新型超塑鋁合金及其在汽車中應用

王祝堂｜文

金屬的超塑性距今已發現74年，在汽車制造中應用也有約25年，但沒有獲得廣泛的應用，隨著新能源汽車的發展，節能減排要求的日益高漲，必須減輕汽車的整備質量，目前降低汽車整備質量的最佳措施就是提高車的鋁化率與降低零部件的制造成本和品質。海德魯鋁業公司研制的3種超塑性新鋁合金已在汽車零件制造中獲得實用，效果良好，它們是改型的5083、5654、7020合金，與原型合金相比，成分改變不大，但顯示出了優秀的超塑性，超塑成型零件的表面品質比沖制的好得多。

什么是超塑性？

通常認為，金屬和合金在一定條件，其流動應力的應變速率敏感性數m值大于0.3并具有超大伸長率（200%～3000%）的性能稱為超塑性。一定條件是指金屬材料的組織結構等內部條件和變形溫度、變形速度等外部條件。超塑性金屬材料的宏觀變形特點是大延伸、無縮頸、流動應力低及易成形。

金屬的超塑性現象是20世紀40年代中期1945年蘇聯科學家波契瓦爾發現的，他在單向拉伸Zn-Al共析合金時獲得了很高的伸長率，隨即把這種現象稱為“超塑性”。1962年美國科學家安德伍德（Underwood）對超塑性作了系統論述，并從合金學角度分析了獲得超塑性的可能性與條件，引起了人們的興趣和重視。1964年美國材料學者巴科芬（Backofen）等發表了Zn-22%Al共析合金的超塑性及其力學特性的研究，提出了具有重要意義的超塑性流動應力的應變速率敏感性指數m值及其測量方法，并指出高超塑性是由于高m值的作用，從此以后各國的大專院校和科研院所掀起了有色金屬合金超塑性研究熱潮。

超塑性的種類

按照獲得超塑性的條件，超塑性可分為兩種：細晶粒超塑性和相變超塑性。

細晶粒超塑性是材料具有微細等軸晶粒（＜10μm、晶粒軸比＜1.4）組織及在一定的溫度區間（0.5Tm-0.9Tm，Tm為材料熔點的絕對溫度）和一定應變速率范圍內（10-4/s-10-1/s）呈現的超塑性，也叫組織超塑性或恒溫超塑性或靜態超塑性。這種超塑性已獲得商業化應用。但應注意，這種超塑性的最終拉斷伸長率的大小還取決于該組織在超塑拉伸溫度下的穩定性和對形成孔洞的敏感性，也就是說，如果起始組織是細小晶粒，但其熱穩定性差即晶粒發生粗化，或對孔洞很敏感時，仍不具有良好的超塑性。鋁合金幾乎無這種超塑性，多見于鋼鐵、鈦合金及銅合金。

除這兩種超塑性外，其他的超塑性少之又少，也沒有工業化價值。

哪些鋁合金有超塑性？

1978年發現5N（99.999%）單晶鋁有超塑性，鋁的純度越高超塑性也越好。純鋁的超塑性與一般的細晶粒超塑性材料的組織狀態有所不同，高純鋁超塑變形前后都是單晶，晶粒越大，伸長率也越大，工業純鋁也是較大晶粒組織的比細小晶粒的伸長率大。

經過40來年的研究開發，已發現Al-Ca系、Al-Ca-Zn系、Al-Cu系、Al-Cu-Zr系、Al-Cu-Mg-Zr系、Al-Cu-Mg系、Al-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg-（Zr）系、Al-Zn-Mg-Cu系、Al-Li系、Al-Si系、Al-Ni系合金都顯示有或大或小的超塑性，也就是說絕大多數變形鋁合金都有超塑性，只是大小不同而已。

Al-Cu-Mg系即2×××系與Al-Zn-Mg-Cu系的7×××合金都已用超塑性成型法制造航空航天器零部件，取得了很好的實用效果。

2024合金是一種歷史悠久的航空器高強度合金，在第二次世界大戰中立下了特殊豐功偉績，美國制造的13500多架飛機的高強度結構件都是此合金的產品，直到當今仍然寶刀不老，2024型合金仍是航空航天器結構合金之一。2024合金T4板材在430℃～480℃都能顯示130%～200%的伸長率，如果需要更高的伸長率，可進行如下的處理：一是熱軋厚板在470℃～490℃固溶處理，過時效處理，溫軋或冷軋，350℃～400℃退火0.5h；熱形變處理或特殊處理。

