在線淬火工藝與微量元素對(duì)6008鋁合金吸能盒性能的影響

謝方亮，王 睿，李延軍，王 爽，韓啟強(qiáng)

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

現(xiàn)如今，鋁合金在保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛?，F(xiàn)代汽車(chē)為了滿足舒適性與安全性，在原本的車(chē)體上增加了安全氣囊和防抱死裝置等設(shè)施，這些裝置一定程度上增加了整車(chē)的重量。經(jīng)驗(yàn)表明，汽車(chē)重量每降低10%就可以減少5.5%的燃油消耗，因此減重對(duì)汽車(chē)行業(yè)極為重要[1-2]。而保險(xiǎn)杠橫梁系統(tǒng)[3]對(duì)于車(chē)輛安全至關(guān)重要。當(dāng)車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，將碰撞中產(chǎn)生的能量和力盡可能均勻地傳遞到車(chē)身結(jié)構(gòu)的吸能元件，使保險(xiǎn)杠能量最大限度地被吸能元件吸收[4-6]，因此吸能元件的強(qiáng)度及吸能效果是決定保險(xiǎn)杠系統(tǒng)有效性的重要因素。鋁合金材料吸能盒產(chǎn)品，不僅滿足了輕量化要求，同時(shí)也滿足碰撞吸能要求[7]。在擠壓生產(chǎn)過(guò)程中，熱擠壓與在線淬火工藝對(duì)擠壓型材的組織與性能起到?jīng)Q定性的作用[8]。合金化是提高Al-Mg-Si合金性能的重要手段，很多研究表明[9-11]，通過(guò)改變微量元素Mn、Zr、Cr、Sr、V等的含量可以改善鋁合金的組織，提高合金的性能。

6008合金被歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)確定為“車(chē)體型材合金”，具有良好的塑性及優(yōu)良的擠壓加工性能，可高速擠壓成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁并中空的各種型材[12]。目前，對(duì)6008鋁合金的研究報(bào)道較少，特別是對(duì)其生產(chǎn)的汽車(chē)吸能盒的力學(xué)性能及吸能效果的研究更少。本文研究了不同淬火工藝條件及微量元素對(duì)6008鋁合金擠壓型材組織，以及對(duì)6008合金生產(chǎn)的汽車(chē)保險(xiǎn)杠吸能盒力學(xué)性能及壓潰性能的影響，為確定合理的生產(chǎn)工藝提供基本依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文選用我公司為某企業(yè)生產(chǎn)的6008歐標(biāo)鋁合金吸能盒擠壓型材作為試驗(yàn)對(duì)象，命名為1#合金，其化學(xué)成分如表1所示，斷面形狀如圖1所示。

表1 1#合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

采用擠壓-在線淬火工藝生產(chǎn)，工藝參數(shù)如表2所示。擠壓完成后，在205℃×4 h下進(jìn)行時(shí)效。分別截取200 mm高、不同狀態(tài)的吸能盒進(jìn)行壓潰試驗(yàn)，沿?cái)D壓方向截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。采用蔡司AX10型光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀察。壓潰及拉伸試驗(yàn)均在AG-X 100KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成，其中壓潰測(cè)試以100 mm/min的下壓速度進(jìn)行。

表2 鋁擠壓吸能盒擠壓工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 淬火冷卻速率對(duì)型材力學(xué)性能的影響

吸能盒在不同在線淬火制度下的力學(xué)性能如圖2所示。由圖2可以看出，隨著冷卻速度的增加，斷后延伸率和抗拉強(qiáng)度都有所增加。出現(xiàn)這種情況的主要原因是6008合金的時(shí)效強(qiáng)化相形核驅(qū)動(dòng)力主要與Mg、Si元素的固溶程度、Mn、Cr、V等微量元素的含量有關(guān)。采用在線風(fēng)冷使其冷卻速度降低，會(huì)析出一定量的穩(wěn)定相，減少了時(shí)效強(qiáng)化相的析出，導(dǎo)致力學(xué)性能降低。穿水冷卻可以有效提高型材的固溶效果，避免在淬火過(guò)程中過(guò)飽和固溶體脫溶，確保了Mg、Si元素的過(guò)飽和固溶度和時(shí)效強(qiáng)化相的形核驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)彌散相均勻細(xì)小地析出，從而提高了型材的斷后延伸率、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度[13]。說(shuō)明淬火冷卻強(qiáng)度是影響型材力學(xué)性能的重要參數(shù)，淬火冷卻強(qiáng)度越高，型材的力學(xué)性能越高。

