一種新型6×××系汽車車身板均熱加熱分離方案的工藝研究

陳志強(qiáng)

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

近年來，能源的缺乏和環(huán)境污染已經(jīng)成為影響汽車行業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要因素。各汽車生產(chǎn)廠商也從各個方面做出改進(jìn)以提高競爭能力，如：汽車輕量化、優(yōu)化傳動系統(tǒng)技術(shù)、進(jìn)行空氣動力學(xué)的研究等等。其中，汽車輕量化是提高燃油經(jīng)濟(jì)性以及降低排放的有效手段。有數(shù)據(jù)表明[1]：汽車自重每降低100 kg，油耗就可以減少0.7 L/km。與汽車用鋼鐵材料相比，鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度較高、彈性好、抗沖擊性能好和相當(dāng)高的再回收率、再生率等一系列優(yōu)良特征，因此受到了人們的普遍關(guān)注?？蔁崽幚韽?qiáng)化的6×××系鋁合金由于其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、沖壓成形性能以及抗腐蝕性能，是目前汽車輕量化的理想材料。

目前北美使用強(qiáng)度較高的AA6111鋁合金以及耐蝕性、烘烤硬化性較好的AA6022鋁合金，而歐洲使用成形性和耐蝕性優(yōu)良的AA6016鋁合金。美國Novelis公司基于6016合金，大幅降低了合金中的Si含量，適當(dāng)提高Cu、Fe元素含量，并微量調(diào)整了其它合金元素的含量，開發(fā)了具有極好的翻邊性能和成形性能的AA6014鋁合金[2]。而此次工業(yè)化試制的新型6×××系鋁合金T4P態(tài)板材具有較低的屈服強(qiáng)度，烘烤后合金表現(xiàn)出優(yōu)越的烤漆硬化性，屈服強(qiáng)度的增量達(dá)130 MPa。

汽車用6×××系鋁合金板帶材熱軋前一般都采用均熱加熱一體化的工藝方式。但這種處理工藝存在費工費時的缺點，不利組織生產(chǎn)?，F(xiàn)針對生產(chǎn)的批量性和各生產(chǎn)廠商的設(shè)備以及生產(chǎn)模式的不同等各種因素影響，我們開發(fā)出一種均熱、加熱分離的生產(chǎn)工藝。該處理方案可以有效解決生產(chǎn)時長時間占用鑄錠加熱爐而導(dǎo)致其它產(chǎn)品難以組爐的問題，不僅有助于小批量生產(chǎn)，更便于生產(chǎn)組織和安排。

1 工藝方案

1.1 工藝流程

汽車車身用6×××系T4P鋁合金板材的常用生產(chǎn)工藝主要為：配料→熔煉→精煉→添加晶粒細(xì)化劑→鑄造→鋸切→銑面→均熱加熱一體化→熱軋→冷軋→中間退火→冷軋→成品熱處理（預(yù)時效）→剪切。

1.2 機(jī)理分析

Mg、Si是6×××系鋁合金中最主要的合金元素，它們可構(gòu)成強(qiáng)化相Mg2Si，其Mg/Si比為1.73∶1。該合金主要通過時效過程中析出的Mg2Si的亞穩(wěn)相β″相產(chǎn)生強(qiáng)化作用，采用特定的熱處理工藝通過調(diào)控亞穩(wěn)相的種類、尺寸、形貌和分布來有效控制合金的性能。平衡態(tài)合金中隨著Mg2Si含量的增加，時效時β″相密度增大且分布更加均勻，使得合金的強(qiáng)度增加[3]。

鑄造凝固過程中，在合金晶界處會形成粗大的初生共晶組織，造成嚴(yán)重的枝晶偏析和成分偏析。非平衡凝固會產(chǎn)生不均勻的成分偏析和非平衡凝固組織效應(yīng)，從而導(dǎo)致性能不均勻、塑性差、變形抗力大及耐蝕性差。均勻化是將鑄錠加熱到接近固相線或共晶溫度，長時間保溫后冷卻到室溫，使可溶解的相完全或接近完全溶解，從而形成過飽和固溶體以及少量彌散析出的細(xì)小質(zhì)點。均勻化過程中的固態(tài)轉(zhuǎn)變主要是原子的高溫擴(kuò)散，同時伴隨第二相的粗化、溶解與析出和晶粒長大等，使組織趨于平衡[6]。

