一种提高汽车用Al‑Mg‑Si‑Cu系合金强度的处理方法与流程

本发明属于铝合金
技术领域：
，涉及一种可工业化应用的能大幅提高6xxx系铝合金薄板材强度的处理方法，特别针对汽车领域用中高强铝合金薄板材而开发，该种处理方法不仅可以使得铝合金薄板材具有优异的成形性能，而且经过进一步时效处理后还具有非常高的强度。
背景技术：
：随着经济的发展，现在世界的环保问题越来越严重，其中汽车的尾气排放已成为大气污染的重要来源之一，其对气候的恶化效应已经刻不容缓。因此，世界各国对汽车节能、减排的意识不断增强，但是如何实现汽车轻量化进而达到节能减排的目的已经成为汽车领域进一步发展的关键所在。从高速、舒适、美观、耐用、轻量化、节能、环保、降低综合成本等综合性能方面来看，铝合金无疑是现代汽车工业轻量化的首选材料，世界许多国家均已大力开展汽车轻量化用铝合金加工、成形和应用的相关研究，如Al-Mg和Al-Mg-Si-Cu系合金等，尤其Al-Mg-Si-Cu系合金的开发和应用研究等。虽然Al-Mg-Si-Cu系合金通过成分设计进而利用固溶和时效析出可以使得其强度获得一定提高，但是毕竟与钢铁相比，该系铝合金材料的强度仍然不够高。因此，如何能够大幅度提高该系铝合金强度成为铝合金领域急需解决的一大关键问题，其对于汽车轻量化用铝合金的快速发展具有重要意义。考虑到合金板材的强度主要受沉淀相分布、晶粒尺寸、以及位错分布等影响，而沉淀相的析出除了受成分影响之外，还受可诱发非均匀形核的晶界和位错等影响，因此，如果能够开发一种工艺不仅使得合金沉淀相析出数量大幅度增加而提高沉淀强化效果，即同时利用沉淀相的均匀和非均形核，而且还能够充分利用其它强化方式，如细晶强化，位错强化等，那么所开发的合金强度一定能够获得大幅度提高。本发明就是基于这一思想进行新工艺开发的，开发过程中通过在时效析出前基体内大量引入位错和细晶组织，从而使得合金不仅低温时效析出强化大幅度增加，而且还能够将引入的位错和细晶组织稳定保持在合金基体内，从而实现了大幅度提高Al-Mg-Si-Cu系合金强度的目的。技术实现要素：本发明为了更好满足汽车轻量化用铝合金板材的实际应用需求，针对6xxx系铝合金强度不够高等问题，开发一种更加适合汽车用中高强铝合金板材的处理方法。本发明充分利用大塑性热轧变形并辅以固溶淬火后的低温大塑性变形可以引入大量位错线以及显著细化组织等特点，通过控制轧制速率、温度、道次压下量以及应变总量，首先使得合金时效析出前引入大量的位错线和细晶组织；然后再辅以合适的中低温时效，一方面可以诱发基体内沉淀相的均匀和非均匀形核，增加沉淀硬化效果；另一方面还可以稳定时效前的位错线和细晶组织，从而使得合金基体能同时利用沉淀强化、位错强化和细晶强化加以多类型强化，最终必然可以使得强度较低的Al-Mg-Si-Cu系合金强度获得大福度提高。一种提高汽车用Al-Mg-Si-Cu系合金强度的处理方法，其特征在于处理步骤如下：1)均匀化后的铸锭→热轧变形：开轧温度530～580℃，终轧温度80～200℃，变形量80～98％，道次压下量5～40％，轧制速率0.01m/s～0.9m/s；2)热轧板材；厚度4-8mm；3)固溶处理：升温速率100～300℃/s，温度540～580℃，时间1～30min；4)淬火处理；降温速率大于500℃/s；5)超低温预处理：保证在淬火后0.5～10min内置于液氮容器内，放置时间5min～30h；6)大变形量轧制：变形温度低于20℃，道次压下量10％～50％，轧制速率小于0.5m/s，总变形量80％～99％；7)低温时效处理：温度120～220℃，时间0.5～50h。8)所处理合金化学成分及其质量百分比含量为：Zn:0～4.0wt％，Mg0.5～1.2wt％，Si0.7～1.5wt％，Cu0～0.6wt％，Fe0.1～0.5wt％，Mn0.05～0.3wt％，Cr≤0.25wt％，Ti≤0.25wt％，余量为Al。