熱處理鍛造工藝對(duì)汽車懸架鋁合金控制臂微觀組織影響研究

韓秋燕

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265500)

隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步，使汽車行業(yè)的發(fā)展規(guī)模越來越大。高質(zhì)量、低成本、無污染的要求成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要發(fā)展方向之一。鋁合金憑借自身高回收率、低成本、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域。汽車控制臂的質(zhì)量可直接決定汽車的穩(wěn)定性，傳統(tǒng)控制臂主要采用鍛造技術(shù)作為核心加工技術(shù)。但是控制臂的形狀較為復(fù)雜，使控制臂的成型較為困難，并且性能不均勻。為合理的使用鋁合金材料，本研究以6082鍛造鋁合金控制臂作為主要研究對(duì)象，分析熱處理技術(shù)對(duì)汽車懸架6082鋁合金控制臂組織和力學(xué)性能的影響。

1 汽車懸架6082鋁合金控制臂鍛造工藝分析

對(duì)汽車懸架6082鋁合金控制臂的鍛造工藝進(jìn)行分析時(shí)，選用2點(diǎn)臂作為主要研究對(duì)象。2點(diǎn)臂屬于一種兩端體積較大、中間較薄的零件，該零件具有整體橫截面積不均、分模面形狀復(fù)雜等特性。為此,本研究將該控制臂的特性作為主要依據(jù)，制定出鋁合金控制臂的鍛造工藝：楔橫軋-彎曲-預(yù)鍛-終鍛-切邊。6082鋁合金控制臂鍛造過程：首先利用楔橫軋和彎曲工藝將坯料終鍛成需要的形狀；但是，該操作易使坯料出現(xiàn)折疊、充不滿等現(xiàn)象。為最大限度地避免該現(xiàn)象的發(fā)生，需要通過預(yù)鍛的方式對(duì)坯料進(jìn)行預(yù)處理，該工藝可有效降低坯料出現(xiàn)缺陷的概率。為降低坯料成形難度，同時(shí)提高6082鋁合金控制臂的生產(chǎn)效率及鍛件質(zhì)量，采用預(yù)鍛及終鍛2個(gè)步驟完成坯料的成形工作[1-2]。

影響鋁合金控制臂成形的主要因素包括：模具溫度和鍛造溫度。若鍛造溫度較為合適，對(duì)6082鋁合金控制臂的使用性能具有提升作用；若鍛造溫度不合適，可直接影響鍛件的性能及質(zhì)量，鍛件出現(xiàn)粗晶、混晶等現(xiàn)象。鋁合金控制臂最常見的缺陷為粗晶，該缺陷可大大降低鍛造產(chǎn)品的強(qiáng)度。當(dāng)鍛件內(nèi)部組織為粗晶組織時(shí)，或者內(nèi)部粗晶組織向細(xì)晶組織變化的過渡階段，可降低鍛件的疲勞強(qiáng)度。由此可表明，合理的模具溫度對(duì)鍛件的性能影響較大。若模具溫度低于正常水平，可加速金屬的冷卻速度，使鍛造坯料的溫度過低，無法充滿整個(gè)型腔，并在鍛件的表面形成粗晶組織。為獲取性能優(yōu)越的鋁合金控制臂，本研究對(duì)模具的溫度進(jìn)行適當(dāng)提高，該方式對(duì)鍛件表層與中心之間的溫度差具有降低作用，使鍛件的溫度分布較為均勻，以此得到組織穩(wěn)定的鋁合金控制臂[3-4]。

通過上述分析可知，熱處理對(duì)鋁合金控制臂的微觀組織及性能的影響較大，合適的熱處理工藝可有效提升鋁合金控制臂的性能。常用的熱處理方法主要包括固溶處理和時(shí)效處理，其中固溶處理方法的目的是為了保證鍛件經(jīng)過淬火處理后，可得到過飽和固溶體，該方法的處理過程是將溶質(zhì)原子充分融入至基體內(nèi)部。時(shí)效處理方法的處理過程：將過飽和固溶體形成細(xì)小、彌散的強(qiáng)化相粒子，通過彌散相可使坯料內(nèi)部組織的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，從而制成強(qiáng)化鋁合金[5-6]。

