一種車身用鋁合金板材的製作方法

2023-05-27 09:56:11 2

專利名稱：一種車身用鋁合金板材的製作方法
技術領域：
本發明屬於鋁合金板材領域，涉及一種具有良好衝壓成形性和烘烤硬化性能的新型汽車車身用鋁合金板材。
背景技術：
由於輕量化在交通運輸工具節能和減排方面的關鍵作用，近年來輕質材料在汽車領域得到了廣泛的應用。與傳統鋼材相比，鋁合金密度低、抗蝕性優良且易於回收，因此鋁合金在汽車上的應用逐年增加。目前，用於衝壓成型的汽車車身鋁合金板材主要是三個牌號的鋁合金AA6016，AA6022和AA6111。這些合金主要是在鋁中加入鎂元素和矽元素形成的。AA6111合金中還加入了銅元素以增大合金的強度。另一個重要的特點是這些合金的鎂元素和矽元素的含量比都小於1，甚至小於0.5。例如國內公開號為CN102031431A的發明專利「汽車覆蓋件用6000系高性能鋁合金板及其製造方法」，授權專利號為ZL200910043311. 5的發明專利「提高6 X X X系鋁合金薄板加工成形性與烘烤硬化性能的熱處理方法」，授權專利號為ZL 200610046027. X的發明專利「改善6111鋁合金汽車板成形性及烘烤硬化性的預熱處理工藝」以及2000年公布的專利號WO 00/70115和2005年公布的專利號WO 2005/071127等與汽車車身板熱處理相關的發明專利中，具體實施的鋁合金中矽元素含量均遠大於鎂元素含量。以上的合金成分設計與鋁合金車身的製造過程有關。一般鋁合金在工廠經鑄造、均勻化、熱軋、退火和冷軋後製備成薄板材，然後經預熱處理(T4P)後打卷運送至汽車廠。這些板材在汽車廠經衝壓成型並噴漆後轉移到烘箱內進行烤漆處理。以上生產過程要求鋁合金薄板材易於衝壓而在烤漆過程中強度得到大幅提升以獲得良好的抗凹陷性能。一般情況下烤漆溫度在160-190度之間且時間在30分鐘以內。因此這就要求選用的鋁合金在烤漆過程中能夠快速強化，而矽含量過剩的6X X X系鋁合金正好具有這一特點。作為一種典型的析出強化鋁合金，矽含量過剩(鎂矽含量比小於I)的6X X X系鋁合金具有更快的析出動力學，能夠在短時間內大量形成單斜結構的GP區和^ 〃前驅相。固溶和淬火處理後再對該類合金進行穩定化處理，室溫放置兩周以上合金的強度略微增加且在烤漆過程仍能快速強化。經不同的熱處理工藝製造的鋁合金板，性能的優劣差別很大。現在汽車行業的發展對車身用鋁合金板材提出了更高的要求，尤其是同新一代鋼材相比鋁合金板材具有較多劣勢。首先客戶對碰撞安全性的重視要求汽車車身具有更高的強度，而目前使用的鋁材在經烤漆處理後強度大多低於250Mpa或更低。其次目前使用的高矽含量6X X X系鋁合金雖然具有較快的析出動力學，但矽含量高也易造成這些合金在使用過程中的熱暴露下(特別是散熱器、水箱和排氣管處)內部的強化相易於粗化而強度降低。另外高矽含量的合金在熱暴露下晶界處還易於析出尺寸較大的矽顆粒，引起耐蝕性能和斷裂韌性的下降，這些因素會造成服役安全和壽命係數降低。綜合以上分析，開發出一種具有同樣快速的烤漆強化性能但烤漆後強度更高，抗凹陷性能更好，且在熱暴露下更穩定的新型鋁合金非常重要。這樣我們不僅可以獲得一種新的鋁合金車身用板材供汽車廠選取，還將增強輕量化鋁合金板材與傳統鋼材的競爭力，促進鋁合金在汽車車身上的廣泛應用。而且用此新材料製造的汽車在環境溫度較高的地區(如中東)更顯優勢。

發明內容
