預時效工藝對汽車用6016鋁合金板時效穩(wěn)定性和烘烤響應(yīng)的影響

韓 欣，劉曉滕，王家毅，遲 蕊，呂正風

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司 國家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，山東 煙臺 265700)

在環(huán)境和能源的雙重壓力下，節(jié)能減排已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的方向。對于傳動燃油車而言，整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；對于新能源汽車而言，整車重量降低10%，電量節(jié)省4%～5%。由此可見，降低整車質(zhì)量是實現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑，而采用鋁合金材料部分替代鋼鐵材料是實現(xiàn)汽車減重的常用手段之一[1-3]，鋁合金板材在乘用車覆蓋件上的應(yīng)用就是一個典型案例，目前已經(jīng)受到全球車企的廣泛關(guān)注[4-6]。

6×××系鋁合金板材是在汽車覆蓋件上應(yīng)用較廣泛的一類產(chǎn)品，但汽車用6×××鋁合金板在放置過程中會發(fā)生自然時效，導致屈服強度、抗拉強度增加，成形性能變差，這對于沖壓工序是不利的[7]。固溶之后的預時效處理能夠抑制板材在放置過程中的自然時效進程，提高板材的時效穩(wěn)定性。同時，還有利于在烤漆過程中強度的快速提升，也就是獲得好的烘烤響應(yīng)。因此，合理的預時效工藝對汽車用6×××鋁合金板至關(guān)重要[7-8]。

本試驗以汽車用6016鋁合金薄板為研究對象，基于長時間、系統(tǒng)性的性能跟蹤，探究在室溫到100 ℃的預時效溫度下，板材放置150 d內(nèi)的T4P態(tài)的性能演變規(guī)律和烘烤響應(yīng)變化規(guī)律，進而確定具有最優(yōu)時效穩(wěn)定性和烘烤響應(yīng)性的預時效工藝，為該板材實際工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗原材料為南山鋁業(yè)公司生產(chǎn)的1 mm厚6016鋁合金冷軋板材，合金化學成分見表1。對冷軋板材進行540 ℃30 s的固溶處理(水冷)，固溶處理完成10 min時開始預時效處理，分別在室溫(25 ℃)、60 ℃、80 ℃、100 ℃的預時效溫度下保溫8 h，預時效完成后，在室溫下放置進行自然時效，在5 d、10 d、15 d、30 d、60 d、90 d、120 d、150 d分別進行T4P態(tài)的性能測試，以及2%預拉伸+185 ℃20 min的烘烤態(tài)的性能測試。拉伸試驗按照GB/T 228-2010標準，在萬能拉伸試驗機上進行。拉伸試樣與軋制方向呈90°，每組數(shù)據(jù)為3個試樣測量的平均值。

表1 6016鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of 6016 aluminum alloy(wt/%)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 預時效工藝對自然時效穩(wěn)定性的影響

圖1是經(jīng)過不同預時效工藝處理的板材在放置不同時間之后測得的T4P態(tài)的性能數(shù)據(jù)。由圖1可見，試樣T4P態(tài)的屈服強度和抗拉強度受預時效溫度影響顯著(圖1a、b)。對比不同的預時效溫度，從60 ℃增加到100 ℃的過程中，屈服強度顯著提高；室溫預時效與60 ℃預時效的屈服強度接近，而且略微高于60 ℃預時效的屈服強度。對比在5 d～150 d內(nèi)的強度變化，室溫預時效的試樣隨著放置時間的延長，屈服強度增加明顯，最低為117 N/mm2，最高為130 N/mm2，增量為13 N/mm2；60 ℃預時效的試樣同樣有明顯的屈服強度增加，最低為116 N/mm2，最高為127 N/mm2，增量為11 N/mm2；而80 ℃和100 ℃預時效的試樣屈服強度相對穩(wěn)定，時效穩(wěn)定性較好?？估瓘姸鹊淖兓厔菖c屈服強度基本一致。

不同預時效溫度下試樣T4P態(tài)的斷后伸長率也有差異(圖1c)，屈服強度低的預時效溫度對應(yīng)的斷后伸長率較高(比如室溫預時效)，而100 ℃預時效的試樣斷后伸長率最小。在放置5 d～150 d內(nèi)，斷后伸長率的變化并沒有明顯的規(guī)律性。

應(yīng)變硬化指數(shù)(n)在室溫預時效和60 ℃預時效時比較接近，而隨著預時效溫度升高到80 ℃和100 ℃，n不斷減小。在5 d～150 d的放置過程中，n沒有顯著變化。

