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18566398802鋁合金汽車板性能及其應用的研究進展
隨著汽車工業發展、汽車保有量的增多，在給人們出行帶來了方便的同時也產生了能耗、排放污染和安全三大問題。2009年中國汽車產銷量已達1300萬輛，躍居世界第一;汽車保有量已超過7000萬輛，因此我國汽車工業的節能減排工作刻不容緩。
大量研究表明，汽車輕量化是汽車節能減排的重要手段。乘用車車重每減少10%，可節油6%～8%，降低排放4%
1.1 良好的成形性
。鋁合金是重要的輕量化材料，其密度為鋼的1/3，典型的鋁合金零件取代鋼制零件一次減重效果可達30%～40%，二次減重效果則可進一步提高到50% 。2006年歐、美、日等國的轎車平均用鋁量已經達到127 kg/輛。歐洲鋁協(EAA)預測，在2015年前，歐洲轎車用鋁量將增至300kg/輛。在轎車中每使用1kg鋁，可在其使用壽命期內減少20kg尾氣排放。此外，鋁合金還是綠色環保材料，可循環回收，在汽車中，采用鋁材所節省的能量是生產該零件所用原鋁生產耗能的6～12倍。2009年的歐洲車身會議(Euro Car Body 2009)上報導一些典型車型變形鋁合金用量達25～30kg，而變形鋁合金板材的應用還有利于滿足汽車安全法規的要求，采用鋁合金發動機罩蓋，就可以明顯減少二次碰撞對行人的傷害，有利于滿足碰撞對行人的保護法規的要求。目前我國汽車用鋁合金板材研究還不夠深入，為了推動汽車用鋁合金板材的研發和深入研究，作者對鋁合金汽車板及其應用的研究進展進行了綜述。
1 汽車用鋁合金板的性能要求
1 汽車用鋁合金板的性能要求
板材的成形性是指在沖壓過程中其承受形狀變化的能力。成形性可以通過成形性試驗進行評價。目前鋼板的成形性已有大量試驗結果
1.2 一定的抗時效穩定性
，但鋁合金板材的成形性試驗結果報導還較少。評價成形性的最常用的試驗是單軸拉伸試驗，為提高板材的成形性，希望板材具有較低的屈強比，較高的加工硬化速率和均勻伸長率;評價板材在各種應力狀態下的成形性試驗是測定成形極限曲線(FLC)。
1.2 一定的抗時效穩定性
鋁合金板材在室溫存放時不發生時效的特性稱之為抗時效穩定性。因為時效會使合金在拉伸變形時出現屈服點伸長，即呂德絲(lüders)帶，從而在沖壓時造成表面變形不均和起皺，影響沖壓件的外觀;板材從生產出廠到零件沖壓時往往需要運輸和儲存一些時間，通常要求板材在室溫存放6個月而不發生時效。
1.3 良好的烘烤硬化性
汽車沖壓件在沖壓后經油漆烘烤處理時也會產生時效，從而使其屈服強度上升的特性稱之為烘烤硬化性。高的烘烤硬化性將會賦予零件高的抗凹痕性。由于目前大部分汽車企業的油漆烘烤工藝是針對鋼板設計的，而鋁合金的烘烤硬化性和鋼的明顯不同，因此希望鋁合金板的烘烤硬化性較好和鋼板的油漆工藝兼容;材料的烘烤硬化性可按相關標準[3-4]進行評定。
1.4 高的抗凹痕性
板材和構件抵抗外力作用而不發生凹陷或永久變形的能力稱為抗凹痕性。材料的抗凹痕性與其流變應力σf有關，也與材料厚度t有關
1.5 良好的翻邊延性
，作為零部件的抗凹痕性還與零件的剛度和結構有關1.6 較好的表面光鮮性
。1.5 良好的翻邊延性
汽車外覆蓋件在沖壓翻邊時，板材抵抗開裂的特性稱為翻邊延性。因此要求鋁合金板材應具有良好的翻邊延性，以保證在翻邊時不發生開裂。板材的翻邊延性和板材的總伸長率有關，也與材料的內部組織有關。翻邊延性可用冷彎試驗來檢測，但通常的冷彎并未考慮到應變速率敏感性，而沖壓翻邊時變形較快，應變速率較大，從而對翻邊延性有更高的要求。
1.6 較好的表面光鮮性
鋁合金板材和鋼板不同，其晶粒度遠大于鋼的，在較粗的晶粒下，如果晶粒大小不均則會導致沖壓件的表面沿軋制方向出現像繩索圈(Roping)樣的變形不均勻，這種表面缺陷又稱羅平線(Roping line)
1.7 表面處理及涂裝性能
