CN113862498A - 一种载货汽车油箱用高强度铝板材及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种载货汽车油箱用高强度铝板材及其生产方法。本发明以纯铝锭、纯镁锭和纯锌锭为原料熔炼，并加入中间合金配料熔炼，所得合金液成分满足其合金元素组成；所得合金液依次进行精炼、铸造、铣面、均热化处理、热粗轧和热精轧，制成铝合金坯料卷；所得料卷进行冷轧，得到2.5mm和3.5mm两种厚度的冷轧卷材；所得厚度2.5mm的卷材依次进行退火、清洗，得到O状态成品卷材；所得厚度3.5mm的冷轧卷材依次进行中间退火、二次冷轧、稳定化处理和清洗，得到H32状态成品卷。利用本发明制备所得产品兼具优异力学性能、耐腐蚀性能和冲压成型性能，能够有效解决载货汽车油箱耐蚀性差和延伸率低而导致油箱冲压开裂的技术问题。

Description

一种载货汽车油箱用高强度铝板材及其生产方法
一、技术领域：
本发明涉及一种高强度轧制Al-Mg系铝合金板材及其制备方法，具有涉及一种载货汽车油箱用高强度铝板材及其生产方法。
二、背景技术：
随着汽车行业的发展，铁质燃油箱的易腐蚀问题成为威胁油箱使用寿命和品质的最大问题。同时，当前对汽车轻量化的重视和各种新材料的应用发展，在保证强度和使用安全性的前提下，采用新型轻质材料代替传统钢铁材料成为汽车行业发展的趋势。铝合金因其具有很高的比强度和比刚度、良好加工成形性、优异的耐蚀性以及高的再回收率等特性，成为汽车轻量化理想的材料。Al-Mg系铝合金板材由于具有良好的力学性能和耐腐蚀性而成为汽车油箱常用材料。铝合金油箱不仅强度能够满足使用要求，而且耐蚀性要比铁质和其他新材料方面具有很大优势。但现有的5系铝合金板材由于合金元素含量较高，在冲制、翻边时易产生开裂，板材越薄开裂现象越明显。同时，其复杂环境下的耐蚀性也有待进一步提高。
为了提高Al-Mg系板材的冲压成型和耐腐性能，通过改变板材成型工艺、热处理工艺和进行微合金化对合金内部组织演变进行调控，提高合金的性能。添加Ta元素具有优异的抗腐蚀性，无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。Ta元素的硬度适中，但富有延展性，可以通过拉成细丝式制成薄箔。
三、发明内容：
本发明要解决的技术问题是：根据现有载货汽车油箱耐蚀性差和延伸率低而导致油箱冲压开裂等问题，本发明提供一种载货汽车油箱用高强度铝板材及其生产方法。利用本发明技术方案制备所得产品兼具优异力学性能、耐腐蚀性能和冲压成型性能，能够有效解决载货汽车油箱耐蚀性差和延伸率低而导致油箱冲压开裂的技术问题。
为了解决上述问题，本发明采取的技术方案是：
本发明提供一种载货汽车油箱用高强度铝板材，以质量百分含量表示，所述高强度铝板材的合金元素组成为：Mg 4.3～4.6％、Ta 0.05～0.35％、Si≤0.2％、Fe≤0.3％、Cu≤0.05％、Mn 0.45～0.55％、Cr 0.1～0.15％、Zn≤0.1％、Ti 0.015～0.02％、Na≤0.0003％，余量为Al。
另外，提供一种载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：
a、熔炼：以纯铝锭、纯镁锭和纯锌锭为原料进行配料熔炼，熔炼过程中控制熔炼温度为720～760℃，熔炼保温时间为20～30min；熔炼过程中加入中间合金Al-5Ta、Al-20Si、Al-5Fe、Al-50Cu、Al-20Mn、Al-5Cr和Al-5Ti-B进行配料熔炼，配料温度为730～750℃；使其熔炼所得合金液成分满足上述载货汽车油箱用高强度铝板材的合金元素组成；
b、精炼：将步骤a所得合金液进行精炼，精炼过程中控制精炼温度为720～735℃，精炼时间为30～60min；精炼结束后进行静置，静置时间为20～40min；