針對上述問題，本發明提供一種車身用鋁合金板材，使用該類鋁合金製備的板材在烤漆後具有更高的強度且熱暴露下性能穩定，同 時在烤漆前仍然具有較好的加工成形性倉泛。為實現上述發明的目的，本發明採用以下技術方案一種車身用鋁合金板材，所述鋁合金的成分及其質量百分比含量為SiO. 5 0. 8wt. %，MgO. 6 I. 2wt. %，CuO. 6 I. Iwt. %，MnO. 15 0. 3wt. %，其餘為 Al 和微量雜質，所述微量雜質的組成為Fe<0. 3wt. %，Zn〈0. 2wt. %，Ti〈0. lwt. %，Cr〈0. 2wt. % ;且 Mg 和 Si 的質量比在廣2之間；將上述鋁合金固溶淬火處理後在20分鐘內進行熱處理，熱處理溫度為IOO0C 150°C，熱處理時間10分鐘 2小時。所述招合金中Mg、Si和Cu的質量總百分含量優選低於2. 5wt. %。所述鋁合金中Si和Cu相對於Mg的質量比[(Si+0. 5 X Cu) /Mg]優選大於0. 8。所述熱處理溫度優選為120°C ^150°C，熱處理時間優選為5分鐘 30分鐘。下面對本發明做進一步解釋和說明上述固溶淬火處理的技術方案是指合金加熱到560°C恆溫保持10min-60min,優選30min，使過剩相充分溶解到固溶體中後轉移到水中快速冷卻，以得到過飽和固溶體。(固溶淬火處理工藝是很普通的現有技術，6xxx系鋁合金都一樣)。鎂、矽和銅三種元素是汽車車身板用6X X X系鋁合金添加的主要合金元素，該類合金的時效硬化特性就與這些元素在熱處理過程中的偏聚和析出有關。對於不含銅的合金，鎂/矽含量比高的合金不具有快速時效硬化特性，因此不能作為烤漆強化用汽車車身鋁板材料。添加銅元素烤漆後強度增大，但銅和矽元素一樣在熱處理過程中易於在晶界偏聚，引起衝壓成形性和抗腐蝕能力下降。發明人系統研究了銅元素對鎂和矽元素在時效過程中析出的影響，設計了以上合金成分。在以上合金成分範圍內，添加的合金元素主要在晶內析出，晶界偏聚傾向顯著降低。另外上述合金在汽車車身板材使用過程中長期熱暴露下會形成大量板條狀Q"相，該相粗化速度較慢，使合金在服役過程中軟化速度降低，壽命增長。更重要的是上述合金經過一定的穩定化處理，在室溫放置兩個月以上仍然具有明顯的烤漆強化效應。目前，汽車車身板用鋁合金的穩定化處理主要分為兩類一類是在淬火後立即進行低溫長時間處理(溫度60-80°C時間5-20小時)，稱為預時效處理或T4P ;另一類是在淬火後不立即進行處理，而是在室溫自然時效一定時間後再進行較高溫度的短時間處理(自然停留時間從幾分鐘至兩周然後再在180-300°C處理I分鐘到20分鐘)，稱為回歸處理或T4R。T4P處理關鍵是獲得尺寸非常小且在室溫下穩定的GP區形核點，這些形核點能在烤漆過程中快速生長。T4R是使自然時效過程中淬火空位與溶質原子形成的團簇在高溫短時間處理後重新溶解進入鋁基體，此時的組織相對於淬火後的過飽和固溶體空位濃度降低，因此更加穩定。這兩種方法各有利弊，發明者系統研究了發明的鋁合金板材中析出相在各個溫度的穩定性及快速生長效應，提出了適合上述汽車車身用鋁合金板材的熱處理方法(本發明的熱處理方法)。可以提高上述汽車車身用鋁合金加工成形性和烘烤硬化特性及烘烤硬化特性的保持時間。與現有技術相比，本發明的優勢在於I、通過優化合金成分配比，本發明可以有效地控制合金元素在晶界的偏聚，同時在服役高溫環境下能夠析出不易於粗化的強化相，這樣既提高了鋁合金的加工成形性和烤漆後的強度，又保證了其使用過程中性能的穩定和耐蝕性。