专利名称：一种汽车车身板用铝-镁系铝合金及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种铝合金及其制造方法，尤其涉及一种汽车车身板用铝-镁系铝合 金及其制造方法，属于合金材料技术领域。
背景技术：
世界汽车工业正面临越来越严峻的三大课题能源、环保、安全。减轻汽车自重以 降低能耗，减少环境污染，提高汽车的燃料经济性，节约有限资源已成为各大汽车厂关注的 焦点。轻量化是汽车发展的一个重要趋势，通过使用轻质材料来替代传统的钢铁材料，可以 减轻汽车的质量，以达到节省燃料的目的。铝合金作为汽车轻量化的首选材料，具有其他材 料无法比拟的优良性能。铝合金在汽车上的应用优势主要体现在以下几个方面(1)汽车 轻量化，节能降耗，有利环保。(2)汽车铝合金零部件回收再利用率高。铝合金熔点低，便 于重熔回收。(3)安全舒适。铝合金汽车是在不降低汽车容量的情况下减轻汽车自重，车 身重心减低，汽车行驶更稳定、舒适。由于铝合金汽车轻便，质量小，故碰撞时的能量相对钢 体汽车小了许多。此外，由于铝合金材料性能及车身构造，能充分吸收撞击时的能量，故而 更加安全。(4)减少工序，提高装配效率。铝合金汽车整体构架，焊点少，减少了加工工序， 铝合金整体车身比钢铁焊接车身约轻35%，且无需防锈处理，只有25% 35%的部件需点 焊，因而可大幅度提高汽车的装配效率；(5)比强度高、耐蚀性好、抗冲击性良好，易表面着 色。由于汽车车身约占总车重量的30%，近年来车身铝化倍受关注。张耀宏在材料工艺，1989年第5期汽车车身板用铝合金的技术动向中报道了轿车 车身板用铝合金有热处理型Al-Cu-Mg系(2XXX系)铝合金，非热处理型Al-Mg系(5xxx系) 铝合金和热处理型Al-Mg-Si系(6XXX系)铝合金。非热处理型的5XXX系铝合金被认为是用作汽车车身板非常理想的的合金，其在 汽车制造过程中有良好的深拉延性能和冲型性能，易于制造内板等形状复杂的部位。但是实际上汽车车身板用5XXX系铝合金属于不可热处理强化合金，其强度略显 不够，抗冲击性较差，现有技术中生产的5XXX系铝合金不仅强度和抗凹陷性不能满足车身 板的要求，而且在深冲过程中通常产生产品表面出现一系列新台阶或锯齿状变形带，严重 影响表面质量，烤漆后出现软化现象，从而又使其不利于用作汽车车身板的合金。
发明内容
本发明的目的是针对现有的汽车车身板用5XXX系铝合金所存在的缺陷，提供 一种强度和拉伸性能好，烤漆后不会出现软化，满足成形性和抗冲击性的汽车车身板用
招_镜系招合金。本发明的目的可通过下列技术方案来实现一种汽车车身板用铝_镁系铝合金， 该铝合金的成分及其质量百分比为Cu 0. 3-0. 8wt% ；Mn 0. 2-0. 45wt% ；Mg 3. 6-5. 6wt% ；Cr 0. 05% —0. 2wt% ；Zn 0. 1-0. 5wt% ；Be 0. 005—0· Olwt% ；
Ti 0. 05-0. 2wt% ；Zr 0. 05-0. Iwt% ；Si ( 0. Iwt% ；稀土元素0. 05-0. 3wt % ；Fe ^ 0. 35wt % ；余量为 Al。本发明以5182铝合金为研究对象，在基体合金基础上添加了 0.05-0. 3wt%稀土 元素，在铝合金中加入微量稀土元素，可以显著改善5182铝合金的金相组织，细化晶粒，去 除铝合金中气体和有害杂质，减少铝合金的裂纹源，从而提高5182铝合金的强度，还改善 铝合金的耐热性和韧性。本发明还有效的控制了有害杂质Si和Fe的含量，提高了铝合金的抗腐蚀性能。在上述的汽车车身板用铝-镁系铝合金中，该铝合金的成分优化质量百分比为Cu 0. 4-0. 6wt% ；Mn 0. 25-0. 4wt% ；Mg 4. 5-5. Owt% ；Cr 0. 05% -0. Iwt% ；Zn 0. 15-0. 2wt% ；Be 0. 005-0· 008wt% ；Ti 0. 05-0. Iwt% ；Zr 0. 05-0. Iwt% ；Si 彡 0. 05wt% ；稀土元素0.1-0. 2wt% ；Fe 彡 0. Iwt% ；余量为 Al。