CN110983129A - 一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法。该方法包括：配置Al‑Mg‑Si‑Cu‑Zn系合金；中频感应熔炼，熔炼后将合金熔体降温处理；采用温度场和超声物理场对合金熔体降温过程分阶段2次反复协同处理；将合金熔体浇注到成型模具中并冷却；热轧过程处理；双级热处理调控合金组织和原生富铁相尺寸和分布状态；大变形量冷轧处理；高温短时固溶处理，随后将处理后的合金试样冷却到室温；将淬火态试样转移到时效炉内降温预时效处理。本发明方法适合应用于汽车用新型铝合金的制造，特别是对于冲压成形性能、强度、表面质量和弯边性能等均有较高要求的复杂形状零部件的制造。

Description

一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，特别针对车身铝合金外板弯边性能仍然不够高，以及汽车领域对该性能不断提升的应用现状，提出一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，该种处理方法可有效控制合金内原生富铁相的尺寸和分布，并可利用这些富铁相对合金组织和性能产生积极影响。

背景技术

近些年随着人们生活水平的不断提高汽车行业发展迅猛，但是发展的同时引发的环境污染以及能源危机也是日趋严重。为此各国政府采取各种手段加以控制和改善，相比而言汽车轻量化是解决上述问题的有效途径之一。而铝合金由于质轻、耐蚀、比强度高、易加工、表面美观、储量丰富以及可回收循环利用等特性，已成为汽车轻量化的关键材料。此外，据统计在汽车中采用铝合金所节省的能量是生产该零件所用原铝耗能的6～12倍。因此，汽车轻量化用先进铝合金板材的开发和应用已经引起全球汽车生产厂家以及科研人员的广泛重视，而且近几年汽车用铝量也在逐年增加。

整体而言，目前，汽车轻量化用变形铝合金板材主要包括应用于车身内板和外板的5xxx(Al-Mg)系和6xxx(Al-Mg-Si-Cu)系铝合金板材，此外，随着汽车轻量化进程的加快，车身结构件也逐渐开始采用高强度7xxx(Al-Zn-Mg-Cu)系铝合金板材加以制造以解决钢-铝异质金属连接以及耐腐蚀性能欠佳等问题。与其它系列合金相比，Al-Mg-Si系铝合金，如AA6016，AA6111以及AA6022等，由于其冲压成形性和烤漆硬化增量较为优异，该系合金更多地被应用于车身外板的制造。不过该系合金与汽车用钢相比仍然存在成本较高，成形性能、弯边性能以及强度有待进一步提高等不足。

为了提高Al-Mg-Si-Cu系合金的综合性能并降低其生产成本，近期本研究团队开发了同时含Fe和Zn的新型Al-Mg-Si-Cu-Zn-Fe-Mn系合金材料，通过工艺调控合金的成形性能、弯边性能以及烤漆硬化增量均获得了大幅度提高，而且由于回收铝中普遍含有Fe以及Zn等元素，因此，此新型铝合金材料的熔炼制备也可以广泛使用回收铝进行，而使合金的生产成本获得大幅降低。但是即便如此，该系铝合金板材的生产成本与钢材相比，其生产成本以及弯边性能等仍有待进一步提高，只有这样才能更快的在汽车领域获得广泛应用，并快速推进汽车轻量化用铝合金的发展进程。

考虑到枝晶状、棒状以及粗大原生富铁相主要在合金熔铸过程中形成，这些富铁相虽然在后续热加工过程中会发生破碎而细化，形成粗大粒子和细小粒子共存组织，进而在后续热处理时粗大粒子可以诱发再结晶形核而发生PSN效应，同时细小粒子又可以阻碍再结晶晶粒长大，最终这种粗细粒子的搭配可使得预时效态合金板材织构显著弱化，成形性能获得较大提高。但是热加工过程中很难彻底使得粗大粒子发生完全破碎，最终由于粗大粒子破碎不彻底或粗大粒子残留微裂纹等会对合金板材成形性能、弯边性能产生不利影响等问题，尤其对合金板材弯边性能的影响更为显著。因此，如何能够通过熔铸过程以及热加工一体化调控使得原生富铁相尺寸、形态、构成以及分布等获得合理控制，进而较好地避免上述由于粗大粒子破碎不彻底而在其内部残留微裂纹带来的不利影响，对于该系合金综合性能的进一步大幅提高，以及规模化推广应均具有重要意义。