2、本發明所述的熱處理方法可以在現有的汽車車身板材預時效裝備中進行，不需增加新的熱處理裝備；不同熱處理之間可停留時間長，符合工廠實際情況便於實際操作，且有較寬溫度窗口，易於保證產品質量穩定，可以節省能源和設備投資。3、本發明提供的車身用鋁合金板材，加工成形性和烘烤硬化特性優良，而且烤漆後該板材強度較高，熱暴露穩定性和耐腐蝕性優異。本發明可以改善汽車廠車身衝壓時的 開裂傾向，使加工精度和表面質量提高。更為關鍵的是本發明提供的鋁合金板材的烘烤硬化性能保持時間可到數月之久，而且烤漆後合金板材在熱暴露下強度保持時間較長，服役安全和壽命提高。4、本發明提供的鋁合金板材可以增強鋁合金板材相對於鋼材的綜合競爭力，促進鋁合金板材替代鋼板減輕車體重量，利於節約能源和降低汙染。由於本發明採用鎂矽質量比大於等於I的合金，與現有的鎂矽質量比小於I的合金板材比較，綜合性能更優，使產品特色更加鮮明，有利於開拓產品市場。


圖I是實施例2樣品在2周時模擬烤漆前後的應力應變曲線；圖2是實施例2樣品在I周時模擬烤漆前後的應力應變曲線；圖3是實施例6樣品在2周時模擬烤漆前後的應力應變曲線；圖4是實施例6樣品在I個月時模擬烤漆前後的應力應變曲線；圖5是對比實施例2樣品在2周時模擬烤漆前後的應力應變曲線；圖6是對比實施例2樣品在I個月時模擬烤漆前後的應力應變曲線。
具體實施例方式以下結合實施案例對本發明方法進一步闡釋並進行數據說明，但本發明不局限於這些實施例。本發明所述室溫一般為0°c -30°c之間均可。實施例所用樣品分為A和B，A的化學成分(鎂矽質量比為I)為Mg 0. 75wt. %，Si0. 75wt. %，Cu 0. 8wt. %，Mn 0. 15wt. %，Cr 0. 15wt. %，Ti 0. 12wt. %，FeO. 20wt. %，其餘為鋁；B的化學成分(鎂矽質量比為 2)為:Mgl. Owt. %，SiO. 5wt. %，CuO. 8wt. %，MnO. 15wt. %，CrO. 15wt. %，TiO. 12wt. %，Fe0. 20wt. %，其餘為鋁。對比實施例C的化學成分(鎂矽質量比為0. 5，傳統車身板用鋁合金)為Mg0. 5wt. %，Sil. Owt. %，CuO. 8wt. %，MnO. 15wt. %，CrO. 15wt. %，TiO. I2wt. %，Fe0. 20wt. %，其餘為鋁。合金硬度測試在HXD-1000T型Vickers硬度試驗機上進行，實驗載荷為4. 9N，持續時間為10s。拉伸試驗採用標準為GB228-87。杯突值測定在濟南華興公司生產的GBW-60Z型杯突機上進行，採用GB/T4156-2007標準，用於評價衝壓性能。模擬烤漆前沒有模擬加工應變(實際上如果加上加工應變，烤漆後強度通常會高8-10HV(約30Mpa)。基於以上考慮設計了以下實施例對比實施例IC鋁合金鑄錠在循環空氣電阻爐中550°C X 24h均勻化處理後，切頭銑面，經熱軋、間歇性退火併最後冷軋成Imm厚的薄板。薄板在空氣循環電阻爐中進行560°C X30min固溶處理水淬後，立即在油浴爐中進行120°C X0. 5h處理，得鋁合金板材；再在室溫下分別停放I天、2周、I個月和2個月後進行硬度測試和拉伸試驗。模擬烤漆在油浴爐中進行，制度為180°C X30min，烤漆後進行硬度測試和拉伸試驗。對比實施例2
