汽車用結(jié)構(gòu)件7108擠壓鋁合金預(yù)時(shí)效制度研究

中圖分類號：U465.2+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240413

Study on Pre-Aging System of 71o8 Extruded Aluminum Alloy for Automotive Structural Parts

YangMing，LiChunliu，Zhu Xiao，Pan Yan，Jiang Xinwei （Liaoning Zhongwang Group，Liaoyang111000）

Abstract：To stabilize mechanical property of automotivestructural components made of 7-series extruded aluminum aloy，and enhance the finished product rate for subsequent deep procesing，this study uses the 7108 extruded aluminum alloyprofileofthestructuralpartfornew energyvehiclesas thetestmaterial，conducts three stages of processing，including natural aging，pre-aging and pre-aging + artificial aging，and confirms the influence of the optimal pre-aging system and pre-aging of 7108 extruded aluminum allyprofileof automotive structural part on the mechanical propertiesand intergranular corosion resistance of subsequent artificial aging.Theresults indicate that pre-agingcan efectivelycontrolthe increasein mechanical propertiesof71O8aluminum alloyprofilesundernatural conditions，thereby improving the machinability of the product.

Key words：71o8 aluminum alloy，Pre-aging method，Mechanical properties，Intergranular corrosion

1前言

隨著環(huán)境及能源問題日益突出，節(jié)能減排是未來汽車行業(yè)的發(fā)展方向，鋁代替鋼可有效減輕汽車質(zhì)量，達(dá)到節(jié)約能源的目的，因此，汽車用結(jié)構(gòu)件采用鋁合金已得到國內(nèi)外汽車主機(jī)廠的廣泛認(rèn)可[1-3]。汽車用結(jié)構(gòu)件鋁型材通常需要彎曲、沖壓及拉鉚接等深加工工序，而7系 Al-Zn-Mg 合金擠壓成型后自然停放力學(xué)性能漲幅較大，導(dǎo)致成型性較差，影響深加工效果。為避免鋁合金自然時(shí)效的不利影響，針對鋁合金自然時(shí)效過程，提出了預(yù)時(shí)效概念[4-5]。目前，國內(nèi)預(yù)時(shí)效制度的研究大多針對6系鋁合金，對7系鋁合金的預(yù)時(shí)效制度研究較少，因此，本文探究了一種預(yù)時(shí)效制度，抑制7108鋁合金自然時(shí)效漲幅的效果，優(yōu)化了汽車用結(jié)構(gòu)件7108合金型材的加工性能。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

以某新能源汽車用結(jié)構(gòu)件擠壓鋁型材作為試驗(yàn)用料，合金成分滿足EN-573Aluminiumandaluminium alloys-Chemical composition and formofwrought products-Part 3：Chemical composition andformofproducts中7108鋁合金成分要求，在 2000t 臥式單動擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，模具采用蝶形組合模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，鑄錠渣含量滿足GB/T32186—2015《鋁及鋁合金鑄錠純凈度檢驗(yàn)方法》中的二級要求，并充分均勻化處理，7108合金成分如表1所示，擠壓工藝參數(shù)如表2所示。

2.2試驗(yàn)方法及檢測設(shè)備

將擠壓成型并在線淬火后的7108合金試驗(yàn)料樣分3個階段進(jìn)行處理，分別是自然時(shí)效、預(yù)時(shí)效及預(yù)時(shí)效 + 人工時(shí)效，其中，預(yù)時(shí)效需型材在線擠壓成型后的 24h 內(nèi)測試，將預(yù)時(shí)效之后的料樣分別停放 1～10 天并測試力學(xué)性能，以評價(jià)預(yù)時(shí)效制度抑制自然時(shí)效性能漲幅的效果，確定適用于汽車用結(jié)構(gòu)件7108擠壓鋁合金的最優(yōu)預(yù)時(shí)效制度。然后，將經(jīng)預(yù)時(shí)效的試驗(yàn)料樣經(jīng)雙級人工時(shí)效處理，并進(jìn)行力學(xué)性能測試，驗(yàn)證預(yù)時(shí)效是否會對終端人工時(shí)效的產(chǎn)品性能產(chǎn)生不利影響。最后，選取最優(yōu)預(yù)時(shí)效制度 + 人工雙級時(shí)效處理后的料樣進(jìn)行晶間腐蝕性能測試，為終端產(chǎn)品的綜合性能分析提供參考依據(jù)，具體試驗(yàn)預(yù)時(shí)效處理及人工時(shí)效處理制度如表3所示。

