在线淬火工艺与微量元素对6008铝合金吸能盒性能的影响

2020-09-27 来源：钮旅网

《铝加工》2019年第5期总第250期技术工程

在线淬火工艺与微量元素对6008铝合金

吸能盒性能的影响

谢方亮，王

睿，李延军，王

爽，韩启强

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

摘要：研究了在线淬火方式及微量合金元素Mn对6008铝合金吸能盒组织与性能的影响。结果表明：型材强度随着淬火冷却速率的提高而明显提高，延伸率也有所增加。穿水冷却改善了型材的力学性能与压溃效果，主要原因是穿水冷却可以有效避免淬火过程中过饱和固溶体脱溶，确保了Mg、Si元素的过饱和固溶度。Mn元素的含量从0.3%增加到0.5%时，晶粒尺寸明显减小，力学性能和压溃性能明显提高。

关键词：6008铝合金；微量元素Mn；吸能盒；吸能性能；在线淬火中图分类号：TG146.21，TG166.3doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2019.05.11

文献标识码：A

文章编号：1005-4898（2019）05-0045-04

0前言

现如今，铝合金在保险杠系统中的应用越来越广泛。现代汽车为了满足舒适性与安全性，在原本的车体上增加了安全气囊和防抱死装置等设施，这些装置一定程度上增加了整车的重量。经验表明，汽车重量每降低10%就可以减少5.5%的燃油消耗，因此减重对汽车行业极为重要[1-2]。而保险杠横梁系统[3]对于车辆安全至关重要。当车辆发生碰撞时，将碰撞中产生的能量和力尽可能均匀地传递到车身结构的吸能元件，使保险杠能量最大限度地被吸能元件吸收[4-6]，因此吸能元件的强度及吸能效果是决定保险杠系统有效性的重要因素。铝合金材料吸能盒产品，不仅满足了轻量化要求，同时也满足碰撞吸能要求[7]。在挤压生产过程中，热挤压与在线淬火工艺对挤压型材的组织与性能起到决定性的作用[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]，通过改变微量元素Mn、Zr、Cr、Sr、V等的含量可以改善铝合金的组织，提高合金的性能。

6008合金被欧洲铝业协会确定为“车体型材合金”，具有良好的塑性及优良的挤压加工性能，可高速挤压成结构复杂、薄壁并中空的各种

型材[12]。目前，对6008铝合金的研究报道较少，特别是对其生产的汽车吸能盒的力学性能及吸能效果的研究更少。本文研究了不同淬火工艺条件及微量元素对6008铝合金挤压型材组织，以及对6008合金生产的汽车保险杠吸能盒力学性能及压溃性能的影响，为确定合理的生产工艺提供基本依据。

1试验材料与方法

本文选用我公司为某企业生产的6008欧标铝合金吸能盒挤压型材作为试验对象，命名为1#合金，其化学成分如表1所示，断面形状如图1所示。

表11#合金化学成分（质量分数/%）

其他夹杂物单个合计

0.50~0.9≤0.35≤0.300.300.40~0.7≤0.30≤0.10≤0.200.05~0.20≤0.05≤0.15图1铝挤压吸能盒横断面图

作者简介：谢方亮（1989-），男，辽宁朝阳人，大学本科，主要从事铝合金挤压型材开发。收稿日期：2019-04-16

·45·

采用挤压-在线淬火工艺生产，工艺参数如表2所示。挤压完成后，在205℃×4h下进行时效。分别截取200mm高、不同状态的吸能盒进行压溃试验，沿挤压方向截取标准拉伸试样进行力学性能测试。采用蔡司AX10型光学显微镜对试样进行显微组织观察。压溃及拉伸试验均在AG-X100KN电子万能试验机上完成，其中压溃测试以100mm/min的下压速度进行。

表2铝挤压吸能盒挤压工艺参数

序号1#2#3#

510～530

4~6

＞530

铸锭加热温度/℃

挤压入淬火区

-1

速度/m·min温度/℃

淬火方式穿水水雾风冷

淬火后温度/℃＜50＜50＜80

技术工程

2.2淬火冷却方式对吸能盒压溃效果的影响

吸能盒型材压溃试样如图3所示。图3（a）为淬火方式为风冷的吸能盒型材，圧溃不成形，完全压碎；图3（b）为淬火方式为水雾的吸能盒型材，压溃开裂较为严重，开裂贯穿整个壁厚，有大量的橘皮存在，并出现剥落情况；淬火方式为穿水的吸能盒型材如图3（c）所示，压溃效果相对较好，但在折角处有开裂。结果表明，淬火冷却速度越快型材的圧溃性能越好，主要是因为穿水冷却有更好的固溶效果，当进行时效时会有更加细小的弥散相析出，从而提高了型材的力学性能和圧溃性能。虽然改变淬火方式会改善型材的力学性能，但是圧溃效果还有待进一步提高。经查阅大量文献，提高微量元素含量是改变型材性能与表面的有效途径。下文研究了微量元素Mn的含量对型材的组织、力学性能和表面的影响，化学成分如表3所示，挤压工艺如表2（1#）所示。

