用于汽車防撞系統(tǒng)6082擠壓鋁合金性能研究

楊 明，黃永哲，高 爽，孫 巍，何 金

(遼寧忠旺集團有限公司, 遼寧 遼陽 111003)

1 試驗?zāi)康?/h2>

隨著我國越來越注重節(jié)能減排，6xxx系鋁合金因其資源豐富，比強度高且具備優(yōu)良的綜合性能被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域[1-2]，用擠壓方法擠壓鋁材，具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約材料等優(yōu)點[3]。6082鋁合金屬6xxx系高成分鋁合金，Si、Mg元素添加量較高，使其不僅具有高強度且兼顧一定吸能效果，是應(yīng)用于汽車防撞系統(tǒng)的最佳材料之一。因汽車防撞系統(tǒng)不僅追求力學(xué)強度極限值，更注重吸能效果，所以越來越多的汽車產(chǎn)品制造商對6082擠壓鋁合金的屈服強度提出了范圍值要求，一般屈服強度為270MPa～310MPa。性能標(biāo)準(zhǔn)的提升，對原材料鋁合金的鑄錠組織、擠壓工藝、擠壓設(shè)備均提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)要求。為探究6082擠壓鋁合金的綜合性能，本文采用6082鋁合金擠壓生產(chǎn)汽車后防撞梁產(chǎn)品，通過控制鑄錠均質(zhì)溫度、擠壓工藝參數(shù)、調(diào)試時效制度等方法進(jìn)行試驗，并對擠壓成型后的產(chǎn)品相關(guān)性能進(jìn)行總結(jié)分析，為現(xiàn)階段高標(biāo)準(zhǔn)要求的汽車防撞系統(tǒng)高強度6082擠壓鋁合金的開發(fā)提供相關(guān)參考依據(jù)。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料及準(zhǔn)備

此次上機生產(chǎn)的型材為三腔體薄壁型材，外接圓直徑為Φ158mm，壁厚為3mm～4mm，采用6082合金成分在2750T臥式單動擠壓機上進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，擠壓鋁錠規(guī)格為Φ254mm×760mm。生產(chǎn)所使用鑄錠采用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)，鑄造過程中采用泡沫陶瓷過濾，Al-Ti-B絲細(xì)化晶粒并經(jīng)560℃×12h高溫均質(zhì),使其具有較好的可擠壓性。擠壓鋁錠內(nèi)部組織及晶粒度如圖1所示，可見鋁錠充分均勻化處理，組織均勻細(xì)小，未見晶界粗大現(xiàn)象及過燒組織，晶粒度等級4.5級且邊部至心部晶粒大小均勻，無明顯偏析、裂紋等缺陷。

(a)顯微組織照片；(b)晶粒度照片圖1 擠壓鋁錠各個位置組織及晶粒度Fig.1 Microstructure and grain size of extruded aluminum ingot at various positions

2.2 在線擠壓過程

擠壓生產(chǎn)前，分別將模具、擠壓筒、鑄錠按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行加熱，之后按試驗制定的擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)。由于用于汽車防撞系統(tǒng)的鋁型材大部分為空心多腔體結(jié)構(gòu)，其目的主要為車身減重及吸能作用，壁厚為5mm以內(nèi)，對于此類產(chǎn)品應(yīng)采用高溫低速，以保證型材高性能的同時兼顧復(fù)雜的尺寸精度。淬火方式不宜采用水冷浸入法，因為型材冷速較快，易產(chǎn)生變形，不利于汽車防撞系統(tǒng)鋁型材的超高精尺寸精度要求。因此鑄錠加熱溫度為頭端500℃～520℃，尾端480℃～500℃，需將模具加熱至480℃～500℃，擠壓筒溫度控制在420℃～460℃，擠壓速度控制在3.5m/min～5.5m/min，突破壓力穩(wěn)定在20MPa～24MPa。

