CN103131905A - 汽车车身用铝合金及其热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供汽车车身用铝合金及其热处理方法，其成分：Si1.25～2.0wt％；Mg0.40～0.70wt％；Cu0.05～0.15wt％；Mn0.05～0.25wt％；Cr≤0.10wt％；Ti≤0.15wt％；Fe0.05～0.15wt％，余量为Al。铝合金铸锭进行均匀化退火热处理后，再经过热轧、中间退火、冷轧加工成板材；将铝合金板材在540~565℃进行固溶处理后快速淬火至低于100℃，然后于30分钟内进行预时效处理，预时效处理工艺为：于180~220℃预时效1~10s，或者于60~100℃预时效0.2~12h。铝合金经过预时效处理后室温放置过程中性能稳定，烤漆前具有较好成形性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种6xxx系铝合金，尤其涉及一种用于汽车车身板的铝合金材料，属于铝合金技术领域。
背景技术
汽车轻量化是汽车的发展方向之一，而汽车的铝合金化则是轻量化的重要手段。近年来，汽车车身铝合金板的开发一直是国内外研究的重点，其主要集中在2xxx系、5xxx系和6xxx系三大系列。6xxx系铝合金相对于5xxx系铝合金，具有更高的烘烤硬化性能及抗冲击性能；低Cu的6xxx系铝合金通常比高Cu的2xxx系铝合金，具有更好的耐蚀性能。因此目前铝合金车身板的发展趋势是开发6xxx系车身板用铝合金。
目前，AA6022、AA6111、AA6016合金作为汽车车身板材料已经在欧美生产的汽车中得到应用。其中，AA6111合金烘烤硬化性较好，但其冲压前的屈服强度较高（通常超过150 MPa甚至更高），造成该材料成形性能下降、翻边延性较差，难以全部满足汽车车身板的成形性要求。同时该合金中的Cu含量较高，降低了材料的耐蚀性能。AA6016、AA6022合金为低Cu合金，具有较好的成形性能，但其烘烤硬化性相对AA6111合金的低。目前已经得到应用的汽车车身用6xxx系合金主要为过剩Si型合金。过剩Si的添加一方面能提高材料的成形性能，同时也可以提高合金的烘烤硬化效应。
因此，有必要开发一种新型的高过剩Si型汽车车身板用6xxx系铝合金及其热处理工艺，使得合金板材在汽车材料生产厂制备完毕后，具有良好的成形性能并稳定至材料冲压之前；且具有较强的烤漆硬化能力。
发明内容
本发明的目的是克服现有汽车车身用铝合金性能的不足，提供一种具有较高烘烤硬化性能且成形性能较好的汽车车身板用铝合金及其热处理工艺，通过合理优化合金中各元素的含量及预时效工艺，使得材料具有较好的综合性能。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
汽车车身用铝合金，其特征在于其成分的质量百分含量为：
Si 1.25～2.0 wt％；
Mg 0.40～0.70 wt％；
Cu 0.05～0.15 wt％；
Mn 0.05～0.25 wt％；
Cr ≤0.10 wt％；
Ti ≤0.15 wt％；
Fe 0.05～0.15 wt％；
余量为Al。
进一步地，上述的汽车车身用铝合金，成分中所述
Si 1.40～2.0 wt％；
Mg 0.40～0.60 wt％；
Mn 0.10~0.20 wt%。
本发明汽车车身用铝合金的热处理方法，铝合金铸锭进行均匀化退火热处理后，再经过热轧、中间退火、冷轧加工成板材；将铝合金板材在540~565℃进行固溶处理后快速淬火至低于100℃，然后于30分钟内进行预时效处理，预时效处理工艺为：于180~220℃预时效1~10s，或者于60~100℃预时效0.2~12h。
再进一步的，上述的汽车车身用铝合金的热处理方法， 180~220℃预时效1~10s后再于24h之内进行60～100℃时效处理0.2~12h。
再进一步的，上述的汽车车身用铝合金的热处理方法，热处理后的合金具有平均尺寸为20~30μm的等轴晶。
再进一步的，上述的汽车车身用铝合金的热处理方法，铝合金冲压前总延伸率高于28%，加工硬化率高于0.26，平面应变下的变形极限FLD0高于0.24；烤漆后材料的屈服强度高于200 MPa。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本发明通过控制主要合金元素Mg、Si、Cu的含量，使得材料具有较高的强度水平和成形性能，调整微量元素Mn、Fe的含量，进一步使得材料的成形性能得到优化；同时结合预时效工艺的实施，使得材料兼顾较高的烤漆强度和成形性能。
具体实施方式