圖2 不同在線淬火制度下力學(xué)性能曲線

2.2 淬火冷卻方式對(duì)吸能盒壓潰效果的影響

吸能盒型材壓潰試樣如圖3所示。圖3（a）為淬火方式為風(fēng)冷的吸能盒型材，圧潰不成形，完全壓碎；圖3（b）為淬火方式為水霧的吸能盒型材，壓潰開(kāi)裂較為嚴(yán)重，開(kāi)裂貫穿整個(gè)壁厚，有大量的橘皮存在，并出現(xiàn)剝落情況；淬火方式為穿水的吸能盒型材如圖3（c）所示，壓潰效果相對(duì)較好，但在折角處有開(kāi)裂。結(jié)果表明，淬火冷卻速度越快型材的圧潰性能越好，主要是因?yàn)榇┧鋮s有更好的固溶效果，當(dāng)進(jìn)行時(shí)效時(shí)會(huì)有更加細(xì)小的彌散相析出，從而提高了型材的力學(xué)性能和圧潰性能。雖然改變淬火方式會(huì)改善型材的力學(xué)性能，但是圧潰效果還有待進(jìn)一步提高。經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)，提高微量元素含量是改變型材性能與表面的有效途徑。下文研究了微量元素Mn的含量對(duì)型材的組織、力學(xué)性能和表面的影響，化學(xué)成分如表3所示，擠壓工藝如表2（1#）所示。

圖3 不同淬火冷卻方式下的壓潰試樣

表3 試驗(yàn)合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.3 Mn含量對(duì)型材顯微組織的影響

圖4為鋁擠壓吸能盒顯微組織。從圖中可以看出，含0.3%Mn的1#型材橫斷面粗晶層較厚，晶粒較為粗大，最大晶粒直徑尺寸可達(dá)0.986mm；而含0.5%Mn的2#型材橫斷面粗晶層極薄，晶粒細(xì)小，粗晶層厚度只有0.057mm。原因是隨著Mn元素含量的增多，形成更多的MnAl6彌散質(zhì)點(diǎn)阻礙再結(jié)晶形核及晶粒長(zhǎng)大[14]。

圖4 不同Mn含量的鋁擠壓吸能盒顯微組織

2.4 Mn含量對(duì)型材力學(xué)性能的影響

采用相同擠壓工藝參數(shù)不同合金成分的鋁擠壓吸能盒力學(xué)性能值見(jiàn)表4。對(duì)比可知：1#合金成分鋁擠壓吸能盒力學(xué)性能值均低于2#合金成分的。原因?yàn)椋?#合金中Mn含量較高，含Mn彌散相數(shù)量增多，抑制再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大的能力較強(qiáng)（圖4的金相組織對(duì)比也證實(shí)了這點(diǎn)），細(xì)晶強(qiáng)化導(dǎo)致了2#合金強(qiáng)度和塑性的同步提高，且含Mn彌散相本身也有一定的強(qiáng)化作用。

表4 鋁擠壓吸能盒力學(xué)性能值對(duì)比表

2.5 Mn含量對(duì)鋁合金吸能盒吸能性能的影響

一般來(lái)說(shuō)，峰值載荷反映了結(jié)構(gòu)承載能力的極限，在壓縮的過(guò)程中遵循載荷梯度變化，以便能夠順序變形，因此對(duì)每一個(gè)承載結(jié)構(gòu)都有一定的限制。峰值載荷越大載荷越小，意味著當(dāng)受到很小的力時(shí)，吸能盒便可以開(kāi)始產(chǎn)生變形并吸收能量，以保證保險(xiǎn)杠吸能系統(tǒng)的及時(shí)性；能量吸收越大，意味著發(fā)生碰撞時(shí)，吸能盒吸收的能量越多，以保證保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的有效性。產(chǎn)品在不同Mn含量下鋁合金的最大載荷及吸收能量如表5所示。由表5可以看出，1#鋁合金承受的最大載荷比2#鋁合金高近5000N，但吸能效果比2#合金低，反映出2#合金的吸能效果較好。

表5 不同Mn含量鋁合金的吸能性能

2.6 Mn含量對(duì)鋁合金吸能盒壓潰效果的影響

采用相同擠壓工藝參數(shù)不同合金成分生產(chǎn)的鋁擠壓吸能盒經(jīng)壓潰后的產(chǎn)品表面形貌見(jiàn)圖5。通過(guò)觀察可知：采用1#合金生產(chǎn)的鋁擠壓吸能盒經(jīng)壓潰后，其試樣在立筋處出現(xiàn)開(kāi)裂且在褶皺處存在裂紋，而采用2#合金生產(chǎn)的產(chǎn)品幾乎沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂，僅有橘皮出現(xiàn)，與表5數(shù)據(jù)吻合。

圖5 不同合金成分的壓潰試樣

3 結(jié)論

（1）在線淬火方式影響型材力學(xué)性能與圧潰效果，隨著冷卻速率的增加，越能促進(jìn)彌散相均勻細(xì)小地析出，從而提高了型材的斷后延伸率和抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，在線穿水效果最好。

（2）Mn含量的增加可有效地改善吸能盒的力學(xué)性能和圧潰效果；當(dāng)Mn含量較少時(shí)其試樣在立筋處出現(xiàn)開(kāi)裂且在褶皺處存在裂紋，隨著含量的增加幾乎沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂，僅有橘皮出現(xiàn)，圧潰性能較好。