42汽车用AlMgSi系合金板材的研究现状及发展趋势

2010中国铸造活动周论文集-1-汽车用AlMgSi系合金板材的研究现状及发展趋势∗郑伟1，李赫亮1，2，袁晓光1，黄宏军1，刘喜欢1（1.沈阳工业大学，材料科学与工程学院，辽宁沈阳110178；2.辽宁工程技术大学，辽宁阜新123000）摘要：综述了国内外6000系车身板材的研究现状及发展趋势，介绍合金的化学成分、热处理制度及合金化等对该系合金力学性能的影响，以及强化相的析出行为。分析了目前我国铝合金板材主要存在的问题，展望了开发高性能AlMgSi基铝合金板材的研究方向。关键词：综述；AlMgSi合金；汽车用板材；组织与力学性能AutoPlateAlMgSiAlloywiththePresentResearchsituationandDevelopmentTrendZHENGwei1,LIHe-liang1,2,YUANXiao-guang1,HUANGHong-jun1,LIUXi-huan1(1.MaterialsScienceandEngineeringSchoolShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,China;2.MaterialsScienceandEngineeringSchoolLiaoningTechnicalUniversity,FuXin316000,China.)Abstract:Thispaperhasreviewedtheresearchof6000platebodystatusanddevelopmenttrend,introducedtheChemicalcomposition、|theeffectofthetreatmentsystemandalloyingonimprovingthemechanicalperformanceofalloys,Inadditiontotheseparationbehaviorofstrengtheningphase.Thecurrentproblemsexistinginthemainaluminumplatewereanalyzed,itproposedtheresearchdirectionindevelopinghighperformanceandcharacteristicAlMgSibasealloyplate.Keywords:Review;AlMgSialloy;PlateofAutomobile;organizationandmechanicalproperties1引言目前，使用铝合金代替钢铁是各国汽车制造商实现轻量化的主要措施，从而达到环保和节能的要求[1]。在同样的力学性能指标下，铝合金比钢铁材料平均减轻60%，仅在汽车内外板上用铝合金来代替传统钢板就可使整车减重大约47%；在承受同样冲击的情况下，铝板比钢板多吸收冲击能50%[2]；在零件制备过程中，铝合金比钢铁材料节能降耗、利于环保，且回收率高；此外，汽车用铝合金零件还具有较钢铁零件更安全舒适、美观，以及装配效率和燃油效率高，相对载重能力大等优点。汽车车身是汽车中重量昀大的部件,汽车车身的重量约占汽车总重量的30%[3]。汽车车身用铝合金板材是目前研究和应用的热点之一。车身用铝合金板材,要求既具有一定的强度性能,又具有良好的成形性能,还要具有良好的焊接性能、抗腐蚀性能,可以在涂漆后的烘烤期间发生完全的沉淀硬化作用[4]。目前，铝合金板材在轿车上的应用比重不断上升,尤其是经热处理(如:T4、T6、T8)的6000系列铝合金板材,能够∗基金项目：辽宁省教育厅优秀人才计划（2008RC36）、沈阳市科技攻关计划（20092625-2）和沈阳市科技平台建设计划（1081104-1-00）2010中国铸造活动周论文集-2-很好地满足汽车对壳体的要求[5],是近几年来国内外研究的一个热点。AlMgSi（6000系）合金不仅具有良好的热塑性、优良的耐蚀性及理想的力学综合性能，而且很容易氧化着色，被广泛用于工业型材及建筑行业，也是主要的汽车车身板材用铝合金[6]。随着汽车工业的发展，特别是汽车轻量化要求的不断提升，对AlMgSi系铝合金的强度提出了更高要求，过去的常规AlMgSi合金材料已不能满足需要，这就使得开发高强度、高性能的铝合金材料变得尤为重要。2汽车用AlMgSi系合金板材的应用鉴于环保和汽车轻量化的发展要求，铝合金板材在轿车上的应用比重不断上升。尤其是经热处理(如:T4、T6、T8)的6000系列铝合金板材，能够很好地满足汽车对壳体的要求，可用于做车身框架材料[7]。AudiA8的车身钣金件，即采用了本系合金铝材，由于其对合金的纯度和工艺稳定性要求很高，在制造时采用了连续退火热处理工艺以提高其强度，但连续生产的费用及热处理能耗都比较大，增加了生产成本。为了解决这一问题，进一步降低铝合金车身板材成本，正在开发新的铝合金材料[8]。经热处理强化，涂装烘干(170～200℃/20～30min)等工序处理的6000系铝合金，可用于外板等要求强度、刚性的部位，被广泛用于汽车车身框架，其状态可采用T4、T5、T6[9,10]。美国70年代就研制了6009和6010汽车车身板铝合金，通过T4处理，板材具有塑性好，成形后经喷漆烘烤可实现人工时效强化等特点，可以获得较高的强度，适于汽车的内外层壁板[11]。为了满足欧洲汽车厂家的要求，阿尔堪(Alcan)公司在德国的Nachderstadt工厂，能制造厚0.3～3mm，宽1000～2300mm的6016A合金板材（生产能力为10万t/年）。这些板材具有专门镀层，能改善板材的成形性，且不影响板材的焊接性[12]。3AlMgSi基合金板材的化学成分与性能6000系铝合金是可热处理强化的铝合金，具有成形性好、耐蚀性强、强度高和较好的耐高温性能；6000系铝合金较7000系合金有较高的疲劳强度，又比2000系合金有较好抗腐蚀性能；5000系合金的斯德勒线及桔皮效应不令人满意，而6000系合金上述两种性质较好[13]。