時(shí)效工藝對(duì)提高汽車用鋁材比強(qiáng)的影響研究

彭亞南，莫 凡，毛才文

(同濟(jì)大學(xué)，上海 201804)

0 前 言

近年來，國(guó)內(nèi)鋁擠壓行業(yè)在高速發(fā)展的同時(shí)，工業(yè)用鋁型材的市場(chǎng)份額逐年增長(zhǎng)。在此背景下，汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，其發(fā)展也正朝著輕量化、高速安全、節(jié)能環(huán)保、舒適美觀等方向火速進(jìn)行，而汽車的輕量化近年來已成為最熱門的研究方向。

新型鋁合金材料具有較為優(yōu)異的性能諸如密度小、強(qiáng)度高等，因而被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。而新型鋁合金材料又和鋼鐵不同，僅在淬火狀態(tài)下是不能達(dá)到合金強(qiáng)化的目的，剛剛淬完火的變形鋁合金材料，他的強(qiáng)度只比退火狀態(tài)稍高一點(diǎn)，而伸長(zhǎng)率卻相當(dāng)高。因此對(duì)淬火得到的新型鋁材進(jìn)行時(shí)效處理就顯得十分有必要。時(shí)效處理通常指的是將淬火所得到的過飽和固溶體置于一定的溫度下保持一定的時(shí)間使過飽和固溶體發(fā)生分解從而提高鋁合金的強(qiáng)度和硬度。研究發(fā)現(xiàn)時(shí)效制度的不同對(duì)提高鋁合金的強(qiáng)度亦不相同。因此探究時(shí)效工藝對(duì)提高汽車用新型鋁材比強(qiáng)的影響就顯得十分有必要[1-3]。

本文重點(diǎn)針對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)度鋁材在不同的時(shí)效制度下，測(cè)定其密度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及比強(qiáng)度。并對(duì)測(cè)得的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，探索出時(shí)效制度對(duì)提高汽車用鋁材比強(qiáng)的具體影響規(guī)律，為汽車行業(yè)輕量化發(fā)展提供一定的理論支撐依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)度鋁材，該鋁材的化學(xué)成分有S8-tigerX射線熒光光譜儀(德國(guó)布魯克)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果詳見表1。

表1 試樣的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)研究方法

首先鑄棒表面處理，使用在線剝皮機(jī)去除鑄棒的鑄造硬殼和表面氧化層，接著對(duì)鋁合金鑄棒進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱方式為階梯加熱，鑄棒頭部加熱到480℃，中部加熱到460℃，尾部加熱溫度為450℃，將其放入到擠壓機(jī)的擠壓筒中，擠壓筒溫度460℃。其次對(duì)鑄棒噴碳粉，將加熱后的鑄棒噴涂碳粉，緊接著模具加熱，通過遠(yuǎn)紅外加熱爐對(duì)模具均勻適速加熱，模具加熱溫度450℃～470℃。最后在線擠壓：擠壓筒內(nèi)的擠壓裝置以3～4 m/min的擠壓速度向模具進(jìn)行，對(duì)鋁合金鑄棒進(jìn)行擠壓，將鋁合金鑄棒從產(chǎn)品中的模具中擠出，形成擠壓件[4]。

將鋁合金的頭部和尾部切除，由于擠壓制品前端變形程度小，力學(xué)性能偏低，制品尾端在擠壓末期形成縮尾，所以需要切除頭部和尾部。在線風(fēng)冷：擠壓型材進(jìn)行在線強(qiáng)制風(fēng)冷，型材出?？缀螅褂脿恳龣C(jī)牽引。在給予擠壓制品一定的張力同時(shí)與其流出速度同步移動(dòng)，杜絕型材出?？缀笈潿F(xiàn)象等缺陷。牽引矯直：將擠壓成型的型材的固定在拉伸矯直機(jī)上進(jìn)行矯直，進(jìn)行形狀微調(diào)整。定尺鋸切對(duì)矯直后的型材進(jìn)行定尺鋸切，切割出符合要求的型材件。其中，選用36MN擠壓機(jī)，模具材料選用H13電渣模具鋼，鑄棒選用7A05鋁合金，直徑為305 mm，鑄錠長(zhǎng)度850 mm，擠壓比為19.6。

時(shí)效處理：對(duì)切割后的型材進(jìn)行熱處理，合金經(jīng)過擠壓在線淬火后，用電火花數(shù)控線切割機(jī)將其切割成多塊試樣，其中試樣的尺寸為200 mm×100 mm×4 mm，之后進(jìn)行不同的人工時(shí)效處理，人工時(shí)效工藝詳見表2。

表2 試樣的人工時(shí)效工藝參數(shù)

經(jīng)時(shí)效處理的試樣，在INSTRON8801材料試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在CBD型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。測(cè)試溫度為常溫(即25±1℃)。最后用電子天平測(cè)試試樣的密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)效工藝制度對(duì)新型鋁材密度的影響

密度為材料的固有屬性，一般條件下不會(huì)改變，但其也受材料形成階段的熱歷史的影響。密度可以從表觀上反映出新型鋁材內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的完整性與均勻性[5]。因而探討時(shí)效工藝制度對(duì)新型鋁材的密度的影響就顯得十分重要。試樣經(jīng)人工時(shí)效處理后，其密度詳見表3。

