一种汽车底盘承重梁用高强韧铝型材及其生产方法与流程

本发明属于铝型材制备，具体是涉及一种汽车底盘承重梁用高强韧铝型材及其生产方法。

背景技术：

1、轻量化是在保证汽车强度和安全性前提下，尽可能降低汽车车身的重量，提高汽车的动力性，减少能源消耗，降低排放，增加运输能力。轻量化是世界汽车技术的重要发展方向，铝型材具有密度低、比强度高、耐腐蚀、易加工成形、可回收利用等优点，广泛应用于全铝挂车、箱式货车、槽罐车等。

2、底盘承重梁是全挂车、半挂车、箱式货车、槽罐车等的重要承载结构件，传统底盘承重梁都是钢材。为了减轻车身重量，适应全铝车身的发展需要，底盘承重梁逐渐改用铝型材，这要求铝型材具有高强度、高塑性以及优良的焊接性能和耐腐蚀性能。

3、公开号为cn106435298a的专利申请公开了一种应用在汽车铝合金箱体型材的铝合金及其制备方法，包含以下重量份的组分：si 0.45-0.48％，fe 0.20％，mg 0.53-0.58％，cu 0.05％，zn 0.10％，mn 0.01-0.03％，ti 0.08％，cr 0.01％，al余量。铝合金的抗拉强度为237mpa，屈服强度为211mpa，断后伸长率为11％，韦氏硬度值为13。该铝合金的强度和塑性都仍然较低。

4、公开号为cn104018038a的专利申请公开了一种汽车防撞梁用铝合金及其产品制造方法，该铝合金的成分及质量百分比为：zn 6.5-6.8％，mg0.9-1.1％，cu 0.2-0.3％，zr0.15-0.2％，mn 0.1-0.15％，ti 0.01-0.02％，cr≤0.05％，fe≤0.25％，si≤0.2％，余量为al。该专利制造的汽车防撞梁的抗拉强度达到420mpa以上，屈服强度可稳定控制在390-420mpa之间，断后伸长率大于10％。该铝合金的强度虽然较高，但塑性较低。

5、公开号为cn109355537a的专利申请公开了一种新能源电池托盘用6系铝合金型材及其加工方法，该6系铝合金型材含有以下化学成分：si0.65-0.70％，mg 0.90-0.95％，cu0.18-22％，fe≤0.20％，mn＜0.1％，cr0.09-0.12％，zn＜0.01％，ti＜0.1％，余量为al。铝合金型材的硬度为16.2-17.5hw，抗拉强度≥290mpa，屈服强度≥260mpa，延伸率≥10％。

6、从生产实践和文献资料检索结果来看，由于铝型材的强度与塑性、焊接性能、耐腐蚀性能之间存在相互制约、此消彼长的矛盾问题，导致传统单独通过调整合金成分来提高铝型材的强度、塑性、焊接性能、耐腐蚀性能往往难以兼顾，即难以获得高综合性能的汽车底盘承重梁用铝型材，极大地限制了汽车底盘承重梁的轻量化发展。因此，现有汽车底盘承重梁用铝型材及其生产方法仍有待改进和发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种汽车底盘承重梁用高强韧铝型材及其生产方法，通过优化铝型材的成分组成和生产工艺，提高铝型材的洁净度，细化铝型材的晶粒组织，提高铝型材的强度、塑性、焊接性能、耐腐蚀性能，满足汽车底盘承重梁轻量化发展对高综合性能铝型材的需求。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明第一方面提供了一种汽车底盘承重梁用高强韧铝型材，其特点是，所述铝型材由以下质量百分比的成分组成：mg 1.1-1.2％，si 0.7-0.8％，cu 0.3-0.4％，cr0.25-0.35％，mn 0.5-0.15％，ti 0.005-0.015％，fe≤0.2％，余量为al和不可避免的其它杂质，其它杂质单个≤0.05％，其它杂质合计≤0.15％。

4、其中，mg和si是铝型材的主要强化元素，mg和si在铝型材中除了具有固溶强化作用外，还能在时效过程中析出mg2si相显著提高铝型材的强度。mg和si的含量过低，铝型材的强度会不足。mg和si的含量也不宜太高，否则会增加铝型材的挤压难度，降低铝型材的塑性、耐腐蚀性能和导热性能。

5、cu在铝合金中既有固溶强化作用，还能析出cual2相显著增强铝型材的强度。cu含量太低，铝型材的强度会不足。cu含量越高，铝型材的强度也越高，但焊接性能、耐腐蚀性能和导热性能也会随之下降，并增加铝型材的淬火敏感性，因此，cu的含量需要严格控制。

