新型超塑鋁合金及其在汽車(chē)中應(yīng)用

王祝堂｜文

金屬的超塑性距今已發(fā)現(xiàn)74年，在汽車(chē)制造中應(yīng)用也有約25年，但沒(méi)有獲得廣泛的應(yīng)用，隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，節(jié)能減排要求的日益高漲，必須減輕汽車(chē)的整備質(zhì)量，目前降低汽車(chē)整備質(zhì)量的最佳措施就是提高車(chē)的鋁化率與降低零部件的制造成本和品質(zhì)。海德魯鋁業(yè)公司研制的3種超塑性新鋁合金已在汽車(chē)零件制造中獲得實(shí)用，效果良好，它們是改型的5083、5654、7020合金，與原型合金相比，成分改變不大，但顯示出了優(yōu)秀的超塑性，超塑成型零件的表面品質(zhì)比沖制的好得多。

什么是超塑性？

通常認(rèn)為，金屬和合金在一定條件，其流動(dòng)應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感性數(shù)m值大于0.3并具有超大伸長(zhǎng)率（200%～3000%）的性能稱為超塑性。一定條件是指金屬材料的組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)部條件和變形溫度、變形速度等外部條件。超塑性金屬材料的宏觀變形特點(diǎn)是大延伸、無(wú)縮頸、流動(dòng)應(yīng)力低及易成形。

金屬的超塑性現(xiàn)象是20世紀(jì)40年代中期1945年蘇聯(lián)科學(xué)家波契瓦爾發(fā)現(xiàn)的，他在單向拉伸Zn-Al共析合金時(shí)獲得了很高的伸長(zhǎng)率，隨即把這種現(xiàn)象稱為“超塑性”。1962年美國(guó)科學(xué)家安德伍德（Underwood）對(duì)超塑性作了系統(tǒng)論述，并從合金學(xué)角度分析了獲得超塑性的可能性與條件，引起了人們的興趣和重視。1964年美國(guó)材料學(xué)者巴科芬（Backofen）等發(fā)表了Zn-22%Al共析合金的超塑性及其力學(xué)特性的研究，提出了具有重要意義的超塑性流動(dòng)應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值及其測(cè)量方法，并指出高超塑性是由于高m值的作用，從此以后各國(guó)的大專院校和科研院所掀起了有色金屬合金超塑性研究熱潮。

超塑性的種類

按照獲得超塑性的條件，超塑性可分為兩種：細(xì)晶粒超塑性和相變超塑性。

細(xì)晶粒超塑性是材料具有微細(xì)等軸晶粒（＜10μm、晶粒軸比＜1.4）組織及在一定的溫度區(qū)間（0.5Tm-0.9Tm，Tm為材料熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度）和一定應(yīng)變速率范圍內(nèi)（10-4/s-10-1/s）呈現(xiàn)的超塑性，也叫組織超塑性或恒溫超塑性或靜態(tài)超塑性。這種超塑性已獲得商業(yè)化應(yīng)用。但應(yīng)注意，這種超塑性的最終拉斷伸長(zhǎng)率的大小還取決于該組織在超塑拉伸溫度下的穩(wěn)定性和對(duì)形成孔洞的敏感性，也就是說(shuō)，如果起始組織是細(xì)小晶粒，但其熱穩(wěn)定性差即晶粒發(fā)生粗化，或?qū)锥春苊舾袝r(shí)，仍不具有良好的超塑性。鋁合金幾乎無(wú)這種超塑性，多見(jiàn)于鋼鐵、鈦合金及銅合金。

除這兩種超塑性外，其他的超塑性少之又少，也沒(méi)有工業(yè)化價(jià)值。

哪些鋁合金有超塑性？

1978年發(fā)現(xiàn)5N（99.999%）單晶鋁有超塑性，鋁的純度越高超塑性也越好。純鋁的超塑性與一般的細(xì)晶粒超塑性材料的組織狀態(tài)有所不同，高純鋁超塑變形前后都是單晶，晶粒越大，伸長(zhǎng)率也越大，工業(yè)純鋁也是較大晶粒組織的比細(xì)小晶粒的伸長(zhǎng)率大。

