李飛慶

（江陰東華鋁材科技有限公司，江陰214421）

0 前言

為了降低汽車自重、增加汽車?yán)m(xù)航里程、有效節(jié)能減排，越來越多的汽車制造企業(yè)將6061 鋁合金作為一種理想的輕量化材料應(yīng)用于汽車零部件制造中。特別是近年來采用6061 鋁合金作為新能源汽車托盤材料呈現(xiàn)出主流趨勢(shì)，其主要原因在于6061 鋁合金具有良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的焊接性能、較高的比強(qiáng)度等特點(diǎn)。我公司與某合作客戶根據(jù)某車企的某款新能源車設(shè)計(jì)的續(xù)航里程要求，經(jīng)過部件的輕量化設(shè)計(jì)計(jì)算和模擬，在材料性能方面提出了比GB/T 6892 要求更高的力學(xué)性能指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度≥300 MPa，屈服強(qiáng)度≥260 MPa，伸長率≥10%。常規(guī)的6061生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品性能已不能滿足客戶需求，因此我公司將高性能新能源汽車電池托盤的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)列為重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，并進(jìn)行立項(xiàng)攻關(guān)。

本文探討了不同成分和擠壓工藝條件下新能源汽車電池托盤用6061 鋁合金鋁型材的力學(xué)性能和顯微組織，通過優(yōu)化，得出了能滿足客戶要求的生產(chǎn)工藝，以期為鋁加工同行提供參考。

1 材料及試驗(yàn)方案

1.1 材料

采用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)規(guī)格為φ203 mm的兩種不同化學(xué)成分6061鑄棒?；瘜W(xué)成分見表1，分別記為1#（低Mn、Cr成分）和2# （高M(jìn)n、Cr成分）。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗(yàn)方案

所有鑄棒均采用570 ℃/12 h 高溫均勻化處理，采取水噴淋冷卻到150 ℃以下，然后出爐空冷。鑄棒采取快速加熱（短棒爐加熱）后，在2 500 MN擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，各試樣采用的擠壓參數(shù)見表2。表2 中的編號(hào)A、B、C是為了標(biāo)記三種不同的擠壓工藝，其中低溫高速慢冷工藝標(biāo)記為A、高溫低速慢冷標(biāo)記為B、高溫低速快冷標(biāo)記為C。1#A表示1#化學(xué)成分棒采用A類擠壓工藝，其它依次類推。進(jìn)行1#A 和2#A、1#B 和2#B、1#C 和2#C三組試驗(yàn)，目的是在相同的擠壓工藝下，探討不同的化學(xué)成分下型材的性能和組織情況； 而1#A、1#B、1#C則是在相同的化學(xué)成分下，探討三種不同擠壓工藝下型材的性能和組織；2#A、2#B、2#C也是這種情況。擠壓完成后產(chǎn)品的時(shí)效工藝為：175 ℃/8 h。

表2 擠壓工藝參數(shù)表

所有試樣在切完工藝廢料后的產(chǎn)品頭部相同長度處取樣，采用金相顯微鏡進(jìn)行觀察。顯微鏡型號(hào)為倒置型ZEISS Axio vert.A1，使用Z100 萬能電子拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 鑄棒組織形貌

如圖1所示，剛鑄造出來的6061鋁合金鑄棒存在著嚴(yán)重的枝晶偏析。但在均勻化處理過程中，溶質(zhì)原子發(fā)生擴(kuò)散，組織成分趨于均衡，可使得后續(xù)擠壓產(chǎn)品組織均勻，而且均勻化處理可溶解大尺寸Mg2Si非平衡凝固相。同時(shí)β-AlFeSi轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al-FeSi 顆粒[1]，減少材料中因大尺寸第二相應(yīng)力集中萌生的裂紋源頭，提高材料力學(xué)性能，改善材料表面質(zhì)量狀況。