c、铸造：将步骤b静置后所得合金液进行铸造，铸造过程中浇铸温度控制为690～720℃，铸造后得到铝合金铸锭；
d、铣面：将步骤c得到的铝合金铸锭进行铣面；
e、均热化处理：将步骤d铣面后的铝合金铸锭进行均热化处理；
所述均热化处理包括两个阶段：第一阶段控制均热定温为475～495℃，在此温度条件下保温8～12小时；第二阶段停止升温，待金属温度降至450～470℃条件下保温2～3小时；
f、热轧：将步骤e所得铸锭粗轧成热轧坯料，再对坯料进行热精轧，制成铝合金坯料卷；
所述热轧过程中，控制粗轧开轧温度为440～470℃，粗轧完成中间板温度为380～440℃；精轧终轧温度为330～350℃，热轧后所得成品厚度为8.0mm±0.05mm；
g、冷轧：将热轧后所得铝合金坯料卷进行冷轧，经过冷轧得到2.5mm和3.5mm两种厚度的冷轧卷材；
h、退火：将步骤g所得厚度为2.5mm的冷轧卷材进行退火，退火后进行清洗，得到O状态成品卷材，再经过横剪得到成品板材；
将步骤g所得厚度为3.5mm的冷轧卷材进行中间退火，中间退火后进行二次冷轧，冷轧至成品厚度2.5mm；
i、稳定化处理：将步骤h中间退火后二次冷轧所得的2.5mm冷轧卷进行稳定化处理，处理后进行清洗，得到H32状态成品卷，再经横剪得到成品板材。
根据上述的载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，步骤b所述精炼过程中采用Ar2和Cl2的混合气体进行除气净化，使其静置炉精炼后氢含量＜0.20ml/100g(Al)，除气净化后进行在线除气将氢含量控制在≤0.15ml/100g(Al)。
根据上述的载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，所述Ar2和Cl2混合时二者所占的体积百分含量配比分别为80～85％和20～15％。
根据上述的载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，步骤d铣面过程中控制大面单侧铣面量为12～20mm，小面单侧铣面量为10～15mm，所得铝合金铸锭两边厚度差≤3mm，净锭大面粗糙度Ra0.3～0.5μm。
根据上述的载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，步骤h中所述退火或中间退火处理过程中，控制温度均为360～390℃，在此温度条件下均保温6～8小时，退火后自然冷却。
根据上述的载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，步骤i中所述稳定化处理中控制温度为220～250℃，在此温度下保温12小时，出炉后自然冷却。
本发明技术方案中，对制备的载货汽车油箱铝合金进行O态退火、稳定化退火后采用连续式拉弯矫直机进行清洗，作业前提前加入低泡铝材清洗剂，配比在5～8％，纯净水比例为95～92％；同时提高槽液温度，控制在70～85℃进行清洗，水压控制在0.4～0.6Mpa，清洗速度控制在60～80m/min。
本发明的积极有益效果：
1、现有Al-Mg系板材主要通过加入适量Mg以及少量Cr元素增加合金强度，但是，Cr的加入在提升强度的同时牺牲了材料的延伸性。本发明通过添加Ta元素形成的大量尺寸微小的包含了部分Mg和Cr的(Al,Cr)3(Zr,Ti,Ta)相，该相具有固定位错和亚晶界的作用，使铸件显微组织细化，抑制基体再结晶。同时，提高合金的耐腐蚀性能。Ta在固溶体中的固溶度随合金中钽含量的增加而提高，也提高另一些主要固溶强化元素Cr的溶解度，所以不仅提高了固溶强化效果，也明显改善了固溶体的塑性。最终实现成品板材性能的同步提高，满足汽车油箱板的加工需要。
