CN110129597A - 一种耐冲击结构含锆6xxx系铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金及其制备方法，包括成分0.6‑0.8％的Si，＜0.35％的Fe，0.15‑0.25％的Cu，0.1‑0.15％的Mn，0.8‑0.9％的Mg，＜0.1％的Cr，＜0.15％的Zn，＜0.1％的Ti，0.12‑0.17％的Zr，不可避免杂质元素每种＜0.05％，且不可避免杂质元素总量＜0.15％，余量为铝。本发明有更高的热稳定性，能有效抵抗热暴露后的强度衰竭，通用于汽车车体抗碰撞的部位。

Description

一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及有色金属技术领域，更具体的说是一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金及其制备方法。

背景技术

在近代汽车对废气(CO₂)排放限制及持续降低能源耗损的要求，不断促使汽车厂商向轻量化方向快速迈进。其中以铝代钢被认为汽车轻量化最迅速途径。全铝汽车中车壳、车体，已普遍成功采用铝合金轧板，但其中使用铝合金挤压型材的结构件相对比较少，主要如防撞梁、吸能盒、门槛等车身结构件及电动汽车的电池框。此类结构件材料除了须具备较高的机械性能外，尚须良好的抗撞击碎裂、抗腐蚀性、抗热衰竭性及易成形、易焊接性，尤其在汽车碰撞时保持不撕裂且能大量吸收冲击能量以达到保护乘客身命安全的作用。在欧洲工业发达国家已大量使用ENAW-6082及ENAW-6005A等6XXX系铝合金作为工业产品的材料。但这些材料合金成份范围已无法满足现代汽车工业使用材料，尤其各大汽车厂均已设计了一套评估材料及各项性能指标的材料规范，如AUDI-TL116、BMW-WS02003及DAMLER-DML4919。而各材料供应商更全力以赴发展更合适的材料以满足各大汽车厂的要求，因此制式的ENAW-6082、ENAW-6005A均已被排除在选用行列之外，纷纷采用了修正版的ENAW-6082、ENAW-6005A如ENAW-6082加Cr、加Cu及ENAW-6005A加V(6008)等材料来达到更高的耐撞击、高吸能、抗热衰竭特性。而时效处理更由抗张强度较高的尖峰时效T6处理改为以提高屈服强度为主的过时效T7处理来增加延展性以利于通过其中的准静态轴向压溃试验。德国奥迪汽车提出AUDI-TL116材料规范明确要求不同等级屈服强度的铝合金材料，除须具备的常温及热暴露后的机械性能要求：

短周期加热：205℃*1hr长周期加热：150℃*1000hrs还设计了专门断面供测试用的型材经压溃试验后必须形成如手风琴般的规则折叠，不可碎裂。

此外奥迪更将测试用型材断面从双腔单一壁厚的“日”字型材提升到三腔三个壁厚的“品”字型材，其压溃测试具体步骤及要求如下：300mm长型材两端切平，裁切精度在±0.5°以内，竖放在上下两个水平平板之间，不得固定或导引，以100mm/min的压缩速度将型材压到剩100mm后型材须规则折叠，不得出现破裂及严重桔皮，但允许初始裂纹在15mm以内。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金及其制备方法，本发明有更高的热稳定性，能有效抵抗热暴露后的强度衰竭，值得推广以及应用。

为实现以上目的，本发明以Zr代替Cr、Mn，在AA-6061合金基础上作为再结晶抑制剂，并通过以下技术方案予以实现：一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金，包括成分0.6-0.8％的Si，＜0.35％的Fe，0.15-0.25％的Cu，0.1-0.15％的Mn，0.8-0.9％的Mg，＜0.1％的Cr，＜0.15％的Zn，＜0.1％的Ti，0.12-0.17％的Zr，不可避免杂质元素每种＜0.05％，且不可避免杂质元素总量＜0.15％，余量为铝。

