材料合成与制备-汽车铝合金板材

1、主讲人：xxx组员：xxxAl-Mg-Si-Cu-ZnAl-Mg-Si-Cu-Zn系合金系合金- -汽车板材汽车板材新材料国重&有研总院目录1背景介绍2国内外研究现状3研究思路及过程4总 结 及 展 望背景介绍第一部分汽车轻量化用铝合金具体的效应主要体现在以下几个方面：汽车轻量化用铝合金具体的效应主要体现在以下几个方面： 明显的减重效果，理论上铝制汽车可比钢制汽车减轻重量达减轻重量达30%30%40%40% 可观的节能效果：一般车重每减轻1kg，则1 L汽油可使汽车多行驶0.011 km，或者每运行10000 km就可节省汽油0.7 L。 在承受同样的冲击的情况下，铝板比钢板多吸收冲击

2、能铝板比钢板多吸收冲击能50%50%，有助于提高汽车行驶性能、乘客舒适性和安全性 利于环保，可较大程度的回收利用回收利用。行业大背景行业大背景背景介绍行业大背景背景介绍 Group B C. Automotive material mix, Expected changes 2015-2030M.Boston, 2013. 表表2.2.汽车车身材料年消耗量变化情况汽车车身材料年消耗量变化情况行业大背景背景介绍表表1. 各材料在汽车应用中的优势及劣势各材料在汽车应用中的优势及劣势 Davies G. Materials for automobile bodiesM. Oxford: Pergam

3、on, 2003. 国内外研究现状第二部分研究现状研究目的研究现状国内的部分高校和研究院所对合金板材加工过程中轧制形变量、再结晶温度以及第二相颗粒析出状态对织构的影响进行了研究。此外，针对合金成分对板材织构的影响，进行了部分有关微量元素Sr对板材轧制织构及再结晶织构的影响。国内现状国外现状国外有关此方面的研究主要集中在日本、加拿大、德国、荷兰、比利时等欧美发达国家，同样针对合金成分、加工工艺如均匀化退火、中间退火等因素对织构的影响进行了相关研究，尤其是加工过程中的异步轧制对织构的影响目前已经成为了研究热点研究现状郑伟,李赫亮,袁晓光,黄宏军,刘喜欢. 汽车用AlMgSi系合金板材的研究现状及发

4、展趋势A. 中国机械工程学会铸造分会.2010年中国铸造活动周论文集C.中国机械工程学会铸造分会:,2010:8.表3 主要车体铝合金板材典型室温力学性能研究目的良好的冲压成形性良好的冲压成形性较高的烤漆硬化性较高的烤漆硬化性良好的焊接性能良好的焊接性能研究目的研究思路及过程第三部分研究思路研究过程研究思路6xxx系铝合金板材的工业加工流程图Engler O, Hirsch J. Texture control by thermomechanical processing ofAA6xxx Al-Mg-Si sheet alloys for automotive applications-a

5、reviewJ. Materials Science and Engineering A, 2002, 336(1):249-262.研究思路 自主研发自主研发Al-Mg-Si-Cu-ZnAl-Mg-Si-Cu-Zn系汽车板材基本流程系汽车板材基本流程成分设计 SiSi和和MgMg的影响的影响Mg元素和Si元素结合形成Mg2Si相，Al-Mg2Si系合金可具有明显的时效硬化效应，且合金的强度随着Mg-Si过渡相含量的增加而增加。Si可提高合金的铸造、焊接流动性、成形性及耐磨性，但会降低晶内耐蚀能力。Mg 可提高合金的抗蚀性与可焊性，但会降低成形性以及强度。 CuCu的影响的影响Cu一般被认为能

6、够提高合金时效初期的硬化速率，主要是由于Cu的加入提高了Mg和Si的亚稳析出相的析出动力学，促进有效强化亚稳相的形成而提高时效硬化性。Cu的加入在一定程度上会降低合金的塑性和抗蚀性n Al-Mg-Si-Cu 系铝合金的主要强化相是 Mg2Si，以 Mg、Si、Cu 为主要合金元素，还添加了少量 Mn、Cr、Ti 等，其元素组成和含量对合金的组织以及后续的加工、热处其元素组成和含量对合金的组织以及后续的加工、热处理过程产生很大影响，并最终决定合金的性能理过程产生很大影响，并最终决定合金的性能。研究过程 FeFe、MnMn、CrCr的影响的影响 ZnZn的影响的影响Fe一般被认为是铝合金中的杂质元