针对现有商业用汽车车身用6xxx系铝合金强度较低的现状，通过合理调整各合金元素的含量，以达到提高烘烤硬化性，并保证材料成形性能的目的。
本发明汽车车身用铝合金，成分为：Si 1.25～2.0 wt％；Mg 0.40～0.70 wt％；Cu 0.05～0.15 wt％；Mn 0.05～0.25 wt％；Cr ≤0.10 wt％；Ti ≤0.15 wt％；Fe 0.05～0.15 wt％；余量为Al。其中，优选：Si 1.40～2.0 wt％；Mg 0.40～0.60 wt％；Mn 0.10~0.20 wt%。
汽车车身用铝合金的热处理方法，铝合金铸锭进行均匀化退火热处理后，再经过热轧、中间退火、冷轧加工成板材；将铝合金板材在540~565℃进行固溶处理后快速淬火至低于100℃，然后于30分钟内进行预时效处理，预时效处理工艺为：于180~220℃预时效1~10s，或者于60~100℃预时效0.2~12h。180~220℃预时效1~10s后再于24h之内进行60～100℃时效处理0.2~12h。板材在T4P状态下晶粒全部为等轴晶，晶粒尺寸不超过40μm，平均尺寸在20~30μm。材料模拟烤漆（2%预拉伸后，再进行175℃×30min时效处理）前的总延伸率不低于28%，平面应变下的变形极限（FLD0）大于0.24；而烤漆后屈服强度不低于180 MPa。该材料不仅具有较高的烤漆性能，而且成形性能较佳，满足汽车车身板的生产和使用需要。
Mg、Si元素是6xxx系铝合金中的主要合金元素，其含量及比例不仅决定了材料的强度水平（烤漆性能），也决定了材料的成形性能。增加Mg的含量能够增加固溶强化以及时效强化效果，从而提高材料的强度水平。但与此同时可能造成材料应变敏感系数的下降以及应变集中，从而降低材料的成形性能；增加Si的含量不仅有利于提高材料的强度水平，同时由于高Si所带来的晶粒细化、微观组织的细化，使得变形过程中，应变更加均匀，成形性能更好。但Si的含量不宜过高，过高则造成材料中存在大量的难溶的过剩Si颗粒，使得材料的成形性能下降。
Cu是6xxx系合金中仅次于Mg、Si元素的主要添加元素。Cu在合金中主要起降低自然时效的不利影响，提高材料烘烤硬化性能的目的。同时Cu元素也被认为能够提高材料的塑性及成形性能。但添加较多的Cu元素，会降低材料的耐蚀性能，也可能造成材料冲压前强度过高，不利于冲压，同时也将提高材料的成本。本发明限制Cu的含量在0.05~0.15 wt％，利用Cu提高材料烘烤硬化性的优势，同时避免降低材料的耐蚀性能。
Mn、Fe元素为主要微量添加元素，目的为控制材料的晶粒尺寸，且避免变形过程中应力集中的形成。Mn的含量为0.05~0.15wt％，Fe 为0.05~0.15 wt％。Mn、Fe含量过低，达不到控制晶粒尺寸的目的，且使得组织中的弥散相分布不均匀，容易使材料在变形过程中发生应变集中；Mn、Fe元素过高则形成大量的粗大化合物，从而降低材料的弯曲性能。
同时Cr 应保证小于等于0.1 wt％；Ti小于等于0.15 wt％，则可进一步保证材料的成形性能。
在获得以上叙述成分的合金后，还需要对合金施加合适的预热处理工艺，以发挥材料合金成分的优势。通常6xxx系铝合金固溶淬火后，在室温放置过程中，将由于组织中原子团簇的形成，造成强度的升高和烤漆硬化能力的下降。若在合金淬火后的30min之内，对合金施以（180~200℃）×（1~10s）的预时效，则能够在此后的24小时内稳定材料的性能；若对材料施以（60~100℃）×（0.2~12h）的预热处理，则能使得材料的性能在更长时间内（如1个月）保持稳定。前者适合于在线预热处理，而后者适合于批处理。根据材料生产厂的生产条件，两种预热处理工艺可以结合起来，稳定材料的性能。
本发明将主合金元素Mg、Si、Cu以及Fe、Mn等微量元素含量合理调整，并对合金施以预时效处理，使得材料性能稳定，并兼顾较高的成形性能和烤漆硬化能力。本发明的实际应用及其优点将由以下例子体现。
实施例1
铝合金成分以质量百分比计为：Si 2.0 wt％，Mg 0.40 wt％，Mn 0.20 wt％，Fe 0.15 wt％，Cu 0.10 wt％，Ti 0.15 wt％，Cr 0.10 wt％，余量为Al。铝合金铸锭经均匀化处理后，热轧并冷轧至1mm的薄板；薄板经过固溶处理后水淬，再进行预时效处理：100℃×10min。自然时效两周后模拟烤漆处理（2%拉伸+175℃×30min）。
实施例2
铝合金成分以质量百分比计为：Si 1.60 wt％，Mg 0.70 wt％，Mn 0.25 wt％，Fe 0.10 wt％，Cu 0.15 wt％，Ti 0.15 wt％，Cr 0.10 wt％，余量为Al。铝合金铸锭经均匀化处理后，热轧并冷轧至1mm的薄板；薄板经过固溶处理后水淬，再进行预时效处理：200℃×5s。自然时效两周后模拟烤漆处理（2%拉伸+175℃×30min）。