2.3 試驗方法及設(shè)備

對擠壓在線淬火后的型材試樣首先進(jìn)行T4穩(wěn)定性試驗，分別停放1d～70d后進(jìn)行力學(xué)性能檢測并分析力學(xué)性能漲幅效果，然后進(jìn)行時效制度調(diào)試試驗，時效制度為175℃×(4h～11h)，根據(jù)不同時效制度確定每種時效制度下對應(yīng)的力學(xué)性能值范圍。綜合部分車企針對防撞系統(tǒng)車用鋁合金的性能標(biāo)準(zhǔn)，選擇屈服強度范圍為270MPa～290MPa的時效制度作為最優(yōu)制度。時效后進(jìn)行長期熱穩(wěn)定性120℃×500h試驗，短期熱穩(wěn)定180℃×20min試驗，以及折彎性能及顯微組織性能測試。

采用日本島津的電子拉力試驗機(型號為AG-X，250KN)按照GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)對型材試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測；按照VDA238-100/DBL4919方法對折彎性能進(jìn)行檢測；采用光學(xué)顯微鏡按照GB/T3246.1-2012標(biāo)準(zhǔn)處理試樣并對試樣高倍組織進(jìn)行檢測。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 化學(xué)成分檢測結(jié)果

為保證汽車后防撞梁產(chǎn)品的吸能效果，通過調(diào)整合金化學(xué)成分，在滿足國標(biāo)6082合金成分標(biāo)準(zhǔn)的前提下，降低Si、Mg合金元素含量，既可以避免材料屈服強度過高，還能改善合金成型性，化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1，符合GB/T3190中6082合金成分標(biāo)準(zhǔn)。

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Test results of chemical composition (wt.%)

3.2 T4穩(wěn)定性能

用于汽車防撞系統(tǒng)的擠壓鋁型材通常需T4狀態(tài)進(jìn)行深加工，6082鋁合金自然時效初期，屈服強度變化較大，每批次型材受停放時間及加工時間等因素的影響，易造成后續(xù)深加工工裝反復(fù)調(diào)試，影響生產(chǎn)效率。因此探究6082擠壓鋁合金汽車防撞系統(tǒng)型材的T4狀態(tài)停放漲幅情況，為后續(xù)防撞梁產(chǎn)品深加工的工藝優(yōu)化，提供參考依據(jù)。將型材分別停放1d、4d、6d、20d、40d及70d后進(jìn)行性能測試，檢測結(jié)果見表2。由表2可知，汽車用防撞系統(tǒng)6082擠壓鋁合金停放6d以后，力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，相比于當(dāng)天屈服強度漲幅約15MPa；隨后停放時間延長，力學(xué)性能無明顯變化。

表2 型材T4穩(wěn)定性力學(xué)性能檢測結(jié)果Tab.2 Test results of stability and mechanical properties of section T4

3.3 時效制度對力學(xué)性能的影響

為開發(fā)適用于6082擠壓鋁合金防撞梁產(chǎn)品的最優(yōu)時效制度，進(jìn)行時效制度調(diào)試試驗。表3是6082擠壓鋁合金汽車防撞系統(tǒng)型材經(jīng)175℃×(4h～11h)八種時效制度試驗相應(yīng)的力學(xué)性能值?？芍?，此產(chǎn)品在175℃×8h時效達(dá)到力學(xué)性能極限值屈服強度為303MPa。針對于汽車防撞系統(tǒng)6082擠壓鋁合金產(chǎn)品，大部分客戶標(biāo)準(zhǔn)要求為屈服強度270MPa～290MPa，綜上所述應(yīng)選擇175℃×(6h～7h)作為最優(yōu)時效制度。

表3 時效后力學(xué)性能平均值Tab.3 Average value of mechanical properties after aging

3.4 長期及短期熱穩(wěn)定性能

此型材用作汽車防撞系統(tǒng)零部件，多數(shù)客戶后期會對整車進(jìn)行烤漆處理和驗證零部件長期熱穩(wěn)定性能，為避免型材承受二次熱處理對力學(xué)性能產(chǎn)生影響從而造成力學(xué)超差現(xiàn)象，因此進(jìn)行短期及長期熱穩(wěn)定性試驗。表4是175℃×6h時效處理后再經(jīng)過180℃×20min(短期熱處理)的力學(xué)性能值，以及175℃×6h時效處理后經(jīng)120℃×500h(長期熱處理)后的力學(xué)性能值?？梢钥闯觯唐跓崽幚砗?082鋁合金屈服強度最高約漲8MPa，出現(xiàn)小幅度升高現(xiàn)象，長期熱處理后屈服強度未見明顯降低現(xiàn)象。

