T6态7075铝合金的温拉深成形研究

王 辉 高 霖 陈明和 金玲玲

南京航空航天大学，南京，210016

0 引言

近年来，随着汽车轻量化技术的发展，越来越多的轻金属材料被应用在汽车制造领域［1］。在一些强度要求较高的结构件中，高强度钢板得到广泛应用［2－3］，但随着汽车进一步减重的需要，高强度铝合金有望代替高强度钢板成为汽车轻量化材料。Al－Zn－Mg－Cu铝合金又称为7系列铝合金，在淬火以及时效处理后可以获得很高的强度，又因为它密度小，因此一些国际汽车制造企业开始考虑用其代替高强度钢板来制造一些汽车零件，如汽车的B立柱。由于淬火状态下的7系列铝合金在室温情况下塑性较差，表现出很强的脆硬性，难以直接用普通的成形方式成形为较复杂的零件［4］，通常需要将板料进行退火处理，增加材料的塑性，成形完后再进行淬火和时效处理。这种方法工艺复杂，后续热处理时间长，并且对零件的尺寸等有一定影响。在航空航天领域超塑性成形也是加工高强度铝合金板料的一种重要方法［5－7］，但是由于超塑性成形工艺复杂，成形时间长，而汽车工业中零件要求批量化生产，生产效率要求较高，所以必须研究新的成形方法。

温成形可以提高材料的塑性，并且不需要很高的温度，因而在铝合金板料的成形中得到了广泛应用［8－9］。若要将高强度铝合金应用于汽车领域，需要大幅度提高生产效率，温成形有望成为汽车制造领域应用高强度铝合金进行生产的最佳工艺。目前对温成形的研究主要集中在5系列、6系列等不需要热处理的铝合金材料以及部分镁合金材料上［10－11］，而对可热处理的7系列铝合金材料的温热成形研究较少。对高强度铝合金板料在不同温度下的性能，以及成形后是否保持足够高的强度等缺乏足够的试验研究。本文对T6态7075铝合金在不同温度下进行了杯形件和方形盒零件的拉深试验，研究了温度、成形速度等对其拉深性能的影响，并对成形后的零件进行了拉深试验，研究了成形温度对拉深性能以及后续零件强度的影响。

1 试验方法和试验方案

1.1 试验材料

试验材料为美国铝业公司生产的2mm T6态7075铝合金板料，其基本性能参数和化学成分如表1、表2所示。

表1 材料在室温下的基本性能参数

表2 材料化学成分 %

1.2 试验设备与条件

通常认为板料的拉深性能可以通过极限拉深比（LDR）来描述，而盒形件的拉深在板料拉深中也具有代表性，因此本文采用较大尺寸的杯形件和盒形件的拉深试验来研究T6态7075铝合金的拉深性能。杯形件极限拉深比试验所用模具尺寸如图1所示。

为了更好地控制温度，在凹模以及压边中直接用加热棒加热，凸模有两种，在等温成形中凸模内部放置加热棒，而在非等温成形中凸模内部放置水冷装置。设备温度控制误差在±1℃以内。

方形盒零件在大试验机上成形，模具结构相同，其模具尺寸如图2所示。

由于在高温环境下普通的润滑剂润滑效果很差，本试验采用FUCHS公司的干式润滑剂AL278进行润滑，首先用酒精将其稀释溶解，然后均匀地涂在板料上，酒精蒸发后润滑剂就均匀地附着在板料上。

1.3 试验步骤

首先切割试样，并涂上润滑剂，润滑剂干了之后，将板料在预热设备中加热至所设定温度，保温2min，然后快速取出放入已加热至同一温度下的模具内成形，成形后室温冷却2h，然后从试样底部截取条形材料（图3），进行单向拉深试验以及硬度试验。

等温试验中凸模、凹模、压边、板料的温度相同，而非等温试验中凸模采用冷却水冷却，其温度保持在35℃左右。板料和其他模具的温度与等温试验设定值相同。试验温度设定为普通材料温成形的温度，分别在25℃、100℃、140℃、180℃、220℃、260℃、300℃条件下进行试验。