实施例3
铝合金成分以质量百分比计为：Si 1.75 wt％，Mg 0.55 wt％，Mn 0.05 wt％，Fe 0.15 wt％，Cu 0.05 wt％，Ti 0.12 wt％，Cr 0.08 wt％，余量为Al。铝合金铸锭经均匀化处理后，热轧并冷轧至1mm的薄板；薄板经过固溶处理后水淬，再进行预时效处理：150℃×10min。自然时效两周后模拟烤漆处理（2%拉伸+175℃×30min）。
实施例4
铝合金成分以质量百分比计为：Si 1.80 wt％，Mg 0.60 wt％，Mn 0.10 wt％，Fe 0.10 wt％，Cu 0.08 wt％，Ti 0.15 wt％，Cr 0.10 wt％，余量为Al。铝合金铸锭经均匀化处理后，热轧并冷轧至1mm的薄板；薄板经过固溶处理后水淬，再进行预时效处理：175℃×5min。自然时效两周后模拟烤漆处理（2%拉伸+175℃×30min）。
实施例5
铝合金成分以质量百分比计为：Si 1.42 wt％，Mg 0.53 wt％，Mn 0.15 wt％，Fe 0.10 wt％，Cu 0.08 wt％，Ti 0.15 wt％，Cr 0.10 wt％，余量为Al。铝合金铸锭经均匀化处理后，热轧并冷轧至1mm的薄板；薄板经过固溶处理后水淬，再进行预时效处理：180℃×2s后，再于24h内进行80℃×8h时效处理。自然时效两周后模拟烤漆处理（2%拉伸+175℃×30min）。
比较例1
铝合金成分以质量百分比计为：Si 1.80 wt％，Mg 1.0 wt％，Mn 0.05 wt％，Fe 0.10 wt％，Cu 0.05 wt％，Ti 0.15 wt％，Cr 0.10 wt％，余量为Al。铝合金铸锭经均匀化处理后，热轧并冷轧至1mm的薄板；薄板经过固溶处理后水淬，再进行预时效处理：175℃×5min。自然时效两周后模拟烤漆处理（2%拉伸+175℃×30min）。
比较例2
铝合金成分以质量百分比计为：Si 0.8 wt％，Mg 1.0 wt％，Mn 0.01 wt％，Fe 0.15 wt％，Cu 0.08 wt％，Ti 0.15 wt％，Cr 0.10 wt％，余量为Al。铝合金铸锭经均匀化处理后，热轧并冷轧至1mm的薄板；薄板经过固溶处理后水淬，再进行预时效处理：175℃×5min。自然时效两周后模拟烤漆处理（2%拉伸+175℃×30min）。
实施例1~5所示的薄板模拟烤漆前后性能指标及比较例1~2的性能对比，详细见表1。
表1
综上所述，本发明通过控制主要合金元素Mg、Si、Cu的含量，使得材料具有较高的强度水平和成形性能，调整微量元素Mn、Fe的含量，进一步使得材料的成形性能得到优化；同时结合预时效工艺的实施，使得材料兼顾较高的烤漆强度和成形性能。多种技术措施确保材料具有较好的综合性能，是制造汽车车身的理想材料，市场应用前景广阔。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (6)
1.汽车车身用铝合金，其特征在于其成分的质量百分含量为：
Si 1.25～2.0 wt％；
Mg 0.40～0.70 wt％；
Cu 0.05～0.15 wt％；
Mn 0.05～0.25 wt％；
Cr ≤0.10 wt％；
Ti ≤0.15 wt％；
Fe 0.05～0.15 wt％；
余量为Al。
2.根据权利要求1所述的汽车车身用铝合金，其特征在于：成分中所述
Si 1.40～2.0 wt％；
Mg 0.40～0.60 wt％；
Mn 0.10~0.20 wt%。
3.权利要求1所述的汽车车身用铝合金的热处理方法，其特征在于：铝合金铸锭进行均匀化退火热处理后，再经过热轧、中间退火、冷轧加工成板材；将铝合金板材在540~565℃进行固溶处理后快速淬火至低于100℃，然后于30分钟内进行预时效处理，预时效处理工艺为：于180~220℃预时效1~10s，或者于60~100℃预时效0.2~12h。
4.根据权利要求3所述的汽车车身用铝合金的热处理方法，其特征在于：180~220℃预时效1~10s后再于24h之内进行60～100℃时效处理0.2~12h。
5.根据权利要求3或4所述的汽车车身用铝合金的热处理方法，其特征在于：热处理后的合金具有平均尺寸为20~30μm的等轴晶。
6.根据权利要求3所述的汽车车身用铝合金的热处理方法，其特征在于：铝合金冲压前总延伸率高于28%，加工硬化率高于0.26，平面应变下的变形极限FLD0高于0.24；烤漆后材料的屈服强度高于200 MPa。
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