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[车身轻量化] 汽车覆盖件用6xxx系铝合金板材的研究、产业化现状及发展趋势

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发表于 2020-6-3 17:06:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】汽车覆盖件用6xxx系铝合金板材的研究、产业化现状及发展趋势
张 琪(中国铝业集团有限公司 铝加工事业部,北京 100082)
摘 要: 6xxx系铝合金板材是汽车覆盖件轻量化的首选材料。文章综述了汽车覆盖件用6xxx系铝合金板材开发的最新进展、需求以及供给的现状,并提出了我国覆盖件用6xxx系铝合金板材产业化的发展建议。
关键词:汽车覆盖件;轻量化;铝合金;产业化

近20年来,我国汽车工业得到了快速发展,2018年,中国汽车产销量约2800万辆,占全球产销量的30%左右。汽车尾气排放已成为我国城市空气污染的主要来源。轻量化是实现汽车节能减排的直接手段,同时轻量化对于提高汽车操控性能,减少制动距离和加速时间,提高电动车续航能力等均具有明显的效果[1]。因此轻量化已成为汽车主机厂重点发展的技术方向。汽车车身及覆盖件占汽车总重量的20%~30%,如果采用铝合金板材替代传统的钢板制造车身结构件和覆盖件内外板,减重效果可达到40%~50%[2-4]。
汽车车身及覆盖件用铝合金板材(简称“铝合金汽车板”)主要为5xxx系和6xxx系。5xxx系主要用于覆盖件内板和结构件,6xxx系主要用于覆盖件外板及部分结构件。用于覆盖件的6xxx系汽车板典型要求,一是在供货及存放期间具有较低、且稳定的屈服强度,以保证冲压时具有较好的成形性能和一致性[5];二是冲压后表面具有较高的表面质量,无变形条纹等缺陷;三是冲压成形后覆盖件一般要进行涂漆烘烤,汽车车身板的涂装烘烤一般包括一系列的油漆固化过程,主要包括电泳涂装、中涂层烘烤和面漆烘烤,实验研究中,一般采用2%预变形后再进行185℃/20min的热处理,来模拟实际烤漆过程。汽车主机厂希望铝制覆盖件经过烤漆后,强度实现快速、大幅度增加,即具有较快的烤漆响应速率和较高的烤漆硬化增量。以上性能要求与6xxx系板材的成分、晶粒、析出相、织构、表面质量等均有密切关系。
本文综述了目前6xxx系合金汽车板研发、产业化现状与发展趋势,以期对推动我国铝合金汽车板开发和产业化进程、提升我国汽车轻量化水平提供参考。
1 6xxx系汽车板的研究现状
目前6xxx系汽车板的研究主要集中在如何实现快速时效响应和较高的烤漆强度增量方面,而实现以上目标的重要手段是通过合理的成分设计和固溶预时效处理。
1.1 成分设计
6xxx系汽车板主要合金元素是Mg和Si,此外还含有Cu、Fe、Mn、Cr等微合金及杂质元素,Mg2Si相是其主要强化相。图1给出了目前常用6xxx系汽车板的Mg、Si成分范围,可以看出,为提高烘烤时的时效响应速率,6xxx系汽车板的成分范围一般位于Mg2Si平衡线的右侧,即Si含量处于过剩状态。
目前普遍认为,Cu元素添加可以使Al-Mg-Si系合金时效相应加速,峰值时效强度提高,并降低自然时效的影响。但关于Al-Mg-Si-Cu系的时效析出强化机制,至今仍存在一定争议,因为Mg/Si比和Cu含量均会对时效析出序列产生影响。一般认为,Al-Mg-Si-Cu系合金会形成一种四元Q相(Mg12-xSi7Cu2Alx,1≤x≤4),而Q相和传统6xxx系合金的析出相β相(Mg2Si)在析出时,一方面存在互相竞争,另一方面也可以互为形核点,促进析出[6]。李海等人[7]的研究表明,AlMgSiCu合金的时效硬度明显高于AlMgSi合金,且时效硬化速率也明显加快,这与Cu的添加降低析出激活能密切相关。

图1 常用6xxx系汽车板的Mg、Si成分范围

Fig.1 Composition range of Mg and Si of 6xxx automobile sheet


Mn和Cr的作用主要是减弱合金中Fe元素的影响[8]。Mn和Cr均能够促进均匀化过程中Al5FeSi型结晶相向Al8Fe2Si型结晶相的转变。Al5FeSi型结晶相属单斜晶系,在基体中易造成局部应力集中,形成裂纹,降低材料的塑性[8]。此外,Mn和Cr还能起到抑制变形晶粒在固溶处理时发生再结晶和晶粒长大的作用[9]。
最近,为了进一步提高6xxx系汽车板的烤漆硬化性能,研究者提出在6xxx系合金中添加Zn元素。李勇等人[10,11]研究了Al-0.93Mg-0.78Si-0.2Cu合金中添加3%的Zn元素后的时效析出行为,结果表明,溶质元素Zn的添加导致Mg-Si原子团簇的形核与长大行为与常规Al-Mg-Si系合金存在较大差异,这主要是由于Zn与淬火空位有比较高的结合能,淬火后Zn可以与空位结合,作为Mg-Si原子团簇的形核点而加快合金的时效响应(图2),使合金烤漆硬化增量得到大幅度提高。

