張 琪

(中國鋁業(yè)集團有限公司 鋁加工事業(yè)部，北京 100082)

近20年來，我國汽車工業(yè)得到了快速發(fā)展，2018年，中國汽車產銷量約2800萬輛，占全球產銷量的30%左右。汽車尾氣排放已成為我國城市空氣污染的主要來源。輕量化是實現汽車節(jié)能減排的直接手段，同時輕量化對于提高汽車操控性能，減少制動距離和加速時間，提高電動車續(xù)航能力等均具有明顯的效果[1]。因此輕量化已成為汽車主機廠重點發(fā)展的技術方向。汽車車身及覆蓋件占汽車總重量的20%～30%，如果采用鋁合金板材替代傳統的鋼板制造車身結構件和覆蓋件內外板，減重效果可達到40%～50%[2-4]。

汽車車身及覆蓋件用鋁合金板材(簡稱“鋁合金汽車板”)主要為5xxx系和6xxx系。5xxx系主要用于覆蓋件內板和結構件，6xxx系主要用于覆蓋件外板及部分結構件。用于覆蓋件的6xxx系汽車板典型要求，一是在供貨及存放期間具有較低、且穩(wěn)定的屈服強度，以保證沖壓時具有較好的成形性能和一致性[5]；二是沖壓后表面具有較高的表面質量，無變形條紋等缺陷；三是沖壓成形后覆蓋件一般要進行涂漆烘烤，汽車車身板的涂裝烘烤一般包括一系列的油漆固化過程，主要包括電泳涂裝、中涂層烘烤和面漆烘烤，實驗研究中，一般采用2%預變形后再進行185℃/20min的熱處理，來模擬實際烤漆過程。汽車主機廠希望鋁制覆蓋件經過烤漆后，強度實現快速、大幅度增加，即具有較快的烤漆響應速率和較高的烤漆硬化增量。以上性能要求與6xxx系板材的成分、晶粒、析出相、織構、表面質量等均有密切關系。

本文綜述了目前6xxx系合金汽車板研發(fā)、產業(yè)化現狀與發(fā)展趨勢，以期對推動我國鋁合金汽車板開發(fā)和產業(yè)化進程、提升我國汽車輕量化水平提供參考。

1 6xxx系汽車板的研究現狀

目前6xxx系汽車板的研究主要集中在如何實現快速時效響應和較高的烤漆強度增量方面，而實現以上目標的重要手段是通過合理的成分設計和固溶預時效處理。

1.1 成分設計

6xxx系汽車板主要合金元素是Mg和Si，此外還含有Cu、Fe、Mn、Cr等微合金及雜質元素，Mg2Si相是其主要強化相。圖1給出了目前常用6xxx系汽車板的Mg、Si成分范圍，可以看出，為提高烘烤時的時效響應速率，6xxx系汽車板的成分范圍一般位于Mg2Si平衡線的右側，即Si含量處于過剩狀態(tài)。

目前普遍認為，Cu元素添加可以使Al-Mg-Si系合金時效相應加速，峰值時效強度提高，并降低自然時效的影響。但關于Al-Mg-Si-Cu系的時效析出強化機制，至今仍存在一定爭議，因為Mg/Si比和Cu含量均會對時效析出序列產生影響。一般認為，Al-Mg-Si-Cu系合金會形成一種四元Q相(Mg12-xSi7Cu2Alx，1≤x≤4)，而Q相和傳統6xxx系合金的析出相β相(Mg2Si)在析出時，一方面存在互相競爭，另一方面也可以互為形核點，促進析出[6]。李海等人[7]的研究表明，AlMgSiCu合金的時效硬度明顯高于AlMgSi合金，且時效硬化速率也明顯加快，這與Cu的添加降低析出激活能密切相關。

Mn和Cr的作用主要是減弱合金中Fe元素的影響[8]。Mn和Cr均能夠促進均勻化過程中Al5FeSi型結晶相向Al8Fe2Si型結晶相的轉變。Al5FeSi型結晶相屬單斜晶系，在基體中易造成局部應力集中，形成裂紋，降低材料的塑性[8]。此外，Mn和Cr還能起到抑制變形晶粒在固溶處理時發(fā)生再結晶和晶粒長大的作用[9]。

最近，為了進一步提高6xxx系汽車板的烤漆硬化性能，研究者提出在6xxx系合金中添加Zn元素。李勇等人[10，11]研究了Al-0.93Mg-0.78Si-0.2Cu合金中添加3%的Zn元素后的時效析出行為，結果表明，溶質元素Zn的添加導致Mg-Si原子團簇的形核與長大行為與常規(guī)Al-Mg-Si系合金存在較大差異，這主要是由于Zn與淬火空位有比較高的結合能，淬火后Zn可以與空位結合，作為Mg-Si原子團簇的形核點而加快合金的時效響應(圖2)，使合金烤漆硬化增量得到大幅度提高。

