CN108642334A - 一种高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材及其制备方法 - Google Patents

一种高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材及其制备方法，配方比例重量百分比计如下：Si 0.54‑0.58％、Mg 0.55‑0.60％、Mn 0.21‑0.25％、Ni 0.34‑0.38％、Zr 0.08‑0.12％、Ti 0.11‑0.15％、Bi 0.02‑0.05%、Zn 0.22‑0.26%、复合稀土0.05‑0.09%，余量为铝和不可避免的其他杂质。本发明能够满足汽车铝合金保险杠材料的机械性能和抗疲劳能力不足的缺陷，可满足高端汽车铝合金保险杠材料强度要求。

Description

一种高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域，具体涉及一种高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材及其制备方法。
背景技术
随着汽车轻量化的发展，铝合金在汽车上的应用日益扩大。安装在汽车前后部位的保险杠是汽车上的重要***件，在汽车发生碰撞过程中，可以吸收缓和外界的冲击力，降低碰撞事故对行人的伤害和对车辆的损坏。因此，汽车保险杠对铝合金的综合性能也要求较高，其要求材料具有机械性能高，抗疲劳能力好的特点，以提高保险杠的冲击吸收特性、抗弯曲破碎性和耐持久性等。
经过对经过对现有技术进行了检索，在中国发明专利申请201410740121.X（公开日2015年3月11日）公开了一种汽车保险杠用铝合金型材，包括如下质量百分比的元素：Zn6.0~6.5、Mg0.8~1.0、Mn0.2~0.3、Cu0.1~0.2、Ti0.2~0.3，其余为Al和不可避免的杂质元素，其制备方法是：（1）熔炼，（2）精炼，（3）浇铸，（4）均匀化和挤压，（5）淬火和时效，即制得铝合金型材成品。本发明制得的铝合金型材具有良好的热变形性、机械加工性，优良的耐腐蚀性和焊接性能，所生产出的汽车保险杠具有更轻的质量，能更好的吸收碰撞冲击能，其性能达到国家所规定的汽车用保险杠的各项技术指标，也符合当今汽车轻量化的发展趋势。
而在中国发明专利申请201310076162.9（公开日2014年9月17日）公开了一种汽车保险杠用铝合金型材及其制备方法，由如下成分重量份数比组成：铜0.1-0.3，硅0.4-0.8，铁0.6-0.8，锰0.1-0.15，镁0.8-1.4，锌0.2-0.25，铬0.03-0.35，钛0.1-0.15，余量为铝，其制备方法是按照常规的铸造熔炼工艺，首先按照配方比例将各组分混合加热至720~760℃熔化，熔化后进行浇注，得到铝合金铸坯；铝合金铸坯采用常规挤压工艺获得挤压型材后，在48小时内置于热处理炉内，加热温度350~410℃，保温时间在30~120min之间进行热处理工艺，最后进行空气或水冷。本发明的型材具有中等强度，良好的抗腐蚀性能、可焊接性好以及氧化效果好的优点。
以上检索的现有技术，无法满足高端汽车铝合金保险杠材料无法兼具机械性能高和抗疲劳能力好的要求。
基于此，有必要提供一种高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的问题，提供一种高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材及其制备方法，能够满足汽车铝合金保险杠材料的机械性能和抗疲劳能力不足的缺陷。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材，配方比例重量百分比计如下：Si 0.54-0.58％、Mg 0.55-0.60％、Mn 0.21-0.25％、Ni 0.34-0.38％、Zr 0.08-0.12％、Ti 0.11-0.15％、Bi 0.02-0.05%、Zn 0.22-0.26%、复合稀土0.05-0.09%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
作为优选，配方比例重量百分比计如下：Si 0.55-0.57％、Mg 0.56-0.58％、Mn0.22-0.24％、Ni 0.35-0.37％、Zr 0.09-0.11％、Ti 0.12-0.14％、Bi 0.03-0.05%、Zn0.23-0.25%、复合稀土0.06-0.08%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
作为优选，配方比例重量百分比计如下：Si 0.56％、Mg 0.57％、Mn 0.23％、Ni0.36％、Zr 0.10％、Ti 0.13％、Bi 0.04%、Zn 0.24%、复合稀土0.07%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
作为优选，所述复合稀土的化学成分的质量百分比为：La 22-28%、Ce 31-35%、Y5-10%，其余为Sc。
本发明还提供了上述高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到电阻炉内加温至730-760℃，保温至铝锭彻底熔化；
（2）温度在710-750℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物，然后通入高纯氩气，盖上炉盖；
（3）将步骤（2）铝溶液升温至750-780℃，加入Si、Mg、Mn、Ni、Zr、Ti、Bi、Zn，搅拌20-30分钟使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在710-730℃，加入除气精炼剂，进行5-10分钟均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行10-20分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述精炼后的合金液中加入复合稀土，将炉温控制在730-750℃，时间保持在25-30min，全程吹氩气搅拌；
（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铸锭；
