汽車車身板用變形鋁合金研究進展

張震，王鴻斌，王賀，張迪，張濟山

汽車車身板用變形鋁合金研究進展

張震，王鴻斌，王賀，張迪，張濟山

（北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083）

基于汽車輕量化的大背景，鋁合金因其優(yōu)異的綜合性能成為汽車用板材的優(yōu)選材料。主要綜述了汽車車身板用變形鋁合金的研究進展，以汽車車身板材常用的2×××、5×××、6×××和7×××系變形鋁合金的應(yīng)用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)外研究者現(xiàn)階段的研究成果，對各系變形鋁合金應(yīng)用在汽車車身板中的優(yōu)劣勢展開了分析。在此基礎(chǔ)上，著重介紹了各系合金的主要強化方式、常用成分及使用狀態(tài)，并概述了汽車車身板用材料的主要使用性能。最后，總結(jié)了各系變形鋁合金在汽車車身板中的使用性能特點，并對變形鋁合金在汽車車身板中的應(yīng)用前景及主要研發(fā)方向做出了展望。

汽車車身板；變形鋁合金；強化方式；成形性

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)必須將發(fā)展的核心放在能源和環(huán)境上[1]。汽車輕量化技術(shù)是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，對汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。采用輕量化材料是減輕汽車自重最簡單有效的方法，因而，其已成為當(dāng)前汽車工業(yè)研究的熱點問題[3]。鋁合金以其較高的比強度、良好的耐腐蝕性、成形性以及焊接性等一系列優(yōu)良特性而成為汽車輕量化的優(yōu)選材料之一[4]。在汽車行業(yè)，汽車輕量化作為節(jié)能減排最主要的手段之一，相關(guān)研究表明車身質(zhì)量每減輕1%，行駛過程中可至少節(jié)省燃料消耗0.6%[5-6]。汽車中每使用1 kg鋁，在整個汽車的服役期限內(nèi)可減少尾氣排放20 kg。此外，隨著新能源汽車的發(fā)展以及國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的革新，消費者對國產(chǎn)品牌的信賴度也越來越高[7]。截止到2020年底，國內(nèi)的新能源汽車生產(chǎn)規(guī)模突破了百萬輛。新能源市場成為汽車發(fā)展的新方向，如此一來汽車輕量化的地位更為重要[8]。

基于汽車發(fā)展的大背景，鋁合金材料可作為汽車輕量化發(fā)展的優(yōu)選材料，也將是未來汽車發(fā)展的主要材料之一[9]。發(fā)展汽車用鋁合金材料，是基于鋁合金材料的密度低（約為鋼鐵材料的1/3）、比強度高、耐蝕性能優(yōu)異，易于加工成形，便于可回收利用的特點[10]。相關(guān)研究指出，使用鋁合金材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽車用鋼材，能夠在保證汽車安全行駛的前提下，車體質(zhì)量實現(xiàn)最高60%的減少。因此，使用鋁合金來替代傳統(tǒng)鋼鐵材料，能夠很大程度地減輕汽車整體的質(zhì)量[11]。

專家預(yù)測，到2025年我國汽車生產(chǎn)銷售車輛約為3200萬輛，2030年將會增長到3800萬輛，2035年將達到4000萬輛的規(guī)模[12]。目前我國每輛車的平均用鋁為130 kg，預(yù)計到2025年將超過250 kg，到2030年將超過350 kg[13]。到2025年，車用鋁合金在全球的市場規(guī)模將達到9300億元，而我國的市場規(guī)模將達到3200億元，約占全球規(guī)模的34.4%，說明未來鋁合金在汽車中應(yīng)用的市場規(guī)模是非常龐大的[8]。

文中主要介紹用于汽車車身板材的變形鋁合金。經(jīng)過長時間的發(fā)展，最常見的用于汽車車身的鋁合金板材有2×××（Al-Cu-Mg）系、5×××（Al-Mg）系、6×××（Al-Mg-Si）系合金及7×××（Al-Zn-Mg-Cu）系鋁合金[14]?，F(xiàn)常用的變形鋁合金，因其強度限制，較少用于汽車結(jié)構(gòu)件，其中可以通過熱處理強化的合金是2×××、6×××和7×××系合金，而5×××系合金屬于不可熱處理強化型合金。文中將結(jié)合相關(guān)研究報道，分析每一系列合金在汽車車身板材中應(yīng)用的優(yōu)劣勢，結(jié)合未來汽車發(fā)展的趨勢，預(yù)測未來汽車用鋁合金的研發(fā)方向。

