本发明属于铝合金板材制备，具体涉及一种优异深冲性能的铝合金薄板及其制备方法。
背景技术：
1、铝锰系铝合金薄板具有优良的耐腐蚀性能，广泛应用于饮料、厨具、船舶、汽车、建筑、电子电器等领域，如冲压成型易拉罐、新能源动力电池壳、手机及数码产品外壳、电饭煲内胆等。该类铝合金薄板传统主要采用热轧工艺生产，工艺流程如下：熔化铝锭→配制铝合金液→精炼除气过滤→铸锭→锯切→均匀化→洗面→热轧→退火→冷轧→退火→冷轧→包装，存在工艺流程长、工序多、成品率低、投资大、成本高等问题。铸轧是将铝合金液直接浇注到铸轧机的辊缝轧制成铝板，属于短流程成形工艺，可大幅缩短工艺流程，减少生产工序，有利于降低生产成本。
2、公布号为cn101318198a的中国专利文献公开了一种铸轧3004合金深冲材的制造方法，该方法依次包括3004铝合金坯料铸轧、坯料冷轧、高温退火、多道次冷轧、成品退火，得到最终产品。3004合金深冲材的延伸率虽然较高，但抗拉强度仍然较低。
3、公布号为cn115254953a的中国专利文献公开了一种铸轧3004花纹板的制造方法，包括铸轧3004铝合金坯料、冷轧、不完全退火、冷轧压花、喷淋刷洗、真空吸液、水清洗、吹扫、烘干、不完全退火。该方法克服了铸轧3004铝合金坯料塑性差，压花时易出现花纹歪扭、偏移及花纹不饱满等技术难题。
4、公布号为cn101664792a的中国专利文献公开了一种电解铝液直接铸轧生产低铁低硅3004合金工程化工艺，包括熔化铝液、成分调整、3次在线精炼、静置、除气、晶粒细化、过滤、倾斜式铸轧、均匀化、冷轧、中间退火、冷轧、完全退火、卷取包装。该方法简化了生产工序，有利于节能减排。
5、公布号为cn116219210a的中国专利文献公开了一种再生铝生产厨具用深冲铝板带的工艺方法，包括熔炼、静置、倾炉、铸造、铸板传动冷却、三连轧、坯料均匀化退火、粗轧、中间退火、精轧、纵剪切边。该方法采用再生铝作为原料，降低了生产成本，提高了产品性能的稳定性，降低了开裂、条纹等缺陷。
6、从文献资料检索结果和生产实践经验来看，现有铸轧技术生产的铝合金薄板仍然存在以下问题：(1)铝合金薄板的强度普遍较低，塑性较差，深冲成型时容易开裂，导致冲压铝制品的合格率低。(2)由于铸轧铝板坯存在组织成分不均匀，导致铝合金薄板性能各向异性，冲压制耳率高，降低了制品的质量和成品率。(3)制备工艺流程仍然较长，工序仍然偏多，为了获得高洁净产品，需要多次喷吹精炼，增加铝液的氧化烧损和生产成本。因此，现有铝合金薄板及其制备方法仍有待改进和发展。
技术实现思路
1、针对背景技术中提到的问题与不足，本发明提供一种优异深冲性能的铝合金薄板及其制备方法，通过科学设计铝合金的成分组成，优化铝合金液的除气除渣工艺和采用高能超声波辅助铸轧，提高铸轧铝板坯的洁净度和组织成分均匀性，缩短生产工艺流程，提高铝合金薄板的强度、塑性和组织性能均匀性，避免深冲成型时的开裂，降低制耳率，解决背景技术中提到的问题与不足。
2、本发明实现上述目的采取的技术方案如下：
3、本发明第一方面提供了一种优异深冲性能的铝合金薄板，其特点是，所述铝合金薄板由以下质量百分比的成分组成：mn 1.0-1.5％，mg 0.8-1.3％，si 0.1-0.2％，fe 0.1-0.2％，余量为al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。