在上述的汽车车身板用铝_镁系铝合金中，所述的稀土元素为稀土 Sc、稀土 Er中 的一种或两种。Sc是到目前为止所发现的对铝合金最为有效的合金化元素微量加入到铝合金中 可显著提高合金的强度、塑性及焊接性能、高温性能、抗蚀性能甚至抗中子辐照损伤性能。 Sc与ττ的加入使得合金中析出了弥散、细小的共格第二相质点Al3 (Sc，Zr)，，其强化机理 是在铝合金中产生了极其强烈的细晶强化、亚结构强化、弥散强化及共格强化等强化作用。 铝镁合金中，采用Sc和Ti复合微合金化，可形成Al3(Sc，Ti)复合粒子。初生Al3(Sc，Ti) 具有极强的晶粒细化作用，次生A13(Sc，Ti)质点强烈地钉扎位错和亚晶界，从而有效地抑 制合金的再结晶。Sc和Ti复合微合金化可大大增强微量Sc在铝一镁合金中所产生的细晶 强化、亚晶结构强化和析出强化效果所以铝-镁合金中，采用Sc和Ti复合微合金化因Ti 的价格比Sc便宜很多，采用Sc和Ti复合微合金化可减少合金中Sc的加入量，Er在铝合金 中有类似Sc的作用，可细化铸态晶粒，改善合金性能Er掺入Al-Mg合金后，表面氧化膜更 加致密、连续性增加、缺陷减少、针孔变小且分布均勻，从而使氧化膜和基体的结合力提高， 提高了合金抗氧化和抗腐蚀能力。在铝合金中加入一定的Zn和Cu，可以通过形成η-MgZn2、CuMgAl2与Al2Cu化合物 的弥散分布提高合金强度，还可以产生一定的时效强化，在5182系铝合金中添加锌较好的 防止了拉伸滑移带的产生，有利于冲压成形，烤漆后屈服强度不会下降，较好的满足汽车车 身板抗冲击的性能。本发明将Mg的质量百分含量控制在3. 6-5. 6wt%，优选为4. 5-5. Owt %既保证了 铝合金的强度，又满足了其作为汽车车身板塑性和抗腐蚀性的要求。本发明的另一个目的在于提供上述汽车车身板用铝_镁系铝合金的制造方法，该 方法包括以下步骤A、浇注成型先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化且熔体温度为740-780V 时，加入AlCu50、AlMnlO, AlCr4、AlBe3、AlZr4中间合金并搅拌；待熔体温度降至 710-7300C，加入Mg和Zn，打渣、精炼；待温度在710-730°C，加入Al-稀土、Α1-5Τ -Β中间 合金，搅拌并静置10-15分钟，在铸铁模中浇注成型；B、均勻化处理将上述浇注成型的铝合金铸锭均勻化处理，热轧，中间退火，冷轧
4轧成薄板；C、固溶处理将上述制得的薄板进行固溶处理，固溶处理的温度为480-540°C，处 理的时间为lmin-2h，固溶处理后精平工序，制得成品。在上述汽车车身板用铝_镁系铝合金的制造方法中，作为优选，步骤A中在铸铁 模中浇注成型的温度为720-730°C。进一步的优选，步骤A中在铸铁模中浇注成型的温 度为720 V。本发明以5182铝合金为研究对象，5182铝合金中Mg含量高，质量分数为 4. 5-5. 0%，熔体表面的MgO膜不致密(MgO/Mg为0. 78，< 1)，氧化膜容易破裂或呈疏松多 孔状，气体可通过氧化膜的裂缝或空缝进入熔体，吸气率随时间增长呈直线增加。吸气率还 与熔体温度有关，熔体温度越高，吸气性越强，铝中吸收的气体主要是氢。氢是熔融铝和水 反应生成的，在一定的大气压下，温度越高，氢在铝中的溶解度就越大。在固态时，氢几乎不 溶于铝。而从固态到液态时，氢在铝中的溶解度出现一个突变，这种溶解度急剧变化的特 点，决定了铝在凝固时，使氢原子从金属中析出成为分子氢，最后以疏松、气孔的形式存在 于铸锭中，造成疏松、气孔等缺陷，同时，浇铸温度过高，5000系铝合金中Mg烧损严重，最终 影响成品的强度与延伸率。浇铸温度过低，高熔点的第二相凝固沉淀，造成铸锭成分组织部 均勻。720°C浇铸时，吸气少，Mg烧损不大，中间合金元素均勻扩散。在上述汽车车身板用铝_镁系铝合金的制造方法中，步骤B中均勻化处理的温度 为400-460°C，处理时间为10-24小时。均勻化退火的目的是为后续加工做组织准备。均勻 化退火中的主要组织变化是枝晶偏析消除、非平衡相溶解和过饱和的过渡元素相沉淀，溶 质的浓度逐渐均勻化。