发明内容

为了解决以上问题，也为了更好满足汽车轻量化用铝合金板材的实际应用需求，针对Al-Mg-Si-Cu系合金板材成形性能、弯边性能以及烤漆硬化性能等仍然不够高的问题，本发明提供一种更加适合促进铝合金板材弯边性能提高的一体化过程调控方法。本发明充分利用温度场和超声物理场协同作用对合金熔铸时原生相的形核、长大以及分布等进行有效控制，使得合金铸态基体内分布有多尺度原生相，并有效抑制了传统熔铸合金基体内原生富铁相偏聚严重等问题，同时也使得多尺度原生相能够较好的离散分布于合金基体内；在此基础上，进一步结合后续热加工对合金基体内原生相分布以及合金组织和织构进行一体化过程调控，最终使得预时效态合金板材组织得到显著细化，织构近随机分布，同时多尺度原生相也能均匀弥散分布于合金基体内，从而实现预时效态Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材具有优异弯边性能的目的。

根据本发明的第一方面，提供一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，所述汽车用铝合金为Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，所述Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的化学成分及其质量百分比含量为：Zn:0.5～3.7wt％，Mg：0.6～1.0wt％，Si：0.4～1.0wt％，Cu：0.1～0.4wt％，Fe:0.1～0.7wt％，Mn：0.3～0.7wt％，Ni≤0.12wt％，Cr<0.02wt％，Ti≤0.1wt％，B<0.01wt％，余量为Al；所述一体化过程调控方法具体包括：

(1)采用回收铝或普铝进行Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的配置；

(2)中频感应熔炼，熔炼好后将熔体温度从780℃降温至720℃；

(3)采用温度场和超声物理场对合金熔体降温过程进行分阶段2次反复协同处理(超声发生器功率：0.8～2kW，频率：19～22kHz，时间：5～30min，***方式：超声杆与熔体表面呈45～90°，熔体降温速率：3～12℃/min，第一阶段控制熔体温度在690℃以上，第二阶段控制熔体温度在670℃以上，第一和第二阶段中间间隔时间2～15min)；

(4)将熔体浇注到成型模具中(冷却速率：20～300℃/s)；

(5)热轧(开轧温度：480～510℃；终轧温度：300℃以上，轧制变形量50～75％)；

(6)双级热处理调控合金组织和原生富铁相尺寸和分布状态(第一级为：440～485℃/1～3h,第二级为：520～575℃/7～20h，升温速率10～30℃/h，降温速率46℃～200℃/h)；

(7)大变形量冷轧(变形量：40～95％)；

(8)高温短时固溶处理(540-575℃/1-10min)，随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以大于200℃/s的降温速率冷却到室温；

(9)将淬火态试样在1.5min内转移到时效炉内进行降温预时效处理(温度：低于100℃，时间：大于10h，降温速率2-4℃/h)，

基于上述一体化过程调控即可保证所开发的合金板材具有优异的弯边性能。

优选地，所述中频感应熔炼工艺为：首先将回收铝或普铝熔化，温度控制在780～840℃，然后分别添加Al-20wt％Fe，Al-10wt％Mn，Al-10wt％Cr，Al-10wt％Ti中间合金，待熔化后分别再添加Al-50wt％Cu和Al-20wt％Si中间合金，然后大功率搅拌熔体5min(如果需要添加Ni元素，在此温度同时添加纯Ni进入熔体，并利用大功率搅拌熔体增加至10min)，随后将温度控制在720℃以上，随后分别添加纯Zn和纯Mg，添加时用石墨钟罩将其分别压入熔体底部，待其彻底溶化后取出钟罩，调控中频感应炉功率使合金熔体温度重新稳定在在720℃准备下一步超声物理场处理。

优选地，温度场和超声物理场对合金熔体降温过程进行分阶段2次反复协同处理(超声发生器功率1.5～2kW，频率20～22kHz，时间5～25min，***方式：超声杆与熔体表面呈70～90°，熔体降温速率：3～10℃/min，第一阶段控制在熔体温度700℃以上，第二阶段控制熔体温度在680℃以上，第一和第二阶段中间间隔时间3～10min)。

优选地，所述热轧过程具体工艺为：开轧温度：480～505℃；终轧温度：300℃以上，轧制变形量52～73％，变形方式：单向轧制。

优选地，所述双级高温热处理过程具体工艺为：第一级为：470～485℃/1.5～3h，第二级为：530～565℃/7～18h，升温速率10～30℃/h，降温速率50℃～200℃/h。

优选地，所述大变形量冷轧工艺具体为：冷轧(变形量：70～93％，变形温度：室温)。

优选地，所述高温短时固溶处理具体工艺为：545～565℃/1～6min，升温速率大于100℃/s，随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以大于200℃/s的降温速率冷却到室温。

