一種新能源汽車(chē)零件用鋁棒工藝探討

文/魯輝·北京新光凱樂(lè)汽車(chē)?yán)涑尚图煞萦邢薰?/p>

陳亮亮·鼎久新材料（昆山）有限公司

王建峰·北京新光凱樂(lè)汽車(chē)?yán)涑尚图煞萦邢薰?/p>

6061 是屬于A(yíng)l-Mg-Si 系的鋁合金，是一種可熱處理強(qiáng)化鋁合金，Mg2Si 是該鋁合金材料中最重要的強(qiáng)化相，該合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性、可焊性、延展性、氧化性，材料被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中；在國(guó)家大力推廣新能源汽車(chē)政策下，汽車(chē)輕量化的關(guān)鍵就是對(duì)輕合金的使用，于是6xxx 鋁合金在汽車(chē)零部件行業(yè)廣泛使用。汽車(chē)零部件最終使用的鋁合金多為T(mén)6 狀態(tài)，出于對(duì)汽車(chē)安全性的考慮，以及要求汽車(chē)零部件使用壽命長(zhǎng)、零部件之間配合精度要求高，故在進(jìn)行汽車(chē)零部件精密加工的時(shí)候，不僅對(duì)材料的組織有比較高的要求，而且對(duì)材料的硬度及殘余應(yīng)力也有非常高的要求。

針對(duì)市場(chǎng)的需求，通過(guò)化學(xué)成分的調(diào)整，制定合理的擠壓工藝和拉伸量，最終生產(chǎn)出6061 鋁棒完全達(dá)到使用要求：粗晶環(huán)深度小于0.5mm、晶粒度小于1 級(jí)、布氏硬度大于95HB、加工變形尺寸小于0.02mm，達(dá)到進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，替代了進(jìn)口的同類(lèi)產(chǎn)品。

試驗(yàn)用料和方案

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用6061 合金，其成分符合GB/T 3190-2020標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)產(chǎn)品使用實(shí)際情況，選擇使用了兩種成分(表1)。

表1 鋁合金化學(xué)成分(%)

試驗(yàn)采用φ305mm 鑄棒，鑄棒在生產(chǎn)前進(jìn)行了鋁合金均質(zhì)化處理，該熱處理加熱溫度為(570±5)℃，保溫時(shí)間為5h，到時(shí)間后鑄棒運(yùn)出加熱爐進(jìn)行空氣冷卻1h，然后使用工業(yè)冷卻水對(duì)其四周進(jìn)行噴射式冷卻，一直進(jìn)行到鑄棒降溫至室溫后停止，時(shí)間為2h，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 工藝參數(shù)

試驗(yàn)6061 擠壓棒目標(biāo)值

要求產(chǎn)品最終低倍檢測(cè)粗晶環(huán)深度小于0.5mm，晶粒度小于1 級(jí)，布氏硬度大于95HB，加工變形尺寸小于0.02mm。

試驗(yàn)內(nèi)容

⑴化學(xué)成分對(duì)6061 鋁棒性能及晶粒度的影響，采用不同化學(xué)成分的鋁棒試驗(yàn)。

⑵擠壓工藝對(duì)6061 鋁棒晶粒度及硬度的影響。

⑶拉伸量的大小對(duì)消除殘余應(yīng)力的影響。

拉伸量=[(拉伸后產(chǎn)品的長(zhǎng)度-拉伸前產(chǎn)品的長(zhǎng)度)÷拉伸前產(chǎn)品的長(zhǎng)度]×100%，鋁制品正常拉伸是為了消除產(chǎn)品擠壓過(guò)程中的產(chǎn)生的現(xiàn)象彎曲，拉伸量比較低，一般情況下低于0.3%。

試驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

化學(xué)成分對(duì)6061 鋁棒性能與晶粒度的影響

6061 鋁合金主要強(qiáng)化相為Mg2Si，Mg 與Si 的比值為1.73:1，提高Si 含量，使Si 過(guò)剩可以提高淬火和時(shí)效后材料的硬度；從表3 可以看到材料的硬度大于95HB，這與合金中Si 含量控制在6061 合金Si 含量的上限(0.4%～0.8%)有直接的關(guān)系。表3 中可以看到在相同的速度下合金B(yǎng) 的粗晶環(huán)及晶粒度要明顯優(yōu)于合金A。這是由于合金B(yǎng) 中的Cr 和Mn元素含量明顯高于合金A中Cr 和Mn 元素含量；在合金中添加Cr 和Mn 元素能明顯提高再結(jié)晶溫度，同時(shí)抑制Mg2Si 相在晶界析出，可以細(xì)化晶粒延緩自然時(shí)效，提高人工時(shí)效后的強(qiáng)度。合金B(yǎng) 中添加Cr 及Mn 元素含量達(dá)到這兩個(gè)元素規(guī)定范圍的上限，目的也是最大限度的提高再結(jié)晶溫度及細(xì)化晶粒，從表3 可以看出在同樣的速度下合金B(yǎng) 的產(chǎn)品檢測(cè)晶粒明顯比合金A 小。

擠壓工藝對(duì)6061 鋁棒晶粒度的影響

表3 中顯示當(dāng)擠壓生產(chǎn)時(shí)的溫度以及擠壓比一致時(shí)，擠壓速度較快的材料晶粒度的尺寸是大于擠壓速度較慢的材料，這個(gè)結(jié)果是因?yàn)樵谑褂幂^低速度生產(chǎn)時(shí)，鋁合金材料與生產(chǎn)使用的模具之間存在著相互摩擦，但是速度較慢的時(shí)候，金屬相互之間的摩擦力比較小，在摩擦力的拉扯下，鋁合金材料的變形不是十分劇烈，內(nèi)部的組織變形較??；而同時(shí)由于擠壓速度慢，鋁合金材料與擠壓機(jī)的擠壓筒以及模具之間的熱傳導(dǎo)時(shí)間比較長(zhǎng)，這就導(dǎo)致了變形時(shí)材料的熱量散發(fā)比較多，使鋁合金因?yàn)椴牧献冃螠囟壬仙苌伲踔吝€有下降的趨勢(shì)，而該系鋁合金材料表面金屬能易聚集，這樣就抑制了該金屬材料表面晶粒的長(zhǎng)大，呈現(xiàn)出內(nèi)外層材料組織變形比較均勻，表現(xiàn)出來(lái)的最終結(jié)果就是表面未形成粗晶環(huán)。

表3 產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果

興盛時(shí)期： 清末民國(guó)時(shí)期品類(lèi)示例： 清 錫制鹿托寶瓶燭臺(tái)流行范圍： 宮廷 官宦 富足階層上榜理由： 質(zhì)軟易塑工藝精 清末民國(guó)達(dá)巔峰款式典雅顯高端 饋贈(zèng)親友俏十分

當(dāng)擠壓速度比較快的時(shí)候，其中一方面由于鋁合金材料與鋼模具的?？坠ぷ鲙еg的摩擦力，使內(nèi)外層材料組織流動(dòng)差加大，外層的金屬材料形成了強(qiáng)烈的切應(yīng)力變形區(qū)，在材料的外層變形區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的剪切變形使得這部分金屬材料的畸變能大大提高，從而聚集了大量的位錯(cuò)。這樣的畸變位錯(cuò)形成了眾多的質(zhì)點(diǎn)，非常有利于再結(jié)晶生成，另一方面內(nèi)外層交織的變形區(qū)域材料劇烈的剪切變形同時(shí)也加劇了變形熱效應(yīng)，由此提高了材料內(nèi)部溫度，使用較快速度擠壓的時(shí)候，隨著時(shí)間的推移，生產(chǎn)到最后的時(shí)候，產(chǎn)品的尾部由于摩擦變形產(chǎn)生的大量的熱量來(lái)不及散發(fā)出去造成材料溫度急劇升高，這樣非常有利于產(chǎn)品邊部的晶粒長(zhǎng)大，長(zhǎng)大的晶粒聚集在一起形成粗晶環(huán)。

