CN111057980B - 一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法，属于铝合金技术领域。该方法包括：配置汽车用高成形性Al‑Mg‑Si‑Cu‑Zn系合金，在非真空下利用中频感应熔炼合金，并将其浇铸在水冷钢模具内进行冷却；对铸锭进行短时低温组织稳定性处理；短时加热铸锭从加热炉内取出，直接进行热轧处理；双级热处理调控合金原生富铁相以及溶质元素分布状态；顺序进行热轧+冷轧+中间退火+冷轧处理；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淬火冷却到室温；将淬火态试样转移到时效炉内进行降温预时效处理。该种处理方法可有效控制合金内晶粒以及沉淀相的尺寸和分布，形成对合金成形性能有显著促进作用的异构组织。

Description

一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法
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成形性能、弯边性能等仍然不够高，以及汽车领域对这些性能要求不断提升的应用现状，提出一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法，该种处理方法可有效控制合金内晶粒以及沉淀相的尺寸和分布，形成对合金成形性能有显著促进作用的异构组织。
背景技术
随着世界各国工业化水平的不断提升，一系列能源危机和环境问题显得愈发严重，节能减排已成为当前社会生产和生活的主旋律。在这一主题下，各国采用了很多措施去解决能耗和环境问题，尤其是在汽车领域更为明显：如何提高汽车发动机效率，研究新能源汽车，减轻汽车重量等成为近期研究热点，而且各大汽车厂商分别采取能提升自身竞争力的轻量化方案。整体而言，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。
与其它系列铝合金相比，6xxx(Al-Mg-Si-Cu)系铝合金由于具有优异的冲压成形性能、弯边性能以及烤漆硬化增量等，该系合金更多地被应用于车身外板的制造。目前获得应用的主要有AA6016、AA6111以及AA6022等铝合金，这些合金由于成分存在一定差异对应的性能也各有特色。不过6xxx系铝合金与传统的汽车用钢板相比仍然存在成本较高，成形性能、弯边性能以及强度不够高等不足，急需开发新合金和新工艺以更好满足实际应用需求。考虑到双相或多相协同析出和协同强化可以有效提高合金板材的烤漆硬化增量以及强度，近期本研究团队开发了高烤漆硬化新型Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金及其制备方法。为了更好满足实际应用需求，在保证高烤漆硬化特性的同时，如何大幅度提高该系合金的冲压成形性能、弯边性能等是该系合金进一步获得推广应用的关键。尤其如果能够开发出一种短流程制备方法，其可以保证预时效态合金板材表现出优异的冲压成形性能，又可大幅降低合金板材的生产成本，那么这对于快速推进该新型铝合金材料的广泛应用具有重要意义。
发明内容
本发明为了更好满足汽车轻量化对高性能铝合金板材的迫切需求，针对Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材传统热加工工艺路线复杂，生产成本高，以及所生产的合金板材冲压成形性能提高幅度有限等不足，提出一种汽车用高成形性Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金异构组织的过程调控方法。本发明充分利用铝合金传统熔铸时不可避免地会产生成分偏析这一组织特征，通过不进行高温长时间均匀化热处理的热加工技术路线对合金组织和沉淀相演化和分布进行调控，即，首先对合金铸锭进行短时低温组织稳定性处理以消除低熔点沉淀相，然后不经高温长时间均匀化处理而直接对其进行热轧变形，随后对其进行短时热处理调控合金基体内的溶质元素分布情况以及其它原生相的分布，之后再进行热轧或直接进行冷轧+中间退火+冷轧，最后对冷轧态合金板材进行固溶和预时效处理，预时效态合金板材即可呈现异构组织特征，如晶粒尺寸呈双模型分布特征，多尺度沉淀相分布特征，以及合金基体内微区存在软区域和硬区域交替分布的组织特征等，此时合金板材在冲压成形时不同晶粒之间会表现出更好的协调变形性能，最终铝合金板材的冲压成形性能可以获得大幅度提高。从而实现预时效态Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材具有优异冲压成形性能的目的。
根据本发明的第一方面，提供一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法，所述Al-Mg-Si-Cu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％，Cr<0.02wt％，Ti≤0.1wt％，B<0.01wt％，余量为Al；其特征在于采用如下技术路线：
(1)采用回收铝或普铝进行Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金的配置，然后在非真空下利用中频感应熔炼合金，并将其浇铸在水冷钢模具内，控制冷却速率大于40℃/min使得合金晶粒尺寸满足后续调控要求；
