汽車(chē)覆蓋件用6xxx系鋁合金板材的研究、產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張 琪

(中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)有限公司 鋁加工事業(yè)部，北京 100082)

近20年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)得到了快速發(fā)展，2018年，中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量約2800萬(wàn)輛，占全球產(chǎn)銷(xiāo)量的30%左右。汽車(chē)尾氣排放已成為我國(guó)城市空氣污染的主要來(lái)源。輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排的直接手段，同時(shí)輕量化對(duì)于提高汽車(chē)操控性能，減少制動(dòng)距離和加速時(shí)間，提高電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航能力等均具有明顯的效果[1]。因此輕量化已成為汽車(chē)主機(jī)廠重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)方向。汽車(chē)車(chē)身及覆蓋件占汽車(chē)總重量的20%～30%，如果采用鋁合金板材替代傳統(tǒng)的鋼板制造車(chē)身結(jié)構(gòu)件和覆蓋件內(nèi)外板，減重效果可達(dá)到40%～50%[2-4]。

汽車(chē)車(chē)身及覆蓋件用鋁合金板材(簡(jiǎn)稱(chēng)“鋁合金汽車(chē)板”)主要為5xxx系和6xxx系。5xxx系主要用于覆蓋件內(nèi)板和結(jié)構(gòu)件，6xxx系主要用于覆蓋件外板及部分結(jié)構(gòu)件。用于覆蓋件的6xxx系汽車(chē)板典型要求，一是在供貨及存放期間具有較低、且穩(wěn)定的屈服強(qiáng)度，以保證沖壓時(shí)具有較好的成形性能和一致性[5]；二是沖壓后表面具有較高的表面質(zhì)量，無(wú)變形條紋等缺陷；三是沖壓成形后覆蓋件一般要進(jìn)行涂漆烘烤，汽車(chē)車(chē)身板的涂裝烘烤一般包括一系列的油漆固化過(guò)程，主要包括電泳涂裝、中涂層烘烤和面漆烘烤，實(shí)驗(yàn)研究中，一般采用2%預(yù)變形后再進(jìn)行185℃/20min的熱處理，來(lái)模擬實(shí)際烤漆過(guò)程。汽車(chē)主機(jī)廠希望鋁制覆蓋件經(jīng)過(guò)烤漆后，強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)快速、大幅度增加，即具有較快的烤漆響應(yīng)速率和較高的烤漆硬化增量。以上性能要求與6xxx系板材的成分、晶粒、析出相、織構(gòu)、表面質(zhì)量等均有密切關(guān)系。

本文綜述了目前6xxx系合金汽車(chē)板研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，以期對(duì)推動(dòng)我國(guó)鋁合金汽車(chē)板開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程、提升我國(guó)汽車(chē)輕量化水平提供參考。

1 6xxx系汽車(chē)板的研究現(xiàn)狀

目前6xxx系汽車(chē)板的研究主要集中在如何實(shí)現(xiàn)快速時(shí)效響應(yīng)和較高的烤漆強(qiáng)度增量方面，而實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的重要手段是通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)和固溶預(yù)時(shí)效處理。

1.1 成分設(shè)計(jì)

6xxx系汽車(chē)板主要合金元素是Mg和Si，此外還含有Cu、Fe、Mn、Cr等微合金及雜質(zhì)元素，Mg2Si相是其主要強(qiáng)化相。圖1給出了目前常用6xxx系汽車(chē)板的Mg、Si成分范圍，可以看出，為提高烘烤時(shí)的時(shí)效響應(yīng)速率，6xxx系汽車(chē)板的成分范圍一般位于Mg2Si平衡線的右側(cè)，即Si含量處于過(guò)剩狀態(tài)。