优选地，所述降温预时效处理工艺具体为：将淬火态试样在1.5min内转移到时效炉内进行降温预时效处理，处理温度：低于85℃，时间：11～14h，降温速率3～3.6℃/h。

根据本发明的第二方面，提供一种汽车用铝合金板材，所述汽车用铝合金板材为Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材，所述Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材采用根据以上任一方面所述的一体化过程调控方法进行制备调控，

其中，所述Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的化学成分及其质量百分比含量为：Zn:0.5～3.7wt％，Mg：0.6～1.0wt％，Si：0.4～1.0wt％，Cu：0.1～0.4wt％，Fe:0.1～0.7wt％，Mn：0.3～0.7wt％，Ni≤0.12wt％，Cr<0.02wt％，Ti≤0.1wt％，B<0.01wt％，余量为Al。

经该一体化过程调控后的合金板材即可表现出优异的弯边性能。

根据本发明的第三方面，提供一种如以上方面所述汽车用铝合金板材在汽车中的应用。

本发明的有益效果：

通过采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：本发明不仅可以使得Al-Mg-Si-Cu-Zn-Fe系合金内的原生富铁相呈多尺度分布，而且有效避免了原生富铁相在熔铸过程的偏聚长大；同时结合后续进一步的热加工一体化过程调控，可保证原生相对合金组织和性能产生积极影响作用，预时效态合金板材可以表现出优异的弯边性能。本发明非常适合应用于汽车用铝合金材料的加工和生产，以及对原生相分布状态有特定要求的其它铝合金材料的生产使用，当然也适合应用于对其它系列铝合金材料组织和综合性能有较高要求的其它技术行业。

附图说明

图1示出根据本发明的提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法流程图；

图2示出经对比例1处理的1#合金铸态SEM组织照片；

图3示出经对比例1处理的预时效态1#合金弯边形貌及SEM组织照片；

图4示出实施例1预时效态1#合金SEM组织(a)及弯边弯边外表面形貌(b)；

图5示出实施例2预时效态1#合金SEM组织(a)以及弯边后外表面形貌(b)；

图6示出实施例3双级均匀化态2#合金基体内弥散粒子分布的TEM照片；

图7示出实施例3预时效态2#合金SEM组织(a)以及弯边后外表面形貌(b)。

具体实施方式

下面结合具体实施方案对本发明做进一步的补充和说明。

本发明针对汽车用Al-Mg-Si-Cu系合金熔铸时不可避免地会引入Fe等杂质元素，进而在传统熔铸时产生枝晶状、棒状或粗大颗粒状Al(FeMn)Si原生富铁相，这些富铁相虽然在后续热加工过程中会发生破碎而细化，但是由于破碎不彻底或粗大粒子残留微裂纹等也会对合金板材成形性能、弯边性能产生不利影响等问题，从而提出了一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法。本发明在熔铸过程中首先通过温度场和超声物理场协同作用对原生富铁相的形核、长大以及分布进行综合调控，不仅可使得原生富铁相的偏聚得到有效抑制，而且其尺寸呈多尺度分布特征；在此基础上进一步结合合适的热加工过程对原生富铁相、合金晶粒尺寸、形态以及取向等进行调控，最终一方面可以使得多尺度原生富铁相均匀分布程度获得更进一步提高，从而对合金组织演化产生积极影响，另一方面也可以使得合金晶粒细小且近随机分布状态，预时效态合金板材可表现出优异的弯边性能。本发明方法非常适合应用于汽车用新型铝合金的制造，特别是对于冲压成形性能、强度、表面质量和弯边性能等均有较高要求的复杂形状零部件的制造。

根据本发明的提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，如图1所示，采用如下技术路线：

步骤101：采用回收铝或普铝进行Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的配置→步骤102：中频感应熔炼→步骤103：熔炼好后将熔体温度从780℃降温至720℃→步骤104：采用温度场和超声物理场对合金熔体降温过程进行分阶段2次反复协同处理(超声发生器功率：0.8～2kW，频率：19～22kHz，时间：5～30min，***方式：超声杆与熔体表面呈45～90°，熔体降温速率：3～12℃/min，第一阶段控制熔体温度在690℃以上，第二阶段控制熔体温度在670℃以上，第一和第二阶段中间间隔时间2～15min)→步骤105：将熔体浇注到成型模具中(冷却速率：20～300℃/s)→步骤106：热轧(开轧温度：480～510℃；终轧温度：300℃以上，轧制变形量50～75％)→步骤107：双级热处理调控合金组织和原生富铁相尺寸和分布状态(第一级为：440～485℃/1～3h,第二级为：520～575℃/7～20h，升温速率10～30℃/h，降温速率46℃～200℃/h)→步骤108：大变形量冷轧(变形量：40～95％)→步骤109：高温短时固溶处理(540～575℃/1～10min)，随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以大于200℃/s的降温速率冷却到室温→步骤110：将淬火态试样在1.5min内转移到时效炉内进行降温预时效处理(温度：低于100℃，时间：大于10h，降温速率2～4℃/h)。如此，即可保证所开发的合金板材具有优异的弯边性能。

