Al-Mg合金汽車材深沖開裂問題的工藝研究

2014-04-16 06:01:36杜新偉

鋁加工 2014年2期

杜新偉

（乳源東陽光精箔有限公司，廣東韶關 512700）

0 前言

Al-Mg合金、Al-Mn合金屬于熱處理不可強化合金，以其強度適中、成型性好的優勢廣泛應用于汽車行業。隨著國家十二五戰略規劃的逐漸實施，節能減排的綠色環保汽車在行業比重中逐漸提升，節能的最有效方式就是減重，鋁合金零件取代鋼材零件的技術革新日趨成熟，尤其是Al-Mg合金，因其合金強度更高，綜合性能更好，在汽車隔熱板、車門材料、車體材料上廣泛應用。汽車零件大部分都需要沖壓，因此沖壓性能好壞至關重要。除了本身的材料性能，適宜的加工工藝對于沖壓性能也存在較大影響。實際生產中曾發生5052合金（Al-Mg合金）汽車材沖壓開裂的現象（見圖1），經過試驗研究，發現其主要原因是材料發生晶粒異常長大，相對正常晶粒，其平均晶粒尺寸增大6倍左右，同時各晶粒之間尺寸差異較大，導致沖壓過程中變形嚴重不均勻而開裂（見圖2）。經過分析材料發生晶粒異常的原因在于其加工工藝出現問題，臨界加工率狀態下進行完全再結晶導致。加工率指的是材料再結晶退火之后經過軋制后減薄厚度與原始厚度的比值，臨界加工率指的是鋁材的一個加工率臨界點或者較窄區間，鋁材經過等于或者小于此加工率加工后進行再結晶退火，材料性能、組織會發生明顯異變，并且隨著退火溫度的上升，異變程度逐漸增加。經過試驗驗證和金相分析可以得知，純鋁系、Al-Mn系、Al-Mg系合金均存在這一加工率。

圖1 沖壓開裂樣品實物圖

圖2 沖壓開裂樣品金相圖

1 試驗方案

1.1 試驗材料

采用半連續鑄軋生產的5052合金合金方錠，成分為表1中成分要求，鋸切為規格450×1180×5300mm鑄錠，成品規格0.5×1160mm×C。生產工藝流程為：熔煉-鑄造-銑邊-鋸切-銑面-均熱-熱軋-冷軋（①中退厚度0.65mm；②中退厚度0.75mm；③中退厚度0.90mm；④中退厚度1.0mm）-重卷（切邊+清洗）-中間退火-冷軋-取樣。

表1 5052合金各元素(質量分數/%)

1.2 試驗方案

熱軋坯料厚度6.5mm，冷卻后轉冷軋軋制。不同狀態卷材工藝：熱軋坯料根據試驗要求，預留不同加工率，即6.5mm熱軋坯料經過冷軋軋制5～7個道次至厚度分別為0.65mm（23.1%預留）、0.75mm（33.3%預留）、0.9 mm（44.4%預留）和1.0 mm（50%預留）。上述各厚度坯料經過清洗之后，進行完全再結晶退火，退火工藝：350℃×2h。退火后，再由四重不可逆冷軋機統一軋制至成品厚度0.5mm。將不同加工率的帶材樣板進行完全再結晶退火試驗，退火溫度選擇350oC、450℃兩個溫度點，退火采用箱式空氣退火爐，100℃以下進爐，隨爐0.5h升溫，到達工藝溫度后保溫4h。

對退火后樣板進行力學性能檢測與金相組織檢測。力學性能采用拉伸試驗機進行，金相組織采用陽極覆膜的方式，覆膜液配比：H3PO438%，H2SO443%, H2O 19%。

2 試驗結果與分析

2.1 加工率與退火溫度對5052合金完全再結晶組織和性能影響

厚度為6.5mm的熱軋板由四重不可逆冷軋機軋制成0.65～1.0mm不同厚度中間道次卷材，經過350℃×2h中間退火，再次軋制至成品厚度為0.5mm卷材，分別取樣后進行小爐退火，退火工藝350℃×4h，450℃×4h，其性能指標見表2、表3。從表2發現，樣品在經過23.1%加工率變形后進行350℃×4h退火后，其抗拉強度性能相對正常O態5052合金性能下降8～10MPa，延伸率下降2～3MPa，樣品在經過33.3%、44.4%、50%加工率變形后進行350℃×4h退火后，其性能指標與正常料保持一致，強度指標、延伸率指標穩定。升高退火溫度至450℃后，23.1%加工率樣品強度繼續降低6MPa，延伸率進一步降2%。其他加工率樣品抗拉強度與延伸率指標基本保持與正常性能一致。

從圖3發現，23.1%加工率樣品經過350℃×4h退火后晶粒尺寸發生明顯增大，相對于正常晶粒，平均晶粒尺寸增大約5倍。同時各晶粒之間尺寸存在差異，部分晶粒尺寸較大，部分較小，但整體增長明顯。從圖4發現，經過450℃×4h退火后23.1%加工率樣品晶粒尺寸繼續增大，基本增大到正常尺寸的10倍。從圖5至圖10發現，其他加工率的樣品在350℃×4h和450℃×4h退火后晶粒尺寸未發生明顯變化。

2.2 臨界加工率現象分析

從上述實驗可以發現，Al-Mg合金（包含其他金屬材料）在某一加工率冷變現后，在隨后的再結晶退火中出現晶粒粗大，使得材料的塑性與強度大幅度降低，給后續加工帶來困難。而高于這一加工率，材料進行再結晶退火時，晶粒尺寸與力學性能基本不產生變化，這一加工率一般稱為臨界加工率。臨界加工率下材料晶粒變大的常用解釋為以下兩種：（1）臨界加工率下，材料經過的軋制道次少，晶粒破碎不明顯，再結晶晶核偏少，從而導致后續的再結晶過程中晶粒持續長大而出現大晶粒[1]；（2）臨界加工率下，材料再結晶晶粒相對高加工率晶粒生長迅速，導致晶粒度變大[2]。

350℃×4h退火過程中，溫度相對較低，晶粒生長屬于擇優生長，故出現晶粒尺寸普遍增大，但尺寸不一的狀況；隨著退火溫度升高，350℃×4h退火過程中，晶粒發生持續長大，則大晶粒會逐漸吞并小晶粒，造成全部都是大尺寸晶粒的現象。

對于這一問題的深層次原因，也有一種觀點認為，金屬發生臨界變形時，變形以晶間變形為主，變形過程中，材料的晶粒之間發生轉動，晶粒位相發生變化，晶粒之間的位相差發生變化，有的變小，甚至趨于零，有的變大。位相差為零后，位相完全相同，再結晶退火時，晶界消失，兩晶粒合并，成為粗大晶粒。位相差很小時候，呈現粗大亞晶結構。位相差變大時，晶界與晶粒內部的應力隨之增大，結晶動力增大。再結晶退火時，原有的晶格被破壞，產生出新的晶粒。

臨界加工率之下，材料在結晶退火會發生明顯的晶粒長大、塑性降低現象，故會在沖壓過程中發生開裂現象。不同合金的臨界加工率會有所不同，實際生產中應該避免在臨界加工率范圍加工沖壓產品。