CN104862551B - Al‑Mg‑Cu‑Zn系铝合金及铝合金板材制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种Al‑Mg‑Cu‑Zn系铝合金及铝合金板材制备方法。在AA5182和AA5023合金的基础上提高合金中的Cu含量，并同时添加了Zn，充分利用Al‑Mg‑Cu系中S相的过渡相和Al‑Mg‑Zn系中T相的过渡相的析出强化。通过固溶和预时效处理使其在人工时效过程中同时析出，达到协同强化作用。由于同时添加的Cu和Zn，使该合金具有明显的自然时效。通过预时效处理不仅能抑制自然时效，避免由于自然时效引起的烤漆软化，还能在高温时效处理后显著提高合金的强度，尤其是在180℃/30min的短时人工时效过程中。该合金不仅适用于汽车内板的制备，还适用于铝合金的其他相关领域。

Description

Al-Mg-Cu-Zn系铝合金及铝合金板材制备方法

技术领域

本发明属于铝合金及其制备领域，尤其涉及一种可工业化应用的Al-Mg-Cu-Zn系铝合金及铝合金板材的制备方法。

背景技术

为了解决汽车行业发展所带来的环境和能源问题，汽车轻量化已经越来越受到重视。铝合金以其高的比强度、良好的抗腐蚀性、表面易着色、优良的成形性以及较好的再生性等一系列优良特性而成为汽车轻量化的最佳材料。

典型的汽车用铝合金有2xxx、5xxx和6xxx系合金。其中5xxx系铝合金以其优良的成形性而广泛运用于汽车内板。但是广泛运用于汽车内板的AA5182合金属于热处理不可强化的合金，现有牌号中的AA5023合金由于Cu含量较低，也无法满足作为汽车板应该具有的烘烤硬化性和高的抗凹痕性的要求。并且由于PLC效应，5xxx系铝合金在冲压成形过程中会形成PLC变形带，使冲压件的表面光洁度下降，给汽车的烤漆带来困难。

目前，在专利CN103255323中，研究人员已经通过添加少量的Cu和Zn元素提高了Al-Mg系合金的烤漆后强度，但烤漆强度增量并不高；并且专利中提出的矫直后进行240℃～300℃的去应力退火工艺会导致固溶的Cu、Zn原子快速析出形成粗大的第二相，会导致强化效果大大降低，无法充分利用Cu、Zn元素的析出强化作用；再者，在该专利中的合金成分范围内，Zn原子很难以专利中所述的MgZn₂的形式析出。因此实际应用受到很大限制。

发明内容

本发明为了解决现有的5xxx系铝合金在汽车板应用过程中存在的烤漆硬化性和抗凹痕性不足的问题。新设计的合金成分及其制备工艺充分利用了Cu和Zn的同时析出而达到强化作用，使得烤漆后的板材强度得到大幅度提高。

本发明的第一目的在于提出一种Al-Mg-Cu-Zn系铝合金成分及其成分范围，分别为：

Mg 4.0～6.0wt％；

Cu 0.30～1.0wt％；

Zn 1.0～3.5wt％；

Mn≤0.4wt％；

Fe≤0.4wt％；

Si≤0.4wt％、

Cr≤0.2wt％；

Ti≤0.1wt％；

余量为Al及不可避免的杂质。

优选的，包括Mg 4.2～5.5wt％；

优选的，包括Cu 0.4～0.9wt％；

优选的，包括Zn 1.2～3.0wt％；

优选的，包括Mn 0.1～0.3wt％；

本发明的第二目的在于提出一种Al-Mg-Cu-Zn系铝合金板材的制备工艺，该制备工艺包括以下步骤：

(a)将上述铝合金成分进行熔铸；

(b)将步骤(a)所得铸锭均匀化退火、热轧、冷轧、固溶淬火、时效处理。

所述步骤(b)中的均匀化退火是将熔铸后的铝合金以20～40℃/h的升温速率开始从室温升到440～470℃保温6～12h，然后再以20～40℃/h的升温速率升温到470～490℃保温5～10h，然后再以20～40℃/h的升温速率升温到500～540℃保温6～12h，之后以20～40℃/h的降温速率冷却到室温。

所述步骤(b)中的热轧温度为460～510℃，热轧总压下率≥90％；冷轧总压下率≥80％。

优选的，所述步骤(b)中的冷轧包括：先进行压下率为40％～60％的第一冷轧，然后在350℃～450℃保温0.5～2h进行中间退火，之后再进行压下率为50％～70％的第二冷轧。