2结果与分析

吸能盒在不同在线淬火制度下的力学性能如

2.1淬火冷却速率对型材力学性能的影响

图2所示。由图2可以看出，随着冷却速度的增加，断后延伸率和抗拉强度都有所增加。出现这种情况的主要原因是6008合金的时效强化相形核驱动力主要与Mg、Si元素的固溶程度、Mn、Cr、V等微量元素的含量有关。采用在线风冷使其冷却速度降低，会析出一定量的稳定相，减少了时效强化相的析出，导致力学性能降低。穿水冷却可以有效提高型材的固溶效果，避免在淬火过程中过饱和固溶体脱溶，确保了Mg、Si元素的过饱和固溶度和时效强化相的形核驱动力，促进弥散相均匀细小地析出，从而提高了型材的断后延伸率、抗拉强度和屈服强度[13]。说明淬火冷却强度是影响型材力学性能的重要参数，淬火冷却强度越高，型材的力学性能越高。

（a）风冷

（b）水雾

屈服强度抗拉强度延伸率

延伸率／％强度／MPa在线淬火制度

（c）穿水

图3不同淬火冷却方式下的压溃试样

图2不同在线淬火制度下力学性能曲线

·46·

表4铝挤压吸能盒力学性能值对比表

其他夹杂物单个合计

合金成分1#2#

屈服强度/MPa256264

抗拉强度/MPa270282

断后延伸率/%11.2516

技术工程

表3试验合金化学成分（质量分数/%）

合金成分1#2#

CuMnMg

屈强比0.9480.936

0.50~0.9≤0.35≤0.300.300.40~0.7≤0.30≤0.10≤0.200.05~0.20≤0.05≤0.150.50~0.9≤0.35≤0.300.500.40~0.7≤0.30≤0.10≤0.200.05~0.20≤0.05≤0.152.3Mn含量对型材显微组织的影响

图4为铝挤压吸能盒显微组织。从图中可以看出，含0.3%Mn的1#型材横断面粗晶层较厚，晶粒较为粗大，最大晶粒直径尺寸可达0.986mm；而含0.5%Mn的2#型材横断面粗晶层极薄，晶粒细小，粗晶层厚度只有0.057mm。原因是随着Mn元素含量的增多，形成更多的MnAl6弥散质点阻碍再结晶形核及晶粒长大[14]。

2.5Mn含量对铝合金吸能盒吸能性能的影响

一般来说，峰值载荷反映了结构承载能力的极限，在压缩的过程中遵循载荷梯度变化，以便能够顺序变形，因此对每一个承载结构都有一定的限制。峰值载荷越大载荷越小，意味着当受到很小的力时，吸能盒便可以开始产生变形并吸收能量，以保证保险杠吸能系统的及时性；能量吸收越大，意味着发生碰撞时，吸能盒吸收的能量越多，以保证保险杠系统的有效性。产品在不同Mn含量下铝合金的最大载荷及吸收能量如表5所示。由表5可以看出，1#铝合金承受的最大载荷比2#铝合金高近5000N，但吸能效果比2#合金低，反映出2#合金的吸能效果较好。

表5不同Mn含量铝合金的吸能性能

合金成分1#2#

最大载荷/N121348116918

能量/J11295.711973.2

（a）0.3%Mn

2.6Mn含量对铝合金吸能盒压溃效果的影响

采用相同挤压工艺参数不同合金成分生产的铝挤压吸能盒经压溃后的产品表面形貌见图5。通过观察可知：采用1#合金生产的铝挤压吸能盒经压溃后，其试样在立筋处出现开裂且在褶皱处存在裂纹，而采用2#合金生产的产品几乎没有出现开裂，仅有橘皮出现，与表5数据吻合。

（b）0.5%Mn

图4不同Mn含量的铝挤压吸能盒显微组织

（a）0.3%Mn

2.4Mn含量对型材力学性能的影响

采用相同挤压工艺参数不同合金成分的铝挤压吸能盒力学性能值见表4。对比可知：1#合金成分铝挤压吸能盒力学性能值均低于2#合金成分的。原因为：2#合金中Mn含量较高，含Mn弥散相数量增多，抑制再结晶及晶粒长大的能力较强（图4的金相组织对比也证实了这点），细晶强化导致了2#合金强度和塑性的同步提高，且含Mn弥散相本身也有一定的强化作用。

