7108鋁合金汽車保險(xiǎn)杠的性能研究

張富亮，徐 寧，王 宇，劉海燕，陸宏韜

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

目前汽車產(chǎn)業(yè)得到了高速發(fā)展，汽車保有量逐年增加，汽車所帶來(lái)的交通安全問(wèn)題也逐漸增多，汽車產(chǎn)品的安全質(zhì)量越來(lái)越被重視。隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，汽車的輕量化成為了趨勢(shì)，使用鋁合金制品替代原有汽車部件得到更廣闊的應(yīng)用，所以汽車鋁合金保險(xiǎn)杠的產(chǎn)品質(zhì)量成為重中之重。我公司為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展針對(duì)汽車保險(xiǎn)杠的性能做出改進(jìn)，提高了保險(xiǎn)杠原有性能，為各客戶及汽車駕乘用戶安全提供了更好的保障。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文選用6005A合金及改進(jìn)后的7108合金進(jìn)行了性能對(duì)比，成分見(jiàn)表1，型材斷面如圖1所示。通過(guò)75 MN擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓、淬火、時(shí)效處理后得出優(yōu)質(zhì)性能的產(chǎn)品[1]。本試驗(yàn)分別通過(guò)力學(xué)性能，金相組織檢測(cè)，晶間腐蝕分析手段對(duì)比分析兩種合金的性能差異，從而論證用7108合金替代6005A合金汽車保險(xiǎn)杠的可行性。

表1 合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical composition (wt.%)

圖1 型材斷面圖Fig.1 Profile section

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鑄錠金相組織檢測(cè)分析

分別選取Φ151mm的6005A合金和7108合金鑄錠，在鑄錠直徑1/4處進(jìn)行金相研磨、拋光。使用低濃度混合酸進(jìn)行腐蝕，最后利用蔡司AX10型顯微鏡對(duì)兩個(gè)樣品進(jìn)行顯微組織觀察，如圖2所示。其鑄錠組織晶間未出現(xiàn)復(fù)熔共晶球，其晶間也未見(jiàn)加寬，兩個(gè)樣品鑄錠未出現(xiàn)過(guò)燒。然后對(duì)兩個(gè)樣品進(jìn)行氟硼酸溶液陽(yáng)極覆膜試驗(yàn)，如圖3所示。通過(guò)GB/T6394-2015比較法進(jìn)行金相晶粒度評(píng)級(jí)，其中6005A合金鑄錠晶粒度等級(jí)為5級(jí)，改進(jìn)后的7108合金晶粒度等級(jí)為4級(jí)。由于6005A合金中添加了Mn和Cr合金，而Mn元素可以改善合金的鑄態(tài)顯微組織，減少枝狀晶粒，起到細(xì)化晶粒作用；Cr元素在熔鑄過(guò)程中與Al基體發(fā)生反應(yīng)生成了Al7Cr化合物，在合金熔體凝固的過(guò)程中起到抑制形核的作用，起到了細(xì)化晶粒的作用，從而導(dǎo)致6005A的鑄錠金相組織要比7108鑄錠金相組織更細(xì)小些。但由于最終產(chǎn)品并未針對(duì)基體晶粒大小提出要求，所以為了控制成本，新改進(jìn)的7108合金中減少了Mn和Cr合金元素含量，導(dǎo)致7108合金的晶粒比6005A合金的晶粒更大一些。

(a)6005A合金500倍金相組織 (b) 7108合金500倍金相組織圖2 金相組織對(duì)比Fig.2 Metallographic structure comparison

(a)6005A合金晶粒度 (b) 7108合金晶粒度 圖3 晶粒度對(duì)比Fig.3 Grain size contrast

2.2 擠壓產(chǎn)品的金相組織檢測(cè)分析

在擠壓制品尾端選取兩種合金金相試樣，通過(guò)研磨、拋光后，使用氟硼酸水溶液進(jìn)行陽(yáng)極覆膜，然后利用蔡司AX10型顯微鏡對(duì)兩種試樣進(jìn)行觀察、測(cè)量，使用NFA 04-503面積法對(duì)再結(jié)晶粗晶層進(jìn)行金相晶粒度評(píng)級(jí)。如圖4所示，結(jié)果顯示6005A合金型材的基體晶粒要比7108合金細(xì)小，其中6005A合金的再結(jié)晶粗晶層晶粒度等級(jí)為0.5級(jí)，7108合金再結(jié)晶粗晶層晶粒度等級(jí)為0級(jí)，二者相近。由于6005A合金中含有0.291%的Mn以及0.142%的Cr，而7108合金中只含有0.013%的Mn以及0.004%的Cr，Mn和Cr具有提高再結(jié)晶溫度及抑制晶粒增長(zhǎng)作用，Mn元素在熱處理時(shí)效過(guò)程中鋁錳會(huì)形成細(xì)小的彌散相顆粒Al12Mn3Si相，這種彌散相對(duì)再結(jié)晶起到了抑制作用[2，3]。同樣Cr元素在冷卻過(guò)程中形成結(jié)晶化合物以及還有部分溶解于基體中形成的過(guò)飽和固溶體，這有助于熱處理過(guò)程中過(guò)飽和固溶體的分解，分解出來(lái)的彌散相有助于阻礙晶界的遷移以及位錯(cuò)的重新排列，起到了抑制變形晶粒再結(jié)晶及再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的作用[4]。所以導(dǎo)致具有較高M(jìn)n和Cr含量的6005A合金在擠壓熱處理時(shí)效后基體晶粒尺寸要小于7108合金基體晶粒尺寸。而再結(jié)晶粗晶層的形成是由于在擠壓過(guò)程中在擠壓力的作用下，使得晶粒間產(chǎn)生較大位向角度，大角度的基體位向有利于在再結(jié)晶過(guò)程中形核-晶粒長(zhǎng)大從而形成較大的再結(jié)晶晶粒。通過(guò)控制7108合金的擠壓工藝，使7108鋁合金制品在擠壓過(guò)程中產(chǎn)生較小的變形量，從而使該合金在后期熱處理過(guò)程中再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大較小，使最終產(chǎn)品得到了與6005A相近的再結(jié)晶粗晶層。

