韓 欣，劉曉滕，王家毅，遲 蕊，呂正風(fēng)

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司 國(guó)家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，山東 煙臺(tái) 265700)

在環(huán)境和能源的雙重壓力下，節(jié)能減排已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的方向。對(duì)于傳動(dòng)燃油車而言，整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；對(duì)于新能源汽車而言，整車重量降低10%，電量節(jié)省4%～5%。由此可見(jiàn)，降低整車質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑，而采用鋁合金材料部分替代鋼鐵材料是實(shí)現(xiàn)汽車減重的常用手段之一[1-3]，鋁合金板材在乘用車覆蓋件上的應(yīng)用就是一個(gè)典型案例，目前已經(jīng)受到全球車企的廣泛關(guān)注[4-6]。

6×××系鋁合金板材是在汽車覆蓋件上應(yīng)用較廣泛的一類產(chǎn)品，但汽車用6×××鋁合金板在放置過(guò)程中會(huì)發(fā)生自然時(shí)效，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度增加，成形性能變差，這對(duì)于沖壓工序是不利的[7]。固溶之后的預(yù)時(shí)效處理能夠抑制板材在放置過(guò)程中的自然時(shí)效進(jìn)程，提高板材的時(shí)效穩(wěn)定性。同時(shí)，還有利于在烤漆過(guò)程中強(qiáng)度的快速提升，也就是獲得好的烘烤響應(yīng)。因此，合理的預(yù)時(shí)效工藝對(duì)汽車用6×××鋁合金板至關(guān)重要[7-8]。

本試驗(yàn)以汽車用6016鋁合金薄板為研究對(duì)象，基于長(zhǎng)時(shí)間、系統(tǒng)性的性能跟蹤，探究在室溫到100 ℃的預(yù)時(shí)效溫度下，板材放置150 d內(nèi)的T4P態(tài)的性能演變規(guī)律和烘烤響應(yīng)變化規(guī)律，進(jìn)而確定具有最優(yōu)時(shí)效穩(wěn)定性和烘烤響應(yīng)性的預(yù)時(shí)效工藝，為該板材實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)原材料為南山鋁業(yè)公司生產(chǎn)的1 mm厚6016鋁合金冷軋板材，合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。對(duì)冷軋板材進(jìn)行540 ℃30 s的固溶處理(水冷)，固溶處理完成10 min時(shí)開(kāi)始預(yù)時(shí)效處理，分別在室溫(25 ℃)、60 ℃、80 ℃、100 ℃的預(yù)時(shí)效溫度下保溫8 h，預(yù)時(shí)效完成后，在室溫下放置進(jìn)行自然時(shí)效，在5 d、10 d、15 d、30 d、60 d、90 d、120 d、150 d分別進(jìn)行T4P態(tài)的性能測(cè)試，以及2%預(yù)拉伸+185 ℃20 min的烘烤態(tài)的性能測(cè)試。拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228-2010標(biāo)準(zhǔn)，在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。拉伸試樣與軋制方向呈90°，每組數(shù)據(jù)為3個(gè)試樣測(cè)量的平均值。

表1 6016鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 6016 aluminum alloy(wt/%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 預(yù)時(shí)效工藝對(duì)自然時(shí)效穩(wěn)定性的影響

圖1是經(jīng)過(guò)不同預(yù)時(shí)效工藝處理的板材在放置不同時(shí)間之后測(cè)得的T4P態(tài)的性能數(shù)據(jù)。由圖1可見(jiàn)，試樣T4P態(tài)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度受預(yù)時(shí)效溫度影響顯著(圖1a、b)。對(duì)比不同的預(yù)時(shí)效溫度，從60 ℃增加到100 ℃的過(guò)程中，屈服強(qiáng)度顯著提高；室溫預(yù)時(shí)效與60 ℃預(yù)時(shí)效的屈服強(qiáng)度接近，而且略微高于60 ℃預(yù)時(shí)效的屈服強(qiáng)度。對(duì)比在5 d～150 d內(nèi)的強(qiáng)度變化，室溫預(yù)時(shí)效的試樣隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，屈服強(qiáng)度增加明顯，最低為117 N/mm2，最高為130 N/mm2，增量為13 N/mm2；60 ℃預(yù)時(shí)效的試樣同樣有明顯的屈服強(qiáng)度增加，最低為116 N/mm2，最高為127 N/mm2，增量為11 N/mm2；而80 ℃和100 ℃預(yù)時(shí)效的試樣屈服強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定，時(shí)效穩(wěn)定性較好。抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與屈服強(qiáng)度基本一致。