优选地，上述技术路线中热轧工艺为：开轧温度535～580℃，终轧温度100～200℃，变形量83～98％，道次压下量6～39％，轧制速率0.011m/s～0.89m/s；优选地，上述技术路线中固溶处理工艺为：升温速率100～260℃/s，温度545～575℃，时间1～25min；优选地，上述技术路线中的超低温预处理工艺为：保证在淬火后0.5～10min内置于液氮容器内，放置时间5min～29h；优选地，上述技术路线中的大变形量轧制工艺为：变形温度低于20℃，道次压下量11％～48％，轧制速率小于0.48m/s，总变形量82％～99％；优选地，上述技术路线中低温时效处理工艺为：温度120～210℃，时间0.5～45h。通过采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：本发明可以使得6xxx系铝合金薄板材同时兼具有高强度和高塑性特性。本发明非常适合应用于汽车用铝合金薄板材的加工和生产，以及对强度和塑性有特定要求的其它零部件的生产使用，当然也适合应用于对中高强铝合金强度和塑性均有较高要求的其它技术行业。附图说明图11#和2#合金采用实施例1和2处理后的硬度变化规律；图21#和2#合金采用实施例3和4处理后的硬度变化规律；图31#和2#合金采用实施例5和6处理后的硬度变化规律；图41#和2#合金采对比例和典型实施例对应的工程应力-应变曲线。图52#合金经实施例5处理后峰时效态的TEM显微组织具体实施方式下面结合具体实施方案对本发明做进一步的补充和说明。实施例所用的两种典型的6xxx铝合金，其化学成分如图下表1所示。所用材料是99.99％高纯Al、工业纯Mg和纯Zn，中间合金包括Al-10％Mn、Al-20％Si、Al-20％Fe、Al-50％Cu，晶粒细化剂采用Al-5％Ti-1％B(质量分数)。整个熔炼过程在SG2-12-10型电阻坩埚炉井式加热炉中进行。具体熔炼为，首先将高纯Al放入坩埚内并加热到790℃熔化后保温10min，然后按照Al-Mn，Al-Cu，Al-Fe，Al-Ti的顺序加入到装有熔融态纯Al的坩埚中，待其全部融化后搅拌，保温10min。然后使溶液降温到740℃，按顺序加入Zn、Mg，保温一段时间，然后控制溶液温度到720℃，加入30g左右的精炼剂，用于除去溶液中气体，再加入25g左右的除渣剂用于除去溶液中的渣滓，最后扒渣后，在720℃的溶液中加入晶粒细化剂，稳定在720℃的时候将合金溶体浇入水冷钢模中成型。表1实施合金化学成分(质量百分数，wt％)合计MgSiCuFeMnZnTiCrAl1#0.81.00.20.20.1500.010.01余量2#0.81.00.20.20.153.00.010.01余量实施合金铸锭在循环空气炉中进行均匀化处理，处理工艺为：将合金铸锭放在循环空气炉内，打开电源，以30℃/h升温速率开始升温，待温度达到485℃保温3h，随后继续升温到555℃保温24h，再以30℃/h的降温速率随炉降温到100℃时取出试样；随后对均匀化态铸锭进行如下工艺处理，均匀化后的铸锭→热轧变形(开轧温度530～580℃，终轧温度80～200℃，变形量80～98％，道次压下量5～40％，轧制速率0.01m/s～0.9m/s)→热轧板材(厚度4-8mm)→固溶处理(升温速率100～300℃/s，温度540～580℃，时间1～30min)→淬火处理(降温速率大于500℃/s)→超低温预处理(保证在淬火后0.5～10min内置于液氮容器内，放置时间5min～30h)→大变形量轧制(变形温度低于20℃，道次压下量10％～50％，轧制速率小于0.5m/s，总变形量80％～99％)→低温时效处理(温度120～220℃，时间0.5～50h)，然后对典型态合金进行性能评估。