CN108642331A - 一种用于汽车板的6181铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于汽车板的6181铝合金的制备方法，原料包括如下按重量百分比计的组分：Si：0.7%~1%、Fe：≤0.01%、Cu：≤0.1%、Mn：0.1%~0.18%、Mg：0.7%~0.9%、Sr：0.02%~0.04%，其它杂质的单个含量不大于0.02%，总量不大于0.1%，Al余量。将组分原料经过熔炼、连续铸轧制得坯料、均匀化处理、一次冷轧至中间退火厚度、中间退火、二次冷轧、时效处理后得到所述用于汽车板的6181铝合金。本发明的成分配比及工艺方法通过微合金化调整成分，通过固溶，人工时效、复合预处理等工艺的优化，大大提高了合金的力学性能与成形性能，完全满足汽车板的使用要求。

Description

一种用于汽车板的6181铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于汽车板用铝合金及其制备技术领域，更具体地，涉及一种用于汽车板的6181铝合金及其制备方法。
背景技术
目前，汽车车身用铝板带主要包括2000系（Al-Cu-Mg系）、5000系（Al-Mg系）以及6000系（Al-Mg-Si系）等三大系列铝合金。
2000系（Al-Cu系）铝合金属是一种可热处理强化型铝合金，具有良好的焊接性能，较高的强硬度。在时效过程中，能够析出CuMgAl2和CuAl2等强化相，从而提高合金的强度。但是，由于该系合金中Cu元素含量较高，其耐蚀性能相比其他合金系列的车身板铝合金差，易发生点蚀、剥落腐蚀、腐蚀开裂等现象，且在烤漆硬化过程的时效硬化能力较弱，这些因素都限制了2000系铝合金汽车车身板材在的工业应用。例如AA2008的主要强化相为CuMgAl2，该合金的时效析出相形核较为困难，时效硬化能力偏低，主要应用于内板。
5000系(Al-Mg系)铝合金主要是通过Mg原子在铝基体中固溶强化及细晶强化共同作用来提高合金强度，属于热处理不可强化型铝合金。5000系铝合金在成形性能、抗腐蚀性能和焊接性能表现非常优越，但退火状态下的5000系铝合金，在加工变形过程中可能产生吕德斯带和延迟屈服，板材表面容易起皱，影响板材的表面质量，甚至在烤漆后仍不能完全消除，不能够满足车身外板的表面质量要求。并且其强度比2000系和6000系低，在烤漆过程中还可能出现软化现象，主要用于对表面质量要求不太严格，形状复杂的汽车车身内板。目前，HANV金属公司开发的HVNV5182-O材料、美国ALCOA公司开发的X5082-O及5182-O材料已用于汽车车身内板。
6000系（Al-Mg-Si系）铝合金是一种热处理可强化型铝合金。该系合金具有较高的强度、塑性和耐腐蚀性能好、易着色、便与回收等优异特性。其主要合金元素为Mg、Si元素，在烤漆过程中形成等沉淀析出强化相。显著的提高了材料的强度。相对于2000系及5000系铝合金，6000系铝合金汽车板最大的优点就是该系铝合金具有相对良好的塑性和冲压成形性能。产品在最后的烤漆处理过程中通过时效强化获得较高的强度，从而满足汽车车身板的抗凹性能要求。因此，6000系铝合金被广泛应用于汽车车身内外层板。目前存在的问题是其T4以及T4P状态基本处于理论状态，而且自然时效状态下，产品烤漆之后的强度提升大大降低。同时该系列合金，整体晶粒组织偏大会导致综合性能变差。
6181铝合金板材可作为车身外板、成为汽车轻量化的首选材料。然而，传统生产方式主要采用半连续铸造-热轧的方式生产坯料，整体流程非常长，需要经过铸造、冷却、铣面、均热、轧制、切头尾等一系列工序，由于以上诸多工序的存在，导致成本非常高、能耗非常大。由于是非连续性逐块生产，导致后续生产过程中需要切除头尾，整体成材率比较低，常规条件下只有70%的成材率。
连续铸轧技术作为一种连续性生产坯料的技术，目前在3系(Al-Mn)铝合金上面已经得到成熟的应用，广泛用于幕墙板、空调铝箔、翅片铝箔的生产。但由于其凝固区短，在生产高Mg，高Si等合金材料过程中，铸轧难度大大增加，容易导致立板难度大、粘板、边部开裂、表面不规则花纹等缺陷，这限制了连续铸轧技术在高难合金上面的使用。
