快速時(shí)效響應(yīng)型Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種具有快速時(shí)效響應(yīng)的新型Al-Mg-Si-Cu-Zn系列合金及其制備方法，該合金充分利用Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg-Cu系合金的主要強(qiáng)化相Mg2Si、MgZn2及其過(guò)渡相協(xié)同析出和協(xié)同強(qiáng)化作用，使該新型Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金在時(shí)效過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的快速時(shí)效響應(yīng)特性。由于Mg、Si、Cu和Zn元素的同時(shí)添加，特別是元素Zn的添加，使得常規(guī)Al-Mg-Si-Cu系合金自然時(shí)效惡化效應(yīng)得到一定抑制，經(jīng)一定溫度預(yù)時(shí)效處理后發(fā)明合金強(qiáng)度較低且室溫穩(wěn)定性較好，有利于合金板材的后續(xù)沖壓成形；預(yù)時(shí)效態(tài)合金再經(jīng)高溫時(shí)效處理后強(qiáng)度可以得到大幅度提高，經(jīng)185℃20min短時(shí)人工時(shí)效最高強(qiáng)度增量將近150MPa，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的AA6016和AA6111合金的。此快速時(shí)效響應(yīng)特性不僅適應(yīng)用于汽車外板的制備還適應(yīng)用于對(duì)合金板材時(shí)效析出速度有特定要求的相關(guān)領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】快速時(shí)效響應(yīng)型Al-Mg-S1-Cu-Zn系合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋁合金【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種可工業(yè)化應(yīng)用的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系合金及其制備方法，特別針對(duì)汽車領(lǐng)域急需的具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的鋁合金而開(kāi)發(fā)，可以保證汽車輕量化車身外板用鋁合金對(duì)高成形性能和高烤漆硬化性能的雙重要求。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)隨著汽車輕量化進(jìn)程的不斷加快，汽車用鋁合金板材的開(kāi)發(fā)和相關(guān)研究也取得較大進(jìn)展，特別由于鋁合金兼具有低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕以及高的成形性能等優(yōu)點(diǎn)，其在汽車輕量化過(guò)程中的應(yīng)用也得到快速增加。典型的汽車車身板用鋁合金有2xxx、5xxx和6xxx系合金，其中6xxx系合金常見(jiàn)的有AA6009、AA6010、AA6016、AA6111和AA6022等。
[0003]雖然可熱處理Al-Mg-Si系合金綜合性能較好，但是研究和應(yīng)用過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)，該系合金如果直接經(jīng)500~570°C固溶淬火處理后進(jìn)行沖壓成形，其成形性能較好。但是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中大部分均需要將板材運(yùn)送到汽車生產(chǎn)廠家進(jìn)行后續(xù)的沖壓成形，這期間合金板材在自然放置過(guò)程中會(huì) 發(fā)生一定程度的強(qiáng)度上升，進(jìn)而會(huì)降低合金板材的成形性能以及后續(xù)的烤漆硬化性能，此現(xiàn)象即所謂的自然時(shí)效惡化效應(yīng)。因此，目前汽車用6XXX系鋁合金制備過(guò)程中普遍采用的制備工藝如下:合金熔煉鑄造一均勻化一熱軋一冷軋一固溶一預(yù)時(shí)效(T4P處理)一沖壓成形一刷漆一170-185°C的烤漆處理等工序。由于汽車板材制備的特殊性，這就必然期望合金在成形之前的T4P態(tài)具有較低的強(qiáng)度，而在烤漆過(guò)程中合金強(qiáng)度能夠得到大幅度提升(即T8X態(tài))，這樣可以保證合金板材具有較好的抗凹陷能力等，因此合金成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝開(kāi)發(fā)是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵途徑。