，導致油漆后表面光鮮不一致，這種缺陷也與板材料變形能力的各向異性有關;另一種表面缺陷是板材在拉伸變形后，在表面形成桔皮狀的起皺和不平，這與組織均勻有關，造成這種缺陷的原因還需要進一步研究。1.7 表面處理及涂裝性能
鋼鐵材料在油漆之前，其表面要進行酸洗磷化處理，以改善沖壓件表面與油漆的結合力，提高其耐蝕性;由于鋁合金表面會有一種結合緊密的氧化膜,油漆前的表面處理方法就和鋼鐵材料不同，不能用一般的酸性磷化方法,而是采用鉻化處理，考慮到六價鉻對人體的毒性，近年來開發了無鉻式或低鉻處理技術，其中典型處理方法是Arodine方法
2 鋁合金汽車板的典型力學性能及成形性
，并已有較成熟的生產線;另一種方法是在含氟離子的特殊磷化液中進行表面處理。顯然，上述7種性能既互相關聯，又相互矛盾，如何將上述相關性能得到合理匹配，滿足汽車沖壓件的性能要求是鋁合金汽車板研發的主要目標。
2 鋁合金汽車板的典型力學性能及成形性
目前鋁合金汽車板主要有兩個系列，5000系和6000系列，其典型牌號的合金成分列于表1。6000系合金分含銅(如6111)和基本不含銅(如6016，6022，6181)兩類，前者具有高的烘烤硬化性，但對對絲狀腐蝕比較敏感;后者具有高的烘烤硬化性、良好的成形性、良好的耐腐蝕性。5000系合金中分高含量鎂(如5182)的合金板，它具有較高強度、良好的成形性，但對晶間腐蝕較敏感;中含量鎂的合金板(如5754)具有良好的晶間腐蝕性能和良好的成形性;低含量鎂的合金板(如5052)的主要是強度較低。5000系和6000系的典型牌號的合金板的主要性能列于表2，其相應的成形性參量列于表3[7,9].表中 r值為金屬板塑性應變各向異性值;n值為金屬板拉伸應變硬化指數，基本成分設計概念和性能特點列于表2.
表1 6000系和5000系典型鋁合金汽車板材的主要成分(質量分數)
Tab.1 the chemical composition of typical 5××× and 6××× series Al alloy sheets %
| 合金牌號 | 合金元素 | ||||
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | |
| 6016 | 1.0～1.5 | <0.50 | <0.20 | <0.20 | 0.25～0.60 |
| 6022 | 0.8～1.5 | 0.05～0.20 | 0.01～0.10 | 0.02～0.10 | 0.45～0.70 |
| 6111 | 0.7～1.1 | <0.40 | 0.50～0.90 | 0.15～0.45 | 0.50～1.0 |
| 5022 | <0.25 | <0.40 | 0.20～0.50 | <0.10 | 3.50～4.9 |
| 5023 | <0.25 | <0.40 | 0.20～0.50 | <0.10 | 5.0～6.2 |
| 5182 | <0.20 | <0.35 | <0.10 | 0.20～0.50 | 4.5～5.0 |
表2 5000系和6000系典型鋁合金汽車板材的主要性能
Tab.2 The main properties of typical 5××× and 6××× series Al alloy sheets
| 合金牌號 | 狀態 | E/MPa | 泊松比 | 密度， kg/m3 | 備注 | |||
| 屈服強度/MPa | 抗拉強度/MPa | 伸長率/% | ||||||
| 6111 | T4Pd | 69000 | 0.3 | 2.89×10-3 | 146.0 | 290.0 | 25.0 | 縱向 |
| 6022 | T4Pd | 69000 | 0.3 | 2.86×10-3 | 122.0 | 238.0 | 30.0 | 縱向 |