7、素，但富Fe的金属化合物粒子能促进再结晶过程中的形核，细化晶粒。Mn元素和Cr元素为微量元素。在Al-Mg-Si系合金中加入这两种元素，可以提高强度、改善耐蚀性、冲击韧性和弯曲性能等，但是Mn元素在相中产生严重的晶内偏析，影响合金的再结晶过程，造成退火制品的晶粒粗化，过量的Mn元素还会形成粗大硬而脆的MnAl6相而损害合金性能。在Al-Mg-Si系合金中 Zn 通常被认为是杂质元素，但在人工时效初期，Zn会促进亚稳相析出，从而提高强度。在人工时效过程中，有研究还观察到了MgZn2相的存在.Saito T, Wenner S, Osmundsen E, et al. The effect of

8、Zn on precipitation in Al-Mg-Si alloysJ. Philosophical Magazine, 2014, 94(21): 2410-2425. Ding X P, Cui H, Zhang J X, et al. The effect of Zn on the age hardening response in an Al-Mg-Si alloyJ. Materials & Design, 2015, 65:1229-1235. 研究过程成分设计 FactSage 相图计算结果a. Al-0.8wt%Mg-0.9wt%Si-(0-3)wt%Cub.

9、Al-0.8wt%Mg-0.9wt%Si-0.2wt%Cu-(0-5)wt%Zn汪小锋. 汽车用Al-Mg-Si-Cu系合金冲压成形性能的优化及其相关机理研究D.北京科技大学,2016.研究过程成分设计 新合金成分表1（ wt.% ）新合金成分表2（ wt.% ）研究过程成分设计 实验采取的元素和中间合金:纯Zn 纯Mg 纯Sn 纯Ni Al采用高纯铝（不计烧损） Al-Fe:20% Al-Cu:50% Al-Ti:10%Al-Si:20% Al-Mn:10% 细化剂： Al-5%Ti-1%B（质量分数）放10g 此外，考虑Mg、Zn、Si的烧损率分别为 5%、3%、3%。熔炼热备为中频电磁感

10、应加热炉，熔炼时根据中间合金熔点的高低依次添加，熔融合金注入水冷钢模中进行凝固成铸锭。实验室中铝合金的浇注熔炼铸造研究过程 铝合金在凝固后的铸态组织通常偏离平衡状态。在实际生产中，由于受条件的限制通常铸件会产生一系列的缺陷，例如气孔、偏析等。其中以偏析最为常见，偏析的存在对合金的机械性能和组织结构有多种不良影响。经过熔炼铸造的合金由于快速冷却，造成严重的组织和成分偏析。 均匀化：将合金加热到一定温度促进原子扩散就能促使合金由非平衡状态向平衡状态转变，能消除成分偏析，残余应力，回溶强化相，改善有害相。 作为可热处理强化的铝合金，Al-Mg-Si-Cu 系合金的热处理制度对产品最终的使用性能有着至

11、关重要的影响，其主要的热处理制度包括均匀化退火、再结晶退火、固溶和时效等。研究过程均匀化u 铸态组织铸态组织u 均匀化组织均匀化组织汪小锋. 汽车用Al-Mg-Si-Cu系合金冲压成形性能的优化及其相关机理研究D.北京科技大学,2016均匀化研究过程 铝合金（AA6111）铸锭经过均匀化以后，加热至555C，保温4h，在轧机上进行热轧，终轧温度低于 300C。随后对其进行一次冷轧，使其厚度由 7.5mm 变为4.0mm。此后进行中间退火，然后将退火板材二次冷轧至1mm，如图所示为其具体的加工示意图。AA6111合金板材典型热加工工艺路线图研究过程轧制 6xxx6xxx系铝合金加工过程的组织演变

12、系铝合金加工过程的组织演变(a) 铸态,(b) 热粗轧态,(c) 热精轧态,(d) 中间退火态,(e) 冷轧态,(f) 固溶态Engler O, Hirsch J. Texture control by thermomechanical processing ofAA6xxx Al-Mg-Si sheet alloys for automotive applications-areviewJ.Materials Science and Engineering A, 2002, 336(1):249-262.研究过程轧制通过以上的显微组织演变分析，可以发现热轧态、冷轧态、中间退火态均存在较为明显

13、的显微组织差异。在轧制过程中由于形变量较大，使材料晶粒发生择尤取向，即产生织构。而经退火后由于形核与长大均具有某种位相关系，也会产生织构，多晶材料中的织构的存在直接影响铝合金的成形性能，而且织构的存在还会导致材料表面产生应力集中使板材表面趋向于形成起伏的带状区域，造成板面的粗糙。板材的织构现象毛卫民，杨平，陈冷材料织构分析原理与检测技术M北京：冶金工业出版社，2008Bennett T A, Petrov R H, Kestens L A I, et al. The effect of particle-stimulated nucleation on texture banding in a

