CN117626064A - 一种高成形、高表面质量的6系铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高成形、高表面质量的6系铝合金及其制备方法，所述6系铝合金的组分及各组分的质量百分含量为：Si 1.1‑1.5％，Fe0.05‑0.3％，Mg 0.2‑0.5％，Mn 0.05‑0.2％，Cu≤0.1％，Ti≤0.1wt.％，余量为Al和不可避免的杂质，其中，Mg/Si＝0.15‑0.4，Mg+Si＝1.3‑2％。制备方法包括铸锭的均匀化热处理，多道次热轧及冷轧过程，以及在线连续退火和固溶处理。采用本发明提供的成分和工艺，可以保证板材T4P具有良好的成形性，同时可获得高的表面质量，适用于汽车用铝合金板材，尤其适用与对成形性能要求较高且有暴露面的汽车内板。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种高成形、高表面质量的6系铝合金及其制备方法。
背景技术
作为理想的轻量化材料，铝合金板材在汽车上的应用逐渐增多，尤其是新能源汽车极大推动了铝合金板材的应用，且随着环保要求日益提升，考虑铝合金的回收，内板采用6系取代5系合金已是趋势，然而6系作为内板较之外板需更高的成形性能，并且由于裸露面的存在，也要求高的表面质量，因此需要开发同时具有高成形性能和高表面质量并且具有较高烘烤强度的6系铝合金。
CN113166858 A公开了一种具有高表面质量的6xxx铝板的方法，但因Mg、Si含量较低(Si：0.4-0.7，Mg：0.2-0.4)，烤漆后屈服强度仅有90-150MPa，不适合车门内板等需要一定强度的部件。本发明Si含量控制在1.2-1.4wt.％，提升了合金的烤漆强度至200-220MPa，更加有利于汽车轻量化。
CN 111556903 A公开了一种制备具有高表面质量的6XXX铝板的方法，是通过控制热轧温度，特别是热轧起始温度和热轧出口温度之间的关系，和/或通过控制卷取后的晶粒尺寸，获得至少90％的再结晶，制备用于汽车工业的板材，所述板材同时具有适于冷冲压操作的高拉伸屈服强度和良好的可成形性，以及高表面质量。该专利合金成分中含有≤0.5％Zn、≤0.2％V、≤0.2％Zr，本发明合金成分中不含Zn、V、Zr，易于排产。同时该专利冷轧过程无中间退火，冷轧过程采用单向轧制方式，本发明在一次冷轧和二次冷轧之间采用中间退火工艺，有利于提高材料的各向异性；该专利的二次冷轧为交叉轧制，而本专利采用正常的轧制、有利于大规模生产。该专利中屈服强度高在105-114MPa，且未涉及各向异性，本专利屈服强度低85-105MPa，△r≤0.2，有利于零部件的冲压成形。
CN 104532077 B公开了一种无漆刷线6xxx系铝合金车身板的短流程制备方法。通过缩短板材生产周期，提高生产效率，减少能耗，降低板材生产成本，获得的板材表面无漆刷线、力学性能良好，能更好地适用于汽车车身覆盖件。该专利通过热轧工艺参数的调整，热精轧出口温度320-360℃，并省去中间退火过程，固溶温度500-560℃，保温时间15s-30min，与本发明终轧温度为250-300℃，且在一次冷轧和二次冷轧之间采用中间退火工艺，固溶保温时间2-15s，差别较大。该专利断后延伸率为24.6-25.7％较低，本专利中断后延伸率27-29％较高，有利于冲压成形。
CN 115109906 A公开了一种汽车用6xxx系铝合金热轧板及其制备方法，通过控制均匀化后的降温方式、热轧条件及热轧后的冷却方式而实现了一种汽车用6xxx系铝合金热轧板的制备，通过对热轧板中Mg2Si体积分数的Cube织构的体积分数实现对板材漆刷线的控制。该发明主要针对热轧工艺进行控制，所采用的中间退火制度为460-500℃，时间为20-60s，与本发明的中间退火制度(360-430℃保温5-30s)相差较多；该发明的固溶工艺为530-570℃，保温时间20-60s，而本发明采用低温短时间固溶工艺(500-530℃，保温时间1-15s)，保证了适中的屈服强度及较低的各向异性，有利于冲压成形及提升板材表面质量。
但这些方法往往在解决一方面问题的同时会带来其他性能的折衷。例如，一些工艺能提高合金的成形性，但可能会牺牲强度和硬度。因此，需要一种新的解决方案，以实现在不牺牲其他关键性能的前提下，提高铝合金的成形性和表面质量。
发明内容