| 5182 | O | 69000 | 0.3 | 2.84×10-3 | 123.0 | 276.0 | 25.6 | 縱向 |
| 5023 | O | 69000 | 0.3 | 2.85×10-3 | 124.0 | 280.0 | 32.0 | 縱向 |
表3 5000系和6000系典型鋁合金汽車板材的成形性
Tab.3 The formation properties of typical 5××× and 6××× series Al alloy sheets
| 合金牌號 | 狀態 | 板厚，/mm | 成形性 | 冷彎垂直于軋向 | ||||
| 均勻延伸率，% | n值（變形量6%～12%） | K值（變形量6%～12%） | r值（變形量6%～12%） | FLD0 ，% | d=0，180°（試樣寬度70mm） | |||
| 6111 | T4Pd | 0.9 | 18.0 | 0.23 | 540.0 | 0.65 | 22.8 | 不裂 |
| 6022 | T4Pd | 0.9 | 19.0 | 0.25 | 525.0 | 0.66 | 23.2 | 不裂 |
| 5182 | O | 0.9 | 21.0 | 0.32 | 514.0 | 0.82 | 22.2 | 不裂 |
| 5023 | O | 0.9 | 22.0 | 0.31 | 520.0 | 0.85 | 26.5 | 不裂 |
鋁合金汽車板在拉伸時的均勻伸長率和總伸長率均低于軟鋼的，尤其是均勻伸長率和縮頸后的伸長率均遠低于軟鋼的;因此，其深拉延、三軸應變及延展成形性均低于軟鋼。由于鋁合金板材的初始加工硬化性能高于軟鋼的，因此其冷彎時的回彈也較大。一些牌號鋁合金在不同的彎曲半徑下其回彈角較軟鋼的大2～3倍，在設計鋁合金沖壓模具時必須充分考慮這一些特點。
5000系和6000系及軟鋼的碗狀試樣沖壓成形時的開裂/起皺的極限高度與壓邊力的關系不太一樣，在低壓邊力下，三種材料起皺的極限高度沒什么區別;但在高壓邊力時，由于鋁合金產生開裂而不能使成形高度進一步提高。因此，在模具設計時，對于鋁合金板材沖壓成
形時，應在較低的壓邊力下進行。
3 影響鋁合金板材力學性能和成形性的主要因素
3.1 合金種類和主要合金元素
5000系變形鋁合金汽車板材主要是以鎂原子的固溶強化、細晶強化以及少量銅原子固溶和析出強化來強化的，該系合金具有良好成形性。室溫放置時，易出現屈服點延長(或lüders伸長)，沖壓成形后表面易起皺，影響產品外觀質量。鐵元素的增加會明顯惡化其延展性和冷彎性能;由于無烘烤硬化性，油漆烘烤后會易發生軟化，從而影響零件的抗凹陷性。
6000系變形鋁合金汽車板材以硅，鎂作為主要合金元素(在6111合金還加入銅作為合金元素)，這類合金是靠硅，鎂在固溶時效析出強化作為主要強化手段，是可熱處理強化的鋁合金板，該類鋁合金板材在預處理狀態下具有良好的成形性，無屈服點伸長，適合于汽車外板，并具烘烤硬化性，在油漆烘烤后具有高的流變應力，零件具有高的抗凹陷性;但發生時效后會導致翻邊延性下降和成形性惡化。
3.2 制造及預處理工藝
鋁合金板材的制造工藝已有一些專利，如“冷軋耐蝕鋁合金板材(WO 95/31580和US.Patent6.129792)”、“鋁合金及制造鋁合金板的方法(WO 96/03531)”、“可熱處理強化的鋁合金板的制造工藝 (WO 00/03052)”、“沖壓鋁合金產品的熱處理(WO 00/70115)”、“具有良好彎曲性能的鋁合金板材的制造方法(WO 02/090609)”等，這些專利針對不同成分鋁合金板材的性能改善提出了相應的工藝方法;但所述的指標與汽車變形鋁合金板材的綜合性能要求亦還有一定差異?！昂婵居不瘍灝惖腁l-Mg-Si系鋁合金板的制造方法(200480042140.X)”
3.1 合金種類和主要合金元素
為日本學者在中國申請的專利，重點保護內容是鋁合金板材薄帶連鑄，此技術無需均質處理，可獲得較細晶粒和均勻的顯微組織。加拿大學者也在中國申請了相關專利3.2 制造及預處理工藝
