人工時效制度及停放時間對防撞梁用7003鋁合金性能的影響

吳 琪，李佳寧，劉 迪，孟 濤，恒桂英

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽 111003）

0 前言

防撞梁作為汽車碰撞安全裝置中的重要組成部分，當(dāng)車輛發(fā)生低速碰撞時，防撞梁可有效傳遞、緩和碰撞能量。防撞梁兩端后部的吸能盒等吸能部件可通過潰縮、變形等方式充分吸收碰撞能量[1-2]，緩和外界對車身的沖擊，對車體結(jié)構(gòu)起到重要的保護(hù)作用，同時在碰撞事故中保護(hù)行人安全，降低事故率[3-4]。

Al-Zn-Mg（7 ××× 系）合金因其出色的強(qiáng)度、優(yōu)良的焊接性及抗腐蝕性能，被廣泛用于軌道列車及航空航天等領(lǐng)域[5-6]。近年來7×××系鋁合金在交通運(yùn)輸上的應(yīng)用越來越多，用其制造的汽車部件具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕及易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。其中7003 鋁合金已被用于車身安全結(jié)構(gòu)部件的開發(fā)中，如蔚來ES8、ES6 車型的前后縱梁及吸能盒等部件材料就是采用的7003 鋁合金[7]。使用7003鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材，達(dá)到了優(yōu)異的整車剛度及碰撞安全性。

根據(jù)崔家銘[8]等對7003鋁合金在汽車防撞梁上的應(yīng)用研究顯示：7003合金具有較強(qiáng)自然時效現(xiàn)象，隨著停放時間的延長，擠壓型材的力學(xué)強(qiáng)度逐漸升高。該特性對鋁合金防撞梁的生產(chǎn)加工帶來了一定難度。

現(xiàn)研究7003 鋁型材的人工時效、折彎加工等工藝，以取代以往產(chǎn)品中6061 鋁合金防撞梁產(chǎn)品，確保生產(chǎn)出品質(zhì)、性能更佳的鋁合金汽車防撞梁產(chǎn)品。由于7×××系鋁合金型材具有較強(qiáng)的停放效應(yīng)，在后續(xù)加工過程中不會產(chǎn)生彎曲性能差、加工易開裂等缺陷。在經(jīng)過人工時效處理后，7003鋁合金型材力學(xué)性能應(yīng)滿足：Rp0.2≥330 MPa，Rm≥370 MPa，A50mm≥8%。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)合金及要求

此次試驗(yàn)采用汽車防撞橫梁用7003 鋁合金型材，該合金主要強(qiáng)化相為MgZn2和T（Al2Mg3Zn3），它們的強(qiáng)化效果大致相同。合金的耐應(yīng)力腐蝕能力也與Zn、Mg 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和有關(guān)，通過控制Zn、Mg 的含量，合金會有良好的耐應(yīng)力腐蝕性能。所以將Zn 含量控制在5.5%～5.8%，Mg 含量控制在0.75%～0.82%。由于Si 能降低合金強(qiáng)度，并使彎曲性能下降，故嚴(yán)格控制Si含量。表1為試驗(yàn)7003合金化學(xué)成分與國標(biāo)合金成分。

表1 7003鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)型材的制備

試驗(yàn)型材為汽車用7003 鋁合金防撞橫梁，防撞梁截面為中空方管，方管壁厚2.5 mm，其尺寸規(guī)格如圖1所示。該汽車防撞梁鋁型材為中等強(qiáng)度型材，擠壓時選用880 t 臥式擠壓機(jī)生產(chǎn)，米重為1.037 kg/m，鑄錠選用長度為480 mm的鑄棒，熔鑄后須經(jīng)充分均質(zhì)處理，無明顯偏析、表面無油污、裂紋等缺陷。其具體的擠壓工藝參數(shù)如表2所示。

圖1 型材斷面圖

表2 擠壓工藝參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案及測試方法

為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對上述擠壓型材進(jìn)行5因素4水平（L16（45））正交試驗(yàn)，確定預(yù)時效溫度、預(yù)時效時間、最終時效溫度、最終時效時間、停放時間為5個影響因素，分別對16個試樣的力學(xué)性能及折彎角度進(jìn)行測試。采用極差分析法確定最優(yōu)的時效制度及停放時間的影響，試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案