图2 Al-0.93Mg-0.78Si-0.2Cu-3.0Zn合金时效相形成模型示意图[10]

Fig.2 Schematic diagram of aging phase formation model of Al-0.93Mg-0.78Si-0.2Cu-3.0Zn alloy


1.2 固溶与预时效
铝合金的固溶温度原则上根据相图中低熔点相共晶温度和合金的溶解度曲线来确定。6xxx系铝合金的固溶温度一般为500℃~570℃,合金的固溶时间应该保证析出相能够充分溶解到基体中[12]。合金固溶后,晶内的Mg2Si以及部分Q相溶解到基体中,同时,变形晶粒发生再结晶,形成等轴状晶粒。合金固溶处理后必须立即进行淬火形成过饱和固溶体,以防止强化相析出,其中淬火速率将会对时效态的性能产生重要影响[13]。对于6xxx系铝合金,一般采用快速的水淬,以最大限度的提高合金的时效强化能力。
6xxx系汽车板在固溶处理后通常需要在室温下储存一段时间才能进行冲压成形。如果对淬火后的板材不进行预处理,将导致在自然存放过程中Mg、Si原子团簇的聚集,形成团簇,使屈服强度不断上升,一方面导致成形性降低,另一方面导致烘烤后强度提升幅度降低[14,15]。如6111-T4态板材,在185℃/20min烘烤后,强度仅提升20MPa[16]。工艺上一般采用预时效处理,来抑制或缓解自然时效,同时提升烘烤后的屈服强度增量。
研究表明[17,18],6xxx系汽车板固溶后进行高于100℃预时效时,合金中Mg和Si原子会聚集形成一种原子团簇,这种团簇与自然时效形成的原子团簇相比,强化效果较弱,但可以充当烘烤硬化时主要强化相β″的形核点。此外,预时效形成这种团簇能降低基体的过饱和度,抑制室温停放时的团簇形成,从而减缓室温停放时强度的上升,使合金获得较低的屈服强度和较高的性能稳定性。同时在后续的烘烤硬化时,预时效形成的团簇能够很容易转化成β″,提高β″析出数量,使合金获得较高的烘烤硬化强度。定量研究结果表明,固溶后进行140℃~180℃,小于10min的预时效,对于6xxx系汽车板的烘烤硬化效果最为有利[19];同时研究还发现,当对合金进行70℃~90℃低温预时效时,需要进行6h~8h的处理才能达到类似效果。在工业生产中,由于低温长时间更容易控制,成卷的板材加热和冷却均需要较长时间,因此低温长时间预时效工艺在工业生产中采用的较多。
2 6xxx系汽车板的产业化现状2.1 汽车企业对6xxx系汽车板的要求
与研究者关注点不同,汽车企业除对6xxx系汽车板的性能室温稳定性、烘烤硬化性能等关注外,对铝板的尺寸精度、表面性能以及成形、连接、表面处理等应用性能等均有较高的要求。目前,汽车企业一般根据应用部位不同,将6xxx汽车板分为标准型(S)、高强型(HS)、增强烘烤硬化型(IBR)、增强翻边性能型(IH)等类型。表1给出了某汽车厂商对不同类型6xxx板材典型力学性能的要求,同时也代表了大多数汽车厂商的要求。
对于表面质量的要求,用于覆盖件外板的6xxx系合金要求板材在预拉伸10%后,不能出现明显的漆刷线缺陷(图3)。此外,汽车厂商还要求对6xxx系板材进行EDT毛化处理、表面清洗、钝化、涂油等。此外,在汽车厂对6xxx系板材进行认证时,还需要检测成形极限(FLD)、交叉线腐蚀、真应力应变曲线、表面粗糙度、涂油量、摩擦性能、胶接性能、磷化性能、铆接/焊接性能等指标。
表1 某汽车厂商对不同类型6xxx板材的典型力学性能要求
Tab.1 Typical mechanical properties of different types of 6xxx sheets required by an automobile manufacturer