在均勻化退火过程中，不溶的过剩相也会发生聚集、球化。均勻化退 火保温后慢冷时，高温下溶入固溶体的溶质，将按溶解度随温度降低而减小的规律，在晶粒 内部较均勻地沉淀析出。温度升高将使扩散过程大大加速，为加速均勻化过程，应尽可能提 高均勻化退火温度。通常采用的均勻化退火温度为0.9-0. 95Tm。Tm表示铸锭实际开始熔 化温度，它低于平衡相图上的固相线。但5000系合金均勻化温度过高Mg烧损氧化严重，粗 晶，造成成品强度不够。所以，铝-镁合金均勻化温度一般选为440-495°C，Mg含量较高时， 温度控制在下限。同时，应确保均勻化退火炉炉膛温度均勻，最好是偏差不要超过士 10°C。 铝-镁合金铸锭均勻化保温时间一般控制在13_36h，Mg含量高时控制在上限，否则偏析难 以消除，导致成品延伸率较低。在上述汽车车身板用铝-镁系铝合金的制造方法中，步骤B中热轧温度为 400-440°C，中间退火的时间为20min-40min。本发明以5182铝合金为研究对象，5182铝合 金的热塑性最佳区间在400°C -480°C之间，较高温度会导致热轧板表面氧化，冷轧是出现 氧化皮，Mg含量降低，强度和延伸率降低；低温轧制会导致热轧裂边严重。所以，热轧温度 控制在400-440°C较合理。铝合金层错能较高，热轧过程动态再结晶不明显，导致回复效果弱于加工硬化效 果，热轧板强度升高，容易开裂，20min-40min中间退火后，发生再结晶，晶粒细小，较大压下 量时，冷轧时不宜产生裂边，成品性能好，成材率高，减小能耗，提高效率。在上述汽车车身板用铝-镁系铝合金的制造方法中，作为优选，步骤C中固溶处理 的温度为500-520°C，处理的时间为20min-lh，固溶处理后水淬。进一步的优选，固溶处理 的温度为500°C，处理的时间为20min。本发明以5182铝合金为研究对象，在其中添加了 Zn 和Cu元素，500-5200C固溶温度高于Zn和Cu元素形成的中间相的溶解温度，处理的时间为20min-lh，高温短时的固溶处理使中间相充分溶解，晶粒又不会长大，形成粗晶，而后水淬， 在后来的自然时效和烘烤过程中，弥散相在基体中沉淀均勻，可使烘烤后合金屈服强度不 下降，使成品有较好的抗冲击性能。综上所述，本发明具有以下优点采用本发明的质量百分比的成分制成的铝合金强度和拉伸性能好，能有效防止铝 合金烤漆后的强度降低，同时具有良好的塑性和抗冲击性能，更好的促进汽车行业广泛采 用铝合金板材来替代钢板生产汽车车身板，满足实现节能减排的目的，带来了极为良好的 经济效益，应用前景十分看好。
具体实施例方式下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明；但是本发明并 不限于这些实施例。本发明以5182铝合金为研究对象，材料的成分及其质量百分比为Cu: 0. 3-0. 8wt% ；Mn 0. 2-0. 45wt% ；Mg 3. 6-5. 6wt% ；Cr 0. 05% -0. 2wt% ；Zn 0. 1-0. 5wt% ； Be 0. 005-0. Olwt % ；Ti 0. 05-0. 2wt % ；Zr 0. 05-0. Iwt % ;Si 彡 0. Iwt % ；稀土 元素 0. 05-0. 3wt% ；Fe 彡 0. 35wt% ；余量为 Al。优选为=Cu0. 4-0. 6wt% ；Mn :0· 25-0. 4wt% ；Mg :4· 5-5. Owt% ；Cr :0. 05% _0· Iwt% ；Zn :0· 15-0. 2wt% ；Be :0· 005-0· 008wt% ；Ti :0. 05-0. Iwt% ；Zr :0· 05-0. Iwt% ；Si 彡 0. 05wt% ；稀土元素0.1-0. 2wt% ；Fe 彡 0. Iwt% ；余量为 Al。具体制造时，稀土以中间合金Al-稀土的形式添加，合金原料采用电解纯铝， 99. 99% Mg,99. 99% Zn 和 AlCu50、AlMnlO、AlCr4、AlBe3、AlZr4、Al_5Ti_B 中间合金。