經(jīng)過(guò)40來(lái)年的研究開(kāi)發(fā)，已發(fā)現(xiàn)Al-Ca系、Al-Ca-Zn系、Al-Cu系、Al-Cu-Zr系、Al-Cu-Mg-Zr系、Al-Cu-Mg系、Al-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg-（Zr）系、Al-Zn-Mg-Cu系、Al-Li系、Al-Si系、Al-Ni系合金都顯示有或大或小的超塑性，也就是說(shuō)絕大多數(shù)變形鋁合金都有超塑性，只是大小不同而已。

Al-Cu-Mg系即2×××系與Al-Zn-Mg-Cu系的7×××合金都已用超塑性成型法制造航空航天器零部件，取得了很好的實(shí)用效果。

2024合金是一種歷史悠久的航空器高強(qiáng)度合金，在第二次世界大戰(zhàn)中立下了特殊豐功偉績(jī)，美國(guó)制造的13500多架飛機(jī)的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件都是此合金的產(chǎn)品，直到當(dāng)今仍然寶刀不老，2024型合金仍是航空航天器結(jié)構(gòu)合金之一。2024合金T4板材在430℃～480℃都能顯示130%～200%的伸長(zhǎng)率，如果需要更高的伸長(zhǎng)率，可進(jìn)行如下的處理：一是熱軋厚板在470℃～490℃固溶處理，過(guò)時(shí)效處理，溫軋或冷軋，350℃～400℃退火0.5h；熱形變處理或特殊處理。

圖1 7×××系合金超塑性處理示意圖

7075及7475等合金也有良好的超塑性，7075合金成型于1944年，還沒(méi)有在飛機(jī)上大顯身手，第二次世界大戰(zhàn)就結(jié)束了，7075合金是當(dāng)今航空航天器主要高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)零部件的頂梁柱材料。板材經(jīng)形變處理后（圖1）可獲得1500%～2300%的特大伸長(zhǎng)率。處理工藝：固溶處理，480℃～500℃，2h～8h，水淬；過(guò)時(shí)效處理，（300～400）℃/（2～8）h，水冷；溫軋，（220～230）℃，（5～10）道次，變形率＞85%；再結(jié)晶處理，（480～500）℃/（0.25～0.5）h，水冷。

經(jīng)這種變形處理后，材料的平均晶粒為7μm-15μm，而且在超塑變形溫度下相當(dāng)穩(wěn)定，晶粒長(zhǎng)大緩慢，超塑性良好。

海德魯鋁業(yè)公司的新型超塑鋁合金

新能源汽車(chē)的高速發(fā)展要求鋁工業(yè)提供更輕更強(qiáng)的鋁合金，以降低車(chē)的整備質(zhì)量（Curb weight），節(jié)約更多的能源，減少溫室氣體排放。汽車(chē)的一些零件是用薄鋼板沖壓的，當(dāng)然也可以用薄鋁板沖壓或超塑成型，但沖壓產(chǎn)品的表面品質(zhì)不盡人意，成品率也較低，在與鋼板的較量中沒(méi)有顯示出應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)，用現(xiàn)有的超塑鋁合金成型，雖然產(chǎn)品表面品質(zhì)有明顯改善，但速度慢，制造成本仍較高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力還不強(qiáng)。若能提高超塑成型速度，這個(gè)問(wèn)題就迎刃而解了，海德魯鋁業(yè)公司的3種新型超塑合金就是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。它們并不是什么全新的成分迥異合金，只是對(duì)成分做了些變動(dòng)，就產(chǎn)生了意想不到的效果。

在這3種新合金中有2種5×××系合金（5083、5456）和一種7×××系合金。據(jù)稱它們有較高的伸長(zhǎng)率，又有一定的強(qiáng)度性能，超塑成型時(shí)間被縮短。是海德魯鋁業(yè)公司、原車(chē)設(shè)備制造廠（OEM）與Tire 1供應(yīng)商三方歷時(shí)2年的研究成果，能完全滿足汽車(chē)原車(chē)設(shè)備制造廠的要求，可在原有的生產(chǎn)線上生產(chǎn)。

