本發明屬于鋁合金
技術領域：
，涉及一種可工業化應用的能大幅提高6xxx系鋁合金薄板材強度的處理方法，特別針對汽車領域用中高強鋁合金薄板材而開發，該種處理方法不僅可以使得鋁合金薄板材具有優異的成形性能，而且經過進一步時效處理后還具有非常高的強度。
背景技術：
：隨著經濟的發展，現在世界的環保問題越來越嚴重，其中汽車的尾氣排放已成為大氣污染的重要來源之一，其對氣候的惡化效應已經刻不容緩。因此，世界各國對汽車節能、減排的意識不斷增強，但是如何實現汽車輕量化進而達到節能減排的目的已經成為汽車領域進一步發展的關鍵所在。從高速、舒適、美觀、耐用、輕量化、節能、環保、降低綜合成本等綜合性能方面來看，鋁合金無疑是現代汽車工業輕量化的首選材料，世界許多國家均已大力開展汽車輕量化用鋁合金加工、成形和應用的相關研究，如Al-Mg和Al-Mg-Si-Cu系合金等，尤其Al-Mg-Si-Cu系合金的開發和應用研究等。雖然Al-Mg-Si-Cu系合金通過成分設計進而利用固溶和時效析出可以使得其強度獲得一定提高，但是畢竟與鋼鐵相比，該系鋁合金材料的強度仍然不夠高。因此，如何能夠大幅度提高該系鋁合金強度成為鋁合金領域急需解決的一大關鍵問題，其對于汽車輕量化用鋁合金的快速發展具有重要意義。考慮到合金板材的強度主要受沉淀相分布、晶粒尺寸、以及位錯分布等影響，而沉淀相的析出除了受成分影響之外，還受可誘發非均勻形核的晶界和位錯等影響，因此，如果能夠開發一種工藝不僅使得合金沉淀相析出數量大幅度增加而提高沉淀強化效果，即同時利用沉淀相的均勻和非均形核，而且還能夠充分利用其它強化方式，如細晶強化，位錯強化等，那么所開發的合金強度一定能夠獲得大幅度提高。本發明就是基于這一思想進行新工藝開發的，開發過程中通過在時效析出前基體內大量引入位錯和細晶組織，從而使得合金不僅低溫時效析出強化大幅度增加，而且還能夠將引入的位錯和細晶組織穩定保持在合金基體內，從而實現了大幅度提高Al-Mg-Si-Cu系合金強度的目的。技術實現要素：本發明為了更好滿足汽車輕量化用鋁合金板材的實際應用需求，針對6xxx系鋁合金強度不夠高等問題，開發一種更加適合汽車用中高強鋁合金板材的處理方法。本發明充分利用大塑性熱軋變形并輔以固溶淬火后的低溫大塑性變形可以引入大量位錯線以及顯著細化組織等特點，通過控制軋制速率、溫度、道次壓下量以及應變總量，首先使得合金時效析出前引入大量的位錯線和細晶組織；然后再輔以合適的中低溫時效，一方面可以誘發基體內沉淀相的均勻和非均勻形核，增加沉淀硬化效果；另一方面還可以穩定時效前的位錯線和細晶組織，從而使得合金基體能同時利用沉淀強化、位錯強化和細晶強化加以多類型強化，最終必然可以使得強度較低的Al-Mg-Si-Cu系合金強度獲得大福度提高。一種提高汽車用Al-Mg-Si-Cu系合金強度的處理方法，其特征在于處理步驟如下：1)均勻化后的鑄錠→熱軋變形：開軋溫度530～580℃，終軋溫度80～200℃，變形量80～98％，道次壓下量5～40％，軋制速率0.01m/s～0.9m/s；2)熱軋板材；厚度4-8mm；3)固溶處理：升溫速率100～300℃/s，溫度540～580℃，時間1～30min；4)淬火處理；降溫速率大于500℃/s；5)超低溫預處理：保證在淬火后0.5～10min內置于液氮容器內，放置時間5min～30h；6)大變形量軋制：變形溫度低于20℃，道次壓下量10％～50％，軋制速率小于0.5m/s，總變形量80％～99％；7)低溫時效處理：溫度120～220℃，時間0.5～50h。8)所處理合金化學成分及其質量百分比含量為：Zn:0～4.0wt％，Mg0.5～1.2wt％，Si0.7～1.5wt％，Cu0～0.6wt％，Fe0.1～0.5wt％，Mn0.05～0.3wt％，Cr≤0.25wt％，Ti≤0.25wt％，余量為Al。