(2)根据铸锭铸造速度，对铸锭进行短时低温组织稳定性处理，短时低温工艺为420～500℃/0.5～5h，升温速率10～45℃/h；
(3)短时加热铸锭从加热炉内取出，直接进行热轧(开轧温度：410～478℃；终轧温度：高于300℃，道次压下量10～20％，轧制变形量60～99％)；
(4)双级热处理调控合金原生富铁相以及溶质元素分布状态(第一级为：440～490℃/1～12h,第二级为：520～575℃/3～15h，升温速率10～45℃/h，降温速率大于30℃/h)；
(5)热轧(变形量0％～80％，开轧温度：410～560℃)+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％)；
(6)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的降温速率淬火冷却到室温；
(7)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90℃，时间：大于10h，降温速率3-6℃/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冲压成形性能。
优选地，所述非真空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-Fe，Al-Mn，Al-Cr，Al-Ti中间合金，待熔化后分别再添加Al-Cu和Al-Si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，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℃以上；然后除气扒渣，将其浇铸到水冷钢模内，控制冷却速率大于50℃/min。
优选地，所述热轧过程具体工艺为：开轧温度：410～475℃；终轧温度大于310℃，道次压下量10～18％，轧制变形量65～95％，变形方式：单向轧制。
优选地，所述双级热处理调控合金原生富铁相以及溶质元素分布状态具体工艺为：第一级为：470～490℃/1～10h，第二级为：530～565℃/7～15h，升温速率10～40℃/h，降温速率大于50℃/h。
优选地，所述热轧(变形量0％～77％，开轧温度：420～550℃)+冷轧(变形量：35～60％)+中间退火(退火温度：385～415℃/0.5h～2.5h)+冷轧(冷轧变形量：35～60％)。
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的降温速率淬火冷却至室温。
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，开始处理温度：低于85℃，时间：大于11h，降温速率3～5℃/h。
根据本发明的第二方面，提供一种汽车用高成形性铝合金，所述汽车用高成形性铝合金为Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，所述Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金采用根据以上任一项所述的过程调控方法进行制备调控，
其中，所述Al-Mg-Si-Cu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％，Cr<0.02wt％，Ti≤0.1wt％，B<0.01wt％，余量为Al。
根据本发明的第三方面，提供一种如以上方面所述汽车用高成形性铝合金在汽车中的应用。
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系合金板材经热加工过程调控后呈现出异构组织特征，即晶粒尺寸呈双模型尺寸分布特征、沉淀相呈多尺度分布特征，同时微区内还分布有沉淀相浓度较低和浓度较高的软硬交替区域，最终预时效态合金板材的冲压成形性能获得大幅度提高，而且由于该制备方法省去了传统热加工过程中的高温长时间均匀化热处理工序，还可以有效降低合金板材的生产成本，对于该系铝合金板材的进一步广泛应用具有重要推动作用。本发明非常适合应用于汽车用铝合金材料的加工和生产，以及对铝合金板材组织特征以及冲压成形性能等有特定要求的其它铝合金材料生产企业使用，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示出根据本发明的汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法流程图；
图2示出对比例1预时效态合金SEM显微组织；
图3示出对比例1预时效态合金沿0°、45°和90°三个方向弯边变形后外表面形貌；
图4示出实施例1预时效态合金SEM组织；
图5示出实施例1预时效态合金沿0°、45°和90°三个方向弯边变形后外表面形貌；
图6示出实施例2预时效态合金SEM组织；
图7示出实施例2预时效态合金沿0°、45°和90°三个方向弯边变形后外表面形貌；
图8示出实施例3预时效态合金SEM组织；
图9示出实施例3预时效态合金沿0°、45°和90°三个方向弯边变形后外表面形貌。