进一步的，所述制备方法包括：

备料：以纯金属铝、镁、铜，Al-Si中间合金，Al-Zr中间合金，锰剂、钛硼剂、钛硼丝依合金成份配料准备。

熔铸：将配制好原料投入蓄热式天燃气熔铝炉进行熔炼，先加入金属纯铝，Al-Si、Al-Zr中间合金，熔化后，再加入金属铜；升温到750℃～760℃加入锰剂、铬剂及纯金属镁，俟这些金属搅拌均匀并充分熔化后，升温到750℃～760℃使用颗粒除渣、除气剂及高纯氩气处理铝液10～15分钟，并静置20分钟后进行浇铸。铸造设备为半连续立式自动液压铸造机，浇铸温度在730℃～740℃，全程加入Al-Ti-B丝细化晶粒，并以流槽转子式与双箱式双重线上除氢，最后通过30&50PPI双重陶瓷过滤片后以8英寸同水平热模铸盘浇铸成Φ203mm棒。

均匀化处理：以燃气加热炉进行均匀化处理，在550℃～560℃保温8～10小时后再转至冷却炉强风冷却。

挤压：将均匀化处理后的长棒切成500-700mm的短棒，用直火式燃气炉加热升温到510℃移入2200公吨正向挤压机，以挤压比25.3，主缸速度1.5～2.5mm/s挤出型材。

在线淬火：型材挤出出口保持温度达到520℃～545℃，将刚挤出的型材穿过水槽进行线上淬水以达到材料T4固溶处理效果。

时效处理：将处理后的型材在室温停放48小时后分别进行尖峰时效处理及过时效处理。

进一步的，所述步骤f中尖峰时效处理温度为175℃，恒温保持8个小时，过时效处理温度为190℃～210℃恒温保持4-7小时。

进一步的，所述制成的合金尖峰时效、过时效和短周期加热后的抗张强度需要不小于305Mpa，尖峰时效、过时效和短周期加热后的屈服强度需在281-320Mpa之间，尖峰时效、过时效和短周期加热后的延伸率需不小于10％，另外经长周期加热后的屈服强度不小于265Mpa，以符合奥迪汽车TL116-C28的材料规范需求。

更进一步的，所述制成的铝合金通用于汽车车体抗碰撞的部位。

本发明提供了一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金及其制备方法,具备以下有益效果：

本发明有更高的热稳定性，能有效抵抗热暴露后的强度衰竭，值得推广以及应用。

附图说明

图1为本发明合金挤压成三腔三厚度型材压溃测试前的横截面；

图2为ENAW-6082对比合金时效处理后型材压溃测试合格样件；

图3为AA-6061对比合金时效处理后型材压溃测试不合格样件；

图4为本发明合金时效处理后型材压溃测试合格样件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金，包括成分0.6-0.8％的Si，＜0.35％的Fe，0.15-0.25％的Cu，0.1-0.15％的Mn，0.8-0.9％的Mg，＜0.1％的Cr，＜0.15％的Zn，＜0.1％的Ti，0.12-0.17％的Zr，不可避免杂质元素每种＜0.05％，且不可避免杂质元素总量＜0.15％，余量为铝。

所述制备方法包括：

备料：以纯金属铝、镁、铜，Al-Si中间合金，Al-Zr中间合金，锰剂、钛硼剂、钛硼丝依合金成份配料准备。

熔铸：将配制好原料投入蓄热式天燃气熔铝炉进行熔炼，先加入金属纯铝，Al-Si、Al-Zr中间合金，熔化后，再加入金属铜；升温到750℃～760℃加入锰剂及纯金属镁，俟这些金属搅拌均匀并充分熔化后，升温到750℃～760℃使用颗粒除渣、除气剂及高纯氩气处理铝液10～15分钟，并静置20分钟后进行浇铸。铸造设备为半连续立式自动液压铸造机，浇铸温度在730℃～740℃，全程加入Al-Ti-B丝细化晶粒，并以流槽转子式与双箱式双重线上除氢，最后通过30&50PPI双重陶瓷过滤片后以8英寸同水平热模铸盘浇铸成Φ203mm棒。

均匀化处理：以燃气加热炉进行均匀化处理，在550℃～560℃保温8～10小时后再转至冷却炉强风冷却。

挤压：将均匀化处理后的长棒切成500-700mm的短棒，用直火式燃气炉加热升温到510℃移入2200公吨正向挤压机，以挤压比25.3，主缸速度1.5～2.5mm/s挤出型材。