5456合金是一種美國(guó)合金，1968年在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)，是一種較純的鋁合金，Si+Fe的含量小于0.45%，其他成分（質(zhì)量，%）：Cu0.05，Mn0.01，Mg3.1～3.9，Cr0.15～0.35，Zn0.30，Ti0.05～0.15，其他單個(gè)雜質(zhì)元素不超過(guò)0.05、合計(jì)不超過(guò)0.15，其余為Al。5083也是一種美國(guó)合金，是一種古老的合金，問(wèn)世于20世紀(jì)20年代，它的成分（質(zhì)量，%）：Si0.4，F(xiàn)e0.4，Cu0.10，Mn0.40～1.0，Mg4.0～4.9，Cr0.05～0.25，Zn0.25，Ti0.15，其他單個(gè)雜質(zhì)不超過(guò)0.05、合計(jì)不超過(guò)0.15，其余為Al。7020合金是歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)（EAA）研制的，1972年在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)，它的成分（質(zhì)量，%）：Si0.35，F(xiàn)e0.40，Cu0.20，Mn0.05～0.50，Mg1.0～1.4，Cr0.10～0.35，Zn4.0～5.0，Zr0.08～0.20，（Zr+Ti）0.08～0.25，其他單個(gè)雜質(zhì)不超過(guò)0.05、合計(jì)不超過(guò)0.15，其余Al。海德魯鋁業(yè)公司的新合金的成分尚未見(jiàn)媒體報(bào)道。

零件的超塑成型在原車(chē)設(shè)備廠完成，但由海德魯鋁業(yè)公司提供詳細(xì)的工藝參數(shù)，并派工程師到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。在未正式投產(chǎn)前，汽車(chē)廠對(duì)零件的超塑性進(jìn)行模擬試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果發(fā)給海德魯鋁業(yè)公司，經(jīng)修改后再投入生產(chǎn)，取得了預(yù)期效果，制出了大且薄的汽車(chē)零件。

5083合金本來(lái)就有超塑性成型能力，經(jīng)改進(jìn)后的超塑成型能力又有了較大的提高，5083的屈服強(qiáng)度為150N/mm2-180N/mm2，新一代合金的屈服強(qiáng)度僅略有上升。5456合金的情況也如此，超塑成型速度卻提高不少，制一個(gè)大且復(fù)雜的零件只需幾分鐘，與沖壓一個(gè)工件相當(dāng)，工件品質(zhì)有所提高，深受汽車(chē)廠歡迎。即使成型速度稍慢點(diǎn)兒，但可以生產(chǎn)更復(fù)雜些零件，甚至尖端工件。

圖2 大陸汽車(chē)公司用7020合金薄板超塑成型的GT車(chē)覆蓋件

圖3 超塑成型工藝示意圖

研制新7020合金的理念完全不同于5×××系超塑合金，成型工藝有較大差異：速度較慢，首先把薄板預(yù)熱到工作溫度，然后在模內(nèi)慢慢成型，成型后進(jìn)行熱處理，使其屈服強(qiáng)度上升到300N/mm2，盡管工藝復(fù)雜，但是照樣可以生產(chǎn)形狀較為復(fù)雜的先進(jìn)工件，把材料預(yù)熱、超熱成型、退火等工藝在一條流水生產(chǎn)上一氣呵成，生產(chǎn)周期并不長(zhǎng)。

