CN113388764A - 一种汽车防撞梁用高强7系铝合金及汽车防撞梁 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车防撞梁用高强7系铝合金及汽车防撞梁，通过调整铝棒合金成分及热处理工艺，有效抑制7系铝合金在自然时效过程中ZnMg自然时效原子团簇的形成。由于自然时效的团簇会阻碍位错运动导致强度升高，同时会缓慢析出部分强化相导致强度的上升；因而这种抑制能使得自然时效过程中7系铝合金的的硬度提升非常缓慢，降低7系铝合金的自然时效速度，减小停放效应，避免材料在是时效前硬度出现快速提升，同时又能保证材料在时效后达到足够强度。调整后的合金配方为：Si:≤0.05%，Fe:≤0.15%，Cu:0.2%~0.3%，Mn：0.15%~0.20%，Mg：1.4%～1.5%，Cr：≤0.05%，Zn：6.0%~6.3%，Zr：0.15%～0.20%，Sn：0.10%~0.15%，In：0.05%~0.10%，Ti：0.01%~0.03%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为Al。

Description

一种汽车防撞梁用高强7系铝合金及汽车防撞梁

技术领域

本发明涉及汽车用铝合金加工技术领域，尤其涉及一种汽车防撞梁用高强7系铝合金及汽车防撞梁。

背景技术

因为铝合金具备重量轻（钢铁的1/3）、不生锈不易腐蚀、易回收使用的特点，同时铝可以通过加工硬化或者热处理提高强度，从而实现高的强度-重量比；铝合金加工性能好，适合于铸造、挤压、冲压、锻造和机械加工等不同的生产工艺；铝合金也可以添加不同合金元素及通过热处理工艺，获得不同程度的强化；铝合金表面易于形成致密的氧化膜而耐蚀性能良好；铝合金还具有良好的导电性和导热性，且无磁性等特点；另外，铝合金具有非常优秀的可回收再生性。所以铝合金材料在船舶与交通轻量化的制造应用中开始逐步壮大发展。

特别在汽车轻量化领域，近90%的车用铝合金可以再生，同时实践表明汽车上每应用1kg的铝合金可以替代2kg的钢材。其中，7系铝合金在车用方面主要用于对强度要求高的防撞梁部件，可以很好地替代原来的钢铁结构，达到减重60%以上的效果，甚至相较6系铝合金也能达到20%以上的减重效果。汽车防撞梁部件一般要求配合汽车造型具备一定弧度，所以一般需要进行压弯或者拉弯加工。

在现有技术中，就7系铝合金的开发而言，大多着重于提升材料的强度。如公开号为CN 109355538 B的中国发明专利公开一种高强7系铝合金管材生产工艺，该工艺中作为必需合金元素的Zn与Mg一起形成时效析出物，Mg和Zn的金属间化合物，与Mg同时提高强度。最终制得的铝合金管材的抗拉强度＞470MPa、屈服强度＞430MPa。又如一篇公开号为CN109338185 A的中国发明专利申请公开一种高强7系铝合金型材制备方法，在时效热处理阶段采用回归再时效的方式达到峰值强度，晶内析出细小的部分共格相，弥散分布，晶界上仍为不连续的部分非共格析出相，使合金强度得到提升，最终达到铝合金型材强度、断裂韧性和抗腐蚀性的协同提高。该专利申请宣称的抗拉强度、屈服强度均高达600MPa以上。

然而，也是因为7系铝合金的高强度，导致自然时效快，如果停放超过一定时间就会导致弯曲变形弧度出现问题，甚至无法弯曲或者弯曲开裂，严重限制了现场的操作。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种自然时效过程中的硬度提升速度慢、适合压弯加工的汽车防撞梁用高强7系铝合金型材。

本发明还提供一种利用上述铝合金型材制得的汽车防撞梁。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，主要通过以下步骤制得：1）合金成份调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si:≤0.05%，Fe:≤0.15%，Cu:0.2%~0.3%，Mn：0.15%~0.20%，Mg：1.4%～1.5%，Cr：≤0.05%，Zn：6.0%~6.3%，Zr：0.15%～0.20%，Sn：0.10%~0.15%，In：0.05%~0.10%，Ti：0.01%~0.03%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为Al；2）制备铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，再将铝液铸造为铝合金铸锭；3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭先置于均质炉内进行均质，均质完成后将铝合金铸锭转移至冷却室冷却；4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理；5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭加热到预定温度，加热完成后放入挤压机进行挤压成型；6）淬火冷却，挤压出型材后根据型材厚度进行风冷淬火冷却，冷却速度≥100℃/分钟。