[0004]在過(guò)去這些年針對(duì)如何提高合金烤漆硬化性能，無(wú)論從新合金設(shè)計(jì)，如優(yōu)化Mg/S1、Cu含量，還是預(yù)時(shí)效工藝優(yōu)化等方面已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，如專利US6267922B1，US6117252，EP1967599A1以及CN818123A等專利，但是合金烤漆硬化增量仍然不夠理想，即使商用AA6016和AA6111合金的烤漆硬化增量也僅為80MPa左右。因此，大幅度提高合金時(shí)效響應(yīng)速度不僅對(duì)于汽車用鋁合金烤漆硬化性能的進(jìn)一步提高以及汽車輕量化進(jìn)程的加快具有重要意義，而且對(duì)于新型鋁合金的開(kāi)發(fā)也具有重要指導(dǎo)意義。
[0005]考慮到降低溶質(zhì)元素Mg、S1、Cu以及Fe含量等可以降低T4態(tài)合金強(qiáng)度進(jìn)而提高合金的成形性能，但是Mg、Si和Cu元素的降低同時(shí)也會(huì)降低合金的烤漆硬化能力。此外，考慮到MgZn2強(qiáng)化相可以大幅度提高Al-Zn-Mg-Cu系合金的強(qiáng)度，因此如果能夠同時(shí)利用Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg-Cu系合金的兩種主要強(qiáng)化相Mg2Si和MgZn2或者其過(guò)渡相作為新型Al-Mg-Si系合金的強(qiáng)化相，實(shí)現(xiàn)多相協(xié)同析出進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多相協(xié)同強(qiáng)化的目的，所開(kāi)發(fā)的合金一定會(huì)表現(xiàn)出非常優(yōu)異的快速時(shí)效響應(yīng)特性。本發(fā)明就是根據(jù)這一設(shè)計(jì)思想而進(jìn)行新合金成分設(shè)計(jì)和工藝開(kāi)發(fā)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)常規(guī)Al-Mg-Si系合金時(shí)效響應(yīng)速度和時(shí)效硬化性能不夠理想的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系合金，充分利用Mg2Si和MgZn2多相協(xié)同析出和協(xié)同強(qiáng)化從而使合金綜合性能得到大幅度提高。該發(fā)明合金特別適合應(yīng)用于汽車車身外板用鋁合金的制造，使車身外板沖壓成形后具有優(yōu)異的烤漆硬化性能。
[0007]本發(fā)明通過(guò)成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化首先對(duì)具有多相組織的Al-Mg-S1-Cu-Zn系合金的成分范圍進(jìn)行選擇，然后通過(guò)熔煉鑄造等工序制備所設(shè)計(jì)合金并對(duì)其時(shí)效析出行為進(jìn)行研究，最終確定具有快速時(shí)效響應(yīng)的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系合金成分。具體的制備工藝如下:FactSage相圖計(jì)算→Al-Mg-Si系合金成分選擇→合金配制和熔煉鑄造→鑄錠均勻化→熱軋變形→中間退火→冷軋變形→固溶淬火→多級(jí)時(shí)效處理。
[0008]本發(fā)明的第一目的在于提出的一種具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金，其特征是在于該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比含量為:Zn:0.10 ~3.7wt%, Mg0.3 ~1.2wt%, Si0.3 ~1.2wt%, Cu0.05 ~0.7wt%, Fe ≤ 0.3wt%,Mn≤ 0.3wt%, Cr ≤0.2wt%, Ti ≤0.2wt%，余量為 Al。
[0009]優(yōu)選地，其化學(xué)成分的Zn、Si和Cu含量范圍分別為=Zn0.4~3.5wt%, Si0.8~
1.lwt%，Cu0.15 ~0.35wt%0
[0010]優(yōu)選地，其化學(xué)成分Mg、Si的Mg/Si質(zhì)量比范圍為0.5~1。
[0011]本發(fā)明的第二目的在于提出一種上述具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金的制備方法，所述制備方法包括以下步驟:
[0012]步驟一、熔煉鑄造；
[0013]步驟二、雙級(jí)均勻化；
[0014]步驟三、熱軋變形；
[0015]步驟四、中間退火；
[0016]步驟五、冷軋變形；
[0017]步驟六、540°C以上的固溶處理；
[0018]步驟七、水淬處理；
[0019]步驟八、多級(jí)時(shí)效處理。