6、cr和mn在铝合金中可分别形成mnal6、femnal6、crfeal7、crmnal12等化合物弥散质点，首先是可以细化铝合金铸棒的晶粒，其次能阻止挤压铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能阻碍再结晶晶粒的长大，细化挤压铝型材的晶粒。最后是可以熔解部分fe元素，减小杂质元素fe的危害。

7、ti是以al5ti1b合金丝或者al5ti0.2c合金丝形式加入到铝合金液中，其主要作用是细化铝合金铸棒的晶粒，提高铝合金铸棒的组织均匀性和挤压性能。ti含量过低，对铝合金铸棒的晶粒细化效果不明显。ti含量过高，晶粒细化效果也不会显著增加，反而会增加生产成本。

8、fe是铝合金中常见的杂质元素，在铝合金中通常形成粗大的针片状femnal6、crfeal7、fe2sial8、fe3si2al12、fesial3、fe2si2al9等富铁相，不仅会降低铝型材强度、塑性、焊接性能、耐腐蚀性能和导热性能，还会增加铝合金铸棒的变形抗力，增加铝型材的挤压难度。因此，杂质元素fe的含量必须严格控制。

9、本发明第二方面提供了一种汽车底盘承重梁用高强韧铝型材的生产方法，其特点是，依次包括以下步骤：

10、(1)按所述铝型材的成分组成及质量百分比，熔炼配制铝合金液；

11、(2)采用惰性气体和精炼剂对炉内铝合金液进行喷吹精炼除渣处理，然后扒去铝合金液表面的浮渣，并在铝合金液表面撒上覆盖剂；

12、(3)通过炉底安装的透气砖向炉内铝合金液通入惰性气体进行精炼除氢处理；

13、(4)将铝合金液导入流槽，然后向流槽内的铝合金液加入晶粒细化剂进行晶粒细化处理；

14、(5)将经过晶粒细化处理的铝合金液流过设置在流槽上的除气箱进行深度除氢处理；

15、(6)将深度除氢处理后的铝合金液流过设置在流槽上的深床过滤箱或者管式过滤箱进行过滤处理；

16、(7)采用油气滑半连续铸造机将铝合金液半连续铸造成铝合金铸棒；

17、(8)将铝合金铸棒进行高温均质处理，然后喷水雾冷却至室温；

18、(9)将铝合金铸棒加热后在挤压成铝型材，然后冷却至室温进行拉伸矫直；

19、(10)将铝型材进行人工时效处理，冷却至室温后，得到所述汽车底盘承重梁用高强韧铝型材。

20、氢气孔和夹杂物是铝型材内部的常见缺陷，首先会割裂铝基体，破坏铝型材的组织连续性，阻碍自由电子的移动，增加自由电子的散射，导致铝型材的导热性能下降。其次会造成铝型材内部产生局部应力集中，成为铝型材断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，降低铝型材的强度和塑性。最后是造成铝型材形成微小腐蚀电池，降低铝型材的耐腐蚀性能。因此，提高铝型材的洁净度是获得高强度、高塑性和优良焊接性能、耐腐蚀和导热性能的汽车底盘承重梁用高强韧铝型材的基础和关键。

21、作为优选地，步骤(2)中所述惰性气体为纯度≥99.9％的氩气或者纯度≥99.9％的氮气，所述精炼剂的用量为铝合金液重量的0.2-0.4％，喷吹精炼时间为20-30分钟。

22、惰性气体的纯度越高，含有的水汽越少，越有利于降低炉内铝合金液的含气量。所述喷吹精炼是采用喷粉罐和不锈钢钢管，以惰性气体为载体，将粉末状精炼剂喷吹进入铝合金液，使精炼剂与铝合金液充分接触反应，将铝合金液中的夹杂物带出上浮至液面，达到除渣作用，喷吹精炼也有一定的除氢作用。精炼剂的用量、精炼时间与精炼剂的质量密切相关，精炼剂的质量越高，精炼剂用量也越少，精炼时间也可以少些。

23、作为优选地，步骤(2)中所述精炼剂由以下质量百分比的成分组成：zncl2 40-50％，k2co3 20-30％，nano3 5-10％，kf 8-13％，k2so4 5-8％，li2so4 3-5％。

