AlMg变形铝合金及提高表面质量低温预拉伸控制方法与流程

本发明属于铝合金生产领域，涉及一种almg变形铝合金及提高表面质量低温预拉伸控制方法。

背景技术：

1、随着新能源汽车工业进一步发展，轻量化成为未来发展的重点方向。almg变形铝合金由于具有比强度高、成形性能好、焊接性能和耐腐蚀性能优异、可回收利用等特点，在汽车车身尤其是白车身中使用比例不断提高。在欧美市场，almg铝合金已广泛应用于制造汽车的发罩、行李箱盖、车门等部件。almg铝合金比almgsi铝合金具有更好的深冲性能，但容易因锯齿屈服或应变时效出现肉眼可见的表面缺陷，俗称吕德斯带(参见图1所示)。经研究表明，吕德斯带是由溶质钉扎位错引起的，主要有两种类型：a型：针状和火焰状外观，分布方向一般与轧制方向垂直，在表面成片存在，肉眼可见；b型：由动态应变时效(plc效应)引起的应变局域化平行条纹，与加载方向成58°角。

2、根据al-mg二元相图，mg在al中的固溶度随温度降低而迅速减小，在半连续铸造的快速冷却条件下mg的溶解度为3％～6％，因此mg在almg系铝合金中通常处于过饱和状态；mg的原子半径(0.145nm)比al的原子半径(0.118nm)大，因而能形成很强的固溶强化；镁含量在1％～6％时，固溶强化效果随镁含量的增加而提高。当室温长时间停放或是低温退火热处理时，mg原子以β相的形式从过饱和固溶体中析出，但由于β沉淀相形核困难，核心少，沉淀相尺寸大，且与α-al基体非共格，因而时效强化效果差，一般将almg归为热处理不可强化铝合金。镁含量每提高1％，力学性能提高30mpa；mg含量越高越容易发生吕德斯带，高mg含量对表面质量不利影响主要表现在柯氏气团数量的相应增加，导致屈服平台长度较宽。

3、吕德斯带不仅使合金材料的表面变得粗糙，影响外观(参见图2所示)，更降低材料的力学性能，极大限制了高镁almg变形铝合金材料在车身外壳等外观部位和汽车的承重部位的广泛应用。对于almg铝合金在变形过程中的拉伸条纹形成机理尚未完全明确，科技人员已通过大量研究揭示了b型吕德斯带的机制和解决方案；但是对于a型吕德斯带(火焰状)鲜有研究。吕德斯带的消除依然需要更优化的工艺或新型控制技术。由此可见，表面质量和力学性能的微妙平衡是开发高强度高塑性高镁铝合金亟待解决的问题。

4、有研究认为铝合金表面缺陷与铝合金变形工艺有紧密关系，通过变形量和热处理耦合工艺来开展了大量的研究来提高表面质量，如通过控制晶粒尺寸，高温退火后淬火，退火后轻微变形，或通过与cu和或zn合金化来避免吕德斯带的发生。

5、相关研究显示含mg量为4.5％的铝合金板材在冷轧变形量为10％和25％时，采用330℃2h完全退火，板材经过拉伸表面形成明显的起皱和橘皮组织；当冷轧变形量为65％时，330℃2h退火后板材形成了吕德斯带台阶；而当冷轧变形量控制在45％时，完全退火后板材无明显吕德斯带应变缺陷，具有较高的表面应变质量。

6、有研究表明，对o态原板施加一定预拉伸量可以缩短屈服平台ae，减轻或者消除a型吕德斯带；其机理是：随着mg含量的提高，al基体中的mg原子容易钉扎位错，形成柯氏气团，柯氏气团造成的拉伸过程中应力集中，应力集中导致变形不均匀，在宏观表面上形成粗糙表面；在拉伸变形初期，5系系铝合金中的可动位错被al基体中的溶质原子mg所钉扎，当外加应力达到上屈服点时，可动位错挣脱mg溶质原子的束缚后开始自由飞行，发生脱钉现象，这造成了应力的下落，出现了下屈服点；后由于常温下溶质原子扩散速度比较慢，无法追上运动速度较快的可动位错，此时只需要较小的外加应力，即可维持塑性变形的发展，这对应着屈服平台的出现；同时大量的可动位错在脱钉后滑移到试件表面，形成局域塑性变形区，形成a型吕德斯带；由于可动位错只发生了一次脱钉行为，此后便在试件表面顺次扫过，所以a型吕德斯带呈现出一次性连续传播的特征，随后，林位错密度增大，对可动位错阻碍增大，可动位错运动速度降低，材料进入加工硬化阶段，a型吕德斯带随之消失。

