寸≤5μm的强化相占比与铝型材综合性能的正向关系，利用快速加热技术与瞬时淬火冷却技术以提高上述强化相占比，实现一种高度弥散的二次沉淀析出相结构，使铝合金的各处组织均匀一致，最终在保证机械强度的同时显著提高铝型材的压溃性能。利用本工艺生产出的铝合金型材具有优秀的综合性能，能够满足在汽车被动安全系统当中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金生产工艺，特别是一种压溃性能优良的Mg-Si-Al合金的生产工艺。
背景技术
在新能源汽车制造领域，轻量化是当前的研发热点，而铝合金材料可以大大减轻汽车车身的重量。车用铝合金有2系、5系、6系、7系铝合金，其中6系铝合金为可热处理强化铝合金，主要包含Mg和Si两种合金元素，并形成Mg2Si相，耐蚀性高，无应力腐蚀破裂倾向，焊接性能良好、成形性高、工艺性能良好等优点，具备较高的强度与成型性，适用于对抗腐蚀性、氧化性要求高的应用，6082、6063、6060等均是现有技术中车身铝材的常见选择。
传统6系车身铝材的选择一般需要满足240Mpa的高屈服强度指标，随着各汽车生产厂家对安全性能要求的提高，对车身铝材的屈服强度指标提高至280Mpa。但是一昧地提高铝材的机械性能有可能会降低铝材的其他性能，如铝合金的压溃吸能能力，现有技术中的6系铝材很难同时满足屈服强度280Mpa与较好的压溃效果。目前越来越多的汽车生产厂家开始采用综合指标来评价车身铝材的性能，包含零件尺寸公差、机械性能、压溃性能、耐腐蚀性及热稳定性等各项指标，上述指标的提出对合金铝材的制备工艺提出了巨大挑战。
针对上述技术背景，国内多家企业尝试改进合金成分与合金制备工艺，以提高制备铝材综合性能。如申请号202110462985.X的中国专利公开了一种6系铝合金型材，添加Cu增加合金强度，增加Mn和Cr细化晶粒以利于合金的溃变成型，同时对加工工艺进行改进，使最终的型材达到较强的综合性能；申请号201911314860.1的中国专利公开了一种6005A铝合金，通过调整Mg、Si、Fe、Cu、Mn等元素的成分配比，以第二相的生成抑制粗晶组织的产生，最终改善铝材的综合性能。上述两件专利申请代表了现有技术中企业的研发思路，均是从生成一种晶粒组织或者改善晶粒度的角度考虑。
由于合金的微观组织无法得到精细的控制，材料得不到充分的固溶，致使组织无法实现均匀一致的理化性能，在遇到拉伸、弯曲、折叠等工况就会出现局部碎裂，无法达到保护乘车人员安全的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压溃性能优良的铝合金生产工艺，依照该生产工艺制备的铝合金型材在满足屈服强度的基础上具有优良的压溃性能。该种铝合金各组成成分以重量计范围如下：0.7-1.3Si，<0.5Fe，<0.2Cu，0.4-1.0Mn，0.6-1.2Mg，<0.25Cr，<0.2Zn，<0.1Ti，<0.05V，<0.05Zr，以及不可避免的杂质，余量为Al，铝合金型材的生产工艺包括如下步骤：
S1.将具有上述成分的铝合金铸坯依次经过熔炼、铸造、均质化，获得具有该成分组成的铝合金铸棒；
S2.将铝合金铸棒于500-530℃加热，加热速率为120-190℃/min；
S3.对加热后的铸棒进行型材挤压；
S4.将挤压后的铝型材进行淬火冷却处理，淬火冷却速率为100-160℃/s；
S5.将淬火后的铝型材于200-210℃时效4-6h。
优选的铝合金成分以重量计范围如下：0.7-1.1Si，<0.3Fe，<0.1Cu，0.4-0.7Mn，0.6-0.8Mg，<0.2Cr，<0.1Zn，<0.1Ti，<0.05V，<0.05Zr，以及不可避免的杂质，余量为Al。