目前這3種新型超塑鋁合金都已在汽車(chē)原設(shè)備制造廠獲得應(yīng)用，效果不錯(cuò)，特別是7020合金由于它的力學(xué)性能高，可將板的厚度進(jìn)一步減薄至1.2mm，對(duì)節(jié)能減排極為有利。德國(guó)大陸汽車(chē)公司（Continental AG）以7020合金超塑工藝制造高性能轎車(chē)（GT,grand touring car）覆蓋件受到廣泛稱贊（圖2）。這種高級(jí)轎車(chē)為鋼、鋁、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，覆蓋件為鋁合金板超塑成型，還用了鋁合金鑄件與擠壓型材，復(fù)合材料鑄件與鋼件也有一些，行李箱蓋（Trunk lid）用復(fù)合材料制造。制造廠認(rèn)為，沒(méi)有超塑成型法，本特利車(chē)（美國(guó)一種高性能豪華轎車(chē)）的高端覆蓋件是無(wú)法生產(chǎn)的，只有此法才能生產(chǎn)表面品質(zhì)特優(yōu)的工件。大陸汽車(chē)為了完善超塑成型工藝花了50000工時(shí)，與全鋼結(jié)構(gòu)車(chē)相比，混合材料車(chē)的質(zhì)量下降了85kg，即下降了約20%。同時(shí)車(chē)的使用期限延長(zhǎng)了，抗撞擊性、剛性、安全性也得到全面提升。

超塑成型工藝

當(dāng)鋁薄板例如5083合金板是由大變形率冷軋的話，再把它加熱到450℃～520℃，就具有超塑性。鋁合金在冷軋時(shí)，由于變形量大，形成了破碎的晶格歪扭和位錯(cuò)堆積的顯微組織，材料的強(qiáng)度上升，深加工成型甚困難。然而大變形后的冷軋鋁板雖然很脆，不能再繼續(xù)冷加工了，但若把它加熱到一定溫度并保溫一定時(shí)間（退火）就會(huì)形成晶粒尺寸≤10μm的極為微細(xì)的顯微組織，使材料變軟，強(qiáng)度和硬度下降，冷變形越大，這種變化越快越厲害。晶粒變得像一盤(pán)濕砂，稍施點(diǎn)力就會(huì)發(fā)生大大的變形，我們就可以說(shuō)它進(jìn)入了超塑性狀態(tài)（圖3）。

把這種熱的板材置入模內(nèi)，吹入高壓壓縮空氣，板材發(fā)生超塑性變形，成為與模型一模一樣的工件，制成的工件既不會(huì)發(fā)生反彈又沒(méi)有殘余應(yīng)力，工件的壁厚均勻，可制造復(fù)雜形狀的零件，同時(shí)有高端的表面品質(zhì)，而傳統(tǒng)的沖壓法不能制出如此漂的工件。

超塑成型法已在汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用了26年，也在公共汽車(chē)與鐵路車(chē)廂制造中得到應(yīng)用，在少量生產(chǎn)的汽車(chē)，例如摩根汽車(chē)公司（Morgan）和英國(guó)阿斯頓.馬丁汽車(chē)公司（Aston Martin）在生產(chǎn)某些汽車(chē)工件也采用了超塑成型工藝，有些工件甚至是手工打造的。在過(guò)去20多年，汽車(chē)工件的超塑成型工藝是一種昂貴的制造法，制造周期長(zhǎng)，打造一個(gè)工件往往需要30多分鐘。因此汽車(chē)原設(shè)備制造廠特別青睞沖壓工藝，沖制一個(gè)工件只要幾秒鐘?，F(xiàn)在可不一樣了，一來(lái)有了新的超塑性鋁合金，超塑成型一個(gè)尖端復(fù)雜工件只要一分鐘左右，且工件表面品質(zhì)優(yōu)秀，所以為越來(lái)越多的汽車(chē)制造廠及零配件廠采用。

結(jié)語(yǔ)

鋁合金汽車(chē)零件在超塑性成型工藝在中國(guó)還是一塊全缺的短板，尚未見(jiàn)到哪個(gè)廠采用此法生產(chǎn)零部件的報(bào)道，中國(guó)是一個(gè)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)大國(guó)，也是一個(gè)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)大國(guó)，分別占全世界總量的52%以上，溫室氣體的單位排放量也居世界第一，這種局面必須盡快改觀，一般的出路就是多用鋁材大幅度降低的整備質(zhì)量，希望本文介紹的超塑成型工藝及其新型鋁合金對(duì)推廣鋁材在汽車(chē)中的應(yīng)用有所幫助。