用于汽车防撞系统6082挤压铝合金性能研究

杨 明，黄永哲，高 爽，孙 巍，何 金

(辽宁忠旺集团有限公司, 辽宁 辽阳 111003)

1 试验目的

随着我国越来越注重节能减排，6xxx系铝合金因其资源丰富，比强度高且具备优良的综合性能被广泛应用于汽车领域[1-2]，用挤压方法挤压铝材，具有生产效率高、节约材料等优点[3]。6082铝合金属6xxx系高成分铝合金，Si、Mg元素添加量较高，使其不仅具有高强度且兼顾一定吸能效果，是应用于汽车防撞系统的最佳材料之一。因汽车防撞系统不仅追求力学强度极限值，更注重吸能效果，所以越来越多的汽车产品制造商对6082挤压铝合金的屈服强度提出了范围值要求，一般屈服强度为270MPa～310MPa。性能标准的提升，对原材料铝合金的铸锭组织、挤压工艺、挤压设备均提出了更高的标准要求。为探究6082挤压铝合金的综合性能，本文采用6082铝合金挤压生产汽车后防撞梁产品，通过控制铸锭均质温度、挤压工艺参数、调试时效制度等方法进行试验，并对挤压成型后的产品相关性能进行总结分析，为现阶段高标准要求的汽车防撞系统高强度6082挤压铝合金的开发提供相关参考依据。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料及准备

此次上机生产的型材为三腔体薄壁型材，外接圆直径为Φ158mm，壁厚为3mm～4mm，采用6082合金成分在2750T卧式单动挤压机上进行挤压生产，挤压铝锭规格为Φ254mm×760mm。生产所使用铸锭采用半连续铸造法生产，铸造过程中采用泡沫陶瓷过滤，Al-Ti-B丝细化晶粒并经560℃×12h高温均质,使其具有较好的可挤压性。挤压铝锭内部组织及晶粒度如图1所示，可见铝锭充分均匀化处理，组织均匀细小，未见晶界粗大现象及过烧组织，晶粒度等级4.5级且边部至心部晶粒大小均匀，无明显偏析、裂纹等缺陷。

(a)显微组织照片；(b)晶粒度照片图1 挤压铝锭各个位置组织及晶粒度Fig.1 Microstructure and grain size of extruded aluminum ingot at various positions

2.2 在线挤压过程

挤压生产前，分别将模具、挤压筒、铸锭按标准要求进行加热，之后按试验制定的挤压工艺参数进行挤压生产。由于用于汽车防撞系统的铝型材大部分为空心多腔体结构，其目的主要为车身减重及吸能作用，壁厚为5mm以内，对于此类产品应采用高温低速，以保证型材高性能的同时兼顾复杂的尺寸精度。淬火方式不宜采用水冷浸入法，因为型材冷速较快，易产生变形，不利于汽车防撞系统铝型材的超高精尺寸精度要求。因此铸锭加热温度为头端500℃～520℃，尾端480℃～500℃，需将模具加热至480℃～500℃，挤压筒温度控制在420℃～460℃，挤压速度控制在3.5m/min～5.5m/min，突破压力稳定在20MPa～24MPa。

2.3 试验方法及设备

对挤压在线淬火后的型材试样首先进行T4稳定性试验，分别停放1d～70d后进行力学性能检测并分析力学性能涨幅效果，然后进行时效制度调试试验，时效制度为175℃×(4h～11h)，根据不同时效制度确定每种时效制度下对应的力学性能值范围。综合部分车企针对防撞系统车用铝合金的性能标准，选择屈服强度范围为270MPa～290MPa的时效制度作为最优制度。时效后进行长期热稳定性120℃×500h试验，短期热稳定180℃×20min试验，以及折弯性能及显微组织性能测试。

采用日本岛津的电子拉力试验机(型号为AG-X，250KN)按照GB/T228.1-2010标准对型材试样进行力学性能检测；按照VDA238-100/DBL4919方法对折弯性能进行检测；采用光学显微镜按照GB/T3246.1-2012标准处理试样并对试样高倍组织进行检测。

3 试验结果及分析

3.1 化学成分检测结果

为保证汽车后防撞梁产品的吸能效果，通过调整合金化学成分，在满足国标6082合金成分标准的前提下，降低Si、Mg合金元素含量，既可以避免材料屈服强度过高，还能改善合金成型性，化学成分检测结果见表1，符合GB/T3190中6082合金成分标准。

表1 化学成分检测结果(质量分数，%)Tab.1 Test results of chemical composition (wt.%)

3.2 T4稳定性能

用于汽车防撞系统的挤压铝型材通常需T4状态进行深加工，6082铝合金自然时效初期，屈服强度变化较大，每批次型材受停放时间及加工时间等因素的影响，易造成后续深加工工装反复调试，影响生产效率。因此探究6082挤压铝合金汽车防撞系统型材的T4状态停放涨幅情况，为后续防撞梁产品深加工的工艺优化，提供参考依据。将型材分别停放1d、4d、6d、20d、40d及70d后进行性能测试，检测结果见表2。由表2可知，汽车用防撞系统6082挤压铝合金停放6d以后，力学性能趋于稳定，相比于当天屈服强度涨幅约15MPa；随后停放时间延长，力学性能无明显变化。