2、为了提高成品板材冲压成型性能，本发明热轧过程中需减弱轧制织构，采用大压下量进行轧制，且提高热变形温度，终轧温度为330-345℃，从而达到热轧坯料细化晶粒作用。本发明技术方案采用17个道次进行可逆式轧制，不但确保生产设备安全而且热轧坯料内部晶粒度均匀、无疏松等内部缺陷，使生产的载货汽车油箱产品热轧坯料的塑性变形能力有明显提高。
3、利用本发明技术方案制备的载货汽车油箱铝合金板材，能够有效控制过程表面粘伤、挫伤等质量问题。冷轧采用4个道次进行轧制，道次安排分别为8.0﹣6.0﹣4.5﹣3.5﹣2.5mm，此制程严格控制开卷取张力，同时对于2.5mmO态板材成品最后两道次，每道次轧制前确保卷材温度在45℃以下。
4、卷材退火后常规清洗作业，易清洗不彻底，造成表面水印、铝灰条、油印等残留。本发明技术方案制备的载货汽车油箱铝合金O态退火、稳定化退火后采用连续式拉弯矫直机进行清洗，作业前提前加入低泡铝材清洗剂，配比在5～8％，纯净水比例为95～92％；同时提高槽液温度，控制在70～85℃进行清洗，水压控制在0.4～0.6Mpa，清洗速度控制在60～80m/min，采用较高槽液浓度、槽液温度，能够有效的进行清洗作业，保证表面质量。
5、本发明在Al-Mg系铝合金中添加Ta元素，改善了合金组织，提高了耐蚀性和冲压成型性能。从而使其制备所得产品兼具优异力学性能、耐腐蚀性能和冲压成型性能，能够有效解决载货汽车油箱耐蚀性差和延伸率低而导致油箱冲压开裂问题。本发明技术方案制备的产品经检测，所得相关性能参数详见表1。
表1本发明制备所得铝板材的相关性能检测结果
Figure BDA0003219687420000051
四、具体实施方式：
以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明技术方案保护的范围。
实施例1：
本发明载货汽车油箱用高强度铝板材，以质量百分含量表示，其合金元素组成为：Mg 4.4％、Ta 0.205％、Si 0.117％、Fe 0.294％、Cu 0.042％、Mn 0.504％、Cr 0.121％、Zn0.063％、Ti 0.018％和Na 0.0001％，余量为Al。
实施例2：
本发明实施例1所述载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，该生产方法的详细步骤如下：
a、熔炼：以纯铝锭、纯镁锭和纯锌锭为原料进行配料熔炼，熔炼过程中控制熔炼温度为735～750℃，熔炼保温时间为25min；熔炼过程中加入中间合金Al-5Ta、Al-20Si、Al-5Fe、Al-50Cu、Al-20Mn、Al-5Cr和Al-5Ti-B进行配料熔炼，配料温度为740～750℃；使其熔炼所得合金液成分满足实施例1所述载货汽车油箱用高强度铝板材的合金元素组成；
b、精炼：将步骤a所得合金液进行精炼，精炼过程中控制精炼温度为730～735℃，精炼时间为40min；精炼结束后进行静置，静置时间为35min；
所述精炼过程中采用Ar2和Cl2的混合气体进行除气净化(所述Ar2和Cl2混合时二者所占的体积百分含量配比分别为85％和15％)，使其静置炉精炼后氢含量＜0.20ml/100g(Al)，除气净化后进行在线除气将氢含量控制在≤0.15ml/100g(Al)；
c、铸造：将步骤b静置后所得合金液进行铸造，铸造过程中浇铸温度控制为690～710℃，铸造后得到铝合金铸锭；
d、铣面：将步骤c得到的铝合金铸锭进行铣面，铣面过程中控制大面单侧铣面量为20mm，小面单13mm，所得铝合金铸锭两边厚度差≤3mm，净锭大面粗糙度Ra0.3～0.5μm；
e、均热化处理：将步骤d铣面后的铝合金铸锭进行均热化处理；
所述均热化处理包括两个阶段：第一阶段控制均热定温为485～495℃，在此温度条件下保温10小时；第二阶段停止升温，待金属温度降至460～470℃条件下保温3小时；
f、热轧：将步骤e所得铸锭，粗轧成热轧坯料，再对坯料进行热精轧，制成铝合金坯料卷；
