藍(lán)嘉昕，鄧濤濤，王素杰，蔡知之

（佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東省鋁型材加工與裝備企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，佛山 528133）

0 前言

隨著新能源汽車的發(fā)展，為了減輕車身自重增加電池續(xù)航能力，車身及其配件也逐漸走向輕量化方向[1]。因此，具有比重低及高安全性的鋁合金成為車身零部件首選材料，其涵蓋的產(chǎn)品有門檻梁、防撞梁、吸能盒、電池箱體等[2-3]。同時(shí)許多大型車企針對(duì)不同的車用鋁合金也做出了標(biāo)準(zhǔn)要求。德國大眾在2016 年更新的TL116 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，要求所提供的鋁合金產(chǎn)品應(yīng)按對(duì)應(yīng)類別達(dá)到相應(yīng)力學(xué)性能，此外還需滿足一定的長期熱穩(wěn)定性、短期熱穩(wěn)定性以及焊合要求。

為了對(duì)門檻梁產(chǎn)品（以TL116-N28 為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行前期開發(fā)，本研究以某門檻梁產(chǎn)品為案例生產(chǎn)擠壓型材，通過正交試驗(yàn)法研究擠壓溫度、時(shí)效溫度及時(shí)效時(shí)間對(duì)產(chǎn)品基礎(chǔ)性能影響，并選出最佳擠壓工藝進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，同時(shí)按照TL116-N28標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，為后續(xù)合金的應(yīng)用以及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與試驗(yàn)方案

1.1 樣本制備

按表1 所示成分（成分要求均在TL116 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)）熔鑄鋁棒材料，以某型號(hào)門檻梁擠壓型材為案例生產(chǎn)制備樣本，產(chǎn)品截面如圖1 所示。工藝為：使用經(jīng)560 ℃保溫8 h 均勻化消除成分偏析及殘余應(yīng)力的試驗(yàn)合金鑄棒，在4 000 t 的擠壓機(jī)上生產(chǎn)，主缸速度控制在2.4～2.8 m/min，淬火方式為噴水。

圖1 門檻梁型材截面圖

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

1.2 測(cè)試方法

不同擠壓溫度下的擠壓成品分別按正交試驗(yàn)要求以不同的溫度、時(shí)間進(jìn)行時(shí)效處理，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。對(duì)樣本進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試（按GB/T 16865—2013 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)），通過正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析出擠壓溫度、時(shí)效溫度以及時(shí)效時(shí)間因素對(duì)材料力學(xué)性能的影響大小，得出各因素最佳搭配并在實(shí)際生產(chǎn)中加以驗(yàn)證。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平

將驗(yàn)證后的材料參照大眾TL116-N28標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)試，主要如下：

長期、短期熱穩(wěn)定性：將材料置于150 ℃環(huán)境下，分別在0 h、240 h、480 h、1 000 h時(shí)段取出并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試；將材料置于205 ℃環(huán)境下1 h后取出進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

產(chǎn)品截面低倍組織檢測(cè)：將材料沿橫截面切平進(jìn)行堿蝕，取出洗凈后觀察截面的低倍組織情況，目視判斷是否出現(xiàn)孔洞或其他污染物，焊合線呈直線狀而非喇叭狀。

熱熔鉆加工試驗(yàn)：由于門檻梁產(chǎn)品壁厚較薄，普通鉆孔攻絲螺紋強(qiáng)度難以滿足要求，故需通過熱熔鉆加工使有效螺紋深度增加，以加強(qiáng)組件鏈接效果[4-5]。確認(rèn)材料力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求后，對(duì)其進(jìn)行熱熔鉆加工M8 螺紋孔，要求加工后表面無變形開裂，且螺紋孔經(jīng)過扭矩扳手檢測(cè)，其強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)≥24.5 N·m。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正交試驗(yàn)及結(jié)果

按表2設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得力學(xué)性能結(jié)果如表3 所示。通過極差分析，擠壓溫度、時(shí)效溫度及時(shí)效時(shí)長因素對(duì)材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及斷后延伸率的影響結(jié)果如表4所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 極差分析結(jié)果

通過正交試驗(yàn)結(jié)果可以計(jì)算出各因素在不同水平參量下的極差值，一般認(rèn)為極差值越大，對(duì)結(jié)果的影響也越大[6]?？梢园l(fā)現(xiàn)，三種因素對(duì)材料力學(xué)性能的影響程度均為：時(shí)效時(shí)長＞時(shí)效溫度＞擠壓溫度。而從表3可以得知，最佳工藝路線為擠壓溫度490 ℃，產(chǎn)品時(shí)效工藝為175 ℃/12 h，此生產(chǎn)條件下材料的性能可達(dá)到最佳。

2.2 生產(chǎn)工藝驗(yàn)證

在擠壓溫度490 ℃、時(shí)效工藝175 ℃/12 h 下進(jìn)行生產(chǎn)工藝驗(yàn)證，最終狀態(tài)的產(chǎn)品對(duì)其6個(gè)部位沿?cái)D壓方向取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。成品及取樣位置如圖2 所示，力學(xué)性能數(shù)據(jù)詳見表5。得出門檻梁力學(xué)性能均值為：抗拉強(qiáng)度為311.8 MPa，屈服強(qiáng)度為299.0 MPa，斷后延伸率為11.7%。可見，按照此工藝生產(chǎn)的型材力學(xué)性符合TL116-N28的性能要求。