图3 6xxx系汽车板典型的漆刷线缺陷

Fig.3 Typical painting line defect of 6xxx automobile sheet


由于6xxx系汽车板对表面质量、性能一致性、稳定性等要求极高,目前国际上能够批量供应6xxx系汽车板的企业仅有诺贝丽斯、奥科宁克、爱励、肯联、海德鲁、神户制钢等。国内的西南铝、中铝瑞闽、忠旺、南山集团等生产的6xxx系汽车板正在开展汽车公司的认证,部分产品处于小批量供货阶段。
诺贝丽斯是全球最大的铝平轧产品企业,近年来先后在纽约Oswego及德国Nachterstedt、中国常州等地投资建设了5条汽车板精整热处理线,布点覆盖南美、北美、欧洲和亚洲,未来汽车板销售比例将达到25%。诺贝丽斯常州工厂已建成投产,主要进行汽车覆盖件铝材的连续退火和表面处理,设计产能12万t;目前常州工厂已经启动一条新的连退线,建成后产能总计将达20万t。
从2014-2018年,诺贝丽斯不断加强在汽车板生产和研发上的投入。虽然近年来诺贝丽斯板材总产销量均在300万t左右,但汽车板的占比不断提升。2014年汽车板占比仅9%,2018占20%,即64万t。在产品开发方面,诺贝丽斯已形成系列化汽车板产品。除常规的6016、6111外,还开发了外覆盖件、结构件等用的AdvanzTM e600、e170、e615、c300等系列化产品。
奥科宁克(Arconic)是美铝拆分的专注于航空航天及汽车用铝材开发及生产和技术服务的铝加工企业。根据奥科宁克的报告,从2010年至2015年,汽车铝板的销售额大幅提升,2015年达到6.48亿美元。2016年,汽车板的产销量在2015年的基础上增加了39%,达9亿美元。2015年,奥科宁克宣布成功开发了新一代汽车板生产设备及工艺“Micro-Mill”技术[20],可极大地提升汽车车身和覆盖件用铝板的使用性能,同时生产效率大幅提高,成本大幅降低。但至今该技术未见大规模应用的报道。
国内中铝集团下属的西南铝和中铝瑞闽也建立了完整的汽车板生产线,并成功开发了6016、6014、6111等系列化汽车板产品,可实现厚度0.8mm~3.5mm、宽度800mm~2400mm的稳定生产。部分产品已通过或正在进行上海通用、上汽大众、蔚来汽车、北汽新能源、吉利、海马等汽车公司的供货。表2给出了西南铝、中铝瑞闽部分可供产品典型性能。此外,中铝集团已具备了为用户提供结构设计、成型、连接及表面处理等全面应用技术服务的能力,这将对其汽车板市场推广起到较大的推动作用。
表2 中铝集团下属企业部分可供6xxx系产品典型性能
Tab.2 Typical performance of 6xxx products provided by some subordinate enterprises of Chinalco Group


除中铝下属企业外,国内南山铝业、南南铝、忠旺等企业也在加快6xxx汽车板开发、认证和产业化的步伐。未来2~3年,中国铝加工企业有望打破国外铝加工企业在6xxx汽车板产业化方面的主导地位,成为6xxx汽车板供应的主要力量。
值得一提的是,为加快我国汽车用铝板的应用进程,工信部2018年启动新能源汽车材料生产示范应用平台项目建设。该项目由一汽集团牵头,材料生产企业、零部件制造企业、分析评价机构、高校及研究单位等参与。中铝瑞闽的汽车板连续退火及表面处理生产线为该平台重点建设的示范线。该生产示范应用平台的建设将极大加速我国6xxx系汽车铝板在新能源汽车覆盖件上的应用进程。
3 我国6xxx系汽车板产业化发展建议
尽管目前中南大学、北京科技大学、重庆大学等高校开展了大量6xxx系汽车板的基础研究,取得了大量开创性的研究结果。这些研究成果与我国6xxx系汽车板的产业化存在一定程度的脱节,对6xxx系汽车板生产企业的指导作用有限,同时我国汽车板生产企业的研发力量相对薄弱,尚无法形成量产一代、试制一代、研究一代的产品研发格局。整体上,目前我国6xxx汽车板的产业化尚处于起步阶段,产品种类、质量稳定性等均有待进一步提升。为此,笔者建议:
(1)加强产业化工艺研究。明确大生产条件下影响各类性能波动的工艺和设备因素,开展大生产条件下全流程微观组织和性能模拟。
(2)丰富6xxx系汽车板产品种类。除常规的6016、6014等标准产品外,加快面向不同部位性能需求的、具备自主知识产权的系列化产品开发,满足不同用户的需求。
(3)加快汽车主机厂的材料认证和产品推广。目前大多数汽车主机厂对国产6xxx系汽车板的质量稳定性、供货能力等尚存在质疑。国内汽车板生产企业应加快对知名汽车主机厂的材料认证和产品推广,形成“应用促进生产,生产推动应用”的良性循环。
(4)加强应用技术研究。加强6xxx系汽车板应用所需的成型技术、连接技术和表面处理等应用技术研究,为汽车主机厂提供应用技术服务。
4 结束语
轻量化是实现我国汽车工业“绿色”发展的必由之路。6xxx系汽车板是汽车轻量化用铝的关键产品,也是目前铝板民品应用领域需求量大,技术含量、性能及精度要求、附加值均较高的产品之一。近几年,国家工信部、发改委、科技部等均对铝合金汽车板的产业化给予了大量支持。我国核心铝加工企业应主动担当起6xxx系汽车板国产化重任,组织“产、学、研、用”等各方面力量,推动我国铝合金汽车板产业化和应用实现快速发展。

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