所述热轧过程中，控制粗轧开轧温度为460～470℃，热粗轧轧制道次为17个道次，控制乳液压力为0.5MPa，浓度为4.0％，粗轧完成中间板温度为400～430℃；热精轧终轧温度为339℃，热精轧过程中控制乳液压力为0.55MPa，浓度为6.0％；热轧后所得坯料厚度为8.0mm±0.05mm，版型中凸度控制在3～5％；
g、冷轧：将热轧后所得铝合金坯料卷采用两种冷轧工艺进行冷轧，经过冷轧分别得到2.5mm和3.5mm两种厚度的冷轧卷材；
h、退火：将步骤g所得厚度为2.5mm的冷轧卷材进行退火(所述退火过程中，控制温度为375～385℃，在此温度条件下均保温7.5小时，退火后自然冷却)，退火后进行清洗，得到O状态成品卷材，再经过横剪得到成品板材；
将步骤g所得厚度为3.5mm的冷轧卷材进行中间退火(所述中间退火过程中，控制温度为360～370℃，在此温度条件下均保温6小时，退火后自然冷却)，中间退火后进行二次冷轧，冷轧至成品厚度2.5mm；
i、稳定化处理：将步骤h中间退火后二次冷轧所得的2.5mm冷轧卷进行稳定化处理(所述稳定化处理中控制温度为240～250℃，在此温度下保温12小时，出炉后自然冷却)，处理后进行清洗，得到H32状态成品卷，再经横剪得到成品板材。
本实施例所得产品铝板材的微观组织分析：
将本实施例产品铝板材中间部位切取10×10mm样块，将板材表面、横截面、纵截面进行机械抛光(依次使用240目、480目、800目、1200目和2000目砂纸进行打磨；然后进行粗抛和精抛处理，磨抛机转速控制在300～600rpm)、电解抛光、浸蚀、冲洗，制样完成后利用金相显微镜在50、100、200、400倍条件下拍摄照片，进行微观组织观察分析；分别观察分析表面晶粒、横截面晶粒、纵截面粗大第二相尺寸大小及分布可以。
本实施例所得产品铝板材的性能评价：
从成品板材上按照标准《GB/T228-2010金属材料室温拉伸试验方法》制备拉伸试样。试验采用数显式万能材料拉伸机进行，拉伸速度为15mm/min。将铝板材切成10mm×10mm的小方块，将板材纵截面进行打磨，依次使用240目、480目、800目、1500目砂纸，将试样研磨方向旋转，磨样机转速控制在300～600rpm；然后进行粗抛和精抛处理。采用HB-3000C布氏硬度机测试硬度，压头直径2.5mm，载荷为612.9N，保压时间15秒，硬度值计算结果采用GB/T231.1标准。本实施例所生产板材的相关性能如表2所示。
由该实施例可见，本发明制备所得载货汽车油箱铝合金板材，在保证高强度的同时延伸率也比较优异，具有良好的综合力学性能。
表2实施例2制备所得铝板材的相关性能检测结果
Figure BDA0003219687420000081
实施例3：
本发明载货汽车油箱用高强度铝板材，以质量百分含量表示，其合金元素组成为：Mg 4.504％、Ta 0.211％、Si 0.139％、Fe 0.288％、Cu 0.041％、Mn 0.518％、Cr 0.126％、Zn 0.040％、Ti 0.020％和Na 0.0001％，余量为Al。
实施例4：
本发明实施例3所述载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，该生产方法的详细步骤如下：
a、熔炼：以纯铝锭、纯镁锭和纯锌锭为原料进行配料熔炼，熔炼过程中控制熔炼温度为725～745℃，熔炼保温时间为30min；熔炼过程中加入中间合金Al-5Ta、Al-20Si、Al-5Fe、Al-50Cu、Al-20Mn、Al-5Cr和Al-5Ti-B进行配料熔炼，配料温度为730～745℃；使其熔炼所得合金液成分满足实施例3所述载货汽车油箱用高强度铝板材的合金元素组成；
b、精炼：将步骤a所得合金液进行精炼，精炼过程中控制精炼温度为725～730℃，精炼时间为45min；精炼结束后进行静置，静置时间为30min；