優選地，上述技術路線中熱軋工藝為：開軋溫度535～580℃，終軋溫度100～200℃，變形量83～98％，道次壓下量6～39％，軋制速率0.011m/s～0.89m/s；優選地，上述技術路線中固溶處理工藝為：升溫速率100～260℃/s，溫度545～575℃，時間1～25min；優選地，上述技術路線中的超低溫預處理工藝為：保證在淬火后0.5～10min內置于液氮容器內，放置時間5min～29h；優選地，上述技術路線中的大變形量軋制工藝為：變形溫度低于20℃，道次壓下量11％～48％，軋制速率小于0.48m/s，總變形量82％～99％；優選地，上述技術路線中低溫時效處理工藝為：溫度120～210℃，時間0.5～45h。通過采用上述的技術方案，本發明具有如下優越性：本發明可以使得6xxx系鋁合金薄板材同時兼具有高強度和高塑性特性。本發明非常適合應用于汽車用鋁合金薄板材的加工和生產，以及對強度和塑性有特定要求的其它零部件的生產使用，當然也適合應用于對中高強鋁合金強度和塑性均有較高要求的其它技術行業。附圖說明圖11#和2#合金采用實施例1和2處理后的硬度變化規律；圖21#和2#合金采用實施例3和4處理后的硬度變化規律；圖31#和2#合金采用實施例5和6處理后的硬度變化規律；圖41#和2#合金采對比例和典型實施例對應的工程應力-應變曲線。圖52#合金經實施例5處理后峰時效態的TEM顯微組織具體實施方式下面結合具體實施方案對本發明做進一步的補充和說明。實施例所用的兩種典型的6xxx鋁合金，其化學成分如圖下表1所示。所用材料是99.99％高純Al、工業純Mg和純Zn，中間合金包括Al-10％Mn、Al-20％Si、Al-20％Fe、Al-50％Cu，晶粒細化劑采用Al-5％Ti-1％B(質量分數)。整個熔煉過程在SG2-12-10型電阻坩堝爐井式加熱爐中進行。具體熔煉為，首先將高純Al放入坩堝內并加熱到790℃熔化后保溫10min，然后按照Al-Mn，Al-Cu，Al-Fe，Al-Ti的順序加入到裝有熔融態純Al的坩堝中，待其全部融化后攪拌，保溫10min。然后使溶液降溫到740℃，按順序加入Zn、Mg，保溫一段時間，然后控制溶液溫度到720℃，加入30g左右的精煉劑，用于除去溶液中氣體，再加入25g左右的除渣劑用于除去溶液中的渣滓，最后扒渣后，在720℃的溶液中加入晶粒細化劑，穩定在720℃的時候將合金溶體澆入水冷鋼模中成型。表1實施合金化學成分(質量百分數，wt％)合計MgSiCuFeMnZnTiCrAl1#0.81.00.20.20.1500.010.01余量2#0.81.00.20.20.153.00.010.01余量實施合金鑄錠在循環空氣爐中進行均勻化處理，處理工藝為：將合金鑄錠放在循環空氣爐內，打開電源，以30℃/h升溫速率開始升溫，待溫度達到485℃保溫3h，隨后繼續升溫到555℃保溫24h，再以30℃/h的降溫速率隨爐降溫到100℃時取出試樣；隨后對均勻化態鑄錠進行如下工藝處理，均勻化后的鑄錠→熱軋變形(開軋溫度530～580℃，終軋溫度80～200℃，變形量80～98％，道次壓下量5～40％，軋制速率0.01m/s～0.9m/s)→熱軋板材(厚度4-8mm)→固溶處理(升溫速率100～300℃/s，溫度540～580℃，時間1～30min)→淬火處理(降溫速率大于500℃/s)→超低溫預處理(保證在淬火后0.5～10min內置于液氮容器內，放置時間5min～30h)→大變形量軋制(變形溫度低于20℃，道次壓下量10％～50％，軋制速率小于0.5m/s，總變形量80％～99％)→低溫時效處理(溫度120～220℃，時間0.5～50h)，然后對典型態合金進行性能評估。具體的實施方式如下：對比例1實施合金1#和2#經熔煉鑄造、均勻化和熱處理變形后，隨后進行傳統工藝處理：即，熱軋變形(開軋溫度530～580℃，終軋溫度80～200℃，變形量80～98％，道次壓下量5～40％，軋制速率0.01m/s～0.9m/s)→熱軋板材(厚度4mm)→中間退火(升溫速率50℃-80℃/min，溫度400℃，時間1h)→單向冷軋變形(變形量75％，道次壓線量25-30％)→快速升溫固溶處理(升溫速率100-200℃/s，溫度555℃，時間2min)→冷水淬火→單級時效處理(在127℃、160℃、185℃進行人工時效)→根據硬度變化規律分別測量相應峰時效態的拉伸性能，如表2和圖4所示。