本发明的目的是克服现有现有技术存在的不足，提供一种高成形、高表面质量的6系铝合金及其制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种高成形、高表面质量的6系铝合金，其特征在于，其组分及各组分的质量百分含量为：Si 1.1-1.5％，Fe 0.05-0.3％，Mg 0.2-0.5％，Mn0.05-0.2％，Cu≤0.1％，Ti≤0.1wt.％，余量为Al和不可避免的杂质，其中，Mg/Si＝0.15-0.4，Mg+Si＝1.3-2％。
一种制备上述6系铝合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)制备合金熔体铸锭；
(b)对铸锭进行均匀化热处理；
(c)将均匀化的铸锭热轧至中间产品；
(d)对所得热轧中间产品进行一次冷轧；
(e)对一次冷轧后的板材进行连续中间退火；
(f)对中间退火后板材再进行二次冷轧；
(g)对所得冷轧板进行固溶处理；
(h)对固溶后板材进行降温预时效，得到成品板材。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述步骤(c)中的热粗轧总道次数为9-16次，其中第3道次后单道次压下率介于20-35％，最后三个道次单道次压下率介于35-40％，终轧温度为250-300℃。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述步骤(e)中采用在线连续退火，升温速率为5-20℃/s，退火温度为360-430℃，保温5-30秒，然后以2-10℃/s的速度冷却至室温。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述步骤(f)中冷轧率为30-60％。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述步骤(g)中固溶处理采用在线连续退火，升温速率为10-50℃/s，固溶温度为500-530℃，保温时间为1-15秒。
根据上述的制备方法，其特征在于，所述步骤(h)中，板材固溶后以10℃/s以上的冷却速度冷却至70-100℃收卷，然后以不高于2℃/h的速度冷到室温。
本发明的技术效果：
(1)采用本发明提供的成分和工艺，可以提升合金的成形性能，使合金在T4P具有合适的强度获得良好的成形性，同时可获得高的烤漆强度。制备的6系合金板带材T4P态时具有良好的成形性能(7天屈服强度为85-105MPa，断后延伸率≥28％；n10-20％值≥0.28，90°方向r10％值≥0.55，Δr≤0.2，3个月屈服强度≤120MPa)，烤漆后具有高的强度(屈服强度≥200MPa)，能很好的满足汽车零部件尤其是车门内板及尾盖内板的应用要求；
(2)采用本发明提供的成分和工艺，可以降低合金中Cube和Goss织构组分的含量并改善板材表面Cube和Goss织构的均匀分布，并含有一定量的形变织构。织构组分中比例Cube≤5％、Goss≤1.5％，Brass≥3％，Copper≥2.5％，Q≥10％，晶粒取向呈散漫均匀分布，使合金在10％预应变量下漆刷线性能达到1级，15％预变形量下漆刷线性能达到1-2级，满足主机厂的使用要求。
(3)本发明提供的制备方法是基于工业化设备开发，工艺具备良好的批量操作性，具有高的生产效率，且不增加制造成本。
具体实施方式
下面将结合实施方式对本发明进行详细说明。
术语解释：
重量百分比：某合金成分质量(重量)占总质量的百分比。
织构：晶体在形成过程中，例如金属材料冷热加工和塑性成型过程中，多晶体中的各晶粒就会沿着某些方向有序排列，呈现出或多或少的统计不均匀分布，即出现在某些方向上聚集排列，因而出现在这些方向上取向几率显著增大的现象，这种现象称为择优取向，或称之为织构。其中T4态6xxx铝合金板材中典型的织构如下：P(0 -1 1)[1 2 2]，R(1 2 4)[2 1 1]，Brass(0 1 -1)[2 1 1]，Goss(0 1 1)[1 0 0]，Q(0 -1 3)[2 3 1]，Cube(01 1)[10 0]及Cube RD(0 1 3)[1 0 0]。一般认为Cube和Goss织构的聚集易导致漆刷线的存在，少量形变织构Brass、Copper及随机织构更利于提升漆刷线性能。
首先将纯铝、各种中间合金按表1所示成分进行熔化，然后经精炼处理后利用半连铸设备铸造出铸锭，将铸锭进行切头和铣面后放入热处理炉中进行均匀化热处理，完成均匀化热处理后的铸锭直接出炉热轧；热轧完成后，对所得热轧板材进行一次冷轧；一次冷轧后，对所得一次冷轧板进行在线连续中间退火；完成中间退火后进行二次冷轧；得到的冷轧板材经固溶、淬火、预时效处理制备成品板材。
