一种汽车车身用的铝合金型材及制造方法与流程

本发明涉及一种铝合金材料及制造工艺，具体涉及一种7000系列铝合金型材的合金成分的设计与生产制造方法，特别适用于制造汽车保险杠系统用铝合金吸能盒和纵梁，可以满足车身轻量化、低速和高速碰撞吸能能量的综合要求。

背景技术：

7000系列(Al-Zn-Mg)铝合金型材广泛应用于航空航天、高铁以及高端汽车制造等领域，这种铝合金型材的生产制造一般包括：熔炼、均匀化、挤压、自然时效和人工时效热处理。

7000系列铝合金在铸造过程中会形成较为粗大的晶粒组织和粗大的共晶组织，该粗晶组织形成的原因一般分为两类：(1)铸造温度太高，导致溶液中形核质点较小，在线细化不均匀导致；(2)冷却强度不够导致形成的晶粒在一定的温度下发生了晶粒的长大；粗大的共晶组织多为液穴较深以及冷却强度不够导致晶界形成较为粗大的共晶组织，共晶组织在均匀化过程较难完全消除，对后期挤压型材的压溃性能、冲击韧性、腐蚀性能和疲劳性能较为不利。

此外，7000系列铝合金在挤压成型材后各个壁厚位置的晶粒组织均保持纤维晶粒为主，少量的亚晶粒以及极少的再结晶百分数，结合强力的冷却速率，确保型材各个位置淬火的温度近乎一致，热处理后性能均匀一致；挤压型材的晶粒组织主要取决于铸棒的微观组织、挤压温度和速度、挤压模具的结构设计以及挤压后的热处理方式，晶粒组织决定材料的力学性能和高速碰撞吸能的效果；挤压型材的冷却方式决定了溶质原子固溶的浓度和形成空位的浓度，加速后期自然时效和人工时效后晶粒内部和晶界位置的析出相的析出和长大，使得材料具有较好的高速碰撞性能。

表1为车身用7003(国标)铝合金各合金元素质量百分含量。

表1现有车身用7003(国标)铝合金各合金元素质量百分含量(％)

在本发明的发明人对现有技术的研究中发现，现有的铸棒和工艺技术挤压存在以下问题：

(1)7000系列铝合金中Zn/Mg比例设计不合理；微量元素设计不合理，特别是Cr、Ti、Mn含量过高，Si、Fe含量也偏大；

(2)熔炼使用的铝水的品质以及中间合金品质一般；

(3)铸造的工艺参数不合理，铸造温度太高，冷却强度不够，致使铸造铝棒中间部分的晶粒组织较为粗大，出现较多的共晶组织和大颗粒的夹杂相，材料后期加工变性后性能均匀性降低，疲劳寿命降低；

(4)均匀化工艺不合理，国内生产该款合金铸棒多采用单级或者双级均匀化热处理工艺，炉子条件无法实现梯度升温的条件，导致阻止晶粒发生再结晶的粒子无法析出，初生相得不到回溶；

(5)挤压工艺参数不合理，挤压温度过低，导致模具寿命急剧降低；挤压温度过高，材料出口温度超过其固相线温度，易发生过烧，综合性能急剧降低，无法实现汽车用合金生命周期内的耐腐蚀性；

(6)挤压模具设计不合理，挤压模具设计进料口过小，型材挤出困难；挤压模具设计进料口过大，型材综合性能不良；挤压型材各个截面位置无法实现等温挤出，导致型材综合性能不高，差异性较大，不利于后期加工成型和最终零件的综合性能；

(7)热处理工艺不合理，后期热处理工艺可以进行T6/T7等多种，大多数厂家对工艺不清楚甚至无法理解，导致其材料无法满足汽车用合金的最终要求；在性能完全相同的情况下，冲击韧性、焊接性能和弯曲成型性能差异性较大。

上述7个方面是否合理，直接决定了挤压出的7000系列铝合金型材是否具有较好的综合性能，尤其是高速碰撞的吸能效果。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术存在的上述问题，而提供一种不仅具有良好的力学性能，同时具备良好的耐腐蚀性能、抗疲劳性能和压溃性能(静态和动态碰撞冲击性能)，且能够批量化生产的汽车车身用的铝合金型材。