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-Zn系合金板材冲压成形性能仍然有待进一步提高，以及生产成本急需大幅降低的研究和应用现状，提出一种短流程制备方法，该方法不仅可以使得最终预时效态合金板材具有异构组织，而且还能表现出优异的冲压成形性能和烤漆硬化增量。本发明充分利用铝合金传统熔铸时不可避免地会出现成分偏析，通过加工和热处理综合调控首先使得合金基体微区内溶质元素浓度存在差异，然后进一步通过热加工调控使得合金微区内晶粒尺寸以及晶粒内部沉淀相尺寸、浓度以及分布产生差异，最终预时效态合金基体内不仅晶粒存在粗细交替搭配的双模型晶粒尺寸分布特征，同时织构显著弱化，而且还存在微区沉淀浓度分布存在差异的软硬交替的异构组织特征。利用该工艺制备的合金板材一旦具有上述组织特征，在冲压变形过程中不同尺寸晶粒之间以及不同微区域之间的协调变形能力会获得大幅度提高，合金最终可表现出优异的冲压成形性能、弯边性能等优异性能。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。
根据本发明的汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法，原材料分别采用回收铝或普铝、工业纯Mg、工业纯Zn、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。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，然后在非真空下利用中频感应熔炼合金，并将其浇铸在水冷钢模具内，控制冷却速率大于40℃/min使得合金晶粒尺寸满足后续调控要求；
步骤102：根据铸锭铸造速度，对铸锭进行短时低温组织稳定性处理，短时低温工艺为420～500℃/0.5～5h，升温速率10～45℃/h；
步骤103：短时加热铸锭从加热炉内取出，直接进行热轧(开轧温度：410～478℃；终轧温度：高于300℃，道次压下量10～20％，轧制变形量60～99％)；
步骤104：双级热处理调控合金原生富铁相以及溶质元素分布状态(第一级为：440～490℃/1～12h,第二级为：520～575℃/3～15h，升温速率10～45℃/h，降温速率大于30℃/h)；
步骤105：热轧(变形量0％～80％，开轧温度：410～560℃)+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％)；
步骤106：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的降温速率淬火冷却到室温；
步骤107：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90℃，时间：大于10h，降温速率3-6℃/h)。
具体地，处理工艺包括如下步骤：首先将纯铝全部加入坩埚并熔化，温度控制在780～880℃，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，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740℃后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至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，控制冷却速率大于50℃/min。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 Al
1# 0.9 0.7 0.2 0.4 0.5 3.0 <0.02wt％ ≤0.1wt％ <0.01 余量
对铸锭进行如下的热加工处理，(1)根据铸锭铸造速度，对铸锭进行短时低温组织稳定性处理，短时低温处理工艺420～500℃/0.5～5h，升温速率10～45℃/h；(2)短时加热铸锭从加热炉内取出，直接进行热轧(开轧温度：410～478℃；终轧温度：高于300℃，道次压下量10～20％，轧制变形量60～99％)；(3)双级热处理调控合金原生富铁相以及溶质元素分布状态(第一级为：440～490℃/1～12h,第二级为：520～575℃/3～15h，升温速率10～45℃/h，降温速率大于30℃/h)；(4)热轧(变形量0％～80％，开轧温度：410～560℃)+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％)；(5)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的降温速率淬火冷却到室温；(6)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90℃，时间：大于10h，降温速率3～6℃/h)。基于上述热加工过程调控即可保证所开发的预时效态Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金板材具有优异的冲压成形性能。具体的实施方式如下：