1.2 固溶與預時效

鋁合金的固溶溫度原則上根據相圖中低熔點相共晶溫度和合金的溶解度曲線來確定。6xxx系鋁合金的固溶溫度一般為500℃～570℃，合金的固溶時間應該保證析出相能夠充分溶解到基體中[12]。合金固溶后，晶內的Mg2Si以及部分Q相溶解到基體中，同時，變形晶粒發(fā)生再結晶，形成等軸狀晶粒。合金固溶處理后必須立即進行淬火形成過飽和固溶體，以防止強化相析出，其中淬火速率將會對時效態(tài)的性能產生重要影響[13]。對于6xxx系鋁合金，一般采用快速的水淬，以最大限度的提高合金的時效強化能力。

6xxx系汽車板在固溶處理后通常需要在室溫下儲存一段時間才能進行沖壓成形。如果對淬火后的板材不進行預處理，將導致在自然存放過程中Mg、Si原子團簇的聚集，形成團簇，使屈服強度不斷上升，一方面導致成形性降低，另一方面導致烘烤后強度提升幅度降低[14，15]。如6111-T4態(tài)板材，在185℃/20min烘烤后，強度僅提升20MPa[16]。工藝上一般采用預時效處理，來抑制或緩解自然時效，同時提升烘烤后的屈服強度增量。

研究表明[17，18]，6xxx系汽車板固溶后進行高于100℃預時效時，合金中Mg和Si原子會聚集形成一種原子團簇，這種團簇與自然時效形成的原子團簇相比，強化效果較弱，但可以充當烘烤硬化時主要強化相β″的形核點。此外，預時效形成這種團簇能降低基體的過飽和度，抑制室溫停放時的團簇形成，從而減緩室溫停放時強度的上升，使合金獲得較低的屈服強度和較高的性能穩(wěn)定性。同時在后續(xù)的烘烤硬化時，預時效形成的團簇能夠很容易轉化成β″，提高β″析出數量，使合金獲得較高的烘烤硬化強度。定量研究結果表明，固溶后進行140℃～180℃，小于10min的預時效，對于6xxx系汽車板的烘烤硬化效果最為有利[19]；同時研究還發(fā)現，當對合金進行70℃～90℃低溫預時效時，需要進行6h～8h的處理才能達到類似效果。在工業(yè)生產中，由于低溫長時間更容易控制，成卷的板材加熱和冷卻均需要較長時間，因此低溫長時間預時效工藝在工業(yè)生產中采用的較多。

2 6xxx系汽車板的產業(yè)化現狀

2.1 汽車企業(yè)對6xxx系汽車板的要求

與研究者關注點不同，汽車企業(yè)除對6xxx系汽車板的性能室溫穩(wěn)定性、烘烤硬化性能等關注外，對鋁板的尺寸精度、表面性能以及成形、連接、表面處理等應用性能等均有較高的要求。目前，汽車企業(yè)一般根據應用部位不同，將6xxx汽車板分為標準型(S)、高強型(HS)、增強烘烤硬化型(IBR)、增強翻邊性能型(IH)等類型。表1給出了某汽車廠商對不同類型6xxx板材典型力學性能的要求，同時也代表了大多數汽車廠商的要求。

對于表面質量的要求，用于覆蓋件外板的6xxx系合金要求板材在預拉伸10%后，不能出現明顯的漆刷線缺陷(圖3)。此外，汽車廠商還要求對6xxx系板材進行EDT毛化處理、表面清洗、鈍化、涂油等。此外，在汽車廠對6xxx系板材進行認證時，還需要檢測成形極限(FLD)、交叉線腐蝕、真應力應變曲線、表面粗糙度、涂油量、摩擦性能、膠接性能、磷化性能、鉚接/焊接性能等指標。

表1 某汽車廠商對不同類型6xxx板材的典型力學性能要求

由于6xxx系汽車板對表面質量、性能一致性、穩(wěn)定性等要求極高，目前國際上能夠批量供應6xxx系汽車板的企業(yè)僅有諾貝麗斯、奧科寧克、愛勵、肯聯、海德魯、神戶制鋼等。國內的西南鋁、中鋁瑞閩、忠旺、南山集團等生產的6xxx系汽車板正在開展汽車公司的認證，部分產品處于小批量供貨階段。

諾貝麗斯是全球最大的鋁平軋產品企業(yè)，近年來先后在紐約Oswego及德國Nachterstedt、中國常州等地投資建設了5條汽車板精整熱處理線，布點覆蓋南美、北美、歐洲和亞洲，未來汽車板銷售比例將達到25%。諾貝麗斯常州工廠已建成投產，主要進行汽車覆蓋件鋁材的連續(xù)退火和表面處理，設計產能12萬t；目前常州工廠已經啟動一條新的連退線，建成后產能總計將達20萬t。

