電池包用6061 鋁合金型材成分與擠壓成型性關(guān)系

高 爽， 崔家銘， 李洪林， 曲鳳嬌， 董 政， 李 健

（遼寧忠旺鋁合金精深加工有限公司，遼寧 遼陽 111003）

用于生產(chǎn)擠壓型材的鋁合金，80%以上屬于6 系鋁合金，即Al-Mg-Si 系鋁合金[1]。6061 鋁合金屬于典型的6 系A(chǔ)1-Mg-Si 系鋁合金，具有良好的中等強度[2]、塑性[3-4]、可焊性，可用于生產(chǎn)大型材料、對強度和腐蝕性能要求較高的結(jié)構(gòu)件、汽車車體結(jié)構(gòu)等[5-6]。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，全球汽車產(chǎn)量和保有量飛速增長，能源消耗和環(huán)境污染日益凸顯，節(jié)能減排、低碳環(huán)保已成為發(fā)展汽車工業(yè)的核心問題，在能源緊缺、污染嚴重的嚴峻形勢下[7]，鋁合金替代鋼用作機械零部件，成為交通工具輕量化、現(xiàn)代化的有效途徑[8-9]。隨著我國交通運輸業(yè)的發(fā)展，高速、輕型鋁合金列車、地鐵列車、輕型客貨汽車的應(yīng)用必將越來越廣[10]。

由于6061 鋁合金型材需求量越來越大，針對電池包型材壁厚不均、芯頭較多、多孔斷面等缺點，現(xiàn)有合金成分成型性差、生產(chǎn)效率低，而6005A 鋁合金的力學性能相對偏低，也難以滿足汽車結(jié)構(gòu)件對強度要求。

本文主要調(diào)整我司現(xiàn)有6061 鋁合金成分配比，通過分析鋁合金擠壓制品速度調(diào)整后型材內(nèi)筋成型開裂情況，來對比每種成分鋁合金成型性能的優(yōu)劣。將試驗合金進行熔鑄、擠壓、檢測等一系列工序?qū)Ρ闰炞C工作，找出在棒溫、速度相近的條件下，突破壓力小、擠壓速度快（可成型）、綜合力學性能更好的成分配比及擠壓生產(chǎn)工藝，提升6061 鋁合金的擠壓成型性，提高生產(chǎn)效率。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

本文主要調(diào)整我司現(xiàn)有6061 鋁合金成分配比，制備了6061-A、6061-B、6061-C、6005A 鋁合金等4 種成分的鋁合金，具體成分配比見表1。其中，6005A、6061-C 鋁合金為我司現(xiàn)有內(nèi)控成分，6061-A、6061-B 鋁合金屬于新合金成分配比。從成分配比上看，兩種新成分把Si 的質(zhì)量分數(shù)從原有的0.60%～0.65%提高到接近國標上限0.73%～0.80%；Mg 從質(zhì)量分數(shù)0.85%～1.00%降低到國標下限0.82%～0.90%，目的是提高過剩Si 的含量。6061-A 鋁合金中的細晶元素Mn+Cr 的含量約為6061-B 鋁合金的3 倍，約為6061-C 鋁合金的2 倍。

表1 試驗合金化學成分 （質(zhì)量分數(shù)/%）Tab.1 Chemical compositions of the aluminum alloys （mass fraction /%）

試驗鑄錠要求無明顯偏析、表面無油污、無裂紋等缺陷。圖1 為該試驗型材斷面，內(nèi)筋壁厚為2.5～3.0 mm，外壁厚3.0～4.0 mm，屬于雙排多腔體變壁厚結(jié)構(gòu)型材，模具結(jié)構(gòu)相對復雜，擠壓過程中對金屬在模具焊合室內(nèi)流動性要求較高，故可通過改變擠壓速度后型材內(nèi)筋成型狀態(tài)反映不同試驗合金成型性的優(yōu)劣。

圖1 試驗合金型材斷面Fig. 1 Profile section for test alloy

1.2 試驗方法

擠壓設(shè)備選用2 000 t 鋁合金擠壓機，鑄錠規(guī)格為Φ198 mm×630 mm，擠壓系數(shù)為26.2，共擠壓9 支鑄棒，擠壓順序為2 支6005A 鋁合金、2 支6061-A 鋁合金、2 支6061-B 鋁合金、3 支6061-C 鋁合金棒。該斷面6061 鋁合金擠壓后不能進行在線風冷，風冷無法滿足淬火強度要求，需較強淬火才能獲得較高的強度[11]，為保證合金時效后力學性能滿足GB/T6892—2015 的要求，擠壓淬火方式均選擇在線水冷。

