CN107488798B

CN107488798B - 一种环境友好型铝合金汽车板的制造方法

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Publication number: CN107488798B
Application number: CN201710566321.1A
Authority: CN
Inventors: 路洪洲; 路贵民
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2037-07-12
Also published as: CN107488798A

Abstract

本发明属于报废汽车废金属回收技术领域，提供一种环境友好型铝合金汽车板的制造方法。所述方法为将报废汽车铝合金覆盖件或者铝合金汽车板制造的车身构件拆解后，除去非金属以及钢铁等非铝合金金属，进行压实后进行回熔、成分调配、铸锭、轧制、热处理，最后重新制造成铝合金汽车板的方法。本方法适用于所有使用铝合金汽车板制造的车身构件的报废汽车，特别是全铝车身、全铝覆盖件汽车、或者应用铝合金汽车板制造发动机罩盖等的报废汽车或者车辆。该方法制造的铝合金汽车板耗能小，具有良好的弯曲卷边性能，满足汽车使用要求可用于汽车冲压件的制造，是一种环境友好型的、原级回收再制造材料。

Description

一种环境友好型铝合金汽车板的制造方法

技术领域

本发明属于报废汽车废金属回收技术领域，特别涉及一种利用报废汽车中的铝合金冲压件作为原料制造环境友好型铝合金汽车板的方法。

背景技术

随着人们环保意识的提高，要求在报废汽车回收领域对报废汽车材料进行回收，特别是对环境污染较大的报废汽车废塑料。2006年发布的《汽车产品回收利用技术政策》要求建立报废汽车材料、物质的分类收集和分选系统，完善汽车再生资源的回收、加工、利用体系。第一阶段目标：2010年起，所有国产及进口的M2类和M3类、N2类和N3类车辆的可回收利用率要达到85％左右，其中材料的再利用率不低于80％；所有国产及进口的M1类N1类车辆的可回收利用率要达到80％，其中材料的再利用率不低于75％；第二阶段目标：2012年起，所有国产及进口汽车的可回收利用率要达到90％左右，其中材料的再利用率不低于80％。第三阶段目标：2017年起，所有国产及进口汽车的可回收利用率要达到95％左右，其中材料的再利用率不低于85％。

中国已进入汽车社会，产销量连续多年世界第一，2016年中国汽车保有量首次突破1.8亿辆，2020年报废汽车将达到1500万辆，这给报废汽车回收再制造行业以及回收再制造技术研究带来了挑战。为了提高汽车使用过程的节能减排，汽车铝合金板材材料作为轻量化材料在汽车上正逐步大量使用，目前，中高端车型采用铝合金汽车板材替代钢板制造汽车车身，奥迪、宝马、特斯拉、蔚来汽车、通用、丰田、标致雪铁龙、捷豹、路虎等品牌的100余个车型已经使用了铝合金车身及覆盖件，并在国内生产和销售。根据奔驰汽车公司的车身用材情况及未来规划，可见未来10～20年，铝合金板材的使用量将占车身材料的1/5，预计平均每辆乘用车60kg左右，将远高于目前的水平，车身用变形铝合金板材主要有5×××系和6×××系。同时尽管铝合金易回收，但高品质高性能汽车铝合金冲压件报废后，往往只能低值再利用，而原级循环回收再制造是固体废弃物资源化的最高要求，使再生资源价值得以最大回收。

节能减排是从报废汽车中再制造铝合金汽车板的驱动力之一，前人的研究表明，由于再制造合金的耗能低，每千克再制造铝合金的能源消耗仅～2.8kWh，而应用纯铝制造的铝合金产品每千克的能源消耗需达到～45kWh，可见再制造铝合金可以极大地降低能源消耗。另外再制造铝合金过程排放CO₂仅是用纯铝制造的铝合金产品的5％。众所周知，原级循环回收再制造是固体废弃物资源化的最高要求，最能体现循环经济。再生资源优化配置是使再生资源的循环利用最优化，通过原级循环利用，使再生资源价值得以最大回收。原级再循环在减少原料消耗上达到的效率比次级再循环高得多,是循环经济追求的理想境界。