7、有研究表明，在常温下进行预拉伸虽然抑制了a型吕德斯带的发生，但从根本上改变了材料的组织性能，从而影响了交付的力学性能，与设计值有一定差距。因此通常要根据实际需要出发，来平衡表面质量和材料强度；大生产经验中，对于含镁量4.5％左右含量的材料，预拉伸量至少要达到1％以上，其屈服平台才能消失。也有研究认为，通过一定量的1-3％的预拉伸对含量为3.5％以下mg含量的表面质量改善有明显效果，但针对mg含量大于3.5％的5xxx铝合金吕德斯带改善效果并不显著。

8、与公开的表面控制工艺如高温热处理退火淬火，退火后微变形等相比，低温预拉伸是一种新型的控制技术。通过中等低温预拉伸可以对高镁铝合金进行稳态处理，降低mg原子迁移率，有效减少柯氏气团的发生率或聚集度，降低晶格振动，实现实际可动位错的增殖。低温预拉伸单元可串联在连退线后实现连续生产，在连续低温环境箱中，充分利用铝合金薄板热导率高的本征特性，降温速度快，自动化程度高，利用液氮在保温箱体内部实现局域化低温环境，稳定实现批量薄板的降温和预拉伸。避免了额外的高温退火装置设计、加工制作、使用费用，也降低了过程中余热浪费。

9、民用低温技术因实现方式多样，利用能源来源较多，且能有效降低材料晶格振动和各类元素迁移率，在新材料设计及加工领域展现了广阔的应用前景。带应力的低温控制技术能极好地嵌入传统冷轧工序连退单元，解决了传统连续中高温铝合金热处理和常温预拉伸精整工序有限解决或不容易解决的技术难题，解决了设计高镁铝合金材料时平衡高强度和高表面质量的控制技术难题，而且在能源利用方面更具有节能环保等具有潜在的降碳优势，暂时未见在国内外变形铝合金加工产业界有实际应用。

10、浙江巨科铝业有限公司提出一种冷轧变形量大于70％的almg合金板制备方法(申请号201310215374.0)，通过冷轧后矫平处理后的高温短时退火和快速冷却工艺降低高镁对位错的固定力，并通过适当热处理消除内应力，使屈服强度恢复到预变形前的设计范围；该方法通过多次热处理和淬火工艺来提升可动位错迁移率，流程复杂，碳足迹较高。

11、苏州有色金属研究院有限公司及中铝科学技术研究院公开一种mg含量为4.2-5.0％的车身用almg合金板材制造方法(申请号201410708640.8)，通过控制最终连退退火温度上下限来控制适当晶粒度，使汽车板强度和屈服应变值在接受的范围内；该方法采用传统工艺来获得适当晶粒度，与本发明的技术不同。

12、大力神铝业股份有限公司就mg含量3.5％以下的almg合金提出一种无吕德斯带的制造方法(申请号201510449043.2)，在精整前给与总加工率大于80％的铝板材0.5-10％小压下量冷轧，获得冲压成形后表面光滑且无吕德斯带条纹的高表面质量冲压零件；该方法提出的压下量大于3％，且通过该方法制备的almg合金板的屈服强度高于退火状态50-70mpa，与本发明提出的方法不同,mg含量适用范围也不一样。

13、苏州有色金属研究院有限公司及中铝科学技术研究院有限公司(申请号201610374422.4)提出一种mg含量4.4-5.0％的汽车车身用almg合金板材制造方法，适当提高固溶量和晶粒尺寸来避免表面吕德斯带的形成。该技术采用了控速双极均匀化热处理保证β相充分固溶且扩散均匀，获得成分均匀性较高的合金，使金属间化合物断链；β相回熔，基体固溶量提高，避免晶粒尺寸过量增大或过于细小，且在晶粒尺寸计算时采用astm e112中晶界节点法获得平均晶粒尺寸，与本发明的控制机理不同。

14、北京科技大学提出mg含量高达6.1％的高强度高塑性almg合金制造方法，主要通过降低其他合金元素含量，获得表面性能和力学性能的综合提高。该研究mg含量超过本发明的技术讨论范围。

15、中国科技大学使用红外测温法对塑性失稳现象进行研究，发现伴随着吕德斯带的发生和扩展，伴随着能量的转化过程：一部分机械能转变成声能和热能，是的试件表面的温度场出现变化；研究认为，在塑性变形的早期，温升较小，随着应变的增大，区域内部温升逐渐增大，呈现明显的台阶状上升，这是由于塑性变形发生时，可动位错的动能以及钉扎时和固溶原子、析出相、林位错之间相互纠缠形成了势能，使得该区域温度升高。温度升高又增加了晶格振动，促进了溶质原子的迁移。宏观上，零件冲压成形是一个连续生产的快速过程，较大的加载应变率导致材料热传导能力的下降，导致材料和模具之间的温度场比常温要高。