所述步骤(b)中固溶温度为520℃～540℃，固溶保温时间为5～12min，淬火方式为直接水淬。

所述步骤(b)中时效处理是将水淬处理后的合金在3～6min内转移到时效炉中进行预时效，预时效温度为60℃～100℃，预时效保温时间为8～16h。

(c)冲压成形、涂漆及烤漆处理。

本发明在AA5182和AA5023合金的基础上，通过提高合金中Cu和Zn的含量，并且引入了预时效处理，这种预时效处理不仅能抑制合金在存放运输过程中的自然时效，而且预时效形成的稳定原子团簇能成为随后烤漆过程中的时效析出形核点，使得板材在短时间的烤漆过程中强度增量达到50MPa，相对于AA5182和AA5023的烤漆后强度，新型合金的烤漆后强度最高分别提高了将近140MPa和100MPa，达到显著地烤漆硬化效果。能够满足铝合金汽车板的烤漆硬化性及抗凹痕性。该发明合金不仅适用于汽车板，也适用于铝合金的其他相关领域。

附图说明

图1 1#、2#、5#、6#合金淬火态的自然时效硬化曲线。

图2 6#合金T4态、T4P态在180℃下的时效硬化曲线，以及6#合金淬火态和预时效处理后的自然时效硬化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行进一步的补充和说明。

本发明所用铸锭采用普通纯铝、工业纯Mg、工业纯Zn，中间合金Al-20wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-20wt％Fe、Al-10wt％Mn、Al-10wt％Ti、Al-5wt％Cr熔铸而成。实施案例合金具体化学成分见表1。其中1#、2#、3#、4#为参考合金，5#、6#、7#为本发明所设计的合金成分。

表1实施例合金具体化学成分(质量百分数，wt％)

	Mg	Cu	Zn	Mn	Cr	Ti	Fe	Si	Al
										1#	5.2	0	0	0.2	0.05	0.02	0.2	0.1	余量
2#	5.18	0.42	0	0.2	0.05	0.02	0.2	0.1	余量
										3#	5.19	0	2.0	0.2	0.05	0.02	0.2	0.1	余量
4#	5.45	0.44	0.58	0.2	0.05	0.02	0.2	0.1	余量
										5#	5.25	0.42	1.19	0.2	0.05	0.02	0.2	0.1	余量
6#	5.0	0.44	1.93	0.2	0.05	0.02	0.2	0.1	余量
										7#	4.41	0.8	1.2	0.2	0.05	0.02	0.2	0.1	余量

本发明合金铸锭在循环空气炉中进行均匀化处理，然后进行铣面、热轧、冷轧、中间退火、冷轧、淬火、预时效处理。具体实施方案如下：

对1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#铸锭进行均匀化处理，具体工艺为：将熔铸后的合金以30℃/h的升温速率从室温升到460℃保温10h，然后再以30℃/h的升温速率升温到480℃保温5h，然后再以30℃/h的升温速率升温到520℃保温10h，然后再以30℃/h的降温速率冷却到室温。将均匀化处理后的铸锭铣面后，再进行热轧，热轧温度为500℃，热轧总压下率≥90％，得到6mm热轧板。再进行第一冷轧，冷轧总压下率为50％，得到3mm冷轧板，然后在450℃下保温1h进行中间退火，之后进行第二冷轧，冷轧总压下率为67％，最终得到1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#合金的1mm冷轧板。

比较例

将用上述方法得到的1#、2#、3#、4#合金的1mm冷轧板在盐浴炉中进行525℃保温10min的固溶处理后直接水淬。将淬火后的冷轧板分为两组，一组淬火后6min内放入时效炉进行80℃保温12h的预时效处理，然后在室温放置7天得到T4P态；另外一组淬火后直接放在室温7天得到T4态。最后对T4P态和T4态合金进行180℃/30min(模拟烤漆)人工时效处理，测量合金烤漆前后的强度增量，具体结果见表2。同时作出1#和2#合金淬火后放在室温的自然时效硬化曲线，具体结果见图1。冲压成形，刷漆及烤漆处理是典型的汽车零部件实际的生产步骤，本案例为了验证新成分和新工艺对Al-Mg系合金的析出强化作用，所以去除了冲压成形这一步骤，这是为了避免冲压过程中的形变对烤漆强化增量的影响。实际的烤漆过程也是在时效炉中模拟完成。

实施例1

将用上述方法得到的5#合金的1mm冷轧板在盐浴炉中进行525℃保温10min的固溶处理后直接水淬。将淬火后的冷轧板分为两组，一组淬火后6min内放入时效炉进行80℃保温12h的预时效处理，然后在室温放置7天得到T4P态；另外一组淬火后直接放在室温7天得到T4态。最后对T4P态和T4态合金进行180℃/30min(模拟烤漆)人工时效处理，测量合金烤漆前后的强度增量，具体结果见表2。同时作出5#合金固溶处理后放在室温的自然时效硬化曲线，具体结果见图1。

实施例2

将用上述方法得到的6#合金的1mm冷轧板在盐浴炉中进行525℃保温10min的固溶处理后直接水淬。将淬火后的冷轧板分为两组，一组淬火后6min内放入时效炉进行80℃保温12h的预时效处理，然后在室温放置7天得到T4P态；另外一组淬火后直接放在室温7天得到T4态。最后对T4P态和T4态合金进行180℃/30min(模拟烤漆)人工时效处理，测量合金烤漆前后的强度增量，具体结果见表2。同时作出6#合金淬火后放在室温的自然时效硬化曲线，具体结果见图1。为了比较预时效处理对6#合金在人工时效过程中的影响，同时作出6#合金固溶态和预时效处理后的自然时效硬化曲线以及T4态和T4P态在180℃的人工时效硬化曲线，具体结果见图2。