C鋁合金鑄錠在循環空氣電阻爐中550°C X 24h均勻化處理後，切頭銑面，經熱軋、間歇性退火併最後冷軋成Imm厚的薄板。薄板在空氣循環電阻爐中進行560°C X30min固溶處理水淬後，立即在油浴爐中進行150°C X IOmin處理，得鋁合金板材；再在室溫下分別停放I天、2周、I個月和2個月後進行硬度測試和拉伸試驗。模擬烤漆在油浴爐中進行，制度為180°C X 30min，烤漆後進行硬度測試和拉伸試驗。實施例IA鋁合金鑄錠在循環空氣電阻爐中550°C X 24h均勻化處理後，切頭銑面，經熱軋、間歇性退火併最後冷軋成Imm厚的薄板。薄板在空氣循環電阻爐中進行560°C X30min固溶處理水淬後，立即在油浴爐中進行120°C X0. 5h處理，得鋁合金板材；再在室溫下分別停放I天、2周、I個月和2個月後進行硬度測試和拉伸試驗。模擬烤漆在油浴爐中進行，制度為180°C X30min，烤漆後進行硬度測試和拉伸試驗。實施例2A鋁合金鑄錠在循環空氣電阻爐中550°C X 24h均勻化處理後，切頭銑面，經熱軋、間歇性退火併最後冷軋成Imm厚的薄板。薄板在空氣循環電阻爐中進行560°C X30min固溶處理水淬後，立即在油浴爐中進行120°C X Ih處理，得鋁合金板材；再在室溫下分別停放I天、2周、I個月和2個月後進行硬度測試和拉伸試驗。模擬烤漆在油浴爐中進行，制度為1800C X30min,烤漆後進行硬度測試和拉伸試驗。實施例3A鋁合金鑄錠在循環空氣電阻爐中550°C X 24h均勻化處理後，切頭銑面，經熱軋、間歇性退火併最後冷軋成Imm厚的薄板。薄板在空氣循環電阻爐中進行560°C X30min固溶處理水淬後，立即在油浴爐中進行150°C X20min處理，得鋁合金板材；再在室溫下分別停放I天、2周、I個月和2個月後進行硬度測試和拉伸試驗。模擬烤漆在油浴爐中進行，制度為180°C X 30min，烤漆後進行硬度測試和拉伸試驗。實施例4A鋁合金鑄錠在循環空氣電阻爐中550°C X 24h均勻化處理後，切頭銑面，經熱軋、間歇性退火併最後冷軋成Imm厚的薄板。薄板在空氣循環電阻爐中進行560°C X30min固溶處理水淬後，立即在油浴爐中進行150°C X30min處理，得鋁合金板材；再在室溫下分別停放I天、2周、I個月和2個月後進行硬度測試和拉伸試驗。模擬烤漆在油浴爐中進行，制度為180°C X 30min，烤漆後進行硬度測試和拉伸試驗。
實施例5B鋁合金鑄錠在循環空氣電阻爐中550°C X 24h均勻化處理後，切頭銑面，經熱軋、間歇性退火併最後冷軋成Imm厚的薄板。薄板在空氣循環電阻爐中進行560°C X30min固溶處理水淬後，立即在油浴爐中進行120°C X0. 5h處理，得鋁合金板材；再在室溫下分別停放I天、2周、I個月和2個月後進行硬度測試和拉伸試驗。模擬烤漆在油浴爐中進行，制度為180°C X30min，烤漆後進行硬度測試和拉伸試驗。實施例6B鋁合金鑄錠在循環空氣電阻爐中550°C X 24h均勻化處理後，切頭銑面，經熱軋、間歇性退火併最後冷軋成Imm厚的薄板。薄板在空氣循環電阻爐中進行560°C X30min固溶處理水淬後，立即在油浴爐中進行120°C X Ih處理，得鋁合金板材；再在室溫下分別停放I天、2周、I個月和2個月後進行硬度測試和拉伸試驗。模擬烤漆在油浴爐中進行，制度為1800C X30min,烤漆後進行硬度測試和拉伸試驗。 實施例7B鋁合金鑄錠在循環空氣電阻爐中550°C X 24h均勻化處理後，切頭銑面，經熱軋、間歇性退火併最後冷軋成Imm厚的薄板。薄板在空氣循環電阻爐中進行560°C X30min固溶處理水淬後，立即在油浴爐中進行150°C X20min處理，得鋁合金板材；再在室溫下分別停放I天、2周、I個月和2個月後進行硬度測試和拉伸試驗。