4、其中，mn和mg是铝合金薄板的主要强化元素，mn和mg既可以通过固溶强化增强铝合金薄板的强度，mn还可形成mnal6粒子通过弥散强化增强铝合金薄板的强度。mn含量低于1.0％或者mg含量低于0.8％，都会导致铝合金薄板的强度不足。mn和mg的含量越高，铝合金薄板的强度也越高。但mn和mg的含量过高，也会降低铝合金薄板的塑性。因此，作为优选地，mn含量为1.0-1.5％，mg含量为0.8-1.3％。
5、si和fe是铝合金薄板中不可避免的杂质元素，主要来自于铝锭和熔炼工具。铝合金薄板中含有少了的si和fe，si和fe可以增强铝合金薄板的强度。但si和fe在铝合金薄板中容易形成粗大的金属间化合物，不仅会降低铝合金薄板的强度、塑性和耐腐蚀性能，还会导致铝合金薄板深冲成型时开裂，因此，对铝合金薄板中的si和fe含量要严格限制，优选地，si含量为0.1-0.2％，fe含量为0.1-0.2％。
6、本发明第二方面提供了一种优异深冲性能的铝合金薄板的制备方法，其特点是，依次包括以下步骤：
7、步骤一：按铝合金薄板的成分组成及质量百分比熔炼配制铝合金液；
8、步骤二：采用氩气和粉末精炼剂对炉内铝合金液进行喷吹精炼除气除杂处理；
9、步骤三：将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气箱和过滤箱进行在线除气过滤处理；
10、步骤四：在超声波的作用下将铝合金液连续铸轧成铝合金板坯卷ⅰ；
11、步骤五：对铝合金板坯卷ⅰ进行高温均质处理和大变形量冷轧，得到铝合金板坯卷ⅱ；
12、步骤六：对铝合金板坯卷ⅱ进行高温退火处理和中变形量冷轧，得到铝合金板坯卷ⅲ；
13、步骤七：对铝合金板坯卷ⅲ进行再结晶退火和多道次小变形量冷轧，得到铝合金薄板卷；
14、步骤八：对铝合金薄板卷进行精整切边和成品退火，得到所述优异深冲性能的铝合金薄板。
15、进一步地，步骤一中所述熔炼配制铝合金液采用的熔铝炉为蓄热式燃气熔铝炉，加热熔化温度为720-740℃。熔铝炉除了蓄热式燃气熔铝炉，还可以是电阻式熔铝炉或电磁感应熔铝炉。由于蓄热式燃气熔铝炉具有高效节能的优点，有利于降低生产成本，因此，优选蓄热式燃气熔铝炉熔炼配制铝合金液。加热熔化温度不宜低于720℃，否则会导致铝锭熔化速度慢，影响生产效率。加热熔化温度也不宜高于740℃，否者会加剧铝锭和铝合金液的氧化烧损，同样也会增加生产成本。
16、进一步地，步骤二中所述氩气的纯度≥99.99％，粉末精炼剂的用量为铝合金液重量的0.1-0.2％，喷吹精炼时间为10-20分钟。
17、在熔炼配制铝合金液时不可避免的带入水汽和氧化铝等夹杂物，导致铝合金液吸氢和夹杂。如果不对铝合金液中氢气和夹杂物进行清除，氢气和夹杂物将最终遗留在铝合金薄板中形成气孔、疏松等缺陷，不仅会严重降低铝合金薄板的强度和塑性，还会造成铝制品表面鼓泡和冲压成型时开裂。因此，为了提高铝合金薄板的强度和塑性，消除开裂等缺陷，必须对铝合金液进行除气除渣净化处理。
18、所述喷吹精炼是采用喷粉罐和金属管，利用氩气为载体，将粉末精炼剂喷吹进入铝合金液中，使精炼剂与铝合金液充分接触反应，然后将铝合金液中的夹杂物和氢气带出铝合金液。喷吹精炼的除气除渣效果与氩气的纯度、精炼剂的用量和喷吹精炼时间有关。氩气的纯度越高，喷吹精炼效果也越高，但相应的也会增加生产成本。喷吹精炼时间不能太短，精炼剂的用量也不能太少，否者达不到除气除渣效果。喷吹精炼时间也不能太长，否者会增加铝合金液的氧化烧损。精炼剂的用量也不能太多，否者会导致铝合金液中碱金属含量超标。喷吹精炼完成和扒去铝合金液表面的浮渣后，应及时在铝合金液表面撒上覆盖剂，以避免铝合金液的氧化烧损和重新吸气。
