一种汽车车身外板用高烤漆硬化铝合金材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提出一种汽车车身外板用高烤漆硬化铝合金材料及其制备方法。通过成分优化、加工和热处理工艺调控，该系合金可以充分利用溶质元素Mg与溶质元素Si和Zn能够同时作用并析出相应的溶质原子团簇或过渡相等，从而实现多种强化相协同析出和协同强化基体的目的，形成较常规Al-Mg-Si系合金具有更加优异的快速时效响应特性的铝合金板材，其经一定温度预时效处理后强度较低且室温稳定性较好，易于进行典型汽车零部件的冲压成形，而经烤漆处理后，其烤漆硬化增量可达158MPa，远高于商用AA6016或AA6111合金的80~90MPa的硬化增量，也高于改良型铝合金120MPa左右的硬化增量，适合应用于汽车车身外板的制造以及对铝合金时效响应速度有较高要求的技术行业。
【专利说明】一种汽车车身外板用高烤漆硬化铝合金材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于铝合金【技术领域】，涉及一种可工业化应用的新型高烤漆硬化铝合金材料及其制备方法，特别针对汽车领域车身外板用铝合金对成形性能和抗凹陷性能的特殊要求而开发，可以保证铝合金板材成形前具有较低的屈服强度，而成形后在短时烤漆过程中表现出优异的烤漆硬化特性。
【背景技术】
[0002]由于空气污染和气候状况不断恶化，世界各国对节能、减排的意识不断增强，而我国也制定了明确的节能减排“十二五”规划，其中在汽车燃油消耗方面明确规定了要由2010年的8升/百公里降低到2015年的6.9升/百公里，可见汽车轻量化已经刻不容缓。而铝合金由于具有优异的综合性能，如低密度、高强度、耐腐蚀性能、高成形性能以及易回收等特性，已被各国作为21世纪汽车轻量化的重要选材。目前，除了以往应用较多的铸造铝合金之外，变形铝合金用作汽车车身内板和外板材料的研究和应用也已取得较大进展，典型的合金系列有=Al-Cu系列、Al-Mg系列以及Al-Mg-Si系列，其中Al-Mg系列合金主要应用于汽车车身内板的制造，而Al-Mg-Si系列合金主要用作汽车车身外板的制造。
[0003]在汽车车身外板的制造过程中通常要求合金板材同时具有如下特性:高成形性能、低回弹性能、抗凹陷性能、抗腐蚀性能以及优异的表面质量等。而上述这些性能要求中，高成形性和低回弹性一般要求合金板材具有较低的屈服强度，而抗凹陷性能则要求合金板材具有较高的屈服强度。Al-Mg系列合金属于加工硬化型合金无法满足此要求，而Al-Mg-Si系列合金具有较好的烤漆硬化性能可以同时满足高成形性、低回弹性以及抗凹陷等性能要求。目前已经取得商业化应用的主要有AA6016和AA6111等系列合金，但是这些商用合金如果不经预时效处理，其烤漆硬化增量仅为30-40MPa，而经过一定的预时效处理后烤漆硬化增量也一般只在80~90MPa之间，部分合金经Mg、S1、Cu含量优化以及预时效工艺合理调控后烤漆硬化增量可 达到120MPa左右。考虑到烤漆工艺逐渐向低温方向发展，这一烤漆硬化增量远远不能满足新一代汽车车身外板对铝合金材料的性能要求，因此急需开发具有快速时效响应型的新型铝合金及其制备方法，使得相应的合金板材能够具有更加优异的烤漆硬化增量。
[0004]近些年，为了提高Al-Mg-Si系列合金的烤漆硬化增量，研究人员对已经得到商业化应用的AA6016和AA6111合金进行了大量的成分调整或者合金改良，不过主要集中在改变Mg/Si比，或者添加少量的Cu、Ag等其它合金元素，如专利US20110165437A1，US6267922B1, US6117252, EP1967599A1 以及 CN818123A 等专利，但是基本都没有跨出 6xxx系铝合金的成分设计范围，因此，所开发或改良的合金的烤漆硬化增量增加均非常有限。考虑到MgZn2强化相可以大幅度提高Al-Zn-Mg-Cu系合金的强度，如果能够在Al-Mg-Si系列合金基体内添加一定量的元素Zn，通过合适的加工和热处理工艺能够调控合金在烤漆过程中快速时效析出大量Mg2Si和MgZn2强化相或者这两种强化相的过渡相等，从而实现多相协同析出进而发挥多相协同强化作用，所开发的合金应该能够表现出优异的烤漆硬化性能。此外，考虑到要想充分利用上述两种强化相或者其过渡相的快速时效析出和协同强化，两种强化相的共用溶质元素Mg含量应该较高，因此，相应的Mg/Si比、Cu和Zn含量必须设计合理。本发明就是根据这一设计思想进行新合金成分设计和制备工艺开发的。