所述精炼过程中采用Ar2和Cl2的混合气体进行除气净化(所述Ar2和Cl2混合时二者所占的体积百分含量配比分别为85％和15％)，使其静置炉精炼后氢含量＜0.20ml/100g(Al)，除气净化后进行在线除气将氢含量控制在≤0.15ml/100g(Al)；
c、铸造：将步骤b静置后所得合金液进行铸造，铸造过程中浇铸温度控制为695～720℃，铸造后得到铝合金铸锭；
d、铣面：将步骤c得到的铝合金铸锭进行铣面，铣面过程中控制大面单侧铣面量为18mm，小面单15mm，所得铝合金铸锭两边厚度差≤3mm，净锭大面粗糙度Ra0.3～0.5μm；
e、均热化处理：将步骤d铣面后的铝合金铸锭进行均热化处理；
所述均热化处理包括两个阶段：第一阶段控制均热定温为475～490℃，在此温度条件下保温10.5小时；第二阶段停止升温，待金属温度降至455～465℃条件下保温3小时；
f、热轧：将步骤e所得铸锭，粗轧成热轧坯料，再对坯料进行热精轧，制成铝合金坯料卷；
所述热轧过程中，控制粗轧开轧温度为460～470℃，热粗轧轧制道次为17个道次，控制乳液压力为0.5MPa，浓度为4.0％，粗轧完成中间板温度为390～425℃；热精轧终轧温度为338℃，热精轧过程中控制乳液压力为0.55MPa，浓度为6.0％；热轧后所得坯料厚度为8.0mm±0.05mm，版型中凸度控制在3～5％；
g、冷轧：将热轧后所得铝合金坯料卷采用两种冷轧工艺进行冷轧，经过冷轧分别得到2.5mm和3.5mm两种厚度的冷轧卷材；
h、退火：将步骤g所得厚度为2.5mm的冷轧卷材进行退火(所述退火过程中，控制温度为365～380℃，在此温度条件下均保温7小时，退火后自然冷却)，退火后进行清洗，得到O状态成品卷材，再经过横剪得到成品板材；
将步骤g所得厚度为3.5mm的冷轧卷材进行中间退火(所述中间退火过程中，控制温度为365～380℃，在此温度条件下均保温6小时，退火后自然冷却)，中间退火后进行二次冷轧，冷轧至成品厚度2.5mm；
i、稳定化处理：将步骤h中间退火后二次冷轧所得的2.5mm冷轧卷进行稳定化处理(所述稳定化处理中控制温度为230～245℃，在此温度下保温12小时，出炉后自然冷却)，处理后进行清洗，得到H32状态成品卷，再经横剪得到成品板材。
本实施例所得产品铝板材的微观组织分析：
将本实施例产品铝板材中间部位切取10×10mm样块，将板材表面、横截面、纵截面进行机械抛光(依次使用240目、480目、800目、1200目和2000目砂纸进行打磨；然后进行粗抛和精抛处理，磨抛机转速控制在300～600rpm)、电解抛光、浸蚀、冲洗，制样完成后利用金相显微镜在50、100、200、400倍条件下拍摄照片，进行微观组织观察分析；分别观察分析表面晶粒、横截面晶粒、纵截面粗大第二相尺寸大小及分布可以。
本实施例所得产品铝板材的性能评价：
从成品板材上按照标准《GB/T228-2010金属材料室温拉伸试验方法》制备拉伸试样。试验采用数显式万能材料拉伸机进行，拉伸速度为15mm/min。将铝板材切成10mm×10mm的小方块，将板材纵截面进行打磨，依次使用240目、480目、800目、1500目砂纸，将试样研磨方向旋转，磨样机转速控制在300～600rpm；然后进行粗抛和精抛处理。采用HB-3000C布氏硬度机测试硬度，压头直径2.5mm，载荷为612.9N，保压时间15秒，硬度值计算结果采用GB/T231.1标准。本实施例所生产板材的相关性能如表3所示。
由该实施例可见，本发明制备所得载货汽车油箱铝合金板材，在保证高强度的同时延伸率也比较优异，具有良好的综合力学性能。
表3本发明实施例4制备所得铝板材的相关性能检测结果
Figure BDA0003219687420000111

Claims (7)

1.一种载货汽车油箱用高强度铝板材，其特征在于，以质量百分含量表示，所述高强度铝板材的合金元素组成为：Mg 4.3～4.6％、Ta 0.05～0.35％、Si≤0.2％、Fe≤0.3％、Cu≤0.05％、Mn 0.45～0.55％、Cr 0.1～0.15％、Zn≤0.1％、Ti 0.015～0.02％、Na≤0.0003％，余量为Al。