具体的实施方式如下：对比例1实施合金1#和2#经熔炼铸造、均匀化和热处理变形后，随后进行传统工艺处理：即，热轧变形(开轧温度530～580℃，终轧温度80～200℃，变形量80～98％，道次压下量5～40％，轧制速率0.01m/s～0.9m/s)→热轧板材(厚度4mm)→中间退火(升温速率50℃-80℃/min，温度400℃，时间1h)→单向冷轧变形(变形量75％，道次压线量25-30％)→快速升温固溶处理(升温速率100-200℃/s，温度555℃，时间2min)→冷水淬火→单级时效处理(在127℃、160℃、185℃进行人工时效)→根据硬度变化规律分别测量相应峰时效态的拉伸性能，如表2和图4所示。实施例1实施合金1#和2#经熔炼铸造、均匀化处理后，随后对其进行如下工艺处理，均匀化后的铸锭→热轧变形(开轧温度535～580℃，终轧温度100～200℃，变形量83～98％，道次压下量6～39％，轧制速率0.011m/s～0.89m/s)→热轧板材(厚度4-8mm)→固溶处理(升温速率100～260℃/s，温度545～575℃，时间1～30min)→淬火处理(降温速率大于500℃/s)→超低温预处理(保证在淬火后0.5～10min内置于液氮容器内，放置时间5min～29h)→大变形量轧制(变形温度低于-150℃，道次压下量10％～50％，轧制速率小于0.5m/s，总变形量80％～99％)→127℃低温时效处理，硬度变化规律如图3所示，典型状态拉伸性能如表3所示。实施例2实施合金1#和2#经熔炼铸造、均匀化处理后，随后对其进行如下工艺处理，均匀化后的铸锭→热轧变形(开轧温度535～580℃，终轧温度100～200℃，变形量83～98％，道次压下量6～39％，轧制速率0.011m/s～0.89m/s)→热轧板材(厚度4-8mm)→固溶处理(升温速率100～260℃/s，温度545～575℃，时间1～30min)→淬火处理(降温速率大于500℃/s)→超低温预处理(保证在淬火后0.5～10min内置于液氮容器内，放置时间5min～29h)→大变形量轧制(变形温度低于20℃，道次压下量10％～50％，轧制速率小于0.5m/s，总变形量80％～99％)→127℃低温时效处理，硬度变化规律如图3所示，典型状态拉伸性能如表3所示。实施例3实施合金1#和2#经熔炼铸造、均匀化处理后，随后对其进行如下工艺处理，均匀化后的铸锭→热轧变形(开轧温度535～580℃，终轧温度100～200℃，变形量83～98％，道次压下量6～39％，轧制速率0.011m/s～0.89m/s)→热轧板材(厚度4-8mm)→固溶处理(升温速率100～260℃/s，温度545～575℃，时间1～30min)→淬火处理(降温速率大于500℃/s)→超低温预处理(保证在淬火后0.5～10min内置于液氮容器内，放置时间5min～29h)→大变形量轧制(变形温度低于-150℃，道次压下量10％～50％，轧制速率小于0.5m/s，总变形量80％～99％)→160℃低温时效处理，硬度变化规律如图3所示，典型状态拉伸性能如表3和图4所示。实施例4实施合金1#和2#经熔炼铸造、均匀化处理后，随后对其进行如下工艺处理，均匀化后的铸锭→热轧变形(开轧温度535～580℃，终轧温度100～200℃，变形量83～98％，道次压下量6～39％，轧制速率0.011m/s～0.89m/s)→热轧板材(厚度4-8mm)→固溶处理(升温速率100～260℃/s，温度545～575℃，时间1～30min)→淬火处理(降温速率大于500℃/s)→超低温预处理(保证在淬火后0.5～10min内置于液氮容器内，放置时间5min～29h)→大变形量轧制(变形温度低于20℃，道次压下量10％～50％，轧制速率小于0.5m/s，总变形量80％～99％)→160℃低温时效处理，硬度变化规律如图3所示，典型状态拉伸性能如表3和图4所示。