圖1 6061均勻化前的顯微組織

均勻化組織形貌如圖2所示。從圖2（a）中可以看出，合金中大部分非平衡結(jié)晶相溶入了鋁基體中，部分第二相聚集、球化，較多第二相呈片狀分布；而圖2（b）為添加了較多Mn、Cr的2#鋁棒均勻化組織形貌。從中可以看出第二相體積分?jǐn)?shù)變大，同時(shí)第二相形態(tài)球化更明顯，部分第二相形態(tài)呈鏈狀分布，晶粒大小方面2#樣品比1#樣品的細(xì)小。

圖2 6061鋁棒均勻化后的顯微組織（570 ℃/12 h）

2.2 型材力學(xué)性能

拉伸測(cè)試結(jié)果見表3。由表3 可以看出，采用的六組工藝中，有四組試樣力學(xué)性能未符合客戶提出的性能要求，其中1#A試樣（低Mn、Cr成分+低溫高速慢冷）力學(xué)性能三項(xiàng)指標(biāo)都未能達(dá)標(biāo)；1#B試樣（低Mn、Cr成分+高溫低速慢冷）抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度達(dá)到客戶要求，但試樣的伸長率與客戶要求還有不少的差距；1#C試樣（低Mn、Cr成分+高溫低速快冷）在強(qiáng)度和伸長方面都有提升，但是伸長率未能達(dá)標(biāo)。由此可見，1#化學(xué)成分生產(chǎn)的型材性能主要問題在于伸長率性能較差。改進(jìn)成分的2#A試樣（高M(jìn)n、Cr成分+低溫高速慢冷）抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度未能達(dá)到客戶要求，但伸長率比客戶要求的還高出21%；2#B 試樣和2#C 試樣的力學(xué)性能三項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到客戶的要求，但是2#B試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度只比客戶要求高1～8 MPa，批量生產(chǎn)時(shí)工藝條件稍有波動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致部分產(chǎn)品報(bào)廢；而2#C試樣的各項(xiàng)力學(xué)性能相對(duì)于客戶要求均有余量。在相同的工藝條件下，抗拉強(qiáng)度方面2#樣品和1#樣品相差不大，屈服強(qiáng)度方面2#樣品比1#樣品差，伸長率方面2#樣品比1#樣品要好；而在相同化學(xué)成分條件下，高溫低速快冷樣品的力學(xué)性能表現(xiàn)最好。另外，添加了較多Mn、Cr 的2#試樣的產(chǎn)品普遍表面質(zhì)量比1#的要差，在快速擠壓時(shí)甚至在尾部表面出現(xiàn)小裂紋。

表3 6061鋁合金電池托盤型材的力學(xué)性能表

2.3 型材顯微組織

圖3 為部分試樣的顯微組織照片。從圖3（a）與圖3（c）的對(duì)比和圖3（b）與圖3（d）的對(duì)比可以看出：在化學(xué)成分一致的情況下，采取高溫低速慢冷和高溫低速快冷擠壓工藝條件，試樣的晶粒組織基本無變化；從圖3（a）與圖3（b）的對(duì)比和圖3（c）與圖3（d）對(duì)比可以看出：1#化學(xué)成分的樣品晶粒度指數(shù)為3 級(jí)，整體晶粒尺寸較大，形狀上接近等軸晶狀態(tài)；2#化學(xué)成分的樣品晶粒度指數(shù)約為7級(jí)，晶粒組織都很小，晶粒形狀為拉長狀晶粒。出現(xiàn)這種晶粒主要是在于2#化學(xué)成分中Mn和Cr元素的含量較高。