再制造汽车铝合金的难度和挑战，(1)如何提高铝合金构件的回收利用率；(2)自动化的破碎分选技术需要广泛应用，如涡电流分选技术可以将铝碎片从磁性碎片中分选出来，该技术已经成熟；(3)研究可直接利用报废汽车铝合金再制造的汽车合金；(4)深入研究杂质元素对合金性能的影响，第三点是报废汽车铝合金回收再制造的最大挑战，即开发环境友好型铝合金，在回收的铝板构件重熔再制造汽车板过程，不应该需要提纯工序，也不能添加大量的工业纯铝进行稀释。报废汽车铝合金汽车板冲压件回收再制造过程，一定量的铁会不可避免地从破碎物中掺杂入原级回收再制造铝合金中，造成铁元素在铝合金中进一步富集，铁杂质含量可达到1.00wt.％。即相对于标准变形铝合金板材牌号，从报废汽车处置及直接回熔得到的典型的铝合金中铁杂质含量明显提高。众所众知，Fe被认为是铝合金中重要的有害元素，主要原因是其在铝合金中溶解度较低，几乎所有的Fe都以脆性的AlFe相或AlFeSi富铁第二相形式存在。目前国内外的研究的重点是如何控制或者消除铝合金中富铁相的影响，包括：①降低铝合金中的含铁量，相关方法主要是在熔体处理时进行，有沉淀法、稀释法、过滤法、离心去除法和电磁去除法等物理方法；②改变富铁相在铝合金中存在形式，设法降低针状或者板条状富铁相的产生，或者尽量改善富铁相形貌，进而降低铁杂质的有害作用。由于报废汽车回收主要采用粗放式的工艺流程，很难进一步降低再制造铝合金中的铁杂质的含量，而关键是当前的铝合金提纯方法很难在工业中应用，但工艺复杂，控制难度较大、性价比低。可见当前的从铝合金中去除铁杂质的提纯方法，在工业生产中推广十分困难。因而在实际生产中，通过优化工艺来降低铁杂质的有害作用则更为关键，目前研究较多的方法包括：提高冷却速度、熔体过热、添加中和元素和热处理等。熔体过热会造成巨大的合金损耗，一定程度上限制了该工艺的工业应用。在铝合金中添加中和元素被认为是实际生产中降低铁杂质有害作用的最实用的手段。目前常用的中和元素有：Mn、Be、Sr、Cr、Co、Ti、Mg、RE等以及Nb等。研究发现在固相线温度对铝合金进行热处理，可以使富铁相溶解、碎断、球化，从而改善合金的性能，但是其作用不太明显。

由以上分析可见，降低铁元素在铸造铝合金或者铝合金型材中有害作用的方法仍在不断的研究和改进中，而对于性能要求更为苛刻的变形铝合金板材，其要求好的冲压性能、高的弯曲卷边性能、好的表面质量、以及高的烘烤硬化响应等，因而铝合金汽车板的原级回收再制造难度更大。正是由于典型的报废汽车回收铝合金的合金元素成分明显提高，目前的报废汽车铝合金冲压件多用于再制造成铸造铝合金等，而这种降级再制造无助于降低铝合金冲压件的成本和推广轻量化车身的应用，也是对资源的浪费，因而开发一种高铁含量的、环境友好型、再制造的铝合金汽车板十分必要。

发明内容

本发明的目的在于再次资源化回收利用废汽车铝合金冲压件，将其作为作为原料，经过成分优化、轧制工艺优化和热处理工艺优化，开发高铁含量的环境友好型再制造铝合金汽车板材，进而达到废汽车铝合金冲压件的原级资源化循环利用、降低生产该产品的能耗、并降低铝合金汽车板材的成本。

本方法适用于所有使用铝合金汽车板制造的车身构件的报废汽车，特别是全铝车身、全铝覆盖件汽车、或者应用铝合金汽车板制造发动机罩盖、以及其他零件等的报废汽车或者车辆，同时本方法也适用于一种新型的Al-Mg-Si铝合金汽车板的开发。

该处理方法所制造的产品可以制造汽车覆盖件、汽车结构件等应用。

本发明的技术方案如下：

一种环境友好型铝合金汽车板的制造方法，其特征在于：将报废汽车中铝合金冲压件作为原料再次利用，通过成分控制、熔铸、热锻、热轧、冷轧、热处理等步骤，制造成铝合金板材。