本发明的另一个目的是提供一种汽车车身用的铝合金型材的制造方法。

本发明一种汽车车身用的铝合金型材及制造方法采用两种技术方案。

技术方案一：

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明对7003铝合金的化学成分进行了优化设计，在大量试验研究的基础上，研发出了FB-01牌号(公司内部优化使用牌号)的汽车车身用的铝合金型材。该牌号的本发明一种汽车车身用的铝合金型材，原料中各合金元素质量百分含量为：Si 0.13％-0.17％，Fe 0.13％-0.17％，Cu 0.09％-0.12％，Mn 0.04％-0.06％，Mg 0.6％-0.8％，Cr 0.018-0.022％，Zn 5.5％-5.8％，Zr 0.15％-0.195％，Ti 0.027％-0.033％，其它单个元素含量≤0.05％，其它元素总量≤0.15％，剩余为铝。

本发明一种汽车车身用的铝合金型材，原料中各合金元素质量百分含量优选为：Si 0.14％-0.16％，Fe 0.14％-0.16％，Cu 0.1％-0.11％，Mn 0.046％-0.055％，Mg 0.6％-0.8％，Cr：0.019-0.021％，Zn 5.6％-5.8％，Zr 0.17％-0.18％，Ti 0.028％-0.032％，其它单个元素含量≤0.04％，其它元素总量≤0.1％。

本发明一种汽车车身用的铝合金型材，原料中各合金元素质量百分含量最佳为：Si 0.15％，Fe 0.15％，Cu 0.1％，Mn 0.05％，Mg 0.7％，Cr 0.02％，Zn 5.7％，Zr 0.18％，Ti 0.03％，其它单个元素含量≤0.04％，其它元素总量≤0.09％。

本发明一种汽车车身用的铝合金型材的制造方法，包括以下加工工序：

1)熔炼：将净化处理后的铝水放入倾倒式熔炼炉内，添加其它各合金元素组分进行熔炼，熔炼温度为740℃-760℃，使原料完全熔化，并得到成分分布均匀的熔体。

2)净化处理、铸造成棒：对上述熔体进行净化处理，除气除渣；将净化处理后的熔体铸造成铸棒，铸造温度为730℃-740℃，模盘温度控制在690℃-710℃之间，铸造速度为120-140mm/min，铸造水压为0.06-0.12Mpa。

3)均匀化退火：将铸造出来的铸棒进行三级均匀化退火工艺处理，三级均匀化退火工艺为：280℃2h+380℃5h+480℃10h。

本发明在均匀化退火工艺处理工序中，采用(50±2)℃/h的升温速率达到设定的温度要求，以50℃/h的升温速率为佳，以确保合金成分偏析得到充分解决，使得组织晶粒发生长大的析出相粒子均匀细小弥散分布。

均匀化退火的主要目的是为了减少铝合金铸锭在铸造过程中引起的化学成分的偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保温，然后进行缓慢冷却，以达到化学成分和组织均匀化的目的。此处采用三级均匀化的目的是为了使得Al3Zr粒子析出，与基体保持共格关系，能有效阻止晶粒组织的长大。

4)挤压:将均匀化退火后的铸棒放入3000T的挤压筒中进行挤压处理得到铝合金型材半成品，挤压加热温度460-500℃，挤压型材出口速度8-15m/min，挤压出口温度500-560℃，挤压模具加热温度470-500℃；挤压比在20-60之间，挤压比优选为20-40范围。

采用的挤压工艺参数，有利于材料形成以纤维晶粒为主，极少量再结晶组织的微观结构，经过一定的拉伸变形量，使得材料的位错组织增加，加速了GP区的形成和强化粒子的析出。

5)拉伸：采用强力冷却淬火，在10-20s内将挤压得到铝合金型材半成品降到室温，然后进行拉伸处理，拉伸变形量控制在1％-3％，以2％-3％为佳，保证型材一定的应力应变，使得型材发生一定的加工硬化，材料内部形成较多的位错组织。

