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、增加汽車續(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，其主要原因在于6061 鋁合金具有良好的力學性能、優(yōu)異的焊接性能、較高的比強度等特點。我公司與某合作客戶根據(jù)某車企的某款新能源車設計的續(xù)航里程要求，經(jīng)過部件的輕量化設計計算和模擬，在材料性能方面提出了比GB/T 6892 要求更高的力學性能指標：抗拉強度≥300 MPa，屈服強度≥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鍵技術(shù)研發(fā)列為重點研發(fā)項目，并進行立項攻關。

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的兩種不同化學成分6061鑄棒?；瘜W成分見表1，分別記為1#（低Mn、Cr成分）和2# （高Mn、Cr成分）。

表1 6061鋁合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

1.2 試驗方案

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擠壓機上進行擠壓，各試樣采用的擠壓參數(shù)見表2。表2 中的編號A、B、C是為了標記三種不同的擠壓工藝，其中低溫高速慢冷工藝標記為A、高溫低速慢冷標記為B、高溫低速快冷標記為C。1#A表示1#化學成分棒采用A類擠壓工藝，其它依次類推。進行1#A 和2#A、1#B 和2#B、1#C 和2#C三組試驗，目的是在相同的擠壓工藝下，探討不同的化學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，采用金相顯微鏡進行觀察。顯微鏡型號為倒置型ZEISS Axio vert.A1，使用Z100 萬能電子拉伸機進行拉伸測試。

2 實驗結(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力集中萌生的裂紋源頭，提高材料力學性能，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數(shù)變大，同時第二相形態(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#樣品的細小。

圖2 6061鋁棒均勻化后的顯微組織（570 ℃/12 h）

2.2 型材力學性能

拉伸測試結(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）力學性能三項指標都未能達標；1#B試樣（低Mn、Cr成分+高溫低速慢冷）抗拉強度和屈服強度達到客戶要求，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）在強度和伸長方面都有提升，但是伸長率未能達標。由此可見，1#化學成分生產(chǎn)的型材性能主要問題在于伸長率性能較差。改進成分的2#A試樣（高Mn、Cr成分+低溫高速慢冷）抗拉強度和屈服強度未能達到客戶要求，但伸長率比客戶要求的還高出21%；2#B 試樣和2#C 試樣的力學性能三項指標都達到客戶的要求，但是2#B試樣的抗拉強度和屈服強度只比客戶要求高1～8 MPa，批量生產(chǎn)時工藝條件稍有波動將會導致部分產(chǎn)品報廢；而2#C試樣的各項力學性能相對于客戶要求均有余量。在相同的工藝條件下，抗拉強度方面2#樣品和1#樣品相差不大，屈服強度方面2#樣品比1#樣品差，伸長率方面2#樣品比1#樣品要好；而在相同化學成分條件下，高溫低速快冷樣品的力學性能表現(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）的對比和圖3（b）與圖3（d）的對比可以看出：在化學成分一致的情況下，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）的對比和圖3（c）與圖3（d）對比可以看出：1#化學成分的樣品晶粒度指數(shù)為3 級，整體晶粒尺寸較大，形狀上接近等軸晶狀態(tài)；2#化學成分的樣品晶粒度指數(shù)約為7級，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 化學成分的影響

（1）Mg、Si 對 組織及力學性能的影響。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 來計算，Mg2Si 含量達到1.7%，Mg2Si含量都處于較高的水平，因而熱處理后力學性較高。另外Si含量也會通過影響在線風冷淬火效果來影響力學性能[3]。

（2）Mn、Cr 對組織及力學性能的影響。Mn在合金中有多種作用，比如促進均勻化過程中的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Mn元素添加量大于0.1%時，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，強烈阻礙再結(jié)晶的發(fā)生。

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

3.2 擠壓溫度和速度對組織及力學性能的影響

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行生產(chǎn)。本次工藝試驗中，低溫高速方案下的抗拉強度和屈服強度均未能達到客戶的要求，而高溫低速方案的力學性能則更高。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 冷卻方式對組織及力學性能的影響

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

4 結(jié)論

采用添加適量Mn、Cr 化學成分、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)出抗拉強度312 MPa、屈服強度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。