在线淬火：型材挤出出口保持温度达到520℃～545℃，将刚挤出的型材穿过水槽进行线上淬水以达到材料T4固溶处理效果。

时效处理：将处理后的型材在室温停放48小时后分别进行尖峰时效处理及过时效处理。

实施例1：

a.备料：依据本发明合金成分范围，以纯金属铝、镁、铜，Al-Si中间合金，Al-Zr中间合金，锰剂、钛硼剂、钛硼丝,依成分0.71％的Si，0.16％的Fe，0.21％的Cu，0.13％的Mn，0.83的Mg，0.017％的Cr，0.02％的Zn，0.03％的Ti，0.15％的Zr，不可避免杂质元素每种＜0.05％，且不可避免杂质元素总量＜0.15％，余量为铝成份配料准备。

b.熔铸：将配制好原料投入蓄热式天燃气熔铝炉进行熔炼，先加入金属纯铝，Al-Si、Al-Zr中间合金，熔化后，再加入金属铜；升温到750℃～760℃加入锰剂及纯金属镁，俟这些金属搅拌均匀并充分熔化后，升温到750℃～760℃使用颗粒除渣、除气剂及高纯氩气处理铝液10～15分钟，并静置20分钟后进行浇铸。铸造设备为半连续立式自动液压铸造机，浇铸温度在730℃～740℃，全程加入Al-Ti-B丝细化晶粒，并以流槽转子式与双箱式双重线上除氢，最后通过30&50PPI双重陶瓷过滤片后以8英寸同水平热模铸盘浇铸成Φ203mm棒。

c.均匀化处理：以燃气加热炉进行均匀化处理，在550℃～560℃保温8～10小时后再转至冷却炉强风冷却。

d.挤压：将均匀化处理后的长棒切成500-700mm的短棒，用直火式燃气炉加热升温到510℃移入2200公吨正向挤压机，以挤压比25.3，主缸速度1.5～2.5mm/s挤出型材。

e.在线淬火：型材挤出出口保持温度达到520℃～545℃，将刚挤出的型材穿过水槽进行线上淬水以达到材料T4固溶处理效果。

f.时效处理：将处理后的型材在室温停放48小时后分别进行尖峰时效处理及过时效处理。

g.检测：将过时效处理完成的型材依据TL116要求分别以205℃*1hr之短周期加热及150℃*1000hrs之长周期加热后进行常温机械性能测定。

分别得到制成的合金尖峰时效、过时效、短周期加热和长周期加热后的抗张强度分别为331Mpa、323Mpa、322Mpa和314Mpa，尖峰时效、过时效、短周期加热后和长周期加热后的屈服强度分别为309Mpa、292Mpa、291Mpa和279Mpa，尖峰时效、过时效、短周期加热后和长周期加热后的延伸率分别为13％、13.7％、14.2％和16.3％，均符合奥迪汽车TL116-C28的材料规范需求。

对比例1：

根据ENAW-6082材料要求生产材料进行对比试验，备料：以纯金属铝、镁，Al-Si中间合金，锰剂，钛硼剂，钛硼丝，依成分0.91％的Si，0.14％的Fe，0.03％的Cu，0.72％的Mn，0.76的Mg，0.01％的Cr，0.02％的Zn，0.03％的Ti，不可避免杂质元素每种＜0.05％，且不可避免杂质元素总量＜0.15％，余量为铝。再依照实施例1的相同步骤b-g进行实施，分别得到制成的合金尖峰时效、过时效、短周期加热后和长周期加热后的抗张强度分别为335Mpa、302Mpa、296Mpa和245Mpa，尖峰时效、过时效、短周期加热后和长周期加热后的屈服强度分别为316Mpa、271Mpa、266Mpa和199Mpa，尖峰时效、过时效、短周期加热后和长周期加热后的延伸率分别为14.3％、14.7％、16.9％和18.5％。

对比例2：

根据AA6061材料要求生产材料进行对比试验，备料：以纯金属铝、镁、铜，Al-Si中间合金，铬剂，钛硼剂，钛硼丝，依成分0.6％的Si，0.14％的Fe，0.23％的Cu，0.02％的Mn，0.92的Mg，0.05％的Cr，0.02％的Zn，0.03％的Ti，不可避免杂质元素每种＜0.05％，且不可避免杂质元素总量＜0.15％，余量为铝成份配料准备。再依照实施例1相同的步骤b-g进行实施，分别得到制成的合金尖峰时效、过时效、短周期加热后和长周期加热后的抗张强度分别为321Mpa、309Mpa、308Mpa和296Mpa，尖峰时效、过时效、短周期加热后和长周期加热后的屈服强度分别为284Mpa、279Mpa、278Mpa和270Mpa，尖峰时效、过时效、短周期加热后和长周期加热后的延伸率分别为14.5％、17.8％、18.1％和18.2％。

