[发明专利]一种汽车车身外板用高烤漆硬化铝合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，涉及一种可工业化应用的新型高烤漆硬化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具有较低的屈服强度，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

由于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，而我国也制定了明确的节能减排“十二五”规划，其中在汽车燃油消耗方面明确规定了要由2010年的8升/百公里降低到2015年的6.9升/百公里，可见汽车轻量化已经刻不容缓。而铝合金由于具有优异的综合性能，如低密度、高强度、耐腐蚀性能、高成形性能以及易回收等特性，已被各国作为21世纪汽车轻量化的重要选材。目前，除了以往应用较多的铸造铝合金之外，变形铝合金用作汽车车身内板和外板材料的研究和应用也已取得较大进展，典型的合金系列有：Al-Cu系列、Al-Mg系列以及Al-Mg-Si系列，其中Al-Mg系列合金主要应用于汽车车身内板的制造，而Al-Mg-Si系列合金主要用作汽车车身外板的制造。

在汽车车身外板的制造过程中通常要求合金板材同时具有如下特性：高成形性能、低回弹性能、抗凹陷性能、抗腐蚀性能以及优异的表面质量等。而上述这些性能要求中，高成形性和低回弹性一般要求合金板材具有较低的屈服强度，而抗凹陷性能则要求合金板材具有较高的屈服强度。Al-Mg系列合金属于加工硬化型合金无法满足此要求，而Al-Mg-Si系列合金具有较好的烤漆硬化性能可以同时满足高成形性、低回弹性以及抗凹陷等性能要求。目前已经取得商业化应用的主要有AA6016和AA6111等系列合金，但是这些商用合金如果不经预时效处理，其烤漆硬化增量仅为30-40MPa，而经过一定的预时效处理后烤漆硬化增量也一般只在80～90MPa之间，部分合金经Mg、Si、Cu含量优化以及预时效工艺合理调控后烤漆硬化增量可达到120MPa左右。考虑到烤漆工艺逐渐向低温方向发展，这一烤漆硬化增量远远不能满足新一代汽车车身外板对铝合金材料的性能要求，因此急需开发具有快速时效响应型的新型铝合金及其制备方法，使得相应的合金板材能够具有更加优异的烤漆硬化增量。

近些年，为了提高Al-Mg-Si系列合金的烤漆硬化增量，研究人员对已经得到商业化应用的AA6016和AA6111合金进行了大量的成分调整或者合金改良，不过主要集中在改变Mg/Si比，或者添加少量的Cu、Ag等其它合金元素，如专利US20110165437A1，US6267922B1，US6117252，EP1967599A1以及CN818123A等专利，但是基本都没有跨出6xxx系铝合金的成分设计范围，因此，所开发或改良的合金的烤漆硬化增量增加均非常有限。考虑到MgZn2强化相可以大幅度提高Al-Zn-Mg-Cu系合金的强度，如果能够在Al-Mg-Si系列合金基体内添加一定量的元素Zn，通过合适的加工和热处理工艺能够调控合金在烤漆过程中快速时效析出大量Mg2Si和MgZn2强化相或者这两种强化相的过渡相等，从而实现多相协同析出进而发挥多相协同强化作用，所开发的合金应该能够表现出优异的烤漆硬化性能。此外，考虑到要想充分利用上述两种强化相或者其过渡相的快速时效析出和协同强化，两种强化相的共用溶质元素Mg含量应该较高，因此，相应的Mg/Si比、Cu和Zn含量必须设计合理。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系合金烤漆硬化性能不够高的问题，开发一种具有高烤漆硬化性能的新型铝合金。该新型合金充分利用溶质元素Mg可以与溶质元素Si和Zn同时发生相互作用，进而在烤漆过程中能够快速形成Mg2Si和MgZn2（或者其相应的过渡相）多种强化相，最终使得合金烤漆硬化增量得到大幅度升高。该发明合金适合应用于汽车车身外板的制造，特别是汽车车身外板成形后要求具有优异烤漆硬化增量的情况，以及已经或者准备采用低温烤漆工艺的汽车车身外板材料生产厂家应用。

本发明通过成分设计和优化首先对新型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其时效析出行为进行研究，最终确定具有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：FactSage相图计算→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→冷轧变形→固溶→淬火→预时效→冲压成形（或预变形）→模拟烤漆硬化处理（如图1所示）。