一種新工藝!減輕自然時效對6系鋁合金不利影響

2021-01-10 孜然學術

編輯推薦:本文設計了一種新穎的熱力工藝,該工藝能夠減輕自然時效對烤漆硬化的負面影響,並提供強度和延展性的出色組合。該工藝步驟簡單,實用性較強,能夠將低銅AA6016合金性能提升至接近含銅6xxx合金,本文為後續鋁合金汽車板材開發提供了研究思路,對生產具有一定實際意義。

Al-Mg-Si(6xxx系列鋁合金)合金由於具有較高的比強度,在汽車行業中的受關注度居高不下。在歐洲,Al被廣泛用於汽車的覆蓋件。6xxx鋁合金可熱處理強化,可以進行多種時效處理以優化其強度和硬度。6xxx鋁合金的時效序列很複雜,並且會隨合金成分和熱處理工藝而變化,但通常遵循SSSS→溶質團簇→GP區→亞穩β''→亞穩β',U1,U2和β'→β和Si。用於汽車的鋁合金板通常需要進行烤漆硬化,而自然時效的存在將減少烤漆過程中車身板的性能提升,所以設計一種熱力工藝,減弱自然時效的影響具有巨大的工業意義。

澳大利亞雪梨大學的研究人員設計了一種新的工藝減輕自然時效的負面影響,在烤漆硬化後表現出良好的強度(屈服強度223MPa,抗拉強度291MPa)和延展性(總伸長率>20%)組合,使低銅AA6016性能接近含銅6xxx鋁合金。相關論文以題為「Design of solute clustering during thermomechanical processing of AA6016 Al-Mg-Si alloy」發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia。

論文連結:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.074

本研究選擇商用1mm厚的6016軋制板,首先進行570℃×40s固溶處理(水淬),然後一部分自然時效多餘20小時(T4態,簡稱NA),另一部分進行預時效(T4P態,簡稱PA),PA處理是淬火後立即開始,將材料在20s內升溫至100℃並時效小於30s,而後以3.5℃/h的速率冷卻至30℃,自然時效或預時效後對材料施加2%的拉伸塑性應變,油浴環境下在10s內加熱至170℃保持20min以模擬烤漆過程(PB)。本研究的四個樣本分別為:NA;NA+PB;PA;PA+PB。

圖1 熱力處理過程

研究發現在預時效處理(PA+PB)後進行烤漆處理的樣品拉伸性能顯著提高,使屈服強度幾乎提高了一倍,並保持了良好的延展性,均勻伸長率為18%,總伸長率為23%。相比之下,自然時效之後進行烤漆處理(NA+PB)的樣品屈服強度增加提升較小(16%)。PA樣品的屈服強度明顯低於NA樣品(降低15%),同時具有出色的延展性,總伸長率為28%。

圖2 (a)不同條件下合金的拉伸曲線和拉伸性能表;(b)不同6xxx合金的屈服強度相對於總伸長率的分布;(c)不同時效處理下各6xxx合金屈服強度對比

圖3 6016合金的3D APT映射,Mg(綠),Si(紅)

經過預時效處理,可以形成穩定的團簇分散體,這種在烤漆之前穩定的團簇分散的屬性是優化最終強化效應的關鍵。這種預處理可以保證最低水平的溶質原子團簇結合,從而在烘烤期間為後續的團簇形成保留了巨大的潛力。在烤漆過程中形成的團簇具有以下屬性:密度大,包含≥20個原子的Mg-Si共聚簇,以及較少種類的單一物種Si-Si和Mg-Mg團簇。通過離散傅立葉變換(DFT)計算進一步強調了空位在影響穩定性方面的關鍵作用。它表明空位對矽原子具有很強的親和力,空位可以穩定單物種的Si-Si團簇。 (文:破風)