，重點內容是雙帶連鑄、熱軋、冷軋的Al-Si-Cu鋁合金板材，專利中以熱通量的下限值定義了雙帶連鑄的內含。另有專利3.3 自然時效
重點內容是鋁合金板材在在固溶處理后，再板材加熱到100～300℃范圍內，保溫1min以內，然后快速冷至85℃下，可獲得良好成形性和烘烤硬化性;專利3.4 烘烤溫度和時間
提出冷軋后的先進行450℃以上的固溶處理，淬火后室溫時效1h ，再于180～300℃(不降低電導率的范圍內)實施短時間加熱，得到與板面平行方面的晶粒大小≤90 ，與垂直于軋向的晶粒大小的長度比值為1～4，含鎂和硅的化合物的平均最大長度≤10 ，可獲得良好成形性和烘烤硬化性;專利3.5晶粒度和含鎂、硅化合物的尺寸與分布
提出了一種6111板材的預熱處理工藝，以改善其成形性和烘烤硬化性，經固溶處理水淬后，時效溫度在180～200℃之間，時間為7～15min， 6111鋁合金經這種處理后，強度較高，但成形性和其他鋁合金相比尚需提高;專利4 汽車用鋁合金板材研發的主要內容
針對6022和6016合金的預處理技術，包括固溶處理工藝、時效工藝等，來改善了板材的力學性能、成形性和烘烤硬化性及抗時效穩定性的合理匹配，并使沖壓件具有高的抗凹陷性，可滿足汽車零件的使用要求。由于相關專利技術的保密性，使得專利的真正的使用價值受到影響;因此，真正合適的鋁合金汽車板的成分及相適用的生產工藝還需要還需要不斷探索。中國汽車工程研究院結合國家“863”計劃項目和企業的合作，對6016 合金T4Pd處理后的性能進行了研究，其力學性能列于表4，由表中數據可以看出，經T4Pd處理后與冷軋狀態相比，其綜合力學性能明顯改善;因此可見預處理工藝是6000系變形鋁合金板材生產的關鍵。預處理工藝包括固溶溫度、冷卻模式和預時效工藝，預時效前的停留時間等對變形鋁合金性能都有明顯影響，有關研究成果將會陸續發表。表4不同處理工藝6016鋁合金板材的力學性能
Tab.4 The mechanical properties of various treatment states
| 編號 | 狀態 | 板厚mm | 取 樣方向 ° | r值（變形量8%） | 屈服強度/MPa | 抗拉強度/MPa | 總伸長率% | 均勻伸長率% | n值（變形量0.5%~14%） |
| 1 | T4Pd | 0.9 | 0 | 0.727 | 142.0 | 244.0 | 25.0 | 18 | 0.220 |
| 2 | T4Pd | 0.9 | 45 | 0.802 | 138.0 | 240.0 | 27.0 | 18 | 0.212 |
| 3 | T4Pd | 0.9 | 90 | 0.506 | 130.0 | 230.0 | 24.6 | 14 | 0.231 |
| 4 | 冷軋 | 0.9 | 0 | 0.495 | 208.2 | 224.4 | 6.9 | 6.5 | 0.142 |
| 5 | 冷軋 | 0.9 | 45 | 1.036 | 200.4 | 219.1 | 5.9 | 5.6 | 0.176 |
| 6 | 冷軋 | 0.9 | 90 | 0.850 | 214.0 | 233.2 | 6.0 | 5.8 | 0.180 |
3.3 自然時效
變形鋁合金板材的自然時效特性是板材應用中的重要特性，由于時效會使拉伸時出現屈服點伸長，即lüders帶，導致板材沖壓后的零件表面會出現起皺等表面缺陷，影響汽車外覆蓋件的質量，因此希望鋁合金板材具有抗時效穩定性。
表5 自然時效對6022變形鋁合金板材力學性能的影響
Tab.5 The influence of nature age on mechanical properties of 6022 alloy
| 自然時效時間/d | 力學性能 | |||