采用日本島津的電子拉力試驗(yàn)機(jī)（型號為_AG-X，250kN ），按照GB/T228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對型材試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，拉伸試樣夾持端寬度為 20mm 平行段長度為 70mm ，拉伸段寬度為 12.5mm ，拉伸速率為 5MPa/s 。按照ISO11846：1995Corrosionofmetals and alloys-Determination of resistancetointergranularcorrosion ofsolutionheat-treatablealuminiumalloys中的方法B對試驗(yàn)料樣進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，先將試樣進(jìn)行預(yù)處理，在溫度為 50～ 60°C 的 NaOH 溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%～10% ）中浸泡2～5min ，再在濃 HNO₃ 溶液（密度為 1.4g/mL ）中浸泡 2min ，最后用水洗凈，完成預(yù)處理后將試樣在室溫下浸泡 24h ，浸泡溶液含有 30g/L 的NaCl和 10mL±1mL 的濃鹽酸（密度為 1.19g/mL ），隨后按照GB/T3246.1—2024《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法第1部分：顯微組織檢驗(yàn)方法》處理試樣并采用光學(xué)顯微鏡高倍觀察腐蝕深度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1自然時(shí)效性能檢測結(jié)果

試驗(yàn)材料經(jīng)擠壓成型和在線淬火后，室溫停放1～10天后的力學(xué)結(jié)果如表4所示。

由表4可知：自然時(shí)效停放10天，力學(xué)性能呈遞增趨勢，屈服強(qiáng)度提高 66MPa ，漲幅約為 40% 停放前5天，屈服強(qiáng)度提高 42MPa ，漲幅約為25% 。汽車用結(jié)構(gòu)件7108擠壓鋁合金型材，自然停放漲幅較大，原因?yàn)?108鋁合金屬于高合金化硬質(zhì)鋁合金，淬火敏感性較高，高溫固溶并快速冷卻后，基體中固定了大量空位，在高濃度空位的驅(qū)動下，過飽和固溶體迅速析出溶質(zhì)團(tuán)簇，導(dǎo)致自然停放狀態(tài)力學(xué)性能迅速提高，對后期型材深加工工藝的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響，所以研究一種預(yù)時(shí)效制度抑制自然停放漲幅效果勢在必行。

3.2 預(yù)時(shí)效制度研究

試驗(yàn)料樣經(jīng)低溫預(yù)時(shí)效 60°C×1h.60°C×2h. 60^°C×3h.80^°C×1h.80^°C×2h.80^°C×3h 處理后，停放 1～10 天的力學(xué)性能結(jié)果如圖1a、圖1b所示；經(jīng)中溫預(yù)時(shí)效 處理后停放 1～10 天的力學(xué)性能結(jié)果如圖1c所示；經(jīng)高溫預(yù)時(shí)效 120^°C×1h，120^°C×2h，120^°C×3h 處理后停放 1～10 天的力學(xué)性能結(jié)果如圖1d所示。

由圖1可知，隨著預(yù)時(shí)效溫度的升高及保溫時(shí)間的延長，力學(xué)性能逐漸升高。試驗(yàn)料經(jīng)中、高溫預(yù)時(shí)效制度處理后停放 1～10 天，力學(xué)性能無明顯變化，呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢，可有效抑制自然停放漲幅。而低溫預(yù)時(shí)效制度對試驗(yàn)料自然停放漲幅的抑制能力較中、高溫預(yù)時(shí)效低，停放10天后，屈服強(qiáng)度漲幅約為 15% ，抗拉強(qiáng)度漲幅約為12.5% ，但均優(yōu)于未預(yù)時(shí)效處理的料樣。

以上結(jié)果的原因?yàn)?108擠壓成型后的鋁合金經(jīng)預(yù)時(shí)效后，基體中會優(yōu)先析出一部分溶質(zhì)團(tuán)簇，形成早期的原子團(tuán)簇，即早期 β \"相，此時(shí)，鋁合金固溶體中的過飽和程度有所降低，進(jìn)而在后期停放過程中，第二相的析出動力減弱，表現(xiàn)出比自然時(shí)效更穩(wěn)定的增長趨勢。低溫預(yù)時(shí)效階段，過飽和固溶體中的溶質(zhì)析出較少，溶質(zhì)原子的析出動力沒有完全釋放，在后期停放過程中會有小幅提升，隨著時(shí)效溫度的升高及保溫時(shí)間的延長，第二相析出形成的原子團(tuán)簇會更加密集，濃度更高，從而使固溶體過飽和程度更低，后期力學(xué)性能會更加穩(wěn)定。因此，高溫預(yù)時(shí)效可使7108擠壓鋁合金型材性能更加穩(wěn)定，但汽車用結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品均需后期深加工，如沖壓、彎曲及鉚接等，預(yù)時(shí)效溫度較高會使型材初始力學(xué)性能偏高，塑性及韌性降低，后期深加工易造成裂紋、橘皮等質(zhì)量缺陷。