19、进一步地，步骤二中所述粉末精炼剂由以下质量百分比的成分组成：nacl35.12％，naf 19.84％，ticl3 16.51％，srso4 10.06％，kpo311.45％，na2b4o7 7.02％，粉末精炼剂的制备方法依次包括以下步骤：
20、(1)按精炼剂的成分组成及质量百分比，选用纯度≥99.8％的nacl、naf、ticl3、srso4、kpo3、na2b4o7为原材料进行配料；(2)将配料加入到温度70℃的水中搅拌溶解成水溶液，水与配料的质量比为1.2，然后加热至100℃蒸发水溶液，得到固体结晶物；(3)将固体结晶物破碎成粒径小于2毫米的粉末，将粉末在160℃烘干脱水4小时，得到所述精炼剂。
21、喷吹精炼的除气除渣效果与精炼剂的成分组成和制备方法密切相关。现有精炼剂主要以氟盐和氯盐为主，经破碎后直接混合得到，精炼剂的组成物之间互相独立存在，导致精炼剂的熔点高，除气除杂效率低。为了获得高洁净的铝合金液，需要对铝合金液多次喷吹精炼剂，不仅增加了生产工序，还增加了铝合金液的氧化烧损，导致铝合金液中碱金属超标，降低了铝合金薄板的表面光泽度、力学性能和耐腐蚀性能。另外，现有精炼剂的功能单一，不具有细化变质功能，必须单独添加细化剂和变质剂，从而增加铝合金薄板的生产工序和成本。
22、针对现有精炼剂存在的问题与不足，本发明研制了高效多功能粉末精炼剂，采用溶液蒸发法制备精炼剂，使组成物之间重新凝固再结晶形成具有更低熔点的共晶体，譬如，nacl的熔点通常为801℃，naf的熔点通常为993℃，当二者形成nacl·naf共晶体后，熔点降为698℃，从而大幅降低精炼剂的熔点，使精炼剂更容易熔解于铝合金液，增强精炼剂的除气除渣效果。其中，nacl通过与铝合金液反应生成沸点仅为180℃的alcl3，alcl3气泡在上浮过程中通过吸附和捕获夹杂物和氢气一起逸出铝合金液，起到除气除渣作用。naf熔盐可以破坏氧化铝膜，使氧化铝等夹杂物溶入熔盐中，提高夹杂物与铝合金液之间的表面张力，促进氧化铝等夹杂物与铝合金液的分离，增强精炼剂的除渣功能。ticl3与铝合金液反应生成的ti元素直接进入铝合金液，可以细化铸轧铝板坯的晶粒，提高铸轧铝板坯的塑性和组织成分均匀性，避免额外添加细化剂而增加生产成本。生成的alcl3气泡在上浮过程中还能吸附捕获铝合金液中的夹杂物和氢气，增强精炼剂的除气除渣效果。srso4、kpo3与铝合金液反应生成的sr、p元素进入铝合金液，可以细化变质si相，消除粗大si相对强度和塑性的损害，提高铝合金薄板的强度和塑性，反应得到的so2气泡在上浮过程中还能吸附捕获铝合金液中的夹杂物和氢气，增强精炼剂的除气除渣能力。na2b4o7通过与铝合金液反应生成b元素进入铝合金液，可细化变质富fe相，消除粗大富fe相对强度和塑性的损害，提高铝合金薄板的强度和塑性。
23、进一步地，步骤三中所述除气箱内通入的除气介质是由纯度≥99.99％的氩气、六氟化硫和一氧化碳组成的混合气体，混合气体中六氟化硫的体积百分比为9-11％，一氧化碳的体积百分比为3-5％。
24、经过炉内精炼剂喷吹精炼后，铝合金液的气渣含量已大幅降低，但铝合金液中仍然含有气和渣，原因是精炼剂喷吹精炼又重新带入氯盐和氟盐等夹杂物。另外，精炼剂喷吹精炼虽然也有除氢作用，但除氢效果有限，原因是精炼剂中不可避免地含有水分，在喷吹精炼时又会带入水分，使铝合金液重新吸氢，使精炼剂喷吹精炼的除氢始终处于一个动态平衡过程，通常精炼剂喷吹精炼很难将铝合金液的含氢量降低到0.1ml/100gal以下。因此，为了获得高洁净的铝合金液，还必须进行炉外在线除气过滤处理。