模擬烤漆在油浴爐中進行，制度為180°C X 30min，烤漆後進行硬度測試和拉伸試驗。實施例8B鋁合金鑄錠在循環空氣電阻爐中550°C X 24h均勻化處理後，切頭銑面，經熱軋、間歇性退火併最後冷軋成Imm厚的薄板。薄板在空氣循環電阻爐中進行560°C X30min固溶處理水淬後，立即在油浴爐中進行150°C X30min處理，得鋁合金板材；再在室溫下分別停放I天、2周、I個月和2個月後進行硬度測試和拉伸試驗。模擬烤漆在油浴爐中進行，制度為180°C X30min，烤漆後進行硬度測試和拉伸試驗。實施例9為了測試實施例合金A和B相對比例C合金的熱循環穩定性，我們分別把對比例
I、實施例I和實施例5模擬烤漆後的樣品在溫度是180°C的油浴爐中進行時間為I周、兩周、三周和四周的熱處理，並對這些樣品的顯微硬度進行了測試。表1-3是各個實施例模擬烤漆前後的顯微硬度測試值，以上實施例均重複3次以上，因此顯微硬度值是大量實驗的平均值。表I實施例1-4供貨狀態和模擬烤漆處理後的硬度值
時間 120°C(0.5h) 120°C(lh) 150°C(20min) 150(30min)
供貨 mamm 供貨 mmm供貨狀模擬烤'漆供貨狀mmmm
狀態處理後狀態漆處理態處理後態 處理後
後
權利要求
1.一種車身用鋁合金板材，其特徵是，所述鋁合金的成分及其質量百分比含量為SiO. 5 O. 8wt. %，MgO. 6 I. 2wt. %，CuO. 6 I. Iwt. %，MnO. 15 O. 3wt. %，其餘為 Al 和微量雜質，所述微量雜質的組成為Fe<0. 3wt. %,Zn〈0. 2wt. %,Ti〈0. lwt. %, Cr<0. 2wt. % ;且]\% 和 Si 的質量比在廣2之間； 將上述鋁合金固溶淬火處理後在20分鐘內進行熱處理，熱處理溫度為100°C ^150°C,熱處理時間10分鐘 2小時。
2.根據權利要求I所述一種車身用鋁合金板材，其特徵是，所述鋁合金中Mg、Si和Cu的質量總百分含量低於2. 5wt. %。
3.根據權利要求I所述一種車身用鋁合金板材，其特徵是，所述鋁合金中Si和Cu相對於 Mg 的質量比[(Si+0. 5XCu)/Mg]大於 O. 8。
4.根據權利要求I所述一種車身用鋁合金板材，其特徵是，所述熱處理溫度為120。。 150°C，熱處理時間5分鐘 30分鐘。
全文摘要
本發明屬於鋁合金板材技術領域，具體提供了一種車身用鋁合金板材。所述鋁合金的成分及其質量百分比含量為Si 0.5~0.8wt.%，Mg 0.6~1.2wt.%，Cu 0.6~1.1wt.%，Mn 0.15~0.3wt.%，其餘為Al和微量雜質，所述微量雜質的組成為Fe<0.3wt.%，Zn<0.2wt.%，Ti<0.1wt.%，Cr<0.2wt.%；且Mg和Si的質量比在1~2之間；將上述鋁合金固溶淬火處理後在20分鐘內進行熱處理，熱處理溫度為100℃~150℃，熱處理時間10分鐘~2小時。上述車身用鋁合金板材在烤漆後具有更高的強度且熱暴露下性能穩定，同時在烤漆前仍然具有較好的加工成形性能。
文檔編號C22F1/047GK102732760SQ20121025042
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月19日 優先權日2012年7月19日
發明者伍翠蘭, 馮佳妮, 劉春輝, 陳江華 申請人:湖南大學