實施例1實施合金1#和2#經熔煉鑄造、均勻化處理后，隨后對其進行如下工藝處理，均勻化后的鑄錠→熱軋變形(開軋溫度535～580℃，終軋溫度100～200℃，變形量83～98％，道次壓下量6～39％，軋制速率0.011m/s～0.89m/s)→熱軋板材(厚度4-8mm)→固溶處理(升溫速率100～260℃/s，溫度545～575℃，時間1～30min)→淬火處理(降溫速率大于500℃/s)→超低溫預處理(保證在淬火后0.5～10min內置于液氮容器內，放置時間5min～29h)→大變形量軋制(變形溫度低于-150℃，道次壓下量10％～50％，軋制速率小于0.5m/s，總變形量80％～99％)→127℃低溫時效處理，硬度變化規律如圖3所示，典型狀態拉伸性能如表3所示。實施例2實施合金1#和2#經熔煉鑄造、均勻化處理后，隨后對其進行如下工藝處理，均勻化后的鑄錠→熱軋變形(開軋溫度535～580℃，終軋溫度100～200℃，變形量83～98％，道次壓下量6～39％，軋制速率0.011m/s～0.89m/s)→熱軋板材(厚度4-8mm)→固溶處理(升溫速率100～260℃/s，溫度545～575℃，時間1～30min)→淬火處理(降溫速率大于500℃/s)→超低溫預處理(保證在淬火后0.5～10min內置于液氮容器內，放置時間5min～29h)→大變形量軋制(變形溫度低于20℃，道次壓下量10％～50％，軋制速率小于0.5m/s，總變形量80％～99％)→127℃低溫時效處理，硬度變化規律如圖3所示，典型狀態拉伸性能如表3所示。實施例3實施合金1#和2#經熔煉鑄造、均勻化處理后，隨后對其進行如下工藝處理，均勻化后的鑄錠→熱軋變形(開軋溫度535～580℃，終軋溫度100～200℃，變形量83～98％，道次壓下量6～39％，軋制速率0.011m/s～0.89m/s)→熱軋板材(厚度4-8mm)→固溶處理(升溫速率100～260℃/s，溫度545～575℃，時間1～30min)→淬火處理(降溫速率大于500℃/s)→超低溫預處理(保證在淬火后0.5～10min內置于液氮容器內，放置時間5min～29h)→大變形量軋制(變形溫度低于-150℃，道次壓下量10％～50％，軋制速率小于0.5m/s，總變形量80％～99％)→160℃低溫時效處理，硬度變化規律如圖3所示，典型狀態拉伸性能如表3和圖4所示。實施例4實施合金1#和2#經熔煉鑄造、均勻化處理后，隨后對其進行如下工藝處理，均勻化后的鑄錠→熱軋變形(開軋溫度535～580℃，終軋溫度100～200℃，變形量83～98％，道次壓下量6～39％，軋制速率0.011m/s～0.89m/s)→熱軋板材(厚度4-8mm)→固溶處理(升溫速率100～260℃/s，溫度545～575℃，時間1～30min)→淬火處理(降溫速率大于500℃/s)→超低溫預處理(保證在淬火后0.5～10min內置于液氮容器內，放置時間5min～29h)→大變形量軋制(變形溫度低于20℃，道次壓下量10％～50％，軋制速率小于0.5m/s，總變形量80％～99％)→160℃低溫時效處理，硬度變化規律如圖3所示，典型狀態拉伸性能如表3和圖4所示。實施例5實施合金1#和2#經熔煉鑄造、均勻化處理后，隨后對其進行如下工藝處理，均勻化后的鑄錠→熱軋變形(開軋溫度535～580℃，終軋溫度100～200℃，變形量83～98％，道次壓下量6～39％，軋制速率0.011m/s～0.89m/s)→熱軋板材(厚度4-8mm)→固溶處理(升溫速率100～260℃/s，溫度545～575℃，時間1～30min)→淬火處理(降溫速率大于500℃/s)→超低溫預處理(保證在淬火后0.5～10min內置于液氮容器內，放置時間5min～29h)→大變形量軋制(變形溫度低于-150℃，道次壓下量10％～50％，軋制速率小于0.5m/s，總變形量80％～99％)→185℃低溫時效處理，硬度變化規律如圖3所示，典型狀態拉伸性能如表3所示。