[0020]優(yōu)選地，所述步驟二的雙級(jí)均勻化具體為:將熔煉鑄造后的合金試樣以20~400C /h升溫速率開(kāi)始從室溫升溫到470~485°C保溫2~5h，然后再以20~40°C /h繼續(xù)升溫到545~555°C保溫14~20h，最后再以20~40°C /h的降溫速率隨爐降溫至100°C時(shí)取出。
[0021]優(yōu)選地，所述步驟三的熱軋變形具體為:開(kāi)軋溫度在545~555°C，熱軋總變形量> 90%，終軋溫度≥300 0C ；
[0022]優(yōu)選地，所述步驟四的中間退火具體為，將熱軋變形后的合金試樣直接放入350~450°C的熱處理爐中進(jìn)行1~3h的中間退火，然后空冷。
[0023]優(yōu)選地，所述步驟五的冷軋變形的冷軋總變形量處于50%~75%之間，道次壓下量處于15%~25%之間。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟六的540°C以上的固溶處理具體為:在鹽浴爐中進(jìn)行545~5550C /l-6min的固溶處理；所述步驟七的水淬處理是將固溶處理后的合金試樣直接進(jìn)行水淬。[0025]優(yōu)選地，所述步驟八的多級(jí)時(shí)效處理是將水淬處理后的合金試樣在2~5min內(nèi)轉(zhuǎn)移到預(yù)時(shí)效爐中進(jìn)行70-140°C /9-15h的預(yù)時(shí)效處理，然后再在室溫放置14天，最后進(jìn)行185°C人工時(shí)效；或是將水淬處理后的合金試樣在2~5min內(nèi)轉(zhuǎn)移到70_140°C預(yù)時(shí)效爐中以1_15°C /h的降溫速率降溫到20~40°C取出，然后再在室溫放置14天，最后進(jìn)行185°C人工時(shí)效。
[0026]通過(guò)采用上述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性:本發(fā)明的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系合金可以充分利用基體內(nèi)的各主要合金元素Mg、S1、Cu和Zn元素之間的相互作用，通過(guò)合適的熱處理調(diào)控使得多種強(qiáng)化相協(xié)同析出，最終合金基體內(nèi)均勻彌散分布有大量不同種類的強(qiáng)化相使合金在較短的時(shí)效時(shí)間內(nèi)即可獲得較大幅度的強(qiáng)度提高，即實(shí)現(xiàn)所謂的快速時(shí)效響應(yīng)特性。本發(fā)明合金非常適合應(yīng)用于目前研究較多的汽車用鋁合金外板材料的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)等。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1幾種新型鋁合金固溶淬火后直接進(jìn)行人工時(shí)效的硬度變化規(guī)律。
[0028]圖2幾種新型鋁合金固溶淬火后直接進(jìn)行自然時(shí)效的硬度變化規(guī)律。
[0029]圖3幾種新型鋁合金固溶淬火后經(jīng)自然時(shí)效14天后的DSC分析結(jié)果。
[0030]圖4幾種新型鋁合金固溶淬火后經(jīng)自然時(shí)效14天后再經(jīng)185°C人工時(shí)效的硬度變化規(guī)律。
[0031]圖5幾種新型鋁合 金經(jīng)預(yù)時(shí)效處理后在自然時(shí)效過(guò)程中的硬度變化規(guī)律。
[0032]圖6幾種新型鋁合金經(jīng)預(yù)時(shí)效+自然時(shí)效14天后的DSC分析結(jié)果。
[0033]圖7幾種新型鋁合金經(jīng)預(yù)時(shí)效+自然時(shí)效14天后再在185°C時(shí)效的硬度變化規(guī)律。
[0034]圖8T4P態(tài)5#合金以10°C /min升溫到250°C時(shí)的TEM顯微組織。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的補(bǔ)充和說(shuō)明。
[0036]原材料分別采用99.9wt%的高純鋁、工業(yè)純Mg、工業(yè)純Zn、中間合金Al_20wt%S1、Al-50wt%Cu、Al-20wt%Fe、Al-10wt%Mn等。在電阻爐中的具體熔煉過(guò)程為，首先將純鋁全部加入坩堝，將爐溫設(shè)定在850°C，待純鋁熔化后加入Al-20wt%S1、Al-50wt%Cu、Al_20wt%Fe、Al-10wt%Mn中間合金，并加入覆蓋劑(50wt%NaCl+50wt%KCl);繼續(xù)加熱熔體，待中間合金熔化，熔體溫度達(dá)到750°C后對(duì)其進(jìn)行攪拌使溶質(zhì)元素混合均勻，然后在750°C保溫30min后設(shè)定爐溫使熔體降溫到710V，然后向熔體中加入純Zn和純Mg，并充分?jǐn)嚢枋蛊鋸氐兹芙?；待熔體溫度再次達(dá)到730°C時(shí)取樣分析成分，如果成分測(cè)量值低于設(shè)計(jì)值，根據(jù)燒損情況適當(dāng)添加一定量的中間合金，如果成分測(cè)量值高于設(shè)計(jì)值，根據(jù)過(guò)量值適當(dāng)添加一定量的金屬純鋁進(jìn)行稀釋；繼續(xù)待熔體升至740°C后扒渣、加入精煉劑進(jìn)行除氣精煉；然后將熔體溫度降至約720°C時(shí)加入Al-5wt%T1-lwt%B晶粒細(xì)化劑并進(jìn)行適當(dāng)攪拌，最后在此溫度保溫IOmin后將熔體澆鑄到四周水冷的鋼模內(nèi)。實(shí)施發(fā)明合金的具體化學(xué)成分見(jiàn)表1。
