汽車吸能盒用6063鋁合金薄壁型材性能研究

崔家銘，周三忠，汪文進(jìn)，陳曉文

(明達(dá)鋁業(yè)科技(太倉(cāng))有限公司，江蘇 太倉(cāng) 215412)

隨著汽車輕量化的發(fā)展，更多的鋁擠壓型材被應(yīng)用到汽車的各種部位，面對(duì)能源緊缺、污染嚴(yán)重的嚴(yán)峻形勢(shì)，6系合金作為一種輕質(zhì)材料在汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。同時(shí)汽車型材對(duì)安全性的要求也極高，因此型材不僅要具有很高的強(qiáng)度還需兼顧良好的韌性指標(biāo)。6063-T4鋁合金材料隨著T4停放時(shí)間的延長(zhǎng)，其力學(xué)強(qiáng)度增加而斷后伸長(zhǎng)率下降?？紤]到材料的穩(wěn)定性及塑性等性能指標(biāo)，很多國(guó)外客戶將最大力塑性伸長(zhǎng)率Ag作為衡量鋁合金材料塑性的重要指標(biāo)，對(duì)鋁合金擠壓型材T4態(tài)提出了更高要求。

目前國(guó)內(nèi)很少對(duì)鋁擠壓材料T4態(tài)最大力塑性伸長(zhǎng)率Ag值進(jìn)行研究，特別是2.5 mm以下薄壁型材的Ag值很難達(dá)到≥20%要求，且薄壁型材擠型尺寸一直是困擾模具及擠壓生產(chǎn)工藝的難題。目前的工藝水平，對(duì)壁厚2.5 mm以下擠壓型材6063-T4最大力塑性伸長(zhǎng)率Ag僅能達(dá)到15%～19%。本文通過(guò)改善合金成分、優(yōu)化擠壓工藝、模具采用阻流式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法，最終擠壓型材可滿足6063-T4要求：Rp0.2≥70 MPa，Rm≥150 MPa，Ag≥20%；時(shí)效后最終產(chǎn)品6063-T7性能為：Rp0.2為220～260 MPa，Rm≥240 MPa，A50≥8%。并通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證表明產(chǎn)品的性能滿足各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用6063鋁合金薄壁型材，全截面壁厚均為2.0 mm，該斷面為汽車防撞梁系統(tǒng)吸能盒型材，最終型材產(chǎn)品要求具有一定強(qiáng)度還需兼顧韌性指標(biāo)，同時(shí)具有良好壓縮吸能效果，斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。擠壓鑄錠無(wú)明顯偏析、表面無(wú)油污、裂紋等缺陷，尺寸規(guī)格為30 mm×600 mm。

圖1 型材斷面圖Fig.1 Section diagram of profile

1.2 試驗(yàn)方法

擠壓設(shè)備采用臥式3000T鋁合金擠壓機(jī)，擠壓系數(shù)為35，淬火方式為在線水冷。按GB/T 7999鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法進(jìn)行化學(xué)成分的檢測(cè)，試驗(yàn)設(shè)備為德國(guó)SPECTRO直讀光譜儀。按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1的要求進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)MTS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。壓潰試樣原始長(zhǎng)度300 mm，下壓速度為100 mm/min，下壓量為200 mm，試驗(yàn)設(shè)備為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。壓潰合格判定：型材壓潰后形成規(guī)律褶皺，褶皺表面可出現(xiàn)未貫穿裂紋，不允許出現(xiàn)貫穿裂紋，拐角和T角位置允許出現(xiàn)≤10 mm貫穿裂紋。

2 試驗(yàn)過(guò)程及分析

2.1 擠壓工藝參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有成分6063A合金的擠壓工藝進(jìn)行分析，確定最佳的擠壓工藝參數(shù)。鑄錠溫度分別采用高、中、低三種棒溫，擠壓速度采用高、中、低三種速度，將鑄錠溫度與擠壓速度相匹配進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，具體擠壓工藝試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1，6063A-T4/T7力學(xué)性能結(jié)果如圖2所示。

擠壓鋁合金型材具有自然時(shí)效過(guò)程，T4態(tài)力學(xué)強(qiáng)度會(huì)隨著停放時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高，故上述T4態(tài)力學(xué)性能均在擠壓后停放3 d后進(jìn)行拉伸測(cè)量。從圖2可以看出：鑄錠溫度越高、擠壓速度越快，T4/T7態(tài)擠壓型材狀力學(xué)強(qiáng)度越高。T4態(tài)Ag隨著棒溫和擠壓速度升高呈上升趨勢(shì)，但整體改善并不明顯；而T7態(tài)A50卻沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，且型材速度過(guò)快產(chǎn)品淬火冷卻后型材變形嚴(yán)重，尺寸難以控制。

