汽車彎曲件用7xxx系合金的停放穩(wěn)定性研究

董劉穎,孫 強(qiáng),謝方亮,馬龍飛,楊 明,鄧 鑫

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽 111003)

隨著環(huán)境保護(hù)意識的不斷提高,汽車輕量化成為重點(diǎn)研究方向,對于新能源汽車而言,整車重量降低10%,電量節(jié)省4%～5%。因此材料強(qiáng)度的提高是汽車減重的主要發(fā)展趨勢,由此越來越多的7xxx系鋁合金應(yīng)用于汽車中。汽車防撞橫梁、防卷入梁、上頂邊梁等需要對擠壓型材進(jìn)行彎曲成形,這要求材料在人工時(shí)效狀態(tài)下具有較高強(qiáng)度的同時(shí),還要求在T4狀態(tài)下具有較低的強(qiáng)度和較好的停放穩(wěn)定性,來保證彎曲成形性能[1,2]。經(jīng)過熱擠壓成型的7xxx系可熱處理強(qiáng)化鋁合金,在停放過程中隨著時(shí)間的增加,強(qiáng)度增加,但越來越趨于穩(wěn)定[3]。汽車廠一般要求停放穩(wěn)定時(shí)間為6個(gè)月,在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行彎曲有助于快速固化彎曲工藝,提高成品率,提高生產(chǎn)效率,降低成本。因此通過預(yù)處理使材料提前到達(dá)停放穩(wěn)定狀態(tài)的研究很有必要。

本文以7xxx系鋁合金擠壓型材為研究對象,對比不同預(yù)時(shí)效溫度、不同停放時(shí)間對力學(xué)性能、彎曲成形性能的影響,確定最佳的預(yù)時(shí)效工藝以及停放穩(wěn)定時(shí)間,為實(shí)際生產(chǎn)提供支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為7xxx系鋁合金汽車用防撞型材,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為,Si 0.1,Fe 0.15,Mg 0.90～0.11,Zn 4.8～5.0,Ti 0.05,Cu 0.1,Mn 0.05,Zr 0.1～0.3。

1.2 試驗(yàn)方法

型材擠出后,采用納博熱空氣循環(huán)爐進(jìn)行預(yù)時(shí)效熱處理和最終的雙級時(shí)效處理,雙級時(shí)效制度為100 ℃×9 h+165 ℃×8 h。根據(jù)擠壓型材的使用性能,探究不同預(yù)時(shí)效熱處理以及停放天數(shù)對組織、力學(xué)及彎曲性能的影響,預(yù)時(shí)效制度為(80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃)×1 h,停放天數(shù)為1 d、2 d、3 d、7 d、10 d、20 d、30 d、40 d、50 d、60 d、90 d、120 d。采用AG-X型250 KN電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)設(shè)定速度為60 mm/min,彎曲角度為90°,采用掃描電鏡進(jìn)行微區(qū)形貌觀測。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 預(yù)時(shí)效對強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)在丁浩等人的熱處理工藝對7003鋁合金組織性能影響研究基礎(chǔ)上[4],進(jìn)行預(yù)時(shí)效制度研究,預(yù)時(shí)效選擇80 ℃、100 ℃、120 ℃和140 ℃四個(gè)溫度,然后分別停放1 d～120 d,所得的力學(xué)性能與對應(yīng)天數(shù)的T4態(tài)做對比,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比對比如圖1所示。

(a)屈服強(qiáng)度;(b)抗拉強(qiáng)度;(c)屈強(qiáng)比圖1 不同預(yù)時(shí)效制度、不同停放天數(shù)下力學(xué)性能對比Fig.1 Comparison of mechanical properties under different pre-aging systems and parking days