實施例6實施合金1#和2#經熔煉鑄造、均勻化處理后，隨后對其進行如下工藝處理，均勻化后的鑄錠→熱軋變形(開軋溫度535～580℃，終軋溫度100～200℃，變形量83～98％，道次壓下量6～39％，軋制速率0.011m/s～0.89m/s)→熱軋板材(厚度4-8mm)→固溶處理(升溫速率100～260℃/s，溫度545～575℃，時間1～30min)→淬火處理(降溫速率大于500℃/s)→超低溫預處理(保證在淬火后0.5～10min內置于液氮容器內，放置時間5min～29h)→大變形量軋制(變形溫度低于20℃，道次壓下量10％～50％，軋制速率小于0.5m/s，總變形量80％～99％)→185℃低溫時效處理，硬度變化規律如圖3所示，典型狀態拉伸性能如表3所示。表2對比例中1#和2#合金峰時效拉伸性能表3實施例中1#和2#合金峰時效拉伸性能隨著汽車輕量化的發展，新能源、新材料被廣泛應用在汽車上，鋁合金由于低密度，高強度和良好的成型性，被作為一種取代鋼材的材料而用在汽車上；ABS鋁合金板可分為外板與內板，外板生產難度大，所要求的性能高，現在所說的汽車板一般都是指車身外覆蓋板，ABS鋁合金除有滿足標準與規范的力學性能、化學性能、尺寸偏差與表面品質外，還應具備如下的特性:良好的成形性能與翻邊延性，表面平整性強，良好的可焊性，優秀的烘烤硬化性，抗時效穩定性強，很好的抗凹性。其中6xxx系鋁合金有良好的烤漆性能和抗腐蝕性能而作為汽車外板被廣泛的應用。傳統的6xxx系鋁合金板材經固溶淬火+時效工藝處理后所得到的強度屬于低強或中強范疇，一般僅能作為汽車外板應用，無法滿足車身結構件的應用，但是為了車身外板與車身結構件間的更好連接，如果6xxx系鋁合金強度能夠獲得大幅度提高，那么該系合金應用前景將進一步獲得拓展。據此，我們首先采用傳統熱處理工藝對兩種典型的6xxx系鋁合金進行處理(如對比例1)，發現即使優化時效溫度和時間，其最終的強度提高也十分有限，如表2所示。相比而言，如果合金經過實施例1-6所述處理方法，合金的強度可以獲得大幅度提高，如表3和圖4所示。合金屈服強度可達396.8MPa，而抗拉強度可達414.9MPa，遠高于傳統工藝處理后合金屈服強度可達到的水平，即260～350MPa。合金能夠獲得如此大的提高，主要是由于合金強化方法發生了變化。傳統6xxx系合金的強度提高主要通過時效析出強化來實現，即使合金含有一定量的Zn元素，也提高非常有限(如對比例中2#合金的性能)。而本發明中所采用的處理工藝可以使得合金能夠同時利用位錯強化、細晶強化以及沉淀強化(如圖5所示)，而且沉淀強化由于充分利用了基體內的位錯線以及亞晶界等可誘發的非均勻形核，使得沉淀相析出由傳統的均勻形核而轉化為均勻和非均勻形核協同作用方式，這顯著增加了沉淀相的形核率，最終使得合金沉淀相細小均勻彌散且數量大幅增加。因此，實施合金經此工藝處理后，其強度均獲得大幅度提高。綜上所述，本發明通過優化加工和熱處理工藝使合金板材強度獲得大幅度提高，同時還能夠兼具有較高的塑性。因此，本發明處理工藝不僅適合廣泛應用于汽車外板，而且可以作為汽車中的結構件的生產，有效避免車身內板與結構件由于材質不同而引起的其他問題。這對于更大程度加快汽車輕量化用鋁合金的研究和使用進程意義重大，值得汽車生產廠家和鋁合金加工企業對此發明加以重視，使其盡早能夠在這一領域得到推廣和應用。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變形，本發明的范圍由所附權利要求及其等同限定。當前第1頁1 2 3