具体地，处理工艺包括如下步骤：原材料分别采用回收铝或普铝、工业纯Mg、工业纯Zn、纯Ni、中间合金Al-20wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-20wt％Fe、Al-10wt％Mn、Al-10wt％Cr，Al-10wt％Ti等中间合金。利用中频感应熔炼首先将回收铝或普铝熔化，温度控制在780～840℃，然后分别添加Al-20wt％Fe，Al-10wt％Mn，Al-10wt％Cr，Al-10wt％Ti中间合金，待熔化后分别再添加Al-50wt％Cu和Al-20wt％Si中间合金，然后大功率搅拌熔体5min，(如果需要添加Ni元素，在此温度同时添加纯Ni进入熔体，并利用大功率搅拌熔体增加至10min)，随后将温度控制在720℃以上，随后分别添加纯Zn和纯Mg，添加时用石墨钟罩将其分别压入熔体底部，待其彻底溶化后取出钟罩，调控中频感应炉功率使合金熔体温度重新稳定在720℃准备下一步超声物理场处理。实施发明合金的具体化学成分如表1所示：

表1实施发明合金化学成分(质量百分数，wt％)

Mg

Si

Cu

Fe

Mn

Zn

Cr

Ti

B

Ni

Al

1#

0.9

0.7

0.2

0.4

0.5

3.0

<0.02wt％

≤0.1wt％

<0.01

<0.01

余量

2#

0.9

0.7

0.2

0.4

0.5

3.0

<0.02wt％

≤0.1wt％

<0.01

0.1

余量

待熔体温度处在720℃时，开始利用温度场和超声物理场对合金熔体降温过程进行分阶段2次反复协同处理(超声发生器功率：0.8～2kW，频率：19～22kHz，时间：5～30min，***方式：超声杆与熔体表面呈45～90°，熔体降温速率：3～12℃/min，第一阶段控制熔体温度在690℃以上，第二阶段控制熔体温度在670℃以上，第一和第二阶段中间间隔时间2～15min)→将熔体浇注以上，轧制变形量50～75％)→双级热处理调控合金组织和原生富铁相尺寸和分布状态(第一级为：440～485℃/1～3h，第二级为：520～575℃/7～20h，升温速率10～30℃/h，降温速率大于46℃/h)→冷轧(变形量：40～95％)或冷轧(变形量：30～60％)+中间退火(退火温度：380～420℃/0.5h～3h)+冷轧(冷轧变形量：30～60％)→高温短时固溶处理(540～575℃/1～10min)，随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以大于200℃/s的降温速率冷却到室温→将淬火态试样在1.5min内转移到时效炉内进行降温预时效处理(温度：低于100℃，时间：大于10h，降温速率2～4℃/h)，经上述一体化过程调控即可保证所开发的合金板材具有优异的弯边性能。

对比例1

实施发明合金1#采用如下中频感应熔炼和铸造方式进行，首先将纯铝全部加入坩埚并熔化，温度控制在780～880℃，然后先后加入Al-20wt％Si、Al-50wt％Cu、Al-20wt％Fe、Al-10wt％Mn中间合金，并采用大功率熔化后保温5～10min，然后向熔体中加入纯Mg，并采用大功率充分搅拌使其彻底溶解，保温5min，若需要添加溶质元素Ni，添加时避免Ni沉入底部要采用大功率进行间断搅拌，温度控制在830℃，保温10min；继续待熔体降温至740℃后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，最后在此温度保温10min后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内；然后对其进行双级均匀化处理，处理工艺为：以30℃/h速率升温至485℃保温3h，再以30℃/h速率继续升温到555℃保温30h，然后再以30℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出试样；均匀化后将铸锭切头铣面，重新加热到490～560℃供热轧，道次压下量为4％～30％，热轧总变形量70～96％，终轧温度低于300℃得到热轧板材，单向轧制；然后对其进行冷轧变形(变形量35～55％，道次压下量为10％～35％)；随后冷轧板材进行中间退火，均以20℃/h～200℃/min的升温速率升温到390～410℃进行0.5～2h的退火处理，然后直接取出进行空冷；然后对其进行二次冷轧，变形量35％～55％，道次压下量为10％～35％；然后再在冷轧板材上直接切取试样置于545～565℃热处理炉中进行1～6min的固溶处理，试样升温速率大于100℃/s；随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以大于200℃/s的降温速率冷却到室温；随后将淬火态试样在1.5min内转移到热处理炉内进行降温预时效处理(温度：低于100℃，时间：大于10h，降温速率2～4℃/h)，最后对预时效态合金板材沿轧向进行弯边性能测量(r/t＝0.5)。铸态1#合金SEM显微组织如图2所示，预时效态弯边性能如图3所示。

