本发明属于铝合金
技术领域：
，涉及一种可工业化应用的改善Al-Mg-Si-Cu系合金材料显微组织的处理方法，特别针对汽车领域车身外板用高成形性合金板材而开发，该种处理方法可以使得铝合金内原生相分布均匀性大幅度提高，进而显著提高合金的综合性能。
背景技术：
：随着汽车数量的不断增加，尾气排放对空气污染和气候恶化不容忽视，世界各国对汽车节能、减排的意识不断增强。因此，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。目前，汽车工业已经是我国的支柱产业之一，今后一段时间仍会得到持续高速的发展，因此，研制高性能汽车用铝合金材料及其制备方法对于提高我国汽车工业的国际竞争力意义重大，同时也会为我国产生重大的经济和社会效益。目前，汽车轻量化用变形铝合金板材主要包括，分别应用于车身内板和外板的Al-Mg系和Al-Mg-Si系合金板材。相比而言，Al-Mg-Si系合金由于具有如下特点：可热处理强化、耐蚀性好、焊接性好、易于表面着色以及成形性好，而且更为重要的是该系合金普遍具有较高的烤漆硬化特性，所有这些优点使得该系合金非常适合应用于汽车车身外板的加工，而且目前已经有几个牌号的合金获得广泛应用，如AA6016，AA6111以及AA6022等。以往研究和应用均表明，虽然Al-Mg-Si系合金具有较好的冲压成形性能，r值一般可达0.55以上，但是与钢铁相比仍然存在一定差距。因此，在保证合金烤漆硬化性能较好的情况下如何进一步提高该系铝合金的冲压成形性能是其能够得到更加广泛应用的关键所在。考虑到汽车外板用Al-Mg-Si系合金的制备过程较长且较为复杂，通过改变热加工工艺很好调控组织和织构演化过程，进而实现不同织构的合理搭配难度较大，但是如果合金基体内分布有一定量的粗大粒子(直径d>1μm)，变形态合金在高温热处理过程中会发生粒子刺激再结晶形核(即所谓的PSN效应)，导致粒子周围出现大量再结晶核心，这样不仅可以使得晶粒细化，而且还可以使得织构显著弱化(基本呈随机分布状态)，最终可以使得合金板材的成形性能获得大幅度提高。因此，如何在热加工之前在合金基体内能够获得均匀弥散分布的粗大粒子分布状态成为该系合金组织调控的关键。考虑到熔铸过程中生成的原生相普遍与基体界面结合良好，据此如果能够在熔铸过程合成均匀弥散分布的原生相粒子，那么其在后续热加工过程中一定可以发挥PSN效应而使合金组织和织构得到很好调控，进而使得成形性能获得大幅提高。根据此设计思路，同时考虑到回收铝合金普遍含有溶质元素Fe、Mn和Si等元素，用回收铝合金进行熔炼不仅可以大幅降低汽车用铝合金的生产成本，而且还可以利用引入的溶质元素Fe、Mn和Si等元素在熔铸过程中发生原位反应进而生成Al(Fe,Mn)Si相。但是根据以往研究表明，熔铸过程中生成的富铁相很容易发生偏聚长大，虽然在后续热加工过程中也可以发生破碎而得到细化，但是破碎过程中很容易不彻底而在粗大富铁相内部残留有微裂纹，进而在冲压成形或弯边变形时优先诱发裂纹萌生和扩展，从而抵消了粗大粒子诱发再结晶形核等的有利作用。因此，如何能够使得熔铸过程内生成的富铁相发生细化且均匀弥散分布于合金基体内成为提高铝合金综合性能的关键所在。考虑到如果能够施加物理场对Al-Mg-Si-Cu系合金的熔铸过程进行作用，那么必然可以增加原生富铁相的形核率以及均匀弥散分布程度。本发明就是基于这一调控思路而开发了一种可以有效促进Al-Mg-Si-Cu系合金原生相分布的离散处理方法。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Al-Mg-Si-Cu系合金板材成形性能仍然不够高等问题，开发一种更加适合促进铝合金材料内原生相分布状态的处理方法。本发明充分利用熔铸过程的超声物理外场作用可以有效促进合金内原生相的均匀弥散分布状态而开发的。在开发过程中通过控制熔铸过程以及外场作用方式和强度等，并辅以合适的高温处理工艺调控，最终使得合金在热加工之前的组织得到很好调控和提高，从而实现Al-Mg-Si-Cu系合金内原生相呈球形或近球形且呈均匀弥散分布状态的目的。