汽车吸能盒用6063铝合金薄壁型材性能研究

2022-06-27崔家铭周三忠汪文进陈晓文

热处理技术与装备 2022年1期

崔家铭，周三忠，汪文进，陈晓文

(明达铝业科技(太仓)有限公司，江苏太仓 215412)

随着汽车轻量化的发展，更多的铝挤压型材被应用到汽车的各种部位，面对能源紧缺、污染严重的严峻形势，6系合金作为一种轻质材料在汽车工业中得到了广泛应用[1]。同时汽车型材对安全性的要求也极高，因此型材不仅要具有很高的强度还需兼顾良好的韧性指标。6063-T4铝合金材料随着T4停放时间的延长，其力学强度增加而断后伸长率下降。考虑到材料的稳定性及塑性等性能指标，很多国外客户将最大力塑性伸长率Ag作为衡量铝合金材料塑性的重要指标，对铝合金挤压型材T4态提出了更高要求。

目前国内很少对铝挤压材料T4态最大力塑性伸长率Ag值进行研究，特别是2.5 mm以下薄壁型材的Ag值很难达到≥20%要求，且薄壁型材挤型尺寸一直是困扰模具及挤压生产工艺的难题。目前的工艺水平，对壁厚2.5 mm以下挤压型材6063-T4最大力塑性伸长率Ag仅能达到15%～19%。本文通过改善合金成分、优化挤压工艺、模具采用阻流式结构设计等方法，最终挤压型材可满足6063-T4要求：Rp0.2≥70 MPa，Rm≥150 MPa，Ag≥20%；时效后最终产品6063-T7性能为：Rp0.2为220～260 MPa，Rm≥240 MPa，A50≥8%。并通过实际验证表明产品的性能满足各项标准的要求。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本试验选用6063铝合金薄壁型材，全截面壁厚均为2.0 mm，该断面为汽车防撞梁系统吸能盒型材，最终型材产品要求具有一定强度还需兼顾韧性指标，同时具有良好压缩吸能效果，断面结构如图1所示。挤压铸锭无明显偏析、表面无油污、裂纹等缺陷，尺寸规格为30 mm×600 mm。

图1 型材断面图Fig.1 Section diagram of profile

1.2 试验方法

挤压设备采用卧式3000T铝合金挤压机，挤压系数为35，淬火方式为在线水冷。按GB/T 7999铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法进行化学成分的检测，试验设备为德国SPECTRO直读光谱仪。按标准GB/T 228.1的要求进行力学拉伸试验，试验设备为美国MTS电子万能试验机。压溃试样原始长度300 mm，下压速度为100 mm/min，下压量为200 mm，试验设备为万能试验机。压溃合格判定：型材压溃后形成规律褶皱，褶皱表面可出现未贯穿裂纹，不允许出现贯穿裂纹，拐角和T角位置允许出现≤10 mm贯穿裂纹。

2 试验过程及分析

2.1 挤压工艺参数分析

通过对现有成分6063A合金的挤压工艺进行分析，确定最佳的挤压工艺参数。铸锭温度分别采用高、中、低三种棒温，挤压速度采用高、中、低三种速度，将铸锭温度与挤压速度相匹配进行对比验证，具体挤压工艺试验参数见表1，6063A-T4/T7力学性能结果如图2所示。

挤压铝合金型材具有自然时效过程，T4态力学强度会随着停放时间的延长逐渐升高，故上述T4态力学性能均在挤压后停放3 d后进行拉伸测量。从图2可以看出：铸锭温度越高、挤压速度越快，T4/T7态挤压型材状力学强度越高。T4态Ag随着棒温和挤压速度升高呈上升趋势，但整体改善并不明显；而T7态A50却没有明显的变化规律，且型材速度过快产品淬火冷却后型材变形严重，尺寸难以控制。

(a)T4态力学强度；(b)T4态Ag；(c)T7态力学强度；(d)T7态A50图2 6063A-T4/T7力学性能(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

研究表明随着挤压速度的逐渐增加，基材硬度也随之上升。由于挤压速度增加，使得应变速率加快，而金属变形所吸收的能量转化为变形热后无法迅速散发，致使型材温度上升，即固溶度提高，合金硬度和力学性能随之上升[2]。

综合考虑挤压铝合金型材T4/T7态性能的要求，确定最佳挤压工艺为：铸锭温度460～480 ℃，挤压速度9 m/min，淬火冷却方式为水冷。较低铸棒温度、高挤压速度与水冷淬火工艺，可以在保证挤压性的同时防止再结晶晶粒长大，在挤压过程中获得更多的过饱和固溶体，在自然时效过程中析出相变多且晶粒细小，从而提高材料韧性指标；而且高挤压速度可使晶粒破碎得更加均匀，多且细小的晶粒组织能提高材料的塑性。