(a)T4態(tài)力學(xué)強(qiáng)度；(b)T4態(tài)Ag；(c)T7態(tài)力學(xué)強(qiáng)度；(d)T7態(tài)A50圖2 6063A-T4/T7力學(xué)性能(a) mechanical strength of T4 state; (b)Ag of T4 state; (c) mechanical strength of T7 state; (d) A50 of T7 stateFig.2 Mechanical properties of 6063A-T4/T7

研究表明隨著擠壓速度的逐漸增加，基材硬度也隨之上升。由于擠壓速度增加，使得應(yīng)變速率加快，而金屬變形所吸收的能量轉(zhuǎn)化為變形熱后無(wú)法迅速散發(fā)，致使型材溫度上升，即固溶度提高，合金硬度和力學(xué)性能隨之上升[2]。

綜合考慮擠壓鋁合金型材T4/T7態(tài)性能的要求，確定最佳擠壓工藝為：鑄錠溫度460～480 ℃，擠壓速度9 m/min，淬火冷卻方式為水冷。較低鑄棒溫度、高擠壓速度與水冷淬火工藝，可以在保證擠壓性的同時(shí)防止再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，在擠壓過(guò)程中獲得更多的過(guò)飽和固溶體，在自然時(shí)效過(guò)程中析出相變多且晶粒細(xì)小，從而提高材料韌性指標(biāo)；而且高擠壓速度可使晶粒破碎得更加均勻，多且細(xì)小的晶粒組織能提高材料的塑性。

2.2 鑄錠均勻化處理

均勻化處理可消除內(nèi)應(yīng)力，減少鑄錠的晶粒偏析，改善化學(xué)成分和組織的不均勻性，提高合金塑性，降低變形抗力，改善鑄錠加工性能，提高擠壓速度，以改善材料的工藝和使用性能[3]。

本試驗(yàn)鑄錠均勻化處理制度為550 ℃×8 h，保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，研究表明保溫時(shí)間超過(guò)12 h后合金內(nèi)部的晶粒就會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大，對(duì)合金的性能產(chǎn)生不利影響[4]。

冷卻方式為水冷，采用高溫長(zhǎng)時(shí)水冷的均質(zhì)化制度，避免出現(xiàn)粗大的Mg2Si相析出物，使Mg2Si相充分溶入到固溶體內(nèi)高度細(xì)化且彌散分布，提高晶內(nèi)成分的均勻性，同時(shí)高的冷卻強(qiáng)度，可有效地防止晶粒長(zhǎng)大。

2.3 合金成分調(diào)整

通過(guò)擠壓工藝的驗(yàn)證，可知本試驗(yàn)6063A-T4/T7的性能較低，無(wú)法滿足客戶的要求，故對(duì)合金成分進(jìn)行調(diào)整。6xxx系合金主要強(qiáng)化相為Mg2Si和過(guò)剩Si，決定型材力學(xué)性能的關(guān)鍵因素是Mg和Si含量，通過(guò)調(diào)整Mg和Si含量設(shè)計(jì)了三種合金成分6063B、6063C、6063D，分別進(jìn)行擠壓取樣，測(cè)試力學(xué)性能及壓潰性能。具體化學(xué)成分見(jiàn)表2，T4/T7態(tài)力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 不同成分合金的力學(xué)性能

從表3可以看出，在一定成分范圍內(nèi)，Mg、Si含量對(duì)合金T4態(tài)Ag無(wú)明顯影響，但是對(duì)T4/T7態(tài)力學(xué)強(qiáng)度影響較大，6063D合金綜合性能優(yōu)于6063A、6063B和6063C合金。

1)6063A合金：T4態(tài)力學(xué)強(qiáng)度不滿足要求，T7態(tài)力學(xué)性能及壓潰性能合格。

2)6063B合金：T4態(tài)力學(xué)強(qiáng)度合格，T7態(tài)性能超出標(biāo)準(zhǔn)要求，壓潰性能不合格。

3)6063C合金：T4態(tài)抗拉強(qiáng)度偏低，T7態(tài)力學(xué)性能及壓潰性能合格。

4)6063D合金：T4態(tài)力學(xué)強(qiáng)度合格，T7力學(xué)性能及壓潰性能合格。

2.4 模具設(shè)計(jì)調(diào)整

通過(guò)對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，采用阻流式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通常認(rèn)為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要影響型材尺寸，并不會(huì)對(duì)擠壓鋁合金性能產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)將有、無(wú)阻流作為變量，擠壓工藝及鑄錠成分均未改變，結(jié)果見(jiàn)表4。模具增加阻流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)提升6063D-T4力學(xué)性能，對(duì)模具設(shè)計(jì)及調(diào)修具有重大意義。