本发明所述环境友好型铝合金汽车板的制造方法，具体步骤如下：

a报废汽车拆解：报废汽车运送到指定回收企业，拆解、切割，将去除非金属以及钢铁连接件的铝合金冲压件集中放置；

b压实处理：将步骤a所述的集中放置的铝合金冲压件压实成块；

c回熔处理：将压实的块状铝合金冲压件回熔成铝合金锭，并进行成分化验；

d合金配制：根据回收锭的成分，添加合金元素以及一定量的原铝配置成Al-Mg-Si合金，并熔炼除渣；

e轧制及表面处理：将Al-Mg-Si合金铸锭经加工处理及均匀化处理后，进行多道次热轧及冷轧、表面处理；

f热处理：将冷轧的铝合金板材进行固溶淬火处理，并在淬火后的5分钟内进行预人工时效处理；

g卷取、包装至供货态。

a报废汽车拆解后，直接压碎、破碎，通过铁磁分选、涡电流分选、密度分选或高压静电分选，得到汽车废铝合金颗粒或铝合金片；

b回熔处理：将压实的块状铝合金冲压件回熔成铝合金锭，并进行成分化验；

c合金配制：根据回收锭的成分，添加合金元素以及一定量的原铝配置成Al-Mg-Si合金，并熔炼除渣；

d轧制及表面处理：将Al-Mg-Si合金铸锭经加工处理及均匀化处理后，进行多道次热轧及冷轧、表面处理；

e热处理：将冷轧的铝合金板材进行固溶淬火处理，并在淬火后的5分钟内进行预人工时效处理；

f卷取、包装至供货态。

a合金配制：配置Al-Mg-Si合金，并熔炼除渣；

b轧制及表面处理：将Al-Mg-Si合金铸锭经加工处理及均匀化处理后，进行多道次热轧及冷轧、表面处理；

c热处理：将冷轧的铝合金板材进行固溶淬火处理，并在淬火后的5分钟内进行预人工时效处理；

d卷取、包装至供货态。

进一步，所述Al-Mg-Si合金成分包括：0.8～1.2wt.％Si，0.5～1.0wt.％Mg，0.7～0.9wt.％Fe，0.05～0.1wt.％Mn，余量为Al及回收时不可避免的带入的其他微量元素，其他单个微量元素的含量控制在0.1wt.％及以下。

进一步，多道次热轧及冷轧为：热轧单道次最大压下量小于45％。

进一步，热处理的固溶温度控制在540℃～575℃，固溶时间为40秒至60分钟，采用低淬火速率淬火，其速率控制在30～80℃/s。

进一步，供货态板材的晶界附近存在晶界无沉淀区，晶界无沉淀区平均宽度在100μm～250μm。

本发明提供一种环境友好型铝合金汽车板的制造方法，所采用的技术方案是将报废汽车中铝合金冲压件作为原料再次利用，通过成分控制、熔铸、热锻、热轧、冷轧、热处理等步骤，制造成铝合金板材，其步骤如下：

a报废汽车拆解：报废汽车运送到指定回收企业，拆解、切割，将去除非金属以及钢铁等连接件的铝合金冲压件集中放置；

(a-b步骤也可以为：报废汽车拆解后，直接压碎、破碎，通过铁磁分选、涡电流分选、密度分选或高压静电分选，得到汽车废铝合金颗粒或铝合金片；)

c回熔处理：将压实的块状铝合金冲压件回熔并进行成分化验；

d合金配制：根据成分化验结果，添加合金元素以及一定量的原铝配置成Al-Mg-Si合金，并熔炼除渣；

g卷取、包装至供货态。

本发明中的Al-Mg-Si合金主要成分包括：0.8～1.2wt.％Si，0.5～1.0wt.％Mg，0.7～0.9wt.％Fe，0.05～0.1wt.％Mn，余量为铝和其他微量元素，其他单个微量元素的量控制在0.1wt.％及以下，本发明中a-d步骤也可以直接省略，即直接配制上述成分的合金。

本发明中所述的采用多道次热轧及冷轧，其轧机可以是连续式轧机、往复式轧机、或者其他类型的轧机，关键是其中单道次热轧压下量小于45％。

本发明中所采用的热处理，可以在气垫炉中进行，也可以在其他热处理炉中进行，但优先在气垫炉中进行。本发明中所采用的低淬火速率淬火，其淬火液也可以是水淬火介质、空气淬火介质或者其他淬火介质，关键是控制其速率控制在30～80℃/s。