（7）采用T6热处理方法对铸锭进行热处理；
（8）将步骤（7）热处理的铸锭放置在空气加热炉中加热，加热炉各区仪表温度为430-450℃，挤压筒温度为410-430℃，铸锭温度达到380-420℃后，按照挤压速度不大于0.9mm/s通过工模具热挤压成型，得到铝合金棒材；
（9）采用T3热处理方法对铝合金棒材进行热处理；
（10）将步骤（9）中的铝合金棒材进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
作为优选，所述步骤（4）中的除气精炼剂为氯化锰粉末。
作为优选，所述步骤（5）中氩气流量为14-16L/min，氩气压力为0.4-0.6Mpa。
作为优选，所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度710-730℃、铸造速度70-80毫米/分钟、冷却水压力0.5-0.7Mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。
作为优选，所述步骤（7）中T6热处理具体工艺为：固溶温度为520-540℃，保温1-3小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温190-210℃，时间为5-8小时。
作为优选，所述步骤（9）中T3热处理具体工艺为：先进行淬火处理，淬火温度为450-460℃，淬火时间为40-60分钟，然后进行两级时效处理，其中，一级时效温度115-125℃，时间为4-6小时，二级时效温度温195-205℃，时间为6-8小时。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明通过设计特定的合金成分组成，解决了铝合金材料的强度与抗冲击韧性之间的矛盾关系，使铝合金材料同时具有高强度、高抗冲击韧性和优异的抗疲劳能力。
（2）本发明通过严格控制铸造工艺和热处理工艺，使得铝合金晶粒度能够达到一级晶粒（按照GB/T 3246.2标准检验，晶粒平均面积≤0.026mm2），从而使得本发明铝合金具有高强度、高抗冲击韧性和优异的抗疲劳能力。
（3）本发明通过Ni、Ti、Bi元素可以抑制再结晶和晶粒长大，并在其后再加入复合稀土，可以进一步细化晶粒、提高合金力学性能，严格控制铝合金的均匀化和挤压工艺，从而使得本发明铝合金的强度、抗冲击韧性和抗疲劳能力得到大幅提高。
（4）本发明的铝合金的机械性能可达抗拉强度≥465Mpa，规定非比例延伸强度≥395Mpa，延伸率≥14％，满足高端汽车铝合金保险杠材料强度要求。
具体实施方式
以下结合具体实施例对发明作进一步详细的描述。
实施例1
本实施例的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材，配方比例重量百分比计如下：Si0.54％、Mg 0.55％、Mn 0.21％、Ni 0.34％、Zr 0.08％、Ti 0.11％、Bi 0.02%、Zn 0.22%、复合稀土0.05%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
其中，所述复合稀土的化学成分的质量百分比为：La 22%、Ce 31%、Y 5%，其余为Sc。
本发明还提供了上述高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到电阻炉内加温至730℃，保温至铝锭彻底熔化；
（2）温度在710℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物，然后通入高纯氩气，盖上炉盖；
（3）将步骤（2）铝溶液升温至750℃，加入Si、Mg、Mn、Ni、Zr、Ti、Bi、Zn，搅拌20-30分钟使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在710℃，加入除气精炼剂，进行5分钟均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行10分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述精炼后的合金液中加入复合稀土，将炉温控制在730℃，时间保持在25min，全程吹氩气搅拌；
（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铸锭；
（7）采用T6热处理方法对铸锭进行热处理；
（8）将步骤（7）热处理的铸锭放置在空气加热炉中加热，加热炉各区仪表温度为430℃，挤压筒温度为410℃，铸锭温度达到380℃后，按照挤压速度不大于0.9mm/s通过工模具热挤压成型，得到铝合金棒材；
（9）采用T3热处理方法对铝合金棒材进行热处理；
（10）将步骤（9）中的铝合金棒材进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
其中，所述步骤（4）中的除气精炼剂为氯化锰粉末。
其中，所述步骤（5）中氩气流量为14L/min，氩气压力为0.4Mpa。
其中，所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度710℃、铸造速度70毫米/分钟、冷却水压力0.5Mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。
其中，所述步骤（7）中T6热处理具体工艺为：固溶温度为520℃，保温1小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温190℃，时间为5小时。
其中，所述步骤（9）中T3热处理具体工艺为：先进行淬火处理，淬火温度为450℃，淬火时间为40分钟，然后进行两级时效处理，其中，一级时效温度115℃，时间为4小时，二级时效温度温195℃，时间为6小时。
实施例2
本实施例的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材，配方比例重量百分比计如下：Si0.58％、Mg 0.60％、Mn 0.25％、Ni 0.38％、Zr 0.12％、Ti 0.15％、Bi 0.05%、Zn 0.26%、复合稀土0.09%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