本研究為驗(yàn)證熱處理對(duì)鋁合金控制臂的組織及力學(xué)性能的影響，選用6082鋁合金控制臂作為主要研究對(duì)象。首先切取部分6082鋁合金控制臂作為試驗(yàn)樣本，利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)試驗(yàn)樣本的組織進(jìn)行觀察，該樣本的組織中包括固溶基體α(Al)以及微米級(jí)第2相粒子。通過能譜對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行檢測(cè)可知，樣本內(nèi)包含的黑色球化粒子由Al、Mg、Si3種元素共同組成，三者在黑色球化粒子中的含量分別為97.78%、1.52%、0.7%，由此可判定黑色球化粒子為Mg2Si粒子，該粒子經(jīng)過固溶處理后，即可充分融入至鋁合金基體中，并且該粒子經(jīng)過時(shí)效處理后，可析出大量強(qiáng)化相粒子，該粒子分布較為均勻。試驗(yàn)樣本內(nèi)包含的白色粒子主要由Al、Fe、Mn、Si4種元素共同組成，其在白色粒子中的含量分別為70.33%、9.67%、10.15%、8.04%，由此可判定黑色球化粒子為AlFe(Mn)Si相。通過對(duì)6082鋁合金控制臂的力學(xué)性能進(jìn)行分析可知，該材料的硬度為102.80 HV、壓縮強(qiáng)度為204.20 MPa、壓縮率為25.34%。該材料的硬度和強(qiáng)度的數(shù)值越低，表明該材料的壓縮率越好[7-8]。

2 固溶處理對(duì)汽車懸架6082鋁合金控制臂的組織與力學(xué)性能影響

2.1 固溶處理對(duì)鋁合金控制臂組織的影響

將6082鋁合金控制臂試驗(yàn)樣本置于不同的固溶溫度環(huán)境下進(jìn)行熱處理，固溶溫度及時(shí)效分別為545 ℃×2 h×5 s(a)、555 ℃×2 h×5 s(b)、565 ℃×2 h×5 s(c)。經(jīng)過熱處理的6082鋁合金控制臂內(nèi)部組織析出棒狀和針狀的相，利用能譜方法對(duì)2種第2相進(jìn)行檢測(cè)，其中固溶溫度及時(shí)效為545 ℃×2 h×5 s時(shí)，試驗(yàn)樣本內(nèi)部組織包含的元素與鍛造后鋁合金析出的相一致，均為灰色棒狀，可確定該樣本為AlFe(Mn)Si相；6082鋁合金控制臂析出相a點(diǎn)掃描結(jié)果如表1所示[9-10]。

表1 6082鋁合金控制臂析出相a點(diǎn)掃描結(jié)果Tab.1 Point a scanning results of precipitates in 6082 aluminum alloy control arm

當(dāng)固溶溫度及時(shí)效為555 ℃×2 h×5 s時(shí)，試驗(yàn)樣本內(nèi)部組織由Al、Mg、Si3種元素共同組成，可確定該樣本為Mg2Si；6082鋁合金控制臂析出相b點(diǎn)掃描結(jié)果如表2所示。

表2 6082鋁合金控制臂析出相b點(diǎn)掃描結(jié)果Tab.2 Point b scanning results of precipitates in 6082 aluminum alloy control arm

隨著固溶溫度的不斷升高，合金時(shí)效為180 ℃×7 h后，6082鋁合金控制臂組織中的Mg2Si相數(shù)目明顯增多，并且內(nèi)部組織更加細(xì)小、均勻的分布。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因：固溶溫度不斷升高，可使合金元素充分融入至鋁合金基體中，此時(shí)對(duì)各元素進(jìn)行淬火操作，即可形成分布均勻的Mg2Si強(qiáng)化相，可有效提高6082鋁合金控制臂的力學(xué)性能。