[0037]表1實(shí)施發(fā)明合金化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，wt%)
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金，其特征是在于該合金的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比含量為:Zn: 0.10~3.7wt%，Mg 0.3~1.2wt%, Si 0.3~1.2wt%, Cu 0.05 ~0.7wt%, Fe ^ 0.3wt%, Mn ^ 0.3wt%, Cr ^ 0.2wt%, Ti ^ 0.2wt%,余量為Al。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金，其特征是:其化學(xué)成分的Zn、Si和Cu含量范圍分別為:Zn0.4~3.5wt%, Si 0.8~1.lwt%,Cu 0.15 ~0.35wt%0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金，其特征是:其化學(xué)成分Mg、Si的Mg/Si質(zhì)量比范圍為0.5~I。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金的制備方法，所述制備方法包括以下步驟: 步驟一、熔煉鑄造； 步驟二、雙級(jí)均勻化； 步驟三、熱軋變形； 步驟四、中間退火； 步驟五、冷軋變形； 步驟六、540°C以上的固溶處理； 步驟七、水淬處理； 步驟八、多級(jí)時(shí)效處理。
5.如權(quán)利要求3所述的具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金的制備方法，其特征在于:所述步驟二的雙級(jí)均勻化具體為:將熔煉鑄造后的合金試樣以20^400C /h升溫速率開(kāi)始從室溫升溫到470~485°C保溫2~5h，然后再以2(T40°C /h繼續(xù)升溫到545~555°C保溫14~20h，最后再以2(T40°C /h的降溫速率隨爐降溫至100°C時(shí)取出。
6.如權(quán)利要求4所述的具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金的制備方法，其特征在于:所述步驟三的熱軋變形具體為:開(kāi)軋溫度在545~555 °C，熱軋總變形量> 90%，終軋溫度≥300°C。
7.如權(quán)利要求4所述的具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金的制備方法，其特征在于:所述步驟四的中間退火具體為，將熱軋變形后的合金試樣直接放入35(T450°C的熱處理爐中進(jìn)行l(wèi)~3h的中間退火，然后空冷。
8.如權(quán)利要求4所述的具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金的制備方法，其特征在于:所述步驟五的冷軋變形的冷軋總變形量處于50%~75%之間，道次壓下量處于15%~25%之間。
9.如權(quán)利要求4所述的具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金的制備方法，其特征在于:所述步驟六的540°C以上的固溶處理具體為:在鹽浴爐中進(jìn)行545^5550C /l-6min的固溶處理；所述步驟七的水淬處理是將固溶處理后的合金試樣直接進(jìn)行水淬。
10.如權(quán)利要求4所述的具有快速時(shí)效響應(yīng)特性的新型Al-Mg-S1-Cu-Zn系列鋁合金的制備方法，其特征在于:所述步驟八的多級(jí)時(shí)效處理是將水淬處理后的合金試樣在2~5min內(nèi)轉(zhuǎn)移到預(yù)時(shí)效爐中進(jìn)行70-140°C/9-15h的預(yù)時(shí)效處理，然后再在室溫放置14天，最后進(jìn)行185°C人工時(shí)效；或是將水淬處理后的合金試樣在2~5min內(nèi)轉(zhuǎn)移到70_140°C預(yù)時(shí)效爐中以1_15°C /h的降溫速率降溫到2(T40°C取出，然后再在室溫放置14天，最后進(jìn)行185°C人工時(shí)效 。
【文檔編號(hào)】C22C21/18GK103789583SQ201410030681
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】郭明星, 莊林忠, 張濟(jì)山, 胡曉倩, 張巧霞, 崔莉 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)