【发明内容】
[0005]本发明为了克服现有技术的不足，针对目前汽车车身外板用Al-Mg-Si系合金烤漆硬化性能不够高的问题，开发一种具有高烤漆硬化性能的新型铝合金。该新型合金充分利用溶质元素Mg可以与溶质元素Si和Zn同时发生相互作用，进而在烤漆过程中能够快速形成Mg2Si和MgZn2 (或者其相应的过渡相)多种强化相，最终使得合金烤漆硬化增量得到大幅度升高。该发明合金适合应用于汽车车身外板的制造，特别是汽车车身外板成形后要求具有优异烤漆硬化增量的情况，以及已经或者准备采用低温烤漆工艺的汽车车身外板材料生产厂家应用。
[0006]本发明通过成分设计和优化首先对新型高烤漆硬化铝合金的成分范围进行选择，然后通过熔炼铸造等工序制备所设计合金并对其时效析出行为进行研究，最终确定具有高烤漆硬化性能的新型铝合金成分范围以及合金板材的相应制备方法。具体的制备工艺如下:FactSage相图计算一新型招合金成分选择一合金配制和熔炼铸造一铸锭均匀化一热轧变形一中间退火一冷轧变形一固溶一淬火一预时效一冲压成形(或预变形)一模拟烤漆硬化处理(如图1所示)。
[0007]本发明的第一目的在于提出一种具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金，该铝合金的化学成分及其质量百分比含量为:Zn:0.05~4.0wt%, Mg0.5~1.5wt%，Si0.2 ~L 2wt%，CuO ~L 0wt%, Fe ^ 0.35wt%,Mn^0.35wt%, Cr ^ 0.25wt%,Ti ^0.25wt%,余量为Al。
[0008]优选地，其化学成分的Zn、Si和Cu含量范围分别为=Zn0.3~3.9wt%，Si0.4~
1.0wt%，CuO ~0.9wt%0
[0009]优选地，其化学成分Mg、Si的Mg/Si质量比范围为1.0~2.0 ；Fe和Mn的质量百分比含量为:Fe ( 0.2wt%, Mn ( 0.15wt%。
[0010]本发明的第二目的在于提出一种上述具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤:
[0011]步骤一、熔炼铸造；
[0012]步骤二、双级均匀化；
[0013]步骤三、热轧变形；
[0014]步骤四、中间退火；
[0015]步骤五、冷轧变形；
[0016]步骤六、固溶处理；
[0017]步骤七、分级淬火处理；
[0018]步骤八、预时效处理。
[0019]优选地，所述步骤二的双级均匀化具体为:将熔炼铸造后的合金试样以25~450C /h升温速率开始从室温升温到460~485°C保温2~5h，然后再以25~45°C /h继续升温到545~555°C保温16~22h ，最后再以25~45°C /h的降温速率随炉降温至100°C以下时取出。
[0020]优选地，所述步骤三的热轧变形条件具体为:开轧温度在530~550°C，道次压下量为4%~35%，热轧总变形量> 90%，终轧温度≥3000C ；
[0021]所述步骤四的中间退火具体为，将热轧变形后的合金试样以30°C /h~1200°C /h的升温速率升温到350~450°C，保温I~3h进行中间退火，然后空冷；
[0022]所述步骤五的冷轧变形的冷轧总变形量处于60%~80%之间，道次压下量处于20%~35%之间。
[0023]优选地，所述步骤六的固溶处理具体为:在盐浴炉中进行545~555°C /l_6min的固溶处理。
[0024]优选地，所述步骤七的分级淬火处理是将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以30~1900°C /s的降温速率降温到250~320°C，然后再以I~70°C /s的降温速率降温到150~200°C，最后再以30~0.17°C /s的速率降温到室温。
