長懸臂鋁合金型材開發(fā)及應用

孫永彬

(廣東興發(fā)鋁業(yè)(河南)有限公司，河南 焦作 454591)

輕量化材料的應用是交通運輸輕量化的重要途徑之一，鋁合金材料具有質量輕、強度高、可焊性好、耐腐蝕、成本低等優(yōu)點，是目前發(fā)展交通運輸輕量化的理想材料。汽車往往承擔運輸、載重等特殊功能或任務，車體較重，具有較多的燃油消耗和尾氣排放；同時，隨著國家超限超載等法律法規(guī)的嚴格實施，運輸企業(yè)運輸成本大幅提高，因此，汽車減重已經(jīng)成為不可逆的趨勢。我國鋁合金汽車車體輕量化還處于起步階段，目前只是在油箱，踏板，車輪，護欄等零部件有所應用，汽車制造商正在增加鋁合金在汽車制造中的使用比例，通過輕量化提升燃油經(jīng)濟性，減少油耗，實現(xiàn)節(jié)能減排；而梁是汽車車體主要結構件，并且性能要求較高，因此，對汽車用橫梁鋁型材進行探索和開發(fā)具有重要意義。

1 材料選擇

橫梁鋁型材作為專用汽車的主要支撐件，呈L型(如圖1所示)，其既要承擔部分載重載荷，又要承擔橫向載荷或橫向疲勞載荷，對構件的強度和韌性均要求較高，試驗采用6061鋁合金一次近終成型，為提高合金強度，在設計合金成分配方時，適當增加Cu合金元素和Cr元素含量，同時，盡量減少Fe元素含量。試驗設計的合金化學成分如表1。

表1 6061鋁合金化學成分

配置型材合金時，采用純度為99.85%的鋁錠配置；型材擠壓完成后，進行T6熱處理，以提高型材的綜合力學性能。為觀察橫梁型材的組織，分別在L型試樣的長臂和短臂處取樣，取樣后型材制作成標準試樣進行拉伸試驗。T6熱處理后的合金試樣鋸切、打磨、拋光后，采用混合酸腐蝕，觀察試樣金相組織。

圖1 專用汽車橫梁型材示意圖

2 縱梁鋁型材試驗設備選擇

鋁合金合金熔煉采用20T矩形熔鋁爐，鑄造采用同水平熱頂鑄造機，鑄造直徑320 mm鋁合金棒；采用35T均質爐對鋁合金棒進行均質熱處理，確保均質處理后組織均勻，析出相細小。型材擠壓采用5000T大型擠壓級擠壓，擠壓過程中采用熱電偶測量鋁棒進入擠壓機溫度和型材出口溫度。擠壓完成后在時效爐內(nèi)進行人工時效處理

3 橫梁鋁型材工藝控制要點及組織性能

(1)合金熔煉時，除氣一定要徹底，一方面要通過除氣設備除掉熔體內(nèi)氣體，另一方面要控制熔體溫度，防止熔體溫度較高卷入氣體并造成晶粒粗大，通常情況下，熔體保溫溫度應不超過720℃較好。

(2)鋁棒鑄造時采用低過熱度鑄造，晶粒細化的鋁鈦硼絲嚴格控制鈦硼元素比例，試驗表明，當流槽內(nèi)溫度700℃，鋁鈦硼絲中鈦和硼含量分別為5%～5.2%、0.8%～1%時，制造的鋁棒晶粒較小且均勻，鋁棒表層偏析最薄。

(3)型材擠壓前，鋁棒加熱均勻，在鋁棒加熱爐加熱完成后，要送入感應加熱爐加熱，以減少鋁棒徑向溫差，徑向溫差過大，容易造成橫梁型材長臂和短壁性能出現(xiàn)較大偏差，表面缺陷較多，送入擠壓機前，鋁棒徑向溫差應小于10℃，為使擠壓時鋁型材質量穩(wěn)定，應對鋁棒進行及時測溫，采用紅外測溫儀測量鋁棒溫度，根據(jù)低溫高速原則，適時調(diào)整擠壓速度，確保型材模具出口溫度恒定，試驗表明，當型材出口溫度500～510℃時，型材擠出后綜合性能較好。

(4)型材擠出后淬火是橫梁鋁型材合格的關鍵，一方面，冷卻不均勻容易造成型材的變形，另一方面，冷卻強度不夠影響型材力學性能，試驗采用水霧共冷的方法冷卻，同時增大L角處的冷卻強度，減小長臂處的冷卻強度，綜合冷卻強度要達到240～260℃/min。

(5)型材擠出后要及時進行預變形和時效處理，預變形量量控制在4%～8%之間。預處理后應在4 h內(nèi)進行人工時效處理，人工時效采用雙級時效，人工時效時，爐內(nèi)溫度應均勻一致。通過上述工藝關鍵點控制及相關參數(shù)匹配，獲得的型材性能和組織如表2。

表2 鋁合金橫梁型材力學性能

(a)橫梁型材長臂部位組織 (100X) (b)橫梁型材短臂部位組織(100X)

圖2 鋁合金橫梁型材時效后的組織(T6)

由表2和圖2可以看出，通過工藝關鍵點的控制，橫梁型材強度和塑性均較好，特別是型材長臂部位，由于冷卻強度及均勻性好，其性能和組織均由于短臂部位，短臂部位由于與棚架接觸并且距型材轉角處近，溫度下降速度小于長臂部位，導致性能略低，但能滿足使用要求，后續(xù)繼續(xù)對型材冷卻方式和冷卻能力進行改進，以獲得性能更高，更均勻的型材。

4 結語

長懸臂汽車鋁合金橫梁型材的生產(chǎn)是各工藝參數(shù)和生產(chǎn)條件相互匹配的結果，參數(shù)不匹配會造成產(chǎn)品不合格，因此，通過控制生產(chǎn)工藝要點，同時匹配好相關參數(shù)，方能控制好長懸臂鋁型材的質量和成材率。