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，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，控制冷却速率大于50℃/min；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475℃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％)；随后对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90℃，时间：大于10h，降温速率3～6℃/h)，最后对预时效态合金板材进行机械性能测量，并沿轧向进行弯边性能测量(r/t＝0.5)。预时效态合金机械性能如表1所示，预时效态1#合金SEM显微组织如图2所示，预时效态合金沿0°、45°和90°三个方向弯边性能如图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，首先将纯铝全部加入坩埚并熔化，温度控制在780～880℃，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，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，控制冷却速率大于50℃/min；然后对铸锭进行如下的热加工处理：(1)根据铸锭铸造速度，对铸锭进行短时低温组织稳定性处理，短时低温处理工艺420～500℃/0.5～3h，升温速率10～45℃/h；(2)短时加热铸锭从加热炉内取出，直接进行热轧(开轧温度：410～475℃；终轧温度大于310℃，道次压下量10～18％，轧制变形量65～95％，变形方式：单向轧制)；(3)双级热处理调控合金原生富铁相以及溶质元素分布状态(第一级为：470～490℃/1～10h，第二级为：530～565℃/7～15h，升温速率10～40℃/h，降温速率大于30℃/h)；(4)热轧(变形量70％，开轧温度：420～550℃)+冷轧(变形量：35～60％)+中间退火(退火温度：385～415℃/0.5h～2.5h)+冷轧(冷轧变形量：35～60％)；(5)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的降温速率淬火冷却至室温；(6)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，开始处理温度：低于85℃，时间：大于11h，降温速率3～5℃/h，最后对预时效态合金板材沿0°、45°和90°三个方向进行弯边性能测量(r/t＝0.5)以及拉伸性能测量。预时效态合金SEM组织如图4所示，弯边后外表面形貌如图5所示，拉伸性能如表1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，首先将纯铝全部加入坩埚并熔化，温度控制在780～880℃，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，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，控制冷却速率大于50℃/min；然后对铸锭进行如下的热加工处理：(1)根据铸锭铸造速度，对铸锭进行短时低温组织稳定性处理，短时低温处理工艺420～500℃/0.5～3h，升温速率10～45℃/h；(2)短时加热铸锭从加热炉内取出，直接进行热轧(开轧温度：410～475℃；终轧温度大于310℃，道次压下量10～18％，轧制变形量65～95％，变形方式：单向轧制)；(3)双级热处理调控合金原生富铁相以及溶质元素分布状态(第一级为：470～490℃/1～10h，第二级为：530～565℃/7～15h，升温速率10～40℃/h，降温速率大于30℃/h)；(4)热轧(变形量0％，即不进行热轧)+冷轧(变形量：35～60％)+中间退火(退火温度：385～415℃/0.5h～2.5h)+冷轧(冷轧变形量：35～60％)；(5)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的降温速率淬火冷却至室温；(6)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，开始处理温度：低于85℃，时间：大于11h，降温速率3～5℃/h，最后对预时效态合金板材沿0°、45°和90°三个方向进行弯边性能测量(r/t＝0.5)以及拉伸性能测量。预时效态合金SEM组织如图6所示，弯边后外表面形貌如图7所示，拉伸性能如表1所示。
实施例3
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，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，控制冷却速率大于50℃/min；然后对铸锭进行如下的热加工处理：(1)根据铸锭铸造速度，对铸锭进行短时低温组织稳定性处理，短时低温处理工艺420～500℃/0.5～3h，升温速率10～45℃/h；(2)短时加热铸锭从加热炉内取出，直接进行热轧(开轧温度：410～475℃；终轧温度大于310℃，道次压下量10～18％，轧制变形量65～95％，变形方式：单向轧制)；(3)双级热处理调控合金原生富铁相以及溶质元素分布状态(第一级为：470～490℃/1～10h，第二级为：530～565℃/7～15h，升温速率10～40℃/h，降温速率大于50℃/h)；(4)热轧(变形量70％，开轧温度：420～550℃)+冷轧(变形量：35～60％)+中间退火(退火温度：385～415℃/0.5h～2.5h)+冷轧(冷轧变形量：35～60％)；(5)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的降温速率淬火冷却至室温；(6)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，开始处理温度：低于85℃，时间：大于11h，降温速率3～5℃/h，最后对预时效态合金板材沿0°、45°和90°三个方向进行弯边性能测量(r/t＝0.5)以及拉伸性能测量。预时效态合金SEM组织如图8所示，弯边后外表面形貌如图9所示，拉伸性能如表1所示。