其中，所述复合稀土的化学成分的质量百分比为：La 28%、Ce 35%、Y 10%，其余为Sc。
本发明还提供了上述高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到电阻炉内加温至760℃，保温至铝锭彻底熔化；
（2）温度在750℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物，然后通入高纯氩气，盖上炉盖；
（3）将步骤（2）铝溶液升温至780℃，加入Si、Mg、Mn、Ni、Zr、Ti、Bi、Zn，搅拌30分钟使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在730℃，加入除气精炼剂，进行10分钟均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行20分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述精炼后的合金液中加入复合稀土，将炉温控制在750℃，时间保持在30min，全程吹氩气搅拌；
（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铸锭；
（7）采用T6热处理方法对铸锭进行热处理；
（8）将步骤（7）热处理的铸锭放置在空气加热炉中加热，加热炉各区仪表温度为450℃，挤压筒温度为430℃，铸锭温度达到420℃后，按照挤压速度不大于0.9mm/s通过工模具热挤压成型，得到铝合金棒材；
（9）采用T3热处理方法对铝合金棒材进行热处理；
（10）将步骤（9）中的铝合金棒材进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
其中，所述步骤（4）中的除气精炼剂为氯化锰粉末。
其中，所述步骤（5）中氩气流量为16L/min，氩气压力为0.6Mpa。
其中，所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度730℃、铸造速度80毫米/分钟、冷却水压力0.7Mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。
其中，所述步骤（7）中T6热处理具体工艺为：固溶温度为540℃，保温3小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温210℃，时间为5-8小时。
其中，所述步骤（9）中T3热处理具体工艺为：先进行淬火处理，淬火温度为460℃，淬火时间为60分钟，然后进行两级时效处理，其中，一级时效温度125℃，时间为6小时，二级时效温度温205℃，时间为8小时。
实施例3
本实施例的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材，配方比例重量百分比计如下：Si0.56％、Mg 0.57％、Mn 0.23％、Ni 0.36％、Zr 0.10％、Ti 0.13％、Bi 0.04%、Zn 0.24%、复合稀土0.07%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
其中，所述复合稀土的化学成分的质量百分比为：La 25%、Ce 33%、Y 7%，其余为Sc。
本发明还提供了上述高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到电阻炉内加温至745℃，保温至铝锭彻底熔化；
（2）温度在730℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物，然后通入高纯氩气，盖上炉盖；
（3）将步骤（2）铝溶液升温至765℃，加入Si、Mg、Mn、Ni、Zr、Ti、Bi、Zn，搅拌25分钟使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在720℃，加入除气精炼剂，进行7分钟均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行15分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述精炼后的合金液中加入复合稀土，将炉温控制在740℃，时间保持在27min，全程吹氩气搅拌；
（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铸锭；
（7）采用T6热处理方法对铸锭进行热处理；
（8）将步骤（7）热处理的铸锭放置在空气加热炉中加热，加热炉各区仪表温度为440℃，挤压筒温度为420℃，铸锭温度达到400℃后，按照挤压速度不大于0.9mm/s通过工模具热挤压成型，得到铝合金棒材；
（9）采用T3热处理方法对铝合金棒材进行热处理；
（10）将步骤（9）中的铝合金棒材进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
其中，所述步骤（4）中的除气精炼剂为氯化锰粉末。
其中，所述步骤（5）中氩气流量为15L/min，氩气压力为0.5Mpa。
其中，所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度720℃、铸造速度75毫米/分钟、冷却水压力0.6Mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。
其中，所述步骤（7）中T6热处理具体工艺为：固溶温度为530℃，保温2小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温200℃，时间为6.5小时。
其中，所述步骤（9）中T3热处理具体工艺为：先进行淬火处理，淬火温度为465℃，淬火时间为50分钟，然后进行两级时效处理，其中，一级时效温度120℃，时间为5小时，二级时效温度温200℃，时间为7小时。
综上所述，本发明的创造性主要体现在以下几点：
（1）本发明通过设计特定的合金成分组成，解决了铝合金材料的强度与抗冲击韧性之间的矛盾关系，使铝合金材料同时具有高强度、高抗冲击韧性和优异的抗疲劳能力。