本发明的具体工作流程为：

首先将报废汽车进行拆解、分类、切割，在拆解环节将铝合金冲压件单独拆解并分类，在切割环节，尽量去除非金属以及钢铁等连接件，处理后的铝合金冲压件集中放置。也可以采用机械化报废汽车处置的破碎分选工艺，得到得到汽车废铝合金颗粒或铝合金片。将集中放置的铝合金冲压件或者废铝合金颗粒或铝合金片压实成铝合金块。将压实的铝合金块进行回熔，测定成分，根据成分化验结果，添加合金元素以及一定量的原铝配置成Al-Mg-Si合金，合金关键成分包括：0.8～1.2wt.％Si，0.6～1.0wt.％Mg，0.7～0.9wt.％Fe，0.05～0.1wt.％Mn，余量为铝和其他微量元素，其他单个微量元素的量控制在0.1wt.％及以下，并熔炼除渣，得到铝合金锭。将铝锭进行粗锻、均匀化处理后进行粗轧、热轧、以及冷轧至0.6～3.0mm的冷轧板材，一般汽车冲压常用的厚度为1.0～2.0mm，其中单道次热轧压下量小于45％。将冷轧板材进行热处理，汽车用铝合金板材一般采用气垫炉进行热处理，固溶温度控制在540℃～575℃，固溶时间为40秒至60分钟，采用低淬火速率淬火，其速率控制在30～80℃/s，其后立即(淬火5分钟内)进行人工预时效处理，人工预时效处理温度为80～200℃，时间为60秒至更长时间，然后包装供货。

本发明的优点在于解决了报废汽车铝合金冲压件的原级回收再制造问题，通过合金成分、轧制和热处理控制和优化，使再制造的合金具有良好的弯曲性能和其他力学性能，满足了汽车的使用要求。

本发明的特点在于铁含量的控制，当铁含量设定过低时，需要添加大量的原铝对回收合金进行稀释，没有达到环境友好型合金的设计初衷，但当铁含量设定在0.5wt.％左右时，由于含铁第二相粗大、呈棒状，再制造合金的弯曲等力学性能大幅度下降，不能满足汽车冲压要求。同样当铁含量达到1wt.％或更高时，由于大量的含铁第二相形成，作为裂纹启裂源和裂纹扩展源，大幅度降低了合金的力学性能。而当铁含量设定在0.7～0.9wt.％时，由于由于液态铝合金在凝固过程中析出的Al₁₃Fe₄、α-Al₈Fe₂Si、β-Al₉FeSi₃等含铁和Mn析出相在一定晶体学平面上的原子排列与α-Al的(200)的错配度δ均小于5％，作为α-Al的非均匀形核核心，可以细化晶粒，细化α-Al基体晶粒提高了合金的性能，同时在铸态，含铁第二相以骨骼状和蜘蛛网状存在，轧制后，冷轧态的板材的含铁第二相更多成为块状却第二相颗粒尺寸相对较小。

本发明的另外的特点在于轧制工艺的控制，当采用大压下量轧制工艺时，极易在铝合金中产生大量的位错团，进而引发剪切带形成，进而剪切带和第二相相互作用，促进合金的启裂和裂纹扩展。

铝合金汽车板的卷边性能和冲压性能是最重要的使用性能。铝合金的弯曲开裂机制以及拉伸开裂机制主要有一是表面粗糙-形诱导开裂机制，一是晶界沉淀-晶界无沉淀区诱导开裂机制，本发明采用淬火速率控制在30～80℃/s，使晶界附近产生平均宽度在100μm～250μm的晶界无沉淀区，但同时亚微米级的晶界沉淀密度较小，使得亚微米级的晶界沉淀不连续，有效避免了亚微米级的晶界沉淀形成连续的孔洞。

综上，本发明的核心原理是：铁杂质含量控制在合理的范围内，使最终的铝合金汽车板材晶粒细化，晶界增多，同时控制淬火速率在一定范围内，使得晶界上产生一定量的、不连续的AlMgSi微米级沉淀(0.05～1μm)的同时，使晶界附近产生平均宽度在100μm～250μm的晶界无沉淀区。铁杂质含量控制在合理的范围内，得到更多的块状形态含铁微米级第二相，且含铁第二相名义直径小，相比于大压下量轧制，采用多道次小压下量轧制，使得铝合金板材中的位错团减少，进而一定程度上抑制了剪切带的形成。综上成分优化和工艺优化，使得高铁含量的铝合金板材具有良好的弯曲性能、屈强比、延伸率和烘烤响应。

