時(shí)效制度對(duì)6008鋁合金壓潰及腐蝕性能的影響

謝方亮，李秋梅，劉旭東，付學(xué)丹，李鵬偉

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，鋁合金在保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。保險(xiǎn)杠可實(shí)現(xiàn)汽車正面碰撞時(shí)能量的傳遞與平衡[1-3]。因此保險(xiǎn)杠的吸能性能是體現(xiàn)汽車抗撞性好壞的重要指標(biāo)。6008鋁合金因其具有良好的抗沖擊性和焊接性能，被廣泛用于汽車保險(xiǎn)杠。吸能元件的強(qiáng)度及吸能效果在很大程度上決定了保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的有效性。鋁合金材料制吸能盒產(chǎn)品，不僅滿足了輕量化要求，同時(shí)滿足碰撞吸能要求[4]。在生產(chǎn)過程中，通常需要進(jìn)行熱處理使其在不改變保險(xiǎn)杠外形形狀的條件下提高產(chǎn)品的強(qiáng)度[5-6]。

目前，對(duì)汽車吸能盒用6008鋁合金擠壓型材的力學(xué)性能、壓潰性能及腐蝕性能的研究報(bào)道較少。因此，本文以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)為前提，通過力學(xué)性能測(cè)試、壓潰試驗(yàn)和腐蝕試驗(yàn)，研究了不同時(shí)效制度對(duì)汽車保險(xiǎn)杠吸能盒用6008鋁合金擠壓型材力學(xué)性能、壓潰性能及腐蝕性能的影響，以求得到最佳綜合性能的時(shí)效制度，為保險(xiǎn)杠吸能盒生產(chǎn)制造行業(yè)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文以6008鋁合金擠壓型材作為試驗(yàn)對(duì)象，其化學(xué)成分見表1。采用擠壓、在線水冷淬火工藝生產(chǎn)。產(chǎn)品屈服強(qiáng)度要求大于250 MPa，在滿足屈服強(qiáng)度要求和便于產(chǎn)品實(shí)際加工制造的情況下，選用不同時(shí)效制度150 ℃×10 h、170 ℃×8h、200 ℃×3 h、150 ℃×3 h+190 ℃×7 h和150 ℃×3 h+200 ℃×3 h進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。截取不同狀態(tài)的吸能盒試樣進(jìn)行壓潰試驗(yàn)，試樣規(guī)格200 mm。采用AG-X 100KN電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)壓潰試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)上下兩端安裝剛性平板，所用測(cè)試軟件為Trapezium X，可輸出力-位移曲線，計(jì)算最大載荷以及曲線下的面積，即吸能值。壓潰測(cè)試的下壓速度為100 mm/min，潰縮量為原尺寸的60%。沿?cái)D壓方向截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。采用AG-X 100KN電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，室溫拉伸試驗(yàn)方法按照ISO 6892-1執(zhí)行。

表1 6008鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 6008 aluminum alloy (mass fraction，%)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

6008鋁合金擠壓型材在不同時(shí)效制度下的力學(xué)性能，如圖1所示。由圖1可知，擠壓型材的斷后伸長(zhǎng)率與抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈反比，強(qiáng)度越高，則伸長(zhǎng)率越低。150 ℃×10 h時(shí)效處理后，擠壓型材的強(qiáng)度最低，但斷后伸長(zhǎng)率較高；170 ℃×8 h時(shí)效處理后，擠壓型材的綜合力學(xué)性能最高；200 ℃×3 h時(shí)效處理后，擠壓型材的斷后伸長(zhǎng)率最高，但強(qiáng)度較低；150 ℃×3 h+190 ℃×7 h和150 ℃×3 h+200 ℃×3 h雙級(jí)時(shí)效處理后，擠壓型材的斷后伸長(zhǎng)率最低，抗拉強(qiáng)度略微降低。

圖1 不同時(shí)效制度下6008鋁合金擠壓型材的力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of 6008 aluminum alloy extruded profiles under different aging system

2.2 壓潰性能

在壓潰過程中，6008鋁合金擠壓型材通過自身塑性變形將碰撞初始動(dòng)能轉(zhuǎn)化為自身內(nèi)能來吸收能量，并將碰撞沖擊力緩沖和限制在一定水平。圖2為不同時(shí)效制度下6008鋁合金擠壓型材靜態(tài)壓潰試樣。150 ℃×3 h+190 ℃×7 h時(shí)效處理后，試樣開裂貫穿整個(gè)壁厚，并出現(xiàn)剝落情況，如圖2(d)所示；150 ℃×10 h時(shí)效處理后，試樣折角處全部開裂，如圖2(a)所示；170 ℃×8 h時(shí)效處理后，試樣褶皺處出現(xiàn)細(xì)小不連續(xù)的橫向及縱向裂紋，如圖2(b)所示；200 ℃×3 h 和150 ℃×3 h+200 ℃×3 h時(shí)效處理后，壓潰效果較好，均未出現(xiàn)裂紋，如圖2(c)和2(e)所示。

