铝合金汽车板性能及其应用的研究进展

书书书铝合金汽车板性能及其应用的研究进展马鸣图１，毕祥玉２，游江海３，路洪洲１（１．中国汽车工程研究院有限公司，重庆４０００３９；２．徐州财发铝热传输有限公司，徐州２２１１１６；３．西南铝业（集团）有限责任公司，重庆４０１３２６）摘　要：系统总结并提出了铝合金汽车板材的七种性能要求，以使铝合金汽车板材的研发具有明确目标；介绍了铝合金汽车板的典型化学成分、力学性能及成形性，论述了影响其性能的主要因素，并重点讨论了预处理工艺的影响及其在保证铝合金汽车板性能上的重要性；还介绍了铝合金汽车板的重点研发内容及其应用情况，最后指出降低铝合金汽车板的成本和价格、做好应用研究是今后扩大铝合金汽车板应用的重要工作。关键词：汽车轻量化；铝合金；汽车板；力学性能；成形性中图分类号：ＴＧ１４６．２　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１０００３７３８（２０１０）０６０００１０５犚犲狊犲犪狉犮犺犘狉狅犵狉犲狊狊狅犳犘狉狅狆犲狉狋狔犪狀犱犐狋狊犃狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀狅犳犃犾狌犿犻狀犻狌犿犃犾犾狅狔犃狌狋狅犛犺犲犲狋犕犃犕犻狀犵狋狌１，犅犐犡犻犪狀犵狔狌２，犢犗犝犑犻犪狀犵犺犪犻３，犔犝犎狅狀犵狕犺狅狌１（１．ＣｈｉｎａＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３９，Ｃｈｉｎａ；２．ＸｕｚｈｏｕＣａｉｆａＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｕｚｈｏｕ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＡｌｕｍｉｎｉｕｍＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０１３２６，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｓｅｖｅｎｐｒｏｐｅｒｔｙｄｅｍａｎｄｓｆｏｒａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｕｔｏｓｈｅｅｔａｒｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｍａｋｅｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｂｏｕｔａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｕｔｏｓｈｅｅｔｈａｖｅａｏｂｖｉｏｕｓｔａｒｇｅｔ．Ｔｙｐｉｃａｌｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｕｔｏｓｈｅｅｔｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｅｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｒｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｔｓｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅａｕｔｏｓｈｅｅｔａｒｅｄｅｅｐｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔｓａｂｏｕｔｔｈｅｓｈｅｅｔａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｒｅｄｕｃｉｎｇｃｏｓｔａｎｄｐｒｉｃｅｏｆｔｈｅｓｈｅｅｔａｎｄｄｅｅｐｌｙｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｕｄｙａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｗｏｒｋｆｏｒｅｘｐｅｎｄｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｈｅｅｔｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ；ａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙ；ａｕｔｏｓｈｅｅｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ０　引　言随着汽车工业的发展和汽车保有量的增多，在经济发展和生活质量提高的同时也产生了能耗、排放和安全三大问题。