优选地，S4步骤处理后的铝合金型材经金相显微镜检测，≤5μm的合金强化相占据析出相整体的比例≥95％。
更优选的铝合金成分以重量计范围如下：0.8-1.0Si，<0.25Fe，<0.1Cu，0.4-0.7Mn， 0.62-0.72Mg，<0.15Cr，<0.05Zn，<0.05Ti，<0.03V，<0.03Zr，以及不可避免的杂质，余量为 Al。
优选地，铝合金中Mg：Si<1。
优选地，合金中Mn含量为0.6-0.7。
本申请公开的方案从铝合金充分固溶的角度出发，发现型材内尺寸≤5μm的强化相占比与铝型材综合性能的正向关系，并提供了一种铝合金生产工艺，利用快速加热技术与瞬时淬火冷却技术以提高上述析出相占比，实现一种高度弥散的二次沉淀析出相结构，使铝合金的各处组织均匀一致，最终在保证机械强度的同时显著提高铝型材的压溃性能，以达到材料综合性能提升的目标。
此外，根据本发明提供的生产工艺制备的铝合金型材性能，本发明还提供了上述铝合金型材在汽车被动安全系统中的应用。
附图说明
图1为型材压溃后的形态对比图，a、b、c分别表示型材压溃性能优、良、差。
图2为铝合金在金相显微镜下所拍摄的金相图片，金相显微尺寸为10um；图中I与II 分别代表两件压溃性能优、差的合金样品。
图3为图1中压溃性能优的样品析出相占比的测量示意图，其中a为金相图片，b为经过Image pro处理后的图片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
一种压溃性能优良的铝合金型材生产工艺，选取国家标准变形铝合金AW6082作为基础材料，铝合金各组成成分范围如下：
0.7-1.3Si，<0.5Fe，<0.2Cu，0.4-1.0Mn，0.6-1.2Mg，<0.25Cr，<0.2Zn，<0.1Ti，<0.05V，<0.05Zr，以及不可避免的杂质，余量为Al。
铝合金型材的生产工艺包括如下步骤：
S1.将具有上述成分的铝合金铸坯依次经过熔炼、铸造、均质化，获得具有该成分组成的铝合金铸棒；
S2.将铝合金铸棒于500-530℃加热；
S3.对加热后的铸棒进行型材挤压；
S4.将挤压后的铝型材进行淬火冷却处理；
S5.将淬火后的铝型材于200℃-210℃时效。
利用金相显微镜分别对经过S2与S4处理后的型材做金相组织测定，计算析出尺寸≤5μm 的强化相占据所有析出相整体的比例。
实施例1：铝合金型材中析出尺寸≤5μm的强化相占据所有析出相整体的比例测定方法：
在挤压型材上采用CNC或锯切等方式取下10*10mm左右大小的样块，为了方便统一对比，优选在固定部位取材；使用镶样机镶成直径30mm，厚度10mm左右的样块，再将样块固定于磨抛机上，依次采用200目，600目，1000目和1200目砂纸进行磨抛，每道磨抛时间 2～5min。
确认样品表面已经磨抛成镜面后对样品使用酸腐蚀，将样品放置到金相显微镜下，选取样本10个不同位置拍取10张同比例大小的金相图片，最终得到如图3-a所示的金相图片。
使用Image pro软件，对10张图片进行拼图合成处理，然后固定设定强化对应的判定色彩值区间，使软件能够准确抓取图片中特定色彩的所有颗粒状、片状等析出相。
设定尺寸大小分级，设定将已抓取特定色彩的析出相分为＞5μm和≤5μm两级，软件自动计算＞5μm和≤5μm特定色彩的区块所占的面积值，最终得到≤5μm强化相占据所有析出相的比值。如图3所示，≤5μm的强化相面积1997.480μm2，＞5μm的强化相面积21.94μm2，因此≤5μm的强化相占总析出项面积(2019.42μm2)比率为98.91％。
实施例2：测定铝合金成分为Si0.880，Fe0.221，Cu0.038，Mn0.553，Mg0.734，Cr0.041， Zn0.004，Ti0.011，V0.001，Zr0.001以及不可避免的杂质，余量为Al。