表1 实施例1-4铝合金成分的质量百分数) 实施例1按照表1中实施例1质量百分比进行配料，制成铝锭，中间合金AlCu50、AlMnlO, AlCr4、AlBe3、AlZr4、Al_5Ti_B 和 Al-稀土。先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化且熔体温度为740°C时，加入A1CU50、 AlMnlO、AlCr4、AlBe3、AlZr4中间合金并搅拌；待熔体温度降至710°C，加入Mg和Zn，打渣、 精炼；待温度在710V，加入Al-稀土、Α1-5 -Β中间合金，搅拌并静置15分钟，在铸铁模中 温度为720°C浇注成型；将上述浇注成型的铝合金铸锭均勻化处理，均勻化处理的温度为400°C，处理时间 为24小时；在温度为400°C热轧，中间退火40min，冷轧2次轧成薄板；将上述制得的薄板进行固溶处理，固溶处理的温度为480°C，处理的时间为2h，固 溶处理后水淬、精平工序，制得成品。实施例2按照表1中实施例2质量百分比进行配料，制成铝锭，中间合金AlCu50、AlMnlO, AlCr4、AlBe3、AlZr4、Al_5Ti_B 和 Al-稀土。先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化且熔体温度为750°C时，加入A1CU50、 AlMnlO、AlCr4、AlBe3、AlZr4中间合金并搅拌；待熔体温度降至720°C，加入Mg和Zn，打渣、 精炼；待温度在720V，加入Al-稀土、Α1-5 -Β中间合金，搅拌并静置12分钟，在铸铁模中 温度为720°C浇注成型；将上述浇注成型的铝合金铸锭均勻化处理，均勻化处理的温度为420°C，处理时间 为18小时；在温度为420°C热轧，中间退火30min，冷轧2次轧成薄板；将上述制得的薄板进行固溶处理，固溶处理的温度为500°C，处理的时间为lh，固溶处理后水淬、精平工序，制得成品。实施例3按照表1中实施例3质量百分比进行配料，制成铝锭，中间合金AlCu50、AlMnlO, AlCr4、AlBe3、AlZr4、Al_5Ti_B 和 Al-稀土。先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化且熔体温度为760°C时，加入A1CU50、 AlMnlO、AlCr4、AlBe3、AlZr4中间合金并搅拌；待熔体温度降至730°C，加入Mg和Zn，打渣、 精炼；待温度在730°C，加入Al-稀土、Α1-5 -Β中间合金，搅拌并静置12分钟，在铸铁模中 温度为730°C浇注成型；将上述浇注成型的铝合金铸锭均勻化处理，均勻化处理的温度为440°C，处理时间 为15小时；在温度为440°C热轧，中间退火25min，冷轧2次轧成薄板；将上述制得的薄板进行固溶处理，固溶处理的温度为500°C，处理的时间为 20min,固溶处理后水淬、精平工序，制得成品。实施例4按照表1中实施例1质量百分比配料，制成铝锭，中间合金AlCu50、AlMnl0、AlCr4、 AlBe3、AlZr4、Al_5Ti_B 和 Al-稀土。先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化且熔体温度为760°C时，加入A1CU50、 AlMnlO、AlCr4、AlBe3、AlZr4中间合金并搅拌；待熔体温度降至720°C，加入Mg和Zn，打渣、 精炼；待温度在720V，加入Al-稀土、Α1-5 -Β中间合金，搅拌并静置10分钟，在铸铁模中 温度为720°C浇注成型；将上述浇注成型的铝合金铸锭均勻化处理，均勻化处理的温度为450°C，处理时间 为10小时；在温度为450°C热轧，中间退火20min，冷轧2次轧成薄板；将上述制得的薄板进行固溶处理，固溶处理的温度为520°C，处理的时间为 15min，固溶处理后水淬、精平工序，制得成品。随机抽取上述实施例1-4制得铝合金成品在室温下停放3天后进行拉伸试验。模 拟170°C X30min烤漆处理是在电阻炉中进行。实施例1-4所示的含Re的薄板固溶后室温放置3天以及烤漆后的性能指标同未 添加Re的合金薄板烤漆前后性能进行比较，详细见表2。表 2 由表2可见，添加Re和Ir后的合金薄板冲压前的屈服强度较低，有利于冲压成 形，而烤漆后强度没有降低，反而升高，可使车身板具有良好的抗冲击性能。本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练 技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