當(dāng)固溶處理的時(shí)間不同時(shí)，隨著固溶時(shí)間不斷增加，可使試驗(yàn)樣本時(shí)效后Mg2Si的析出相增多，該現(xiàn)象的原理與固溶溫度變化的原理一致。待鋁合金完成固溶后，將鋁合金置于空氣中滯留不同的時(shí)間后進(jìn)行淬火處理，最后經(jīng)過時(shí)效180 ℃×7 h處理。通過SEM對(duì)處理后的鋁合金組織進(jìn)行觀察可知，經(jīng)過淬火操作前的鋁合金在空氣中滯留的時(shí)間延長(zhǎng)，而經(jīng)過時(shí)效處理后的試驗(yàn)樣本內(nèi)Mg2Si的析出相數(shù)量減少。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因：對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行淬火操作的過程中，由于樣本在空氣中滯留時(shí)間過長(zhǎng)，使過飽和固溶體中不斷析出合金元素，造成該固溶體的飽和度持續(xù)下降，由此導(dǎo)致析出相數(shù)量大幅度的減少。但是，AlFe(Mn)Si析出相不隨著熱處理溫度和時(shí)間的變化而變化，該現(xiàn)象表明其熱穩(wěn)定性較強(qiáng)[11-12]。利用XRD衍射對(duì)經(jīng)過時(shí)效及固溶處理后的6082鋁合金進(jìn)行分析可知，該鋁合金的成分未發(fā)生明顯變化，其內(nèi)部包括3種析出相：Mg2Si、AlFeSi、AlMnSi。由于鋁合金生成晶體過程中，其內(nèi)部Mn、Fe元素均可彼此替代，此時(shí)利用能譜對(duì)該材料進(jìn)行分析，表明6082鋁合金的析出相為AlFe(Mn)Si[13-14]。

2.2 固溶處理對(duì)鋁合金控制臂力學(xué)性能的影響

當(dāng)固溶溫度由原來的545 ℃升高至555 ℃時(shí)，6082鋁合金的硬度及壓縮強(qiáng)度均處于升高狀態(tài)；當(dāng)固溶溫度為565 ℃時(shí)，6082鋁合金的硬度及壓縮強(qiáng)度均處于下降狀態(tài)，并且6082鋁合金的壓縮率不斷降低。6082鋁合金實(shí)際上是一種典型的時(shí)效強(qiáng)化型合金，其力學(xué)性能易受強(qiáng)化相的尺寸、數(shù)量等因素的影響。隨著固溶溫度的不斷升高，有利于提升6082鋁合金內(nèi)溶質(zhì)元素的濃度，同時(shí)也可增加強(qiáng)化相的數(shù)量及形核率；不同固溶溫度下6082鋁合金時(shí)效后的力學(xué)性能，具體如圖1所示[15-16]。

圖1 不同固溶溫度6082鋁合金時(shí)效的力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of 6082 aluminum alloy aged at different solution temperatures

從圖1可以看出，當(dāng)固溶溫度為545 ℃時(shí)，6082鋁合金的顯微組織中含有大量第2相未完全溶解，該現(xiàn)象造成6082鋁合金的時(shí)效效果較差，影響6082鋁合金的壓縮強(qiáng)度。當(dāng)固溶溫度處于上升狀態(tài)時(shí)，可充分溶解材料內(nèi)第2相粒子，對(duì)其進(jìn)行時(shí)效處理后，即可得到尺寸小、分布均勻的強(qiáng)化相，使6082鋁合金的綜合力學(xué)性能良好。

不同固溶時(shí)間下對(duì)6082鋁合金進(jìn)行時(shí)效操作，可提升6082鋁合金的硬度和壓縮強(qiáng)度。當(dāng)固溶時(shí)間超過1 h時(shí)，6082鋁合金的硬度和壓縮強(qiáng)度性能上升較快；當(dāng)固溶時(shí)間超過1.5 h時(shí)，6082鋁合金的硬度和壓縮強(qiáng)度性能上升較慢；當(dāng)固溶時(shí)間為2 h時(shí)，6082鋁合金的硬度和壓縮強(qiáng)度性能趨于最大值，此時(shí)該材料的壓縮率處于降低狀態(tài)。

將鋁合金置于555 ℃的溫度下進(jìn)行固溶處理，固溶處理時(shí)間為1 h。由于固溶處理的時(shí)間較短，使合金內(nèi)部形成的空位較少，不利于溶質(zhì)原子與合金基體之間的融合，對(duì)合金的性能影響較大。隨著固溶時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，可提升合金的硬度及強(qiáng)度，直至鋁合金的性能變化不明顯時(shí)，可表明鋁合金固溶處理完畢。不同固溶時(shí)間下6082鋁合金時(shí)效后的力學(xué)性能如圖2所示[17]。