成品板材在室温停放7天后评价其组织形貌，织构，力学性能及表面漆刷线。
一种高表面质量的6xxx系铝合金板材的制备方法包括如下步骤：
(1)制备所述合金熔体铸锭：按各组成分配比将原料混合后，经进行熔化精炼后，再采用半连续铸造机设备铸造成铸锭；所述高表面质量的6xxx系铝合金板材按重量百分比计，其成分为：Si 1.1-1.5％，Fe 0.05-0.3％，Mg 0.2-0.5％，Mn 0.05-0.2％，Cu≤0.1％，Ti≤0.1wt.％，余量为Al和不可避免的杂质，其中，Mg/Si＝0.15-0.4，Mg+Si＝1.3-2％。
(2)对铸锭均匀化热处理；
(3)将均匀化的铸锭热轧至中间产品，其中热粗轧总道次数≤16，其中第3道次后单道次压下率介于10-35％，最后三个道次单道次压下率介于35-40％，终轧温度为250-300℃；
(4)对所得热轧中间产品进行一次冷轧；
(5)对一次冷轧后的板材进行连续中间退火，采用在线连续退火，升温速率1-5℃/s，退火温度为360-490℃；
(6)对中间退火后板材再进行二次冷轧，冷轧率为30-60％；
(7)对所得冷轧板进行固溶处理，采用在线连续退火，升温速率≥5℃/s，固溶温度500-530℃；
(8)对固溶后板材收卷，进行降温预时效，得到成品板材，其中板材固溶后以＞10℃/s的冷却速度冷却至70-100℃收卷，然后以不高于2℃/h的速度冷到室温。
实施例1
将铝合金原材料按合金1成分进行配比、熔炼铸造出扁锭。将扁锭进行均质处理；将均匀化的铸锭热轧至中间产品，其中热粗轧总道次数9，其中第3道次后单道次压下率20％，最后三个道次单道次压下率40％，终轧温度为250℃；对所得热轧中间产品进行一次冷轧；对一次冷轧后的板材进行连续中间退火，采用在线连续退火，升温速率5℃/s，退火温度为360℃，保温5秒，然后以2℃/s的速度冷却到室温；对中间退火后板材再进行二次冷轧，冷轧率为60％；对所得冷轧板进行固溶处理，采用在线连续退火，升温速率10℃/s，固溶温度530℃，保温1秒；对固溶后板材收卷，进行降温预时效，得到成品板材，其中板材固溶后以10℃/s的冷却速度冷却至100℃收卷，然后以2℃/h的速度冷到室温。
实施例2
将铝合金原材料按合金2成分进行配比、熔炼铸造出扁锭。将扁锭进行均质处理；将均匀化的铸锭热轧至中间产品，其中热粗轧总道次数16，其中第3道次后单道次压下率35％，最后三个道次单道次压下率35％，终轧温度为300℃；对所得热轧中间产品进行一次冷轧；对一次冷轧后的板材进行连续中间退火，采用在线连续退火，升温速率20℃/s，退火温度为430℃，保温30秒，然后以10℃/s的速度冷却到室温；对中间退火后板材再进行二次冷轧，冷轧率为30％；对所得冷轧板进行固溶处理，采用在线连续退火，升温速率50℃/s，固溶温度500℃，保温15秒；对固溶后板材收卷，进行降温预时效，得到成品板材，其中板材固溶后以14℃/s的冷却速度冷却至70℃收卷，然后以1℃/h的速度冷到室温。
实施例3
将铝合金原材料按合金3成分进行配比、熔炼铸造出扁锭。将扁锭进行均质处理；将均匀化的铸锭热轧至中间产品，其中热粗轧总道次数11，其中第3道次后单道次压下率25％，最后三个道次单道次压下率36％，终轧温度为280℃；对所得热轧中间产品进行一次冷轧；对一次冷轧后的板材进行连续中间退火，采用在线连续退火，升温速率15℃/s，退火温度为400℃，保温12秒，然后以8℃/s的速度冷却到室温；对中间退火后板材再进行二次冷轧，冷轧率为40％；对所得冷轧板进行固溶处理，采用在线连续退火，升温速率40℃/s，固溶温度510℃，保温10秒；对固溶后板材收卷，进行降温预时效，得到成品板材，其中板材固溶后以15℃/s的冷却速度冷却至81℃收卷，然后以1℃/h的速度冷到室温。
实施例4
将铝合金原材料按合金4成分进行配比、熔炼铸造出扁锭。将扁锭进行均质处理；将均匀化的铸锭热轧至中间产品，其中热粗轧总道次数12，其中第3道次后单道次压下率30％，最后三个道次单道次压下率39％，终轧温度为280℃；对所得热轧中间产品进行一次冷轧；对一次冷轧后的板材进行连续中间退火，采用在线连续退火，升温速率10℃/s，退火温度为380℃，保温16秒，然后以8℃/s的速度冷却到室温；对中间退火后板材再进行二次冷轧，冷轧率为50％；对所得冷轧板进行固溶处理，采用在线连续退火，升温速率20℃/s，固溶温度520℃，保温10秒；对固溶后板材收卷，进行降温预时效，得到成品板材，其中板材固溶后以12℃/s的冷却速度冷却至90℃收卷，然后以1℃/h的速度冷到室温。
