用於製備汽車車身的鋁合金及其製備方法與流程
2024-02-15 14:02:15
本發明涉及鋁合金領域，且特別涉及一種用於製備汽車車身的鋁合金及其製備方法。
背景技術：
：鋁合金是以鋁為基礎的合金總稱，主要合金元素有銅、矽、鎂、鋅或錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻或鋰等。鋁合金的加工性能好，尤其是亞共晶矽鋁合金，不僅加工性能好，而且比重輕，表面美觀且耐腐蝕，鑄造性能好，製品綜合力學性能好，可用於製作多種形態的部件，在許多領域中得到廣泛應用。鋁合金作為汽車零部件的主要材料，在國內外被廣泛應用於製造車門、車窗以及車身結構內不可見部位等。隨著汽車行業的快速發展，行業內對鋁合金的性能要求越來越高。現有的鋁合金製成的汽車車身材料存在撞擊或追尾過程中變形性大的缺點，其維修成本高，且影響用車安全。現有技術中針對上述情況，通常增強鋁合金材料的剛性，但是，現有的剛性強的鋁合金在製備汽車車身材料時，又存在衝壓成品率較低，導致生產成本較高的問題。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種用於製備汽車車身的鋁合金，其具有良好的剛性及加工性能，其加工成品率高，用其加工製得的汽車車身材料耐撞擊能力強。本發明的另一目的在於提供一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，其能夠有效除去原料中的雜質及材料內部的應力，使鋁合金具有良好的硬度、屈服強度及延伸性能。本發明解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。本發明提出一種用於製備汽車車身的鋁合金，其按重量百分比計，包括：矽11.5-12.6％、銅0.01-0.09％、鐵0.15-0.19％、鎂0.2-0.4％、硼0.02-0.05％、鈦0.03-0.08％、鋯0.03-0.08％、釩0.03-0.08％、鋱0.01-0.02％、鑥0.01-0.02％、鈰0.01-0.02％、銪0.01-0.03％，餘量為鋁。本發明提出一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，其包括：按比例稱取原料，將原料於容器中熔化，從容器底部向熔體內通入預熱2-3min後的惰性氣體靜置30-40min使浮渣充分漂浮於表面，撈除浮渣後保溫靜置10-20min，澆鑄成型得鋁合金鑄錠；將鋁合金鑄錠依次進行熱擠壓處理、淬火處理以及時效處理；熱擠壓處理的溫度為360-380℃，速度為0.4-0.8m/min；淬火處理的溫度為500-520℃；時效處理的溫度為150-170℃。本發明實施例的用於製備汽車車身的鋁合金及其製備方法的有益效果是：本發明提供的用於製備船用氣缸活塞的鋁合金加入矽元素及銅元素提高鋁合金的強度，矽與鋁可形成Al-Si共晶液相，其能夠有效地提高鋁合金液的鑄造流動性；銅作為強化相固溶於鋁基體中或以顆粒狀化合物存在，用於顯著提高鋁合金的硬度，使該合金具有較好的剛性，能夠有效減小汽車撞擊產生的形變量。但是，當鋁合金中矽和銅總含量過高時，由於強化相的晶粒較大且分布不均勻，致使鋁合金的拉伸性能顯著下降。本發明在鋁合金中加入微量的鋱、鑥、鈰、銪四種稀土金屬，並通過調節鋱和鑥的共熔體含量與矽與銅的比例，能夠降低α固溶體的表面張力，減小α相的晶粒大小，使α相分布更均勻，從而改善鋁合金的拉伸性能；鑥、鈰以及銪的共熔體有效除去鋁合金中的技術及非金屬雜質，並進一步細化鋁合金的晶相，其能夠進一步地提高鋁合金的綜合力學性能。利用該製備方法製備鋁合金的過程中，通過熱擠壓、淬火以及時效處理，有效地消除了鋁合金的內應力；將惰性氣體通入熔體內用於帶走原料內部的氣體等雜質，從而提高鋁合金的綜合性能；同時該製備方法工序簡單且耗時較少，能夠將製造周期縮短，符合短流程工藝的節能綠色要求。具體實施方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未註明具體條件者，按照常規條件或製造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。下面對本發明實施例的用於製備汽車車身的鋁合金及其製備方法進行具體說明。一種用於製備汽車車身的鋁合金，其按重量百分比計，包括：矽11.5-12.6％、銅0.01-0.09％、鐵0.15-0.19％、鎂0.2-0.4％、硼0.02-0.05％、鈦0.03-0.08％、鋯0.03-0.08％、釩0.03-0.08％、鋱0.01-0.02％、鑥0.01-0.02％、鈰0.01-0.02％、銪0.01-0.03％，餘量為鋁。其中，矽元素和銅元素的主要作用是增加用於製備船用氣缸活塞的鋁合金的剛性，減小汽車撞擊產生的形變量，從而減小維修成本，提高行車的安全性。矽與鋁可形成Al-Si共晶液相，能夠有效地提高鋁合金鑄造流動性。矽含量越高，鋁合金的鑄造流動性越好；同時，矽晶粒的化學穩定性好且具有較高的硬度(HV870-1050)，能夠提高合金的剛性。鋁合金中矽元素含量的增加使鋁合金具有比純鋁更高的耐磨性，能夠減小汽車在刮擦過程中造成的劃痕。將銅加到該Al-Si合金中會形成α固溶體、CuAl2和Si相，α相分別與CuAl2和Si構成兩相共晶體，同時這三個相又可共同構成三相共晶體，能夠對鋁合金進行固溶強化和彌散強化。當銅作為強化相固溶於鋁基體中或以顆粒狀化合物存在時，可顯著提高鋁合金的機械強度。