有益技术效果：

与现有商业铝合金牌号如AA6111、AA6016、AA6022等相比，本方法制造的板材的铁杂质含量更高、轧制工艺和热处理工艺窗口更窄，但作为一种废弃物回收处理技术，其在回收处理先进性、工程实用性、工程可行性、环保性以及经济性方面都有一定的优势，因而本发明所述之方法有较高的应用前景。

附图说明

图1为报废汽车中铝合金冲压件的再制造为环境友好型铝合金汽车板的流程，其中灰底线框表示实物，白底线框表示处理工艺。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

配置成分为1.0wt.％Si，0.6wt.％Mg，0.8wt.％Fe，0.1wt.％Mn，以及其他微量元素0.1wt.％Cr，0.1wt.％Zn，0.1wt.％Ti，其余为铝，浇注成铸锭。粗轧至40mm后进行6道次热轧，前三道次压下量控制在30％以内，后三道次压下量控制在45％以内，轧制制度见表1。将热轧坯进行410℃退火1小时，随炉冷却后冷轧成1mm的板材，冷轧轧制制度见表2。

表1 6道次热轧轧制制度

表2冷轧轧制工艺

板材固溶温度设定为550℃，固溶时间为30分钟，然后进行气体淬火处理，通过热电偶测定淬火速率为60℃/s，停留时间控制在5分钟中内以避免自然时效，随后在鼓风炉中进行100℃×30分钟的预时效处理。然后进行相关力学实验，得到了良好的力学性能，尤其是良好的弯曲卷边性能，弯曲卷边试验采用“JIS H7701-2008Method for hemming testof high strength aluminium alloy sheets for automotiveuse”试验方法及评价标准，达到弯曲2级水平，即不出现显著弯曲裂纹。

实施例2

按实施例1的工艺，将0.8wt.％Fe含量变为0.5wt.％Fe和1.1wt.％Fe，其他不变，得到的0.5wt.％Fe和1.1wt.％Fe的两个合金的弯曲性能明显下降，出现弯曲卷边开裂。

实施例3

按实施例1的工艺，将淬火速率为60℃/s气体淬火处理变为淬火速率120℃/s的液态淬火，其他不变，得到的快速淬火的合金的弯曲性能明显下降，出现弯曲卷边开裂。

实施例4

按实施例1的工艺，将6道次热轧的工艺变为4道次大压下量轧制，轧制制度见表3，其他不变，得到的大压下量的合金的弯曲性能略有下降，出现弯曲卷边开裂。

表3 4道次热轧轧制制度

Claims

1.一种环境友好型铝合金汽车板的制造方法，其特征在于：将报废汽车中铝合金冲压件作为原料再次利用，通过成分控制、熔铸、热锻、热轧、冷轧、热处理步骤，制造成铝合金板材；

具体步骤如下：

g卷取、包装至供货态；

所述Al-Mg-Si合金成分包括：0.8～1.2wt.％Si，0.5～1.0wt.％Mg，0.7～0.9wt.％Fe，0.05～0.1wt.％Mn，余量为Al及回收时带入的其他微量元素，其他单个微量元素的含量控制在0.1wt.％及以下；

多道次热轧及冷轧为：热轧单道次最大压下量小于45％；

热处理的固溶温度控制在540℃～575℃，固溶时间为40秒至60分钟，采用低淬火速率淬火，其速率控制在30～80℃/s。

2.根据权利要求1所述环境友好型铝合金汽车板的制造方法，其特征在于：具体步骤如下：

f卷取、包装至供货态。

3.根据权利要求1所述环境友好型铝合金汽车板的制造方法，其特征在于：具体步骤如下：

a合金配制：配置Al-Mg-Si合金，并熔炼除渣；

d卷取、包装至供货态。

4.根据权利要求1所述环境友好型铝合金汽车板的制造方法，其特征在于：供货态板材的晶界附近存在晶界无沉淀区，晶界无沉淀区平均宽度在100μm～250μm。