实施例1

实施发明合金1#采用如下中频感应熔炼和铸造方式进行，首先将普铝熔化，温度控制在780～840℃，然后分别添加Al-20wt％Fe，Al-10wt％Mn，Al-10wt％Cr，Al-10wt％Ti中间合金，待熔化后分别再添加Al-50wt％Cu和Al-20wt％Si等中间合金，然后大功率搅拌熔体5min，随后将温度控制在720℃以上，随后分别添加纯Zn和纯Mg，添加时用石墨钟罩将其分别压入熔体底部，待其彻底溶化后取出钟罩，调控中频感应炉功率使合金熔体温度重新稳定在720℃准备下一步超声物理场处理。待熔体温度处在720℃时，开始利用超声物理场对合金熔体降温过程进行处理(超声发生器功率1.5～2kW，频率20～22kHz，时间5～30min，***方式：超声杆与熔体表面呈70～90°)，然后将超声处理后的熔体直接浇注到成型模具中(冷却速率：20～300℃/s)→热轧(开轧温度：480～505℃；终轧温度：300℃以上，轧制变形量52～73％，变形方式：单向轧制)→双级热处理调控合金组织和原生富铁相(第一级为：470～485℃/1.5～3h，第二级为：530～565℃/7～18h，升降温速率10～30℃/h)→冷轧(变形量：35～55％，变形温度：室温，方式单向轧制)+中间退火(退火温度：390～410℃/0.5h-2h)+冷轧(冷轧变形量：35～55％，变形温度：室温，方式：单向轧制)→高温短时固溶处理(545～565℃/1～6min，升温速率大于100℃/s)，随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以大于200℃/s的降温速率冷却到室温→将淬火态试样在1.5min内转移到时效炉内进行降温预时效处理(处理温度：低于85℃，时间：11～14h，降温速率3～3.6℃/h)，最后对预时效态合金板材沿轧向进行弯边性能测量(r/t＝0.5)。预时效态弯边性能如图4所示。

实施例2

实施发明合金1#采用如下中频感应熔炼和铸造方式进行，首先将普铝熔化，温度控制在780～840℃，然后分别添加Al-20wt％Fe，Al-10wt％Mn，Al-10wt％Cr，Al-10wt％Ti中间合金，待熔化后分别再添加Al-50wt％Cu和Al-20wt％Si等中间合金，然后大功率搅拌熔体5min，(如果需要添加Ni元素，在此温度同时添加纯Ni进入熔体，并利用功率搅拌熔体增加至10min)，随后将温度控制在720℃以上，随后分别添加纯Zn和纯Mg，添加时用石墨钟罩将其分别压入熔体底部，待其彻底溶化后取出钟罩，调控中频感应炉功率使合金熔体温度重新稳定在在720℃准备下一步超声物理场处理。待熔体温度处在720℃时，开始利用温度场和超声物理场对合金熔体降温过程进行分阶段2次反复协同处理(超声发生器功率1.5～2kW，频率20～22kHz，时间5～30min，***方式：超声杆与熔体表面呈70～90°，熔体降温速率：3～10℃/min，第一阶段控制在熔体温度700℃以上，第二阶段控制熔体温度在680℃以上，第一和第二阶段中间间隔时间3～10min)，然后将复合物理场处理后的熔体直接浇注到成型模具中(冷却速率：20～300℃/s)→热轧(开轧温度：480～505℃；终轧温度：300℃以上，轧制变形量52～73％，变形方式：单向轧制)→双级热处理调控合金组织和原生富铁相(第一级为：470～485℃/1.5～3h，第二级为：530～565℃/7～18h，升温速率10～30℃/h，降温速率大于50℃/h)→大变形量冷轧(变形量：70～93％，变形温度：室温)→高温短时固溶处理(545-565℃/1-6min，升温速率大于100℃/s)，随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以大于200℃/s的降温速率冷却到室温→将淬火态试样在1.5min内转移到时效炉内进行降温预时效处理(处理温度：低于85℃，时间：11～14h，降温速率3～3.6℃/h)，最后对预时效态合金板材沿轧向进行弯边性能测量(r/t＝0.5)。最终对预时效态合金进行SEM组织观察以及弯边性能测量如图5所示。