最大載荷越小，意味著擠壓型材在受到很小的力時(shí)，會(huì)開始產(chǎn)生變形并吸收能量，以保證保險(xiǎn)杠吸能系統(tǒng)的及時(shí)性；能量吸收越大，意味著發(fā)生碰撞時(shí)，擠壓型材吸收的能量越多，以保證保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的有效性。在不同時(shí)效制度下6008鋁合金擠壓型材的最大載荷及吸收能量變化曲線如圖3(a)所示。由圖3(a)可知，200 ℃×3 h時(shí)效處理后時(shí)，擠壓型材的吸能能量最高且最大載荷也相對(duì)較低。

(a)150 ℃×10 h; (b)170 ℃×8 h; (c)200 ℃×3 h;(d)150 ℃×3 h+190 ℃×7 h; (e)150 ℃×3 h+200 ℃×3 h圖2 壓潰試樣Fig.2 Crushing samples

(a)最大載荷和吸收能量；(b)平均碰撞力圖3 不同時(shí)效制度下6008鋁合金擠壓型材的壓潰性能(a) maximum load and absorbed energy; (b) average collision forceFig.3 Crushing performances of 6008 aluminum alloy extruded profiles under different aging system

在不同時(shí)效制度下6008鋁合金擠壓型材的平均碰撞力變化曲線如圖3(b)所示。由圖3(b)可知，擠壓型材的平均碰撞力與吸收能量成正比。說明發(fā)生碰撞時(shí)，平均碰撞力越大，即吸收能量越大，汽車的抗撞能力越強(qiáng)。

2.3 腐蝕性能

圖4為不同時(shí)效制度下6008鋁合金擠壓型材的晶間腐蝕。由圖4可知，170 ℃×8 h時(shí)效處理后，試樣晶間腐蝕深度最深，為157.18 μm；200 ℃×3 h時(shí)效處理后，試樣腐蝕深度為116.58 μm；雙級(jí)時(shí)效制度下晶間腐蝕深度減小。

3 分析

6008鋁合金擠壓型材經(jīng)150 ℃×10 h時(shí)效處理后，合金內(nèi)部組織為共格球狀GP區(qū)及少量針狀共格β″相，此時(shí)析出的強(qiáng)化相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙較弱，保留了較高的塑性，但強(qiáng)度較低，吸能效果有限。同時(shí)因析出相共格的關(guān)系，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是以切過的方式進(jìn)行，壓潰變形所受剪切應(yīng)力過大，導(dǎo)致壓潰效果較差。170 ℃×8 h為峰值時(shí)效狀態(tài)，球狀GP區(qū)迅速長(zhǎng)大，同時(shí)由于彌散析出的β′相顆粒的出現(xiàn)，增強(qiáng)了對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用，使得擠壓型材的強(qiáng)度提高，腐蝕性能降低。在200 ℃×3 h時(shí)效時(shí)，時(shí)效強(qiáng)度超過了強(qiáng)化峰值，形成β(Mg2Si)穩(wěn)定相，最后形成的穩(wěn)定相β與基體呈非共格關(guān)系，晶內(nèi)析出相進(jìn)一步長(zhǎng)大。因此，200 ℃×3 h時(shí)效制度更有利于材料的變形，且組織也更穩(wěn)定，表現(xiàn)出最優(yōu)的綜合性能[7-9]。

(a)150 ℃×10 h; (b)170 ℃×8 h; (c)200 ℃×3 h;(d)150 ℃×3 h+190 ℃×7 h; (e)150 ℃×3 h+200 ℃×3 h圖4 不同時(shí)效制度下6008鋁合金擠壓型材的晶間腐蝕Fig.4 Intergranular corrosion of 6008 aluminum alloy extruded profiles under different aging system

隨著時(shí)效溫度的升高，溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)越大，析出相長(zhǎng)大速率越快，原子的粗化率提高[10]。與雙級(jí)時(shí)效150 ℃×3 h+190 ℃×7 h相比，150 ℃×3 h+200 ℃×3 h時(shí)效處理后的析出相長(zhǎng)大速率快，也更易于趨于穩(wěn)定；時(shí)效后晶界擴(kuò)散相球化程度和尺寸等較大，故其壓潰效果差，晶間腐蝕性能有所改善[11]。

4 結(jié)論

1)200 ℃×3 h時(shí)效處理后，6008鋁合金擠壓型材具有最大的吸收能量和平均碰撞力，且最大載荷相對(duì)較小，靜態(tài)壓潰效果最優(yōu)；

2)175 ℃×8 h時(shí)效處理后，6008鋁合金擠壓型材的晶間腐蝕深度最深為157.18 μm，其余時(shí)效制度下腐蝕性能均有所改善；

3)結(jié)合產(chǎn)品性能要求和生產(chǎn)效率，200 ℃×3 h可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，為最佳時(shí)效制度。