据此，本发明提出一种促进Al-Mg-Si-Cu系合金原生富铁相分布的离散处理方法，所述Al-Mg-Si-Cu系合金的化学成分及其质量百分比含量为：Zn:0～3.7wt％，Mg0.3～1.2wt％，Si0.3～1.2wt％，Cu0.1～0.4wt％，Fe0.32～1.5wt％，Mn0.3～0.7wt％，Cr≤0.02wt％，Ti≤0.02wt％，B≤0.01wt％，余量为Al；其特征在于采用如下技术路线：采用回收铝或普铝进行Al-Mg-Si-Cu系合金的配置→中频感应熔炼→熔体保温在650～780℃→超声物理场对不同温度熔体进行多次处理(功率0.8～2kW，频率19～22，时间3～60min，插入方式：超声杆与熔体界面呈45～90°，次数≥1)→熔体浇注到成型磨具中(冷却速率：20～300℃/s)→双级高温热处理球化原生富铁相粒子(第一级为：440～490℃/1～12h,第二级为：520～575℃/7～50h，升降温速率10～45℃/h)，即可以保证所开发合金基体内的原生富铁相粒子呈球形或近球形且均匀弥散分布。.优选地，上述技术路线中所述中频感应熔炼工艺为：首先将回收铝或普铝熔化，温度控制在780～840℃，然后分别添加Al-Fe，Al-Mn，Al-Cr，Al-Ti中间合金，待熔化后分别再添加Al-Cu和Al-Si等中间合金，然后大功率搅拌熔体5min，静置熔体并保证熔体温度在660～780℃准备下一步超声物理场处理；优选地，上述技术路线中所述超声物理场对不同温度熔体进行多次处理工艺为：超声发生器功率0.81～1.9kW，频率19.1～21.2，时间4～60min，插入方式：超声杆与熔体界面呈45～90°，如果超声处理次数为1次，熔体温度控制在680～760℃；如果超声处理次数大于1次，第一次超声处理熔体温度740～780℃，中间间隔时间小于3-7min，第二次超声处理熔体温度为660～750℃。优选地，上述技术路线中所述双级高温热处理球化原生富铁相粒子工艺为：将超声物理场处理后的合金铸锭试样以10～40℃/h升温速率开始从室温升温到450～490℃保温2～9h，然后再以10～40℃/h的速率继续升温到530～575℃保温14～45h，最后再以10～40℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出。通过采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：本发明不仅可以使得Al-Mg-Si-Cu系合金内的原生富铁相均匀弥散分布于合金基体内，而且还可以以球形分布为主，保证在后续加工过程中不发生破碎或产生微裂纹。本发明非常适合应用于汽车用铝合金材料的加工和生产，以及对原生相分布状态有特定要求的其它铝合金材料的生产使用，当然也适合应用于对其它系列铝合金材料组织和综合性能有较高要求的其它技术行业。附图说明图11#合金经对比例1处理后的高温热处理态显微组织；图22#合金经对比例1处理后的高温热处理态显微组织；图31#合金采用实施例1处理后的高温热处理态显微组织；图42#合金采用实施例2处理后的高温热处理态显微组织；图51#合金采用实施例3处理后的高温热处理态显微组织；图62#合金采用实施例4处理后的高温热处理态显微组织；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。处理工艺包括如下步骤：原材料分别采用回收铝或普铝、工业纯Mg、工业纯Zn、中间合金Al-20wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-20wt％Fe、Al-10wt％Mn等。利用中频感应熔炼首先将回收铝或普铝熔化，温度控制在780～840℃，然后分别添加Al-20wt％Fe，Al-10wt％Mn，Al-10wt％Cr，Al-10wt％Ti中间合金，待熔化后分别再添加Al-50wt％Cu和Al-20wt％Si等中间合金，然后大功率搅拌熔体5min，静置熔体并保证熔体温度在660～780℃准备下一步超声物理场处理；实施发明合金的具体化学成分如表1所示：表1实施发明合金化学成分(质量百分数，wt％)MgSiCuFeMnZnCrTiBAl1#0.90.50.21.30.33.0≤0.02wt％≤0.01wt％≤0.01wt％余量2#0.90.80.20.50.33.0≤0.02wt％≤0.01wt％≤0.01wt％余量待熔体温度处在660～780℃之间时，开始利用超声物理对熔体进行处理，超声发生器功率0.8～2kW，频率19～22kHz，时间3～60min，插入方式：超声杆与熔体界面呈45～90°，超声处理次数≥1次，然后将超声物理场处理后的熔体浇铸到水冷磨具内；为了使合金基体内形成的原生富铁相能够发生球化，对其进行双级高温热处理球化处理，第一级为：440～490℃/1～12h，第二级为：520～575℃/7～50h，升降温速率10～45℃/h，经上述工艺处理后即可以保证所开发合金基体内的原生富铁相粒子呈球形或近球形且均匀弥散分布。