1.本发明属于金属材料技术领域，涉及一种热成形用7系铝合金材料及其制造方法。
背景技术：2.近年来，在节能减排的大环境下，轻质合金尤其是铝合金发挥出越来越重要的作用，在航空航天、汽车、轨道交通等方面具有了越来越广泛的应用。由于铝合金在常温下的成形存在缺陷，一是回弹比较大，二是流动性不好，因此不能成形较复杂的零件。目前汽车上用的较多的是5系与6系铝合金，通过冷变形达到需求的形状，具有中等强度，且多用于形状较为简单的部件，如四门两盖。7系铝合金属于超高强铝合金，是理想的结构材料，但是由于成形困难，极大的限制了其应用。但因为在热成形下，流变应力减少，变形抗力降低，能较好地提高成形件的质量及精度，因此热冲压工艺得以提出与应用。最近，随着铝合金的热成形技术的飞速发展，7系铝合金也可以通过热成形的方式，加工成形状比较复杂的零部件，如汽车的a柱、b柱、上边梁、侧边梁、前窗眉等结构件，并且在时效后具有较高的强度。
3.目前已有诸多学者对7系铝合金的热成形展开了研究，如公开号为cn106756673a、 cn111876639a、cn113351767a等发明专利，或对7075的加工工艺进行了优化，或对热加工设备或热加工流程进行改进，使热成形能够更顺利更高效的进行。但少有专利对7系热成形材料本身的成形性能进行研究，也未有专利对7系热成形材料成形性能和强度进行同步优化。
技术实现要素：4.有鉴于此，本发明为了解决现有技术少有对7系热成形材料本身的成形性能进行研究，也未有专利对7系热成形材料成形性能和强度进行同步优化，影响其应用范围的问题，提供一种热成形用7系铝合金材料及其制造方法。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种热成形用7系铝合金材料，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：si≤0.20％、 fe≤0.30％、cu：1.0～3.0％、mn≤0.20％、mg：2.0～2.6％、cr≤0.10％、zn：6.5～7.6％、ti≤0.05％、 zr：0.07～0.16％、单个杂质≤0.03％，杂质合计≤0.10％，余量为al。
7.进一步，热成形用7系铝合金材料优选由以下元素组分按照重量百分比配制而成： si≤0.07％、fe≤0.10％、cu：2.2～2.4％、mn≤0.05％、mg：2.1～2.4％、cr≤0.05％、zn：6.9～7.3％、 ti：0.01～0.02％、zr：0.09～0.12％、单个杂质≤0.03％，杂质合计≤0.10％，余量为al。
8.一种热成形用7系铝合金材料的制造方法，包括如下步骤：
9.a、配料：将制备7系铝合金材料的原料按照重量百分比进行配料；
10.b、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金在700～760℃温度范围内熔化，熔化过程中开启电磁搅拌并扒渣；之后转炉至保温炉进行精炼，精炼温度为710～750℃，使用氯氩混合气体进行精炼并扒渣，期间进行取样检测；若成分不符则根据配料表添加相应合金进行成分调整，若成分符合则通过双级
过滤设备后进行铸造，获得7系铝合金扁锭；
11.c、三级均匀化退火：将熔铸出炉后的铝合金扁锭放入箱式退火炉进行三级均匀化退火，均匀化退火工艺为：(350～420)℃/(4～10)h+(450～465)℃/(20～40)h+(470～475)℃/ (4～10)h，均匀化完成后对铸锭进行快速冷却，冷却速度需达到150℃/h以上，以控制降温过程中粗大第二相的析出；
12.d、铸锭加热：将均匀化退火后的铝合金铸锭经过锯切头尾和铣面后装入推进式加热炉进行450℃/5h加热保温；
13.e、轧制：将加热保温后的铝合金铸锭出炉进行热轧，开轧温度为410℃，首先在热粗轧进行8个道次的横轧，总压下量为80～150mm，之后铸锭转置90
°
进行纵轧，纵轧15个道次，最大压下量30mm，中间坯厚度40～45mm，然后进入四连轧进行精轧，四连轧压下率分别为： 32％～37％～35％～35％，获得9mm厚度热轧卷，打卷温度320
±
10℃；之后将热轧卷进行冷轧，从9mm厚度开始冷轧，第一次轧制到6.8mm，第二次轧制到5.1mm，经中间退火处理，第三次轧制到3.9mm，第四次轧制到3mm；
14.其中横轧是目的是调控变形过程中的合金组织和织构，防止单一织构大范围产生。经过双级连退中退的材料再轧制3mm成品厚度后即完成材料部分的生产，后续可在常规热成形工序进行热冲压。
15.f、固溶淬火：将轧制后铝合金板材进行470℃/30min固溶处理，淬火后进行性能测试，然后继续进行120℃/24h时效达到峰值强度，进行性能测试。