实施例3

实施发明合金2#采用如下中频感应熔炼和铸造方式进行，首先将普铝熔化，温度控制在780～840℃，然后分别添加Al-20wt％Fe，Al-10wt％Mn，Al-10wt％Cr，Al-10wt％Ti中间合金，待熔化后分别再添加Al-50wt％Cu和Al-20wt％Si等中间合金，然后在此温度同时添加纯Ni进入熔体，并利用功率搅拌熔体10min，随后将温度控制在720℃以上，随后分别添加纯Zn和纯Mg，添加时用石墨钟罩将其分别压入熔体底部，待其彻底溶化后取出钟罩，调控中频感应炉功率使合金熔体温度重新稳定在在720℃准备下一步超声物理场处理。待熔体温度处在720℃时，开始利用温度场和超声物理场对合金熔体降温过程进行分阶段2次反复协同处理(超声发生器功率1.5～2kW，频率20～22kHz，时间5～30min，***方式：超声杆与熔体表面呈70～90°，熔体降温速率：3～10℃/min，第一阶段控制在熔体温度700℃以上，第二阶段控制熔体温度在680℃以上，第一和第二阶段中间间隔时间3～10min)，然后将复合物理场处理后的熔体直接浇注到成型模具中(冷却速率：20～300℃/s)→热轧(开轧温度：480～505℃；终轧温度：300℃以上，轧制变形量52～73％，变形方式：单向轧制)→双级热处理调控合金组织和原生富铁相(第一级为：470～485℃/1.5～3h，第二级为：530～565℃/7～18h，升温速率10～30℃/h，降温速率大于50℃/h)→大变形量冷轧(变形量：70～93％，变形温度：室温)→高温短时固溶处理(545～565℃/1～6min，升温速率大于100℃/s)，随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以大于200℃/s的降温速率冷却到室温→将淬火态试样在1.5min内转移到时效炉内进行降温预时效处理(处理温度：低于85℃，时间：11～14h，降温速率3～3.6℃/h)，最后对预时效态合金板材沿轧向进行弯边性能测量(r/t＝0.5)。双级均匀化处理后基体内的纳米弥散粒子如图6所示。预时效态SEM组织以及弯边性能如图7所示。

随着汽车轻量化进程的加快，车身外板用新型铝合金的开发也取得快速发展，在传统Al-Mg-Si-Cu合金基础上开发了多种具有优异综合性能的铝合金材料及其制备方法，其中添加溶质元素Zn的Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金不仅具有优异的烤漆硬化增量，而且还具有优异的冲压成形性能，该系合金已经引起广泛关注和研究。不过为了进一步降低该系合金的生产成本，有必要充分利用回收铝加以熔铸该系合金。然而回收铝中普遍含有杂质元素Fe，该元素存在后极易在铸态合金内产生枝晶状、棒状或粗大颗粒状富铁相，如对比例1所制备的合金铸态组织(如图2所示)，这些相虽然在后续热加工过程中可以发生破碎，但是不可避免地会在终态合金基体内分布有破碎不彻底的粗大富铁相粒子，并在其内部残留有微裂纹。这些破碎不彻底的粗大富铁相粒子对合金的塑性、成形性能等均会产生不利影响。根据对比例1中所制备的预时效态合金弯边后外表面质量以及开裂后的SEM组织分析(如图3所示)，不难看出，铸态合金基体内偏聚的原生富铁相对合金的弯边性能确实会产生严重的恶化效应。因此，非常有必要从熔铸源头出发对合金基体内的原生富铁相形核、长大、分布等进行调控，然后再辅以后续热加工过程调控才可能彻底消除粗大原生富铁相存在的不利影响。据此，本发明专利提出利用温度场和超声物理场协同作用来有效避免原生富铁相偏聚的过程调控方法，同时还充分利用后续热加工过程调控对已合成的原生富铁相粒子尺寸、形态以及分布等作进一步的优化调控，使其能够对合金组织演化产生积极影响，同时预时效态合金的弯边性能也可以获得大幅度提高。