目前普遍認(rèn)為，Cu元素添加可以使Al-Mg-Si系合金時(shí)效相應(yīng)加速，峰值時(shí)效強(qiáng)度提高，并降低自然時(shí)效的影響。但關(guān)于Al-Mg-Si-Cu系的時(shí)效析出強(qiáng)化機(jī)制，至今仍存在一定爭(zhēng)議，因?yàn)镸g/Si比和Cu含量均會(huì)對(duì)時(shí)效析出序列產(chǎn)生影響。一般認(rèn)為，Al-Mg-Si-Cu系合金會(huì)形成一種四元Q相(Mg12-xSi7Cu2Alx，1≤x≤4)，而Q相和傳統(tǒng)6xxx系合金的析出相β相(Mg2Si)在析出時(shí)，一方面存在互相競(jìng)爭(zhēng)，另一方面也可以互為形核點(diǎn)，促進(jìn)析出[6]。李海等人[7]的研究表明，AlMgSiCu合金的時(shí)效硬度明顯高于AlMgSi合金，且時(shí)效硬化速率也明顯加快，這與Cu的添加降低析出激活能密切相關(guān)。

Mn和Cr的作用主要是減弱合金中Fe元素的影響[8]。Mn和Cr均能夠促進(jìn)均勻化過(guò)程中Al5FeSi型結(jié)晶相向Al8Fe2Si型結(jié)晶相的轉(zhuǎn)變。Al5FeSi型結(jié)晶相屬單斜晶系，在基體中易造成局部應(yīng)力集中，形成裂紋，降低材料的塑性[8]。此外，Mn和Cr還能起到抑制變形晶粒在固溶處理時(shí)發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大的作用[9]。

最近，為了進(jìn)一步提高6xxx系汽車(chē)板的烤漆硬化性能，研究者提出在6xxx系合金中添加Zn元素。李勇等人[10，11]研究了Al-0.93Mg-0.78Si-0.2Cu合金中添加3%的Zn元素后的時(shí)效析出行為，結(jié)果表明，溶質(zhì)元素Zn的添加導(dǎo)致Mg-Si原子團(tuán)簇的形核與長(zhǎng)大行為與常規(guī)Al-Mg-Si系合金存在較大差異，這主要是由于Zn與淬火空位有比較高的結(jié)合能，淬火后Zn可以與空位結(jié)合，作為Mg-Si原子團(tuán)簇的形核點(diǎn)而加快合金的時(shí)效響應(yīng)(圖2)，使合金烤漆硬化增量得到大幅度提高。

1.2 固溶與預(yù)時(shí)效

鋁合金的固溶溫度原則上根據(jù)相圖中低熔點(diǎn)相共晶溫度和合金的溶解度曲線來(lái)確定。6xxx系鋁合金的固溶溫度一般為500℃～570℃，合金的固溶時(shí)間應(yīng)該保證析出相能夠充分溶解到基體中[12]。合金固溶后，晶內(nèi)的Mg2Si以及部分Q相溶解到基體中，同時(shí)，變形晶粒發(fā)生再結(jié)晶，形成等軸狀晶粒。合金固溶處理后必須立即進(jìn)行淬火形成過(guò)飽和固溶體，以防止強(qiáng)化相析出，其中淬火速率將會(huì)對(duì)時(shí)效態(tài)的性能產(chǎn)生重要影響[13]。對(duì)于6xxx系鋁合金，一般采用快速的水淬，以最大限度的提高合金的時(shí)效強(qiáng)化能力。

6xxx系汽車(chē)板在固溶處理后通常需要在室溫下儲(chǔ)存一段時(shí)間才能進(jìn)行沖壓成形。如果對(duì)淬火后的板材不進(jìn)行預(yù)處理，將導(dǎo)致在自然存放過(guò)程中Mg、Si原子團(tuán)簇的聚集，形成團(tuán)簇，使屈服強(qiáng)度不斷上升，一方面導(dǎo)致成形性降低，另一方面導(dǎo)致烘烤后強(qiáng)度提升幅度降低[14，15]。如6111-T4態(tài)板材，在185℃/20min烘烤后，強(qiáng)度僅提升20MPa[16]。工藝上一般采用預(yù)時(shí)效處理，來(lái)抑制或緩解自然時(shí)效，同時(shí)提升烘烤后的屈服強(qiáng)度增量。

