汽車(chē)用6005A鋁合金型材組織及性能提升技術(shù)研究

曹東升 劉建生 王睿 李延軍 王爽 孫巍

摘要：通過(guò)對(duì)6005A合金鑄錠均勻化制度和擠壓工模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，來(lái)改善擠壓制品的晶粒組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到提高6005A鋁合金汽車(chē)梁擠壓制品的力學(xué)性能及穩(wěn)定性的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)調(diào)整鑄錠均勻化制度以及減少模具工作帶長(zhǎng)度，對(duì)減輕擠壓制品再結(jié)晶層厚度有明顯作用，即當(dāng)鑄錠均勻化制度調(diào)整到510 ℃、保溫6 h，降低模具工作帶長(zhǎng)度至3 mm時(shí)，可明顯降低擠壓型材制品再結(jié)晶層厚度，使型材組織更加均勻細(xì)小。型材T6狀態(tài)下屈服強(qiáng)度由274 MPa提升到298 MPa，抗拉強(qiáng)度由291 MPa提升到313 MPa，斷后伸長(zhǎng)率則由9%提升到15%，達(dá)到穩(wěn)定輥彎加工成形性的目的。

關(guān)鍵詞：6005A合金;擠壓制品;再結(jié)晶層;力學(xué)性能;輥彎加工

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 37??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on microstructure and performance improvement technology of 6005A aluminum alloy profile for automobile

CAO Dongsheng，LIU Jiansheng，WANG Rui，LI Yanjun，WANG Shuang，SUN Wei

（Liaoning Zhongwang Group Co.，Ltd.，Liaoyang 111003，China）

Abstract： By adjusting the homogenization system of 6005A alloy ingots and the structures of extrusion tool and die，the microstructure of the extruded products is improved，and then the mechanical properties and forming stability of 6005A aluminum alloy automobile beam extruded products are improved. The test results show that the ingot homogenization system and the length of die working band show a significant effect on reducing the thickness of recrystallization layer of extruded products. When the ingot homogenization system is at 510 °C for 6 hours and the length of die working belt is reduced to 3 mm，the thickness of the recrystallization layer in extruded profile products is significantly reduced，and the microstructure of the profile is more uniform and fine. Under T6 state，the yield strength is increased from 274 MPa to 298 MPa，the tensile strength is increased from 291 MPa to 313 MPa，the elongation after fracture is increased from 9% to 15%，and the purpose of stabilizing the formability of roll bending is achieved.

Keywords： 6005A alloy;extruded product;recrystallized layer;mechanical properties;roll bending

隨著汽車(chē)輕量化發(fā)展和節(jié)能減排的政策倡導(dǎo)，汽車(chē)零部件正在從鋼逐步向鋁合金方向拓展?，F(xiàn)階段，鋁合金制品在全世界范圍內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)品中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]。6005A鋁合金作為一種典型的可熱處理強(qiáng)化Al-Mg-Si合金，具有密度低且強(qiáng)度可觀、易于加工、焊接適應(yīng)性良好、耐腐蝕性好的特點(diǎn)[4-6]，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)吸能盒、擠壓梁等產(chǎn)品中。汽車(chē)擠壓梁產(chǎn)品，作為汽車(chē)結(jié)構(gòu)零部件，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、美觀、耐腐蝕、易加工成型等優(yōu)良特性[7-8]。但由于最終產(chǎn)品對(duì)性能要求較高（屈服、抗拉強(qiáng)度高出國(guó)標(biāo)要求40 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A50超出國(guó)標(biāo)要求4%），且需要后續(xù)輥彎加工，所以追求高性能的同時(shí)，還要保證加工組織穩(wěn)定性。本文將對(duì)6005A合金按熔鑄—鑄錠均勻化—擠壓成型—充分在線淬固溶淬火—輥彎加工—人工時(shí)效處理的工藝流程生產(chǎn)，通過(guò)對(duì)6005A鑄錠均勻化及擠壓工模具結(jié)構(gòu)的調(diào)整，來(lái)對(duì)比分析擠壓制品微觀晶粒組織對(duì)于產(chǎn)品力學(xué)性能及加工穩(wěn)定性的影響。

