兼具优良表面性能和深冲性能的中强度铝合金及制备工艺的制作方法

1.本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种兼具优良表面性能和深冲性能的中强度铝合金及其制备工艺。


背景技术：

2.日用消费品、白色家电等行业用的外观件很大一部分采用了铝合金材料。随着消费升级，消费者对产品外观要求越来越高。为提升产品质感和档次，这类外观件生产商一般要对产品表面进行阳极氧化处理，这就要求用于制造这类产品的铝合金材料在阳极氧化后具有优良的表面性能，在阳极氧化后不能出现明显的麻点、白点、黑色、异色、条纹等各类缺陷。同时，外观件生产商为增加材料利用率进而降低生产成本，还要求铝合金材料兼具中等强度和深冲性能。因为日用消费品、白色家电等行业用的外观件有很大一部分呈长筒形状，需要通过多次拉伸成形或变薄拉伸的工艺进行制造。
3.从铝合金材料的角度来讲，要保证表面性能，一般要求铝合金中杂质含量少，化合物少，组织均匀，需要尽量少加入合金元素。而要提高强度，则又需要一定的合金元素进行强化。另一方面，深冲性能则也与铝合金材料中的杂质和合金元素有关。因此，高表面性能、中等强度、高深冲性能这三种很难获得平衡和匹配。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种兼具优良表面性能和深冲性能的中强度铝合金及其制备工艺，以解决高表面性能、中等强度、高深冲性能难以平衡及匹配的技术问题，适合于生产铝合金薄板产品，具有较低的生产成本和设备要求。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：兼具优良表面性能和深冲性能的中强度铝合金，合金材料的主要元素为al、mg、ti或者al、mg、ti以及mn、cr中的至少一种元素；其中当合金的主要元素为al、mg、ti时，合金元素所占的质量百分比为mg 0.5~1.5%、ti 0.005~0.03%，余量为al以及杂质元素；当合金的主要元素为al、mg、ti以及mn、cr中的至少一种元素时，合金元素所占的质量百分比为mg 0.5~1.5%、ti 0.005~0.03%、mn 0.002~0.2%、cr 0.002~0.2%，且mn和cr的含量总量低于 0.3%，余量为al以及杂质元素。
6.合金材料中主要杂质元素的质量百分比控制范围分别为：fe低于0.2%，si低于0.1%；除fe和si外的其余杂质元素单个含量均低于0.05%，总含量低于0.15%。
7.铝合金材料的抗拉强度范围在100-200mpa。
8.铝合金材料的制耳率在4%以下。
9.一种铝合金铸锭的制备工艺，该铝合金为所述的兼具优良表面性能和深冲性能的中强度铝合金，该工艺采用半连续铸造的方式生产铸锭，在半连续铸造工序中，铸造稳定阶段铝液进入铸造平台的温度在680~730℃范围内，铸造速度在45~60mm/min范围内，均布水流量≥12 m3/(h
·
m)。
10.下面从技术原理角度对本发明的技术方案进行详细的分析，以明确本发明的设计
要点。
11.铝合金板材深冲过程中的制耳与板材的织构密切相关。立方取向的晶粒在平面应变过程中相对于所有的外加应力轴方向上均具有最小的相同泰勒因子值，而且位错间的相消阻力最小，因此板材在深冲过程易沿《001》方向上产生塑性流变，从而出现与轧制方向成0
°
/90
°
方向上的4个制耳。同理，具有强烈轧制织构的板材在深拉延的应力状态下会在凸缘处沿与轧向成约45
°
方向上产生附加应变，优先发生屈服流动而形成制耳。
12.有研究表明，合金元素对织构的影响较为复杂，但总的趋势是合金越纯即杂质越少，越易形成纯金属型轧制织构，退火后的立方织构也越强。（参考文献：沈健，张新明．深冲用铝板的织构和各向异性[j]．轻合金加工技术，1994，22(7)：27-33+40．）因此，纯度越高的合金材料，薄板产品在深冲时表现为较高的0
°
/90
°