6)自然时效、人工时效处理：挤压拉伸后的型材停放7-68天时间的自然时效，保证型材形成较多的GP区和亚稳相；然后进行人工时效处理，人工时效处理工艺采用双级时效工艺，第一级时效温度为90-110℃，第二级时效温度为150-165℃，人工时效使得材料保证较高的抗拉强度和屈服强度的同时，具有较好的延伸率，最重要的是具备足够良好的高速碰撞吸能作用。最终生产的铝合金型材保证在Rm＝300-350Mpa，屈服强度Rp0.2＝260-300Mpa，延伸率≥16％。

自然时效时间优选7-21天。

技术方案二：

本发明还通过大量试验研究，发明了另一种FB-02牌号的汽车车身用的铝合金型材。该牌号的本发明一种汽车车身用的铝合金型材，原料中各合金元素质量百分含量为：Si 0.13％-0.17％，Fe 0.13％-0.17％，Cu 0.18％-0.2％，Mn 0.04％-0.06％，Mg 0.7％-1.0％，Cr 0.018-0.022％，Zn 5.6％-6.2％，Zr 0.15％-0.25％，Ti 0.045％-0.055％，其它单个元素含量≤0.05％，其它元素总量≤0.15％，剩余为铝。

本发明一种汽车车身用的铝合金型材，原料中各合金元素质量百分含量优选为：Si 0.14％-0.16％，Fe 0.14％-0.16％，Cu 0.18％-0.19％，Mn 0.045％-0.055％，Mg 0.7％-0.9％，Cr0.019-0.021％，Zn 5.7％-6.1％，Zr 0.15％-0.19％，Ti 0.047％-0.053％，其它单个元素含量≤0.04％，其它元素总量≤0.15％，剩余为铝。

本发明一种汽车车身用的铝合金型材，原料中各合金元素质量百分含量进一步优选为：Si 0.14％-0.15％，Fe 0.14％-0.15％，Cu 0.18％-0.19％，Mn 0.045％-0.05％，Mg 0.8％-0.9％，Cr 0.019-0.021％，Zn 5.8％-6.0％，Zr 0.21％-0.25％，Ti 0.048％-0.052％，其它单个元素含量≤0.04％，其它元素总量≤0.09％。

本发明一种汽车车身用的铝合金型材，原料中各合金元素质量百分含量最佳为：Si 0.15％，Fe 0.15％，Cu 0.19％，Mn 0.048％，Mg 0.9％，Cr 0.0195％，Zn 6.0％，Zr 0.21％，Ti 0.049％，其它单个元素含量≤0.03％，其它元素总量≤0.09％，剩余为铝。

本发明技术方案二中所述的一种汽车车身用的铝合金型材的制造方法，其加工工序及各工序中的技术参数与技术方案一相同。

本发明一种汽车车身用的铝合金型材及制造方法采用以上技术方案后，具有以下优点：

(1)本发明对7000系列铝合金的化学成分进行了优化设计，并大幅度降低了微量合金元素Cr、Ti、Mn的含量，并适当降低了微量合金元素Si、Fe含量，并将Zn/Mg比例控制在7-10范围，且微量元素以中间合金形式在合理的时间加入，使得铸造合金形成较小的元素偏析，在后期的均匀化过程后形成较多尺寸细小的Al3Zr微观粒子，使得铝合金铸棒在挤压过程中形成纤维晶粒为主。

(2)本发明熔炼温度设置较高，使得合金元素之间的原子健断裂，形成长程无序的原子，迅速降温到合理的熔炼温度，进入到保温炉子保温，采用进口设备进行在线除气和浇铸，获得良好的铝合金铸棒；

(3)均匀化退火采用多级均匀化处理，50℃/h的升温速率，使得合金的偏析得到明显消除，阻碍晶粒组织长大的化合物弥散分布；

(4)挤压过程采用合理的挤压模具和挤压工艺参数，保证挤压型材的各个壁厚处形成均匀一致的晶粒组织和型材淬火的速率一致，使得型材具有一致的溶质原子浓度和形成一定的空位，有利于加速析出，形成GP区和亚稳相；人工时效后晶粒内部和晶界析出相不同形态，使得铝合金型材具有较好的耐腐蚀性能、焊接性能、疲劳性能、冲击性能和压溃性能。