1??? 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用6005A合金成分范圍內(nèi)各物質(zhì)來(lái)鑄造鑄錠。具體合金成分見(jiàn)表1。鑄造完成后的鑄錠分別采用560℃保溫6 h和510 ℃保溫6 h、然后采用水霧冷卻的工藝進(jìn)行均勻化處理，均勻化后的鑄錠進(jìn)行定尺鋸切，期間留取20 mm厚棒片用于鑄錠檢測(cè)，將切割完定尺的鑄錠轉(zhuǎn)序至擠壓車(chē)間;設(shè)計(jì)不同工作帶長(zhǎng)度的兩套模具用于生產(chǎn)壁厚為2.25 mm，輪廓尺寸為62 mm×13 mm的防卷入梁扁管型材。其中模具a工作帶長(zhǎng)度為4.8 mm，模具b工作帶長(zhǎng)度為3.0 mm，將兩種不同均勻化處理后的鑄錠分別采用模具a和模具b擠壓，生產(chǎn)工藝見(jiàn)表2。生產(chǎn)完成的制品切去頭尾廢料后制成輥彎加工定尺并用于輥彎試驗(yàn);另外在型材上同一擠壓長(zhǎng)度位置分別截取200 mm×25 mm試片若干，用于力學(xué)性能檢測(cè);截取力學(xué)試片所對(duì)應(yīng)位置的高倍試片若干，用于金相檢測(cè)。

2??? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1??? 鑄錠高倍組織對(duì)比

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)兩鑄錠的邊部及芯部進(jìn)行觀察。圖1為均勻化處理后鑄錠高倍組織形貌圖。從圖1（a）.（b）可以看出，高溫均勻化條件下，大部分織晶網(wǎng)已溶解斷裂，均勻化效果較為充分，同時(shí)晶內(nèi)析出第二相質(zhì)點(diǎn)，并已發(fā)生聚集長(zhǎng)大;從圖1（c）、（d）可以看出，低溫均勻化條件下，織晶網(wǎng)結(jié)構(gòu)已部分溶解，且晶內(nèi)析出少量的第二相質(zhì)點(diǎn)，具有一定的均勻化效果[9-10]。

2.2??? 鑄錠晶粒度對(duì)比

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)兩鑄錠放大到100倍進(jìn)行顯微組織觀察。圖2為均勻化處理后鑄錠高倍晶粒度圖。從圖2（a）、（b）可以看出，高溫均勻化條件下，邊部晶粒度等級(jí)為4.5級(jí)，芯部晶粒度等級(jí)為3.5級(jí);從圖2（c）、（d）可以看出，低溫均勻化條件下，邊部及芯部的晶粒度等級(jí)均為5級(jí)，晶粒尺寸相比高溫均勻化要更加細(xì)小。

結(jié)合圖1和2可以發(fā)現(xiàn)，560 ℃雖然可以實(shí)現(xiàn)充分均勻化的目的，但是對(duì)鑄錠第二相形態(tài)和晶粒組織造成了一定的影響。1）鑄錠中抑制再結(jié)晶的第二相質(zhì)點(diǎn)從基體中析出并發(fā)生聚集長(zhǎng)大，不利于后續(xù)熱加工過(guò)程抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的作用;2）原始鑄錠晶粒大小對(duì)后續(xù)生產(chǎn)加工存在遺傳作用，原始晶粒越粗大，那么熱加工后型材會(huì)延續(xù)晶粒組織粗大的現(xiàn)象[11-12]。而510 ℃將鑄錠織晶網(wǎng)結(jié)構(gòu)部分溶解，使織晶結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，但此溫度不足以打破鑄造晶粒的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且晶內(nèi)未發(fā)生明顯的第二相析出聚集現(xiàn)象。因此，510 ℃工藝制度在達(dá)到了一定的均勻化目的的同時(shí)，晶粒形態(tài)未發(fā)生變化。

2.3??? 型材高倍組織對(duì)比

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)型材試樣進(jìn)行顯微組織觀察，結(jié)果如圖3所示。6005A鋁合金擠壓型材制品由于受到高溫、高壓、擠壓筒內(nèi)壁、模具約束等摩擦作用，制品兩側(cè)表面發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象，再結(jié)晶后的晶粒組織粗大，且不均勻[13-14]。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此種再結(jié)晶雖然無(wú)法完全消除，但通過(guò)適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)工藝可減輕。由圖3可以看出，在鑄錠均勻化溫度不變的條件下，使用減短了工作帶的模具b所生產(chǎn)的型材再結(jié)晶層總厚度由1 562μm降低至920μm;同樣使用模具b，降低均勻化溫度后，型材再結(jié)晶層總厚度由920μm降低至239μm。

2.4??? 擠壓型材力學(xué)性能分析

采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖4。結(jié)合圖3和圖4中數(shù)據(jù)可知，再結(jié)晶層厚度對(duì)型材自然時(shí)效和人工時(shí)效（峰值）力學(xué)性能有明顯影響。再結(jié)晶層越薄，型材自然時(shí)效和人工時(shí)效（峰值）力學(xué)性能越高。鑄錠均勻化溫度的降低和模具工作帶的減短，對(duì)改善擠壓制品再結(jié)晶層厚度均有一定作用，其中鑄錠均勻化溫度的改變，對(duì)型材力學(xué)性能及穩(wěn)定性的提升更為顯著。

2.5??? 擠壓型材輻彎加工尺寸精度檢測(cè)