25、现有除气箱除气技术中，除气箱内通入的除气介质通常是惰性气体氮气或氩气，或者惰性气体和氯气的混合气体，由于氮气、氩气和氯气的相对分子质量小，气体的密度小，其中，氮气的相对分子质量为28.01，密度为1.25kg/m3。氩气的相对分子质量为39.94，密度为1.78kg/m3。氯气的相对分子质量为70.91，密度为3.21kg/m3。导致气泡在铝合金液中的上浮速度较快，气泡与铝合金液的接触时间较短，这极大影响了除气箱的除气效果。另外，虽然氯气的相对密度较大，但氯气属于有强烈刺激性气味的有毒气体，不仅会严重腐蚀设备，还会造成环境污染。
26、针对现有除气箱除气技术存在的问题与不足，为了提高除气箱的除气效果，本发明创造性地在除气箱通入的除气介质是由纯度≥99.99％的氩气、六氟化硫和一氧化碳组成的混合气体，其中，六氟化硫是一种高密度、高稳定性的气体，并且六氟化硫无毒性，不燃烧也不具有腐蚀性，六氟化硫的相对分子质量为146.05，密度为6.5kg/m3，在混合气体中加入体积百分比为9-11％的六氟化硫，可显著减缓气泡在铝合金液中的上浮速度，增加气泡与铝合金液的接触时间，使气泡能够捕获吸附更多的氢气和夹杂物，从而提高除气箱的除气效果。在混合气体中加入体积百分比为3-5％的一氧化碳，目的是使一氧化碳夺取铝合金液中的氧，使之形成二氧化碳，避免氧再度与铝在气泡表面形成氧化铝膜，增强气泡捕获吸附氢和夹杂物的能力，提高除气效果，通过混合气体精炼，可将铝合金液的含氢量降低至0.1ml/100gal以下，大幅提高铝合金液的洁净度。
27、进一步地，步骤三中所述除气箱内的石墨转子的转速为400-500转/分钟，混合气体的流量为4-5立方米/小时，混合气体的压力为0.2-0.3mpa。
28、除气箱除气是将铝合金液流过除气箱，利用除气箱内高速旋转的石墨转子将混合气体剪切破碎成细小、均匀的气泡，利用氢在铝合金液与气泡间的分压差，使铝合金液中的氢原子不断扩散到气泡内，然后气泡沿螺旋状轨迹上浮逸出铝合金液。除气箱的除气效果还与石墨转子的转速、混合气体的流量和压力有关。石墨转子的转速不能太低，否则无法剪切破碎气泡，但转速也不能太高，否者容易造成铝业飞溅。混合气体的流量不能太低，压力不能太小，否者气泡数量太少，但流量也不用太多，压力不用太高，否者也会增加生产成本和导致铝合金液飞溅太严重。
29、进一步地，步骤三中所述过滤箱为管式过滤箱。管式过滤箱的过滤介质是陶瓷过滤管，陶瓷过滤管是由粒径细小的氮化硅陶瓷颗粒与粘结剂高温烧结而成，内部有大量曲折的孔隙，当铝合金液流过陶瓷过滤管时，夹杂物被吸附或阻挡在陶瓷过滤管的表面和孔隙内壁上，达到过滤除杂作用。陶瓷过滤管的热强度高，抗热冲击、热侵蚀能力强，过滤量大，过滤效率高。管式过滤箱的结构和使用方法有公开文献资料可查，在此不再赘叙。管式过滤属于高精度过滤，经管式过滤后铝合金液中5μm以上夹杂物的去除率可达到98％以上，铝合金液中的渣含量可降低到0.05mm2/kg，从而大幅度提高铝合金液的洁净度，消除夹杂物对铝合金薄板强度和塑性的损害，提高铝合金薄板的强度和塑性。
30、进一步地，步骤四中所述超声波的频率为40-50khz，超声波的功率为15-20kw，铝合金液温度为700-710℃，铸轧速度为700-800毫米/分钟，铝合金板坯卷ⅰ的厚度为5.5-6.5毫米。