[0025]优选地，所述步骤八的预时效处理是将分级淬火后的合金试样在2~5min内转移到70-130°C预时效炉中进行10~16h的预时效处理，并在室温放置14天，或是将分级淬火后的合金试样在2~5min内转移到60~140°C预时效炉中以I~16°C /h的降温速率降温到20~40°C取出，并在室温放置14天。
[0026]本发明的第三目的在于提出一种汽车零部件的制备方法，其特征在于，在利用前述制备方法制备出新型铝合金材料后，进行如下步骤:
[0027]步骤九、冲压成形；
[0028]步骤十、刷漆及烤漆硬化处理。
[0029]通过采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性:本发明的新型铝合金可以充分利用基体内的Mg-Si以及Mg-Zn之间的强烈相互作用，通过合适的加工和热处理工艺调控使得合金板材在模拟烤漆过程中可以实现多种强化相的快速时效析出，进而发挥多相协同强化使得合金烤漆硬化增量得到大幅度提高。本发明合金非常适合应用于汽车车身外板用铝合金的加工和生产，以及对烤漆硬化增量有较高要求的其它部分车身部件用铝合金板材的生产，当然也适合应用于对铝合金时效析出相应速度有较高要求的其它技术行业。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1发明合金制备工艺流程图。
[0031]图2几种固溶淬火态合金在自然时效过程中的硬度变化规律示意图。
[0032]图3几种T4态合金的DSC曲线图。
[0033]图4几种T4态合金在170°C时效过程中的硬度变化规律示意图。
[0034]图5几种T4态合金在185 °C时效过程中的硬度变化规律示意图。
[0035]图6几种T4P等温预时效态合金在自然时效过程中的硬度变化规律示意图。
[0036]图7几种T4P等温预时效态合金的DSC曲线图。
[0037]图8T4态5#合金由室温以10°C /min升温到250°C时的TEM组织图。
[0038]图9等温T4P态7#合金由室温以I (TC /min升温到250 V时的TEM组织图。
[0039]图10几种T4P等温预时效态合金在185°C人工时效过程中的硬度变化规律示意图。【具体实施方式】
[0040]下面结合具体实施方案对本发明做进一步的补充和说明。
[0041]原材料分别采用99.9wt%的高纯铝、工业纯Mg、工业纯Zn、中间合金Al_20wt%S1、Al-50wt%Cu、Al-20wt%Fe、Al-10wt%Mn等。在电阻炉中的具体熔炼过程为，首先将纯铝全部加入坩埚，将炉温设定在850°C，待纯铝熔化后加入Al-20wt%S1、Al-50wt%Cu、Al_20wt%Fe、Al-10wt%Mn中间合金，并加入覆盖剂(50wt%NaCl+50wt%KCl);继续加热熔体，待中间合金熔化，熔体温度达到750°C后对其进行搅拌使溶质元素混合均匀，然后在750°C保温30min后设定炉温使熔体降温到710V，然后向熔体中加入纯Zn和纯Mg，并充分搅拌使其彻底溶解；待熔体温度再次达到730°C时取样分析成分，如果成分测量值低于设计值，根据烧损情况适当添加一定量的中间合金，如果成分测量值高于设计值，根据过量值适当添加一定量的金属纯铝进行稀释；继续待熔体升至740°C后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至约720°C时加入Al-5wt%T1-lwt%B晶粒细化剂并进行适当搅拌，最后在此温度保温IOmin后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内。实施发明合金的具体化学成分见表1。
[0042]表1实施发明合金化学成分(质量百分数，wt%)
[0043]
【权利要求】