权利要求
一种汽车车身板用铝-镁系铝合金，该铝合金的成分及其质量百分比为Cu0.3-0.8wt％；Mn0.2-0.45wt％；Mg 3.6-5.6wt％；Cr0.05％-0.2wt％；Zn0.1-0.5wt％；Be0.005-0.01wt％；Ti0.05-0.2wt％；Zr0.05-0.1wt％；Si≤0.1wt％；稀土元素0.05-0.3wt％；Fe≤0.35wt％；余量为Al。
2.根据权利要求1所述的汽车车身板用铝_镁系铝合金，其特征在于该铝合金的成 分及其质量百分比为Cu 0. 4-0. 6wt% ；Mn 0. 25-0. 4wt% ；Mg 4. 5-5. Owt% ；Cr 0. 05% -0. Iwt% ；Zn 0. 15-0. 2wt% ；Be 0. 005-0. 008wt% ；Ti 0. 05-0. Iwt% ；Zr 0. 05-0. Iwt% ；Si 彡 0. 05wt% ；稀土元素0. 1-0. 2wt% ；Fe ^ 0. Iwt% ；余量为 Al。
3.根据权利要求1或2所述的汽车车身板用铝-镁系铝合金，其特征在于所述的稀 土元素为稀土 Sc、稀土 Er中的一种或两种。
4.一种如权利要求1所述的汽车车身板用铝-镁系铝合金的制造方法，该方法包括以 下步骤A、浇注成型先将铝锭加入坩埚电阻炉中，待铝锭熔化且熔体温度为740-780°C时，加 入AlCu50、AlMnlO, AlCr4、AlBe3、AlZr4中间合金并搅拌；待熔体温度降至710_730°C，加 入Mg和Zn，打渣、精炼；待温度在710-730°C，加入Al-稀土、Al_5Ti_B中间合金，搅拌并静 置10-15分钟，在铸铁模中浇注成型；B、均勻化处理将上述浇注成型的铝合金铸锭均勻化处理，热轧，中间退火，冷轧轧成 薄板；C、固溶处理将上述制得的薄板进行固溶处理，固溶处理的温度为480-540°C，处理的 时间为lmin-2h，固溶处理后精平工序，制得成品。
5.根据权利要求4所述的汽车车身板用铝-镁系铝合金的制造方法，其特征在于步 骤A中在铸铁模中浇注成型的温度为720-730°C。
6.根据权利要求4所述的汽车车身板用铝-镁系铝合金的制造方法，其特征在于步 骤B中均勻化处理的温度为400-460°C，处理时间为10-24小时。
7.根据权利要求4或6所述的汽车车身板用铝-镁系铝合金的制造方法，其特征在于 步骤B中热轧温度为400-440°C，中间退火的时间为20min-40min。
8.根据权利要求4所述的汽车车身板用铝_镁系铝合金的制造方法，其特征在于步 骤C中固溶处理的温度为500-520°C，处理的时间为20min-lh，固溶处理后水淬。
全文摘要
本发明提供了一种汽车车身板用铝-镁系铝合金及其制造方法，属于合金材料技术领域。它解决了现有的5XXX系铝合金的强度和抗凹陷性不理想的问题。本汽车车身板用铝-镁系铝合金，该铝合金的成分及其质量百分比为Cu0.3-0.8wt％；Mn0.2-0.45wt％；Mg3.6-5.6wt％；Cr0.05％-0.2wt％；Zn0.1-0.5wt％；Be0.005-0.01wt％；Ti0.05-0.2wt％；Zr0.05-0.1wt％；Si≤0.1wt％；稀土元素0.05-0.3wt％；Fe≤0.35wt％；余量为Al。本汽车车身板用铝-镁系铝合金具有强度高、拉伸性能、塑性以及抗冲击性好的优点。
文档编号C22F1/047GK101880804SQ20101024121
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者丁荣辉, 张超, 曲明洋, 曾凡清, 黄文辉 申请人:浙江巨科铝业有限公司