研究表明[17，18]，6xxx系汽車(chē)板固溶后進(jìn)行高于100℃預(yù)時(shí)效時(shí)，合金中Mg和Si原子會(huì)聚集形成一種原子團(tuán)簇，這種團(tuán)簇與自然時(shí)效形成的原子團(tuán)簇相比，強(qiáng)化效果較弱，但可以充當(dāng)烘烤硬化時(shí)主要強(qiáng)化相β″的形核點(diǎn)。此外，預(yù)時(shí)效形成這種團(tuán)簇能降低基體的過(guò)飽和度，抑制室溫停放時(shí)的團(tuán)簇形成，從而減緩室溫停放時(shí)強(qiáng)度的上升，使合金獲得較低的屈服強(qiáng)度和較高的性能穩(wěn)定性。同時(shí)在后續(xù)的烘烤硬化時(shí)，預(yù)時(shí)效形成的團(tuán)簇能夠很容易轉(zhuǎn)化成β″，提高β″析出數(shù)量，使合金獲得較高的烘烤硬化強(qiáng)度。定量研究結(jié)果表明，固溶后進(jìn)行140℃～180℃，小于10min的預(yù)時(shí)效，對(duì)于6xxx系汽車(chē)板的烘烤硬化效果最為有利[19]；同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)合金進(jìn)行70℃～90℃低溫預(yù)時(shí)效時(shí)，需要進(jìn)行6h～8h的處理才能達(dá)到類(lèi)似效果。在工業(yè)生產(chǎn)中，由于低溫長(zhǎng)時(shí)間更容易控制，成卷的板材加熱和冷卻均需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此低溫長(zhǎng)時(shí)間預(yù)時(shí)效工藝在工業(yè)生產(chǎn)中采用的較多。

2 6xxx系汽車(chē)板的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

2.1 汽車(chē)企業(yè)對(duì)6xxx系汽車(chē)板的要求

與研究者關(guān)注點(diǎn)不同，汽車(chē)企業(yè)除對(duì)6xxx系汽車(chē)板的性能室溫穩(wěn)定性、烘烤硬化性能等關(guān)注外，對(duì)鋁板的尺寸精度、表面性能以及成形、連接、表面處理等應(yīng)用性能等均有較高的要求。目前，汽車(chē)企業(yè)一般根據(jù)應(yīng)用部位不同，將6xxx汽車(chē)板分為標(biāo)準(zhǔn)型(S)、高強(qiáng)型(HS)、增強(qiáng)烘烤硬化型(IBR)、增強(qiáng)翻邊性能型(IH)等類(lèi)型。表1給出了某汽車(chē)廠商對(duì)不同類(lèi)型6xxx板材典型力學(xué)性能的要求，同時(shí)也代表了大多數(shù)汽車(chē)廠商的要求。

對(duì)于表面質(zhì)量的要求，用于覆蓋件外板的6xxx系合金要求板材在預(yù)拉伸10%后，不能出現(xiàn)明顯的漆刷線缺陷(圖3)。此外，汽車(chē)廠商還要求對(duì)6xxx系板材進(jìn)行EDT毛化處理、表面清洗、鈍化、涂油等。此外，在汽車(chē)廠對(duì)6xxx系板材進(jìn)行認(rèn)證時(shí)，還需要檢測(cè)成形極限(FLD)、交叉線腐蝕、真應(yīng)力應(yīng)變曲線、表面粗糙度、涂油量、摩擦性能、膠接性能、磷化性能、鉚接/焊接性能等指標(biāo)。

表1 某汽車(chē)廠商對(duì)不同類(lèi)型6xxx板材的典型力學(xué)性能要求

由于6xxx系汽車(chē)板對(duì)表面質(zhì)量、性能一致性、穩(wěn)定性等要求極高，目前國(guó)際上能夠批量供應(yīng)6xxx系汽車(chē)板的企業(yè)僅有諾貝麗斯、奧科寧克、愛(ài)勵(lì)、肯聯(lián)、海德魯、神戶制鋼等。國(guó)內(nèi)的西南鋁、中鋁瑞閩、忠旺、南山集團(tuán)等生產(chǎn)的6xxx系汽車(chē)板正在開(kāi)展汽車(chē)公司的認(rèn)證，部分產(chǎn)品處于小批量供貨階段。