实施例5
将铝合金原材料按合金5成分进行配比、熔炼铸造出扁锭。将扁锭进行均质处理；将均匀化的铸锭热轧至中间产品，其中热粗轧总道次数16，其中第3道次后单道次压下率22％，最后三个道次单道次压下率37％，终轧温度为280℃；对所得热轧中间产品进行一次冷轧；对一次冷轧后的板材进行连续中间退火，采用在线连续退火，升温速率11℃/s，退火温度为380℃，保温11秒，然后以8℃/s的速度冷却到室温；对中间退火后板材再进行二次冷轧，冷轧率为37％；对所得冷轧板进行固溶处理，采用在线连续退火，升温速率21℃/s，固溶温度510℃，保温10秒；对固溶后板材收卷，进行降温预时效，得到成品板材，其中板材固溶后以12℃/s的冷却速度冷却至80℃收卷，然后以1℃/h的速度冷到室温。
实施例1-5所得成品板材晶粒呈等轴状分布，各种织构比例含量都相对较低，织构组分中比例Cube≤5％、Goss≤1.5％，Brass≥3％，Copper≥2.5％，Q≥10％晶粒取向呈散漫均匀分布，表面漆刷线等级为1级；板材成形性能良好，7天(T4P)板材屈服强度在85-105MPa，△r≤0.2，烤漆后屈服强度≥200MPa。
实施例1-5、对比例1-2中铝合金原材料的组分及其质量百分含量见表1。
表1合金成分(wt％)
| Si | Fe | Cu | Mg | Mn | Ti | Al | Mg/Si | Mg+Si | |
| 合金1 | 1.1 | 0.05 | 0.1 | 0.44 | 0.2 | 0.1 | 余量 | 0.4 | 1.54 |
| 合金2 | 1.5 | 0.30 | 0.06 | 0.3 | 0.05 | 0.05 | 余量 | 0.2 | 1.8 |
| 合金3 | 1.3 | 0.15 | 0.08 | 0.5 | 0.1 | 0.02 | 余量 | 0.38 | 1.8 |
| 合金4 | 1.1 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.2 | 0.03 | 余量 | 0.18 | 1.3 |
| 合金5 | 1.3 | 0.1 | 0.1 | 0.45 | 0.1 | 0.02 | 余量 | 0.35 | 1.75 |
对比例1
将铝合金原材料按合金1成分进行配比、熔炼铸造出扁锭，后续制备过程与实施例1不同之处在于没有连续中间退火，直接冷轧至1.15mm厚板材。
对比例2
将铝合金原材料按合金1成分进行配比、熔炼铸造出扁锭，将扁锭均质后按照实施例1的加工步骤生产，但区别在于对比例2的热粗轧道次为23，轧至6mm，其中终轧温度350℃且固溶温度为560℃。
对比例3
将铝合金原材料按合金5成分进行配比、熔炼铸造出扁锭，后续制备过程与实施例1一致
对比例1无中间退火工艺，板材缺少中间退火过程中发生再结晶过程，由于组织的遗传成品板材Cube、Goss织构体积分数较高。相对于实施例1-4，成品板材组织及织构分布均匀性不如实施例1-4，成品板材Cube、Goss织构沿平行于轧制方向易出现呈带状分布，表面漆刷线等级≥3级。
对比例2热轧道次多，道次变形量小，终轧温度高，导致较高的Cube、Goss织构，表面漆刷线等级≥2级；且固溶温度较高，导致合金T4态屈服强度较高，成形性能下降
对比例3合金Mg/Si质量比为0.94，超过本发明要求的Mg/Si＝0.25-0.35，固溶后合金中有效Mg、Si原子含量增多，初始屈服强度升高，合金成形性能下降。
表2给出了实施例、对比例的7天板材的拉伸性能、烤漆性能(2％预拉伸+185℃×20min)。表3给出了各实施例、对比例的3个月板材的拉伸性能、烤漆性能(2％预拉伸+185℃×20min)。表4给出了各实施例、对比例的不同应变量下漆刷线的性能。表5给出了各实施例、对比例的合金板材表面典型织构及含量。
相比于实施例1-4合金性能，对比例1合金具有更高的烤漆强度，但其初始屈服强度较高，难以满足内板高成形的要求，并且漆刷线性能查，对有裸露的内板也不适用。
实施例1-4合金的平均晶粒尺寸分布在25-35μm范围内，立方取向晶粒分数分布在3-7％范围内，可以保证合金板材具有良好的成形性能和表面质量。
以上实施例1-4和对比例1-2的结果表明，采用本发明能够获得一种兼顾成形、高表面质量的汽车用6系铝合金板材，T4P时具有良好的成形性能，同时又具有良好的表面性能，烤漆后具有较高的强度，能用于制造汽车外覆盖件，尤其适用成形性能要求较高的车门内板及尾盖内板，通过强度提高实现材料减薄轻量化。