由圖2可以看出，175℃×8h時效的基體中第二相明顯多于175℃×6h時效，且分布更加彌散，形態(tài)相對飽滿圓潤，說明175℃×6h時效處理，固溶在鋁基體中的溶質(zhì)集團析出程度不如175℃×8h時效。此外從表3可以看出，175℃×8h時效的屈服強度高于175℃×6h時效的屈服強度約20MPa。綜上所述，可以判斷出175℃×6h時效對于6082汽車防撞梁型材屬于欠時效處理。因6082鋁合金屬于熱處理可強化型鋁合金[4，5]，一次時效采用的是欠時效處理，力學(xué)性能未達(dá)到峰值時效后的性能，經(jīng)二次熱處理后(短期熱處理)型材基體內(nèi)部第二相組織有進(jìn)一步析出的趨勢，鋁合金型材的性能隨之得到提升。長期熱處理后由于熱處理時間較長，欠時效型材性能會呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，所以型材經(jīng)120℃×500h熱處理后屈服強度未見明顯變化。

(a)175℃×6h時效基體組織；(b)175℃×8h時效基體組織圖2 6082合金橫向顯微組織Fig.2 Transverse microstructure of 6082 alloy

3.5 折彎性能檢測結(jié)果

型材折彎性能是反應(yīng)材料延展性及塑性的最佳表征方式。表5是汽車防撞系統(tǒng)6082擠壓鋁合金產(chǎn)品經(jīng)175℃×6h時效后的型材折彎性能。由表5可知，汽車防撞系統(tǒng)6082擠壓鋁合金產(chǎn)品，折彎彎曲角度為55°～65°，折彎角度相對于低成分6xxx系合金如6063、6005A或6101B合金較低。因6082屬6xxx系高成分合金，合金化程度高，合金中Si元素含量較高，基體內(nèi)部會形成大量第二相Mg2Si，對材料起到第二相強化及彌散強化的作用，所以材料強度較高，從而塑性及韌性相對較差，是導(dǎo)致折彎角度相對較低的主要原因。

表5 折彎性能檢測結(jié)果Tab.5 Test results of bending performance

3.6 微觀組織性能

通過擠壓6082鋁合金制備出的汽車用后防撞梁型材，后續(xù)會進(jìn)行折彎、焊接及鉚接等深加工工序。型材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸及皮質(zhì)層厚度是反應(yīng)型材綜合性能的重要指標(biāo)，如基體晶粒粗大、粗晶層厚度較厚，后續(xù)深加工會出現(xiàn)制品裂紋、表面橘皮等質(zhì)量缺陷。從圖3可知，采用6082鋁合金擠壓生產(chǎn)出的汽車后防撞梁型材基體晶粒度等級為7級，第二相細(xì)小均勻的分布于基體中，邊部皮質(zhì)層厚度0.4mm～0.6mm。

(a)橫向基體晶粒度；(b) 橫向外表面；(c) 橫向內(nèi)表面圖3 6082合金橫向顯微組織及基體晶粒Fig.3 Transverse microstructure and matrix grain of 6082 alloy

4 結(jié)論

(1)通過嚴(yán)格控制擠壓工藝參數(shù)，采用高棒溫480℃～520℃，低擠壓速度3.5m/min～5.5m/min，可生產(chǎn)出汽車用防撞系統(tǒng)6082擠壓鋁型材。

(2)用于汽車防撞系統(tǒng)的6082擠壓鋁合金產(chǎn)品，T4狀態(tài)穩(wěn)定性較好，停放6d后性能趨于穩(wěn)定，漲幅在15MPa以內(nèi)，采用175℃×6h時效處理后屈服強度范圍可在270MPa～290MPa。經(jīng)短期熱處理后，性能小幅提升，漲幅不超過4%，經(jīng)長期熱處理后性能相對穩(wěn)定。產(chǎn)品顯微組織均勻細(xì)小的分布于基體中，基體晶粒度7級，皮質(zhì)層厚度為0.4mm～0.6mm。