諾貝麗斯是全球最大的鋁平軋產(chǎn)品企業(yè)，近年來(lái)先后在紐約Oswego及德國(guó)Nachterstedt、中國(guó)常州等地投資建設(shè)了5條汽車(chē)板精整熱處理線，布點(diǎn)覆蓋南美、北美、歐洲和亞洲，未來(lái)汽車(chē)板銷(xiāo)售比例將達(dá)到25%。諾貝麗斯常州工廠已建成投產(chǎn)，主要進(jìn)行汽車(chē)覆蓋件鋁材的連續(xù)退火和表面處理，設(shè)計(jì)產(chǎn)能12萬(wàn)t；目前常州工廠已經(jīng)啟動(dòng)一條新的連退線，建成后產(chǎn)能總計(jì)將達(dá)20萬(wàn)t。

從2014-2018年，諾貝麗斯不斷加強(qiáng)在汽車(chē)板生產(chǎn)和研發(fā)上的投入。雖然近年來(lái)諾貝麗斯板材總產(chǎn)銷(xiāo)量均在300萬(wàn)t左右，但汽車(chē)板的占比不斷提升。2014年汽車(chē)板占比僅9%，2018占20%，即64萬(wàn)t。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，諾貝麗斯已形成系列化汽車(chē)板產(chǎn)品。除常規(guī)的6016、6111外，還開(kāi)發(fā)了外覆蓋件、結(jié)構(gòu)件等用的AdvanzTMe600、e170、e615、c300等系列化產(chǎn)品。

奧科寧克(Arconic)是美鋁拆分的專(zhuān)注于航空航天及汽車(chē)用鋁材開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)的鋁加工企業(yè)。根據(jù)奧科寧克的報(bào)告，從2010年至2015年，汽車(chē)鋁板的銷(xiāo)售額大幅提升，2015年達(dá)到6.48億美元。2016年，汽車(chē)板的產(chǎn)銷(xiāo)量在2015年的基礎(chǔ)上增加了39%，達(dá)9億美元。2015年，奧科寧克宣布成功開(kāi)發(fā)了新一代汽車(chē)板生產(chǎn)設(shè)備及工藝“Micro-Mill”技術(shù)[20]，可極大地提升汽車(chē)車(chē)身和覆蓋件用鋁板的使用性能，同時(shí)生產(chǎn)效率大幅提高，成本大幅降低。但至今該技術(shù)未見(jiàn)大規(guī)模應(yīng)用的報(bào)道。

國(guó)內(nèi)中鋁集團(tuán)下屬的西南鋁和中鋁瑞閩也建立了完整的汽車(chē)板生產(chǎn)線，并成功開(kāi)發(fā)了6016、6014、6111等系列化汽車(chē)板產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)厚度0.8mm～3.5mm、寬度800mm～2400mm的穩(wěn)定生產(chǎn)。部分產(chǎn)品已通過(guò)或正在進(jìn)行上海通用、上汽大眾、蔚來(lái)汽車(chē)、北汽新能源、吉利、海馬等汽車(chē)公司的供貨。表2給出了西南鋁、中鋁瑞閩部分可供產(chǎn)品典型性能。此外，中鋁集團(tuán)已具備了為用戶提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型、連接及表面處理等全面應(yīng)用技術(shù)服務(wù)的能力，這將對(duì)其汽車(chē)板市場(chǎng)推廣起到較大的推動(dòng)作用。

表2 中鋁集團(tuán)下屬企業(yè)部分可供6xxx系產(chǎn)品典型性能

除中鋁下屬企業(yè)外，國(guó)內(nèi)南山鋁業(yè)、南南鋁、忠旺等企業(yè)也在加快6xxx汽車(chē)板開(kāi)發(fā)、認(rèn)證和產(chǎn)業(yè)化的步伐。未來(lái)2～3年，中國(guó)鋁加工企業(yè)有望打破國(guó)外鋁加工企業(yè)在6xxx汽車(chē)板產(chǎn)業(yè)化方面的主導(dǎo)地位，成為6xxx汽車(chē)板供應(yīng)的主要力量。