1 2×××系鋁合金在汽車車身板上的應(yīng)用

2×××系鋁合金以Cu和Mg為主合金元素，是通過熱處理可以強化的合金[15]。文中列舉了汽車外板用2×××系鋁合金的主要合金牌號及相關(guān)的元素成分范圍，詳見表1[16]。

Al-Cu-Mg合金中主要強化相是Al2Cu（θ）相和Al2MgCu（S）相[17]。當(dāng)Cu/Mg>8時，Al-Cu-Mg合金以θ相強化。Al-Cu-Mg三元體系中的Cu/Mg=4～8時，θ相和S相同時成為主要的強化相，合金雙相強化時，強化效果最好。在低Cu/Mg比的Al-Cu-Mg系列合金中，比值為1.5～4時，S相成為最有效的強化相[18]。

表1 2×××系鋁合金汽車板常用牌號及成分（質(zhì)量分數(shù)）[16]

2×××系鋁合金具有良好的成形性，可以作為駕駛室及車蓋等汽車外板部件的主要材料[19]。常用牌號的成形性能如表2[11]所示，可以看到2×××系合金的伸長率和均勻伸長率均表現(xiàn)良好，同時還擁有較好的（拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)）、（塑性應(yīng)變比）和杯突值（杯突實驗測出試件剛好破裂時的凸模壓入深度），值越高，材料變形越均勻，拉脹性能也越好；值越大，抵抗板材厚度變形的能力越強，拉延性能越好；杯突值越大，凸模壓入深度越大，拉延成形性越好。表2的數(shù)據(jù)說明合金的成形性能良好。王孟君[20]等分析了預(yù)時效工藝對2036合金板材性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過合適的預(yù)時效工藝后，合金的伸長率和值可以得到很大的提高，合金的成形性能可以得到保證。

表2 2×××系鋁合金常用牌號成形性能[11]

雖然2×××鋁合金在成形性方面的表現(xiàn)良好，但是其烤漆硬化能力及應(yīng)力腐蝕性能在汽車外板的應(yīng)用中和其他系列板材相比競爭力不足[21]。Siyu Li等[18]研究發(fā)現(xiàn)，Al-3.5Cu-(0.71-1.81)Mg鋁合金在190 ℃下需要12 h才能達到峰值，在200 ℃下也需要6 h才能到達峰值，這在汽車板的應(yīng)用中，難以滿足快速烤漆硬化的要求，限制了合金在汽車外板上的應(yīng)用。孫志華等[22]研究了2×××系鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能，斷口形貌如圖1所示?？梢钥吹?，合金的斷口是沿晶斷裂的特征形貌，表明合金的耐應(yīng)力腐蝕性能不佳，需要通過更多的工藝方法調(diào)控合金的耐應(yīng)力腐蝕能力。

2 6×××系鋁合金在汽車車身板上的應(yīng)用

6×××系鋁合金的主合金元素是Mg和Si元素，形成的主要強化相是Mg2Si相，是通過熱處理可以強化的合金[23]。表3列舉了常用的6×××系鋁合金牌號及相關(guān)元素成分范圍[24-25]。

6×××系鋁合金成形性能良好，常用牌號及熱處理狀態(tài)的力學(xué)性能如表4所示[26]?？梢钥吹胶辖鸬纳扉L率、值和值均處于較高水平，說明了合金的成形性能良好。A. Perovic等[23]研究了6111和6016的烤漆響應(yīng)能力，發(fā)現(xiàn)Cu含量較高的6111合金具有更高的烤漆硬化性能，并且呈現(xiàn)出雙相強化的特征，強化相為Mg2Si相和Al-Cu-Mg-Si相。

遲蕊等[27]研究了在實際生產(chǎn)中6016包邊開裂的現(xiàn)象，如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn)，富鐵相的存在，會影響板材的包邊性能，在成分調(diào)控或熱處理后，減少富鐵相有利于改進合金的包邊性能。有研究者提出是否可以設(shè)計開發(fā)出一款合金板材，能夠滿足汽車各個部位的使用要求。盡管6×××系板材在實際的生產(chǎn)加工中，會出現(xiàn)包邊開裂的現(xiàn)象，但是考慮到回收成本的問題，該合金系列的板材擁有優(yōu)異的綜合性能，最有可能成為這樣的全能合金板材。