不同預(yù)時(shí)效溫度下試樣T4P態(tài)的斷后伸長(zhǎng)率也有差異(圖1c)，屈服強(qiáng)度低的預(yù)時(shí)效溫度對(duì)應(yīng)的斷后伸長(zhǎng)率較高(比如室溫預(yù)時(shí)效)，而100 ℃預(yù)時(shí)效的試樣斷后伸長(zhǎng)率最小。在放置5 d～150 d內(nèi)，斷后伸長(zhǎng)率的變化并沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

應(yīng)變硬化指數(shù)(n)在室溫預(yù)時(shí)效和60 ℃預(yù)時(shí)效時(shí)比較接近，而隨著預(yù)時(shí)效溫度升高到80 ℃和100 ℃，n不斷減小。在5 d～150 d的放置過(guò)程中，n沒(méi)有顯著變化。

2.2 預(yù)時(shí)效溫度和自然時(shí)效時(shí)間對(duì)烘烤響應(yīng)的影響

圖2是不同預(yù)時(shí)效工藝和放置不同時(shí)間的試樣，經(jīng)過(guò)2%預(yù)拉伸+185 ℃20 min烘烤后的性能數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸和185 ℃20 min的烘烤之后，不同預(yù)時(shí)效工藝試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都顯著增加。隨著預(yù)時(shí)效溫度的不同，屈服強(qiáng)度的增量在40 N/mm2～80 N/mm2范圍，抗拉強(qiáng)度的增量在5 N/mm2～35 N/mm2范圍。同時(shí)，伸長(zhǎng)率有所減小。對(duì)比不同的預(yù)時(shí)效工藝，隨著預(yù)時(shí)效溫度從室溫升高到100℃，烘烤態(tài)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度單調(diào)遞增，而伸長(zhǎng)率近似呈單調(diào)遞減。

圖1 不同預(yù)時(shí)效溫度和自然時(shí)效時(shí)間T4P態(tài)性能對(duì)比Fig.1 T4P mechanical properties with different pre-aging temperatures and natural aging time

圖2 不同預(yù)時(shí)效溫度和自然時(shí)效時(shí)間烘烤態(tài)性能對(duì)比Fig.2 Bake-hardening-state mechanical properties with different pre-aging temperatures and natural aging time

圖3是經(jīng)過(guò)2%預(yù)拉伸+185 ℃20 min烘烤后，相比T4P態(tài)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的增量對(duì)比圖。

由圖3a可以看出，對(duì)于185 ℃20 min烘烤的試樣，在室溫到80℃范圍內(nèi)隨著預(yù)時(shí)效溫度的升高，屈服強(qiáng)度增量增大；預(yù)時(shí)效溫度提高到100 ℃，屈服強(qiáng)度增量減小。對(duì)于室溫和60 ℃預(yù)時(shí)效而言，在30 d以內(nèi)，屈服強(qiáng)度增量降低趨勢(shì)明顯，之后趨于穩(wěn)定；經(jīng)過(guò)80 ℃預(yù)時(shí)效的試樣強(qiáng)度增量比較穩(wěn)定。抗拉強(qiáng)度增量的變化趨勢(shì)與屈服強(qiáng)度相似，但增量明顯小于屈服強(qiáng)度，意味著烘烤后試樣的屈強(qiáng)比降低。

圖3 不同預(yù)時(shí)效溫度和自然時(shí)效時(shí)間對(duì)烘烤強(qiáng)度增量的影響Fig.3 Effect of different pre-aging tmperatures and natural aging time on baking strength increment