14、n aluminium alloyJ. Scripta Materialia, 2010, 63(5): 461-464. 轧制研究过程 塑性应变比塑性应变比r r值是目前作为评价冷轧薄板深冲性能较为常用的力学指标，可值是目前作为评价冷轧薄板深冲性能较为常用的力学指标，可以通过较为简单的单向拉伸实验来获得以通过较为简单的单向拉伸实验来获得。一般而言，r值的定义如下：式中 wh 分别代表宽度方向上的应变与厚度方向上的应变；w0、t0分别是原始宽度和厚度；wf、tf分别是最后宽度和厚度；e为工程应变。 大量研究表明r值主要受到织构的影响。为了改善薄板的成形性能，所以需要研究织构与r值的关系，从而通

15、过织构控制来提高r值。Lebensohn R A, Tome C N. A self-consistent anisotropic approach for the simulation of plastic deformation and texture development of polycrysals Application to zirconium alloysJ. Acta Metallurgica Materialia, 1993,41:2611-2624. 轧制研究过程 金属轧制发生塑性变形时，主要是通过滑移和孪生来实现的。这两种机制的开动往往伴随着晶体取向的变化，从而造成形变

16、织构。大量研究表明，面心立方金属中常见的轧制织构主要包括Brass110、S123、Copper112及Goss110 每种轧制织构组分所占的比例则每种轧制织构组分所占的比例则是由层错能决定的。是由层错能决定的。轧制织构第二相颗粒轧制过程的不均匀性加工方式研究过程轧制Xiaofeng Wang, Mingxing Guo,et al. Effect of rolling geometry on mechanical properties, microstructure, and recrystallization texture of AlMgSi alloy J. International

17、 Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2015, 22(7): 738-747.AA6111合金板材的轧制工艺轧制过程全程采用机油润滑。研究过程轧制铝合金中常见的再结晶织构组分铝合金中常见的再结晶织构组分常见再结晶织构组分的形核地点及其与基体选择生长关常见再结晶织构组分的形核地点及其与基体选择生长关系系Sidor J, Miroux A, Petrov R, et al. Microstructural and crystallographic aspects of conventional and asymmetric rolling

18、 processesJ. Acta Materialia, 2008, 56(11):2495-2507. Engler O. On the influence of orientation pinning on growth selection of recrystallisationJ. Acta Materialia, 1998, 46(5):1555-1568. 预备退火是针对热轧板坯的退火，主要是消除加工硬化和部分时效硬化效应，给冷轧提供必要的塑性； 中间退火是指冷变形工序之间的退火，中间退火目的是为了消除加工硬化，以利于继续冷加工变形。一般来说，经过坯料退火后的材料，在承受 458

19、5%的冷变形后，如果不进行中间退火而继续冷加工将会发生困难研究过程再结晶退火 固溶处理固溶处理的目的是获得在室温下不稳定的过饱和固溶体或亚稳定的过渡组织，固溶处理是可热处理强化铝合金热处理的第一步，随后应进行第二步，即时效处理，合金即可得到显著强化。固溶后进行预拉伸可充分发挥 Al-Mg-Si-Cu 系车身板的油漆烘烤效应，使其在短时间烘烤达到峰值时效状态。预拉伸一方面产生形变强化，另一方面增加 相的密度，产生沉淀强化，预拉伸缩短了达到峰值硬度的时间，硬度值也有所提高。 Al-Mg-Si-Cu Al-Mg-Si-Cu 系合金最主要的热处理制度是固溶时效处理系合金最主要的热处理制度是固溶时效处理

20、。时效处理是热处理的关键，由于板材在冲压前不可避免地要存放一段时间，研究自然时效对合金性能的影响就十分必要了。自然时效使人工时效后合金的强度、硬度下降，而预时效则能减轻自然时效的有害作用。研究过程固溶及时效 当自然时效持续到1000 h以上，合金的硬度从60 HV上升到105 HV左右，强度的升高对于合金板材的冲压成型是非常不利的。 另一方面，自然时效的这种析出过程降低了固溶淬火态的的过饱和度，导致后续人工时效过程中析出强化相的激活能增加，降低了合金的时效硬化能力。 因此，根据 Al-Mg-Si-Cu系铝合金这一现象，通常会尽力避免自然时效以降低其合金板材冲压成型性能及后续时效硬化的不利影响。

21、固溶淬火态Al-0.93Mg-0.78Si-0.20Cu-3.00Zn合金的自然时效硬度变化曲线研究过程固溶及时效 对6016铝合金的预时效工艺的研究，发现时效温度和时间对合金力学性能的影响规律，提高预时效温度或者延长预时效时间均能显著提高合金的强度。 在在 100-150 100-150之间进行预时效，之间进行预时效，既能使既能使T4PT4P合金具有较低的强度，合金具有较低的强度，又能获得较高的烤漆增量。又能获得较高的烤漆增量。不同预时效温度条件下的烤漆前后屈服强度注：T4P为预时效态，T8X为烤漆态 Birol Y. Pre-aging to improve bake hardening in a twin-r