淬火工藝對(duì)6008鋁合金型材折彎及壓潰性能影響

高 彤，楊學(xué)均，崔家銘，屈玉石，張 旭

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，全球汽車(chē)生產(chǎn)量和保有量飛速增長(zhǎng)，能源消耗和環(huán)境污染日益凸顯，節(jié)能減排、低碳環(huán)保已成為發(fā)展汽車(chē)工業(yè)的核心問(wèn)題，在能源緊缺、污染嚴(yán)重的嚴(yán)峻形勢(shì)下，6xxx系合金作為一種輕質(zhì)材料在汽車(chē)工業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。6008合金是由6005A合金發(fā)展而來(lái)，但其性能卻比6005A優(yōu)異很多，因而被歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)確定為“車(chē)體型材合金”，有良好的塑性及優(yōu)良的擠壓加工性能，可高速擠壓成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄并且中空的各種型材[2]。6008合金在理化性能等各方面都優(yōu)于6005A合金，而與6005A主要不同之處是合金中加入V(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.05%～0.2%，合金中Mn元素比6005A合金低0.2%[3]。針對(duì)于汽車(chē)檢驗(yàn)要求更高的部位，例如車(chē)用前后防撞梁吸能盒、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等，6008作為汽車(chē)用合金得到廣泛應(yīng)用。而熱擠壓與在線(xiàn)淬火工藝對(duì)擠壓型材的組織與性能起到?jīng)Q定性的作用[4]。本文主要通過(guò)調(diào)整擠壓淬火工藝制度來(lái)研究6008合金時(shí)效后不同淬火工藝制度對(duì)折彎角度和壓潰效果影響，以及型材折彎角度和壓潰關(guān)系研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用6008鋁合金薄壁型材，主壁厚為2.35mm，斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。擠壓鑄棒無(wú)明顯偏析、表面無(wú)油污、裂紋等缺陷，尺寸規(guī)格為Φ246mm×830mm，采用2750T鋁合金擠壓機(jī)進(jìn)行，擠壓系數(shù)為40.3，采用四種不同在線(xiàn)淬火工藝制度對(duì)型材進(jìn)行淬火處理，時(shí)效制度為185℃×5h，淬火工藝見(jiàn)表1。分析不同淬火工藝制度對(duì)折彎角度和壓潰效果的影響，以及型材不同位置折彎角度對(duì)整體型材壓潰效果的影響。

圖1 型材斷面圖Fig.1 Section view

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)環(huán)境均在室溫下進(jìn)行，化學(xué)成分檢測(cè)試驗(yàn)方法按GB/T 7999鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為瑞士ARL直讀光譜儀。力學(xué)拉伸試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)方法GB/T228.1，試驗(yàn)設(shè)備為AG-X 100KN電子萬(wàn)能拉伸機(jī)。折彎試驗(yàn)方法及要求參考VDA238-100，試驗(yàn)設(shè)備為AG-IC 50KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。SEM掃描電鏡試驗(yàn)設(shè)備采用SSX-550型。壓潰試驗(yàn)設(shè)備為YAW6106微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)料樣長(zhǎng)度200mm，單邊修剪至傾斜角度為10°，壓潰后長(zhǎng)度為原始樣高度的60%，下壓速度100mm/min。壓潰合格標(biāo)準(zhǔn)為褶皺處T型接頭貫穿裂紋L≤25mm，允許出現(xiàn)表面未貫穿裂紋，表面貫穿裂紋長(zhǎng)L≤15mm。

2 生產(chǎn)驗(yàn)證

1、2、3、4分別代表四種不同淬火工藝制度，從表1可分析出，在擠壓速度及棒溫相同條件下，淬火前溫度基本一致，淬火后同一距離位置測(cè)量型材出淬溫度，通過(guò)計(jì)算得出冷卻速度，冷卻速度=(淬火前溫度-淬火后溫度)×擠壓速度/60。四種淬火工藝方式下冷卻強(qiáng)度從弱到強(qiáng)分別為，工藝1<工藝2<工藝3<工藝4。

表1 型材擠壓工藝參數(shù)Tab.1 Profile extrusion process parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果及分析

各淬火工藝制度下型材各取200mm試樣，將料樣185℃×5h時(shí)效后按圖1所示制樣位置對(duì)型材進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示。

(a) 工藝1 (b) 工藝2 (c) 工藝3 (d) 工藝4圖2 不同淬火工藝條件下各位置力學(xué)性能曲線(xiàn)Fig.2 Curves of mechanical properties at different positions under different quenching conditions

