新能源汽車電池托盤用高性能6061鋁合金型材生產工藝探討

李飛慶

（江陰東華鋁材科技有限公司，江陰214421）

0 前言

為了降低汽車自重、增加汽車續航里程、有效節能減排，越來越多的汽車制造企業將6061 鋁合金作為一種理想的輕量化材料應用于汽車零部件制造中。特別是近年來采用6061 鋁合金作為新能源汽車托盤材料呈現出主流趨勢，其主要原因在于6061 鋁合金具有良好的力學性能、優異的焊接性能、較高的比強度等特點。我公司與某合作客戶根據某車企的某款新能源車設計的續航里程要求，經過部件的輕量化設計計算和模擬，在材料性能方面提出了比GB/T 6892 要求更高的力學性能指標：抗拉強度≥300 MPa，屈服強度≥260 MPa，伸長率≥10%。常規的6061生產工藝生產的產品性能已不能滿足客戶需求，因此我公司將高性能新能源汽車電池托盤的關鍵技術研發列為重點研發項目，并進行立項攻關。

本文探討了不同成分和擠壓工藝條件下新能源汽車電池托盤用6061 鋁合金鋁型材的力學性能和顯微組織，通過優化，得出了能滿足客戶要求的生產工藝，以期為鋁加工同行提供參考。

1 材料及試驗方案

1.1 材料

采用半連續鑄造法生產規格為φ203 mm的兩種不同化學成分6061鑄棒?；瘜W成分見表1，分別記為1#（低Mn、Cr成分）和2# （高Mn、Cr成分）。

表1 6061鋁合金的化學成分（質量分數/%）

1.2 試驗方案

所有鑄棒均采用570 ℃/12 h 高溫均勻化處理，采取水噴淋冷卻到150 ℃以下，然后出爐空冷。鑄棒采取快速加熱（短棒爐加熱）后，在2 500 MN擠壓機上進行擠壓，各試樣采用的擠壓參數見表2。表2 中的編號A、B、C是為了標記三種不同的擠壓工藝，其中低溫高速慢冷工藝標記為A、高溫低速慢冷標記為B、高溫低速快冷標記為C。1#A表示1#化學成分棒采用A類擠壓工藝，其它依次類推。進行1#A 和2#A、1#B 和2#B、1#C 和2#C三組試驗，目的是在相同的擠壓工藝下，探討不同的化學成分下型材的性能和組織情況； 而1#A、1#B、1#C則是在相同的化學成分下，探討三種不同擠壓工藝下型材的性能和組織；2#A、2#B、2#C也是這種情況。擠壓完成后產品的時效工藝為：175 ℃/8 h。

表2 擠壓工藝參數表

所有試樣在切完工藝廢料后的產品頭部相同長度處取樣，采用金相顯微鏡進行觀察。顯微鏡型號為倒置型ZEISS Axio vert.A1，使用Z100 萬能電子拉伸機進行拉伸測試。

2 實驗結果

2.1 鑄棒組織形貌

如圖1所示，剛鑄造出來的6061鋁合金鑄棒存在著嚴重的枝晶偏析。但在均勻化處理過程中，溶質原子發生擴散，組織成分趨于均衡，可使得后續擠壓產品組織均勻，而且均勻化處理可溶解大尺寸Mg2Si非平衡凝固相。同時β-AlFeSi轉變為α-Al-FeSi 顆粒[1]，減少材料中因大尺寸第二相應力集中萌生的裂紋源頭，提高材料力學性能，改善材料表面質量狀況。

圖1 6061均勻化前的顯微組織

均勻化組織形貌如圖2所示。從圖2（a）中可以看出，合金中大部分非平衡結晶相溶入了鋁基體中，部分第二相聚集、球化，較多第二相呈片狀分布；而圖2（b）為添加了較多Mn、Cr的2#鋁棒均勻化組織形貌。從中可以看出第二相體積分數變大，同時第二相形態球化更明顯，部分第二相形態呈鏈狀分布，晶粒大小方面2#樣品比1#樣品的細小。

圖2 6061鋁棒均勻化后的顯微組織（570 ℃/12 h）

2.2 型材力學性能

拉伸測試結果見表3。由表3 可以看出，采用的六組工藝中，有四組試樣力學性能未符合客戶提出的性能要求，其中1#A試樣（低Mn、Cr成分+低溫高速慢冷）力學性能三項指標都未能達標；1#B試樣（低Mn、Cr成分+高溫低速慢冷）抗拉強度和屈服強度達到客戶要求，但試樣的伸長率與客戶要求還有不少的差距；1#C試樣（低Mn、Cr成分+高溫低速快冷）在強度和伸長方面都有提升，但是伸長率未能達標。由此可見，1#化學成分生產的型材性能主要問題在于伸長率性能較差。改進成分的2#A試樣（高Mn、Cr成分+低溫高速慢冷）抗拉強度和屈服強度未能達到客戶要求，但伸長率比客戶要求的還高出21%；2#B 試樣和2#C 試樣的力學性能三項指標都達到客戶的要求，但是2#B試樣的抗拉強度和屈服強度只比客戶要求高1～8 MPa，批量生產時工藝條件稍有波動將會導致部分產品報廢；而2#C試樣的各項力學性能相對于客戶要求均有余量。在相同的工藝條件下，抗拉強度方面2#樣品和1#樣品相差不大，屈服強度方面2#樣品比1#樣品差，伸長率方面2#樣品比1#樣品要好；而在相同化學成分條件下，高溫低速快冷樣品的力學性能表現最好。另外，添加了較多Mn、Cr 的2#試樣的產品普遍表面質量比1#的要差，在快速擠壓時甚至在尾部表面出現小裂紋。