圖1 應(yīng)力腐蝕斷口形貌[22]

表3 6×××系鋁合金汽車板常用牌號及成分（質(zhì)量分數(shù)）[24-25]

表4 6×××系鋁合金常用牌號成形性能[26]

3 7×××系鋁合金在汽車車身板上的應(yīng)用

7×××系鋁合金主要以Zn，Mg，Cu為主合金元素，主要強化相是η（MgZn2）相，也是可以通過熱處理實現(xiàn)強化的合金[28]。η相具有細小彌散的分布特點，合金中含有較高的析出相分數(shù)，使7×××系合金的強度明顯高于其他系列。

7×××系鋁合金的發(fā)展經(jīng)歷了4個階段：第1個階段是研發(fā)高強度低韌性的合金；第2個階段改變了時效工藝，提高了合金的耐腐蝕能力，形成了高強度耐腐蝕合金；第3個階段，通過合金成分調(diào)整，實現(xiàn)合金韌性的提高，形成高強度高韌性耐腐蝕的合金；第4個階段，協(xié)同提高了合金的綜合性能，形成了超高強度高韌性耐腐蝕的合金[29]。熱處理工藝和合金化探索在合金的發(fā)展中起著重要的作用。不同成分配比和不同的熱處理工藝，將對合金帶來不同的性能。7×××鋁合金常用的汽車板成分如表5[30]所示。

圖2 6016包邊開裂[27]

表5 7×××系鋁合金汽車板常用牌號及成分（質(zhì)量分數(shù)）[30]

表6 7×××系鋁合金常用牌號力學(xué)性能[29-31]

7×××系鋁合金常用牌號的力學(xué)性能如表6[29-31]所示，可以看出7×××系鋁合金的強度可滿足汽車結(jié)構(gòu)件的承力需求，但在峰時效狀態(tài)，合金的伸長率較低，說明合金的成形性能較差，作為汽車板使用時，需要改進熱處理工藝，尋求合適的成形方法。

L. Oger等[32]在實驗室環(huán)境中，在10–6s–1應(yīng)變速率下，對7046合金的拉伸斷口形貌分析如圖3所示?？梢钥吹?，拉伸后的樣品在接近試樣表面表現(xiàn)出脆性斷裂，根據(jù)掃描形貌分析，為沿晶斷裂。到心部區(qū)域才有少量的穿晶斷裂形貌。由此分析可以得出，合金的耐應(yīng)力腐蝕性能需要提高。

4 5×××系鋁合金在汽車車身板上的應(yīng)用

5×××系鋁合金是以Mg元素為主要元素的合金系列。通過熱處理，合金得不到強化，但是可以改變析出相的分布情況，進而改善合金的耐腐蝕性能。該合金的主要強化方式是固溶強化和加工硬化[33]。該合金中主要存在的是β（Al3Mg2）相，β相是Mg原子從過飽和固溶體中析出形成的，但是存在形核點較少、相形核尺寸大、與基體界面是非共格界面的缺點，這也是該合金不能熱處理強化的原因[34]。5×××系鋁合金汽車板材料常用牌號及成分如表7所示[11]。

5×××系鋁合金相較于其他牌號具有密度低、比強度高、成形性能以及焊接性能良好等優(yōu)點[35]。在汽車板上應(yīng)用時，5×××系鋁合金的成形性能優(yōu)于其他系列鋁合金，從表8[36-37]可以看到，該系列合金有著較高的值和值，因為該系列合金屬于不可熱處理強化的合金，使用時多依靠合金的固溶強化和加工硬化，使用的狀態(tài)多為O（退火）態(tài)和H（加工硬化）態(tài)。J. Hirsch[38]研究了歐洲范圍內(nèi)，鋁合金在汽車上的應(yīng)用情況，對比了常用的5×××系和6×××系合金的綜合性能，結(jié)果如圖4所示，可以看到5×××系合金的成形性能優(yōu)異，但是抗凹痕性能和表面質(zhì)量較6×××系合金相差很大，是5×××系合金在汽車板應(yīng)用中急需改進的方面。

圖3 應(yīng)變速率為10–6 s–1，7046-T4合金拉伸斷口不同位置掃描形貌[32]