根据实施例1的结果可以发现，如果在熔铸过程中引入温度场和超声物理场，其确实可以对1#合金基体内的富铁相进行一定调控，然后再经热轧→均匀化→冷轧+中间退火+冷轧变形→固溶淬火→预时效一体化过程调控处理后，合金基体内的富铁相均匀弥散分布程度明显获得提高(如图4中的(a)区域所示)，不过由于温度场+超声物理场以及热加工过程调控工艺参数均不够十分合理，合金组织并未获得最佳搭配，如晶粒尺寸、形态、取向，以及沉淀相分布的控制等，所以经本实施例所述加工路线进行加工后的预时效态合金板材弯边性能并未获得提高，反而发生了一定程度的降低，预时效态合金弯边变形后发生了一定程度开裂(如图4中的(b)区域所示)。由此可见，要想大幅提高合金板材的弯边性能，原生富铁相以及合金组织的综合调控均十分重要，在原生富铁相得到很好调控之后，再辅以合适热加工过程一体化调控才能实现弯边性能的大幅提高。

基于上述结果以及大量温度场+超声物理场对熔铸过程原生相形核、长大的过程调控，以及后续热加工过程参数的优化，最终发现，实施合金1#采用实施例2所述方法制备的预时效态合金板材不仅原生相尺寸、形态以及分布可以获得有效调控(如图5中的(a)区域所示)，而且经热加工过程调控后晶粒尺寸、取向等也可以获得有效控制，预时效态合金板材表现出优异的弯边性能，弯边后表面光滑无裂纹(如图5中的(b)区域所示)。可见，要提高合金的弯边性能，合金基体内原生相的调控非常重要，但是合金晶粒尺寸、取向、形态以及分布等同样重要，因此，只有进行合理的一体化过程调控才能使得预时效态铝合金板材表现出优异的弯边性能。此外，由于原生富铁相的尺寸、形态以及分布等与其形核过程密切相关，考虑到溶质元素Ni与Fe具有较强的作用力，而且Ni元素的熔点较高。因此，如果合金基体内能够引入一定量的溶质元素Ni，那么其对原生富铁相的形核稳定一定有提升作用，这样在熔铸过程中，尤其是浇铸降温过程中就会有更多的原生富铁相形核，此时再采用实施例2中同样的温度场和物理场协同对合金的凝固过程进行作用，那么合金基体内的纳米弥散粒子数量密度一定会获得提高，从而在后续热加工过程中对合金组织演化产生更加积极作用。图6示出了合金经温度场+超声物理场调控、热轧以及双级均匀化处理后基体内的纳米弥散粒子分布情况。由图可见，纳米弥散粒子不仅数量明显增多，尺寸均匀细小，而且分布也十分均匀，正如最初的所期望的组织特征。随后该合金板材经进一步热加工处理后，对预时效态合金板材进行SEM观察以及弯边性能测量(如图7所示)。由图可见，合金经温度+超声复合物理场调控以及后续热加工过程调控后，除了基体内分布有大量均匀弥散的纳米粒子(如图6所示)，而且粗大粒子也获得有效调控，能够较为均匀弥散的分布在合金基体内。此外，与实施例2中的1#合金预时效态SEM组织相比，添加溶质元素Ni的2#合金含有较多的弥散粒子，这主要是由于溶质元素Ni可以与Fe作用而形成含Ni的原生富铁相所致。同时，2#合金经温度场+超声物理场以及热加工一体化调控后，合金同样能够表现出优异的弯边性能(如图7中的(b)所示)，这对于该系合金的实际应用具有重要意义。

综上所述，本发明通过对Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金熔铸过程中原生富铁相形核、长大以及分布的温度+超声复合物理场调控后，传统熔铸过程中观察到的枝晶状、棒状以及粗大原生富铁相得到很好抑制，然后再经后续热加工一体化过程调控后，不仅合金原生富铁相能够均匀弥散分布于合金基体内，而且其尺寸也能呈多尺度分布特征；同时更为重要的是在多尺度原生富铁相的积极影响下，合金板材经热加工过程调控后，其晶粒尺寸、形态、取向以及分布也能获得很好调控，最终预时效态合金板材能够表现出优异的弯边性能。这对于该系合金板材的后续实际应用非常重要。此外值得强调的是，原生富铁相一旦能够获得很好调控，那么该系合金熔炼时完全可以采用回收铝合金或纯度较低的普铝进行，这非常有利于降低该系合金的生产成本，对于加快该系合金广泛应用具有积极作用。因此，本发明处理工艺不仅适合广泛应用于汽车用Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材的制造，从而加快汽车轻量化用铝合金的进程，而且对于其他领域用高成形性和高强度铝合金的开发、加工和应用也具有一定的指导意义，值得汽车生产厂家和铝合金加工企业对此发明加以重视，使其尽早能够在这一领域得到推广和应用。