（2）本发明通过严格控制铸造工艺和热处理工艺，使得铝合金晶粒度能够达到一级晶粒(按照GB/T 3246.2标准检验，晶粒平均面积≤0.026mm2)，从而使得本发明铝合金具有高强度、高抗冲击韧性和优异的抗疲劳能力。
（3）本发明通过Ni、Ti、Bi元素可以抑制再结晶和晶粒长大，并在其后再加入复合稀土，可以进一步细化晶粒、提高合金力学性能，严格控制铝合金的均匀化和挤压工艺，从而使得本发明铝合金的强度、抗冲击韧性和抗疲劳能力得到大幅提高。
（4）本发明的铝合金的机械性能可达抗拉强度≥465Mpa，规定非比例延伸强度≥395Mpa，延伸率≥14％，满足高端汽车铝合金保险杠材料强度要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材，其特征在于，配方比例重量百分比计如下：Si 0.54-0.58％、Mg 0.55-0.60％、Mn 0.21-0.25％、Ni 0.34-0.38％、Zr 0.08-0.12％、Ti 0.11-0.15％、Bi 0.02-0.05%、Zn 0.22-0.26%、复合稀土0.05-0.09%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材，其特征在于，配方比例重量百分比计如下：Si 0.55-0.57％、Mg 0.56-0.58％、Mn 0.22-0.24％、Ni 0.35-0.37％、Zr 0.09-0.11％、Ti 0.12-0.14％、Bi 0.03-0.05%、Zn 0.23-0.25%、复合稀土0.06-0.08%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
3.根据权利要求1所述的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材，其特征在于，配方比例重量百分比计如下：Si 0.56％、Mg 0.57％、Mn 0.23％、Ni 0.36％、Zr 0.10％、Ti0.13％、Bi 0.04%、Zn 0.24%、复合稀土0.07%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
4.根据权利要求1所述的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材，其特征在于，所述复合稀土的化学成分的质量百分比为：La 22-28%、Ce 31-35%、Y 5-10%，其余为Sc。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到电阻炉内加温至730-760℃，保温至铝锭彻底熔化；
（2）温度在710-750℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物，然后通入高纯氩气，盖上炉盖；
（3）将步骤（2）铝溶液升温至750-780℃，加入Si、Mg、Mn、Ni、Zr、Ti、Bi、Zn，搅拌20-30分钟使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在710-730℃，加入除气精炼剂，进行5-10分钟均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行10-20分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述精炼后的合金液中加入复合稀土，将炉温控制在730-750℃，时间保持在25-30min，全程吹氩气搅拌；
（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铸锭；
（7）采用T6热处理方法对铸锭进行热处理；
（8）将步骤（7）热处理的铸锭放置在空气加热炉中加热，加热炉各区仪表温度为430-450℃，挤压筒温度为410-430℃，铸锭温度达到380-420℃后，按照挤压速度不大于0.9mm/s通过工模具热挤压成型，得到铝合金棒材；
（9）采用T3热处理方法对铝合金棒材进行热处理；
（10）将步骤（9）中的铝合金棒材进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
6.根据权利要求5所述的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中的除气精炼剂为氯化锰粉末。
7.根据权利要求5所述的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中氩气流量为14-16L/min，氩气压力为0.4-0.6Mpa。
8.根据权利要求5所述的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度710-730℃、铸造速度70-80毫米/分钟、冷却水压力0.5-0.7Mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。
9.根据权利要求5所述的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤（7）中T6热处理具体工艺为：固溶温度为520-540℃，保温1-3小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温190-210℃，时间为5-8小时。
10.根据权利要求5所述的高强度抗疲劳汽车保险杠用铝合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤（9）中T3热处理具体工艺为：先进行淬火处理，淬火温度为450-460℃，淬火时间为40-60分钟，然后进行两级时效处理，其中，一级时效温度115-125℃，时间为4-6小时，二级时效温度温195-205℃，时间为6-8小时。
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CN112126830A (zh) * 2019-06-25 2020-12-25 广西大学 一种高强高塑性Al－Mg－Si－Sc新型铝合金板材的制备及热处理工艺

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