31、铝合金薄板的生产对铸轧铝板坯组织成分的均匀性要求较高。铸轧是通过前箱铸嘴将铝合金液直接注入铸轧机的两个铸轧辊缝，在铸轧辊的冷却和压力作用冷却凝固成铝板坯。常规铸轧条件下，由于铝合金液非平衡凝固，会导致铸轧铝板坯的晶粒粗大，铝板坯横截面上成分产生偏析，导致组织成分不均匀，而晶粒粗大和成分不均都会降低铝合金薄板强度和塑性，并是铝合金薄板产生严重的性能各项异性。
32、针对现有铸轧技术存在的问题与不足，本发明采取在超声波作用下进行铸轧，将超声波的探头是设置在铸轧机的前箱铝合金液中，通过超声波的振动和声空化效应，提高铸轧区铝合金液的温度均匀性，增加晶粒异质形核数量，避免铝合金液的成分产生偏析，从而有效细化铸轧铝合金板坯的晶粒，提高铸轧铝合金板坯的成分均匀性。为了有效发挥超声波的作用，满足铝合金薄板对铸轧铝板坯的要求，超声波的频率不能低于40khz，超声波的功率不能低于15kw，否则无法获得晶粒足够细小和成分足够均匀的铸轧铝合金板坯。另外，铝合金板坯的厚度不能低于5.5毫米，否者后续铝合金薄板轧制过程中无法获得足够的变形量。但铝合金板坯的厚度也不能太厚，否则会增加后续铝合金板坯的冷轧和退火的次数。
33、进一步地，步骤五中所述高温均质的温度为560-570℃，高温均质的时间为12-14小时，所述大变形量冷轧的变形量为54.5-76.9％，所述铝合金板卷ⅱ的厚度为1.5-2.5毫米。
34、进一步地，步骤六中所述高温退火的温度为500-510℃，高温退火的时间为10-12小时，所述中变形量冷轧的变形量为40-50％，所述铝合金板坯卷ⅲ的厚度为0.75-1.5毫米。
35、进一步地，步骤七中所述再结晶退火的温度为220-230℃，再结晶退火的时间为5-6小时，每道次所述小变形量冷轧的变形量不超过20％，所述铝合金薄板卷的厚度为0.1-1毫米。
36、进一步地，步骤八中所述对铝合金薄板卷进行成品退火的温度为180-190℃，退火时间为3-4小时。
37、铸轧铝合金板坯必须经过高温均质处理、多道次的冷轧变形和退火后才能获得最终的铝合金薄板。而均匀化、冷轧和退火工艺的控制对于获得优异深冲性能的铝合金薄板至关重要，需要合理分配各道次冷轧的变形量，同时严格控制高温均质、高温退火、再结晶退火和成品退火的温度。各道次冷轧的变形量和温度如果不合理，不仅会导致铝合金板坯和薄板产生开裂，还无法得到优异深冲性能的的铝合金薄板。
38、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
39、(1)本发明通过科学设计铝合金薄板的成分组成及质量百分比，并通过采用高效多功能的再结晶型粉末精炼剂进行炉内喷吹精炼、混合气体除气箱在线除气和陶瓷管管式过滤，大幅降低铝合金液的气渣含量，使铝合金液的含氢量降低至0.1ml/100gal以下，夹杂物含量降低至0.05mm2/kgal以下，通过大幅提高铝合金液的洁净度，消除了气孔和夹杂物对铝合金薄板强度和塑性的危害，提高了铝合金薄板的强度和塑性，避免铝合金薄板深冲成型时开裂，提高冲压铝制品的合格率。
40、(2)本发明通过超声波辅助铸轧，细化了铸轧铝合金板坯的晶粒，提高了铸轧铝合金板坯的组织成分均匀性，有利于降低铝合金薄板的性能各向异性和铝合金薄板的冲压制耳率。
41、(3)本发明大幅缩短了铝合金薄板的工艺流程，减少了炉内精炼和炉外在线除气过滤以及冷轧变形的工序，提高了铝合金薄板的生产效率，有利于降低铝合金薄板的生产成本。
42、(4)采用本发明技术方案制备的铝合金薄板的抗拉强度高于200mpa，断后伸长率大于20％，与现有技术生产的同类铝合金薄板相比，本发明制备的铝合金薄板的抗拉强度提高了5％以上，塑性提高了25％以上。
