一種Si微合金化Al‑Mg‑Cu合金的製作方法

2023-11-03 02:47:42

本發明屬於合金材料技術領域，具體為在5000系合金的基礎上加入少量的Cu及其Si微合金化的製備與熱處理工藝。

技術背景

全世界汽車工業界將能源和環保作為可持續發展的核心,目前新能源技術發展尚未成熟,要使汽車更環保、更省油,汽車輕量化是目前切實可行的重要措施之一。如今汽車輕量化主要有釆用輕質材料、優化汽車結構、進行工藝革新三種措施,而最簡單的方法是採用輕質材料進行汽車減重,目前汽車行業非常注重於開發輕質材料以實現汽車減重這一大難題。汽車車身用鋁合金板材要求好的冷變形性以便能夠被衝壓，除此之外板材在烤漆的過程中在保持強度不下降的同時最好能增加一定的強度。

用在汽車車身板的鋁合金主要有Al-Cu-Mg(2000系)、Al-Mg(5000系)和Al-Mg-Si(6000系)。2000系合金的成形性和耐蝕性較差，5000系因勒德斯線和桔皮效應影響車身外觀，T4態6000系烤漆後出現軟化，這些不利影響嚴重阻礙了上述合金在汽車車身板上的應用。所謂的烤漆處理就是在160-180℃保溫20-30min。有學者發現在Al-Mg合金的基礎上加入少量的Cu能有效提高模擬烤漆前期(在160-180℃進行30min以內的時效)的時效硬化水平，而在Al-Mg-Cu合金的基礎上進行Ag微合金化能非常顯著的提高時效前期的硬化水平，因此Ag微合金化Al-Mg-Cu合金成為人們研究的熱點。

然而由於貴金屬Ag價格昂貴，增加了合金的成本，因此尋找與Ag有相似作用的廉價元素具有非常重要的實用意義。在Al-Mg-Cu合金的基礎上加入少量的Ag能極大的提高模擬烤漆前期的時效硬化水平，Ag能顯著提高時效前期的硬化水平這一作用被稱為快速硬化現象，其成因是Ag在時效前期促使大量的Cu、Mg原子聚集成為Cu/Mg團簇，在時效前期基體中大量密集分布的Cu/Mg團簇起到了快速硬化的作用。本發明旨在用Si代替Ag，並在Al-Mg-Cu合金的基礎上通過Si微合金化研究其對模擬烤漆前期時效硬化的影響。

技術實現要素：

本發明的目的在於通過Si微合金化來提高人工時效前期快速硬化的目的，同時在Al-2wt％Mg-0.8wt％Cu合金的基礎上通過調控Si的含量來選出其中一種Si微合金Al-2wt％Mg-0.8wt％Cu合金，被選出的這種合金與其它合金成分相比能最大的提高人工時效前期快速硬化的能力，尤其15分鐘左右前期的硬化的能力快速提高。

本發明提供的Al-Mg-Cu合金，其特徵在於，鋁基體中加入了Mg、Cu和Si，其中Mg與Cu在Al-Mg-Cu合金中的重量百分含量為:1.8～2.2％的Mg，0.7～0.9％的Cu。其中Si的成分範圍分別為(重量百分比)：0.11～0.51％。進一步優選Al-2％Mg-0.8％Cu-0.5％Si(重量百分比)。

本發明合金的製備方法在，其特徵在於，包括以下步驟：在熔煉溫度為800℃下，把純鋁、純鎂、Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金一起放入石墨坩堝中，然後把裝有配料的坩堝放入高溫電阻爐中進行熔煉，待合金熔化後，六氯乙烷除氣、攪拌，保溫靜置30min以使熔體中各元素分布均勻之後進行鐵模澆鑄；隨後進行熱處理，從而獲得所述的合金材料。

本發明合金熱處理工藝步驟包括如下：

(1)首先在550℃固溶處理1h，隨後水淬至室溫；

(2)然後步驟(1)水淬後的固溶態合金不停留直接進行175℃等溫時效,其時效時間為15min～24h。

本發明採用上述成分配比的Si微合金化Al-Mg-Cu合金，通過在550℃固溶處理1h後直接進行175℃等溫時效的時效硬化曲線的對比可得出以下結論：Al-2wt％Mg-0.8wt％Cu合金與Al-2wt％Mg-0.8wt％Cu-0.15wt％Si在模擬烤漆前期進行對比，可看出加入少量Si的Al-Mg-Cu合金在模擬烤漆前期具有非常顯著的快速硬化現象；不同Si含量的Al-Mg-Cu合金在同一固溶處理溫度下，Si含量越高的合金其前期的快速硬化響應越顯著並且後期的峰值硬度越高。

附圖說明

圖1：550℃固溶後，175℃等溫時效硬度曲線。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步說明，但本發明並不限於以下實施例。

實例1：採用石墨坩堝熔煉和鐵模鑄造製備合金鑄錠，所用原料為高純鋁、純鎂、Al-50wt％Cu和Al-27％Si的中間合金。在熔煉溫度為800℃下，把純鋁，純鎂，Al-Cu中間合金，Al-Si中間合金一起放入石墨坩堝中，然後把裝有配料的坩堝放入高溫電阻爐中進行熔煉，待合金熔化後，六氯乙烷除氣、攪拌，保溫靜置30min以使熔體中各元素分布均勻之後進行鐵模澆鑄。製備了4種成分不同的Al-Mg-Cu及其Si微合金化的合金，如下表1所示。

表1實驗合金成分

實例2：對實例1中的合金在550℃固溶處理1h後，水淬至室溫；在室溫下不長時間停留隨後在175℃分別進行15min，30min，1h，2h，4h，8h，16h和24h的等溫時效。圖1給出了合金在550℃固溶處理1h，隨後進行175℃等溫時效的時效硬度變化曲線。從圖中可以看出A2、A3、A4號合金硬度均在175℃時效15min左右硬度快速上升，而A1號Al-Mg-Cu合金在175℃等溫時效15min到8h的時間範圍內其硬度幾乎沒有變化，這說明Si微合金化Al-Mg-Cu合金的時效強化效果十分顯著。此外，對A1、A2、A3、A4號合金的時效硬化曲線進行對比，可看出A4號合金在時效前期快速硬化現象最為顯著，其在175℃等溫時效15min後達到87HV左右，這是由於在時效前期Si促進了Cu/Mg團簇的大量析出從而起到團簇硬化的作用。

在圖1中也可以看出A1號Al-Mg-Cu合金的硬度隨時間的延長並沒有明顯的增加，而A2、A3、A4號Si微合金化Al-Mg-Cu合金隨時效時間的延長其硬度繼續增加，並且Si含量越高其硬度增加的幅度越大，這說明隨著時效的進行Si不斷促使Cu/Mg團簇的析出，從而使合金得到進一步的強化。