但是，當鋁合金中矽和銅總含量過高時，由於強化相的晶粒較大且分布不均勻，致使該用於製備汽車車身的鋁合金的拉伸性能顯著下降，該鋁合金加工性能降低，加工成平率降低。在此基礎上，本發明提供的用於製備船用氣缸活塞的鋁合金在原料中加入微量的鋱、鑥、鈰、銪四種稀土金屬。一方面，經發明人研究發現，通過調節矽、銅與鋱和鑥的共熔體的比例，將矽：銅：(鋱+鑥)的比例調整至11.5-12.6：0.01-0.09：0.02-0.04，優選為11.8-12.2：0.03-0.07：0.025-0.035的範圍時，能夠顯著降低α相的表面張力，減小α相的晶粒大小，同時使α相分布更均勻，使鋁合金在有較強的剛性的同時能夠具有優良的抗拉伸性能。另一方面，稀土元素的物理化學性質活潑，添加微量的混合稀土元素可與鋁合金液中的氧、氫、氮、碳、磷、硫、鐵、鉛等雜質元素反應生成高熔點的化合物並沉澱，對鋁合金液有淨化作用，可以降低鋁合金液的表面張力，消除金屬和非金屬雜質元素的危害，提高鋁合金液的鑄造流動性、鋁合金的力學性能。且經研究人發現，當鑥、鈰以及銪的共熔體，其除雜效果優良，鋁合金的綜合性能顯著提高。此外，在本發明中，鐵的主要作用是減少鋁合金的粘模，鐵與矽和鋁形成Al-Si-Fe系晶析物，有助於鋁合金的分散強化，能夠改善鋁合金的機械強度和拉伸性能，從而提高鋁基的抗張強度、屈服極限等。鎂的主要作用是細化晶粒，從而提高鋁合金的屈服強度；鎂與矽可形成Mg2Si強化相，其能夠增加鋁合金的剛性。鎂的加入能夠減少鋁合金液的粘模的傾向，使壓鑄件表面光滑，避免鋁合金脫模時出現損傷。鈦和鋁反應形成TiAl3化合物，可細化α-Al晶粒。添加微量的鈦元素，可使α-Al晶粒從粗大的樹枝狀轉變為細小均勻的等軸晶，提高鋁合金液的鑄造流動性，改善鋁合金的組織均勻性，提高鋁合金的剛性和加工性能。在鋁合金中引入少量硼元素也可以起到細化晶粒的作用，能夠降低蠕變速率，並且改善鋁合金的抗疲勞性能。此外，在鋁合金中引入鋯元素和釩元素，鋯和釩在形成穩定的第二相的同時，還能夠細化鋁合金的晶粒，起到強化作用，增強鋁合金的屈服強度和拉伸性能。上述用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，包括：按比例稱取原料，將原料於容器中熔化，從容器底部向熔體內通入預熱2-3min後的惰性氣體靜置30-40min使浮渣充分漂浮於表面，撈除浮渣後保溫靜置10-20min，澆鑄成型得鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠依次進行熱擠壓處理、淬火處理以及時效處理；熱擠壓處理的溫度為360-380℃，速度為0.4-0.8m/min；淬火處理的溫度為500-520℃；時效處理的溫度為150-170℃。更優的，在原料投放時，首先將純鋁錠加入熔煉爐，升溫至約600℃，其後逐漸升溫至約700℃，升溫速率為10-15℃/min，加入含有矽、銅、鐵、鎂、硼、鈦、鋯及釩與鋁的中間合金，待容器內合金全熔後加入混合稀土金屬合金。上述分段式的升溫方式能夠使合金內的各組分充分混勻，有利於提高合金的機械強度。由於稀有金屬的含量較低，為了製備性能更為均勻的合金，應儘量使稀有金屬分散均勻，因此將其餘合金溶解完後再加入混合稀土合金，當稀有金屬瞬間接觸比自身熔點更高的熔體時，自身溫度急劇升高，其迅速熔融並迅速在熔體中分散，並且由於已熔化的元素的流動性，後添加的稀有金屬元素能快速地、均勻地彌散於混合的熔體當中，減少氣泡的生成，過程中，伴隨惰性氣體的鼓泡作用，浮渣和殘渣等雜質被帶離液面並除去，進一步減少後續加工過程中的材料缺陷；同時，稀土金屬和合金內的各組分能充分結合，使其晶粒細化效果好進一步提高合金的綜合性能。將惰性氣體從底部通入熔體內，惰性氣體由於其自身密度小同時反應活性極低的特點，其在上浮過程中會將熔體中的部分雜質、渣等裹挾並帶往液面。採用預熱後的惰性氣體，一方面氣體流動性強，除氣效果好；另一方面，能夠防止氣體和鋁合金液之間的溫度差使晶體局部析出或聚集，從而影響晶粒的均勻性，降低鋁合金的加工性能。熱擠壓處理、淬火處理及時效處理能夠有效降低鋁合金的表面張力，降低鋁合金內部的應力，使該鋁合金的屈服強度增強。淬火處理的溫度為500-520℃，優選地，降溫前進行10-20min的保溫操作，其能夠使第二相充分進行固溶，增強第二相中晶體分布的均勻性，從而提高鋁合金的抗力學腐蝕性能。進一步地，保溫操作後包括第一次降溫操作及第二次降溫操作，第一次降溫操作為將鋁合金鑄錠於2-5min降溫至300-350℃，快速降溫的操作能夠防止降溫過程中不同晶體先後析出造成晶粒分布不均勻甚至結塊的現象；第二次降溫操作的降溫速度為10-15℃/min，固溶相析出後採用慢速降溫，其作用是減少合金內部的應力。該分段降溫操作能夠增強鋁合金的拉伸性能。進一步地，本發明的製備方法中時效處理的時間為2-6小時，優選地為3-6小時，其能夠充分消除合金內的殘餘應力且耗時較短，能縮短製造周期，符合短流程工藝的節能綠色要求。以下結合實施例對本發明的特徵和性能作進一步的詳細描述。實施例1一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，包括：按照表1的組成配製鋁合金原料，將原料在容器中熔化後得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱2min後的惰性氣體並靜置30min使浮渣充分漂浮於鋁合金液表面，撈除浮渣靜置10min後澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在360℃溫度下以0.4m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過後的鋁合金鑄錠加熱至500℃並保溫10min；將保溫後的鋁合金鑄錠於5min之內降溫至300℃，再以10℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過後的鋁合金鑄錠加熱至150℃並保溫6小時。