2 结果与讨论

2.1 温度对板料拉深性能的影响

板料在室温下呈现明显的脆断性，图4所示为在室温下的圆形试样与方形试样，圆形试样拉深时板料的极限位深比η＜1.6，方形盒拉深深度低于25mm。图5所示为板料在180℃下的圆形试样与方形试样。

图6所示为杯形件在不同温度下拉深成形过程中得到的极限拉深比变化曲线。拉深时板料、凸模、凹模、压边均保持相同温度，凸模速度为5mm／s。从图6可以看出，温度升高至140℃以上时极限拉深比η明显提高，温度升高至180℃以上时极限拉深比η不再显著上升。而非等温拉深成形得到的拉深深度明显大于等温拉深成形的结果，说明要想提高拉深性能，最低温度为100℃，温度在220℃以上时拉深性能很难提高。

图7给出了方形盒零件的成形性能，不同温度下方形盒与杯形件的成形高度的变化趋势相同，二者均在260℃ 以后开始出现拉深性能下降的趋势，由此可见，对于T6态7075铝合金，并非成形温度越高，拉深性能就越好。两种试验结果均表明，板料的拉深性能在180～220℃左右达到最佳值。

从两种试验还可以看出，非等温成形性能明显优于等温成形性能。这是由于板料拉深的薄弱环节在顶部圆角部位，如果在成形过程中这个部位得到加强，拉深性能自然能够得到很大提高；非等温成形试验由于凸模温度较低，在成形过程中顶部圆角部位的材料温度降低，强度提高，因此非等温成形条件下板料的拉深性能比等温条件下好。

2.2 拉深速度对板料拉深性能的影响

板料在温度升高以后其性能对应变速率的敏感性明显增加，因而在温热成形中成形速度是影响材料成形性能的重要因素之一。本文通过杯形件的拉深试验研究了板料在140℃、180℃及220℃下成形速度对板料拉深性能的影响。试验在等温拉深条件下进行，凸模速度分别为1mm／s、5mm／s、20mm／s。 试 验 结 果 如 图 8所示。

从图8可以看出，在温成形条件下板料的成形速度对拉深性能有着明显的影响，成形速度较高时板料的拉深性能下降，这种下降趋势随着温度的增加更加明显，这与材料在较高的温度下应变速率敏感性增加有关。在较低的温度下，进行低速的非等温成形对提高板料的拉深性能非常有利。

2.3 成形温度对材料后续强度的影响

由于7075铝合金在T6状态下性能最好，而成形过程中由于对板料进行了加热，其成形后的性能能否保持在原来的状态下是非常重要的。如果加热温度过高，将造成材料的再结晶，破坏了材料的淬火和时效状态，必然造成其性能降低。

将成形后的试样冷却后在底部截取条形试样，在室温状态下对其进行单向拉深试验和硬度试验，测量其强度和硬度。测量结果如图9、图10所示。

从图9、图10可以看出，淬火状态的板料在加热至220℃以下再冷却，对其性能影响不大，而加热至220℃以上冷却时，其强度和硬度明显降低，其热处理状态被破坏，如不重新进行淬火和时效处理，其强度难以提高。为了保证材料状态和强度，避免进一步的热处理，对于T6态7075铝合金材料的温成形应该在220℃以下进行。

3 结论

（1）T6态7075铝合金在加热至140℃以上时其拉深性能得到明显提高，在180～220℃之间达到最佳值，但温度高于220℃后拉深性能下降。

（2）非等温成形对提高T6态7075铝合金材料的拉深性能非常有利，可以得到比等温拉深条件下更好的拉深性能。

（3）成形速度对T6态7075铝合金的拉深性能影响较大，较低的成形速度有利于提高板料的拉深性能，特别是在非等温成形工艺中更为明显。

（4）成形温度对板料成形后的强度和硬度有影响，当成形温度高于220℃时，板料的抗拉强度和屈服强度明显降低，因此在没有后续热处理的情况下，为保持材料的强度和硬度，T6态7075铝合金温成形温度应低于220℃。

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