表2 型材T4稳定性力学性能检测结果Tab.2 Test results of stability and mechanical properties of section T4

3.3 时效制度对力学性能的影响

为开发适用于6082挤压铝合金防撞梁产品的最优时效制度，进行时效制度调试试验。表3是6082挤压铝合金汽车防撞系统型材经175℃×(4h～11h)八种时效制度试验相应的力学性能值。可知，此产品在175℃×8h时效达到力学性能极限值屈服强度为303MPa。针对于汽车防撞系统6082挤压铝合金产品，大部分客户标准要求为屈服强度270MPa～290MPa，综上所述应选择175℃×(6h～7h)作为最优时效制度。

表3 时效后力学性能平均值Tab.3 Average value of mechanical properties after aging

3.4 长期及短期热稳定性能

此型材用作汽车防撞系统零部件，多数客户后期会对整车进行烤漆处理和验证零部件长期热稳定性能，为避免型材承受二次热处理对力学性能产生影响从而造成力学超差现象，因此进行短期及长期热稳定性试验。表4是175℃×6h时效处理后再经过180℃×20min(短期热处理)的力学性能值，以及175℃×6h时效处理后经120℃×500h(长期热处理)后的力学性能值。可以看出，短期热处理后6082铝合金屈服强度最高约涨8MPa，出现小幅度升高现象，长期热处理后屈服强度未见明显降低现象。

由图2可以看出，175℃×8h时效的基体中第二相明显多于175℃×6h时效，且分布更加弥散，形态相对饱满圆润，说明175℃×6h时效处理，固溶在铝基体中的溶质集团析出程度不如175℃×8h时效。此外从表3可以看出，175℃×8h时效的屈服强度高于175℃×6h时效的屈服强度约20MPa。综上所述，可以判断出175℃×6h时效对于6082汽车防撞梁型材属于欠时效处理。因6082铝合金属于热处理可强化型铝合金[4，5]，一次时效采用的是欠时效处理，力学性能未达到峰值时效后的性能，经二次热处理后(短期热处理)型材基体内部第二相组织有进一步析出的趋势，铝合金型材的性能随之得到提升。长期热处理后由于热处理时间较长，欠时效型材性能会呈现先升高后降低的趋势，所以型材经120℃×500h热处理后屈服强度未见明显变化。

(a)175℃×6h时效基体组织；(b)175℃×8h时效基体组织图2 6082合金横向显微组织Fig.2 Transverse microstructure of 6082 alloy

3.5 折弯性能检测结果

型材折弯性能是反应材料延展性及塑性的最佳表征方式。表5是汽车防撞系统6082挤压铝合金产品经175℃×6h时效后的型材折弯性能。由表5可知，汽车防撞系统6082挤压铝合金产品，折弯弯曲角度为55°～65°，折弯角度相对于低成分6xxx系合金如6063、6005A或6101B合金较低。因6082属6xxx系高成分合金，合金化程度高，合金中Si元素含量较高，基体内部会形成大量第二相Mg2Si，对材料起到第二相强化及弥散强化的作用，所以材料强度较高，从而塑性及韧性相对较差，是导致折弯角度相对较低的主要原因。

表5 折弯性能检测结果Tab.5 Test results of bending performance

3.6 微观组织性能

通过挤压6082铝合金制备出的汽车用后防撞梁型材，后续会进行折弯、焊接及铆接等深加工工序。型材内部组织结构、晶粒尺寸及皮质层厚度是反应型材综合性能的重要指标，如基体晶粒粗大、粗晶层厚度较厚，后续深加工会出现制品裂纹、表面橘皮等质量缺陷。从图3可知，采用6082铝合金挤压生产出的汽车后防撞梁型材基体晶粒度等级为7级，第二相细小均匀的分布于基体中，边部皮质层厚度0.4mm～0.6mm。

(a)横向基体晶粒度；(b) 横向外表面；(c) 横向内表面图3 6082合金横向显微组织及基体晶粒Fig.3 Transverse microstructure and matrix grain of 6082 alloy

4 结论

(1)通过严格控制挤压工艺参数，采用高棒温480℃～520℃，低挤压速度3.5m/min～5.5m/min，可生产出汽车用防撞系统6082挤压铝型材。

(2)用于汽车防撞系统的6082挤压铝合金产品，T4状态稳定性较好，停放6d后性能趋于稳定，涨幅在15MPa以内，采用175℃×6h时效处理后屈服强度范围可在270MPa～290MPa。经短期热处理后，性能小幅提升，涨幅不超过4%，经长期热处理后性能相对稳定。产品显微组织均匀细小的分布于基体中，基体晶粒度7级，皮质层厚度为0.4mm～0.6mm。