表4 模具狀態(tài)對(duì)6063D-T4態(tài)Ag影響

3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)6063合金成分進(jìn)行調(diào)整，確定最優(yōu)合金成分為6063D合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：0.40～0.50Si，≤0.17Fe，0.01～0.06Cu，≤0.1Mn，0.50～0.60Mg，≤0.05Cr，≤0.05Zn，≤0.05Ti，單個(gè)≤0.05，合計(jì)≤0.15，余量Al，H含量≤0.20 ml/100 g，嚴(yán)格限定雜質(zhì)Fe的含量，既考慮了經(jīng)濟(jì)成本，又可防止雜質(zhì)Fe形成粗大的脆性相β-AlFeSi分布在晶界上，進(jìn)而阻礙原子擴(kuò)散。將過(guò)剩硅控制在0.10%～0.25%之間，當(dāng)Mg、Si元素質(zhì)量比小于1.73時(shí)就會(huì)有過(guò)剩Si的存在，少量過(guò)剩Si的存在能顯著提高強(qiáng)化相Mg2Si的強(qiáng)化效果，而細(xì)化彌散相會(huì)改善材料的綜合力學(xué)性能[5]。

擠壓模具采用阻流式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使鋁合金在擠壓過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次預(yù)變形，可提高擠壓時(shí)金屬在模具焊中的室內(nèi)壓力，使金屬在模具內(nèi)充分流動(dòng)變形。高壓力以及大變形量可加重鋁合金在擠壓過(guò)程中大晶粒的破碎重組，而靜水壓力越大，形成三相壓應(yīng)力越大，擴(kuò)散速度越小就越能抑制晶粒的長(zhǎng)大[6]。型材產(chǎn)品獲得更多的細(xì)小晶粒、良好的表面質(zhì)量和致密的內(nèi)部組織，有益于提高T4態(tài)材料力學(xué)性能指標(biāo)，使其在拉伸過(guò)程中不容易在塑性階段斷裂，從而提高最大力塑性伸長(zhǎng)率Ag。

T7態(tài)材料時(shí)效制度為(190±3) ℃×6 h，圖3為四種成分6063型材T7時(shí)效后壓潰圖片。可見(jiàn)6063A、6063C和6063D三種成分型材壓潰形成規(guī)律褶皺，表面無(wú)貫穿裂紋，拐角與T角位置裂紋未超標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試樣段吸能效果良好，符合防撞系統(tǒng)吸能盒的相關(guān)要求；而6063B成分型材部分位置壓潰褶皺處出現(xiàn)貫穿裂紋，壓潰結(jié)果不符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。這是因?yàn)?063B合金成分Mg、Si含量較高，時(shí)效后析出強(qiáng)化相Mg2Si和過(guò)剩Si較多，過(guò)剩Si會(huì)提高M(jìn)g2Si的強(qiáng)化效果，使產(chǎn)品力學(xué)強(qiáng)度提高，而較高的力學(xué)強(qiáng)度必然導(dǎo)致材料塑性有所下降。同時(shí)過(guò)剩Si易在晶界處聚集偏析，使晶界脆化，降低合金的塑性和韌性[7]。在淬火冷卻及時(shí)效過(guò)程中更容易獲得粗大脆性相β-AlFeSi，從而導(dǎo)致壓潰出現(xiàn)局部開(kāi)裂現(xiàn)象。

(a,e)6063A;(b,f)6063B;(c,g)6063C;(d,h)6063D圖3 不同成分的6063合金T7時(shí)效壓潰圖片F(xiàn)ig.3 Crushing pictures of different components 6063-T7 after aging

4 結(jié)論

1)6063合金隨著Mg、Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，T4/T7態(tài)力學(xué)強(qiáng)度逐漸增大；同一成分合金在鑄錠溫度420～510 ℃、擠壓速度4～12 m/min和淬火冷卻強(qiáng)度不變的條件下，隨著擠壓鑄錠溫度的升高和擠壓速度的提高，T4/T7態(tài)力學(xué)強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)。

2)合金成分Mg、Si比例對(duì)6063-T4最大力塑性伸長(zhǎng)率沒(méi)有直接影響，采用較低鑄錠溫度、較高型材擠壓速度和強(qiáng)淬火工藝，配合模具阻流式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可顯著增加6063-T4態(tài)最大力塑性伸長(zhǎng)率。