車身鋁合金型材組織及力學性能對比分析研究

馬龍飛，董劉穎，劉兆偉，李秋梅，周丹桐

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003）

0 前言

近年來，安全、環保和節能是當今汽車制造業發展的重要方向，汽車輕量化對減輕車身重量、減少耗油量和減排至關重要[1]。在汽車工業發達國家，18%的鋁材用于汽車制造，并以每年20%~30%的速率增長，而我國鋁合金在汽車領域中的應用與發達國家相比還有較大的差距，汽車車身鋁合金的研究與生產在我國汽車行業的發展中顯得十分迫切[2]。汽車用鋁合金主要集中于Al-Cu-Mg 系、Al-Mg 系、Al-Mg-Si 系等，而 Al-Mg-Si 系鋁合金是汽車車身輕量化的首選材料。主要因為Al-Mg-Si系鋁合金是典型的可熱處理強化合金，具有較高的強度、優良的擠壓性能、對應力腐蝕不敏感、良好的焊接性能及加工性能等。本文選取Al-Mg-Si系中的6082、6005A、6061、6063鋁合金為研究材料，對比分析了這4種常用汽車車身鋁合金的主要相組成、析出溫度、顯微組織及力學性能的影響規律，為汽車車身鋁合金的研究提供一定的理論基礎。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用Al-Mg-Si系汽車車身的4種常用鋁合金，分別為6082、6005A、6061、6063 合金。其化學成分如表1 所示，對應試驗編號依次為1#、2#、3#、4#。鑄錠經560 ℃×8 h均勻化處理后進行擠壓，擠壓主要工藝為鑄錠加熱溫度465~495 ℃，擠壓速度4.0~4.5 m/min，淬火前溫度≥485 ℃，水罐淬火。擠壓出的型材形狀為“口”字型方管，方管型材尺寸為100 mm×100 mm×3 mm。試樣選取方管相同對應中心位置，經過T6處理，選用Keller腐蝕液 （1%HF、1.5%HCl、2.5%HNO3、95%H2O，體積分數）腐蝕后觀察顯微組織并在相應位置進行維氏硬度和抗拉試驗測試。在凝固過程熱力學計算中，采用Scheil-Gulliver 模型理論數值計算并對比分析這4種不同合金的主要相組成及析出溫度。

表1 試驗鋁合金的化學成分（質量分數/%）

2 試驗結果與討論

2.1 鑄錠相組成及析出溫度分析

圖1為不同合金鑄錠主要相組成與析出溫度的關系。從圖中可以看出，在理想狀態下，6082、6005A、6061、6063 這4 種合金的主要相組成有：α-Al、Mg2Si、Al5Cu2Mg8Si6、Al13Cr4Si4等，部分合金含有單質Si、Al7Cu2Mg、AlFeSi 相等。另外，由于它們的化學成分不同，其主要相的析出量差異較大。結合表2 不同鋁合金相分布，其中在25℃時，Mg2Si 強化相含量依次按6082、6005A、6061、6063 合金順序分別為0.85%、0.57%、1.29%、0.76%，開始析出溫度依次為532.1 ℃、529.9 ℃、543.5 ℃、519.5 ℃。6061 合金的 Mg2Si 強化相含量及開始析出溫度均較高，主要原因可能是因為含Mg 和Cu 元素較多，除了形成Mg2Si 外，部分形成Al5Cu2Mg8Si6、Al13Cr4Si4，未出現游離Si 單質相；而6082 合金中Si 元素過剩較多，存在大量的游離單質Si相；另外，6005A和6063合金中也存在較少的游離單質Si相。

圖1 不同合金鑄錠主要相組成及析出溫度

表2 不同鋁合金相分布

2.2 顯微組織對比分析

Al-Mg-Si合金的主要強化相為Mg2Si。Al-Mg-Si合金沉淀相的對應析出序列主要為：過飽和固溶體（SSS）→團簇→GP 區→亞穩β''相→亞穩β'相→穩定 β 相[3]。圖 2 為 4 種不同 Al-Mg-Si 合金經過 T6 處理后的金相顯微組織。從圖中可以看出，6082 合金組織及析出相較為均勻、細小，無較大的析出相存在，而其它的6005A、6061 和6063 合金均出現較大的析出相，且較為離散和粗大。這其中的原因可能與合金析出相的種類、析出含量和形狀有關。由析出相晶體幾何分析可知，T6 狀態的Al-Mg-Si合金析出相主要以針狀相為主[4]。另外從元素上看，6082 合金存在大量的過剩游離Si 相和強化相Mg2Si，并且析出相的含量也是最多的。有研究表明，以6082 合金為例，沿擠壓方向有大量拉長的纖維狀組織，合金中有擠壓所形成的大量位錯及位錯纏結，這些位錯的存在為時效處理過程中強化粒子的析出提供了更多有利的形核質點[5]。同時，發現初生Mg2Si 粒子會隨固溶處理過程中的固溶進入合金基體，為時效析出細小、彌散的強化相粒子做了準備[6]。

圖2 不同Al-Mg-Si合金經過T6處理后的金相顯微組織

2.3 力學性能對比分析

圖3示出了為這4種不同Al-Mg-Si合金經過T6處理后的維氏硬度。從圖中可以看出，6082、6005A、6061 和6063 合金的維氏硬度值分別為103.67 HV、 79.51 HV、 93.27 HV 和 76.20 HV，6082 合金的維氏硬度最大，6063 合金的維氏硬度最小。圖4為4種合金經過T6處理后的常溫力學拉伸試驗結果。從圖中可以看出，經T6 處理后，6082 合金（1#）的力學性能較好，其維氏硬度值為103.67 HV，屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為269 MPa、298 MPa、13.24%。從鋁合金的強韌化機理分析來看，時效強度主要受晶粒細化、固溶強化以及第二相沉淀彌散強化的影響[6]。而6082鋁合金鑄錠的強度主要受制于合金元素的固溶強化以及第二相的沉淀彌散強化共同作用，彌散強化與第二相的形態、大小、數量和分布有關，當第二相呈細小均勻等軸狀分布時，強化效果較好。

圖3 合金硬度對比

圖4 合金力學性能對比

3 結論

（1） 對比 6082、6005A、6061、6063 這 4 種車身合金，發現其主要相由α-Al、Mg2Si、Al5Cu2Mg8Si6、Al13Cr4Si4組成，部分合金含有單質Si、Al7Cu2Mg、AlFeSi相等。

（2）室溫下的6082、6005A、6061 及6063 合金中Mg2Si 強化相的含量和開始析出溫度分別為0.85% 、 0.57% 、 1.29% 、 0.76% 和 532.1 ℃ 、529.9 ℃、543.5 ℃、519.5 ℃。

（3）通過T6處理對比，在這4種Al-Mg-Si合金中6082 合金的組織和力學性能較好，維氏硬度值為103.67 HV，屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為269 MPa、298 MPa和13.24%。