1.一种优异深冲性能的铝合金薄板，其特征在于，所述铝合金薄板由以下质量百分比的成分组成：mn 1.0-1.5％，mg 0.8-1.3％，si0.1-0.2％，fe 0.1-0.2％，余量为al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。
2.一种优异深冲性能的铝合金薄板的制备方法，用于制备如权利要求1所述优异深冲性能的铝合金薄板，其特征在于，依次包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述优异深冲性能的铝合金薄板的制备方法，其特征在于，步骤一中所述熔炼配制铝合金液采用的熔铝炉为蓄热式燃气熔铝炉，加热熔化温度为720-740℃。
4.根据权利要求2所述优异深冲性能的铝合金薄板的制备方法，其特征在于，步骤二中所述氩气的纯度≥99.99％，粉末精炼剂的用量为铝合金液重量的0.1-0.2％，喷吹精炼时间为10-20分钟，所述粉末精炼剂由以下质量百分比的成分组成：nacl 35.12％，naf19.84％，ticl3 16.51％，srso4 10.06％，kpo3 11.45％，na2b4o7 7.02％，粉末精炼剂的制备方法依次包括以下步骤：(1)按精炼剂的成分组成及质量百分比，选用纯度≥99.8％的nacl、naf、ticl3、srso4、kpo3、na2b4o7为原材料进行配料；(2)将配料加入到温度70℃的水中搅拌溶解成水溶液，水与配料的质量比为1.2，然后加热至100℃蒸发水溶液，得到固体结晶物；(3)将固体结晶物破碎成粒径小于2毫米的粉末，将粉末在160℃烘干脱水4小时，得到所述精炼剂。
5.根据权利要求2所述优异深冲性能的铝合金薄板的制备方法，其特征在于，步骤三中所述除气箱内通入的除气介质是由纯度≥99.99％的氩气、六氟化硫和一氧化碳组成的混合气体，混合气体中六氟化硫的体积百分比为9-11％，一氧化碳的体积百分比为3-5％，除气箱内的石墨转子的转速为400-500转/分钟，混合气体的流量为4-5立方米/小时，混合气体的压力为0.2-0.3mpa。
6.根据权利要求2所述优异深冲性能的铝合金薄板的制备方法，其特征在于，步骤四中所述超声波的频率为40-50khz，超声波的功率为15-20kw，铝合金液温度为700-710℃，铸轧速度为700-800毫米/分钟，铝合金板坯卷ⅰ的厚度为5.5-6.5毫米。
7.根据权利要求2所述优异深冲性能的铝合金薄板的制备方法，其特征在于，步骤五中所述高温均质的温度为560-570℃，高温均质的时间为12-14小时，所述大变形量冷轧的变形量为54.5-76.9％，所述铝合金板卷ⅱ的厚度为1.5-2.5毫米。
8.根据权利要求2所述优异深冲性能的铝合金薄板的制备方法，其特征在于，步骤六中所述高温退火的温度为500-510℃，高温退火的时间为10-12小时，所述中变形量冷轧的变形量为40-50％，所述铝合金板坯卷ⅲ的厚度为0.75-1.5毫米。
9.根据权利要求2所述优异深冲性能的铝合金薄板的制备方法，其特征在于，步骤七中所述再结晶退火的温度为220-230℃，再结晶退火的时间为5-6小时，每道次所述小变形量冷轧的变形量不超过20％，所述铝合金薄板卷的厚度为0.1-1毫米。
10.根据权利要求2所述优异深冲性能的铝合金薄板的制备方法，其特征在于，步骤八中所述对铝合金薄板卷进行成品退火的温度为180-190℃，退火时间为3-4小时。