值得一提的是，為加快我國(guó)汽車(chē)用鋁板的應(yīng)用進(jìn)程，工信部2018年啟動(dòng)新能源汽車(chē)材料生產(chǎn)示范應(yīng)用平臺(tái)項(xiàng)目建設(shè)。該項(xiàng)目由一汽集團(tuán)牽頭，材料生產(chǎn)企業(yè)、零部件制造企業(yè)、分析評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)、高校及研究單位等參與。中鋁瑞閩的汽車(chē)板連續(xù)退火及表面處理生產(chǎn)線為該平臺(tái)重點(diǎn)建設(shè)的示范線。該生產(chǎn)示范應(yīng)用平臺(tái)的建設(shè)將極大加速我國(guó)6xxx系汽車(chē)鋁板在新能源汽車(chē)覆蓋件上的應(yīng)用進(jìn)程。

3 我國(guó)6xxx系汽車(chē)板產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議

盡管目前中南大學(xué)、北京科技大學(xué)、重慶大學(xué)等高校開(kāi)展了大量6xxx系汽車(chē)板的基礎(chǔ)研究，取得了大量開(kāi)創(chuàng)性的研究結(jié)果。這些研究成果與我國(guó)6xxx系汽車(chē)板的產(chǎn)業(yè)化存在一定程度的脫節(jié)，對(duì)6xxx系汽車(chē)板生產(chǎn)企業(yè)的指導(dǎo)作用有限，同時(shí)我國(guó)汽車(chē)板生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)力量相對(duì)薄弱，尚無(wú)法形成量產(chǎn)一代、試制一代、研究一代的產(chǎn)品研發(fā)格局。整體上，目前我國(guó)6xxx汽車(chē)板的產(chǎn)業(yè)化尚處于起步階段，產(chǎn)品種類(lèi)、質(zhì)量穩(wěn)定性等均有待進(jìn)一步提升。為此，筆者建議：

(1)加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)化工藝研究。明確大生產(chǎn)條件下影響各類(lèi)性能波動(dòng)的工藝和設(shè)備因素，開(kāi)展大生產(chǎn)條件下全流程微觀組織和性能模擬。

(2)豐富6xxx系汽車(chē)板產(chǎn)品種類(lèi)。除常規(guī)的6016、6014等標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品外，加快面向不同部位性能需求的、具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，滿足不同用戶的需求。

(3)加快汽車(chē)主機(jī)廠的材料認(rèn)證和產(chǎn)品推廣。目前大多數(shù)汽車(chē)主機(jī)廠對(duì)國(guó)產(chǎn)6xxx系汽車(chē)板的質(zhì)量穩(wěn)定性、供貨能力等尚存在質(zhì)疑。國(guó)內(nèi)汽車(chē)板生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加快對(duì)知名汽車(chē)主機(jī)廠的材料認(rèn)證和產(chǎn)品推廣，形成“應(yīng)用促進(jìn)生產(chǎn)，生產(chǎn)推動(dòng)應(yīng)用”的良性循環(huán)。

(4)加強(qiáng)應(yīng)用技術(shù)研究。加強(qiáng)6xxx系汽車(chē)板應(yīng)用所需的成型技術(shù)、連接技術(shù)和表面處理等應(yīng)用技術(shù)研究，為汽車(chē)主機(jī)廠提供應(yīng)用技術(shù)服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

輕量化是實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)“綠色”發(fā)展的必由之路。6xxx系汽車(chē)板是汽車(chē)輕量化用鋁的關(guān)鍵產(chǎn)品，也是目前鋁板民品應(yīng)用領(lǐng)域需求量大，技術(shù)含量、性能及精度要求、附加值均較高的產(chǎn)品之一。近幾年，國(guó)家工信部、發(fā)改委、科技部等均對(duì)鋁合金汽車(chē)板的產(chǎn)業(yè)化給予了大量支持。我國(guó)核心鋁加工企業(yè)應(yīng)主動(dòng)擔(dān)當(dāng)起6xxx系汽車(chē)板國(guó)產(chǎn)化重任，組織“產(chǎn)、學(xué)、研、用”等各方面力量，推動(dòng)我國(guó)鋁合金汽車(chē)板產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。