方向制耳。同时，如基体中存在mg、mn等固溶元素时，将表现为与纯铝完全不同的组织性能演变规律。（参考文献：r. kalsar, r. madhavan, r. k. ray, s. suwas. texture transition in al
–
mg alloys: effect of magnesium[j]. philosophical magazine, 2020, 100 (16): 2143-2164.）。
[0013]
铝合金中的fe、si、mn等元素对织构有至关重要的影响，因此很多技术是通过成分设计来实现板材的低制耳率。例如专利cn 200510009993、cn 200510009793、cn 200810230639、cn 201210502214、cn 201410846448、cn 201711126422、cn 201880061110、cn 201911316096、cn 201911322285、cn 201910292736、cn 202010233523、cn 202110253793等所发明的低制耳率的铝合金材料，代表性的元素fe的含量都在0.3%以上，有得甚至高达0.8%，还通过增加较高含量的其他元素如mn、cu、cr等抑制立方织构，达到降低制耳率的目的。综合上述分析，本发明的技术思路与现有发明均不一致，本发明所提出的化学成分范围以及所对应的铸锭制备工艺是一种全新的技术方案。
[0014]
本发明的技术方案是通过微量合金元素mn和cr来控制材料在后续热加工过程中的组织演变，尤其将fe元素含量控制在了0.2%以下，并未额外加入cu元素。同时，将作为晶粒细化剂的ti元素含量也控制在较低水平，但通过优化铸造工艺来控制晶粒的大小和均匀性。因为铝合金中的fe、mn、cr、ti等过渡族元素极易在组织中产生大量的初生化合物相，而且易发生偏聚现象，这些化合物相在阳极氧化后易形成“麻点”、“白点”等缺陷，严重影响板材的表面性能。
[0015]
本发明的铝合金材料中的化学成分经过了精心的设计，以获得使得采用该种铝合金材料生产的薄板产品在高表面性能、中等强度、高深冲性能这三种性能上取得平衡。采用这种铝合金材料制造的铝合金薄板，具有中等强度和优良的深冲性能，在阳极氧化后还能保持优良的表面性能。本发明的铝合金材料属于一种低mg的al-mg系铝合金，抗拉强度范围在100-200mpa，这在此类合金中属于中等强度水平。深冲性能则一般用制耳率表示，制耳率越低则表示深冲性能越好，本发明的铝合金材料的制耳率可以达到4%以下，这在此类合金产品中属于较高的水平。最后，本发明的铝合金材料所制备的铝合金薄板在阳极氧化后表面无肉眼明显可见的“条纹”、“黑丝”、“麻点”、“白点”等各类表面缺陷，表面光泽度也较高，表面性能优良。
[0016]
本发明的铝合金材料中采用mg作为主合金元素，利用mg的固溶强化作用提升铝合金薄板的强度，保证薄板产品获得中等的强度，但mg含量超过1.5%后会使得薄板产品在阳
极氧化之后出现明显的亮度发暗，表面性能下降，因此mg元素的含量范围是0.5~1.5%。
[0017]
本发明的铝合金材料中适当加入mn或cr作为微量合金元素，控制薄板中的织构组成，从而保证优良的深冲性能。同时，mn或cr元素的加入，可以控制中间退火过程中的再结晶过程，使得本发明的合金在中间退火过程中的再结晶速率变得较为缓慢，在中间退火的温度和时间较宽范围内保证晶粒组织的稳定性，从而适合于低成本的箱式退火方式，而无需配备投资金额更高的连续退火或其他设备。我们的研究表明，微量的mn或cr就能起到延缓再结晶、控制织构的作用，而一旦mn或cr的含量超过0.2%，或者两者之和的含量超过0.3%，则极易使得薄板在阳极氧化后在表面形成麻点、黑点等点缺陷，降低产品表面性能，因此本发明将mn或cr的含量上限分别确定为0.2%，mn和cr的含量总量低于 0.3%。
[0018]
本发明的铝合金材料中需控制主要杂质元素fe、si等的含量，减少合金中的化合物比例从而保证阳极氧化后的表面性能。
