新材料与工艺手册

[车身轻量化] 车用铝合金材料性能要求、选材、工艺 这些还不懂就OUT了!

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发表于 2020-9-18 18:06:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

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车用铝合金材料性能要求、选材、工艺 这些还不懂就OUT了!来源:SMM
在上海有色金属行业协会、上海市汽车工程学会、苏州市压铸技术协会、上海有色网共同主办的2020(第二届)中国工博会新材料论坛-中国汽车新材料应用高峰论坛暨中国(第八届)铝加工产业链供需交易峰会上,广东和胜工业铝材股份有限公司董事长李建湘围从车用铝合金型材性能要求、车用铝合金选材、合金二次开发及工艺开发、车用铝合金材料介绍及应用案例等方面,就车用铝合金挤压型材及应用案例展开了演讲。

车用铝合金型材性能要求
一、具有适当的强度和刚度
李建湘表示,在汽车上用铝合金,主要需求为替代钢铁、实现轻量化。结构整体强度需要达到轻量化后汽车使用需求。根据中国汽车轻量化线路图近期(2016-2020)提出的要求,AHSS级高强钢强度目标值600MPa。铝合金表述为发展5系、6系高成型性合金,单车用量190KG,对铝合金强度没有量化指标。
铝合金机械三性与钢的差异:

铝合金屈强比高、延伸率较低,导致铝合金冷变形加工要比钢困难得多,铝容易回弹。
弹性模量:铝弹性模量较低,约70GPa,一般合金钢约200GPa,是铝的3倍。铝比较不耐冲击。
二、具有较好的抗疲劳性能
汽车长时间、长距离使用,结构件不可能更换,铝合金耐疲劳性质显得十分重要。抗疲劳性衡量方法有很多种,通常材料手册查到的数据并不准确,如下提供一个车辆行业常用的跑步测试数据,这对车用合金选材非常实用,图2是我国高铁用铝挤压材疲劳测试的数据。


三、耐腐蚀性
因为表面防腐工艺的采用,汽车部品不害怕外界环境腐蚀,但是材料因通过多道次冷加工、连接,形成的应力腐蚀、电化学腐蚀对汽车产品使用寿命和安全性造成巨大影响。如日系汽车、高铁曾主流使用7N01材料,后来全部改用6N01,就是因为抗腐蚀性引起的。
四、焊接性
从热源角度区分,材料间连接可分热连接和冷连接。冷连接如铆接等更为偏重于对结构设计的要求,而热连接还需进行母体选材。考虑到热裂纹倾向性、耐腐蚀性等焊接质量要求,不是所有铝合金材料都适合用作焊接母材。
对于不可热处理强化的合金,焊后强度下降主要是热影响区温度超过再结晶温度,发生再结晶及晶粒长大,强度下降系数取决于焊接峰值温度。对于热处理强化合金,焊后强度降低主要原因是热影响区晶粒粗大,并且强化相由于热源的作用固溶至基体中从而使弥散强化效应减弱。强度下降系数主要取决于材料第二相性质和热循环特性。
五、特殊要求举例
折弯性能(三点弯曲): 车用铝合金型材的有些要求超出了铝加工行业一般标准范围,如防撞梁的性能要求,车厂要求做防撞梁三点弯曲试验,无法通过铝挤压材常规性能特征找到与弯曲实验结果相对应的参数,与材料强度绝对值非正相关,我们研究表明,弯曲开裂与材料微观组织关联度高,完全纵向纤维组织的材料弯曲性能最佳;与材料断面设计关系密切,同样断面,壁厚设计的差异对弯曲性影响很大;材料延伸率与弯曲性正相关。
压溃性能(吸能效果): 依赖材料学常规思维无法确定材料的吸能效果,通常认为延伸率高的材料在压缩时不易开裂,必拓铝业研究员做大量实验表明,6xxx系列合金的轴向压缩性能,最好用平均压粹力表述( mean crush force)MCF,与拉伸强度呈线性增加,延伸率不是压碎过程中破裂敏感性的良好预测指标,在所测试的各种合金中,AA6008具有零裂纹时的最高强度。同样力学性质的材料,纤维组织的产品表现出最优的吸能效果。
熔接性能及座屈性能:日系车厂使用铝管做减震器内外套管,多年研究表明:减震器铝管的其中两项核心指标:熔接性能及座屈性能。和胜设计了一种用于评价冶金焊缝熔接性能的扩管试验方法。而座屈性能通过座屈试验进行评价。
车用铝合金选材
车用铝合金挤压型材常用合金除6063、6061外,美系、日系、欧系有所不同。
美系以美铝、加铝(必拓)开发和运用成熟的合金为主,主要有6005A、7003等;
日系以昭和电工、古河电工、神户铝业、住友、日轻工开发的合金为主,主要有6N01、7N01、7005等
欧系则主要以海德鲁、萨帕铝业开发的合金为主,主要有6082、6013。
总体来说,车用材大多数选择中等强度或中等偏高6系各类合金,及部分低等级的7系合金。根据产品用途适当区分选材。
合金选择的局限性:我们并不总是可以根据车身用铝的需求来选用最好的合金,因为有些材料挤压不一定能达到工业化量产的条件。这主要基于两个因素:合金挤压性和淬火敏感性。
合金二次开发及工艺开发
国际标准是一个普适性、宽泛的合金,同一牌号性能差距很大。如最常用的A6063合金,Si0.2-0.6%、Mg0.45-0.9%,和胜经验表明,其最基本的力学性能Rm 180-260Mpa ,差距在于合金含量差异,我们计算表明A6063主合金Mg2Si含量0.6-1.2%,所以,真正要用好A6063,需要针对产品实际用途做二次开发,在标准牌号范围内,选取适当微区,控制主合金含量及各种影响性能的参数,如6063过剩Si的量,Fe相允许值,A6061还要确定Cu含量,他与产品固溶强化效果、淬火敏感性、时效曲线、表面阳极处理后黄度等有关,这就是我们强调铝挤压材用户需要有合金开发能力的供方协作的原因。
工艺开发
合金除成份合理之外,还有非常重要的指标,就是合金如何有效的发挥作用,我们有时发现,合金成份没问题,可是性能却达不到要求,主要的原因是合金没有完全形成强化相,如A6063合金强化相Mg2Si,它有三种基本形貌:柱状组织(ß相)、棒状组织( ß ˊ相)、针状组织( ß “相),只有 ß ”相才有好的强化作用,粗大的柱状、棒状组织基本没有强化作用,所以,我们的工艺设计要从铝合金熔练铸造、铸锭均匀化处理、挤压固溶、人工时效的整个挤压材热过程控制最优化条件,使加进去的合金元素在T6状态下最大限度生成只有 ß ”相,我们的基本目标就实现了。


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