實施例2一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，包括：按照表1的組成配製鋁合金原料，將原料在容器中熔化後得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱2min後的惰性氣體並靜置30min使浮渣充分漂浮於鋁合金液表面，撈除浮渣靜置10min後澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在365℃溫度下以0.5m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過後的鋁合金鑄錠加熱至505℃並保溫10min；將保溫後的鋁合金鑄錠於4min之內降溫至310℃，再以10℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過後的鋁合金鑄錠加熱至155℃並保溫5小時。實施例3一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，包括：按照表1的組成配製鋁合金原料，將原料在容器中熔化後得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min後的惰性氣體並靜置35min使浮渣充分漂浮於鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min後澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在370℃溫度下以0.6m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過後的鋁合金鑄錠加熱至510℃並保溫15min；將保溫後的鋁合金鑄錠於3min之內降溫至330℃，再以12℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過後的鋁合金鑄錠加熱至160℃並保溫4小時。實施例4一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，包括：按照表1的組成配製鋁合金原料，將原料在容器中熔化後得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min後的惰性氣體並靜置35min使浮渣充分漂浮於鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min後澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠375℃溫度下以0.7m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過後的鋁合金鑄錠加熱至515℃並保溫15min；將保溫後的鋁合金鑄錠於3min之內降溫至340℃，再以15℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過後的鋁合金鑄錠加熱至165℃並保溫3小時。實施例5一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，包括：按照表1的組成配製鋁合金原料，將原料在容器中熔化後得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min後的惰性氣體並靜置40min使浮渣充分漂浮於鋁合金液表面，撈除浮渣靜置20min後澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在380℃溫度下以0.8m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過後的鋁合金鑄錠加熱至520℃並保溫20min；將保溫後的鋁合金鑄錠於2min之內降溫至350℃，再以15℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過後的鋁合金鑄錠加熱至170℃並保溫2小時。對比例1一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，包括：按照表1的組成配製鋁合金原料，將原料在容器中熔化後得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min後的惰性氣體並靜置35min使浮渣充分漂浮於鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min後澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在370℃溫度下以0.6m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過後的鋁合金鑄錠加熱至510℃並保溫15min；將保溫後的鋁合金鑄錠於3min之內降溫至330℃，再以12℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過後的鋁合金鑄錠加熱至160℃並保溫4小時。