表3 試樣的密度

由表3可以看出當(dāng)時(shí)效時(shí)間為10 h時(shí)，試樣的密度隨著時(shí)效溫度的升高有較為明顯的升高趨勢(shì)。究其原因可能是新型鋁材的過飽和固溶體脫溶和晶格沉淀長(zhǎng)大的原因。導(dǎo)致鋁材內(nèi)部的晶格缺陷減少，晶格畸變亦少，晶體的完整度好，從而使得試樣的密度顯著上升。當(dāng)時(shí)效溫度為180℃時(shí)，試樣的密度隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢增大。原因可能是試樣在一定的溫度下，增加保溫時(shí)間，即增加了其晶體的生長(zhǎng)時(shí)間，從而使得鋁材的晶體結(jié)構(gòu)更加完整。進(jìn)而導(dǎo)致密度增加。但同樣可以看出，在180℃時(shí)，延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間其密度變化不大。

2.2 人工時(shí)效溫度對(duì)試樣拉伸性能的影響

眾所周知鋁合金的強(qiáng)化效果與時(shí)效溫度和時(shí)間有著密切的關(guān)系，在此首先探討時(shí)效溫度對(duì)新型鋁材拉伸性能的影響，相關(guān)數(shù)據(jù)詳見表4。

表4 時(shí)效溫度對(duì)試樣拉伸性能的影響

從上表可以看出提高時(shí)效溫度可以加快時(shí)效過程，其強(qiáng)化效果也很明顯，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及比強(qiáng)度均隨著時(shí)效溫度的增大而增大，當(dāng)時(shí)效溫度為180℃保溫10 h時(shí)，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及比強(qiáng)度最高，分別為401 MPa、376 MPa、148 MPa。但其伸長(zhǎng)率隨著溫度的升高而緩慢降低。當(dāng)時(shí)效溫度為180℃保溫10 h時(shí)，其伸長(zhǎng)率僅為10.2%。

2.3 人工時(shí)效時(shí)間對(duì)試樣拉伸性能的影響

在探討了時(shí)效溫度對(duì)試樣相關(guān)性能的影響后，緊接著探討采用比強(qiáng)較高的試樣3，討論時(shí)效時(shí)間對(duì)試樣拉伸性的影響。因?yàn)闀r(shí)效制度的選擇一定要時(shí)間、溫度、能耗等三者配合考慮，才能確定最佳的時(shí)效工藝制度。關(guān)于時(shí)效時(shí)間對(duì)試樣拉伸性能的影響詳見表5。

表5 時(shí)效時(shí)間對(duì)試樣拉伸性能的影響

從上表可以看出延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間對(duì)試樣的拉伸性能有一定積極的作用，但效果并不明顯。結(jié)合相關(guān)具體數(shù)據(jù)可以得出其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及比強(qiáng)度均隨著時(shí)效時(shí)間的增大而增大，當(dāng)時(shí)效溫度為180℃保溫10 h時(shí)，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及比強(qiáng)度最高，分別為401 MPa、376 MPa、148 MPa。但其伸長(zhǎng)率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。當(dāng)時(shí)效溫度為180℃保溫6 h時(shí)，其伸長(zhǎng)率僅為8.9%。

但結(jié)合能耗因數(shù)來考慮，在溫度為180℃的情況下，延長(zhǎng)保溫時(shí)間并不能顯著地提高試樣的比強(qiáng)度。故而可認(rèn)為時(shí)效溫度為180℃、保溫時(shí)間6 h這個(gè)時(shí)效工藝制度對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)度鋁材來說是最為適宜的。

3 結(jié) 論

時(shí)效工藝制度的選擇對(duì)鋁合金材料來說至關(guān)重要，能有效提高鋁材的強(qiáng)度和硬度。其組合也是多樣的。但一般考慮的主要是強(qiáng)化效果、生產(chǎn)效率以及能耗。本文對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)度鋁材時(shí)效工藝進(jìn)行詳盡的分析研究，得出以下結(jié)論。

1)該系列鋁材的密度隨著時(shí)效溫度的升高而升高。由于新型鋁材的過飽和固溶體脫溶和晶格沉淀長(zhǎng)大的原因。導(dǎo)致鋁材內(nèi)部的晶格缺陷減少，晶格畸變亦少，晶體的完整度好，從而使得試樣的密度顯著上升。當(dāng)時(shí)效溫度為180℃時(shí)，試樣的密度隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢增大。原因可能是試樣在一定的溫度下，增加保溫時(shí)間，即增加了其晶體的生長(zhǎng)時(shí)間，從而使得鋁材的晶體結(jié)構(gòu)更加完整。進(jìn)而導(dǎo)致密度增加。但同樣可以看出，在180℃時(shí)，延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間其密度變化不大。

2)提高時(shí)效溫度可以加快時(shí)效過程，其強(qiáng)化效果也很明顯，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及比強(qiáng)度均隨著時(shí)效溫度的增大而增大，而伸長(zhǎng)率則隨著溫度的升高而緩慢降低；反觀延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間發(fā)現(xiàn)對(duì)試樣的拉伸性能有一定積極的作用，但效果并不明顯，其伸長(zhǎng)率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。

3)結(jié)合能耗因數(shù)來考慮，認(rèn)為時(shí)效溫度為180℃、保溫時(shí)間6 h這個(gè)時(shí)效工藝制度對(duì)提高Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)度鋁材的比強(qiáng)度來說最為合適。