如圖1(a)(b)所示,不同的預(yù)時(shí)效溫度對屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響較大。80 ℃、100 ℃預(yù)時(shí)效態(tài),前40 d屈服強(qiáng)度和T4狀態(tài)相近,40 d后,高于T4態(tài);120 ℃預(yù)時(shí)效態(tài),屈服強(qiáng)度先低于后等于T4態(tài);140 ℃屈服強(qiáng)度與120 ℃的相近。整體呈現(xiàn)隨著預(yù)時(shí)效溫度的提高,屈服強(qiáng)度降低的現(xiàn)象,抗拉強(qiáng)度受溫度的影響與屈服強(qiáng)度變化趨勢相近。隨著1 d～120 d停放天數(shù)的增加,預(yù)時(shí)效態(tài)、T4態(tài)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均不斷增加,且強(qiáng)度提升幅度越來越小。預(yù)時(shí)效120 ℃溫度下,停放90 d強(qiáng)度開始趨于穩(wěn)定,屈服強(qiáng)度265 MPa,停放至120 d屈服強(qiáng)度266 MPa,屈服強(qiáng)度增量僅為1 MPa。

從圖1(c)可以看出,T4態(tài)的屈強(qiáng)比最小,預(yù)時(shí)效處理相對T4狀態(tài)來說,帶來了屈強(qiáng)比的增加。100 ℃預(yù)時(shí)效態(tài)的屈強(qiáng)比最小,140 ℃的屈強(qiáng)比最大,80 ℃較120 ℃稍小。隨著停放時(shí)間0～120 d的增加,屈強(qiáng)比增加,且幅度越來越小。因此,綜合來看120 ℃為最佳的預(yù)時(shí)效溫度。

2.2 預(yù)時(shí)效對彎曲性能的影響

在停放0～30 d、30 d～60 d、60 d～90 d、90 d～120 d等四個(gè)停放區(qū)間的樣品中,抽取10支試樣進(jìn)行彎曲測試[5],不同停放區(qū)間的平均回彈角度和極差對比如圖2所示。彎曲回彈是是彎曲成形的重要因素,因此用回彈角來評估彎曲性能,極差為區(qū)間內(nèi)最大回彈角和最小回彈角之間的差值,差值越小,代表回彈角度越穩(wěn)定[6,7]。圖2(a)中,隨著停放時(shí)間的增加,平均回彈角越來越大,但增長幅度越來越小。120 ℃預(yù)時(shí)效溫度在0～120 d的整個(gè)停放期間內(nèi)平均回彈角最小,在停放120 d時(shí)的回彈角為3.1°。圖2(b)中,極差隨著停放時(shí)間的增加而減少,極差越小,越有利于彎曲工藝的固化,提高試制效率,預(yù)時(shí)效120 ℃下,停放90 d～120 d的回彈角極差最小,達(dá)0.11°。

(a)平均回彈角;(b)回彈角極差圖2 停放不同區(qū)間內(nèi)的彎曲性能對比Fig.2 Comparison of bending performance in different parking sections

2.3 不同狀態(tài)下的SEM

對于汽車用彎曲件,彎曲工藝對成品率的影響至關(guān)重要,因此取回彈角趨于穩(wěn)定,停放區(qū)間內(nèi)回彈角極差較小的試樣進(jìn)行雙級時(shí)效處理,以得到強(qiáng)度最高的使用狀態(tài)彎曲件。通過微觀組織觀測,出現(xiàn)了尺寸大小、數(shù)量、形態(tài)不同的第二相,尺寸為0.5 μm～3 μm的粒子為粗大顆粒,尺寸為0.05 μm～0.5 μm的粒子為亞微米級顆粒,尺寸為0.01 μm的粒子屬于小尺度細(xì)小沉淀相[8]。停放12d的120 ℃預(yù)時(shí)效態(tài)和T4態(tài)分別進(jìn)行雙級時(shí)效處理的SEM圖如圖3所示。二者組織中均存在粗大的第二相顆粒和亞微米級顆粒,但T4態(tài)與120 ℃預(yù)時(shí)效態(tài)相比,存在較多的亞微米級顆粒。

(a)經(jīng)120℃預(yù)時(shí)效的雙級時(shí)效態(tài);(b)雙級時(shí)效態(tài)圖3 不同狀態(tài)下的掃描組織Fig. 3 Scanning organization in different states