16.进一步，步骤a制备7系铝合金材料的原料采用工业纯铝、工业纯mg、工业纯zn、中间合金al-si、中间合金al-cu、中间合金al-mn、中间合金al-ti、中间合金al-zr。
17.进一步，步骤c中三级均匀化退火工艺为：400℃/8h+463℃/30h+472℃/8h。
18.进一步，步骤e中铝合金铸锭热粗轧时采取首尾道次小压下量，中间道次大压下量方式。
19.进一步，步骤e中中间退火后要保留40～50％的变形率，中间退火在连续退火炉进行，采用双级退火工艺，具体制度为430℃/5s+470℃/20s。
20.本发明的有益效果在于：
21.1、本发明所公开的热成形用7系铝合金材料，影响材料成形的一个主要参数为r值，即塑性应变比，它是板材塑性各向异性的量度，是衡量板材成形性能的一个重要指标，一般来讲r值越大，板材的深冲性能越好。r值的均匀性可以表述为塑性应变比平面各向异性度(
△ꢀ
r)，其中：δr＝(r0+r90)/2-r45。
△
r影响的主要是板材的三个方向的各向异性程度，对于热成形材料希望这个
△
r越小越好。影响材料r值的主要因素即为合金内部织构的组成与分布。铝合金常见的织构有变形时出现的变形织构：{112}《111》copper织构、{123}《634》s织构和{011} 《211》brass织构，退火时出现的再结晶织构{100}《001》cube织构、{110}《001》goss织构、 {011}《111》p织构、{124}《211》r织构。因此织构与轧制工艺和退火工艺密切相关，本专利在优化出热轧冷轧道次的基础上，采用连退双级退火工艺，就是利用连退线升温迅速的特点，抑制再结晶织构大量产生，并严格控制再结晶织构的类型与分布。为获得各向均匀的r 值，再结晶织构和变形织构需要合理的配比，此专利热轧、冷轧道次的控制以及双级连退中退工艺的应用，目的是为了获得最优的织构组合，即cube织构和s织构占主导，brass织构和goss织构穿插其间，p织构和s织构均匀分散存在于基体中。这样良好
的织构组合与分布，可使材料各向异性降低，大大提升材料的变形能力，有利于冲压成形。另外，连退中退时采用的高温退火，可回溶部分粗大第二相，从而使后续热成形前固溶时的回溶更加充分，更有利于时效析出相的析出，从而更好的提升合金强度。
22.2、本发明所公开的热成形用7系铝合金材料，通过严格控制si、fe杂质元素的含量，降低合金内杂质相的数量，从而在冲压过程中降低裂纹发展源。zr、cr、mn微量合金元素对合金淬火敏感性有显著影响，通过调控微量元素配比，可使合金中形成尺寸细小(≤30nm) 的al3zr颗粒，其与基体具有良好共格关系，可大大降低合金淬火敏感性，热成形过程中能够尽量形成过饱和程度高的固溶体。通过mg、zn、cu元素配比的调控，使合金在随后时效过程中析出较多的弥散纳米级强化相，从而提升零件强度。
23.3、本发明所公开的热成形用7系铝合金材料的制造方法，从提高7系材料的成形性能和时效后的强度提升两方面入手，通过合金成分设计、三级均匀化工艺、合理热轧道次匹配以及双级连退中退工艺等一系列手段的紧密结合来调控合金析出相分布与织构的组成，使合金具有三个方向均匀的r值，更有利于冲压成形，并且成形后经过时效后抗拉屈服都能达到 530mpa以上，高于目前7075热成形材料的性能。
24.4、本发明所公开的热成形用7系铝合金材料的制造方法，从成分设计和工艺优化两方面入手，通过调控合金各元素组分和相的分布，来提升合金强度，通过控制热轧冷轧道次和中退工艺来调控合金织构组成与分布，从而提升成形性能，获得了成形性和强度的同步提升。本发明生产的7系材料，热成形性能优异，且强度高于普通7系热成形材料，适合热冲压成形较复杂的零件，可大大加快汽车轻量化进程，并对其他领域高综合性能铝合金的生产与开发具有一定的指导作用。
25.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
具体实施方式
26.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.实施例
28.一种热成形用7系铝合金材料的制造方法，包括以下步骤：
29.a、配料：按照如下重量份数比配制铝合金原料：
30.元素sifecumnmgcrzntizr杂质al含量0.0350.0522.2770.0042.1750.0017.1250.0150.100.05余量
31.制备7系铝合金材料的原料采用工业纯铝、工业纯mg、工业纯zn、中间合金al-si、中间合金al-cu、中间合金al-mn、中间合金al-ti、中间合金al-zr等；
32.b、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，