结合上述实施例进行数据对比，如表：

本发明合金与对比合金成份对照表：(单位％)

测试后品字形型材各状态机械性能与TL116-C28要求对照表：

以上实施例和对比例三种合金型材依据“背景技术”的TL116-C28型材各个状态机械性能要求及TL116压溃测试具体步骤与要求进行压溃测试后分别得到以下结论：综上所述，本发明铝合金挤压型材在各状态下的机械性能均已合乎TL116-C28之要求。本发明合金实施例品字型材依TL116要求条件经压溃测试后能规则折叠、且折叠表面光滑细致、各角落S型折叠处未见粗糙起皱。所有初始裂纹可控制在15mm以内完全达到TL116对压溃测试的要求；

对比例1中ENAW-6082合金挤压型材虽然也通过TL116的压溃测试要求，但其短周期及长周期加热后屈服强度分别降到266 Mpa及199Mpa已经不能符合TL116-C28屈服强度281Mpa以上及265Mpa以上的要求，热稳定性差且热衰竭明显；

对比例2中AA-6061合金挤压型材，与对比例1的ENAW-6082的挤压型材相反，其短周期及长周期加热后屈服强度分别为278Mpa及270Mpa，虽然热稳定性可以，热衰竭不明显，但是在压溃测试后碎裂严重，难以满足TL116对压溃测试的要求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金，包括成分0.6-0.8％的Si，＜0.35％的Fe，0.15-0.25％的Cu，0.1-0.15％的Mn，0.8-0.9％的Mg，＜0.1％的Cr，＜0.15％的Zn，＜0.1％的Ti，0.12-0.17％的Zr，不可避免杂质元素每种＜0.05％，且不可避免杂质元素总量＜0.15％，余量为铝。

2.一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括：

a.备料：以纯金属铝、镁、铜，Al-Si中间合金，Al-Zr中间合金，锰剂、钛硼剂、钛硼丝依合金成份配料准备。

b.熔铸：将配制好原料投入蓄热式天燃气熔铝炉进行熔炼，先加入金属纯铝，Al-Si、Al-Zr中间合金，熔化后，再加入金属铜；升温到750℃～760℃加入锰剂及纯金属镁，俟这些金属搅拌均匀并充分熔化后，升温到750℃～760℃使用颗粒除渣、除气剂及高纯氩气处理铝液10～15分钟，并静置20分钟后进行浇铸。铸造设备为半连续立式自动液压铸造机，浇铸温度在730℃～740℃，全程加入Al-Ti-B丝细化晶粒，并以流槽转子式与双箱式双重线上除氢，最后通过30&50PPI双重陶瓷过滤片后以8英寸同水平热模铸盘浇铸成Φ203mm棒。

c.均匀化处理：以燃气加热炉进行均匀化处理，在550℃～560℃保温8～10小时后再转至冷却炉强风冷却。

d.挤压：将均匀化处理后的长棒切成500-700mm的短棒，用直火式燃气炉加热升温到510℃移入2200公吨正向挤压机，以挤压比25.3，主缸速度1.5～2.5mm/s挤出型材。

e.在线淬火：型材挤出出口保持温度达到520℃～545℃，将刚挤出的型材穿过水槽进行线上淬水以达到材料T4固溶处理效果。

f.时效处理：将处理后的型材在室温停放48小时后分别进行尖峰时效处理及过时效处理。

3.根据权利要求2所述的一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤f中尖峰时效处理温度为175℃，恒温保持8个小时，过时效处理温度为190℃～210℃恒温保持4-7小时。

4.根据权利要求2所述的一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金的制备方法，其特征在于：所述制成的合金尖峰时效、过时效和短周期加热后的抗张强度需要不小于305Mpa，尖峰时效、过时效和短周期加热后的屈服强度需在281-320Mpa之间，尖峰时效、过时效和短周期加热后的延伸率需不小于10％，另外经长周期加热后的屈服强度不小于265Mpa，需符合奥迪汽车TL116-C28的材料规范需求。

5.根据权利要求1所述的一种耐冲击结构含锆6XXX系铝合金,其特征在于：所述制成的铝合金通用于汽车车体抗碰撞的部位。