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限定。

Claims (10)

1.一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，其特征在于，所述汽车用铝合金为Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，所述方法具体包括：

(1)配置汽车用Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金；

(2)中频感应熔炼，熔炼好后将合金熔体进行降温处理；

(3)采用温度场和超声物理场对合金熔体降温过程进行分阶段2次反复协同处理；

(4)将经步骤(3)处理后的合金熔体浇注到成型模具中并进行冷却；

(5)热轧过程处理；

(6)双级热处理调控合金组织和原生富铁相尺寸和分布状态；

(7)大变形量冷轧处理；

(8)高温短时固溶处理，随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度冷却到室温；

(9)将淬火态试样在1.5min内转移到时效炉内进行降温预时效处理。

2.根据权利要求1所述的一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，其特征在于，所述Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的化学成分及其质量百分比含量为：Zn:0.5～3.7wt％，Mg：0.6～1.0wt％，Si：0.4～1.0wt％，Cu：0.1～0.4wt％，Fe:0.1～0.7wt％，Mn：0.3～0.7wt％，Ni≤0.12wt％，Cr<0.02wt％，Ti≤0.1wt％，B<0.01wt％，余量为Al。

3.根据权利要求1所述的一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，其特征在于，所述中频感应熔炼工艺为：首先将回收铝或普铝熔化，温度控制在780～840℃，然后分别添加Al-20wt％Fe，Al-10wt％Mn，Al-10wt％Cr，Al-10wt％Ti中间合金，待熔化后分别再添加Al-50wt％Cu和Al-20wt％Si中间合金，然后大功率搅拌熔体5min，如果需要添加Ni元素，在此温度同时添加纯Ni进入熔体，并利用大功率搅拌熔体增加至10min，随后将温度控制在720℃以上，随后分别添加纯Zn和纯Mg，添加时用石墨钟罩将其分别压入熔体底部，待其彻底溶化后取出钟罩，调控中频感应炉功率使合金熔体温度重新稳定在720℃准备下一步温度场和超声物理场处理。

4.根据权利要求1所述的一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，其特征在于，温度场和超声物理场对合金熔体降温过程进行分阶段2次反复协同处理：超声发生器功率：0.8～2kW，频率：19～22kHz，时间：5～30min，***方式：超声杆与熔体表面呈45～90°，熔体降温速率：3～12℃/min，第一阶段控制熔体温度在690℃以上，第二阶段控制熔体温度在670℃以上，第一和第二阶段中间间隔时间2～15min。

5.根据权利要求1所述的一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，其特征在于，所述热轧过程具体工艺为：开轧温度：480～510℃；终轧温度：300℃以上，轧制变形量50～75％，变形方式：单向轧制。

6.根据权利要求1所述的一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，其特征在于，所述双级高温热处理过程具体工艺为：第一级为：440～485℃/1～3h,第二级为：520～575℃/7～20h，升温速率10～30℃/h，降温速率46℃～200℃/h。

7.根据权利要求1所述的一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，其特征在于，所述大变形量冷轧工艺具体为：冷轧变形量：40～95％，变形温度：室温。

8.根据权利要求1所述的一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，其特征在于，所述高温短时固溶处理具体工艺为：540-575℃/1-10min，升温速率大于100℃/s，随后将固溶处理后的合金试样从固溶处理温度以大于200℃/s的降温速率冷却到室温。

9.根据权利要求1所述的一种提高汽车用铝合金板材弯边性能的一体化过程调控方法，其特征在于，所述降温预时效处理工艺具体为：将淬火态试样在1.5min内转移到时效炉内进行降温预时效处理，温度低于100℃，时间大于10h，降温速率2-4℃/h。

10.一种汽车用铝合金板材，其特征在于，所述汽车用铝合金板材为Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材，所述Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材采用根据权利要求1至9中任一项所述的一体化过程调控方法进行制备调控，

其中，所述Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的化学成分及其质量百分比含量为：Zn:0.5～3.7wt％，Mg：0.6～1.0wt％，Si：0.4～1.0wt％，Cu：0.1～0.4wt％，Fe:0.1～0.7wt％，Mn：0.3～0.7wt％，Ni≤0.12wt％，Cr<0.02wt％，Ti≤0.1wt％，B<0.01wt％，余量为Al。

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