表1不同热加工工艺处理后预时效态合金板材拉伸性能数据汇总
Figure BDA0002322467920000101
近年来汽车轻量化进程逐渐在加快，车身外板用铝合金材料的综合性能也得到了大幅提升，尤其在传统Al-Mg-Si-Cu系合金基础上进一步进入溶质元素Zn并辅以合适热加工工艺调控后，其烤漆硬化增量获得了大幅提高，最高可达160MPa以上。但是该系合金要想获得广泛应用其冲压成形性能、弯边性能等仍然有待进一步提高，而合金板材的生产成本同样需要大幅降低。因此，急需开发适合该系铝合金板材同时又能保证其冲压成形性能获得大幅提高的短流程制备方法。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。虽然这些相在后续热加工过程中可以发生破碎，但是不可避免的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，以及分布不均匀等现象(如图2所示)，进而影响合金的塑性、成形性能以及弯边性能等。虽然对比例1中所制备的合金板材弯边后开裂不严重(如图3所示)，而且平均r值达0.6122，Δr也较低(如表1所示)，但是这些性能主要归功于合金晶粒组织的细化以及织构的弱化等。因此，如果能够开发出新的热加工工艺不仅能将原生富铁相尺寸、形态以及分布等获得更进一步调控，同时合金组织也能获得进一步改进，那么相信合金的冲压成形性能一定能够获得进一步提高。本发明专利充分利用铝合金熔铸时不可避免的会产生成分偏析，通过不进行长时间高温均匀化热处理的短流程热加工路线，即，首先对合金铸锭进行短时低温组织稳定性处理以消除低熔点沉淀相，然后不经高温长时间均匀化处理而直接对其进行热轧变形，随后对其进行短时热处理调控合金基体内的溶质元素分布情况以及其他原生相的分布，之后再进行热轧或直接进行冷轧+中间退火+冷轧，最后对冷轧态合金板材进行固溶和预时效处理，预时效态合金板材即可呈现异构组织特征，如晶粒尺寸呈双模型分布特征，多尺度沉淀相分布特征，以及合金基体内微区存在软区域和硬区域交替分布的组织特征等。预时效态合金一旦具有异构组织，其对应的弯边性能、冲压成形性能等均可以获得大幅提高。根据实施例1所制备的合金组织和性能，可以看出，预时效态合金基体内的原生相均匀分布程度得到了大幅度的提高(如图4所示)，表征冲压成形性能的平均塑性应变比r值也由对比例1中的0.6122提升到0.670，而且各向异性指数Δr仍然较低(如表1所示)。此外，预时效态合金板材沿0°、45°和90°三个方向弯边变形后外表面光滑，无裂纹或者起皱等现象(如图5所示)，合金板材的弯边性能获得了大幅度提高。在此基础上，进一步改进热加工工艺，尤其是热轧变形量，即增加短时低温组织稳定性处理后的热轧变形量，根据实施例2的结果可以发现，预时效态合金基体内的原生相分布状态获得了更进一步的改进(如图6所示)。这主要由于热轧变形量的增加可以更大程度的破碎铸态原生相，然后再进行短时热处理，这些相不仅会更容易发生熔断而成球形，而且热处理过程中也不容易发生粗化长大，最终可以观察到原生相尺寸适当且分布均匀性有所提高。此外，更值得注意的是由于变形量的改变同样会影响同一区域内溶质元素的分布情况，热轧变形量增加对于更好调控微区内溶质元素呈异构特征更加有利，溶质元素微区内的异构分布直接又会导致预时效态合金内析出的溶质元素团簇、GP区以及沉淀相分布呈异构分布特征，即合金基体微区内出现软硬交替的异构组织特征。所有这些因素共同作用使得该实施例下所制备的合金具有更加优异的冲压成形性能，平均r值可达0.714，而且预时效态合金板材沿0°、45°和90°三个方向弯边变形后外表面同样十分光滑(如图7所示)。由此可见，该系合金通过新的热加工工艺调控后可以表现出优异的综合性能，异构组织的设计和利用确实可以大幅度提高合金的冲压成形性能。
在此基础上，考虑到热加工过程中同样会析出沉淀相Mg2Si等，这些相如果在热加工过程中不能很好调控同样对合金组织和性能产生不利影响。为了减小这些相的影响，实施例3中在热轧变形后短时热处理调控合金基体内的溶质元素分布情况之后，采用增加冷却速率的方式降低冷却过程中沉淀相的析出长大速率，从而降低其不利影响。根据实施例3所制备合金的组织和性能，可以看出，该实施例所制备的合金板材综合性能可以获得更大程度的提高。由图8可以看出，原生相分布更加均匀，而且沉淀相数量明显减少。预时效态合金板材表征冲压成形性能的平均r值也进一步提高到了0.720，Δr值仅为0.087(如表1所示)。同时合金板材沿0°、45°和90°三个方向弯边变形后外表面十分光滑(如图9所示)，具有优异的弯边性能。