２００９年中国汽车产销量已达到１３００万辆，跃居世界第一，汽车保有量已超过７０００万辆，因此我国汽车工业的节能减排工作刻不容缓。大量研究表明，汽车轻量化是汽车节能减排的重要手段。乘用车车重每减少１０％，可节油６％～收稿日期：２００９０７０６；修订日期：２０１００３２８基金项目：国家“８６３”计划资助项目（２００７ＡＡ０３ｚ５５１）作者简介：马鸣图（１９４２－），男，河南兰考人，教授，博士。８％，减排４％［１］。铝合金是重要的轻量化材料，其密度为钢的１／３，典型的铝合金零件取代钢制零件一次减重效果可达３０％～４０％，二次减重效果则可进一步提高到５０％。２００６年，欧、美、日等的轿车平均用铝量已经达到１２７ｋｇ／辆。欧洲铝协（ＥＡＡ）预测，在２０１５年前，欧洲轿车用铝量将增至３００ｋｇ／辆。在轿车中每使用１ｋｇ铝，可在其使用寿命期内减少２０ｋｇ尾气排放。此外，铝合金还是绿色环保材料，可以循环回收，汽车用铝材节能量是原铝生产耗能的６～１２倍。２００９年欧洲车身会议宣称一些典型车型变形铝合金用量已达２５～３０ｋｇ，而变形铝合金的应用还有利于满足汽车安全法规的要求，采用铝合金发动机罩盖可以明显减少二次碰撞对人的伤害，有利·１·第３４卷第６期２０１０年６月机　械　工　程　材　料Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．３４　Ｎｏ．６Ｊｕｎ．　２０１０于满足碰撞保护法规的要求。目前我国铝合金汽车板的研究还不够深入，为了推动铝合金汽车板的研发，作者对其性能和应用的研究进展进行了综述。１　铝合金汽车板的性能要求１．１　良好的成形性板材的成形性是指其在冲压过程中承受形状变化的能力，可以通过成形性试验来进行评价。目前钢板的成形性已有大量试验结果［２］，但铝合金板此方面的报导还比较少。评价成形性最常用的试验是单轴拉伸试验，为提高板材的成形性，希望板材具有较低的屈强比、较高的加工硬化速率和均匀伸长率；在各种应力状态下的成形性评价试验是测定板材的成形极限曲线（ＦＬＣ）。１．２　一定的抗时效稳定性铝合金板在室温存放时不发生时效的特性称之为抗时效稳定性。因为时效会使合金在拉伸变形时出现屈服点伸长，即吕德丝（Ｌüｄｅｒｓ）带，从而在冲压时造成表面变形不均和起皱，影响冲压件的外观。铝合金板从生产出厂到冲压成零件往往需要经过运输和储存，通常要求在室温存放６个月而不发生时效。１．３　良好的烘烤硬化性汽车冲压件经油漆烘烤处理后也会产生时效，从而使其屈服强度上升，称之为烘烤硬化性。高的烘烤硬化性可以赋予零件高的抗凹痕性。由于目前大部分汽车生产企业的油漆烘烤工艺是针对钢板设计的，而铝合金的烘烤硬化性和钢的明显不同，因此需要研究现有的油漆烘烤工艺如何兼容铝合金板的油漆烘烤工艺；材料的烘烤硬化性可按相关标准［３－４］进行评定。１．４　高的抗凹痕性板材和构件抵抗外力作用而不发生凹陷或永久变形的能力称为抗凹痕性。材料的抗凹痕性与其流变应力有关，也与材料厚度有关［５］，制成零部件后的抗凹痕性还与其刚度和结构有关［６］。１．５　良好的翻边延性汽车外覆盖件在冲压翻边时，板材抵抗开裂的特性称为翻边延性。因此要求铝合金汽车板应具有良好的翻边延性，以保证在翻边时不发生开裂。板材的翻边延性与其总伸长率有关，也与材料的显微组织有关。翻边延性可用冷弯试验来检测，但通常的冷弯并未考虑到应变速率敏感性，而冲压翻边时变形较快，应变速率较大，从而对其有更高的要求。１．６　较好的表面光鲜性铝合金板材和钢板不同，其晶粒度远大于钢的。在较粗的晶粒下，如果晶粒大小不均则会导致冲压件的表面沿轧制方向出现像绳索圈（Ｒｏｐｉｎｇ）样的不均匀变形，也称罗平线（ＲｏｐｉｎｇＬｉｎｅ）缺陷［７］，将导致油漆后表面光鲜度不一致，这种缺陷也与板材变形能力的各向异性有关；另一种缺陷是板材经拉伸变形后在表面形成桔皮状的起皱和不平，这与组织的均匀性有关，其原因还需要进一步研究。１．７　良好的表面处理及涂装性能钢铁材料在油漆之前，其表面要进行酸洗、磷化处理，以改善冲压件表面与油漆的结合力，提高其耐蚀性。