1.一种具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料，其特征是在于该铝合金的化学成分及其质量百分比含量为=Zn: 0.05~4.0wt%, Mg 0.5~1.5wt%，Si 0.2~1.2wt%, Cu O ~1.0wt%, Fe ( 0.35wt%, Mn ( 0.35wt%, Cr ( 0.25wt%, Ti ( 0.25wt%,余量为Al。
2.根据权利要求1所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料，其特征是，其化学成分的Zn、Si和Cu含量范围分别为:Zn 0.3~3.9wt% ,Si 0.4~1.0 wt%,Cu O ~0.9wt%。
3.根据权利要求1所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料，其特征是，其化学成分Mg、Si的Mg/Si质量比范围为1.0~2.0;Fe和Mn的质量百分比含量为:Fe ^ 0.2wt%, Mn ^ 0.15wt%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤: 步骤一、熔炼铸造； 步骤二、双级均匀化； 步骤三、热轧变形； 步骤四、中间退火； 步骤五、冷轧变形； 步骤六、固溶处理； 步骤七、分级淬火处理； 步骤八、预时效处理。
5.如权利要求4所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，其特征在于:所述步骤二的双级均匀化具体为:将熔炼铸造后的合金试样以25^450C /h升温速率开始从室温升温到46(T485°C保温2~5h，然后再以25~45°C /h继续升温到545~555°C保温16~22h，最后再以25~45°C /h的降温速率随炉降温至100°C以下时取出。
6.如权利要求4所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，其特征在于:所述步骤三的热轧变形条件具体为:开轧温度在53(T550°C，道次压下量为4%~35%，热轧总变形量> 90%，终轧温度≤3000C ； 所述步骤四的中间退火具体为，将热轧变形后的合金试样以30°C /h^l200°C /h的升温速率升温到35(T450°C，保温l~3h进行中间退火，然后空冷； 所述步骤五的冷轧变形的冷轧总变形量处于60%~80%之间，道次压下量处于20%~35%之间。
7.如权利要求4所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，其特征在于:所述步骤六的固溶处理具体为:在盐浴炉中进行545飞55°C /l-6min的固溶处理。
8.如权利要求4所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，其特征在于:所述步骤七的分级淬火处理是将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以3(Tl90(rC /s的降温速率降温到25(T320°C，然后再以f 70°C /s的降温速率降温到`15(T200°C，最后再以30~0.17°C /s的速率降温到室温。
9.如权利要求4所述的具有高烤漆硬化性能的汽车车身外板用新型铝合金材料的制备方法，其特征在于:所述步骤八的预时效处理是将分级淬火后的合金试样在2~5min内转移到70-130°C预时效炉中进行l(Tl6h的预时效处理，并在室温放置14天，或是将分级淬火后的合金试样在2~5min内转移到6(Tl4(TC预时效炉中以f 16°C /h的降温速率降温到2(T40°C取出，并在室温放置14天。
10.一种汽车零部件的制备方法，其特征在于，在利用如权利要求4-9任一项所述的制备方法制备出新型铝合金材料后，进行如下步骤: 步骤九、冲压成形； 步骤十、刷漆及烤漆硬化处理。`
【文档编号】C22C21/12GK103757507SQ201410064892
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】郭明星, 庄林忠, 张济山, 崔莉, 张巧霞, 胡晓倩 申请人:北京科技大学