具体的实施方式如下：对比例1实施合金1#和2#合金采用中频感应炉熔炼后直接在700～740℃浇铸到水冷磨具内(冷却速率：20～300℃/s)，然后将熔炼铸造后的合金试样以10～40℃/h升温速率开始从室温升温到450～490℃保温2～9h，然后再以10～40℃/h继续升温到530～570℃保温14～45h，最后再以10～40℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出。对高温热处理后合金基体内的原生富铁相进行组织观察，如图1和2所示。实施例1实施合金1#经中频感应炉熔炼后，首先采用超声物理场对熔体进行如下处理，具体超声物理场处理条件为：超声发生器功率0.81～1.9kW，频率19.1～21.2kHz，时间4～60min，插入方式：超声杆与熔体界面呈45～90°，超声物理场处理次数为1次，熔体温度控制在680～760℃；然后将处理后的熔体直接浇铸到水冷磨具内(冷却速率：20～300℃/s)；最后再将超声物理场处理后的合金铸锭试样以10～40℃/h升温速率开始从室温升温到450～490℃保温2～9h，然后再以10～40℃/h的速率继续升温到530～570℃保温14～45h，最后再以10～40℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出。对高温热处理后合金基体内的原生富铁相进行组织观察，如图3所示。实施例2实施合金2#经中频感应炉熔炼后，首先采用超声物理场对熔体进行如下处理，具体超声物理场处理条件为：超声发生器功率0.81～1.9kW，频率19.1～21.2kHz，时间4～60min，插入方式：超声杆与熔体界面呈45～90°，超声物理场处理次数为1次，熔体温度控制在680～760℃；然后将处理后的熔体直接浇铸到水冷磨具内(冷却速率：20～300℃/s)；最后再将超声物理场处理后的合金铸锭试样以10～40℃/h升温速率开始从室温升温到450～490℃保温2～9h，然后再以10～40℃/h的速率继续升温到530～570℃保温14～45h，最后再以10～40℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出。对高温热处理后合金基体内的原生富铁相进行组织观察，如图4所示。实施例3实施合金1#经中频感应炉熔炼后，首先采用超声物理场对熔体进行如下处理，具体超声处理场处理条件为：超声发生器功率0.81～1.9kW，频率19.1～21.2kHz，时间4～60min，插入方式：超声杆与熔体界面呈45～90°，超声物理场处理次数为2次，第一次超声物理场处理熔体温度740～780℃，中间间隔时间小于5min，第二次超声物理场处理熔体温度为660～750℃；然后将超声物理场处理后的熔体直接浇铸到水冷磨具内(冷却速率：20～300℃/s)；最后再将经此超声物理场处理后的合金铸锭试样以10～40℃/h升温速率开始从室温升温到450～490℃保温2～9h，然后再以10～40℃/h继续升温到530～570℃保温14～45h，最后再以10～40℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出。对高温热处理后合金基体内的原生富铁相进行组织观察，如图5所示。