2.4 不同狀態(tài)下的TEM

圖4為停放120 d的120 ℃預(yù)時(shí)效、雙級時(shí)效、120℃預(yù)時(shí)效后雙級時(shí)效等三種狀態(tài)的TEM圖,與未為經(jīng)雙級時(shí)效處理的組織相比,雙級時(shí)效的組織中有大量的呈點(diǎn)狀、棒狀的沉淀相MgZn2析出。而預(yù)時(shí)效又對細(xì)小沉淀相的數(shù)量、分布、尺寸有很大影響,經(jīng)預(yù)時(shí)效處理的試樣,沉淀相更加細(xì)小彌散[9],即數(shù)量多,尺寸小,分布均勻。

(a)120℃預(yù)時(shí)效態(tài);(b)雙級時(shí)效態(tài);(c)經(jīng)120℃預(yù)時(shí)效的雙級時(shí)效態(tài)圖4 不同狀態(tài)下的TEM Fig.4 TEM under different states

通過微觀組織與力學(xué)結(jié)果的綜合對比,經(jīng)120 ℃預(yù)時(shí)效的雙級時(shí)效態(tài)試樣,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度最大,分別為310 MPa、355 MPa,較T4態(tài)直接進(jìn)行雙級時(shí)效的分別高8 MPa和5 MPa,這與TEM圖分析結(jié)果相互印證。

2.5 討論與分析

進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理會在過飽和基體中析出另一種原子團(tuán)簇(pre-η′) ,這類原子團(tuán)簇的析出能夠降低基體的過飽和度,減弱自然時(shí)效析出動力[10],使材料在自然停放前期性能變化小,且在一定時(shí)間內(nèi)提早達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在后續(xù)雙級人工時(shí)效中,在pre-η′基礎(chǔ)上大量形成起主要強(qiáng)化作用的η′相,從而使強(qiáng)度提高。pre-η′的析出與預(yù)時(shí)效制度密切相關(guān),合理的預(yù)時(shí)效溫度能夠使pre-η′團(tuán)簇大量形成,從而使7xxx系鋁合金在預(yù)時(shí)效后更早的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此,120 ℃預(yù)時(shí)效溫度形成了更多的pre-η′團(tuán)簇,減弱了自然時(shí)效析出動力,得到了更低的強(qiáng)度[11,12],并且在停放90 d～120 d中強(qiáng)度先于T4態(tài)進(jìn)入到了穩(wěn)定狀態(tài)。在停放一定天數(shù)后,抑制的時(shí)效析出動力快速恢復(fù),這也是80 ℃、100 ℃強(qiáng)度在40 d后提高的原因。

同一彎曲工藝下,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等與變形抗力有關(guān)的數(shù)值越大,材料越難進(jìn)行塑性變形,彎曲變形后的回彈就越大[13]。因此,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度越低,越有利于材料的彎曲變形,強(qiáng)度越穩(wěn)定,回彈角極差越小,越有利于彎曲成形工藝的固化。

經(jīng)過120 ℃預(yù)時(shí)效處理的材料更多的減弱了自然時(shí)效析出動力,使自然時(shí)效析出更少的溶質(zhì)團(tuán)簇和GP區(qū),在經(jīng)過雙級人工時(shí)效后可析出更多的起主要強(qiáng)化作用的η′相[14],因此120℃預(yù)時(shí)效得到的強(qiáng)度最高。

3 結(jié)論

(1)120 ℃預(yù)時(shí)效態(tài)具有最佳的停放穩(wěn)定性,在停放90 d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),較汽車材一般要求的6個(gè)月停放穩(wěn)定性更早的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),從而縮短工藝周期,提高生產(chǎn)效率。

(2)在停放90 d～120 d區(qū)間內(nèi),彎曲回彈最穩(wěn)定,回彈角極差最小僅為0.11°,這有利于彎曲工藝的固化,提高產(chǎn)品合格率。

(3)120 ℃預(yù)時(shí)效態(tài)停放120 d后,經(jīng)雙級時(shí)效處理可得到更高的強(qiáng)度,較直接雙級時(shí)效處理的抗拉、屈服強(qiáng)度分別高出8 MPa和5 MPa,提高了彎曲件使用狀態(tài)的強(qiáng)度,有助于進(jìn)一步輕量化。