其中，少量Cu添加可以更好的提升材料强度，同时不影响材料抗蚀性能。少量Mn添加可以更好地中和Fe的杂质影响，同时形成弥散相细化晶粒尺寸。Zn、Mg含量配比可以是成品力学性能与耐腐蚀性、良好挤压性达到更优的平衡。Zr的添加可以细化铸锭晶粒，同时形成弥散相提高挤压过程再结晶温度，细化成品晶粒尺寸，提升力学性能与耐腐蚀性。Sn与In复合配比添加可以通过Sn与In在挤压后型材内部与空位快速结合，避免Zn、Mg占用空位形成复合团簇或预强化相，从而大大降低材料在自然时效过程中的强度提升。

更为优选的是，所述的一种汽车防撞梁用高强7系铝合金还包括以下制备步骤：7）压弯加工，挤压型材在室温（25℃）放置2个星期内进行压弯工序加工成汽车防撞梁用型材；8）人工时效，对加工后的汽车防撞梁用型材进行双级人工时效，一级时效温度为90~110℃，时效保温时间为4~6H；二级时效温度为130~150℃，时效保温时间为16~20h。保证材料强度前提下提升材料的耐腐蚀性能。

更为优选的是，在步骤2）中，铝液在经过搅拌、精炼除气、过滤步骤之后再铸造为铝合金铸锭。搅拌的目的是加强整体搅拌均匀性，避免高锌高镁铝合金内的锌镁元素分布不均匀，出现挤压型材的硬度及力学性能不均匀的状况。

更为优选的是，搅拌步骤是通过搅拌设备将铝液搅拌均匀，精炼除气步骤是使用精炼剂进行精炼除气，过滤步骤是通过陶瓷过滤板过滤铝液中杂质。

更为优选的是，在步骤3）中，铝合金铸锭先置于均质炉内使用480~520℃均质化处理12~24h。

更为优选的是，在步骤3）中，均质化处理后使用风机辅助冷却。

更为优选的是，在步骤5）中，铝合金铸锭加热到的预定温度为440℃-520℃；避免低温固溶不完全，加热完成后放入挤压机进行挤压成型。

更为优选的是，在步骤5）中，加热铝合金铸锭的加热装置为燃气炉或工频炉。

一种汽车防撞梁，其特征在于，基于如上所述的汽车防撞梁用高强7系铝合金制成。

本发明的有益效果是。

通过调整铝棒合金成分及热处理工艺，有效抑制7系铝合金在自然时效过程中ZnMg自然时效原子团簇的形成。由于自然时效的团簇会阻碍位错运动导致强度升高，同时会缓慢析出部分强化相导致强度的上升；因而这种抑制能使得自然时效过程中7系铝合金的的硬度提升非常缓慢，降低7系铝合金的自然时效速度，减小停放效应，避免材料在是时效前硬度出现快速提升，同时又能保证材料在时效后达到足够强度，特别适合压弯加工汽车防撞梁。

经实际生产验证，本发明制得的高强7系合金，其在自然时效下的硬度变化远远低于现有的汽车防撞梁用7022铝合金，并且在自然时效20天后，其硬度也只是比现有的汽车防撞梁用7022铝合金高10%左右，仍然有较高的压弯加工良率。

另外，本发明制得的高强7系合金，除了具有在自然时效过程中的硬度提升速度慢的优势外，在人工时效后还具有比7022铝合金更高的硬度、断后延伸率和屈服强度，材料性能进步十分明显。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，主要通过以下步骤制得：

1）合金成份调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si:≤0.05%，Fe:≤0.15%，Cu:0.2%~0.3%，Mn：0.15%~0.20%，Mg：1.4%～1.5%，Cr：≤0.05%，Zn：6.0%~6.3%，Zr：0.15%～0.20%，Sn：0.10%~0.15%，In：0.05%~0.10%，Ti：0.01%~0.03%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为Al。

其中，少量Cu添加可以更好的提升材料强度，同时不影响材料抗蚀性能。

少量Mn添加可以更好地中和Fe的杂质影响，同时形成弥散相细化晶粒尺寸。

Zn、Mg含量配比可以是成品力学性能与耐腐蚀性、良好挤压性达到更优的平衡。

Zr的添加可以细化铸锭晶粒，同时形成弥散相提高挤压过程再结晶温度，细化成品晶粒尺寸，提升力学性能与耐腐蚀性。

Sn与In复合配比添加可以通过Sn与In在挤压后型材内部与空位快速结合，避免Zn、Mg占用空位形成复合团簇或预强化相，从而大大降低材料在自然时效过程中的强度提升。