表2各实施例和对比例的合金90°方向板材7天拉伸性能
表3各实施例和对比例的合金90°方向板材3个月拉伸性能
表4各实施例和对比例的合金90°方向板材7天漆刷线性能
| 合金 | 预拉伸量10％ | 预拉伸量15％ |
| 实施例1 | 1级 | 1级 |
| 实施例2 | 1级 | 1级 |
| 实施例3 | 1级 | 2级 |
| 实施例4 | 1级 | 2级 |
| 实施例5 | 1级 | 2级 |
| 对比例1 | 4级 | 4级 |
| 对比例2 | 2级 | 3级 |
| 对比例3 | 2级 | 2级 |
表5各实施例和对比例的合金板材表面典型织构及含量(％)
| 合金 | Cube | Goss | Brass | Copper | Q |
| 实施例1 | 2.8 | 1.1 | 4.2 | 3.5 | 12.8 |
| 实施例2 | 3.2 | 1.2 | 3.5 | 2.9 | 12.1 |
| 实施例3 | 4.5 | 1.4 | 3.2 | 2.8 | 11.5 |
| 实施例4 | 4.1 | 1.3 | 3.0 | 3.1 | 10.9 |
| 实施例5 | 4.3 | 1.1 | 3.4 | 3.3 | 11.9 |
| 对比例1 | 18.2 | 14.4 | 0.6 | 2.4 | 5.6 |
| 对比例2 | 8.5 | 4.6 | 1.2 | 1.8 | 9.6 |
| 对比例3 | 5.6 | 1.5 | 2.8 | 2.6 | 9.5 |
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种高成形、高表面质量的6系铝合金，其特征在于，其组分及各组分的质量百分含量为：Si 1.1-1.5％，Fe 0.05-0.3％，Mg 0.2-0.5％，Mn 0.05-0.2％，Cu≤0.1％，Ti≤0.1wt.％，余量为Al和不可避免的杂质，其中，Mg/Si＝0.15-0.4，Mg+Si＝1.3-2％。
2.一种制备如权利要求1所述的6系铝合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)制备合金熔体铸锭；
(b)对铸锭进行均匀化热处理；
(c)将均匀化的铸锭热轧至中间产品；
(d)对所得热轧中间产品进行一次冷轧；
(e)对一次冷轧后的板材进行连续中间退火；
(f)对中间退火后板材再进行二次冷轧；
(g)对所得冷轧板进行固溶处理；
(h)对固溶后板材进行降温预时效，得到成品板材。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(c)中的热粗轧总道次数为9-16次，其中第3道次后单道次压下率介于20-35％，最后三个道次单道次压下率介于35-40％，终轧温度为250-300℃。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(e)中采用在线连续退火，升温速率为5-20℃/s，退火温度为360-430℃，保温5-30秒，然后以2-10℃/s的速度冷却至室温。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(f)中冷轧率为30-60％。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(g)中固溶处理采用在线连续退火，升温速率为10-50℃/s，固溶温度为500-530℃，保温时间为1-15秒。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(h)中，板材固溶后以10℃/s以上的冷却速度冷却至70-100℃收卷，然后以不高于2℃/h的速度冷到室温。
8.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于织构组分中比例Cube≤5％、Goss≤1.5％，Brass≥3％，Copper≥2.5％，Q≥10％晶粒取向呈散漫均匀分布，表面漆刷线等级为1级；板材成形性能良好，7天(T4P)板材屈服强度在85-105MPa，△r≤0.2，烤漆后屈服强度≥200MPa。
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