圖2 型材及取樣位置

表5 成品各區(qū)域的力學(xué)性能

2.3 短時(shí)、長時(shí)熱穩(wěn)定性

對(duì)生產(chǎn)驗(yàn)證后的門檻梁型材進(jìn)行長時(shí)和短時(shí)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)，不同處理下的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果分別如表6、圖3 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在150 ℃下，試驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均隨保溫時(shí)長增加出現(xiàn)一定程度的減小，而斷后延伸率則隨之增大。相關(guān)研究表明[7]，將材料在150 ℃下放置處理相當(dāng)于一個(gè)過時(shí)效的過程，該過程會(huì)使組織內(nèi)析出的強(qiáng)化相粒子粗化。李巧莉[8]發(fā)現(xiàn)，在過時(shí)效狀態(tài)下，大多數(shù)Al-Mg-Si 合金組織內(nèi)的析出相會(huì)隨過時(shí)效時(shí)長增加而發(fā)生粗化，通常表現(xiàn)為細(xì)小的Mg5Si6相轉(zhuǎn)化為尺寸較大的Mg9Si5相或尺寸更粗大的Mg2Si，進(jìn)而導(dǎo)致力學(xué)性能出現(xiàn)下降。在放置1 000 h 后，試驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度分別降至299 MPa 與281 MPa，斷后延伸率增至13.56%，但屈服強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)要求的265 MPa要求，這可能是由于實(shí)驗(yàn)合金成分內(nèi)Cu 含量較高（0.2%）。據(jù)Jin[9]等研究表明，在過時(shí)效下Cu 原子會(huì)偏聚在析出相界面，使析出相粗化得到一定程度的抑制，材料宏觀體現(xiàn)為過時(shí)效下力學(xué)性能下降較緩慢。將試驗(yàn)合金置于205 ℃環(huán)境下1 h 后，力學(xué)性能強(qiáng)度均未出現(xiàn)明顯的降低，雖然溫度升高會(huì)一定程度上加快析出相的粗化速率，但由于保溫時(shí)間較短，析出相可能尚未發(fā)生粗化或粗化程度較小。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，該材料短、長時(shí)熱穩(wěn)定性均符合TL116-N28要求。

圖3 長時(shí)熱穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

表6 短時(shí)熱穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

2.4 低倍組織結(jié)果

門檻梁型材橫截面經(jīng)泡堿后，低倍組織結(jié)果如圖4 所示，標(biāo)記處為焊合線出現(xiàn)位置。可以發(fā)現(xiàn)，10 處標(biāo)記中焊合線為不明顯的白色光亮直線，鋁流體焊合充分，其余區(qū)域組織未見孔洞或其他污染物，說明按照擠壓溫度490 ℃、時(shí)效工藝為175 ℃/12 h工藝生產(chǎn)的型材焊合良好、低倍組織正常。

圖4 低倍組織圖片

2.5 熱熔鉆加工測(cè)試

對(duì)驗(yàn)證后型材進(jìn)行熱熔鉆加工測(cè)試，熱熔鉆螺紋孔如圖5、圖6 所示。由圖可見，孔位周邊及表面未出現(xiàn)明顯裂紋，切割加工面置于平臺(tái)上未見明顯凹陷變形。經(jīng)扭矩扳手測(cè)試，螺紋孔在25.95 N·m時(shí)出現(xiàn)破壞，高于標(biāo)準(zhǔn)要求的24.5 N·m，熱熔鉆加工后螺紋孔達(dá)到性能要求。

圖5 熱熔鉆螺紋孔

圖6 加工面平面

3 結(jié)論

（1）通過正交試驗(yàn)與極差分析，得出擠壓工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)合金門檻梁型材力學(xué)性能的影響程度為時(shí)效時(shí)長＞時(shí)效溫度＞擠壓溫度。最佳工藝路線為：生產(chǎn)控制擠壓溫度為490 ℃，產(chǎn)品時(shí)效制度為175 ℃/12 h。

（2）門檻梁型材以最佳工藝生產(chǎn)驗(yàn)證后，按大眾TL116-N28標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，型材的抗拉強(qiáng)度為311.8 MPa，屈服強(qiáng)度為299.0 MPa，斷后延伸率為11.7%。在205 ℃/1 h 處理后力學(xué)性能未出現(xiàn)明顯降低，在150 ℃/1 000 h處理后屈服強(qiáng)度為281 MPa（＞265 MPa）。泡堿后低倍組織未見焊合不良、孔洞等缺陷，其基礎(chǔ)力學(xué)性能、短/長期熱穩(wěn)定性以及低倍組織均符合TL116-N28標(biāo)準(zhǔn)要求，且經(jīng)熱熔鉆后型材實(shí)體未出現(xiàn)開裂、變形情況，螺紋孔經(jīng)扭力扳手檢驗(yàn)合格，達(dá)到大眾TL116-N28標(biāo)準(zhǔn)。