(6)挤压工艺设计保证型材头、中和尾部各个壁厚处型材微观组织为纤维晶为主，低于单边壁厚3％以下的粗晶层；强力冷却方式保证材料具有较高的溶质原子固溶浓度和形成过饱和的空位。

(7)型材在进行静态压溃实验，由300mm压下200mm，压下速度20-40mm/min，表现出较好的折叠性能，在折叠的唇部未形成开裂，每列折叠层的中间凹坑部分出现极轻微开裂，材料在静态压缩过程在开始阶段最大力Fm的缩减不超过20％，材料在后期表现出良好的力的保持。

附图说明

图1为本发明研制的7003系列合金产品静态压溃实验压力F-位移S曲线图；

图2为本发明研制的7003系列合金产品静态压缩的图片；

图3为现有7003国标铝合金产品静态压缩的图片。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明一种汽车车身用的铝合金型材及制造方法做进一步详细说明。

本发明一种汽车车身用的铝合金型材技术方案一中各合金元素质量百分含量如表2所示。

表2技术方案一中各合金元素质量百分含量(％)

本发明一种汽车车身用的铝合金型材技术方案二中各合金元素质量百分含量如表3所示。

表3技术方案二中各合金元素质量百分含量(％)

本发明实施例中提供的一种汽车车身用的铝合金型材的制造方法包括以下工序：

1)熔炼：将净化处理后的铝水放入倾倒式熔炼炉内，添加其它各合金元素组分进行熔炼，熔炼温度为740℃-760℃，使原料完全熔化，并得到成分分布均匀的熔体；

2)净化处理、铸造成棒：对上述熔体进行净化处理，将净化处理后的熔体铸造成铸棒，铸造温度为730℃-740℃，模盘温度控制在690℃-710℃之间，铸造速度为120-140mm/min，铸造水压为0.06-0.12Mpa；

3)均匀化退火：将铸造出来的铸棒进行三级均匀化退火工艺处理，三级均匀化退火工艺为：280℃2h+380℃5h+480℃10h；

4)挤压:将均匀化退火后的铸棒放入3000T的挤压筒中进行挤压处理得到铝合金型材半成品，挤压比为20.9，挤压加热温度460-500℃，挤压型材出口速度8-15m/min，挤压出口温度500-560℃，挤压模具加热温度470-500℃；

5)拉伸：采用强力冷却淬火，在10-20s内将挤压得到铝合金型材半成品降到室温，然后对挤压后得到铝合金型材半成品进行拉伸，拉伸变形量控制在2％-3％；

6)自然时效、人工时效处理：挤压拉伸后的型材停放7-21天时间的自然时效，再进行人工时效处理，人工时效处理工艺采用双级时效工艺，第一级时效温度为90-110℃，第二级时效温度为150-165℃。

采用本发明一种汽车车身用的铝合金型材，经过合金化学成分的设计和开发，铸棒的熔炼铸造，铸棒的均匀化处理，合理的挤出工艺参数和合理的热处理工艺制度，使得材料表现出较好的静态碰撞效果，特别适用于制造汽车保险杠系统用铝合金吸能盒和纵梁。

从图1所示的本发明研制的7003系列合金产品静态压溃实验压力F-位移S曲线图可以看出，设计后的7003合金成分在静态压溃实验过程，由高度300mm，压下200mm，压下速度20-50mm/min，表现出较好的压溃性能，其中7003-03/04，具有高的峰值力和后期较为高的平均力，且后期出现多个波峰，型材具备较好的吸收碰撞的动能作用。

由图2所示的本发明研制的7003系列合金产品静态压缩的图片和图3所示的现有7003国标铝合金产品静态压缩的图片的对比也可以清楚地看出，本发明研制的7003系列合金产品表现出优异的静态碰撞效果。