對比例2一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，包括：按照表1的組成配製鋁合金原料，將原料在容器中熔化後得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min後的惰性氣體並靜置35min使浮渣充分漂浮於鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min後澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在370℃溫度下以0.6m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過後的鋁合金鑄錠加熱至510℃並保溫15min；將保溫後的鋁合金鑄錠於3min之內降溫至330℃，再以12℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過後的鋁合金鑄錠加熱至160℃並保溫4小時。對比例3一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，包括：按照表1的組成配製鋁合金原料，將原料在容器中熔化後得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min後的惰性氣體並靜置35min使浮渣充分漂浮於鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min後澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在370℃溫度下以0.6m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過後的鋁合金鑄錠加熱至510℃並保溫15min；將保溫後的鋁合金鑄錠於3min之內降溫至330℃，再以12℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過後的鋁合金鑄錠加熱至160℃並保溫4小時。對比例4一種用於製備汽車車身的鋁合金的製備方法，包括：按照表1的組成配製鋁合金原料，將原料在容器中熔化後得熔體。將熔體靜置35min使浮渣充分漂浮於鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min後澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在370℃溫度下以0.6m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過後的鋁合金鑄錠加熱至510℃後與5-10min之內降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過後的鋁合金鑄錠加熱至160℃並保溫4小時。表1**：以鋁合金的總量為基準，按重量百分比計，餘量為鋁。對實施例1-5以及對比例1-4的鋁合金進行剛性測試。採用維式硬度計將直徑為12.7mm且厚度為3mm的鋁合金圓片在壓入力為3kg且保壓時間為15s的條件下進行至少3次測試，取得到的數據的平均值為作為該鋁合金的硬度，其結果如表2所示。根據ISO6892-1中規定的測試方法，採用萬能力學試驗機對實施例1-5以及對比例1-4製得的鋁合金進行拉伸試驗，得到HB後屈服強度和HB前伸長率，用以反應鋁合金材料的加工性能。其中，HB後屈服強度為產生0.2％殘餘變形的屈服極限，HB前伸長率為斷裂延伸率，其結果如表2所示。表2性能測試表編號硬度(HV)HB後屈服強度(MPa)HB前伸長率(％)實施例115220030實施例216220528實施例316521232實施例415921029實施例515320831對比例113316018對比例213616520對比例313516219對比例412217824請參閱表2，將實施例1-5進行對比可知，在一定程度上，隨著矽和銅總含量的增加，鋁合金的硬度增大，耐摩擦性能和剛性增強。將實施例3與對比例1-3進行對比可以看出，當鋁合金中不含鐠、鈧、鈥以及釔四種稀土金屬或只含其中一部分時，鋁合金的HB後屈服強度和HB前延長率顯著下降，其導致鋁合金的加工性能顯著下降。此外，將實施3與對比例3進行對比還可以看出，惰性氣體的通入以及採用的兩次降溫操作使製得的鋁合金的剛性及加工性能都能得到顯著的提高。綜上所述，本發明實施例的用於製備汽車車身的鋁合金，通過增大矽和銅的總含量提高鋁合金的耐摩擦性能和剛性，使用該鋁合金製備的汽車車身耐撞擊能力和耐刮擦性能顯著增強，能夠節省維修成本，提高行車安全性。通過加入鋱、鑥、鈰以及銪四種特定的稀土金屬，對第二相中晶體結構進行組織細，增強了鋁合金材料的機械強度和加工性能；同時利用稀土金屬除去合金原料中的雜質，減小鋁合金的表面張力，能夠進一步地增強鋁合金的拉伸性能，提高鋁合金車身的衝壓成品率。以上所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。當前第1頁1 2 3