圖3 6061合金各工藝下的顯微組織

3 分析與討論

3.1 化學(xué)成分的影響

（1）Mg、Si 對(duì) 組織及力學(xué)性能的影響。Mg和Si在合金中形成的Mg2Si 是6061合金中主要的強(qiáng)化相[2]。本研究中兩種合金成分中的Mg和Si比例在1.51～1.53 之間，小于Mg 和Si 形成Mg2Si 所需要的Mg/Si 比為1.73。但合金中的Fe、Mn 能優(yōu)先于Mg與Si 形成AlMn（Fe）Si 相，必須由過剩Si 來補(bǔ)充這部分Si 的損失。為了保證合金中的Mg 與Si 成分匹配，Si 在合金中一般處于過剩狀態(tài)。本研究中兩種合金成分中的Mg和Si含量較高，按Mg元素全部轉(zhuǎn)化為Mg2Si 來計(jì)算，Mg2Si 含量達(dá)到1.7%，Mg2Si含量都處于較高的水平，因而熱處理后力學(xué)性較高。另外Si含量也會(huì)通過影響在線風(fēng)冷淬火效果來影響力學(xué)性能[3]。

（2）Mn、Cr 對(duì)組織及力學(xué)性能的影響。Mn在合金中有多種作用，比如促進(jìn)均勻化過程中的β-AlFeSi 轉(zhuǎn)變?yōu)棣?AlFeSi，但最為主要的作用是阻止Si在晶界成核，防止金屬脆性斷裂，并且能在擠壓和熱處理階段阻止晶粒長大和粗化。但當(dāng)Mn元素添加量大于0.1%時(shí)，擠壓力增加，降低鋁棒的可擠壓性，增加淬火敏感性。

Cr 可抑制Mg2Si 相在晶界析出，延緩再結(jié)晶發(fā)生。李煒煒[4]等人指出Cr 含量增多，Al（MnCr）Si粒子增多，這些粒子釘扎晶界，強(qiáng)烈阻礙再結(jié)晶的發(fā)生。

本試驗(yàn)中2#化學(xué)成分試樣同時(shí)添加了0.14%Mn和0.12%Cr，改變了晶粒組織，提升了力學(xué)性能中的伸長率指標(biāo)，在相同擠壓工藝情況下，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相差不大。但與此同時(shí)，表面質(zhì)量比1#化學(xué)成分試樣變得更差。

3.2 擠壓溫度和速度對(duì)組織及力學(xué)性能的影響

為了提升擠壓生產(chǎn)效率，生產(chǎn)廠家傾向于采取低溫高速的工藝進(jìn)行生產(chǎn)。本次工藝試驗(yàn)中，低溫高速方案下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均未能達(dá)到客戶的要求，而高溫低速方案的力學(xué)性能則更高。原因在于擠壓溫度越高，則更多的Mg、Si 溶入基體中，為后續(xù)Mg2Si析出提供更多的Mg、Si元素。但擠壓溫度高，擠壓的成形性能變差，擠壓速度過快則引起表面質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)小裂紋。因此在高擠壓溫度情況下，只能降低擠壓速度。

3.3 冷卻方式對(duì)組織及力學(xué)性能的影響

在快速冷卻的情況下（比如水冷），Mg、Si 元素被凍結(jié)在固溶體當(dāng)中，而緩慢的冷卻過程中（比如風(fēng)冷）就會(huì)有粗大的Mg2Si 第二相析出，降低基體中Mg、Si 含量。本試驗(yàn)中采用風(fēng)冷的冷卻速率為3 ℃/s（使用手持測(cè)溫儀測(cè)量產(chǎn)品通過淬火系統(tǒng)前后的溫差以及時(shí)間測(cè)算），而水冷方式的冷卻速率為7℃/s（使用手持測(cè)溫儀測(cè)量產(chǎn)品通過淬火系統(tǒng)前后的溫差以及時(shí)間測(cè)算）。冷卻速率越快則固溶在鋁基體的Mg、Si 越多，為后續(xù)時(shí)效提供更多的Mg、Si元素，從而提升力學(xué)性能。

4 結(jié)論

采用添加適量Mn、Cr 化學(xué)成分、棒溫490～510 ℃、擠壓速度5 m/min、水霧冷卻的生產(chǎn)工藝可生產(chǎn)出抗拉強(qiáng)度312 MPa、屈服強(qiáng)度273 MPa、伸長率12.8%、符合客戶要求的新能源汽車電池托盤用鋁合金型材。