可知，工藝3和工藝4比工藝1和工藝2淬火時(shí)效后抗拉強(qiáng)度高約10MPa，屈服強(qiáng)度差異不大。同一淬火制度條件下7#位置力學(xué)強(qiáng)度偏低，原因?yàn)樵撐恢脙?nèi)筋取樣，淬火不充分導(dǎo)致。從性能變化曲線(xiàn)可以看出，單考慮力學(xué)性能強(qiáng)度影響，6008合金對(duì)淬火要求并不高(合金成分低導(dǎo)致淬火敏感性不高)，達(dá)到一定淬火強(qiáng)度后再提高淬火強(qiáng)度對(duì)該合金時(shí)效后力學(xué)強(qiáng)度影響不大。但從圖3延伸率變化曲線(xiàn)可以分析出，型材各位置斷后延伸率隨著淬火強(qiáng)度增強(qiáng)有增大趨勢(shì)。

圖3 不同淬火工藝制度下各位置斷后延伸率變化對(duì)比曲線(xiàn)Fig.3 Contrast curve of elongation at different positions after fracture under different quenching processes

3.2 折彎?rùn)z測(cè)結(jié)果及分析

對(duì)不同淬火工藝制度下6008鋁合金型材進(jìn)行折彎測(cè)試，折彎角度變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 不同淬火工藝制度下取樣位置對(duì)應(yīng)折彎角度曲線(xiàn)圖Fig.4 Curve of bending angle corresponding to sampling position under different quenching process

對(duì)于型材，在整個(gè)橫截面上保持相同的冷卻速率，有利于減少熱應(yīng)力變形。更均勻的冷卻條件，可以保證產(chǎn)品各位置冷卻的一致性，同時(shí)局部的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致變形，所以淬火速率越快，得到的組織均一性更強(qiáng)，更加細(xì)小，折彎性能越好，延展性更強(qiáng)，壓潰等變形能力更強(qiáng)。從折彎角度變化曲線(xiàn)可以看出，同一淬火條件下，工藝1料樣不同位置折彎角度差異不明顯，主要原因工藝1冷卻強(qiáng)度低，擠壓淬火過(guò)程中得到較少的過(guò)飽和固溶體，且β′-Mg2Si相仍會(huì)發(fā)生前期非均勻析出和長(zhǎng)大，時(shí)效后出現(xiàn)大量粗大析出相且分布不均勻[5]，導(dǎo)致型材整體力學(xué)性能和折彎角度偏低，而其余工藝不同位置折彎角度差異明顯，主要原因是斷面形狀和擠壓淬火不均勻，所以導(dǎo)致不同取樣位置淬火強(qiáng)度差異較大。折彎角度根據(jù)淬火強(qiáng)度不同表現(xiàn)出較大差異，試樣整體折彎角度根據(jù)淬火工藝制度由大到小排序?yàn)?，工?>工藝3>工藝2>工藝1。

3.3 SEM掃描檢測(cè)結(jié)果及分析

對(duì)不同淬火工藝制度下6008鋁合金型材同一部位對(duì)橫斷面進(jìn)行電鏡掃描分析，其顯微形貌如圖5所示，能譜分析結(jié)果見(jiàn)表2。SEM掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果中主要粗大相尺寸統(tǒng)計(jì)，工藝1為4.3μm、工藝2為2.3μm、工藝3為1.7μm、工藝4為1.5μm，逐漸減小。觀(guān)察對(duì)比析出相大小、數(shù)量和分布狀態(tài)，Al-Mg-Si系合金常見(jiàn)析出相有Mg2Si、AlFeSi、AlMnFeSi、α-Al(MnFe)Si、β-AlFeSi等，可以看出，該合金隨著工藝制度淬火強(qiáng)度增大，析出的彌散相尺寸減小、數(shù)量增大，粗大的脆性相β-AlFeSi數(shù)量減少。

表2 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.2 Results of energy spectrum analysis(wt.%)

3.4 壓潰性能檢測(cè)結(jié)果及分析

對(duì)不同淬火工藝制度下型材進(jìn)行壓潰試驗(yàn)，壓潰后型材表面宏觀(guān)形貌如圖6所示?？芍に?、工藝2、工藝3下得到的型材壓潰試驗(yàn)均不合格，裂紋超出標(biāo)準(zhǔn)值，而工藝4制度下型材壓潰試驗(yàn)合格，型材表面形成褶皺，出現(xiàn)T角裂紋未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，工藝4各位置折彎角度范圍為90°～130°，冷卻速度為42.1℃/s。