将液态铝合金在700～760℃温度范围内熔化，熔化过程中开启电磁搅拌并扒渣；之后转炉至保温炉进行精炼，精炼温度为710～750℃，使用氯氩混合气体进行精炼并扒渣，期间进行取样检测；若成分不符则根据配料表添加相应合金进行成分调整，若成分符合则通过双级过滤设备后进行铸造，获得7系铝合金扁锭；
33.c、三级均匀化退火：将熔铸出炉后的铝合金扁锭放入箱式退火炉进行三级均匀化退火，均匀化退火工艺为：400℃/8h+463℃/30h+472℃/8h，均匀化完成后对铸锭进行快速冷却，冷却速度为170℃/h，以控制降温过程中粗大第二相的析出；
34.d、铸锭加热：将均匀化退火后的铝合金铸锭经过锯切头尾和铣面后装入推进式加热炉进行450℃/5h加热保温；
35.e、轧制：将加热保温后的铝合金铸锭出炉进行热轧，开轧温度为410℃，首先在热粗轧进行8个道次的横轧，总压下量为100mm，之后铸锭转置90
°
进行纵轧，纵轧15个道次，最大压下量30mm，中间坯厚度43mm，然后进入四连轧进行精轧，四连轧压下率分别为： 32％～37％～35％～35％，获得9mm厚度热轧卷，打卷温度320
±
10℃；之后将热轧卷进行冷轧，从9mm厚度开始冷轧，第一次轧制到6.8mm，第二次轧制到5.1mm，经中间退火处理，第三次轧制到3.9mm，第四次轧制到3mm；中间退火在连续退火炉进行，采用双级退火工艺，具体制度为430℃/5s+470℃/20s。
36.其中横轧是目的是调控变形过程中的合金组织和织构，防止单一织构大范围产生。经过双级连退中退的材料再轧制3mm成品厚度后即完成材料部分的生产，后续可在常规热成形工序进行热冲压。
37.f、固溶淬火：将轧制后铝合金板材进行470℃/30min固溶处理，淬火后进行性能测试，然后继续进行120℃/24h时效达到峰值强度，进行性能测试。
38.对比例
39.一种通用7075热成形铝合金材料的制造方法，包括以下步骤：
40.a、配料：按通用7075热成形材料的成分进行配比：
41.元素sifecumnmgcrzntizr杂质al含量0.0670.1441.3490.0162.6790.2215.7610.0260.0230.05余量
42.铝合金原料采用工业纯铝、工业纯mg、工业纯zn、中间合金al-si、中间合金al-cu、中间合金al-zr、中间合金al-ti等；
43.b、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金在700～760℃温度范围内熔化，熔化过程中开启电磁搅拌并扒渣；之后转炉至保温炉进行精炼，精炼温度为710～750℃，使用氯氩混合气体进行精炼并扒渣，期间进行取样检测；若成分符合则通过双级过滤设备后进行铸造，获得7075铝合金扁锭；
44.c、均匀化退火：将熔铸出炉后的铝合金扁锭放入箱式退火炉进行均匀化退火，均匀化退火工艺为：470℃/10h，无冷却工序；
45.d、铸锭加热：将均匀化退火后的铝合金铸锭经过锯切头尾和铣面后装入推进式加热炉进行450℃/5h加热保温；
46.e、轧制：将加热保温后的铝合金铸锭出炉进行热轧，开轧温度为410℃，无横轧工序，直接23个道次轧制中间坯厚度40mm，然后进入四连轧进行精轧，四连轧压下率分别为： 332％～37％～35％～35％，获得7mm厚度热轧卷，打卷温度320
±
10℃；之后将热轧卷进行
冷轧，从7mm厚度开始冷轧，第一次轧制到5.1mm，第二次轧制到3.9mm，第三次轧制到3mm；无中间退火处理。
47.f、固溶淬火：将轧制后铝合金板材进行470℃/30min固溶处理，淬火后进行性能测试，然后继续进行120℃/24h时效达到峰值强度，进行性能测试。
48.实施例和对比例两种合金的性能结果如下表所示(表中ag代表的均匀延伸率，a80代表80标距试样的总延伸率。r8-12代表测量r值时的延伸率范围是8-12％，这些是汽车板比较常用的几个性能指标)：
[0049][0050]
通过性能对比可以发现，在固溶态时，实施例和对比例的强度和延伸率接近，但实施例三方向r值更均匀，因此δr值远小于实施例，说明材料的各向异性更小，在冲压时的变形会更均匀，具有更好的成形性。时效态性能对比可以发现，实施例抗拉强度和屈服强度明显高于对比例，并且延伸率也略高于对比例。
[0051]
综上所述，通过本发明所设计的成分与工艺路线所生产的热成形用7系铝合金相比于传统7075合金具有更好的成形性能，且经过时效后具有更好的强度，更适合热成形冲压更复杂的零件和受力比较大的结构件。
[0052]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