2.2 铸锭均匀化处理

均匀化处理可消除内应力，减少铸锭的晶粒偏析，改善化学成分和组织的不均匀性，提高合金塑性，降低变形抗力，改善铸锭加工性能，提高挤压速度，以改善材料的工艺和使用性能[3]。

本试验铸锭均匀化处理制度为550 ℃×8 h，保温时间不宜过长，研究表明保温时间超过12 h后合金内部的晶粒就会发生长大，对合金的性能产生不利影响[4]。

冷却方式为水冷，采用高温长时水冷的均质化制度，避免出现粗大的Mg2Si相析出物，使Mg2Si相充分溶入到固溶体内高度细化且弥散分布，提高晶内成分的均匀性，同时高的冷却强度，可有效地防止晶粒长大。

2.3 合金成分调整

通过挤压工艺的验证，可知本试验6063A-T4/T7的性能较低，无法满足客户的要求，故对合金成分进行调整。6xxx系合金主要强化相为Mg2Si和过剩Si，决定型材力学性能的关键因素是Mg和Si含量，通过调整Mg和Si含量设计了三种合金成分6063B、6063C、6063D，分别进行挤压取样，测试力学性能及压溃性能。具体化学成分见表2，T4/T7态力学性能结果见表3。

表2 铝合金化学成分(质量分数，%)

表3 不同成分合金的力学性能

从表3可以看出，在一定成分范围内，Mg、Si含量对合金T4态Ag无明显影响，但是对T4/T7态力学强度影响较大，6063D合金综合性能优于6063A、6063B和6063C合金。

1)6063A合金：T4态力学强度不满足要求，T7态力学性能及压溃性能合格。

2)6063B合金：T4态力学强度合格，T7态性能超出标准要求，压溃性能不合格。

3)6063C合金：T4态抗拉强度偏低，T7态力学性能及压溃性能合格。

4)6063D合金：T4态力学强度合格，T7力学性能及压溃性能合格。

2.4 模具设计调整

通过对模具结构进行调整，采用阻流式结构设计。通常认为模具结构设计主要影响型材尺寸，并不会对挤压铝合金性能产生影响。本试验将有、无阻流作为变量，挤压工艺及铸锭成分均未改变，结果见表4。模具增加阻流结构设计会提升6063D-T4力学性能，对模具设计及调修具有重大意义。

表4 模具状态对6063D-T4态Ag影响

3 结果分析

通过对6063合金成分进行调整，确定最优合金成分为6063D合金(质量分数，%)：0.40～0.50Si，≤0.17Fe，0.01～0.06Cu，≤0.1Mn，0.50～0.60Mg，≤0.05Cr，≤0.05Zn，≤0.05Ti，单个≤0.05，合计≤0.15，余量Al，H含量≤0.20 ml/100 g，严格限定杂质Fe的含量，既考虑了经济成本，又可防止杂质Fe形成粗大的脆性相β-AlFeSi分布在晶界上，进而阻碍原子扩散。将过剩硅控制在0.10%～0.25%之间，当Mg、Si元素质量比小于1.73时就会有过剩Si的存在，少量过剩Si的存在能显著提高强化相Mg2Si的强化效果，而细化弥散相会改善材料的综合力学性能[5]。

挤压模具采用阻流式结构设计，使铝合金在挤压过程中经过多次预变形，可提高挤压时金属在模具焊中的室内压力，使金属在模具内充分流动变形。高压力以及大变形量可加重铝合金在挤压过程中大晶粒的破碎重组，而静水压力越大，形成三相压应力越大，扩散速度越小就越能抑制晶粒的长大[6]。型材产品获得更多的细小晶粒、良好的表面质量和致密的内部组织，有益于提高T4态材料力学性能指标，使其在拉伸过程中不容易在塑性阶段断裂，从而提高最大力塑性伸长率Ag。

T7态材料时效制度为(190±3) ℃×6 h，图3为四种成分6063型材T7时效后压溃图片。可见6063A、6063C和6063D三种成分型材压溃形成规律褶皱，表面无贯穿裂纹，拐角与T角位置裂纹未超标准，测试样段吸能效果良好，符合防撞系统吸能盒的相关要求；而6063B成分型材部分位置压溃褶皱处出现贯穿裂纹，压溃结果不符合测试标准要求。这是因为6063B合金成分Mg、Si含量较高，时效后析出强化相Mg2Si和过剩Si较多，过剩Si会提高Mg2Si的强化效果，使产品力学强度提高，而较高的力学强度必然导致材料塑性有所下降。同时过剩Si易在晶界处聚集偏析，使晶界脆化，降低合金的塑性和韧性[7]。在淬火冷却及时效过程中更容易获得粗大脆性相β-AlFeSi，从而导致压溃出现局部开裂现象。