实施例5实施合金1#和2#经熔炼铸造、均匀化处理后，随后对其进行如下工艺处理，均匀化后的铸锭→热轧变形(开轧温度535～580℃，终轧温度100～200℃，变形量83～98％，道次压下量6～39％，轧制速率0.011m/s～0.89m/s)→热轧板材(厚度4-8mm)→固溶处理(升温速率100～260℃/s，温度545～575℃，时间1～30min)→淬火处理(降温速率大于500℃/s)→超低温预处理(保证在淬火后0.5～10min内置于液氮容器内，放置时间5min～29h)→大变形量轧制(变形温度低于-150℃，道次压下量10％～50％，轧制速率小于0.5m/s，总变形量80％～99％)→185℃低温时效处理，硬度变化规律如图3所示，典型状态拉伸性能如表3所示。实施例6实施合金1#和2#经熔炼铸造、均匀化处理后，随后对其进行如下工艺处理，均匀化后的铸锭→热轧变形(开轧温度535～580℃，终轧温度100～200℃，变形量83～98％，道次压下量6～39％，轧制速率0.011m/s～0.89m/s)→热轧板材(厚度4-8mm)→固溶处理(升温速率100～260℃/s，温度545～575℃，时间1～30min)→淬火处理(降温速率大于500℃/s)→超低温预处理(保证在淬火后0.5～10min内置于液氮容器内，放置时间5min～29h)→大变形量轧制(变形温度低于20℃，道次压下量10％～50％，轧制速率小于0.5m/s，总变形量80％～99％)→185℃低温时效处理，硬度变化规律如图3所示，典型状态拉伸性能如表3所示。表2对比例中1#和2#合金峰时效拉伸性能表3实施例中1#和2#合金峰时效拉伸性能随着汽车轻量化的发展，新能源、新材料被广泛应用在汽车上，铝合金由于低密度，高强度和良好的成型性，被作为一种取代钢材的材料而用在汽车上；ABS铝合金板可分为外板与内板，外板生产难度大，所要求的性能高，现在所说的汽车板一般都是指车身外覆盖板，ABS铝合金除有满足标准与规范的力学性能、化学性能、尺寸偏差与表面品质外，还应具备如下的特性:良好的成形性能与翻边延性，表面平整性强，良好的可焊性，优秀的烘烤硬化性，抗时效稳定性强，很好的抗凹性。其中6xxx系铝合金有良好的烤漆性能和抗腐蚀性能而作为汽车外板被广泛的应用。传统的6xxx系铝合金板材经固溶淬火+时效工艺处理后所得到的强度属于低强或中强范畴，一般仅能作为汽车外板应用，无法满足车身结构件的应用，但是为了车身外板与车身结构件间的更好连接，如果6xxx系铝合金强度能够获得大幅度提高，那么该系合金应用前景将进一步获得拓展。据此，我们首先采用传统热处理工艺对两种典型的6xxx系铝合金进行处理(如对比例1)，发现即使优化时效温度和时间，其最终的强度提高也十分有限，如表2所示。相比而言，如果合金经过实施例1-6所述处理方法，合金的强度可以获得大幅度提高，如表3和图4所示。合金屈服强度可达396.8MPa，而抗拉强度可达414.9MPa，远高于传统工艺处理后合金屈服强度可达到的水平，即260～350MPa。合金能够获得如此大的提高，主要是由于合金强化方法发生了变化。传统6xxx系合金的强度提高主要通过时效析出强化来实现，即使合金含有一定量的Zn元素，也提高非常有限(如对比例中2#合金的性能)。而本发明中所采用的处理工艺可以使得合金能够同时利用位错强化、细晶强化以及沉淀强化(如图5所示)，而且沉淀强化由于充分利用了基体内的位错线以及亚晶界等可诱发的非均匀形核，使得沉淀相析出由传统的均匀形核而转化为均匀和非均匀形核协同作用方式，这显著增加了沉淀相的形核率，最终使得合金沉淀相细小均匀弥散且数量大幅增加。因此，实施合金经此工艺处理后，其强度均获得大幅度提高。综上所述，本发明通过优化加工和热处理工艺使合金板材强度获得大幅度提高，同时还能够兼具有较高的塑性。因此，本发明处理工艺不仅适合广泛应用于汽车外板，而且可以作为汽车中的结构件的生产，有效避免车身内板与结构件由于材质不同而引起的其他问题。这对于更大程度加快汽车轻量化用铝合金的研究和使用进程意义重大，值得汽车生产厂家和铝合金加工企业对此发明加以重视，使其尽早能够在这一领域得到推广和应用。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。当前第1页1 2 3