表7 5×××系鋁合金汽車板常用牌號及成分（質(zhì)量分數(shù)）[11]

表8 5×××系鋁合金常用牌號成形性能[36-37]

5×××系鋁合金中常見的表面質(zhì)量問題如圖5[33]所示。退火態(tài)下使用的5×××系鋁合金，在Mg原子的固溶作用下，容易形成柯氏氣團，屬于原子聚集的一種形式，能夠?qū)ξ诲e運動產(chǎn)生影響，產(chǎn)生釘扎位錯的作用。在拉伸過程中柯氏氣團與位錯交互作用，位錯運動在被釘扎與脫釘運動中交替進行，在拉伸曲線上形成上下屈服點，宏觀上形成Lüders效應(yīng)（Luders effect），如圖5中“A型”所示。此外，該系合金容易在拉伸過程中產(chǎn)生塑性失穩(wěn)現(xiàn)象，該現(xiàn)象被稱為Portevin-Le Chctelier效應(yīng)（PLC effect），該效應(yīng)不可消除，只能通過不同工藝成分減弱其影響，如圖5中“B型”所示。

圖4 汽車用5×××系和6×××系合金性能對比[38]

Yingxin Geng[39-40]等通過在傳統(tǒng)5×××系合金中添加Zn元素，形成新的Al-Mg-Zn相，調(diào)整工藝后，改善了合金的Lüders效應(yīng)和PLC效應(yīng)。結(jié)果如圖6所示。

圖5 拉伸曲線及應(yīng)變痕[33]

圖6 不同應(yīng)變速率下合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[40]

5 總結(jié)

2×××系和7×××系鋁合金具有較高的強度，但是2×××系合金烤漆響應(yīng)能力欠缺，烤漆硬化程度不足。此外，這2種系列合金成形性能及耐應(yīng)力腐蝕性能也需要改善，這些因素限制了合金在汽車板上的發(fā)展，需要開發(fā)不同的成形工藝來改善合金的成形性能，未來高強合金板材也將是汽車板發(fā)展的一個方向。

6×××系鋁合金現(xiàn)在具有較為優(yōu)異的綜合性能，但是在具體的成分配比上還存在一些缺陷，如何改善成分配比不佳導(dǎo)致的成形性能降低及烤漆性能不佳等問題也將是未來工作的重點。

5×××系鋁合金雖然具有優(yōu)異的成形性能，但是其表面質(zhì)量問題嚴重，只能用作汽車內(nèi)板，需要通過改變合金成分，調(diào)控不同工藝來進一步提高合金的綜合性能。

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Research Progress of Wrought Aluminum Alloy for Automobile Body Sheet

ZHANG Zhen, WANG Hong-bin, WANG He, ZHANG Di, ZHANG Ji-shan

(State Key Laboratory of Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Based on the background of automobile lightweight, aluminum alloy has become the preferred material for automobile sheets because of its excellent comprehensive properties. In this work, the research progress of wrought aluminum alloys for automobile body sheets was reviewed. The application status of 2×××, 5×××, 6××× and 7××× series wrought aluminum alloys for automobile body sheets was reviewed. Based on the research results of domestic and foreign researchers, the advantages and disadvantages of various strains of wrought aluminum alloy used in automobile body sheet were analyzed. On this basis, the main strengthening methods, common components and application status of each series of alloys were emphatically introduced, and the application properties of automotive body sheet materials were summarized. Finally, the performances of all kinds of wrought aluminum alloys in automobile body sheets were summarized, and the application prospect and main research and development direction of wrought aluminum alloys in automobile body sheets were prospected.

automobile body sheet; wrought aluminum alloys; strengthening method; formability

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.009

TG146

A

1674-6457(2022)01-0071-08

2021-11-19

國家自然科學(xué)基金（51971019，51571013）

張震（1993—），男，博士生，主要研究方向為新型交通用鋁合金開發(fā)設(shè)計和電磁冶金等。

張迪（1978—），男，博士，研究員，主要研究方向為新型交通用鋁合金開發(fā)設(shè)計、鋁合金的焊接、電磁冶金等；張濟山（1957—），男，博士，教授，主要研究方向為鋁、鎂等輕合金先進制備成形工藝全程工藝優(yōu)化，新型汽車、船舶、航空用鋁合金的研究與開發(fā)等。