圖1 7×××系合金超塑性處理示意圖

7075及7475等合金也有良好的超塑性，7075合金成型于1944年，還沒有在飛機上大顯身手，第二次世界大戰就結束了，7075合金是當今航空航天器主要高強度結構零部件的頂梁柱材料。板材經形變處理后（圖1）可獲得1500%～2300%的特大伸長率。處理工藝：固溶處理，480℃～500℃，2h～8h，水淬；過時效處理，（300～400）℃/（2～8）h，水冷；溫軋，（220～230）℃，（5～10）道次，變形率＞85%；再結晶處理，（480～500）℃/（0.25～0.5）h，水冷。

經這種變形處理后，材料的平均晶粒為7μm-15μm，而且在超塑變形溫度下相當穩定，晶粒長大緩慢，超塑性良好。

海德魯鋁業公司的新型超塑鋁合金

新能源汽車的高速發展要求鋁工業提供更輕更強的鋁合金，以降低車的整備質量（Curb weight），節約更多的能源，減少溫室氣體排放。汽車的一些零件是用薄鋼板沖壓的，當然也可以用薄鋁板沖壓或超塑成型，但沖壓產品的表面品質不盡人意，成品率也較低，在與鋼板的較量中沒有顯示出應有的優勢，用現有的超塑鋁合金成型，雖然產品表面品質有明顯改善，但速度慢，制造成本仍較高，市場競爭力還不強。若能提高超塑成型速度，這個問題就迎刃而解了，海德魯鋁業公司的3種新型超塑合金就是在這種形勢下應運而生的。它們并不是什么全新的成分迥異合金，只是對成分做了些變動，就產生了意想不到的效果。

在這3種新合金中有2種5×××系合金（5083、5456）和一種7×××系合金。據稱它們有較高的伸長率，又有一定的強度性能，超塑成型時間被縮短。是海德魯鋁業公司、原車設備制造廠（OEM）與Tire 1供應商三方歷時2年的研究成果，能完全滿足汽車原車設備制造廠的要求，可在原有的生產線上生產。

5456合金是一種美國合金，1968年在美國鋁業協會公司注冊，是一種較純的鋁合金，Si+Fe的含量小于0.45%，其他成分（質量，%）：Cu0.05，Mn0.01，Mg3.1～3.9，Cr0.15～0.35，Zn0.30，Ti0.05～0.15，其他單個雜質元素不超過0.05、合計不超過0.15，其余為Al。5083也是一種美國合金，是一種古老的合金，問世于20世紀20年代，它的成分（質量，%）：Si0.4，Fe0.4，Cu0.10，Mn0.40～1.0，Mg4.0～4.9，Cr0.05～0.25，Zn0.25，Ti0.15，其他單個雜質不超過0.05、合計不超過0.15，其余為Al。7020合金是歐洲鋁業協會（EAA）研制的，1972年在美國鋁業協會公司注冊，它的成分（質量，%）：Si0.35，Fe0.40，Cu0.20，Mn0.05～0.50，Mg1.0～1.4，Cr0.10～0.35，Zn4.0～5.0，Zr0.08～0.20，（Zr+Ti）0.08～0.25，其他單個雜質不超過0.05、合計不超過0.15，其余Al。海德魯鋁業公司的新合金的成分尚未見媒體報道。

零件的超塑成型在原車設備廠完成，但由海德魯鋁業公司提供詳細的工藝參數，并派工程師到現場指導。在未正式投產前，汽車廠對零件的超塑性進行模擬試驗，將試驗結果發給海德魯鋁業公司，經修改后再投入生產，取得了預期效果，制出了大且薄的汽車零件。

5083合金本來就有超塑性成型能力，經改進后的超塑成型能力又有了較大的提高，5083的屈服強度為150N/mm2-180N/mm2，新一代合金的屈服強度僅略有上升。5456合金的情況也如此，超塑成型速度卻提高不少，制一個大且復雜的零件只需幾分鐘，與沖壓一個工件相當，工件品質有所提高，深受汽車廠歡迎。即使成型速度稍慢點兒，但可以生產更復雜些零件，甚至尖端工件。