表3 6061鋁合金電池托盤型材的力學性能表

2.3 型材顯微組織

圖3 為部分試樣的顯微組織照片。從圖3（a）與圖3（c）的對比和圖3（b）與圖3（d）的對比可以看出：在化學成分一致的情況下，采取高溫低速慢冷和高溫低速快冷擠壓工藝條件，試樣的晶粒組織基本無變化；從圖3（a）與圖3（b）的對比和圖3（c）與圖3（d）對比可以看出：1#化學成分的樣品晶粒度指數為3 級，整體晶粒尺寸較大，形狀上接近等軸晶狀態；2#化學成分的樣品晶粒度指數約為7級，晶粒組織都很小，晶粒形狀為拉長狀晶粒。出現這種晶粒主要是在于2#化學成分中Mn和Cr元素的含量較高。

圖3 6061合金各工藝下的顯微組織

3 分析與討論

3.1 化學成分的影響

（1）Mg、Si 對 組織及力學性能的影響。Mg和Si在合金中形成的Mg2Si 是6061合金中主要的強化相[2]。本研究中兩種合金成分中的Mg和Si比例在1.51～1.53 之間，小于Mg 和Si 形成Mg2Si 所需要的Mg/Si 比為1.73。但合金中的Fe、Mn 能優先于Mg與Si 形成AlMn（Fe）Si 相，必須由過剩Si 來補充這部分Si 的損失。為了保證合金中的Mg 與Si 成分匹配，Si 在合金中一般處于過剩狀態。本研究中兩種合金成分中的Mg和Si含量較高，按Mg元素全部轉化為Mg2Si 來計算，Mg2Si 含量達到1.7%，Mg2Si含量都處于較高的水平，因而熱處理后力學性較高。另外Si含量也會通過影響在線風冷淬火效果來影響力學性能[3]。

（2）Mn、Cr 對組織及力學性能的影響。Mn在合金中有多種作用，比如促進均勻化過程中的β-AlFeSi 轉變為α-AlFeSi，但最為主要的作用是阻止Si在晶界成核，防止金屬脆性斷裂，并且能在擠壓和熱處理階段阻止晶粒長大和粗化。但當Mn元素添加量大于0.1%時，擠壓力增加，降低鋁棒的可擠壓性，增加淬火敏感性。

Cr 可抑制Mg2Si 相在晶界析出，延緩再結晶發生。李煒煒[4]等人指出Cr 含量增多，Al（MnCr）Si粒子增多，這些粒子釘扎晶界，強烈阻礙再結晶的發生。

本試驗中2#化學成分試樣同時添加了0.14%Mn和0.12%Cr，改變了晶粒組織，提升了力學性能中的伸長率指標，在相同擠壓工藝情況下，抗拉強度和屈服強度相差不大。但與此同時，表面質量比1#化學成分試樣變得更差。

3.2 擠壓溫度和速度對組織及力學性能的影響

為了提升擠壓生產效率，生產廠家傾向于采取低溫高速的工藝進行生產。本次工藝試驗中，低溫高速方案下的抗拉強度和屈服強度均未能達到客戶的要求，而高溫低速方案的力學性能則更高。原因在于擠壓溫度越高，則更多的Mg、Si 溶入基體中，為后續Mg2Si析出提供更多的Mg、Si元素。但擠壓溫度高，擠壓的成形性能變差，擠壓速度過快則引起表面質量下降，甚至出現小裂紋。因此在高擠壓溫度情況下，只能降低擠壓速度。

3.3 冷卻方式對組織及力學性能的影響

在快速冷卻的情況下（比如水冷），Mg、Si 元素被凍結在固溶體當中，而緩慢的冷卻過程中（比如風冷）就會有粗大的Mg2Si 第二相析出，降低基體中Mg、Si 含量。本試驗中采用風冷的冷卻速率為3 ℃/s（使用手持測溫儀測量產品通過淬火系統前后的溫差以及時間測算），而水冷方式的冷卻速率為7℃/s（使用手持測溫儀測量產品通過淬火系統前后的溫差以及時間測算）。冷卻速率越快則固溶在鋁基體的Mg、Si 越多，為后續時效提供更多的Mg、Si元素，從而提升力學性能。

4 結論

采用添加適量Mn、Cr 化學成分、棒溫490～510 ℃、擠壓速度5 m/min、水霧冷卻的生產工藝可生產出抗拉強度312 MPa、屈服強度273 MPa、伸長率12.8%、符合客戶要求的新能源汽車電池托盤用鋁合金型材。