利用輥彎加工設(shè)備對(duì)停放1周左右的若干T4自然時(shí)效型材進(jìn)行輥彎加工，操作流程：（1）調(diào)整程序后，用同一程序進(jìn)行輥彎，輥彎過(guò)程始終保持程序參數(shù)不變。（2）輥彎后，將工件放在檢具上，對(duì)應(yīng)檢具上檢測(cè)點(diǎn)，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺進(jìn)行檢測(cè)，記錄數(shù)據(jù)。測(cè)量簡(jiǎn)圖如圖5所示，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

輥彎加工產(chǎn)品，因撤銷(xiāo)加工應(yīng)力后存在回彈現(xiàn)象，不同的回彈量會(huì)導(dǎo)致加工制品尺寸出現(xiàn)偏差，制品性能越好，回彈效果越明顯，測(cè)量點(diǎn)間隙越小，如果所有型材輥彎后測(cè)量間隙在一個(gè)穩(wěn)定范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整輥彎程序也可解決間隙問(wèn)題。由表3可 知，1#制品再結(jié)晶層較厚，對(duì)應(yīng)制品輥彎加工波動(dòng)范 圍最大，序號(hào)4生產(chǎn)制品再結(jié)晶厚度最低，輥彎加工測(cè)量值波動(dòng)最小。因此說(shuō)明粗大不均的再結(jié)晶組織對(duì)產(chǎn)品力學(xué)性能、及加工性能均會(huì)造成不良影響。

3??? 結(jié)論

（1）通過(guò)將鑄錠的均勻化制度調(diào)整為510 ℃×6 h、模具工作帶長(zhǎng)度降低至3 mm，可明顯降低擠壓型材的再結(jié)晶層厚度，使型材組織更加均勻細(xì)小。型材T6狀態(tài)下屈服強(qiáng)度由274 MPa提升到298 MPa，抗拉強(qiáng)度由291 MPa提升到313 MPa，斷后伸長(zhǎng)率則由9%提升到15%。

（2）6005A鋁合金汽車(chē)防卷入梁產(chǎn)品輥彎加工穩(wěn)定性受擠壓型材再結(jié)晶層厚度影響，再結(jié)晶層越厚，晶粒尺寸越不均勻，輥彎加工間隙偏差值越不穩(wěn)定;反之，再結(jié)晶層越薄，基體晶粒組織越細(xì)小均勻，輻彎加工間隙偏差值穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]單際強(qiáng)，侯丹丹，張今捷，等.6082鋁合金電化學(xué)腐蝕行為及晶間腐蝕機(jī)理研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2018，30（4）： 353-361.

[2]黃志其，胡權(quán)，劉志銘，等.6005和6005A鋁合金組織性能對(duì)比研究[C]//Lw2013第五屆鋁型材技術(shù)（國(guó)際）論壇論文集.廣州：中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)，2013： 467-471

[3]沈健，李彥利，朱鳴峰.在線淬火工藝對(duì)6005A合金擠壓型材組織與性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2003，13（6）： 1461-1466.

[4]鄂英凱，孫巍，康銘，等.鋁合金氧化膜厚度對(duì)攪拌摩擦焊接接頭組織和性能的影響[J].有色金屬材料與工程，2020，41（4）： 32-38.

[5]呂曉春，雷振，張健，等.高速列車(chē)6005A-T6鋁合金焊接接頭軟化分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2014，35（8）： 25-29.

[6]劉靜安，謝水生.鋁合金材料的應(yīng)用與技術(shù)開(kāi)發(fā)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[7]王志偉，汪明樸，王正安，等.在線擠壓淬火對(duì)地鐵列車(chē)用6005A合金力學(xué)性能及微觀組織的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2001，11（4）： 603-606.

[8]彭自業(yè)，趙茂密，姜小龍，等.均勻化處理對(duì)6005A鋁合金軌道交通型材組織和力學(xué)性能的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2017，45（3）： 31-34.

[9]楊路，楊旭，吳楠，等.均勻化制度對(duì)6005A合金組織和沖擊韌性的影響[J].熱處理技術(shù)與裝備，2020，41（5）： 16-19.

[10]孫文超，吳敬哲，于金鳳.均勻化冷卻速率對(duì)6005A鑄錠組織性能的影響[J].鋁加工，2016（3）： 22-25.

[11]李沖.鋁合金中Mg2Si相演變行為及析出長(zhǎng)大機(jī)制的研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[12]岑威，向晶，謝尚昇，等.6005A鋁合金均勻化熱處理后的冷卻工藝對(duì)其組織和性能的影響[J].鋁加工，2019（4）： 30-33.

[13]杜微，王平凱，王立臣.大型鋁合金擠壓型材表面粗晶粒層分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（22）： 21，65.

[14]陳萌萌.鋁合金熱擠壓過(guò)程坯料表層金屬流動(dòng)行為及壓余微觀組織研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2016