由于铝合金表面会有一种结合紧密的氧化膜，油漆前的表面处理方法就和钢铁材料不同，不能用一般的酸性磷化方法，而是采用铬化处理，考虑到六价铬对人体的毒性，近年来开发了无铬或低铬处理技术，其中典型的有Ａｒｏｄｉｎｅ方法［８］，已有较成熟的生产线；另一种方法是在含氟离子的特殊磷化液中进行表面处理。显然，上述七种性能既互相关联，又相互矛盾，如何将上述相关性能得到合理匹配，满足汽车冲压件的性能要求是铝合金汽车板研发的主要目标。２　铝合金汽车板的典型力学性能及成形性目前铝合金汽车板主要有两个系列，即５０００和６０００系，其典型牌号合金的成分列于表１。６０００系合金分含铜（如６１１１）和基本不含铜（如６０１６，６０２２）两类，前者具有高的烘烤硬化性，但对丝状腐蚀比较敏感；而后者具有高的烘烤硬化性、良好的成形性、良好的耐腐蚀性。５０００系合金中分镁含量高的５０２３，它具有较高的强度、良好的成形性，但对晶间腐蚀较敏感；镁含量中等的（如５１８２），它具有良好的晶间腐蚀性能和良好的成形性；镁含量低的（如５０５２），它主要是强度较低。５０００系和６０００系典型牌号合金板的主要性能列于表２，其相应的成形性参数列于表３［７，９］，表中狉值为金属板塑性应变各向异性值；狀值为金属板拉伸应变硬化指数。铝合金汽车板在拉伸时均匀伸长率和总伸长率均低于软钢的，尤其是均匀伸长率和缩颈后的伸长率。因此，其深拉延、三轴应变及延展成形性能均较软钢差。由于铝合金板的初始加工硬化性能高于软钢的，因此其冷弯时的回弹也较大。一些铝合金在不同弯曲半径下其回弹角较软钢的大２～３倍，因此铝合金冲压模具的设计必须充分考虑这些特点。·２·马鸣图，等：铝合金汽车板性能及其应用的研究进展表１　６０００系和５０００系典型铝合金汽车板的主要化学成分（质量分数）犜犪犫．１　犕犪犻狀犮犺犲犿犻犮犪犾犮狅犿狆狅狊犻狋犻狅狀狅犳５０００犪狀犱６０００狊犲狉犻犲狊狋狔狆犻犮犪犾犃犾犪犾犾狅狔犪狌狋狅狊犺犲犲狋狊（犿犪狊狊）％合金牌号ＳｉＦｅＣｕＭｎＭｇ６０１６１．０～１．５＜０．５０＜０．２０＜０．２００．２５～０．６０６０２２０．８～１．５０．０５～０．２００．０１～０．１００．０２～０．１００．４５～０．７０６１１１０．７～１．１＜０．４００．５０～０．９００．１５～０．４５０．５０～１．００５０２２＜０．２５＜０．４００．２０～０．５０＜０．１０３．５０～４．９０５０２３＜０．２５＜０．４００．２０～０．５０＜０．１０５．００～６．２０５１８２＜０．２０＜０．３５＜０．１００．２０～０．５０４．５０～５．００表２　５０００系和６０００系典型铝合金汽车板的主要性能犜犪犫．２　犕犪犻狀狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳５０００犪狀犱６０００狊犲狉犻犲狊狋狔狆犻犮犪犾犃犾犪犾犾狅狔犪狌狋狅狊犺犲犲狋狊合金牌号状态犈／ＧＰａ泊松比密度（ｔ·ｍ－３）屈服强度／ＭＰａ抗拉强度／ＭＰａ伸长率／％备注６１１１Ｔ４Ｐｄ６９０．３２．８９１４６．０２９０．０２５．０纵向６０２２Ｔ４Ｐｄ６９０．３２．８６１２２．０２３８．０３０．０纵向５１８２Ｏ６９０．３２．８４１２３．０２７６．０２５．６纵向５０２３Ｏ６９０．３２．８５１２４．０２８０．０３２．０纵向表３　５０００系和６０００系典型铝合金汽车板的成形性犜犪犫．３　犉狅狉犿犪犫犻犾犻狋狔狅犳５０００犪狀犱６０００狊犲狉犻犲狊狋狔狆犻犮犪犾犃犾犪犾犾狅狔犪狌狋狅狊犺犲犲狋狊合金牌号状态板厚／ｍｍ均匀伸长率／％狀值（变形量６％～１２％）犓值（变形量６％～１２％）狉值（变形量６％～１２％）成形极限图最低点／％垂直于轧向冷弯（犱＝０，１８０°，试样宽度７０ｍｍ）６１１１Ｔ４Ｐｄ０．９１８．００．２３５４０．００．６５２２．８不裂６０２２Ｔ４Ｐｄ０．９１９．００．２５５２５．００．６６２３．２不裂５１８２Ｏ０．９２１．００．３２５１４．００．８２２２．２不裂５０２３Ｏ０．９２２．００．３１５２０．００．８５２６．５不裂５０００系和６０００系及软钢在碗状试样冲压成形时开裂／起皱的极限高度与压边力的关系不太一样。在低压边力下，三种材料起皱时的极限高度基本相同；但在高压边力下，由于铝合金产生开裂而不能使极限高度进一步提高。因此，对于铝合金板的冲压成形，应在较低的压边力下进行。３　铝合金汽车板力学性能和成形性的主要影响因素３．１