（b）0.5%Mn

图5不同合金成分的压溃试样

·47·

3结论

（1）在线淬火方式影响型材力学性能与圧溃

跟踪和研究[R].天津：中国汽车技术研究中心，2008[6][7][8][9]

魏显坤，杨晶晶，米林.铝合金保险杠准静态压溃仿真与试验[J].重庆理工大学学报，2013，27（8）：14-17刘静安.大型工业铝合金型材的挤压生产工艺与关键技术[J].铝加工，2001（2）：1-6

刘静安.Al-Mg-Si系合金的热加工工艺与可挤压性[J].铝加工，2002（1）：1-4

MeiH，ChengL，ZhangL，etal.Thermalshockbehav-ioroftwo-dimensionalC/SiCcompositesincontrolledatmo-spheres[J].JournalofMaterialsScience，2005，40（16）：4261-4265

[10]YANGF，ZHANGX，HANJ，etal.Mechanicalproper-tiesofshortcarbonfiberreinforcedZrB2–SiCceramicma-trixcomposites[J].MaterialsLetters，2008，62（17）：2925-2927

[11]LODGAARDL，RYUMN.Precipitationofchromiumcon-tainingdispersoidsinAl-Mg-Sialloy[J].Materialsscienceandtechnology.2000，16（6）：599-604

[12]林树春.动车组高速列车用6005A铝合金车体型材挤压

工艺[J].轻合金加工技术，2012，40（3）：45-47[13]沈健，李彦利，朱鸣峰.在线淬火工艺对6005A合金挤

压型材组织与性能的影响[J].中国有色金属学报，2003，13（6）：142-147

[14]张新明，周志乐，唐建国，等.Cr元素对Al-Mg-Si-Cu

铝合金组织与性能的影响[J].材料工程，2013（12）：49-53

效果，随着冷却速率的增加，越能促进弥散相均匀细小地析出，从而提高了型材的断后延伸率和抗拉强度和屈服强度，在线穿水效果最好。

（2）Mn含量的增加可有效地改善吸能盒的力学性能和圧溃效果；当Mn含量较少时其试样在立筋处出现开裂且在褶皱处存在裂纹，随着含量的增加几乎没有出现开裂，仅有橘皮出现，圧溃性能较好。参考文献

[1]

EnglerO，HirschJ.TextureconteoalbythermomechanicalprocessingofAA6×××Al-Mg-Sisheetalloyforaotomo-tiveapplications-areview[J].Materialscienceandengi-neeringA，2002，336（1-2）：249-262[2][3]

张译中.国外汽车用非钢材料的开发及应用[J].汽车工艺与材料，2002（8）：22-26

KimKJ，WonST.Effectofstructuralvariablesonauto-motivebodybumperimpactbeam[J].InternationalJournalofAutomotiveTechnology，2008，9（6）：713-717[4]

米林，魏显坤，万鑫铭，等.铝合金保险杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重庆理工大学学报（自然科学），2012，26（6）：1-7[5]

周荣，孟岩，徐枭，等.汽车先进整车与总成开发技术

InfluenceofOn-lineQuenchingProcessandTraceElementson

EnergyAbsorptionBoxPerformanceof6008AluminumAlloy

XIEFang-liang，WANGRui，LIYan-jun，WANGShuang，HANQi-qiang

(LiaoningZhongwangGroupCo.,Ltd.,Liaoyang111003,China)

Abstract:Theeffectsofon-linequenchingmethodandtracealloyingelementMnonthemicrostructureandpropertiesof6008alumi-Abstract

numalloyenergyabsorbingboxwerestudiedinthispaper.Theresultsshowthatthestrengthoftheprofileincreasessignificantlywiththeincreaseofthequenchingcoolingrate,andtheelongationalsoincreases.Themainreasonfortheimprovementoftheme-chanicalpropertiesandcrushingeffectoftheprofilebywatercoolingisthatwater-coolingcaneffectivelyavoidthesupersaturatedsolidsolutiondesolvationduringthequenchingprocess,ensuringthesupersaturatedsolidsolubilityofMgandSielements.WhenthecontentofMnisincreasedfrom0.3%to0.5%,thegrainsizeisremarkablyreduced,andthemechanicalpropertiesandcrushingprop-ertiesareremarkablyimproved.

Keywords:6008aluminumalloy;traceelementMn;energyabsorptionperformance;onlinequenchingKeywords·48·

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