2）制备铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，并在使用电磁搅拌设备搅拌均匀、使用精炼剂进行精炼除气后通过陶瓷过滤板过滤铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。

其中，电磁搅拌的目的是加强整体搅拌均匀性，避免高锌高镁铝合金内的锌镁元素分布不均匀，出现挤压型材的硬度及力学性能不均匀的状况。显然，具体的搅拌设备、过滤设备、以及精炼除气工艺是本领域技术人员根据实际需要进行选择的，可以使其他现有已知的或将来能够实现的设备、工艺，不限于以上举例。

3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭先置于均质炉内，使用480~520℃均质化处理12~24h，均质完成后将铸锭转移至冷却室，使用风机冷却。

4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理。目的是为了避免表面偏析层杂质在挤压过程中卷入造成型材内部影响强度与标面耐腐蚀性能。

5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭先使用燃气炉进行加热，铝棒加热温度控制在440℃-520℃，避免低温固溶不完全，加热完成后放入挤压机进行挤压成型。显然，在该步骤中所采用的加热设备不局限于以上举例的燃气炉，还可以是工频炉等现有已知的或将来能够实现其他加热设备，只要能起到稳定、内外均匀加热的效果即可。

6）淬火冷却，挤压出型材后根据型材厚度进行风冷淬火冷却，冷却速度保证大于等于100℃/分钟。目的是防止强化相在淬火过程中大量析出影响时效后性能。

7）压弯加工，挤压型材在室温（25℃）放置2个星期内进行压弯工序加工成汽车防撞梁用型材。

8）人工时效，对加工后的汽车防撞梁用型材进行双级人工时效，一级时效温度为90~110℃，时效保温时间为4~6H；二级时效温度为130~150℃，时效保温时间为16~20h。目的为在保证材料强度前提下提升材料的耐腐蚀性能。

实施例1。

一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，主要通过以下步骤制得。

1）合金成份调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si:≤0.05%，Fe:≤0.15%，Cu:0.2%，Mn：0.15%，Mg：1.4%，Cr：≤0.05%，Zn：6.0%，Zr：0.15%，Sn：0.10%，In：0.05%，Ti：0.01%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为Al。

2）制备铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，并在使用电磁搅拌设备搅拌均匀、使用精炼剂进行精炼除气后通过陶瓷过滤板过滤铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。

3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭先置于均质炉内，使用520℃均质化处理12h，均质完成后将铸锭转移至冷却室，使用风机冷却。

4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理。

5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭先使用燃气炉进行加热，铝棒加热温度控制在450±10℃，加热完成后放入挤压机进行挤压成型。

6）淬火冷却，挤压出型材后根据型材厚度进行风冷淬火冷却，冷却速度≥100℃/分钟。

7）压弯加工，挤压型材在室温（25℃）放置2个星期内进行压弯工序加工成汽车防撞梁用型材。

8）人工时效，对加工后的汽车防撞梁用型材进行双级人工时效，一级时效温度为90℃，时效保温时间为6h；二级时效温度为130℃，时效保温时间为20h。

实施例2。

一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，主要通过以下步骤制得。

1）合金成份调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si:≤0.05%，Fe:≤0.15%，Cu: 0.3%，Mn：0.20%，Mg：1.5%，Cr：≤0.05%，Zn：6.3%，Zr：0.20%，Sn：0.15%，In：0.10%，Ti：0.03%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为Al。

2）制备铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，并在使用电磁搅拌设备搅拌均匀、使用精炼剂进行精炼除气后通过陶瓷过滤板过滤铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。

3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭先置于均质炉内，使用480℃均质化处理24h，均质完成后将铸锭转移至冷却室，使用风机冷却。

4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理。

5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭先使用燃气炉进行加热，铝棒加热温度控制在510±10℃，加热完成后放入挤压机进行挤压成型。