实施例4实施合金2#经中频感应炉熔炼后，首先采用超声物理场对熔体进行如下处理，具体超声处理场处理条件为：超声发生器功率0.81～1.9kW，频率19.1～21.2kHz，时间4～60min，插入方式：超声杆与熔体界面呈45～90°，超声处理次数为2次，第一次超声物理场处理熔体温度740～780℃，中间间隔时间小于5min，第二次超声物理场处理熔体温度为660～750℃；然后将超声物理场处理后的熔体直接浇铸到水冷磨具内(冷却速率：20～300℃/s)；最后再将经此超声物理场处理后的合金铸锭试样以10～40℃/h升温速率开始从室温升温到450～490℃保温2～9h，然后再以10～40℃/h继续升温到530～570℃保温14～45h，最后再以10～40℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出。对高温热处理后合金基体内的原生富铁相进行组织观察，如图6所示。随着节能减排不断获得各国的广泛重视，汽车用铝合金的开发和应用也不断深入，车身外板用6xxx系铝合金近几年也获得突飞猛进的发展，但是其成形性能和烤漆硬化增量的提高仍然有待进一步的深入研究，同时其生产成本也需大幅降低，只有这样才有可能使其在汽车轻量化进程中获得更广泛的应用。因此，开发一种成本较低且综合性能优异的新型Al-Mg-Si-Cu系合金及其制备方法对于汽车轻量化用铝合金的发展非常重要。考虑到回收铝合金普遍含有溶质元素Fe、Mn和Si等元素，用回收铝合金进行熔炼不仅可以大幅降低汽车用铝合金的生产成本，而且还可以利用引入的溶质元素Fe、Mn和Si等元素，其在熔铸过程中发生原位反应进而生成Al(Fe,Mn)Si相，这些相如果能够很好利用并充分发挥PSN效应，其不仅可以大幅提高合金的成形性能，而且还可以对合金的烤漆硬化增量产生积极影响。但是根据以往研究表明，熔铸过程中生成的富铁相很容易发生偏聚长大。正如对比例1所述，采用传统工艺制备的合金，由于两种合金中1#合金的富铁相浓度较高，合金基体内的富铁相发生严重粗化，经高温热处理后粗大的富铁相基本很少有发生球化的(如图1所示)。当富铁相浓度降低后，虽然2#合金内粗大的枝晶状和长棒状富铁相略有减少，但是仍然有很多枝晶状组织，经高温热处理后其同样未能很好发生球化(如图2所示)。这些粗大富铁相粒子虽然在后续热加工过程中可以发生破碎而得到细化，但是破碎过程中很容易不彻底而在粗大富铁相内部残留有微裂纹，进而在冲压成形或弯边变形时优先诱发裂纹萌生和扩展，从而抵消了粗大粒子诱发再结晶形核等的有利作用。因此，如何能够使得熔铸过程内生成的富铁相发生细化且均匀弥散分布于合金基体内成为提高铝合金综合性能的关键所在。考虑到如果能够施加物理场对Al-Mg-Si-Cu系合金的熔铸过程进行作用，那么必然可以增加原生富铁相的形核率以及均匀弥散分布程度。本发明就是基于这一调控思路而开发了一种可以有效促进Al-Mg-Si-Cu系合金原生相分布的离散处理方法。正如实施例1-4所述，采用所开发的处理工艺，无论对于富铁相浓度较高的1#合金还是浓度较低的2#合金，经此工艺处理后，合金基体内的富铁相不仅分布均匀性获得显著提高，合金晶粒尺寸发生显著细化，而且更为重要的是铸态合金经后续的高温热处理调控后，基体内的富铁相基本全部发生球化，而呈球形或近球形(如图3-图6所示)。这些球化的富铁相粒子无论采用何种加工工艺，其均不容易发生破碎而能稳定地分布于合金基体内。这种组织特征的出现，完全可以彻底避免由于粗大棒状或枝晶状富铁相在后续加工过程中发生破碎进而萌生微裂纹的恶化效应，而在加工过程中可以更好的对合金组织和织构演化产生有利影响。综上所述，本发明通过对Al-Mg-Si-Cu系合金熔铸过程的超声物理场调控处理使得合金基体内原生富铁相的分布状态得到有效控制，经后续高温热处理后基本均呈球形或近球形且均匀弥散分布于合金基体内，这对于大幅提高该系合金板材的冲压成形性能非常有利。此外，由于原生相为富铁相，合金熔炼时完全可以采用回收铝合金或纯度较低的普铝进行，非常有利于降低该系合金的生产成本，对于加快该系合金广泛应用具有积极作用。因此，本发明处理工艺不仅适合广泛应用于汽车用Al-Mg-Si-Cu系合金板材的制造，从而加快汽车轻量化用铝合金的进程，而且对于其他领域用高成形性和高强度铝合金的开发、加工和应用也具有一定的指导意义，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、替换和变型，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 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