连续铸轧技术在6181合金上面的应用难以开展的重要原因是其特有的偏析现象：合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。主要分为晶内偏析与宏观偏析两种，晶内偏析，又叫树枝晶偏析。其特征是在一个晶粒范围内，晶内和晶界处的化学成分不一致，熔点高的组元往往多分布于晶内，而熔点低的组元则往往多分布于晶界。宏观偏析主要是指晶粒之间的成分存在差异。此现象是铸造过程的固有缺陷，但是由于连续铸轧是铸轧与轧制成形一体，冷却速度非常快，导致过冷度大，因此偏析程度特别大。偏析会导致轧制过程中容易开裂，以及成品性能不均匀现象，是一个较为严重的工艺缺陷，这也是影响该技术在高品质铝板带用途方面广泛推广的重要原因之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于汽车板的6181铝合金及其制备方法。
针对汽车板用途，选取连续铸轧工艺，通过调整铸轧工艺，弥补了现有合金材料的连续铸轧方面的不足，同时铸轧过程采用电磁干预的方式，大大降低偏析现象，并且在6181合金的基础上通过微合金化调整成分，通过固溶，人工时效、预处理等工艺的优化，弥补了现有合金材料的不足，设计开发出了本专利权限要求的铝合金（6181A牌号的铝合金板材），弥补现有合金的技术弱点，进行专利申请。其具有比6016铝合金板材更高的屈服强度，同时拥有较佳的成形性能。是一款优良的汽车外板材料，并且由于其成分和外板元素大致相同，从而，能够有效提高合金的可回收性能，可以用于代替5182和5754用作车身内板。
本发明的上述技术目的通过以下技术方案实现：
一种用于汽车板的6181铝合金的制备方法，原料包括如下按重量百分比计的组分：
Si：0.7%~1%、 Fe：≤0.01%、 Cu：≤0.1%、 Mn：0.1%~0.18%、Mg：0.7%~0.9%、Sr：0.02%~0.04%，其它杂质的总量不大于0.1%，Al余量；
具体制备包括如下步骤：
S1.将组分原料经过熔炼、连续铸轧制得坯料，铸轧的速度为0.70~0.80m/min、浇铸温度为685~695℃，铸轧时使用电磁场干预；脉冲电流频率为18~20%，占空比为20~23%，静磁场磁感应强度为21~24mT；
S2.均匀化处理，采用双级均热工艺，处理如下（440~480）℃×（3~10）h→ （520~550）℃×（14~20）h→ 空冷；
S3.冷轧至中间退火厚度；
S4.中间退火：金属保温温度控制在310~360℃，金属保温2~4小时；
S5.将成品轧制，轧制后在540~560 ℃× 35~45 min下进行固溶，然后进行水淬，水温为20~25℃；
S6.预时效处理：进行1.5~2.5%的预拉伸处理，然后立即进行120~160℃*5~15min预时效处理；
S7.时效处理：在25℃条件下保存14天。
优选地，步骤S1中坯料的厚度为6.0~8.0mm。
优选地，步骤S5中轧制至1.0~1.2mm厚度，厚度公差控制≤±1%。
优选地，步骤S3中单道次加工率控制在35~45%，成品厚度公差±1%。
优选地，步骤S3中，冷轧至厚度为1.4~1.7mm。
优选地，原料中其他杂质的单个含量不大于0.02%。
本发明的技术解决方案之一是通过微合金（添加适量Mn，Sr元素）化优化合金力学性能以及冲压成型性能，通过改善优化固溶工艺，通过开发出预拉伸与人工时效的复合预处理工艺，降低合金T4P状态屈服强度，提升烘烤后的强度，从而开发出符合汽车板用铝合金。
添加适量Mn元素改善合金性能：添加Mn元素之后，Mn元素部分代替Fe元素，促使针状β-Al-Fe-Si相溶解、断裂，转变成细小弥散的颗粒状的α-Al（Mn，Fe）相，一方面能够有效的抑制合金在固溶处理过程中的再结晶和晶粒长大过程，从而起到细化晶粒的作用。另一方面还能够为合金的主要强化析出相提供形核点，促进主要强化相的弥散析出，使得合金的成形性能及力学性能都得到一定程度的提高；经过研究6181A铝合金添加0.10%~0.18%Mn元素，合金成形性能能得到提升。
添加适量Sr元素改善合金性能：添加Sr元素之后，Sr元素作为“表面活性元素”，加入铝基体中，首先，能够产生微合金化作用，改变合金中的热力学平衡，使得Si、Mn等合金元素减少在晶界的偏聚，最终使晶粒细化。同时能够使得β-AlFeSi转变成α-AlFeSi，从而产生细晶强化，弥散强化，使得合金变形更加均匀。从而使得合金的强度和塑性都得到提高。另一方面，加入Sr能够改变β″的析出动力学，降低析出温度和激活能，形成细小弥散的β″，提高合金的时效硬化性能。
双辊薄带铸轧工艺能够减少加热、铣面和反复轧制等复杂工序，极大简化了传统薄带生产工艺流程，缩短了生产周期，因此能有效降低企业生产成本、节约自然资源并减少污染物排放，符合当下低碳环保的经济发展趋势。
连续稳定地生产可以使生产达到高效、高产的效果。较好的避免了热轧后的切头切尾，使成材率有了15~20%的提高。