6）淬火冷却，挤压出型材后根据型材厚度进行风冷淬火冷却，冷却速度≥100℃/分钟。

7）压弯加工，挤压型材在室温（25℃）放置2个星期内进行压弯工序加工成汽车防撞梁用型材。

8）人工时效，对加工后的汽车防撞梁用型材进行双级人工时效，一级时效温度为110℃，时效保温时间为4h；二级时效温度为150℃，时效保温时间为16h。

为更好地体现本发明的进步性，下面以7022铝合金为对照例进行对比实验。

实验方法：1）采用随机抽样的方法，随机抽取100个7022铝合金挤压型材，并统计各7022铝合金在自然时效下的型材硬度变化情况；随机按本发明的实施例1、实施例2制备100个铝合金挤压型材并统计各铝合金在自然时效下的型材硬度变化情况。统计结果如表1所示。

2）选取100个7022铝合金挤压型材并采用随机抽样的方法将其分为四组，各组挤压型材在室温（25℃）下分别放置1天、7天、14天、21天后进行压弯加工。随机按本发明的实施例1、实施例2制备100个铝合金挤压型材并采用随机抽样的方法将其分为四组，各组挤压型材在室温（25℃）下分别放置1天、7天、14天、21天后进行压弯加工。压弯加工时良率统计结果如表2所示。

3）测量方法2）中第一组7022铝合金（放置1天）人工时效后的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率和硬度，测量方法2）中第三组（放置7天）本发明制得的铝合金型材人工时效后的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率和硬度。统计结果如表3所示。

表1、自然时效型材硬度变化对比

。

表2、压弯加工时良率对比

。

表3、人工时效后性能对比

。

从表1可以看出，本发明制得的高强7系合金，其在自然时效下的硬度变化远远低于现有的汽车防撞梁用7022铝合金，并且在自然时效20天后，其硬度也只是比现有的汽车防撞梁用7022铝合金高10%左右，仍然有较高的压弯加工良率，这从表2中也能得到佐证。

结合表3可以看出，本发明制得的高强7系合金，除了具有在自然时效过程中的硬度提升速度慢的优势外，在人工时效后还具有比7022铝合金更高的硬度、断后延伸率和屈服强度，材料性能进步十分明显。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (9)

1.一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，主要通过以下步骤制得：

1）合金成份调整，按照如下重量份数比配制铝合金原料：Si:≤0.05%，Fe:≤0.15%，Cu:0.2%~0.3%，Mn：0.15%~0.20%，Mg：1.4%～1.5%，Cr：≤0.05%，Zn：6.0%~6.3%，Zr：0.15%～0.20%，Sn：0.10%~0.15%，In：0.05%~0.10%，Ti：0.01%~0.03%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为Al；

2）制备铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，再将铝液铸造为铝合金铸锭；

3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭先置于均质炉内进行均质，均质完成后将铝合金铸锭转移至冷却室冷却；

4）表面刷棒或剥皮处理，将均质后的铝合金铸锭表面进行表面刷棒或剥皮处理；

5）挤压成型，将刷棒或剥皮好的铝合金铸锭加热到预定温度，加热完成后放入挤压机进行挤压成型；

6）淬火冷却，挤压出型材后根据型材厚度进行风冷淬火冷却，冷却速度≥100℃/分钟。

2.根据权利要求1所述的一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，还包括以下制备步骤：

7）压弯加工，挤压型材在室温（25℃）放置2个星期内进行压弯工序加工成汽车防撞梁用型材；

8）人工时效，对加工后的汽车防撞梁用型材进行双级人工时效，一级时效温度为90~110℃，时效保温时间为4~6H；二级时效温度为130~150℃，时效保温时间为16~20h。

3.根据权利要求1所述的一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，在步骤2）中，铝液在经过搅拌、精炼除气、过滤步骤之后再铸造为铝合金铸锭。

4.根据权利要求3所述的一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，搅拌步骤是通过搅拌设备将铝液搅拌均匀，精炼除气步骤是使用精炼剂进行精炼除气，过滤步骤是通过陶瓷过滤板过滤铝液中杂质。

5.根据权利要求1所述的一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，在步骤3）中，铝合金铸锭先置于均质炉内使用480~520℃均质化处理12~24h。

6.根据权利要求1所述的一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，在步骤3）中，均质化处理后使用风机辅助冷却。

7.根据权利要求1所述的一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，在步骤5）中，铝合金铸锭加热到的预定温度为440℃-520℃。

8.根据权利要求1所述的一种汽车防撞梁用高强7系铝合金，其特征在于，在步骤5）中，加热铝合金铸锭的加热装置为燃气炉或工频炉。

9.一种汽车防撞梁，其特征在于，基于如权利要求1-8中任意一项所述的汽车防撞梁用高强7系铝合金制成。