6×××系鋁合金屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金，固溶完成之后在放置過(guò)程中會(huì)發(fā)生自然時(shí)效，從過(guò)飽和基體中析出原子團(tuán)簇，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高。本次試驗(yàn)中，室溫預(yù)時(shí)效的性能數(shù)據(jù)也就是自然時(shí)效下的性能數(shù)據(jù)，在5 d～150 d內(nèi)，其強(qiáng)度增加最顯著，這種強(qiáng)度的增加對(duì)沖壓成形不利。對(duì)固溶處理后的板材進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理會(huì)在過(guò)飽和基體中析出另一種原子團(tuán)簇(pre-β″)，這類原子團(tuán)簇的析出能夠降低基體的過(guò)飽和度，減弱自然時(shí)效析出動(dòng)力，使板材在長(zhǎng)時(shí)間放置過(guò)程中更穩(wěn)定。而且在后續(xù)烘烤過(guò)程中，最有效的強(qiáng)化相β"能夠以pre-β″為基底大量形成，從而使強(qiáng)度快速提升，提高板材的烘烤響應(yīng)性[9]。Pre-β″的析出與預(yù)時(shí)效制度密切相關(guān)，合理的預(yù)時(shí)效溫度能夠使pre-β″團(tuán)簇大量形成，也就意味著板材的時(shí)效穩(wěn)定性和烘烤響應(yīng)更佳[10-11]。在本次試驗(yàn)中，60 ℃的預(yù)時(shí)效溫度下，板材T4P態(tài)的強(qiáng)度變化趨勢(shì)與室溫預(yù)時(shí)效類似，在5 d～150 d內(nèi)強(qiáng)度有較明顯的提高，說(shuō)明該溫度并不能達(dá)到理想的預(yù)時(shí)效效果。當(dāng)預(yù)時(shí)效溫度提高到80 ℃、100 ℃時(shí)，板材的時(shí)效穩(wěn)定性顯著提高。然而，預(yù)時(shí)效處理本身也會(huì)帶來(lái)板材強(qiáng)度的提高，例如，100 ℃的預(yù)時(shí)效溫度下，板材T4P態(tài)的屈服強(qiáng)度在165 N/mm2左右，而伸長(zhǎng)率和n也都顯著減小，這會(huì)使沖壓開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增加。而在80 ℃的預(yù)時(shí)效溫度下，板材具有最大的烘烤強(qiáng)度增量。因此，對(duì)于6016鋁合金板材，80 ℃的預(yù)時(shí)效溫度更加合理。

3 結(jié) 論

1)預(yù)時(shí)效工藝對(duì)汽車用6016鋁合金板材的時(shí)效穩(wěn)定性影響顯著，相比于室溫和60 ℃預(yù)時(shí)效，80 ℃和100 ℃的預(yù)時(shí)效溫度使板材表現(xiàn)出良好的時(shí)效穩(wěn)定性，放置150 d之內(nèi)沒(méi)有因自然時(shí)效使強(qiáng)度顯著增加。然而，隨著預(yù)時(shí)效溫度的提高，板材的伸長(zhǎng)率和n減小。

2)預(yù)時(shí)效工藝對(duì)汽車用6016鋁合金板材的烘烤態(tài)性能有顯著影響，隨著預(yù)時(shí)效溫度的升高，板材烘烤態(tài)的強(qiáng)度不斷提高，伸長(zhǎng)率則降低；在室溫到80 ℃的范圍內(nèi)預(yù)時(shí)效，烘烤態(tài)的強(qiáng)度增量隨預(yù)時(shí)效溫度升高而增加，到100 ℃時(shí)，強(qiáng)度增量減小。

3)80 ℃8 h的預(yù)時(shí)效工藝可以使T4P態(tài)試驗(yàn)板材獲得適中的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，在放置150 d之內(nèi)性能穩(wěn)定，同時(shí)具有最大的烘烤強(qiáng)度增量，是最優(yōu)的預(yù)時(shí)效工藝。