技术特征：1.一种热成形用7系铝合金材料，其特征在于，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：si≤0.20％、fe≤0.30％、cu：1.0～3.0％、mn≤0.20％、mg：2.0～2.6％、cr≤0.10％、zn：6.5～7.6％、ti≤0.05％、zr：0.07～0.16％、单个杂质≤0.03％，杂质合计≤0.10％，余量为al。2.如权利要求1所述热成形用7系铝合金材料，其特征在于，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：si≤0.07％、fe≤0.10％、cu：2.2～2.4％、mn≤0.05％、mg：2.1～2.4％、cr≤0.05％、zn：6.9～7.3％、ti：0.01～0.02％、zr：0.09～0.12％、单个杂质≤0.03％，杂质合计≤0.10％，余量为al。3.如权利要求1所述热成形用7系铝合金材料的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：a、配料：将制备7系铝合金材料的原料按照重量百分比进行配料；b、熔铸：将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金在700～760℃温度范围内熔化，熔化过程中开启电磁搅拌并扒渣；之后转炉至保温炉进行精炼，精炼温度为710～750℃，使用氯氩混合气体进行精炼并扒渣，期间进行取样检测；若成分不符则根据配料表添加相应合金进行成分调整，若成分符合则通过双级过滤设备后进行铸造，获得7系铝合金扁锭；c、三级均匀化退火：将熔铸出炉后的铝合金扁锭放入箱式退火炉进行三级均匀化退火，均匀化退火工艺为：(350～420)℃/(4～10)h+(450～465)℃/(20～40)h+(470～475)℃/(4～10)h，均匀化完成后对铸锭进行快速冷却，冷却速度需达到150℃/h以上，以控制降温过程中粗大第二相的析出；d、铸锭加热：将均匀化退火后的铝合金铸锭经过锯切头尾和铣面后装入推进式加热炉进行450℃/5h加热保温；e、轧制：将加热保温后的铝合金铸锭出炉进行热轧，开轧温度为410℃，首先在热粗轧进行8个道次的横轧，总压下量为80～150mm，之后铸锭转置90
°
进行纵轧，纵轧15个道次，最大压下量30mm，中间坯厚度40～45mm，然后进入四连轧进行精轧，四连轧压下率分别为：32％～37％～35％～35％，获得9mm厚度热轧卷，打卷温度320
±
10℃；之后将热轧卷进行冷轧，从9mm厚度开始冷轧，第一次轧制到6.8mm，第二次轧制到5.1mm，经中间退火处理，第三次轧制到3.9mm，第四次轧制到3mm；其中横轧是目的是调控变形过程中的合金组织和织构，防止单一织构大范围产生。经过双级连退中退的材料再轧制3mm成品厚度后即完成材料部分的生产，后续可在常规热成形工序进行热冲压。f、固溶淬火：将轧制后铝合金板材进行470℃/30min固溶处理，淬火后进行性能测试，然后继续进行120℃/24h时效达到峰值强度，进行性能测试。4.如权利要求3所述热成形用7系铝合金材料的制造方法，其特征在于，步骤a制备7系铝合金材料的原料采用工业纯铝、工业纯mg、工业纯zn、中间合金al-si、中间合金al-cu、中间合金al-mn、中间合金al-ti、中间合金al-zr。5.如权利要求3所述热成形用7系铝合金材料的制造方法，其特征在于，步骤c中三级均匀化退火工艺为：400℃/8h+463℃/30h+472℃/8h。6.如权利要求3所述热成形用7系铝合金材料的制造方法，其特征在于，步骤e中铝合金铸锭热粗轧时采取首尾道次小压下量，中间道次大压下量方式。
7.如权利要求3所述热成形用7系铝合金材料的制造方法，其特征在于，步骤e中中间退火后要保留40～50％的变形率，中间退火在连续退火炉进行，采用双级退火工艺，具体制度为430℃/5s+470℃/20s。
技术总结本发明涉及一种热成形用7系铝合金材料，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si≤0.20％、Fe≤0.30％、Cu：1.0～3.0％、Mn≤0.20％、Mg：2.0～2.6％、Cr≤0.10％、Zn：6.5～7.6％、Ti≤0.05％、Zr：0.07～0.16％、单个杂质≤0.03％，杂质合计≤0.10％，余量为Al，通过合金成分设计、三级均匀化工艺、合理热轧道次匹配以及双级连退中退工艺等一系列手段的紧密结合来调控合金析出相分布与织构的组成，使合金具有三个方向均匀的r值，更有利于冲压成形，并且成形后经过时效后抗拉屈服都能达到530Mpa以上，高于目前7075热成形材料的性能。高于目前7075热成形材料的性能。
技术研发人员：冉凡青 尹竹松 白永芳 魏建国 崔立治 孙中国 祖立成
受保护的技术使用者：天津忠旺铝业有限公司
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