24、作为优选地，步骤(2)中所述精炼剂的制备方法依次包括如下步骤：(1)选用纯度≥99.8％的zncl2、k2co3、nano3、kf、k2so4、li2so4为原材料进行配料；(2)在纯度≥99.99％的氩气保护下将原材料在1150-1200℃加热熔化，然后冷却凝固块体精炼剂；(3)将块体精炼剂粉碎成粒径≤2毫米粉末，得到所述精炼剂。

25、炉内铝合金液的洁净度将直接影响到最终铝合金铸棒和铝型材的洁净度，而炉内铝合金液的洁净度与精炼剂的质量密切相关。现有精炼剂主要采用钠盐、氟盐、氯盐、六氯乙烷等原材料直接破碎混合而成，未发挥原材料之间的相互作用，导致精炼剂的熔点高，除渣效率低，除渣率通常只有30-40％。为了提高炉内铝合金液的洁净度，发明人通过大量实验研究，研制了更高效环保的精炼剂，精炼剂以zncl2为主要成分，再配上少量的k2co3、nano3、kf、k2so4、li2so4，在高纯氩气保护下先将原材料在1150-1200℃加热熔化，然后再冷却凝固和粉粹成粉末状精炼剂，精炼剂中的zncl2的熔点为290℃，nano3的熔点为306.8℃，都极易熔解于铝合金液中。k2co3的熔点为891℃，kf的熔点为858℃，k2so4的熔点为1069℃，li2so4的熔点为859℃，虽然k2co3、kf、k2so4、li2so4的熔点较高，但通过熔化和凝固结晶，k2co3与kf可形成熔点仅为688℃的kf·k2co3共晶体，k2so4与li2so4可形成熔点仅为716℃的k2so4·li2so4共晶体，使精炼剂的熔点进一步大幅下降，使精炼剂在铝合金液中更容易熔解，其中，zncl2分解出cl2，k2co3分解出co2，nano3分解出n2、co2和no气体，大量的气泡在上浮过程中捕获铝合金液中的夹杂物，起到高效除渣效果。而k2so4·li2so4共晶体熔解成液态熔盐，对氧化铝等夹杂物具有很好的润湿球化作用，促进夹杂物与铝液的分离，可进一步提高除渣效率，除渣率可达到50％。另外，该精炼剂不含钠盐和六氯乙烷，只含少量氟盐，使用也更加环保。

26、作为优选地，步骤(3)中所述惰性气体是纯度≥99.99％的氩气或者纯度≥99.99％的氮气，惰性气体的流量为0.3-0.6立方米/分钟，通气时间为10-20分钟。

27、炉底透气砖除气是在熔铝炉的底部安装多个带有大量孔洞的透气砖，然后通过透气砖向炉内的铝合金液中通入惰性气体，惰性气体经过多孔透气砖后被分解成细小均匀的小气泡，小气泡在上浮过程中捕获铝合金液中的氢，然后上浮带出铝合金液，起到除氢作用。由于熔铝炉底部均匀安装有多个透气砖，使得气泡在铝合金液分布均匀，惰性气体气泡在上浮时对铝合金液还有搅拌作用，提高了除氢效率，避免了存在死角。通过透气砖炉内精炼除氢，通常可将炉内铝合金液的含氢量降至0.2ml/100gal以下，大幅提高炉内铝合金液的洁净度。

28、作为优选地，步骤(4)中所述晶粒细化剂为al5ti1b合金丝或者al5ti0.2c合金丝，晶粒细化剂对加入量为铝合金液重量的0.1-0.3％。

29、向流槽内铝合金液加入晶粒细化剂是根据流槽内铝合金液的流量采用送丝机将晶粒细化剂缓慢加入到铝合金液，可以最大程度发挥晶粒细化剂的晶粒细化效果，显著细化铝合金铸棒的晶粒组织，改善铝合金铸棒的组织均匀性。通常是晶粒细化剂的加入量越大，晶粒细化效果越好，但过多的加入晶粒细化剂，细化效果并不会成比例增加，反而会增加生产成本。因而，应当根据铝合金的特性和铝材产品的档次合理选择晶粒细化剂的加入量。

30、作为优选地，步骤(5)中所述除气箱内石墨转子的转速为350-380转/分钟，石墨转子上的气体流量为2.5-3.5立方米/小时，气体压力为0.5-0.6mpa。

31、作为优选地，步骤(5)中所述除气箱内通入的气体是纯度≥99.99％的氩气，或者纯度≥99.99％的氮气，或者由纯度≥99.99％的氩气或者纯度≥99.99％的氮气与纯度≥99.99％的氯气组成的混合气体，混合气体中氯气的体积百分比为2-3％。