综上所述，本发明通过对Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金铸锭进行短流程热加工过程调控后，不仅合金基体内原生相尺寸、形态以及分布等获得了显著改善，同时也充分利用熔铸时溶质元素的偏聚，设计调控了这些溶质元素微区内的分布状态，首先使其微区内分布不均匀，然后再通过时效微区内产生不同浓度的溶质原子团簇、GP区或沉淀相等进一步使得微区内呈软硬交替的异构组织特征，最终利用这种异构组织使得该系预时效态合金冲压成形性能和弯边性能获得了大幅度提高。此外，更值得强调的是该热加工工艺不仅可以使得合金综合性能提高，而且由于省去了长时间高温多级均匀化处理，合金板材的生产成本也可获得大幅度降低，所有这些性能提高以及成本降低对于该系合金更快的应用于汽车轻量化过程中具有重要推动作用。此外，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 (7)

1.一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法，其特征在于，所述汽车用高成形性铝合金为Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，所述方法具体包括：
（1）配置汽车用高成形性Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，然后在非真空下利用中频感应熔炼合金，并将其浇铸在水冷钢模具内，控制冷却速率大于40℃/min使得合金晶粒尺寸满足后续调控要求，其中，所述Al-Mg-Si-Cu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%，Cr<0.02wt%，Ti≤0.1wt%，B<0.01wt%，余量为Al；
（2）根据铸锭铸造速度，对铸锭进行短时低温组织稳定性处理；
（3）短时加热铸锭从加热炉内取出，直接进行热轧处理，具体为：开轧温度：410~478℃；终轧温度：高于300℃，道次压下量10~20%，轧制变形量60~99%；
（4）双级热处理调控合金原生富铁相以及溶质元素分布状态，具体包括：第一级为：440~490℃/1~12h；第二级为：520~575℃/3~15h，升温速率10~45℃/h，降温速率大于30℃/h；
（5）顺序进行热轧+冷轧+中间退火+冷轧处理；
（6）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淬火冷却到室温；
（7）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所述的一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法，其特征在于，步骤（1）中，在非真空下利用中频感应熔炼合金工艺为：首先将回收铝或普铝全部加入坩埚并熔化，温度控制在780~880℃，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，随后将温度控制在720℃以上，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，待其彻底熔化 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740℃后扒渣、加入精炼剂进行除气精炼；然后将熔体温度降至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720℃保温10min后将熔体浇铸到四周水冷的钢模内，控制冷却速率大于50℃/min。
3.根据权利要求1所述的一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法，其特征在于，步骤（2）中，短时低温组织稳定化工艺为420~500℃/0.5~3h，升温速率10~45℃/h。
4.根据权利要求1所述的一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法，其特征在于，步骤（5）中，热轧+冷轧+中间退火+冷轧处理具体包括：热轧处理：变形量为0%~80%，开轧温度为410~560℃；冷轧处理：变形量为30-60%；中间退火：退火温度为380-420℃/0.5h-3h；冷轧处理：冷轧变形量为30-60%。
5.根据权利要求1所述的一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法，其特征在于，步骤（6）中，高温短时固溶处理具体包括：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的降温速率淬火冷却到室温。
6.根据权利要求1所述的一种汽车用高成形性铝合金异构组织的过程调控方法，其特征在于，步骤（7）中，降温预时效处理具体包括：温度低于90℃，时间大于10h，降温速率3-6℃/h。
7.一种汽车用高成形性铝合金，其特征在于，所述汽车用高成形性铝合金为Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金，所述Al-Mg-Si-Cu-Zn系合金采用根据权利要求1至6中任一项所述的过程调控方法进行制备调控，
其中，所述Al-Mg-Si-Cu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%，Cr<0.02wt%，Ti≤0.1wt%，B<0.01wt%，余量为Al。
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