一种高强度铝合金材料、铝合金板及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种合金材料，尤其设及一种侣合金材料。本发明还设及了一种由该 侣合金材料制成的侣合金板及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 汽车用材轻量化是当前汽车制造商关注的焦点。将侣合金板材用于汽车结构件 制造的情况也日益增多，可选用材料有2000系、5000系和7000系合金材料。然而，含化 的2000系合金材料的耐腐蚀不佳，5000系合金材料在烘烤处理过程中容易发生软化现象， 而7000系合金材料的延伸率不足而会造成材料加工的困难。可进行热处理强化的6000系 Al-Mg-Si合金材料因具备较好的成形性、耐腐蚀性和可焊接性能，目前正逐渐得到广泛地 应用，尤其在汽车的内外板和结构件制造领域。
[0003] 但是6000系Al-Mg-Si合金材料在固溶处理后会发生自然时效现象，儀娃原子在 室温下会发生偏聚，引起屈服强度的升高。特别在侣合金板材的运输和存储过程中，随着时 间的推移，板材的机械性能会不稳定，经常是屈服强度和抗拉强度均上升，而延伸率则显著 下降，导致时效后的侣合金板材在冲压时回弹现象严重，甚至在包边加工时发生开裂，严重 影响产品质量。此外，6000系Al-Mg-Si合金材料在常规的铸造和轴制条件下经喷漆烘烤处 理后的屈服强度通常都会低于300MPa，无法满足汽车工业对于更高强度的汽车用轻量化侣 板结构件的需求。
[0004][0005][0006] 日益发展的汽车制造工业亟需具有高强度（尤其是经喷漆烘烤处理后的屈服强 度较高）、良好的长时间自然时效稳定性且可W实现规模化大工业生产的侣合金材料及侣 合金板材。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种高强度侣合金材料，其具有较高的强度，尤其在经过 喷漆烘烤处理后，该侣合金材料的屈服强度较高。同时，该高强度侣合金材料具备优良的自 然时效稳定性，经过长时间自然时效后，侣合金材料的屈服强度、抗拉强度及延伸率等各项 综合性能的稳定性好。
[000引为了实现上述目的，本发明提出了一种高强度侣合金材料，其化学元素质量百分 比含量为：
[0009] 1. 5%《Mg《3. 0% ;
[0010] 0. 05%《Si《0. 2% ;
[0011] 0.Mn《0. 2% ;
[0012] 0.2《化《0.4%;
[0013] 0<〇!《0. 03%;
[0014] 0<Ti《0.05%;
[0015] 0. 05%《Ca《0. 15%和0. 05%《Sr《0. 15%的至少其中之一；
[0016] 其余为A1和其他不可避免杂质。
[0017] 本发明所述的高强度侣合金材料中的各化学元素的设计原理为：
[001引 Mg;Mg通过溶解在A1基体中来增加侣合金材料的强度，同时添加Mg还可W增加 侣合金材料的加工硬化性能，从而有助于改善材料的成形性。如果Mg含量小于1. 5wt% 时，则材料的强度变低，如果Mg含量大于3.Owt%，则材料的屈服强度太高，而材料的形状 固定性会显著下降。对于本发明所述的高强度侣合金材料来说，需要将Mg含量控制为： 1. 5-3.Owt. %。
[0019] Si;Si是侣合金材料添加的主要合金元素，是形成Mg-Si系金属间化合物的关键 元素。由于Si的原子半径比A1原子小，而Mg的原子半径比A1原子大，同时Mg和Si元素 之间混合洽的负值较大，故Mg原子和Si原子能够形成稳定的原子间结合，在变形过程中可 W形成纳米团簇、规则G.P区和稳定的金属间化合物，在热变形过程中可W起到析出强化、 弥散强化和促进再结晶的作用，在后续喷漆后的烘烤处理过程中就可W发展成纳米级的析 出物，从而使得该侣合金材料具有更高的强度。经固溶处理后，Mg、Si原子固溶在基体中， 在随后的自然时效、低温人工时效或烘烤处理中偏聚长大并析出，有助于强度的提升，但是 也会引起自然时效。另外，如果Si元素的含量过高，也容易在铸造过程中形成粗趟的金属 间化合物，使得材料的成形性下降。因此，本发明中优选Si;0. 05-0. 2wt. %。
[0020] Mn;Mn在均热化处理中生成弥散颗粒，该个颗粒可w妨碍再结晶后的晶粒长大， W起到细化晶粒的效果。同时，该颗粒能够溶解杂质铁，W形成Ale(化Mn)，减少铁的有害作 用。如果Mn的含量小于0.Iwt. %，则该效果并不充分，如果Mn的含量超过0. 2wt. %，则容 易生成粗大的树枝状AWeSiMn系金属间化合物，严重地恶化材料的包边性能。鉴于此，本 发明所述的高强度侣合金材料中的Mn元素应当控制在0.Iwt. % -0. 2wt. %范围之间。