32、除气箱除氢是通过除气箱内高速旋转的石墨转子将氩气、氮气或者含氯气组成的混合气体破碎成细小的气泡并进入铝合金液中，利用氢在铝合金液与气泡间的分压差，使铝合金液中的氢原子不断扩散到气泡内，然后随气泡上浮逸出铝合金液，起到除氢作用。经过除气箱除氢后，铝合金液的含氢量可降低到0.1ml/100gal以下，从而大幅提高铝合金液的洁净度。

33、步骤(6)中所述深床过滤箱的过滤介质是由不同粒径的氧化铝球或颗粒按一定比例的逐层堆积而成，过滤后铝合金液中5μm以上夹杂物的去除率可达到95％以上。所述管式过滤箱的过滤介质是由粒径2-6mm的氮化硅陶瓷颗粒与粘结剂高温烧结而成的陶瓷管，陶瓷管内部有大量曲折的孔隙，当铝合金液流过陶瓷过滤管时，夹杂物被吸附或阻挡在陶瓷过滤管的表面和孔隙内壁上，达到过滤除渣作用。过滤后铝合金液中5μm以上夹杂物的去除率可达到98％以上。深床过滤和管式过滤都属于高精度过滤，应根据铝材产品的具体要求选择深床过滤还是管式过滤，但无论是深床过滤还是管式过滤，其过滤效果都远远好于泡沫陶瓷板的过滤效果，因而能大幅提高铝合金铸棒的洁净度。

34、作为优选地，步骤(7)中所述铝合金液的温度为690-710℃，半连续铸造的速度为80-140毫米/分钟，冷却水温度≤40℃。

35、所述油气滑半连续铸造是通过铸造结晶器内的石墨环通入油气，在石墨环和铝合金液之间形成一层油气膜，通过降低对铝合金液的激冷，从而大幅减小铸棒表面的偏析层厚度，获得表面光滑的铝合金铸棒。为了获得高质量的铝合金铸棒，为了防止发生铝液泄漏事故，需要严格遵守半连续铸造的操作规程和严格控制半连续铸造的工艺参数。

36、作为优选地，步骤(8)中所述高温均质的加热温度为570-580℃，加热时间为7-8小时。

37、对铝合金铸棒进行高温均质处理，目的是熔解铸棒内部的粗大金属间化合物，消除铸棒内部的宏微观成分偏析和内应力，进一步提高铝合金铸棒的组织成分均匀性，降低铝合金铸棒的变形抗力，既有利提高铝材的挤压速度，又能进一步提高铝型材性能和质量。加热温度低或者加热时间短，会导致均质不充分。而加热温度过高也会导致铝合金铸棒过烧，反而会降低铸棒的挤压性能和铝型材的性能。

38、作为优选地，步骤(9)中所述铝合金铸棒的加热温度为490-500℃，所述挤压的模具加热温度为450-460℃，挤压筒加热温度为390-410℃，挤压比为5-15，挤压速度为2-5mm/s，所述冷却是指吹强风冷却或喷水雾冷却，所述拉伸矫直的变形量为0.5-2％。

39、挤压是铝型材生产中的重要工序，不仅要保证铝型材的形状和尺寸，更重要的是控制铝型材的组织和性能，这需要合理匹配挤压工艺参数，尤其是铝棒的温度、挤压比和挤压速度。铝棒加热温度过高，挤压比过大或者挤压速度过快，会导致铝型材内部出现粗晶，会恶化铝型材力学性能和耐腐蚀性能。而铝棒加热温度过低，或者挤压速度过慢，又会导致闷机或者出口铝型材温度不够。挤出后的铝型材要快速冷却，以获得过饱和的固溶体，增强时效强化效果。

40、作为优选地，步骤(10)中人工时效是将铝型材在170-180℃加热6-7小时。

41、人工时效是进一步提高铝型材强度的重要措施。采用170-180℃加热6-7小时的人工时效，可以最大程度的提高铝型材的强度，并使铝型材具有良好的塑性、焊接性能、耐腐蚀性能和导热性能。

42、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过科学设计铝型材的成分组成和生产工艺，提高铝型材的洁净度，获得晶粒细小均匀的铝型材，提高铝型材的强度、塑性、焊接性能、耐腐蚀性能和导热性能，铝型材的抗拉强度≥340mpa，屈服强度≥300mpa，断后伸长率≥15％，韦氏硬度值≥17，氩弧焊接头强度系数≥60％，铝型材的性能均匀，质量稳定。