开拓性的使用电磁复合场干预凝固行为：不同强度的稳恒磁场和脉冲电流组成的复合场被加入到铸轧过程中，复合场对板坯中心偏析有较好的抑制效果，其中，脉冲电流频率为18～20%，占空比为20～23%，静磁场磁感应强度为21～24mT范围内效果良好。
铸轧工艺优化生产高合金含量6系铸轧铝合金：通过铸轧速度(0.7~0.8m/min)、浇铸温度(685~695摄氏度)的合理控制，能够生产出符合要求的6系铸轧铝合金坯料。
高温固溶工艺的确立：确立了（540~560）℃×35~45 min为6181铝合金冷轧薄板的最佳固溶处理工艺。在490 ℃到590 ℃的温度范围内，随着固溶温度的升高合金组织内的可溶结晶相逐渐减少，再结晶比例及晶粒尺寸逐渐增加，合金T6态的强度及延伸率均呈先上升后下降的趋势。当固溶温度为（540~560）℃时，达到较高值。
人工时效与预拉伸复合处理工艺：开发出复合预处理工艺，先进行（1.5~2.5）%的预拉伸，然后立即进行（120~160）℃*（5~15）min的预时效处理，可以强烈抑制自然时效，并提高合金的烘烤硬化性能，获得综合性能更优的合金板材，此时，含0.15%Mn元素的6181A铝合金T4P态的屈服强度仅为159 MPa，T8X态的屈服强度达到323 MPa.
相对于现有技术，本发明具有如下的优点及效果：
本发明的成分配比及工艺方法通过微合金化调整成分，通过固溶，人工时效、复合预处理等工艺的优化，大大提高了合金的力学性能与成形性能，完全满足汽车板的使用要求。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
原料组成如下：
制备方法如下：
（1）按照上合金成分使用99.7%铝锭进行调配，成分不足部分使用中间合金进行微调，经熔炼、连续铸轧制得坯料，坯料厚度7.5mm。铸轧速度0.79m/min、浇铸温度690℃。铸轧区使用电磁场干预，具体参数为：脉冲电流频率为19%，占空比为22%，静磁场磁感应强度为24mT。
（2）均热过程中，坯料采用双级均热工艺，具体如下 460℃×4h→ 535 ℃×16h→空冷。
（3）冷轧轧至1.4mm厚度，冷轧总道次数量4，成品厚度公差±1%。
（4）中间退火：金属保温温度控制在350℃，金属保温2小时。
（5）成品轧制至1.0厚度，厚度公差控制≤±1%。
（6）固溶淬火处理工艺：550 ℃× 40 min，然后进行水淬，水温20℃。
（7）复合预处理工艺：进行2%的预拉伸处理，然后立即进行150℃*10min预时效处理。
（8）自然时效工艺：常温25℃条件下保存14天。
对比例1~7：
首先，按国际标准的5182牌号铝合金做出对比例1，超出本发明的工艺条件以“#”示之。按常规成分以及工艺做出6181合金对比例2～7。
5182铝合金对比例1：
材料的化学成分（WT%）如下：
（1）按上述合金成分进行配料，采用99.7%电解铝锭，配合Mg锭以及其他中间合金进行配料。经过熔炼、精炼、除渣、搅拌、分析和调整成分后进入静置炉，静置、精炼、除气、除渣、在铝液中加入Al-5Ti-1B丝后进入铸造机铸造成铸锭。对铸锭表面进行铣削。
（2）对铸锭进行均热，铸锭的保温温度560℃，铸锭保温时间为7小时。热轧的开轧温度控制在510℃，终轧温度控制在270℃，热轧坯料的厚度为6.0mm，热轧总道次数量29。
（3）热轧坯料通过冷轧轧至1.0mm厚度，冷轧总道次数量5，成品厚度公差±1%。
（4）成品退火温度310℃，保温时间4小时。
（5）拉弯矫倒卷过程中，延伸率控制在0.03%，单位张力8Mpa。
对比例2:
（1）按照上合金成分使用99.7%铝锭进行调配，成分不足部分使用中间合金进行微调，经熔炼、连续铸轧制得坯料,坯料厚度7.5mm。铸轧速度0.79m/min、浇铸温度690℃。铸轧区不使用电磁场干预(#)。
（2）均热过程中，坯料采用双级均热工艺，具体如下 460℃×4h→ 535 ℃×16h→空冷。
（3）冷轧轧至1.4mm厚度，冷轧总道次数量4，成品厚度公差±1%。
（4）中间退火：金属保温温度控制在350℃，金属保温2小时。
（5）成品轧制至1.0厚度，厚度公差控制≤±1%。
（6）固溶淬火处理工艺：550 ℃× 40 min。然后进行水淬，水温20℃。
（7）复合预处理工艺：进行2%的预拉伸处理，然后立即进行150℃*10min预时效处理。
（8）自然时效工艺：常温25℃条件下保存14天。
对比例3:
（1）按照专利所述合金成分使用99.7%铝锭进行调配，不添加Mn、Sr元素（#），成分不足部分使用中间合金进行微调，经熔炼、连续铸轧制得坯料，坯料厚度7.5mm。铸轧速度0.75m/min、浇铸温度687℃。铸轧区使用电磁场干预,具体参数为:脉冲电流频率为18%，占空比为20%，静磁场磁感应强度为22mT。