拉伸量的大小對(duì)消除殘余應(yīng)力的影響

從表3 中可以看到拉伸量分別為小于0.3%、1%、2%時(shí)，制品的變形尺寸隨著拉伸量的大小變化很大，拉伸量為小于0.3%時(shí)制品變形最大，而拉伸量為1%時(shí)次之，而拉伸量達(dá)到2%時(shí)，制品的變形尺寸最??；這是由于產(chǎn)品經(jīng)過(guò)高溫?cái)D壓后在進(jìn)入冷卻水槽中進(jìn)行快速冷卻的時(shí)候，鋁合金材料表層冷卻速率比材料內(nèi)層的冷卻速率大，材料表層驟冷引起急劇收縮，由于材料的整體連續(xù)性，導(dǎo)致材料表層組織產(chǎn)生相互的拉應(yīng)力，內(nèi)層材料產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著冷卻的不斷進(jìn)行，鋁合金材料內(nèi)層也隨著冷卻而產(chǎn)生收縮，使材料整體的內(nèi)應(yīng)力重新分配，最后導(dǎo)致材料表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，材料內(nèi)層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

對(duì)鋁合金材料整體進(jìn)行拉伸實(shí)質(zhì)是通過(guò)外加的拉伸力與原來(lái)淬火導(dǎo)致的殘余應(yīng)力相互作用發(fā)生新的塑性變形，使殘余應(yīng)力釋放和消減，最終使其達(dá)到新的內(nèi)應(yīng)力平衡。對(duì)淬火后的鋁合金制品進(jìn)行拉伸，受壓應(yīng)力的表層金屬材料和受拉應(yīng)力的內(nèi)層金屬材料，它們?cè)谑艿绞┘硬牧险w的拉伸外力作用后都將發(fā)生變形。當(dāng)給予的拉伸力超過(guò)該金屬材料所能承受的彈性變形極限后，就會(huì)發(fā)生材料的塑性變形，隨著施加的拉伸力不斷增加，金屬材料表層的壓應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，而材料內(nèi)層一直受拉應(yīng)力的作用，當(dāng)拉伸力停止后，鋁合金制品會(huì)發(fā)生彈性回復(fù)，只剩下塑性變形，在材料的回彈過(guò)程中，縱向內(nèi)應(yīng)力會(huì)被釋放。作用的拉伸力較小的話(huà)，鋁合金制品的拉伸量也比較少，這樣導(dǎo)致該制品僅做彈性變形或較小的塑性變形，其塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)力還不足以抵消由于淬火而產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，整個(gè)鋁合金制品內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力值仍較大。隨著拉伸力的不斷施加而引起鋁合金制品拉伸量的增加，當(dāng)拉伸量達(dá)到理論值時(shí)，在理論上其內(nèi)部殘余應(yīng)力應(yīng)該為零。隨著拉伸力繼續(xù)施加，鋁合金制品的過(guò)量塑性變形會(huì)產(chǎn)生額外的應(yīng)力疊加，從而最終的殘余應(yīng)力消減效果減弱。因此經(jīng)過(guò)淬火處理的材料要獲得較好的殘余應(yīng)力消減效果，就必須合理控制拉伸量；通過(guò)大量的試驗(yàn)，6061 鋁合金材料使用2%左右的拉伸量，其內(nèi)應(yīng)力可以得到很好的消減效果。

結(jié)論

⑴6061 鋁合金主要強(qiáng)化相為Mg2Si，Mg 與Si 的比值為1.73:1，提高Si 含量，使Si 過(guò)?？梢蕴岣叽慊鸷蜁r(shí)效后材料的硬度；在合金中添加Cr 及Mn 元素，達(dá)到這兩個(gè)元素規(guī)定范圍的上限，目的也是最大限度的提高再結(jié)晶溫度及細(xì)化晶粒；通過(guò)比較選用合金B(yǎng)。

⑵擠壓速度對(duì)制品的晶粒度影響很大，采用擠壓溫度(500 ～520)℃、擠壓速度(4 ～6)mm/s 擠壓工藝生產(chǎn)的制品可以獲得優(yōu)良的晶粒組織。

⑶拉伸量控制在2%左右制品的內(nèi)應(yīng)力可以得到很好的消減，變形尺寸可以小于0.02mm，完全滿(mǎn)足使用要求。