6008合金型材不同淬火相同時(shí)效制度下壓潰效果差異明顯，分析規(guī)律可知，淬火冷卻速率是決定合金延展性的關(guān)鍵因素，而產(chǎn)品的延展性可以通過(guò)其折彎性能的角度來(lái)直接評(píng)價(jià)。折彎角度越高說(shuō)明產(chǎn)品延展性越強(qiáng)，淬火冷卻速率高，時(shí)效后折彎角度高，故擠壓合金具有更好的潰縮延展性，合金在折彎及壓潰變形時(shí)因其高延展性不易產(chǎn)生裂紋。結(jié)合圖5與主要粗大相尺寸統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可分析原因?yàn)?，Al-Mg-Si系合金中一方面常含有粗大的脆性相β-AlFeSi，在型材使用過(guò)程中會(huì)成為裂紋源，加速型材破壞；另一方面彌散相細(xì)小，彌散分布，會(huì)使型材具備良好的均一性，利于形成纖維狀組織，提高其延展性。由于型材淬火強(qiáng)度越大固溶效果越好，合金的過(guò)飽和固溶度增加，擠壓過(guò)程中Mg、Si、Mn等合金元素會(huì)更多的融入基體中，增大基體的過(guò)飽和固溶度，增大時(shí)效時(shí)過(guò)渡相β′的形核驅(qū)動(dòng)力，使β′相細(xì)化，時(shí)效時(shí)更多的Mg2Si、α-Al(MnFe)Si等相在基體內(nèi)以均勻細(xì)小的彌散相析出分布，從而減少了脆性相β-AlFeSi的產(chǎn)生，材料變形時(shí)位錯(cuò)主要以切過(guò)的形式運(yùn)動(dòng)，變形均勻從而提高型材強(qiáng)度韌性[5]，減小彎曲斷裂源提升型材彎曲性能，使型材具有更好的折彎和壓潰效果。四種不同淬火工藝制度壓潰表現(xiàn)由劣到優(yōu)為,1工藝<2工藝<3工藝<4工藝。

對(duì)比同一淬火工藝制度下不同位置壓潰結(jié)果，結(jié)合圖4可以看出，該位置折彎角度越大相對(duì)應(yīng)的部位潰縮變形效果越好，折彎角度大位置對(duì)應(yīng)的壓潰更不容易產(chǎn)生裂紋，而折彎角度小的位置容易產(chǎn)生裂紋從而影響型材整體壓潰效果。圖6中(a)(b)(c)(d)為四種工藝5#、6#、9#位置側(cè)，(e)(f)(g)(h)為2#、3#、8#位置側(cè)，從壓潰后裂紋情況可知,5#、6#、9#位置壓潰效果要明顯好于2#、3#、8#位置，折彎角度變化曲線(xiàn)也可以得出結(jié)論,5#、6#、9#位置折彎角度要明顯大于2#、3#、8#位置。

(a) 工藝1 (b) 工藝2 (c) 工藝3 (d) 工藝4圖5 不同淬火工藝制度下型材顯微形貌Fig.5 Microstructure of profiles under different quenching processes

圖6 不同淬火工藝制度壓潰圖片F(xiàn)ig.6 Pictures of crushing under different quenching processes

4 結(jié)論

(1)材質(zhì)為6008合金需進(jìn)行壓潰的型材，折彎執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)VDA238-100，壓潰結(jié)果滿(mǎn)足褶皺處T型接頭貫穿裂紋L≤25mm，允許出現(xiàn)表面未貫穿裂紋，表面貫穿裂紋長(zhǎng)L≤15mm;為更方便評(píng)估型材壓潰性能，保證型材整體壓潰形成褶皺，裂紋符合要求，則型材各測(cè)試部位折彎角度至少保證90°以上。

(2)6008合金型材單從力學(xué)性能強(qiáng)度考慮，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定淬火冷卻強(qiáng)度后再提高淬火工藝制度對(duì)時(shí)效后產(chǎn)品力學(xué)性能提高影響不是很明顯，由于合金成分化低淬火敏感性不高導(dǎo)致，但若保證該合金壓潰性能合格，則必須采用冷卻速度更快的淬火工藝制度，淬火冷卻速度應(yīng)至少為42.1℃/s。