(a)6005A合金 (b)7108合金 圖4 再結(jié)晶晶粒對(duì)比Fig. 4 Comparison of recrystallized grains

2.3 擠壓產(chǎn)品的晶間腐蝕性能

分別選取兩種擠壓產(chǎn)品尾端試樣進(jìn)行試驗(yàn)，稱量30g氯化鈉到1000mL燒瓶中，然后加入去離子水到燒瓶的3/4處，搖晃燒瓶至鹽充分融化，再滴入10mL 37%的鹽酸溶液，最后室溫下向燒瓶中加入去離子水至1000mL并充分混合。將表面處理干凈的試樣放入30℃恒溫水浴環(huán)境的溶液中進(jìn)行24h浸泡試驗(yàn)，把腐蝕完的試樣沖洗干凈烘干后進(jìn)行金相拋光、研磨，然后利用低濃度混合酸進(jìn)行腐蝕，最后使用蔡司顯微鏡進(jìn)行觀察。如圖5所示，6005A型材的晶間腐蝕深度為0.219mm，7108合金型材的晶間腐蝕深度為0.077mm。晶間腐蝕是由于晶界間進(jìn)行了電化學(xué)反應(yīng)，使腐蝕沿著金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴(kuò)展。晶間腐蝕破壞晶粒間的結(jié)合，大大降低鋁合金的力學(xué)性能。而6005A中Si與Mg形成強(qiáng)化相，且 Mg/Si<1.73，這導(dǎo)致合金中的Si元素過(guò)剩，過(guò)剩的Si與合金中的Cu元素組成了 Al-Mg-Si-Cu 系列，這是導(dǎo)致合金具有嚴(yán)重腐蝕傾向的原因。7108合金相比于6005A含銅量較少，降低晶界與晶內(nèi)的電位差，晶間腐蝕傾向小可抑制延晶開(kāi)裂的趨勢(shì)，提高了合金的抗腐蝕性能。7108合金的晶間腐蝕深度明顯低于6005A合金的腐蝕深度，7108合金的耐腐蝕性能要優(yōu)于合6005A合金[5，6]。

(a)6005A晶間腐蝕 (b)7108晶間腐蝕圖5 晶間腐蝕對(duì)比Fig. 5 Intergranular corrosion comparison

2.2 擠壓產(chǎn)品力學(xué)性能分析

選取原6005A合金及改進(jìn)后7108合金的擠壓產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)拉伸及折彎試驗(yàn)，試驗(yàn)分別選取4組材料，1#～4#為6005A合金試樣，5#～8#為7108合金試樣，力學(xué)拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，力學(xué)折彎試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 力學(xué)拉伸性能試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.2 Comparison data of mechanical properties test

表3 力學(xué)折彎性能試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.3 Comparison data of mechanical bending performance test

從表2可以看出，7108合金的性能明顯高于6005A合金，6005A合金平均屈服強(qiáng)度為290.5MPa，抗拉強(qiáng)度為316.2MPa，7108合金平均屈服強(qiáng)度為318MPa，抗拉強(qiáng)度為356MPa，屈服強(qiáng)度性能提高9.47%，抗拉強(qiáng)度性能提高12.59%。從表3可以看出，改進(jìn)后的7108合金折彎角度明顯提高，材料可承受的最大彎曲力值也得到了提高，最大彎曲力值提高了21.32%。由于7108合金的Zn元素含量要高于6005A合金，Zn元素在合金中主要以MgZn2形式存在，合金中MgZn2相具有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，在熱處理時(shí)效過(guò)程中從基體沉淀析出的MgZn2相起到了強(qiáng)化合金的作用，使得7108合金強(qiáng)度要好于6005A合金。由于此產(chǎn)品主要應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠中，所以7108合金材料在碰撞過(guò)程中的強(qiáng)度要好于6005A材料，碰撞過(guò)程中可承受更大的彎曲角度及可承受更大的彎曲力值，對(duì)車輛及駕駛者能夠起到更好的保護(hù)作用。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)制品進(jìn)行力學(xué)分析得出，7108合金的力學(xué)拉伸性能及折彎性能都高于6005A合金。

(2)由于7108合金中Cu含量較少，降低了晶間腐蝕傾向，導(dǎo)致7108合金的耐腐蝕性能要好于6005A合金。

(3)6005A合金中可抑制晶粒增大的Mn和Cr元素多于7108合金，所以導(dǎo)致7108合金的基體晶粒尺寸大于6005A，但通過(guò)控制7108合金制品的擠壓工藝最終使7108合金的再結(jié)晶粗晶層厚度和6005A合金相近。

由于客戶對(duì)材料的基體晶粒度未做要求，只要求控制材料的再結(jié)晶粗晶層尺寸，所以7108合金可以取代原6005A合金應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠中。7108合金能夠使汽車保險(xiǎn)杠的綜合性能得到提高，能夠更好保障行車人身的安全。