化學(xué)成分檢測試驗(yàn)中，各元素實(shí)測值應(yīng)滿足GB/T 3190《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》中7003成分要求。7003-T6 型材力學(xué)性能滿足：Rp0.2≥330 MPa，Rm≥370 MPa，A50mm≥8%，折彎滿足彎曲角度≥90°。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 合金成分測定

測試設(shè)備采用ARL-3460直讀光譜儀，測試方法應(yīng)符合GB/T 7999—2015《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法》的要求。合金成分檢測結(jié)果如表4所示。

表4 7003合金成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.2 力學(xué)性能、折彎角度結(jié)果及分析

試驗(yàn)設(shè)備采用AG-X 100KN 電子萬能試驗(yàn)機(jī)，力學(xué)拉伸試驗(yàn)應(yīng)符合GB/T 228.1《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的要求，彎曲試驗(yàn)應(yīng)符合GB/T 232—2010《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》的要求。7003 鋁型材在經(jīng)過16 種不同人工時效制度處理及停放時間后，對所得試樣進(jìn)行性能檢測，檢測結(jié)果如表5所示。

表5 7003鋁型材性能檢測結(jié)果

表5共計給出16組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共有3 個試驗(yàn)試樣進(jìn)行檢測，記錄檢測數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)正交試驗(yàn)極差法原理，根據(jù)上表5所給試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以預(yù)時效溫度、預(yù)時效時間、最終時效溫度、最終時效時間、停放時間為基礎(chǔ)條件，對其相應(yīng)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、折彎角度進(jìn)行平均值計算，得到7003鋁型材性能檢測結(jié)果，如表6所示。

表6 7003鋁型材性能檢測結(jié)果處理

在正交試驗(yàn)極差分析中，R（因素極差值）=Kavg（max）-Kavg（min），R值的大小反映了各因素對于試驗(yàn)結(jié)果的影響程度大小，根據(jù)表6數(shù)據(jù)求取R值，如表7所示。

表7 各時效條件下R（因素極差值）對比

從表7中可知在特定時效條件下各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在預(yù)時效溫度中，R（抗拉強(qiáng)度）＞R（屈服強(qiáng)度）＞R（伸長率）=R（折彎角度），即抗拉強(qiáng)度為該條件下的最優(yōu)考慮選項(xiàng)。結(jié)合表6可知，預(yù)時效溫度為105 ℃，材料性能為最佳。在預(yù)時效時間中，R（抗拉強(qiáng)度） ＞R（屈服強(qiáng)度）＞R（折彎角度）＞R（伸長率），抗拉強(qiáng)度為該條件下的最優(yōu)考慮選項(xiàng)。結(jié)合表6可知，預(yù)時效時間為8 h，材料性能為最佳。由此類推，在最終時效溫度為145 ℃、最終時效時間為12 h，材料性能為最佳。綜上可知，最佳時效制度為105 ℃×8 h+145 ℃×12 h。

觀察表6數(shù)據(jù)可知，隨著停放時間的增長，型材的彎曲性能有明顯減弱的趨勢，性能平緩。因此型材在完成淬火處理后應(yīng)盡快加工，最遲不要超過96 h，以降低加工難度。

3 結(jié)論

（1）7003 合金具有較強(qiáng)的停放效應(yīng)，隨著擠壓后型材停放時間延長力學(xué)強(qiáng)度逐漸升高。試驗(yàn)表明，T4 狀態(tài)型材在擠壓完成后的一段時間內(nèi)力學(xué)性能有升高趨勢，在停放96 h后性能增長減弱，性能趨于穩(wěn)定。

（2）鋁型材擠壓完成后需盡快進(jìn)行拉彎加工，最遲應(yīng)在96 h之內(nèi)完成，以減小停放效應(yīng)的影響。

（3）7003 鋁型材T6 人工時效制度為105 ℃×8 h+145 ℃×12 h。采用雙級時效，可顯著提升鋁型材性能，經(jīng)人工時效后的鋁型材，停放效應(yīng)明顯降低，性能穩(wěn)定，力學(xué)性能滿足Rp0.2≥330 MPa，Rm≥370 MPa，A50mm≥8%。