将铝合金铸坯分为A、B、C、D四组，依次经过上述熔炼、铸造、均质化、铝棒加热、挤压成型、淬火冷却、时效处理的工艺路线，每组依照铝棒加热速率100/120/180/190℃/min分别搭配淬火冷却速率80/100/150/160℃/s，再搭配4h与6h的时效时间，检测所得铝型材的强度指标与压溃性能，最终获得如下表所示的技术参数。
上表中压溃性能评价定义：差：最大折裂或者压溃裂纹尺寸介于20mm-50mm；合格：最大裂纹尺寸介于10mm-20mm之间；良好：裂纹尺寸≤10mm；优秀：无裂纹或微小裂纹。图1展示了压溃性能评价优、良、差的三件样品压溃后的形态对比图。
从表中可以看出，在步骤S2中，加热速率为100-190℃/min，通过高速加热使铝棒内二次相组织能够充分溶解到基体当中，对相组织进行金相分析，铝棒内尺寸≤5μm的强化相占比均＞85％；同时随着加热速率的提高，≤5μm强化相的占比逐渐增大，在加热速率＞180℃/min 时，强化相的占比可以达到97％以上，由此达到基体组织均匀一致的状态。
在步骤S4当中，以往采用的是水淬或者风冷的冷却方式，冷却速率大致控制在6-45℃/s 之间，如果再提高冷却速度会导致铝材塑性性能大幅度下降。本实施例中型材淬火冷却速率为80-160℃/s，在经过前道工序处理后的基础上，对型材进行瞬时冷却，以达到型材高度固溶的状态。结合上表所示，由于瞬时冷却形成的高度固溶效果，淬火冷却后合金内强化相的占比与淬火冷却前的占比大致相同。
在步骤S5当中，本实施例采用了200-210℃保温4-6小时的时效工艺，对铝型材进行沉淀强化，达到极其弥散，均匀析出相组织的效果。随着时效时间增大，合金的屈服强度略微降低，而合金压溃性能大大提高。图2展示了压溃性能评价优与差的两件样品的金相照片对比图，样品I中形成的颗粒细小，且各处分布均匀；样品II中的析出相尺寸较大，各析出相分布较为集中。
此外根据上表可知，铝材的综合性能与铝材内尺寸≤5μm的强化相占比之间有着正相关的联系。当铝棒加热速率与型材淬火冷却速率分别满足≥120℃/min与≥100℃/s的条件时，合金内强化相占比达到95％，材料的屈服强度均≥280Mpa，同时具有优良的压溃性能。本合金中具有大量细小析出相组织，并通过上述工艺达到极其弥散的效果，使型材内各处组织均匀一致同时具备优良的机械强度与压溃性能。
实施例3：
确定成分范围0.7-1.1Si，<0.3Fe，<0.1Cu，0.4-0.7Mn，0.6-0.8Mg，<0.2Cr，<0.1Zn，<0.1Ti，<0.05V，<0.05Zr，以及不可避免的杂质，余量为Al；从中例举七组样品，铝合金成分如下表所示：
对四组样品采用如实施例2所述方案处理，其中S2中铝棒加热速率为120-190℃/min， S4中淬火冷却率为100-160℃/s，七组样品的参数条件与测定结果如下表所示。
样品测定结果显示，在本实施例所限定的生产工艺参数下，成分范围内的铝合金成型后均可以满足Rp0.2≥280Mpa、最大压溃裂痕≤20mm的技术指标。
优选地，合金成分为0.8-1.0Si，<0.25Fe，<0.1Cu，0.4-0.7Mn，0.62-0.72Mg，<0.15Cr，<0.05Zn，<0.05Ti，<0.03V，<0.03Zr，以及不可避免的杂质，余量为Al。成分范围内的铝合金成型后具有更优良的机械性能并能达到最大压溃裂纹≤20mm的技术指标。