圖4 6016合金中Mg-Si團簇的Mg、Si比

圖5 溶質原子序數≥10的Mg-Si團簇的形貌圖

圖6 溶質原子數≥10 Mg-Si團簇的有效橢球半徑分布

圖7 (a)含256原子的FCC α-Al;(b)-(h)具有不同Mg、Si比的穩定Mg-Si構型(b)1:13、(c)3:11、(d)5:9、(e)7:7、(f)9:5、(g)11:3和(h)13:1,Al原子是藍色球,Mg是綠色,Si是紅色。

本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫,未經許可謝絕轉載至其他網站。

相關焦點

  • 《MSEA》Al3(Sc,Zr)彌散相對6系鋁合金熱變形行為的影響
    由於6xxx鋁合金具有良好的比強度、耐腐蝕性,因此它是汽車行業中最常用的鋁合金。然而,由於工業化發展對材料機械性能和外形複雜程度的需求越來越高,需要一系列具有更強加工性能的新型高性能合金。目前高強度6xxx系鋁合金中含有大量的鎂(Mg)、矽(Si)以及銅(Cu)、錳(Mn)和鉻(Cr)。
  • Nature子刊:一種簡單的新方法!大幅提升鋁合金疲勞性能
    析出強化鋁合金也可以加工成相對堅硬的材料,因此其特殊的機械性能(比強度高)在輕量化應用中佔有重要地位,在飛機、火車、汽車等運輸業中的應用越來越廣泛。運輸結構需承受交變力,並且材料承受的應力本質上是周期性的,所以材料的抗疲勞性是至關重要的。高強度鋁合金的疲勞性能較差,疲勞強度約為其抗拉強度的1/3,這是鋁合金致命弱點之一,大大限制了鋁合金的應用範圍。
  • 鋁合金的電鍍新工藝
    鋁合金不僅具有優良的強度及剛性,而且複雜幾何形狀零件的壓鑄可一次成型,實現了無切削加工,工藝簡單,生產效率高。我們採用鋁合金壓鑄件先鍍光亮鎳,再鍍一層槍黑色的電鍍工藝,既節約成本,又能獲得一種高裝飾性表面鍍層更有特色,提高產品在國際市場上競爭能力。鋁合金電鍍與普通電鍍工藝有一定區別,由於鋁合金是一種比較活潑的金屬,還原、置換能力強,給電鍍工藝帶來不少困難,一般都採用浸鋅方法來作預處理。
  • 車用鋁合金材料性能要求、選材、工藝 這些還不懂就OUT了!
    原標題:【汽車峰會】車用鋁合金材料性能要求、選材、工藝 這些還不懂就OUT了!鋁合金表述為發展5系、6系高成型性合金,單車用量190KG,對鋁合金強度沒有量化指標。
  • 2015鋁合金陽極氧化工藝*研究進展
    慧聰表面處理網訊:鋁合金表面自然形成的氧化膜很薄,其耐蝕性和耐磨性受到一定的限制通過陽極氧化技術在其表面製備出一層均勻緻密的陽極氧化膜,可以增加氧化膜的硬度及厚度,增強鋁合金基體的耐蝕性和耐磨性一般來說,鋁合金陽極氧化膜層的性能主要取決於膜層的相組成結構以及膜層厚度,而影響鋁合金陽極氧化膜層相組成結構硬度以及厚度的主要因素是工藝參數因此,全面系統地分析製取鋁合金陽極氧化膜層的新工藝
  • 稀土對鋁及鋁合金的影響
    在新材料領域,稀土元素豐富的光學、電學及磁學特性也發揮著重要的作用,用來製作稀土永磁材料、稀土發光材料、稀土貯氫材料等。 稀土在鋁及鋁合金中的作用機理 稀土具有很高的化學活性、低電位和特殊電子層排布,幾乎能與所有的 元素作用。