6000系合金可以通过添加少量多种合金元素来细化晶粒，通过改变再结晶状态，同时改进铸造、轧制及热处理等工艺获得良好的综合性能[14-17]。表1为汽车面板常用6000系铝合金成分[18]。表1汽车面板常用6000系铝合金成分（质量分数）%Table1Automobilepanelsusedalloycompositionof6,000(massfraction)AlloyMgSiMnCuFeTiZnAl6065A0.4～0.70.5～0.90.50.30.350.10.2余量60090.4～0.80.6～1.00.2～0.80.15～0.600.50.10.25余量60160.25～0.61.0～1.50.20.20.50.150.2余量61110.5～1.00.6～1.10.1～0.450.5～0.90.40.10.15余量60610.8～1.20.4～0.80.150.15～0.40.70.150.25余量AlMgSi系T4态板材的屈服强度和抗拉强度相近，n值超过钢板，板材的屈服强度和抗拉强度相近[19]。目前，6009、6010和6016铝合金由于其塑性好，并在成形后的喷漆烘烤过程中可实现人工时效而获得较高强度等特征，被用于汽车车身外板和内板[20]。2010中国铸造活动周论文集3主要车体铝合金板材典型室温力学性能见表2[21]。表2主要车体铝合金板材典型室温力学性能Table2Typicalroommechanicalpropertiesofmainaluminumsheetsforautobody合金和状态σb（MPa）σ0.2（MPa）弯曲疲劳强度(108）（MPa）密度(kg/cm3)2036-T45182-O6009-T46010-T4冷轧钢板340275230290298195130125170181125140115125—2.75×1032.65×1032.71×1032.70×103—4热处理工艺对板材组织与性能的影响热处理制度对铝合金的性能有很大的影响。铝合金经不同的热处理制度处理后，会引起组织的变化而具有不同的性能。昀主要的热处理就是固溶时效处理。时效处理是热处理的关键。由于板材在冲压前不可避免地要存放一段时间，研究自然时效对合金性能的影响就十分必要了。自然时效使人工时效后合金的强度、硬度下降。而预时效则能减轻自然时效的有害作用[22,23]。合金成形后的热处理制度对产品昀终使用性能有着重要的影响，见图1。抗拉强度屈服强度伸长率1015202530354066554433221强度/MPa1234561伸长率/%10152025303540１.as-quenched(固溶淬火态);2.NA(自然时效态);3.NA+180℃/30min;4.150℃/5min;5.150℃/5min+NA;6.150℃/5min+NA+180℃/30min图1热处理制度对力学性能的影响Figure1heattreatmentsystemformechanicalproperties除常规固溶时效处理外，目前较广泛研究的热处理工艺还包括：昀终形变热处理FTMT和回归再时效处理RRA。2010中国铸造活动周论文集4FTMT是指铝合金经过固溶处理+预时效+冷变形+终时效这整套工艺[24]。经FTMT工艺处理的材料性能比单纯进行固溶+时效的要好许多。在FTMT处理过程中由于溶质原子的分布和状态发生了变化，沉淀析出过程和形变位错运动过程交互影响，对铝合金的力学性能产生了很大影响，昀终材料的强度极限可提高20%以上[25]。RRA是国外材料学者开发的一种固溶-时效-再时效处理技术[26]。铝合金经过固溶和时效后，重新加热到时效温度，经快速冷却，材料性能恢复到固溶时的状态，又可以进行时效处理。RRA处理后的铝合金具有合金经过固溶和时效后，重新加热到时效温度，经快速冷却，材料性能恢复到固溶时的状T6的强度，同时又有较好的抗腐蚀性[27]。6000系铝合金经5%预拉伸+自然时效+人工时效可获得良好的综合性能[28]。目前，基于汽车车身板的烘烤效应，研究人员开发了6000系铝合金的T4P热处理技术，即在T4人工时效前进行预时效，从而使材料在烤漆过程中充分发挥合金的时效硬化潜力[29-33]。5合金元素对板材组织与性能的影响在合金中添加微量合金化元素用以提高其整体综合性能，这种微合金化方法已被广泛用来研究铝合金。稀土元素在铝合金中可以起到细化晶粒，防止偏析，消除气孔，去除杂质和改善金相组织，提高力学性能等作用[34]。因此，将稀土元素作为微合金化元素具有重要意义。研究表明，微合金化是改善Al-Mg-Si系合金的组织与性能的重要手段。加入稀土元素之后，这些合金元素在凝固过程中与铝基体形成的金属间化合物能够作为合金后续形核的核心，从而细化晶粒，对合金的性能产生有利的影响[35]。合金中的Si含量通常相对平衡相Mg2Si来说是过量的，在铸造铝合金中更会出现大量的过剩Si[36]。研究表明，过量的Si并不会改变析出次序以及各种亚稳相的结构及其晶格常数，但是会改变析出相的化学成分和密度[37-38]，还可以形成一些额外的对合金硬化起不了多大作用甚至会起反作用的亚稳颗粒相[39-40]。过量的Si将导致更易析出大量的团簇，且原子团簇中的Mg与Si的摩尔比接近于1，因而，更易析出β″相，且β″相更细小均匀，使合金密度大大增加，且分布均匀，进而提高了合金的硬度与强度，达到了更好的强化效果[41]。Cu的加入使变形铝合金在人工时效期间β″相的析出加快，并细化了合金中的沉淀相，从而使硬度得到提高[42-44]。Cu的加入并没有改变β相的析出序列，但是在峰值时刻附近有少量的硬化相生成如QP相及条状的L相[45]，过时效阶段出现了Q'相，呈条状，属六角晶系，a=1.04nm，c=0.405nm。因其晶体结构与Q(Al5Cu2Mg8Si6)相似而称其为Q的先驱相[46～48]。在AlMgSi合金中添