| 屈服強度/MPa | 抗拉強度/MPa | 伸長率/% | ||
| 0 | 縱向 | 125 | 238 | 30 |
| 橫向 | 128 | 245 | 29 | |
| 7 | 縱向 | 130 | 246 | 30 |
| 橫向 | 135 | 253 | 29 | |
| 90 | 縱向 | 142 | 260 | 30 |
| 橫向 | 146 | 266 | 29 | |
| 180 | 縱向 | 145 | 261 | 30 |
| 橫向 | 150 | 267 | 29 | |
| 270 | 縱向 | 146 | 262 | 30 |
| 橫向 | 150 | 267 | 29 | |
| 360 | 縱向 | 146 | 261 | 30 |
| 橫向 | 150 | 267 | 29 | |
由表可以看出：放置7—90d后，板材的屈服強度和抗拉強度明顯上升，而在90d 之后，其屈服強度和抗拉強度幾乎沒有變化，放置360d的時間之內，板材的伸長率基本沒有變化。
自然時效對鋁合金汽車覆蓋件內板沖壓時達到成形極限的高度時的壓邊力(BHF)完全沒有影響。但對翻邊成形性有明顯影響，從預處理后到90d之內的自然時效，隨時間延長，縱向翻邊延性仍在較好水平，尤其是橫向翻邊延性變得較差，但自然時效90d 后隨時間延長，翻邊延性不再發生變化。
3.4 烘烤溫度和時間
烘烤硬化性通常是以單軸拉伸試樣預應變2%，然后于170℃～180℃烘烤3min后用其屈服強度增量來衡量;而鋁合金板材的烘烤硬化性和合金系列、預處理工藝以及烘烤工藝(溫度和時間)有關。6022合金板材在合適的預處理后，當烘烤溫度一定時，隨烘烤時間的延長，則烘烤硬化量上升;如烘烤時間一定(30min)，則100℃以下烘烤對屈服強度影響不大，但在高于150℃時，則屈服強度迅速上升
1.7 表面處理及涂裝性能
。3.5晶粒度和含鎂、硅化合物的尺寸與分布
對于6022和6016鋁合金而言，晶粒大小對其力學性能有明顯影響，并影響其預處理效果，在其它條件相同的情況下，細晶粒(直徑50～70 )合金將具有良好的綜合力學性能，預處理后，可望具有較好的成形性。第二相的大小和分布將明顯影響翻邊延性(即Heming性能)，當具有細小、均勻分布的含鎂、硅化合物時，板材具有良好的翻邊延性;如果含鎂、硅化合物粗大且呈尖角或立方形形狀，合金板在沖壓翻邊時很難避免開裂。中國汽車工程研究院近期關于不同晶粒尺寸和不同第二相大小的6016的板材力學性能試驗結果列于表5。可以看出：晶粒細化和第二相細化可以明顯改善板材力學性能，即強度提高，延性改善。
表5 不同晶粒尺寸和不同尺寸第二相的鋁合金板材的力學性能對比
Tab.5 the mechanical properties comparison of alloys for various crystals sizes and second phase
| 合金牌號 | 晶粒大小/ | 第二相形狀 第二相尺寸 | 力學性能 | ||
| 屈服強度/MPa | 抗拉強度/MPa | 伸長率/% | |||
| 6016 | 108.0 | 桿狀， 長12.5×5 | 128.7 | 248.0 | 24.0 |
| 6016 | 58.0 | 桿狀， 長6×2.3 | 155.5 | 260.7 | 27.0 |
4 汽車用鋁合金板材研發的主要內容
汽車用鋁合金板材，尤其是汽車用鋁合金外板是鋁合金板材生產中的頂級產品，在其研發中應重點解決的是其抗時效穩定性、成形性、烘烤硬化性、翻邊延性、油漆光鮮均勻性、抗凹性、表面處理技術等這些既相互聯系又相互矛盾性能的合理匹配和統一，同時滿足鋁合金汽車板的力學性能、工藝性能以及零部件的功能要求。其具體研發過程：通過合金成分設計軟件，完成汽車外覆蓋件用鋁合金板合金系列的選擇和確定，以首先滿足板材的成形性為依據，確定鐵、錳、鎂、硅、鈦和鋅等合金元素 含量對板材不同性能的影響，以達到最高的性價比及較好的性能匹配。為此，應特別注意以下的生產關鍵工藝。