2.一种载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：
a、熔炼：以纯铝锭、纯镁锭和纯锌锭为原料进行配料熔炼，熔炼过程中控制熔炼温度为720～760℃，熔炼保温时间为20～30min；熔炼过程中加入中间合金Al-5Ta、Al-20Si、Al-5Fe、Al-50Cu、Al-20Mn、Al-5Cr和Al-5Ti-B进行配料熔炼，配料温度为730～750℃；使其熔炼所得合金液成分满足权利要求1所述载货汽车油箱用高强度铝板材的合金元素组成；
b、精炼：将步骤a所得合金液进行精炼，精炼过程中控制精炼温度为720～735℃，精炼时间为30～60min；精炼结束后进行静置，静置时间为20～40min；
c、铸造：将步骤b静置后所得合金液进行铸造，铸造过程中浇铸温度控制为690～720℃，铸造后得到铝合金铸锭；
d、铣面：将步骤c得到的铝合金铸锭进行铣面；
e、均热化处理：将步骤d铣面后的铝合金铸锭进行均热化处理；
所述均热化处理包括两个阶段：第一阶段控制均热定温为475～495℃，在此温度条件下保温8～12小时；第二阶段停止升温，待金属温度降至450～470℃条件下保温2～3小时；
f、热轧：将步骤e所得铸锭粗轧成热轧坯料，再对坯料进行热精轧，制成铝合金坯料卷；
所述热轧过程中，控制粗轧开轧温度为440～470℃，粗轧完成中间板温度为380～440℃；精轧终轧温度为330～350℃，热轧后所得成品厚度为8.0mm±0.05mm；
g、冷轧：将热轧后所得铝合金坯料卷进行冷轧，经过冷轧得到2.5mm和3.5mm两种厚度的冷轧卷材；
h、退火：将步骤g所得厚度为2.5mm的冷轧卷材进行退火，退火后进行清洗，得到O状态成品卷材，再经过横剪得到成品板材；
将步骤g所得厚度为3.5mm的冷轧卷材进行中间退火，中间退火后进行二次冷轧，冷轧至成品厚度2.5mm；
i、稳定化处理：将步骤h中间退火后二次冷轧所得的2.5mm冷轧卷进行稳定化处理，处理后进行清洗，得到H32状态成品卷，再经横剪得到成品板材。
3.根据权利要求2所述的载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，其特征在于：步骤b所述精炼过程中采用Ar2和Cl2的混合气体进行除气净化，使其静置炉精炼后氢含量＜0.20ml/100g(Al)，除气净化后进行在线除气将氢含量控制在≤0.15ml/100g(Al)。
4.根据权利要求3所述的载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，其特征在于：所述Ar2和Cl2混合时二者所占的体积百分含量配比分别为80～85％和20～15％。
5.根据权利要求2所述的载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，其特征在于：步骤d铣面过程中控制大面单侧铣面量为12～20mm，小面单侧铣面量为10～15mm，所得铝合金铸锭两边厚度差≤3mm，净锭大面粗糙度Ra0.3～0.5μm。
6.根据权利要求2所述的载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，其特征在于：步骤h中所述退火或中间退火处理过程中，控制温度均为360～390℃，在此温度条件下均保温6～8小时，退火后自然冷却。
7.根据权利要求2所述的载货汽车油箱用高强度铝板材的生产方法，其特征在于：步骤i中所述稳定化处理中控制温度为220～250℃，在此温度下保温12小时，出炉后自然冷却。
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