16、北京科技大学研究2018年提出cocrfeni系fcc高熵合金的低温变形机制及锯齿流变行为时提出非稳态塑性变形是一种常见的应变现象(俗称吕德斯带)，已在多种材料中发现，如低碳钢、almg合金、纳米材料等。almg合金中的吕德斯带与外场密切相关。多晶材料中最被广为认可的机制是dsa效应，即塑性变形过程中，溶质原子在位错附近剧集形成柯式气团，位错移动和溶质原子扩散的动态相互作用，在一定的应变速率和温度下，溶质原子和位错的移动速率相当。

17、以上技术均未能实现在预拉伸量低于1％的情况下有效消除3.5-5.5％高镁铝合金屈服平台ae；若加大预拉伸量，势必更大程度改变材料的设计性能，以降低延伸率为代价，增加了材料开裂失效的风险。

18、因此，亟待研究一种能够消除高镁含量变形铝合金静态塑性失稳特性引发吕德斯带状缺陷的方法，能够提高高镁含量变形铝合金表面质量，从而提高复杂零件成形后的表面质量。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种almg变形铝合金及提高表面质量低温预拉伸控制方法，采用液氮减压技术对almg变形铝合金带材进行低温预拉伸处理，解决了almg变形铝合金静态塑性失稳特性引发吕德斯带状缺陷的问题，通过低温预拉伸处理，消除高mg含量almg变形铝合金的屈服应变率，提高almg变形铝合金的表面质量，明显降低了复杂高强高成形汽车车身用铝材复杂零件的制造难度。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种提高almg变形铝合金表面质量的低温预拉伸控制方法，选取mg含量为3.5～5.5wt％的almg变形铝合金带材，在低温应力罩式炉内对所述almg变形铝合金带材进行低温稳态处理，同时在低恒温段进行低温预拉伸处理。

4、优选地，所述almg变形铝合金带材的厚度≤2.5mm。

5、优选地，所述低温稳态处理过程中，利用液氮减压吹扫实现常压低温环境。

6、优选地，所述低温稳态处理包括降温处理和低恒温处理；

7、所述降温处理过程中，将所述almg变形铝合金带材的温度从室温降低到0～-65℃，处理时间为60～360s；

8、所述低恒温处理过程中，将经所述降温处理后的almg变形铝合金带材的温度维持在-65～0℃，处理时间为60～360s。

9、优选地，所述低温应力炉的炉壳之间填充绝热材料，所述低温应力炉内依次设有降温段活套组、张力辊组和传送辊；所述低温应力炉内还设有测温装置、液氮制冷装置和测厚装置，该低温应力炉的出口设有用以回收常压氮气的排风口，该低温应力炉内上下方炉壁上均设有风扇。

10、优选地，所述测温装置包括设于低温应力炉内的多组温度传感器。

11、优选地，所述液氮制冷装置包括设于所述降温段活套组之间的降温矩阵以及与所述降温矩阵连接的液氮装置。

12、优选地，所述低温预拉伸处理过程中，所述almg变形铝合金带材的拉伸量≤1.0％。

13、优选地，所述almg变形铝合金带材的拉伸量为0.1～0.9％。

14、优选地，所述almg变形铝合金带材的处理速度≥200mm/min。

15、本发明第二方面提供了一种mg含量为3.5～5.5wt％的almg变形铝合金带材，所述almg变形铝合金带材由所述的提高almg变形铝合金表面质量的低温预拉伸控制方法制备而成。

16、优选地，所述almg变形铝合金带材的表面无吕德斯带状缺陷。

17、本发明所提供的almg变形铝合金及提高表面质量低温预拉伸控制方法法，具有以下有益效果：

18、1、本发明采用低温预拉伸处理，大大减少不必要的中高温热处理；

19、2、本发明可与气垫炉连退机组组合生产，与传统设备兼容性较高，设备投入较小；

20、3、本发明的低温预拉伸控制方法的碳排放低，工作气体通过回收加压液化处理后再次进入低温保温炉内成为降温介质，减少对环境的持续影响；

21、4、本发明采用低温预拉伸控制技术，高镁铝合金材料在低温下可动位错获得有效增殖，显著缩短屈服平台，大大提高复杂零件成形后的全视区表面质量；

22、5、本发明适合于多种变形铝合金材料，具有良好的通用性、普适性；

23、6、本发明的方法提高了薄板的复杂成形后大平面表面全视场质量，明显降低吕德斯带的发生率、具有与传统连退热处理等传统工艺流程相兼容，低碳排放，快速连续生产等技术优势；

24、7、本发明通过低温-65℃至0℃控温控速的预拉伸表面控制技术，对高mg含量的almg变形铝合金带材进行低温稳态处理，提高高镁变形铝合金材料可动位错迁移率，消除高镁铝合金材料屈服平台，显著提高高mg含量的almg变形铝合金带材的大平面表面质量，为复杂构型汽车零部件的优良表面提供了保障。