实施例3

将用上述方法得到的7#合金的1mm冷轧板在盐浴炉中进行525℃保温10min的固溶处理后直接水淬。将淬火后的冷轧板分为两组，一组淬火后6min内放入时效炉进行80℃保温12h的预时效处理，然后在室温放置7天得到T4P态；另外一组淬火后直接放在室温7天得到T4态。最后对T4P态和T4态合金进行180℃/30min(模拟烤漆)人工时效处理，测量合金烤漆前后的强度增量，具体结果见表2。

实施例4

将用上述方法得到的6#合金的1mm冷轧板在盐浴炉中进行525℃保温10min的固溶处理后直接水淬。将淬火后的冷轧板6min内放入时效炉进行70℃保温15h的预时效处理，然后在室温放置7天得到T4P(1)态，最后对T4P(1)态合金进行180℃/30min(模拟烤漆)人工时效处理，测量合金烤漆前后的强度增量，具体结果见表2。

实施例5

将用上述方法得到的6#合金的1mm冷轧板在盐浴炉中进行525℃保温10min的固溶处理后直接水淬。将淬火后的冷轧板6min内放入时效炉进行90℃保温8h的预时效处理，然后在室温放置7天得到T4P(2)态，最后对T4P(2)态合金进行180℃/30min(模拟烤漆)人工时效处理，测量合金烤漆前后的强度增量，具体结果见表2。

表2不同合金成分和状态的合金板材经过180℃/30min处理前后的力学性能

由表2可以看出，在1#(AA5182)、2#(AA5023)、3#、4#对比合金的基础上通过Cu和Zn的复合添加，并且Zn的含量要大于1％，从烤漆后强度以及烤漆增量来看，5#、7#合金的T4态比T4P态的烤漆效果要好，而6#合金T4P态比T4态烤漆效果要好，尤其是相对于1#(AA5182)和2#(AA5023)合金，6#合金T4P态烤漆后强度分别提高了将近140Mpa和100MPa，基本可以满足汽车内板的烤漆硬化性和抗凹痕性。从图1可以看出，由于Zn的添加，使得6#合金相对于原本没有自然时效效应的1#、2#合金有了很显著地自然时效。这种自然时效导致的强化对于汽车板的冲压成形是极为不利的。并且从图2可以看出，这种自然时效还会导致在后期的180℃人工时效过程中有一个硬度值下降的过程，使得180℃/30min模拟烤漆后强度会下降。从图2还可以看出，本发明通过对6#合金进行预时效处理不仅可以避免烤漆过程发生的软化，而且可以显著加速后期的180℃人工时效硬化过程，大幅提高新型合金的烤漆硬化增量。并且从图2还可以看出，预时效处理后的6#合金在室温放置过程中，其性能也是很稳定的。综上所述，本发明所设计的合金成分和制备工艺很好的解决了5xxx铝合金烤漆硬化不足的问题，充分利用了Cu、Zn原子的时效析出强化。并且通过预时效处理很好的避免了由于Cu、Zn同时添加所引起的自然时效对于烤漆硬化的不利影响。当然，本发明合金和工艺不仅适用于汽车内板的制造，而且适用于铝合金的其他相关领域。

尽管已经写出了本发明的实施案例，但只是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，可以在不脱离本发明原理的前提下做出若干修改和变型，这些修改和变型应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种Al-Mg-Cu-Zn系铝合金板材制备方法，其特征在于，该合金的化学成分及其质量百分比为：Mg 4.2～5.5wt％、Cu 0.4～0.9wt％、Zn 1.2～3.0wt％、Mn 0.1～0.3wt％、Fe≤0.4wt％、Si≤0.4wt％、Cr≤0.2wt％、Ti≤0.1wt％，余量为Al及不可避免的杂质，其制备工艺包括以下步骤：

(a)按上述的铝合金成分进行熔铸；

(b)将步骤(a)所得铸锭进行均匀化退火、热轧、冷轧、固溶淬火以及时效处理；

所述步骤(b)中的均匀化退火为三级均匀化退火工艺，具体是将熔铸后的铝合金以20～40℃/h的升温速率开始从室温升到440～470℃保温6～12h，然后再以20～40℃/h的升温速率升温到470～490℃保温5～10h，然后再以20～40℃/h的升温速率升温到500～540℃保温6～12h，之后以20～40℃/h的降温速率随炉冷却到室温；

所述步骤(b)中固溶温度为520℃～540℃，固溶保温时间为5～12min，淬火方式为直接水淬；

所述步骤(b)中时效处理是将水淬处理后的铝合金在3～6min内转移到时效炉中进行预时效，预时效温度为60℃～100℃，预时效保温时间为8～16h。