綜上所述，鑒于汽車用結(jié)構(gòu)件的特定屬性，中溫預(yù)時(shí)效制度即 100^°C×3h 為適用于汽車用結(jié)構(gòu)件7108擠壓鋁合金的最優(yōu)預(yù)時(shí)效制度。

3.3預(yù)時(shí)效 + 人工時(shí)效處理后的力學(xué)性能

汽車用結(jié)構(gòu)件鋁合金制品通常經(jīng)深加工制備為總成產(chǎn)品后需經(jīng)人工時(shí)效，使產(chǎn)品具有較優(yōu)的力學(xué)性能，但汽車用結(jié)構(gòu)件7系擠壓鋁合金產(chǎn)品經(jīng)預(yù)時(shí)效后，是否對最終人工時(shí)效后的力學(xué)性能產(chǎn)生影響的研究較少，因此，對7108擠壓鋁合金制品經(jīng)預(yù)時(shí)效 + 人工時(shí)效后的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，未預(yù)時(shí)效及經(jīng)低、中、高溫預(yù)時(shí)效試驗(yàn)料樣再經(jīng)雙級人工時(shí)效后，力學(xué)性能無明顯變化，說明預(yù)時(shí)效對終端人工時(shí)效后的力學(xué)性能無明顯影響。分析其原因?yàn)樵陬A(yù)時(shí)效階段，過飽和固溶體中溶質(zhì)原子析出形成的原子團(tuán)簇或初始吉尼爾·普雷斯頓（GuinierPreston，GP）區(qū)僅為少量的第二相析出，在雙級人工時(shí)效階段，先期析出的溶質(zhì)團(tuán)簇經(jīng)歷回溶再析出的過程，從而抵消預(yù)時(shí)效第二相的析出過程，對最終人工時(shí)效未產(chǎn)生較大的影響。

3.4預(yù)時(shí)效 + 人工時(shí)效處理后的晶間腐蝕性能

7108合金屬于 Al-Zn-Mg 系鋁合金，主要強(qiáng)化相為 MgZn₂ 相，電極電位較低，與基體極易產(chǎn)生電極電位差，降低材料耐腐蝕性能，因此，大部分主機(jī)廠對7系鋁合金制品均有晶間腐蝕性能要求，圖2為未預(yù)時(shí)效 + 人工時(shí)效及預(yù)時(shí)效（ 100^°C×3h）+ 人工時(shí)效處理后的晶間腐蝕高倍照片，人工時(shí)效制度為 105^°C×8h+175^°C×7h 。

由圖2可知，未預(yù)時(shí)效經(jīng)人工時(shí)效后的晶間腐蝕深度平均值為 148.68μm ，而預(yù)時(shí)效 （100^°C×3h）+ 人工時(shí)效（ 105^°C×8h+175^°C×7h） 處理后的7108合金型材晶間腐蝕平均深度為 38.41μm ，因此，經(jīng)預(yù)時(shí)效處理后的試樣耐腐蝕性能優(yōu)于未經(jīng)預(yù)時(shí)效處理的試樣。原因?yàn)榻?jīng)預(yù)時(shí)效處理后，鋁基體中會形成更加彌散且尺寸較小的GP區(qū)，再經(jīng)人工時(shí)效后，第二相會依附于彌散細(xì)小的GP區(qū)作為析出核心，最終析出相分布會更加均勻，第二相與基體的電位差隨之減小且呈不連續(xù)分布，不會形成連續(xù)成片的腐蝕斑點(diǎn)。然而，未經(jīng)預(yù)時(shí)效處理的試樣，析出的第二相分散程度不如預(yù)時(shí)效處理的料樣，且因?yàn)榫奂瘜?dǎo)致電極電位差較大，所以形成更為嚴(yán)重的腐蝕斑點(diǎn)[-7]

4結(jié)論

a.中溫預(yù)時(shí)效制度即 100^°C×3h 為適用于汽車用結(jié)構(gòu)件7108擠壓鋁合金的較優(yōu)預(yù)時(shí)效制度；

b.預(yù)時(shí)效對人工時(shí)效后的7108擠壓鋁合金制品力學(xué)性能無明顯影響；

c.經(jīng)預(yù)時(shí)效處理后的7108擠壓鋁合金制品耐腐蝕性能優(yōu)于未經(jīng)預(yù)時(shí)效處理的產(chǎn)品。

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