從2014-2018年，諾貝麗斯不斷加強在汽車板生產和研發(fā)上的投入。雖然近年來諾貝麗斯板材總產銷量均在300萬t左右，但汽車板的占比不斷提升。2014年汽車板占比僅9%，2018占20%，即64萬t。在產品開發(fā)方面，諾貝麗斯已形成系列化汽車板產品。除常規(guī)的6016、6111外，還開發(fā)了外覆蓋件、結構件等用的AdvanzTMe600、e170、e615、c300等系列化產品。

奧科寧克(Arconic)是美鋁拆分的專注于航空航天及汽車用鋁材開發(fā)及生產和技術服務的鋁加工企業(yè)。根據奧科寧克的報告，從2010年至2015年，汽車鋁板的銷售額大幅提升，2015年達到6.48億美元。2016年，汽車板的產銷量在2015年的基礎上增加了39%，達9億美元。2015年，奧科寧克宣布成功開發(fā)了新一代汽車板生產設備及工藝“Micro-Mill”技術[20]，可極大地提升汽車車身和覆蓋件用鋁板的使用性能，同時生產效率大幅提高，成本大幅降低。但至今該技術未見大規(guī)模應用的報道。

國內中鋁集團下屬的西南鋁和中鋁瑞閩也建立了完整的汽車板生產線，并成功開發(fā)了6016、6014、6111等系列化汽車板產品，可實現厚度0.8mm～3.5mm、寬度800mm～2400mm的穩(wěn)定生產。部分產品已通過或正在進行上海通用、上汽大眾、蔚來汽車、北汽新能源、吉利、海馬等汽車公司的供貨。表2給出了西南鋁、中鋁瑞閩部分可供產品典型性能。此外，中鋁集團已具備了為用戶提供結構設計、成型、連接及表面處理等全面應用技術服務的能力，這將對其汽車板市場推廣起到較大的推動作用。

表2 中鋁集團下屬企業(yè)部分可供6xxx系產品典型性能

除中鋁下屬企業(yè)外，國內南山鋁業(yè)、南南鋁、忠旺等企業(yè)也在加快6xxx汽車板開發(fā)、認證和產業(yè)化的步伐。未來2～3年，中國鋁加工企業(yè)有望打破國外鋁加工企業(yè)在6xxx汽車板產業(yè)化方面的主導地位，成為6xxx汽車板供應的主要力量。

值得一提的是，為加快我國汽車用鋁板的應用進程，工信部2018年啟動新能源汽車材料生產示范應用平臺項目建設。該項目由一汽集團牽頭，材料生產企業(yè)、零部件制造企業(yè)、分析評價機構、高校及研究單位等參與。中鋁瑞閩的汽車板連續(xù)退火及表面處理生產線為該平臺重點建設的示范線。該生產示范應用平臺的建設將極大加速我國6xxx系汽車鋁板在新能源汽車覆蓋件上的應用進程。

3 我國6xxx系汽車板產業(yè)化發(fā)展建議

盡管目前中南大學、北京科技大學、重慶大學等高校開展了大量6xxx系汽車板的基礎研究，取得了大量開創(chuàng)性的研究結果。這些研究成果與我國6xxx系汽車板的產業(yè)化存在一定程度的脫節(jié)，對6xxx系汽車板生產企業(yè)的指導作用有限，同時我國汽車板生產企業(yè)的研發(fā)力量相對薄弱，尚無法形成量產一代、試制一代、研究一代的產品研發(fā)格局。整體上，目前我國6xxx汽車板的產業(yè)化尚處于起步階段，產品種類、質量穩(wěn)定性等均有待進一步提升。為此，筆者建議：

(1)加強產業(yè)化工藝研究。明確大生產條件下影響各類性能波動的工藝和設備因素，開展大生產條件下全流程微觀組織和性能模擬。

(2)豐富6xxx系汽車板產品種類。除常規(guī)的6016、6014等標準產品外，加快面向不同部位性能需求的、具備自主知識產權的系列化產品開發(fā)，滿足不同用戶的需求。

(3)加快汽車主機廠的材料認證和產品推廣。目前大多數汽車主機廠對國產6xxx系汽車板的質量穩(wěn)定性、供貨能力等尚存在質疑。國內汽車板生產企業(yè)應加快對知名汽車主機廠的材料認證和產品推廣，形成“應用促進生產，生產推動應用”的良性循環(huán)。

(4)加強應用技術研究。加強6xxx系汽車板應用所需的成型技術、連接技術和表面處理等應用技術研究，為汽車主機廠提供應用技術服務。

4 結束語

輕量化是實現我國汽車工業(yè)“綠色”發(fā)展的必由之路。6xxx系汽車板是汽車輕量化用鋁的關鍵產品，也是目前鋁板民品應用領域需求量大，技術含量、性能及精度要求、附加值均較高的產品之一。近幾年，國家工信部、發(fā)改委、科技部等均對鋁合金汽車板的產業(yè)化給予了大量支持。我國核心鋁加工企業(yè)應主動擔當起6xxx系汽車板國產化重任，組織“產、學、研、用”等各方面力量，推動我國鋁合金汽車板產業(yè)化和應用實現快速發(fā)展。