圖2 大陸汽車公司用7020合金薄板超塑成型的GT車覆蓋件

圖3 超塑成型工藝示意圖

研制新7020合金的理念完全不同于5×××系超塑合金，成型工藝有較大差異：速度較慢，首先把薄板預熱到工作溫度，然后在模內慢慢成型，成型后進行熱處理，使其屈服強度上升到300N/mm2，盡管工藝復雜，但是照樣可以生產形狀較為復雜的先進工件，把材料預熱、超熱成型、退火等工藝在一條流水生產上一氣呵成，生產周期并不長。

目前這3種新型超塑鋁合金都已在汽車原設備制造廠獲得應用，效果不錯，特別是7020合金由于它的力學性能高，可將板的厚度進一步減薄至1.2mm，對節能減排極為有利。德國大陸汽車公司（Continental AG）以7020合金超塑工藝制造高性能轎車（GT,grand touring car）覆蓋件受到廣泛稱贊（圖2）。這種高級轎車為鋼、鋁、復合材料結構，覆蓋件為鋁合金板超塑成型，還用了鋁合金鑄件與擠壓型材，復合材料鑄件與鋼件也有一些，行李箱蓋（Trunk lid）用復合材料制造。制造廠認為，沒有超塑成型法，本特利車（美國一種高性能豪華轎車）的高端覆蓋件是無法生產的，只有此法才能生產表面品質特優的工件。大陸汽車為了完善超塑成型工藝花了50000工時，與全鋼結構車相比，混合材料車的質量下降了85kg，即下降了約20%。同時車的使用期限延長了，抗撞擊性、剛性、安全性也得到全面提升。

超塑成型工藝

當鋁薄板例如5083合金板是由大變形率冷軋的話，再把它加熱到450℃～520℃，就具有超塑性。鋁合金在冷軋時，由于變形量大，形成了破碎的晶格歪扭和位錯堆積的顯微組織，材料的強度上升，深加工成型甚困難。然而大變形后的冷軋鋁板雖然很脆，不能再繼續冷加工了，但若把它加熱到一定溫度并保溫一定時間（退火）就會形成晶粒尺寸≤10μm的極為微細的顯微組織，使材料變軟，強度和硬度下降，冷變形越大，這種變化越快越厲害。晶粒變得像一盤濕砂，稍施點力就會發生大大的變形，我們就可以說它進入了超塑性狀態（圖3）。

把這種熱的板材置入模內，吹入高壓壓縮空氣，板材發生超塑性變形，成為與模型一模一樣的工件，制成的工件既不會發生反彈又沒有殘余應力，工件的壁厚均勻，可制造復雜形狀的零件，同時有高端的表面品質，而傳統的沖壓法不能制出如此漂的工件。

超塑成型法已在汽車工業應用了26年，也在公共汽車與鐵路車廂制造中得到應用，在少量生產的汽車，例如摩根汽車公司（Morgan）和英國阿斯頓.馬丁汽車公司（Aston Martin）在生產某些汽車工件也采用了超塑成型工藝，有些工件甚至是手工打造的。在過去20多年，汽車工件的超塑成型工藝是一種昂貴的制造法，制造周期長，打造一個工件往往需要30多分鐘。因此汽車原設備制造廠特別青睞沖壓工藝，沖制一個工件只要幾秒鐘。現在可不一樣了，一來有了新的超塑性鋁合金，超塑成型一個尖端復雜工件只要一分鐘左右，且工件表面品質優秀，所以為越來越多的汽車制造廠及零配件廠采用。

結語

鋁合金汽車零件在超塑性成型工藝在中國還是一塊全缺的短板，尚未見到哪個廠采用此法生產零部件的報道，中國是一個汽車產銷大國，也是一個新能源汽車產銷大國，分別占全世界總量的52%以上，溫室氣體的單位排放量也居世界第一，這種局面必須盡快改觀，一般的出路就是多用鋁材大幅度降低的整備質量，希望本文介紹的超塑成型工藝及其新型鋁合金對推廣鋁材在汽車中的應用有所幫助。