[发明专利]一种汽车用高成形性铝合金材料

说明书

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，涉及一种汽车用高成形性铝合金材料及其制备方法，特别针对汽车领域车身外板用铝合金对成形性能和抗凹陷性能的特殊要求而开发，可以保证铝合金板材成形前各向异性得到较好控制，并具有优异的冲压成形性能，而成形后在短时烤漆过程中表现出优异的烤漆硬化特性。

背景技术

随着汽车数量的不断增加，空气污染和气候状况不断恶化，世界各国对节能、减排的意识不断增强。因此，如何实现汽车轻量化进而达到节能减排的目的已经成为汽车领域进一步发展的关键问题。而铝合金由于具有众多独特的优点，是新一代汽车轻量化的关键材料。相比而言，几大系列铝合金中的6xxx系铝合金(即Al‐Mg‐Si系合金)由于具有如下特点：可热处理强化、耐蚀性好、焊接性好、易于表面着色以及成形性好，而且更为重要的是该系合金普遍具有较高的烤漆硬化特性(即刷漆后的成形部件再经烤漆处理，其强度可以获得进一步较大幅度的提升，进而使得合金板材具有较好的抗凹陷能力)，所有这些优点使得该系合金非常适合应用于汽车车身外板的加工，而且目前已经有几个牌号的合金获得广泛应用，如AA6016，AA6111以及AA6022等。

将Al‐Mg‐Si系合金用作汽车车身外板的研究和应用过程中，发现虽然该系合金具有较好的冲压成形性能，r值一般可达0.55以上，但是与钢铁相比仍然存在一定差距。因此，在保证合金烤漆硬化性能较好的情况下如何进一步提高该系铝合金的冲压成形性能是其能够得到更加广泛应用的关键所在。由于汽车外板用Al‐Mg‐Si系合金的制备过程较长，涉及的热加工工艺较为复杂。因此，随着合金成分以及热加工工艺参数的变化，合金板材的织构组分和含量、显微组织均会发生显著变化，进而导致合金板材的冲压成形性能也会发生大幅改变。已有研究表明，合金基体内如果存在一定数量的粗大粒子(直径d>1μm)，变形态合金在高温热处理过程中会发生粒子刺激再结晶形核(即所谓的PSN效应)，导致粒子周围出现大量再结晶核心，这些再结晶晶粒的出现也会使得合金板材的再结晶织构以旋转立方织构CubeND和P织构为主，这些织构组分对于提高合金板材的冲压性能较为有利。

此外，考虑到合金基体内如果仅存在粗大粒子，那么一方面细小再结晶晶粒分布会很不均匀，另一方面由PSN效应产生的细小再结晶晶粒也很容易在热处理过程中发生长大。因此，如果在成分设计过程中能够进一步引入一定量的其它合金元素或者控制热加工工艺使得冷轧态合金基体内同时存在一定数量的粗大粒子和纳米级的细小弥散粒子，那么冷轧态合金板材在后续固溶热处理过程中一定可以形成大量细小的再结晶晶粒且不容易发生长大(详见图2所示示意图)，最终使得合金板材再经预时效处理能够同时兼具有优异的冲压成形性能和烤漆硬化性能。本发明就是根据这一设计思想进行新合金成分设计和制备工艺开发的。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，针对目前汽车车身外板用Al‐Mg‐Si系合金冲压成形性能不够理想的问题，开发一种具有优异冲压性能和较高烤漆硬化性能的新型铝合金。该新型合金充分利用不同溶质元素相互作用可以形成多尺度粒子(粗大粒子和细小粒子等)，这些多尺度粒子在热加工过程中可以显著影响位错和晶界的运动方式，进而在高温热处理过程中同时发挥粗大粒子刺激再结晶形核(PSN效应)而细小粒子阻碍再结晶晶粒长大的双重作用方式，最终使得合金板材在冲压成形前的组织由细小均匀分布的再结晶晶粒构成。此组织特征不仅可以保证合金板材各向异性得到很好控制，而且可以保证合金板材的冲压成形性能较为优异。此外，在合金成分设计时充分考虑了多相强化的突出贡献，可以保证合金板材冲压成形后具有较高的烤漆硬化增量，因此，发明合金在Al‐Mg‐Si‐Cu合金体系的基础上添加了一定量的元素Zn，通过对Mg、Si、Cu和Zn主合金元素的含量和配比进行很好地设计和优化，最终使得合金板材不仅冲压成形性能较为优异，而且烤漆硬化增量也获得了大幅度提升。该发明合金适合应用于汽车车身外板的制造，特别是对冲压成性能以及烤漆硬化增量有较高要求的复杂形状零部件的制造。

本发明通过成分设计和优化首先对新型高成形性和高烤漆硬化铝合金的成分范围进行选择，然后通过熔炼铸造等工序制备所设计合金并对显微组织演化过程、成形性能和时效析出行为进行研究，最终确定具有高成形性和高烤漆硬化性能的新型铝合金成分范围以及合金板材的相应制备方法。具体的制备工艺如下：新型铝合金成分选择→合金配制和熔炼铸造→铸锭均匀化→热轧变形→中间退火(或冷轧变形→中间退火)→冷轧变形→固溶→淬火→预时效(如图1所示)。