而鑄錠均熱處理（均勻化）可消除鑄造過程中不平衡凝固導(dǎo)致的枝晶偏析和非平衡相，最終使鑄態(tài)合金具有較好的化學(xué)均一性和組織均一性[4]。同時有研究表明[5]：6×××系鋁合金均熱后快速冷卻能夠有效抑制Mg2Si的析出。并且冷卻的初始溫度越高，抑制效果越好。

6×××系合金鑄錠從550℃冷卻至各溫度時的導(dǎo)電率變化見圖1。

從電導(dǎo)率變化可以推測：析出行為主要發(fā)生在200℃以上；200℃以下析出量很少，難以檢測到導(dǎo)電率的變化。

因此，為避免鑄錠在均熱后冷卻過程中Mg2Si相的析出較多，盡可能將組織保持在均熱后的狀態(tài)下，故鑄錠均熱后冷卻到200℃的冷卻時間至關(guān)重要。

1.3 試驗方案

試驗所用材料是以高純鋁、電解銅、硅石、鎂錠等合金作為原料，采用半連續(xù)鑄造法澆鑄而成。取兩塊規(guī)格為510 mm×2 000 mm×2 500 mm的鑄錠，將其切頭銑面。試驗所用鑄錠的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

兩塊鑄錠分別以均熱加熱一體化的工藝（550℃）和均熱、加熱分離（550℃+520℃）的工藝進(jìn)行處理。

方案1：均熱加熱一體化的鑄錠，保溫到一定時間后直接進(jìn)行熱軋。

方案2：均熱加熱分離方案的鑄錠在均熱后，將鑄錠橫向放置于快速冷卻塔中快速冷卻至200℃以下，冷卻工藝見表2。冷卻至室溫后，再重新裝爐加熱到要求溫度后熱軋。

同時，所有后續(xù)工序采用相同的工藝進(jìn)行。在1+1式熱粗軋+熱精軋機(jī)上軋到6.0 mm，終軋溫度為245℃；再經(jīng)過460℃/4 h中間退火，最終冷軋成1.1 mm厚的薄板。成品熱處理工藝：固溶溫度為555℃，60 s，水淬；預(yù)時效溫度為100℃，8 h。通過對比兩種工藝生產(chǎn)的材料性能差異，判斷均熱、加熱分離方案的可行性。

均熱試驗流程示意圖如圖2所示。

2 試驗結(jié)果

由于鑄錠在冷卻過程中，風(fēng)機(jī)循環(huán)每20 min換向一次，所以每20 min鑄錠兩側(cè)的溫度會存在一定的升高和降低。但鑄錠從開始冷卻約2 h后，整體溫度已達(dá)到200℃以下；冷卻3 h后，整體溫度已達(dá)到50℃以下。鑄錠降溫過程曲線如圖3所示。

所有后續(xù)工序采用相同的工藝進(jìn)行，并對成品板材進(jìn)行相關(guān)檢測。方案1和方案2的高倍（50倍）金相組織分別如圖4、圖5所示。力學(xué)性能拉伸試樣采用橫向定標(biāo)距試樣，標(biāo)距50 mm。室溫力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3。

表3 室溫力學(xué)性能檢測結(jié)果

兩種工藝方案從成品組織上看，沒有明顯區(qū)別；從二者的初始及停放性能對比可以看出，兩種工藝方案制備出的T4P板材性能相當(dāng)。

經(jīng)2%的預(yù)拉伸變形和未經(jīng)預(yù)拉伸的板材試樣在185℃模擬烘烤20 min后的室溫拉伸力學(xué)性能見表4。

表4 模擬烘烤性能檢測結(jié)果

3 結(jié)論

（1）均熱加熱分離工藝制備的該6×××系T4P態(tài)板材與均熱加熱一體化工藝制備的板材性能相當(dāng)。

（2）均勻化后冷卻過程中析出行為主要發(fā)生在200℃以上。因此，控制其冷卻到200℃的冷卻時間至關(guān)重要。

（3）如果將鑄錠于550℃均勻化退火后冷卻到200℃的時間控制在2 h內(nèi)，均熱加熱分離工藝可以替代均熱加熱一體化工藝。

（4）均熱加熱分離的工藝能有效避免一體化工藝的加熱時間過長，有助于小批量生產(chǎn)。