  • 7000系鋁合金解析(全文)
    那麼iPhone 6s/6s Plus所採用的新型鋁合金真的可以解決這個問題嗎?下面我們就帶大家來了解一下7000系鋁合金到底是一種什麼樣的材料。Plu採用的7000系鋁合金也被稱作7系鋁合金。6系鋁合金以鎂和矽為主要合金元素,是目前應用最廣泛的合金。而7系鋁合金以鋅元素為主,也少量添加了鎂、銅,其中的超硬鋁合金硬度更接近鋼材硬度。
  • 鋁合金雷射焊接工藝分析
    因為雷射焊接的光束是通過脈衝或者連續的雷射束來實現的,因此當雷射束直接照射鋁合金的表面時,能夠把金屬表面的熱量迅速擴散到鋁合金的內部,使鋁合金快速的熔化形成一條焊縫, 同時在融化後的金屬上形成一種反作用力,最終將熔化的鋁合金表面向下凹陷形成小孔。這個小孔具有強大的功效,可以全部吸收雷射光束照射時產生的能量,並同時產生高溫蒸汽,蒸汽壓力與壁層表面的張力形成一種動態的平衡。
  • 西盛鋁業董事長:熔鑄工藝控制 熔劑對鋁及鋁合金熔體物理淨化...
    SMM 9月19日訊:鄭州西盛鋁業有限公司董事長李有望在《2019中國汽車新材料應用高峰論壇暨第七屆鋁加工產業鏈供需交易峰會》上表示熔劑對鋁及鋁合金熔體的物理淨化中熔鑄工藝控制是基礎。從熔體淨化的基本對象到鋁合金熔體淨化的分類再到爐內淨化與在線淨化都是鋁合金熔體淨化必不可少的工序,其中爐內淨化是熔體淨化的基本保證;熔劑淨化是熔體淨化的重要組成部分。
  • 西盛鋁業董事長:熔鑄工藝控制 熔劑對鋁及鋁合金熔體物理淨化
    SMM 9月19日訊:鄭州西盛鋁業有限公司董事長李有望在《2019中國汽車新材料應用高峰論壇暨第七屆鋁加工產業鏈供需交易峰會》上表示熔劑對鋁及鋁合金熔體的物理淨化中熔鑄工藝控制是基礎。從熔體淨化的基本對象到鋁合金熔體淨化的分類再到爐內淨化與在線淨化都是鋁合金熔體淨化必不可少的工序,其中爐內淨化是熔體淨化的基本保證;熔劑淨化是熔體淨化的重要組成部分。
  • 「汽車峰會」車用鋁合金材料性能要求、選材、工藝 這些還不懂就...
    來源:SMMSMM9月18日訊:在上海有色金屬行業協會、上海市汽車工程學會、蘇州市壓鑄技術協會、上海有色網共同主辦的2020(第二屆)中國工博會新材料論壇-中國汽車新材料應用高峰論壇暨中國(第八屆)鋁加工產業鏈供需交易峰會上,廣東和勝工業鋁材股份有限公司董事長李建湘圍從車用鋁合金型材性能要求、車用鋁合金選材、合金二次開發及工藝開發
  • 國外新型鋁合金拾零
    用它取代5xxx系或6xxx系合金製造航空太空飛行器零部件可取得顯著的減量效果,同樣也是製造汽車與軌道車輛的上乘材料,工信部已將含鈧的鋁合金作為優先發展的新材料之一。中鋁材料院於2018年2月與澳大利亞格倫蒂(Clean TeQ)公司、重慶大學鋁合金研究室籤署了鋁-鈧合金研發協議。
  • 汽車鋁合金輪轂成型的五大工藝
    A356鋁合金具有比重小,耐侵蝕性好等特點,主要由鋁、矽、鎂、鐵、錳、鋅、銅、鈦等金屬元素組成,鋁佔92%左右,是一種技術成熟的鋁合金材料。  三、鋁合金輪轂生產工藝    鋁合金輪轂比鋼輪轂更適合乘用車,目前其製造工藝基本可分為三種,靠前種是鑄造,目前大多數汽車廠商都選擇使用鑄造工藝。第二種是鍛造,多用於高端跑車、高性能車以及高端改裝市場。第三種較為特別,是較早由日本Enkei公司投入使用的MAT旋壓技術,目前此技術在國內的應用不如前兩種多。
