高Mg含量的AlMg变形铝合金及表面质量控制方法与流程

本发明属于铝合金生产领域，涉及一种高mg含量的almg变形铝合金及表面质量控制方法，尤其是针对高强高韧高表面变形铝合金的表面质量控制方法。

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、almg铝合金的主要强化机制为固溶强化、加工硬化和细晶强化。固溶强化主要取决于mg原子在α-al中的过饱和度；加工硬化效果主要取决于组织中的位错密度；细晶强化主要取决于铸造时的晶粒大小、加工工艺和热处理工艺等。此外，添加微量元素析出沉淀相的方式实现弥散强化，也是强化手段之一。

3、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。

4、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。吕德斯带不仅使合金材料的表面变得粗糙，影响外观，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运输工具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，中国科学院金属研究所通过对不同镁含量的tem研究提出，析出相也参与了动态应变时效过程，与可动位错相互作用，位错或穿越绕行析出相，或被阻拦在析出相处成为林位错；或切过析出相，成为位错与析出相交互的两种方式。当mg含量低于3.5％时，随着应变增大，提高淬火温度，降低析出相含量，从而降低林位错源。退火状态下al-mg合金中主要有三种析出颗粒，分别为方块形的β相，长条形的mg2si和圆形的(femn)al6相。这些析出颗粒的尺寸约为几十至上百微米。相关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。

5、当前大生产经验中，对于含镁量4.5％wt左右的材料，预拉伸量至少要达到1％以上，其屈服平台才能消失。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，从而影响了力学性能的交付，与设计值有一定差距。也有研究认为，通过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almg铝合金吕德斯带改善效果并不显著。吕德斯带的消除并不能通过现有工艺全部解决，依然需要更优化的工艺方法和新型控制技术。表面质量和力学性能的微妙平衡是开发高强度高塑性高表面质量almg铝合金亟待解决的问题。

6、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、对流程控制力要求较高，且碳历史较高。

7、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获得适当晶粒度来调整薄薄板材成形后表面性能，与本技术的技术不同。

8、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，与本技术提出的方法不同,mg含量适用范围也不一样。

9、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，与本技术的控制机理不同，且mg含量适用范围偏低。

10、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。该技术主要是通过降低其他合金元素的含量获得有效控制，在目前国内废铝分选机制待优化的现况下，势必通过添加高纯铝来稀释，对产品成本控制技术带来较大挑战；该技术与本技术的控制方法不同，且mg含量超过本发明的技术讨论范围。

11、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；且该技术仅对现象和机理进行了探讨，并未提出解决方案。

12、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吕德斯带已在多种材料中发现，并非仅存在于almg铝合金体系中，如低碳钢、纳米材料等。almg合金中的吕德斯带与外场密切相关，并非与成分一一绑定。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。该技术与本技术所讨论材料体系不同，也未提出解决方案。

13、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5.5-6.0％高镁铝合金屈服平台；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。

14、因此，亟待研究一种新的almg变形铝合金的表面质量控制方法，能够消除高镁含量的变形铝合金的屈服应变，降低复杂高强高成形汽车车身用铝材复杂零件的表面控制难度。

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高mg含量的almg变形铝合金及表面质量控制方法，解决了高mg含量的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，采用步进式低温环境对变形铝合金带材进行低温预拉伸处理，提高高mg含量的变形铝合金可动位错迁移率的迁移率，消除变形铝合金轴向变形的屈服平台，提高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高mg含量的almg变形铝合金的表面质量控制方法，选取5.5wt％＜w(mg)≤6.0wt％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步进式低温稳态处理，所述步进式低温稳态处理过程包括一级降温处理、二级降温处理、低恒温处理，在所述低恒温处理的同时进行低温预拉伸处理；之后经处理后的almg变形铝合金带材再依次进行低温保温、缓慢回温、干燥保存。

4、优选地，所述almg变形铝合金带材的厚度≤5.5mm。

5、优选地，所述步进式低温稳态处理过程中，利用液氮减压吹扫和热传导原理在低温应力罩式炉内实现常压下步进式低温环境。

6、优选地，所述低温应力罩式炉的炉壳之间填充绝热材料，该低温应力罩式炉内依次设置一级降温段、二级降温段、低恒温预拉伸段和过渡段，并通过炉墙隔开，所述一级降温段与所述二级降温段之间通过炉墙底部的通道连通，所述二级降温段、低恒温预拉伸段通过炉墙顶部的通道连通，所述低恒温预拉伸段和过渡段之间通过炉墙底部的通道连通；所述一级降温段、二级降温段、低恒温预拉伸段以及过渡段的上下方炉壁上均设有风扇；所述低温应力罩式炉内设有测温装置、降温装置、测厚装置和露点监控单元；所述测温装置为设于低温应力罩式炉内的多个温度传感器；所述降温装置包括分别设置在一级降温段、二级降温段、低恒温预拉伸段的氮气制冷装置以及别设置在二级降温段和三级降温段的半导体制冷装置；所述测厚装置和露点监控单元设于所述过渡段。

7、优选地，所述一级降温处理过程中，将所述almg变形铝合金的温度从室温降低到-20℃～-65℃，处理时间为60～720s；和/或

8、所述二级降温处理过程中，将经所述一级降温处理后的almg变形铝合金的温度继续降低至-55～-117℃，处理时间为30～360s；和/或

9、所述低恒温处理过程中，所述almg变形铝合金的温度为-117～-55℃，处理时间为30～360s。

10、优选地，所述一级降温处理过程中，降温速率为5～10k/min；和/或

11、所述二级降温处理过程中，降温速率为10～100k/min；和/或

12、所述低恒温处理的处理时间为45～360s。

13、优选地，所述低温预拉伸过程中，所述almg变形铝合金带材的拉伸量≤0.8％。

14、优选地，所述almg变形铝合金带材的拉伸量为0.1～0.8％。

15、优选地，所述almg变形铝合金带材的处理速度≥200mm/min。

16、本发明第二方面提供了一种高mg含量的almg变形铝合金带材，所述almg变形铝合金带材的mg含量为5.5～6.0wt％，由所述的高mg含量的almg变形铝合金的表面质量控制方法制备而成。

17、优选地，所述almg变形铝合金带材的表面无吕德斯带状缺陷

18、本发明所提供的高mg含量的almg变形铝合金及表面质量控制方法，具有以下有益效果：

19、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；

20、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；

21、3、本发明的高mg含量的almg变形铝合金的表面质量控制方法，碳排放低，无空气以外的炉内介质，对环境的持续影响低；

22、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；

23、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；

24、6、本发明的方法适合多厚度变形铝合金材料，对总压下率兼容性较高；

25、7、本发明提高了薄板的复杂成形后大平面表面质量，明显降低吕德斯带的发生率，能够与传统连退热处理等传统工艺流程相兼容，本发明对变形铝合金材料厚度，历史工艺适用范围广，还具有低碳排放、兼容性高等综合价值优势；

26、8、本发明首次应用于almg铝合金体系中的高镁含量范围，通过低温-117℃至-58℃控温控速的预拉伸技术，对高mg含量的almg变形铝合金带材进行步进式低温稳态处理，降低固溶mg原子在变形时的即时迁移率，有效减少柯氏气团的发生率或聚集度，消除高变形速度时因机械能转化热能形成的即时局域热场，降低晶格振动，实现实际可动位错的快速增殖率；

27、9、本发明能通过合理设计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，解决了设计高强高塑高表面高镁变形铝合金材料时需要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。