[0019]
本发明的铝合金材料中适当加入ti元素细化晶粒，保证组织均匀性。在铝合金工业生产中，al-ti-b丝是成熟的晶粒细化剂，是铝合金生产中必不可少的。但在合金中加入ti元素，极易在合金中发生含ti化合物的聚集，这种聚集是板材产品在阳极氧化后产生点缺陷、线缺陷的一个主要原因。因本发明的合金材料需要满足高表面性的要求，所以ti含量控制在比较低的水平，而铸锭晶粒组织的细化和均匀性则依靠少量的ti含量加上合理的铸造工艺来保证。因此，本发明的铸造工艺中，采用的是比较低的铸造温度和比较低的铸造速度，配以比较高的均布水流量，使得冷却水对铸锭的冷却强度较高，从而保证铸锭的晶粒细小均匀，铸锭表面和芯部的平均晶粒尺寸在200μm以下。
[0020]
本发明的铝合金材料适合于生产薄板产品，产品按常规铝合金薄板的工艺路线组织生产，以h1x或h2x或h3x的状态供货。
[0021]
综上所述，本发明的有益效果是：（1）采用本发明所提供的成分和铸造工艺所制备的铸锭，再通过热轧、冷轧、退火等工序所生产的铝合金薄板产品，兼具高表面性、高深冲性能和较高的强度。
[0022]
（2）本发明所提出的化学成分范围易于控制，在实际生产中可操作性较强。
具体实施方式
[0023]
下面结合实施例和对比例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
[0024]
本发明兼具优良表面性能和深冲性能的中强度铝合金材料为al-mg系合金，含有ti元素或兼有mn、cr两种元素中的至少一种元素，ti元素可改善铝合金材料的微观组织，mn、cr元素均可有效提高铝合金材料的再结晶温度，改善材料加工性能。
[0025]
表1中，给出了本发明合金材料成分组合的多个实施例和比较例。表1中的各个实施例及比较例的抗拉强度、制耳率、光泽度是合金铸锭按常规铝合金薄板的工艺路线组织生产，h1x状态（参考gb/t16475-2008 变形铝及铝合金状态代号）的铝合金薄板的性能。其中，比较例9、10分别为牌号5005、5457的铝合金。
[0026]
对于实施例，铝合金铸锭具体的制备步骤为：在熔炼炉中按表1中四个实施例标注的成分配制好之后，倒入保温炉内进行精炼、扒渣、静置等工序，最后以半连续铸造的方式生产铸锭，在半连续铸造工序中，保证在铸造稳定阶段铝液进入铸造平台的温度在680~730
℃范围内，铸造速度和均布水流量按照表1中对应的参数执行。均布水流量的定义是每根铸锭所分配的水流量（单位是m3/h）除以铸锭的截面周长（单位是m）。
[0027]
对于比较例，按照表1中六个比较例的成分配制制备铝合金铸锭，在铸造工艺上，与其他实施例的区别在于铸造速度和均布冷却水量的不同。
[0028]
上表中铝合金铸锭阳极氧化后表面质量分为a、b、c三个等级：a为优秀，客户满意；b为良好，客户基本满意；c为较差，客户无法接受。
[0029]
在强度和深冲性方面，本发明要求铝合金材料的抗拉强度范围在100-200mpa，深冲性能则一般用制耳率表示，制耳率越低则表示深冲性能越好，制耳率在4%以下才能满足本发明对铝合金材料的要求。
[0030]
从上表中可以看出，编号1-4的四个实施例按照本发明所制备的铝合金铸锭无论是抗拉强度、制耳率还是阳极氧化后的表面质量均能满足相应的技术要求；编号5的比较例中，虽然材料成分符合本发明的要求，但是铸造工艺中的均布水流量较低，低于本发明要求的12 m3/(h
·
m)，因而导致阳极氧化后表面质量欠佳；编号6-8的三个比较例中，均存在部分成分不符合本发明要求范围的情况，此时即使按照本发明要求的铸造条件进行铝合金铸件的制备，所得产品的表面质量和/或制耳率无法达到本技术要求的水平；编号9-10分别为5005、5052号铝合金，其铁元素含量超出本技术的限定范围，最后制备的产品表面质量较差，难以满足客户的使用要求。
[0031]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。