  • 鋁合金表面處理常見工藝
    鋁合金以及鋁型材的使用已經非常的廣泛,為了滿足我們的具體使用需求,在使用這些材質時,需要對其表面進行相應的處理,來提高鋁合金材質的表面美觀度以及使用性能,下面是中華標準件網為大家提供的有關鋁合金表面處理常見工藝。1、噴砂,主要作用是表面清理,在塗裝(噴漆或噴塑)前噴砂可以增加表面粗糙度,對附著力提高有一定貢獻,但貢獻有限,不如化學塗裝前處理。
  • 變形鋁合金為什麼要進行時效處理?鋁合金時效處理的作用
    鋁合金在剛淬火後,強度和硬度並不高,塑性很好;但放置幾天後,強度和硬度會顯著提高,而塑性則明顯下降。鋁合金的這種淬火後力學性能隨時間延長而顯著提高的現象,稱為時效硬化現象,這一過程稱為時效。將鋁合金固溶處理時,高溫下的過飽和α固溶體被原封不動地保留到室溫。但是這種過飽和固溶體在室溫下處於不平衡狀態,有脫溶分解和析出強化相而趨於穩定的傾向。隨著時間的延長,強化相逐漸脫溶而使合金強度硬度提高,即所謂時效硬化。時效有自然時效和人工時效兩種方式。時效溫度對時效速度有很大影響,時效溫度高,時效速度快,但溫度越高,時效所獲得的最高強度卻越低。
  • 鋁加工技術:變形鋁合金牌號、產品狀態及產品應用
    可熱處理強化,屬於航空鋁材,強度高,易加工,易車削,抗腐蝕性一般;3XXX系 —— 鋁錳合金,防鏽鋁合金,不可熱處理強化。常用牌號:3003、3A21、3105、3004;4XXX系 —— 鋁矽合金,特殊鋁合金,常用牌號:4004、4104、4045、4047、4343。
  • 航空鋁合金熱處理工藝的優化
    固溶、時效熱處理是調控鋁合金材料綜合性能的有效手段,一種新的熱處理技術的建立往往標示著一種新合金材料的產生。因此,熱處理工藝的優化對於研發新型高性能鋁合金具有重要意義。  一.固溶工藝。
  • 鋁合金及鋁型材的表面處理工藝
    【鋁道網】鋁合金及鋁型材通常都需要進行表面處理滿足不同需求,常見的鋁合金表面處理有電鍍  2、著色:對鋁進行上色主要有兩種工藝:一種是鋁氧化上色工藝,另外一種是鋁電泳上色工藝。在氧化膜上形成各種顏色,以滿足一定使用要求,如光學儀器零件常用著黑色,紀念章著上金黃色等。  3、導電氧化(鉻酸鹽轉化膜)——用於既要防護又要導電的場合。
  • 鋁合金雷射焊接技術的應用與發展
    隨著雷射技術和鋁合金研製技術的發展,進一步開展鋁合金雷射焊接應用技術基礎研究、開發鋁合金雷射焊接新工藝,更有效地拓展鋁合金雷射焊接結構的應用潛力,從而了解鋁合金雷射焊接技術的應用現狀及發展趨勢就顯得尤為重要。
  • CMF 實驗室|鋁合金及其表面處理工藝簡介
    鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料,在航空、航天、汽車、機械製造、船舶及化學工業中已大量應用。目前鋁合金是應用最多的合金,隨著人類對鋁合金認識的逐步深入,鋁合金的應用範圍及加工工藝也必然得以拓展和提高。