[0021]Fe;化是作为基体金属杂质存在于侣合金材料中的，需要对其含量进行控制。在 铸造凝固过程中与Mn、Si-起W片层状的Ale(化Mn)和A1i2(化Mn)3Si金属间化合物形式 析出，热轴卷取后W该结晶物为形核点进行再结晶，得到微细的再结晶晶粒，从而增加材料 的强度并改善材料的成形性。一旦化含量小于〇.2wt. %，则材料就不能获得W上效果，若 是化含量大于0. 4wt. %，则会引起粗大的树枝状金属间化合物，尤其是，当该些金属间化 合物的片层厚度大于0. 5ym时，更容易造成材料的强度和成形性的劣化。为此，本发明的 高强度侣合金材料中的化含量应当控制为；〇. 2wt. %《化《0. 4wt%。
[002引化；Cu在侣合金材料中固溶，在时效过程中，化形成Q'相析出他相为一种沿着 侣基体<00l〉Ai方向生长的板条状的析出相），W有效地提高材料的烘烤硬化性能。但是， 化易于在晶界聚集，会显著地降低材料的耐腐蚀性能和成形性能。基于此，在本发明的技术 方案中需要添加一定含量的化，并需要将化含量的上限设定为0. 03wt. %。
[0023] Ti;Ti是优良的铸锭细化剂。铸锭的晶粒得到微细化后，能够有效地提高材料 的成形性。可是，若Ti的含量超过0.05wt. %，在材料中会形成粗大的结晶物，该样反而 会劣化材料的成形性。故而，本发明所述的高强度侣合金材料中的Ti的含量不得超过 0. 05wt. %。
[0024] 化、Sr;化和Sr的原子半径均大于A1，Ca、Sr原子和A1原子的混合洽的负值分别 是M-Si原子混合洽的10倍和8倍，Ca、Sr原子和Si原子的混合洽的负值分别是Mg-Si 原子混合洽的3. 4倍和3. 2倍。在热变形或时效时更易于形成稳定的纳米团簇或规则G.P 区。但是，过量的Ca和/或Sr容易形成块状的金属间化合物（例如，Al2Ca、Al4Ca、Al2Sr、 A^Sr等），该金属间化合物会恶化材料的性能。为了保证有效的固溶和析出，在本发明的 技术方案中需要添加0. 05-0. 15wt. %的化和/或0. 05-0. 15wt. %的Sr。需要注意的是， 该两种元素可W同时添加，也可W仅添加任意的其中一种。此外，化和Sr是成本较低、微 量添加的合金元素。
[0025] 本发明的技术方案，适当添加上述微量、廉价的合金元素，充分利用析出强化、晶 粒细化及弥散强化来提高侣合金材料的强度，优化现有的侣合金材料的化学成分。
[0026] 需要说明的是，本发明所述的高强度侣合金材料在确保W上各项化学元素含量在 上述限定的范围的情况下，可W大量使用再生侣或废侣，W提高资源的循环利用。
[0027] 进一步地，本发明所述的高强度侣合金材料中的其他不可避免的杂质总量控制为 《0. 15%。
[002引除了上述化学元素成分和A1元素之外，本发明的高强度侣合金材料中还含有其 他不可避免的杂质，例如，&、化等。为了避免该些杂质影响本发明的侣合金材料的综合性 能，需要对其总量进行控制，即其总量不得超过0. 15wt. %。
[0029] 进一步地，本发明所述的高强度侣合金材料的微观组织包括a(A1)固溶体W及 细小的析出相，该析出相在形态上包括纳米团簇、规则G.P区和纳米颗粒。
[0030] 其中，数个到数百个原子偏聚在一起，形成的纳米尺度的超微粒子称之为纳米团 簇。团簇是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子向 大块物质转变的过渡状态。较之于块体材料和原子，纳米团簇具有完全不同的物理和化学 性能，并且其性能随着尺寸变化具有显著变化的特征，其表面能非常高，且表现出量子效应 特性。规则G.P区是指合金固溶体中形成的过渡组织形态，具体来说，是指溶质原子的富 集区，该规则G.P区的晶体结构与基体相同。例如该侣合金中，化等溶质原子集中在A1晶 格的{100}面上，形成的规则G.P区中的成分wa釣为90%，其形状为圆盘形，直径5皿（室 温）-60皿(150°C)，厚度<1皿。高温下时效时，规则G.P区的直径急剧长大，且化原子和A1 原子逐渐形成规则的排列，即形成正方有序化结构。纳米颗粒则是指纳米尺寸的析出物。 [003U更进一步地，上述析出相在成分上包括；AIM拆i、AlCaSi、AlSrSi、AlMnSi、 AIM拆iCa