(1)熱軋板組織的均勻化及細化處理技術(均勻化加熱工藝、保溫時間、冷卻速率的控制技術、始軋溫度及壓下量、終軋溫度及壓下量)，重點解決晶粒度、成形性和翻邊延性的關系，達到強度和延性的合理匹配。
(2)冷軋工藝控制及優化，道次控制、軋制壓下量的控制、軋輥表面處理和板材表面處理技術，達到板材合理的表面粗糙度，并為保證表面的涂漆質量做準備。
(3)通過預處理技術使板材達到高成形性和抗時效穩定性，包括板材固溶處理、淬火冷卻方式及淬火速率控制技術、強化相形核過程的控制技術、預時效等達到成形性、抗時效穩定性和高烘烤硬化性的合理匹配和統一;
(4)板材晶粒度和第二相細化和均勻性的控制技術，達到第二相均勻分布，應呈細棒狀，長寬比2~5，平均長度不超過10μm，平行于軋制方向的平均晶粒度不超過80μm，并達到均勻性，以保證翻邊延性和拉延涂裝后不出現Roping line。
(5)鋁合金汽車板成形性和抗凹性的評估方法、沖壓構件的抗凹性、剛度、行人保護等性能檢測、評價方法及表征參量的開發研究。
5 鋁合金汽車板的應用
國內外的研究表明：6000系可熱處理鋁合金是變形鋁合金汽車外板的合適材料。美國鋁業公司、加拿大鋁業公司及神戶鋼鐵公司都進行了6000系和5000系變形鋁合金汽車板的生產和應用研究，并已批量生產和應用;6000系鋁合金汽車板主要應用于汽車外覆蓋件，如發動機罩蓋，和鋼制零件相比可減重50%，同時，鋁合金零件的導熱性好，可以有效保證發動機的散熱，并且在滿足汽車碰撞對行人的保護方面也發揮了重要作用。目前國際上采用較多的鋁合金汽車板型號有：AA6016、AA6022 、AA6111 、AA6005 、AA6009和AA6010， AA5182 、AA5754、 AA5052等，如Audi A8 車采用6016合金板作車身板，Acura NSX車使用5052作為內部面板以及6000系作為外部面板，Jaguar XJ220車和GM EV1車都采用5754作為車身覆蓋件材料。
國內近幾年對變形鋁合金汽車板進行了較多應用研究，作者在大量研究基礎上，系統而全面地提出了前面所述的對鋁合金汽車板的7點性能要求。從應用的角度確定了研發鋁合金汽車板首先應瞄準解決成形性問題，再通過預處理工藝的大量試驗，解決其7個方面性能的合理匹配和工藝方法，并認真研究了國外鋁合金烘烤硬化和抗凹性的測試方法[16-19]，初步成果也用于徐州財發集團開發的鋁合金汽車板上，取得良好的效果。同時和西南鋁合作，承擔國家“863”項目，開發出相關產品，通過成形模擬，成功沖壓出奇瑞新車型的鋁合金發動機罩，為其實際應用打了基礎。目前國內生產的標志307、206以及北京大切諾基、長安CVLL混動車等以及一些軍車上都在應用鋁合金作汽車外板。隨著汽車輕量化技術的發展，一些相關法規的實施及出口產品要求，將會有更多車型應用鋁合金板材。
影響鋁合金汽車板大范圍應用的一個主要因素是成本和價格;但是隨著鋁合金板材產量的增加以及板材制造成本的下降，鋁合金板材沖壓件的成本會大幅度下降，而鋁合金輕量化的節能效果會更加顯著。鋁制汽車構件的成本構成和用量的關系研究表明，當一種車型的產量上升到一定輛時，鋁合金材料和制造及裝配成本將會大幅度下降。
6 結語
鋁合金汽車板的開發與生產應用已得到國家的重視和支持，國內相關單位的聯合攻關已取得了一定的進展，但要解決汽車鋁合金板材生產和應用中的諸多問題，形成我國的專有技術和創新成果，尚有大量的技術工作待深入進行;充分利用產、學、研用相結合的模式和優勢，使我國汽車用鋁合金板材的生產取得新的進展，達到國際先進水平。今后的主要研究方面是擴大鋁合金汽車板在汽車中的應用，除了研制和生產性能良好的鋁合金板材外，還應該加強應用研究，包括沖壓成型，連接技術，鋁合金零件性能的檢測方法和檢測技術等。
粵公網安備 44060402000067號