（2）均热过程中，坯料采用双级均热工艺，具体如下 460℃×4h→ 535 ℃×16h→空冷。
（3）冷轧轧至1.4mm厚度，冷轧总道次数量4，成品厚度公差±1%。
（4）中间退火：金属保温温度控制在340℃，金属保温3小时。
（5）成品轧制至1.0厚度，厚度公差控制≤±1%。
（6）固溶处理工艺：550 ℃× 40 min。固溶淬火处理工艺：550 ℃× 40 min。然后进行水淬，水温20℃。
（7）复合预处理工艺：先进行2%的预拉伸，然后立即进行150℃*6min的预时效处理。
（8）自然时效工艺：常温25℃条件下保存14天。
对比例4:
（1）按照专利所述合金成分使用99.7%铝锭进行调配得到表中成分，成分不足部分使用中间合金进行微调，经熔炼、连续铸轧制得坯料，坯料厚度7.0mm。铸轧速度0.76m/min、浇铸温度687℃。铸轧区使用电磁场干预,具体参数为:脉冲电流频率为19%，占空比为20%，静磁场磁感应强度为23mT。
（2）均热过程中，坯料采用双级均热工艺，具体如下 460℃×4h→ 535 ℃×16h→空冷。
（3）冷轧轧至1.45mm厚度，冷轧总道次数量4，成品厚度公差±1%。
（4）中间退火：金属保温温度控制在330℃，金属保温4小时。
（5）成品轧制至1.0厚度，厚度公差控制≤±1%。
（6）固溶淬火处理工艺：590℃（#）× 40 min，然后进行水淬，水温20℃。
（7）复合预处理工艺：先进行2.2%的预拉伸，然后立即进行125℃*6min的预时效处理。
（8）自然时效工艺：常温25℃条件下保存14天。
对比例5:
（1）按照专利所述合金成分使用99.7%铝锭进行调配得到表中成分，成分不足部分使用中间合金进行微调，经熔炼、连续铸轧制得坯料，坯料厚度6mm。铸轧速度0.79m/min、浇铸温度689℃。铸轧区使用电磁场干预，具体参数为：脉冲电流频率为19%，占空比为22%，静磁场磁感应强度为23mT。
（2）均热过程中，坯料采用双级均热工艺，具体如下 460℃×4h→ 535 ℃×16h→空冷。
（3）冷轧轧至1.6mm厚度，冷轧总道次数量3，成品厚度公差±1%。
（4）中间退火：金属保温温度控制在350℃，金属保温2小时。
（5）成品轧制至1.0厚度，厚度公差控制≤±1%。
（6）固溶淬火处理工艺：550 ℃× 40 min。然后进行水淬，水温20℃。
（7）复合预处理工艺：不进行预拉伸与预时效工艺（#）。
（8）自然时效工艺：常温25℃条件下保存14天。
对比例6:
（1）按照专利所述合金成分使用99.7%铝锭进行调配得到表中成分，成分不足部分使用中间合金进行微调，经熔炼、连续铸轧制得坯料，坯料厚度6mm。铸轧速度0.76m/min、浇铸温度688℃。铸轧区使用电磁场干预,具体参数为：脉冲电流频率为19%，占空比为23%，静磁场磁感应强度为24mT。
（2）均热过程中，坯料采用双级均热工艺，具体如下 460℃×4h→ 535 ℃×16h→空冷。
（3）冷轧轧至1.6mm厚度，冷轧总道次数量3，成品厚度公差±1%。
（4）中间退火：金属保温温度控制在350℃，金属保温2小时。
（5）成品轧制至1.0厚度，厚度公差控制≤±1%。
（6）固溶淬火处理工艺：550 ℃× 40 min。然后进行水淬，水温20℃。
（7）复合预处理工艺：不进行预拉伸，只进行150℃*6min的预时效处理（#）。
（8）自然时效工艺：常温25℃条件下保存14天。
对比例7:
（1）按照专利所述合金成分使用99.7%铝锭进行调配得到表中成分，成分不足部分使用中间合金进行微调，经熔炼、连续铸轧制得坯料，坯料厚度6mm。铸轧速度0.77m/min、浇铸温度690℃。铸轧区使用电磁场干预，具体参数为：脉冲电流频率为20%，占空比为21%，静磁场磁感应强度为23mT。
（2）均热过程中，坯料采用双级均热工艺，具体如下 460℃×4h→ 535 ℃×16h→空冷。
（3）冷轧轧至1.6mm厚度，冷轧总道次数量3，成品厚度公差±1%。
（4）中间退火：金属保温温度控制在350℃，金属保温2小时。
（5）成品轧制至1.0厚度，厚度公差控制≤±1%。
（6）固溶淬火处理工艺：550 ℃× 40 min。然后进行水淬，水温20℃。
（7）复合预处理工艺：不进行预时效处理，只进行2%的预拉伸处理（#）。
（8）自然时效工艺：常温25℃条件下保存14天。
上述对比例与实施例废料使用比例与成品参数对比见下表：