2.2 預時效溫度和自然時效時間對烘烤響應(yīng)的影響

圖2是不同預時效工藝和放置不同時間的試樣，經(jīng)過2%預拉伸+185 ℃20 min烘烤后的性能數(shù)據(jù)。經(jīng)過預拉伸和185 ℃20 min的烘烤之后，不同預時效工藝試樣的屈服強度和抗拉強度都顯著增加。隨著預時效溫度的不同，屈服強度的增量在40 N/mm2～80 N/mm2范圍，抗拉強度的增量在5 N/mm2～35 N/mm2范圍。同時，伸長率有所減小。對比不同的預時效工藝，隨著預時效溫度從室溫升高到100℃，烘烤態(tài)的屈服強度和抗拉強度單調(diào)遞增，而伸長率近似呈單調(diào)遞減。

圖1 不同預時效溫度和自然時效時間T4P態(tài)性能對比Fig.1 T4P mechanical properties with different pre-aging temperatures and natural aging time

圖2 不同預時效溫度和自然時效時間烘烤態(tài)性能對比Fig.2 Bake-hardening-state mechanical properties with different pre-aging temperatures and natural aging time

圖3是經(jīng)過2%預拉伸+185 ℃20 min烘烤后，相比T4P態(tài)的屈服強度和抗拉強度的增量對比圖。

由圖3a可以看出，對于185 ℃20 min烘烤的試樣，在室溫到80℃范圍內(nèi)隨著預時效溫度的升高，屈服強度增量增大；預時效溫度提高到100 ℃，屈服強度增量減小。對于室溫和60 ℃預時效而言，在30 d以內(nèi)，屈服強度增量降低趨勢明顯，之后趨于穩(wěn)定；經(jīng)過80 ℃預時效的試樣強度增量比較穩(wěn)定?？估瓘姸仍隽康淖兓厔菖c屈服強度相似，但增量明顯小于屈服強度，意味著烘烤后試樣的屈強比降低。

圖3 不同預時效溫度和自然時效時間對烘烤強度增量的影響Fig.3 Effect of different pre-aging tmperatures and natural aging time on baking strength increment

6×××系鋁合金屬于熱處理可強化鋁合金，固溶完成之后在放置過程中會發(fā)生自然時效，從過飽和基體中析出原子團簇，導致屈服強度和抗拉強度升高。本次試驗中，室溫預時效的性能數(shù)據(jù)也就是自然時效下的性能數(shù)據(jù)，在5 d～150 d內(nèi)，其強度增加最顯著，這種強度的增加對沖壓成形不利。對固溶處理后的板材進行預時效處理會在過飽和基體中析出另一種原子團簇(pre-β″)，這類原子團簇的析出能夠降低基體的過飽和度，減弱自然時效析出動力，使板材在長時間放置過程中更穩(wěn)定。而且在后續(xù)烘烤過程中，最有效的強化相β"能夠以pre-β″為基底大量形成，從而使強度快速提升，提高板材的烘烤響應(yīng)性[9]。Pre-β″的析出與預時效制度密切相關(guān)，合理的預時效溫度能夠使pre-β″團簇大量形成，也就意味著板材的時效穩(wěn)定性和烘烤響應(yīng)更佳[10-11]。在本次試驗中，60 ℃的預時效溫度下，板材T4P態(tài)的強度變化趨勢與室溫預時效類似，在5 d～150 d內(nèi)強度有較明顯的提高，說明該溫度并不能達到理想的預時效效果。當預時效溫度提高到80 ℃、100 ℃時，板材的時效穩(wěn)定性顯著提高。然而，預時效處理本身也會帶來板材強度的提高，例如，100 ℃的預時效溫度下，板材T4P態(tài)的屈服強度在165 N/mm2左右，而伸長率和n也都顯著減小，這會使沖壓開裂風險增加。而在80 ℃的預時效溫度下，板材具有最大的烘烤強度增量。因此，對于6016鋁合金板材，80 ℃的預時效溫度更加合理。

3 結(jié) 論

1)預時效工藝對汽車用6016鋁合金板材的時效穩(wěn)定性影響顯著，相比于室溫和60 ℃預時效，80 ℃和100 ℃的預時效溫度使板材表現(xiàn)出良好的時效穩(wěn)定性，放置150 d之內(nèi)沒有因自然時效使強度顯著增加。然而，隨著預時效溫度的提高，板材的伸長率和n減小。

2)預時效工藝對汽車用6016鋁合金板材的烘烤態(tài)性能有顯著影響，隨著預時效溫度的升高，板材烘烤態(tài)的強度不斷提高，伸長率則降低；在室溫到80 ℃的范圍內(nèi)預時效，烘烤態(tài)的強度增量隨預時效溫度升高而增加，到100 ℃時，強度增量減小。

3)80 ℃8 h的預時效工藝可以使T4P態(tài)試驗板材獲得適中的強度和伸長率，在放置150 d之內(nèi)性能穩(wěn)定，同時具有最大的烘烤強度增量，是最優(yōu)的預時效工藝。