本发明的Mg：Si优选为<1，使合金中能析出多余的Si单质晶粒并向晶界扩散，在本发明提供的工艺条件下，Si析出相的尺寸细小，不但不会造成合金材料的压溃特性大幅度下降，同时能强化铝合金的强度，从而弥补合金强度不足的缺陷；Mn元素的含量优选为0.5-0.7，作为合金中的主要元素之一，Mn能够提高再结晶温度，抑制晶粒长大，起到控制晶粒大小的作用，同时一部分的Mn促使Mg-Si颗粒从球状Mn颗粒处形核生成强化相；此外由于Fe容易形成β-AlFeSi相，对合金的强度和压溃起到负面效果，应控制合金中Fe元素的含量。
本发明所使用的合金材料成分范围属于Al-Mg-Si沉淀强化合金，其中Si和Mg元素作为该合金的主要强化元素，他们组成的Mg-Si沉淀强化相对铝合金的强度起着最主要的作用，也是本发明中所公开的≤5μm的强化相的最大组成部分；当Mg：Si<1时，合金中多余的Si 单质会析出，同时作为本发明中所公开的强化相。本发明提供的技术方案能够加强材料的固溶效果，使合金强化相形成细小的弥散形态，从而提高压溃性能。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不仅限于所述的实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种压溃性能优良的铝合金型材生产工艺，铝合金各组成成分以重量百分比计范围如下：0.7-1.3Si，<0.5Fe，<0.2Cu，0.4-1.0Mn，0.6-1.2Mg，<0.25Cr，<0.2Zn，<0.1Ti，<0.05V，<0.05Zr，以及不可避免的杂质，余量为Al，其特征在于：铝合金型材的生产工艺包括如下步骤：
S1.将具有上述成分的铝合金铸坯依次经过熔炼、铸造、均质化，获得具有该成分组成的铝合金铸棒；
S2.将铝合金铸棒于500-530℃加热，加热速率为120-190℃/min；
S3.对加热后的铸棒进行型材挤压；
S4.将挤压后的铝型材进行淬火冷却处理，淬火冷却速率为100-160℃/s；
S5.将淬火后的铝型材于200-210℃时效4-6h；
其中，S4步骤处理后的铝合金型材经金相显微镜检测，≤5μm的合金强化相占据析出相整体的比例≥95％。
2.如权利要求1所述的一种压溃性能优良的铝合金型材生产工艺，其特征在于：所述铝合金成分以重量百分比计范围如下：0.7-1.1Si，<0.3Fe，<0.1Cu，0.4-0.7Mn，0.6-0.8Mg，<0.2Cr，<0.1Zn，<0.1Ti，<0.05V，<0.05Zr，以及不可避免的杂质，余量为Al。
3.如权利要求2所述的一种压溃性能优良的铝合金型材生产工艺，其特征在于：所述铝合金成分以重量百分比计范围如下：0.8-1.0Si，<0.25Fe，<0.1Cu，0.4-0.7Mn，0.62-0.72Mg，<0.15C r，<0.05Zn，<0.05Ti，<0.03V，<0.03Zr，以及不可避免的杂质，余量为Al。
4.如权利要求3所述的一种压溃性能优良的铝合金型材生产工艺，其特征在于：铝合金中Mg：Si<1。
5.如权利要求3所述的一种压溃性能优良的铝合金型材生产工艺，其特征在于：合金中Mn含量为0.6-0.7。
6.一种压溃性能优良的铝合金型材，其特征在于：根据如权利要求1-5任一所述的生产工艺制备而成。
7.一种根据权利要求6所述的铝合金型材在汽车被动安全系统中的应用。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 淬火冷却速率对6082 铝合金组织及性能影响研究;徐宁;《有色金属加工》;第50卷(第6期);10-13 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115852210A (zh) | 2023-03-28 |
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