Claims (8)

1.一种用于汽车板的6181铝合金的制备方法，其特征在于，原料包括如下按重量百分比计的组分：
Si：0.7%~1%、 Fe：≤0.01%、 Cu：≤0.1%、 Mn：0.1%~0.18%、Mg：0.7%~0.9%、Sr：0.02%~0.04%，其它杂质的总量不大于0.1%，Al余量；
具体制备包括如下步骤：
S1.将组分原料经过熔炼、连续铸轧制得坯料，铸轧的速度为0.70~0.80m/min、浇铸温度为685~695℃，铸轧时使用电磁场干预；脉冲电流频率为18~20%，占空比为20~23%，静磁场磁感应强度为21~24mT；
S2.均匀化处理，采用双级均热工艺，处理如下（440~480）℃×（3~10）h→ （520~550）℃×（14~20）h→ 空冷；
S3.冷轧至中间退火厚度；
S4.中间退火：金属保温温度控制在310~360℃，金属保温2~4小时；
S5.将成品轧制，轧制后在540~560 ℃× 35~45 min下进行固溶，然后进行水淬，水温为20~25℃；
S6.预时效处理：进行1.5~2.5%的预拉伸处理，然后立即进行120~160℃*5~15min预时效处理；
S7.时效处理：在25℃条件下保存14天。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中坯料的厚度为6.0~8.0mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S5中轧制至1.0~1.2mm厚度，厚度公差控制≤±1%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中单道次加工率控制在35~45%，冷轧总道次数量4，成品厚度公差±1%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，冷轧至厚度为1.4~1.7mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，原料中其他杂质的单个含量不大于0.02%。
7.权利要求1至6所述的制备方法制备得到的6181铝合金。
8.权利要求8所述的6181铝合金，其特征在于，所述6181铝合金用作车身内板或外板。
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Assignee: Ruyuan Yao Autonomous County Dongguang High Purity New Materials Co.,Ltd.

Assignor: RUYUAN DONGYANGGUANG UACJ FINE ALUMINUM FOIL Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980033335

Denomination of invention: 6181 aluminum alloy for automotive panels and its preparation method

Granted publication date: 20200331

License type: Common License

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