圖2 不同固溶時(shí)間6082鋁合金時(shí)效的力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of 6082 aluminum alloy aged with different solution time

3 時(shí)效處理對(duì)汽車懸架6082鋁合金控制臂的組織影響

3.1 時(shí)效處理對(duì)鋁合金控制臂組織的影響

將6082鋁合金控制臂試驗(yàn)樣本置于不同的時(shí)效溫度環(huán)境下進(jìn)行熱處理，觀察鋁合金顯微組織的變化情況。時(shí)效溫度分別為160 ℃×8 h(a)、165 ℃×8 h(b)、170 ℃×8 h(c)、175 ℃×8 h(d)、180 ℃×8 h(e)。經(jīng)過熱處理的6082鋁合金控制臂內(nèi)部組織析出灰色粒狀、棒狀A(yù)lFe(Mn)Si和針狀Mg2Si的相。不同時(shí)效溫度下，鋁合金內(nèi)部Mg2Si粒子的變化情況各不相同，當(dāng)時(shí)效溫度為160 ℃時(shí)，鋁合金內(nèi)析出的Mg2Si粒子在數(shù)量上處于較少狀態(tài)，易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象；當(dāng)時(shí)效溫度為175 ℃時(shí)，鋁合金內(nèi)析出的Mg2Si粒子密度明顯增大，此時(shí)鋁合金內(nèi)部組織分布較為均勻；當(dāng)時(shí)效溫度為180 ℃時(shí)，鋁合金內(nèi)析出的Mg2Si粒子尺寸較大。

將6082鋁合金控制臂試驗(yàn)樣本置于不同的時(shí)效時(shí)間環(huán)境下進(jìn)行熱處理，利用SEM觀察鋁合金顯微組織的變化情況。觀察結(jié)果顯示，隨著時(shí)效時(shí)間的不斷變化，鋁合金內(nèi)部組織未出現(xiàn)明顯變化。但是當(dāng)a、d點(diǎn)中Mg2Si粒子的數(shù)量處于不斷增加狀態(tài)時(shí)，該粒子的尺寸變化情況較小。鋁合金內(nèi)部AlFe(Mn)Si相與時(shí)效時(shí)間之間沒有明顯關(guān)聯(lián)[18]。

3.2 時(shí)效處理對(duì)鋁合金控制臂力學(xué)性能的影響

隨著時(shí)效溫度的不斷增加，可提升鋁合金的硬度，當(dāng)時(shí)效溫度為160～170 ℃時(shí)，6082鋁合金硬度的上升趨勢(shì)較為明顯；當(dāng)時(shí)效溫度為175～180 ℃、時(shí)效時(shí)間為5 h時(shí)，6082鋁合金硬度的上升趨勢(shì)較為緩慢；當(dāng)時(shí)效溫度為175～180 ℃時(shí)，隨著時(shí)效時(shí)間的不斷增加，6082鋁合金硬度處于降低狀態(tài)。當(dāng)時(shí)效溫度不同時(shí)，對(duì)6082鋁合金壓縮性能的影響較大，將熱處理后的試驗(yàn)樣本與鍛造鋁合金相比，經(jīng)過熱處理的材料力學(xué)性能優(yōu)于未經(jīng)過處理的材料。試驗(yàn)樣本的壓縮強(qiáng)度變化情況與硬度一致，壓縮率隨著時(shí)效溫度的上升出現(xiàn)下降情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究選用2點(diǎn)臂作為主要研究對(duì)象，探索6082鋁合金控制臂經(jīng)過熱處理后，其組織與性能之間的變化情況及演變規(guī)律。通過對(duì)6082鋁合金控制臂的變化情況進(jìn)行分析可知：6082鋁合金控制臂的最佳固溶處理工藝參數(shù)為555 ℃×2 h×5 s；隨著固溶時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，可提升合金的硬度及強(qiáng)度。6082鋁合金控制臂的最佳時(shí)效工藝參數(shù)為170 ℃×8 h，鋁合金內(nèi)部AlFe(Mn)Si相與時(shí)效時(shí)間之間沒有明顯關(guān)聯(lián)；隨著時(shí)效時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，可提升鋁合金的硬度和強(qiáng)度。