2 擠壓生產(chǎn)及成型性

采取擠壓速度調(diào)整方法，通過分析不同合金型材內(nèi)筋成型開裂情況，對比金屬在模具型腔內(nèi)的流動性，同一速度條件下型材內(nèi)筋成型狀態(tài)越好，表明金屬流動性越好，反之流動性則越差。表2 為型材擠壓生產(chǎn)工藝及成型性。通過分析，本次試驗合金的擠壓成型性由優(yōu)至劣的順序為6005A 鋁合金＞6061-B 鋁 合 金＞6061-A 鋁 合 金＞6061-C 鋁合金。

表2 型材擠壓生產(chǎn)工藝及成型性Tab.2 Profile extrusion production process and formability

（1）6061-A、6061-B 鋁合金棒擠壓時突破壓力與6005A 鋁合金無明顯差別。 對比第2 根6005A 鋁合金和第5 根6061-B 鋁合金可知，在棒溫相同甚至6061-B 鋁合金速度略低的條件下，6005A 鋁合金擠壓的成形性明顯優(yōu)于6061-B 鋁合金的，可擠壓性6005A 鋁合金＞6061-B 鋁合金。

（2）對比第7 根6061-C 鋁合金與第6 根6061-B 鋁合金可知，在棒溫和擠壓速度都相同的條件下，6061-B 鋁合金的成形性優(yōu)于6061-C 鋁合金的，可擠壓性6061-B 鋁合金＞6061-C 鋁合金。

（3）在相同擠壓速度下，將第4 根6061-A 鋁合金和第9 根6061-C 鋁合金進行對比，可擠壓性6061-A 鋁合金＞6061-C 鋁合金。

（4）新成分對比方面，在擠壓速度相同的條件下，對比第3 根6061-A 鋁合金和第3 根6061-B 鋁合金，可擠壓性6061-B 鋁合金＞6061-A 鋁合金。

3 檢測結(jié)果及分析

3.1 力學性能測試

對擠壓后產(chǎn)品取200 mm 長度試樣，采用同一時 效 制 度（175±5）℃×8 h 對 時 效 后 試 樣 按 照GB/T228.1—2021 標準處理，采用電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗。表3 為試驗合金力學性能測試結(jié)果。從表3 中可以看出，時效后試驗合金整體抗拉強度由高到低排序為：6061-A 鋁合金＞6061-B 鋁合金＞6061-C 鋁合金＞6005A 鋁合金，6061-B 鋁合金出現(xiàn)伸長率偏低現(xiàn)象。

3.2 微觀組織觀察

試驗合金均在擠壓速度為4 m/min 的室溫條件下進行，取長度為50 mm 的試樣，按照GB/T3246.1—2012 處理后，使用蔡司顯微鏡對試樣的晶粒度等級進行評定，結(jié)果見圖2。從圖2 中可以看出，所有試樣均無晶界裂紋及過燒現(xiàn)象；6005A 鋁合金與6061-A 鋁合金的皮質(zhì)層與基體晶粒度并無明顯差別；6061-C 鋁合金皮質(zhì)層晶粒粗大，基體晶粒度均勻細??；6061-B 鋁合金由于細晶元素含量較低，皮質(zhì)層與基體晶粒度均較粗大。

圖2 試驗合金晶粒度等級Fig.2 Grain degree grade of the test alloys

3.3 分析與討論

（1）根據(jù)表3 力學性能檢測結(jié)果，擠壓在線水冷可滿足6005A 鋁合金、6061 鋁合金對冷卻強度的要求，不同擠壓速度下，力學性能均可滿足國標GB/T6892—2021 的要求，僅6061-B 鋁合金出現(xiàn)伸長率偏低的現(xiàn)象。對比擠壓速度為4m/min 的試驗合金，抗拉強度由高到低排序為6061-A 鋁合金＞6061-B 鋁合金＞6061-C 鋁合金＞6005A 鋁合金，而擠壓過程對比分析成型性由優(yōu)至劣的順序為6005A 鋁合金＞6061-B 鋁合金＞6061-A 鋁合金＞6061-C 鋁合金。因6061 鋁合金時效強化相為Mg2Si，6061-A、6061-B 鋁合金中的過剩Si 含量高于6061-C 鋁合金的。研究表明，過剩的Si 可以提高Mg2Si 相的強化效果，使其力學性能提高[12]，而6061-A 鋁合金含細晶元素多，晶粒均勻細小，導致在擠壓變形時變形抗力增大，故擠壓過程中金屬在模具內(nèi)流動性比6061-B 鋁合金的差，但由于6061-C 鋁合金中Mg 含量比6061-A、6061-B 鋁合金的稍高，所以強化相Mg2Si 稍多。過剩Si 含量少，擠壓時金屬流動性變差，故6061-A、6061-B 鋁合金的力學性能和成型性均優(yōu)于6061-C 鋁合金的；6061 鋁合金中Mg、Si 含量多，合金化程度比6005A 鋁合金的高，固溶處理后得到更多的過飽和固溶體，時效后強化相Mg2Si 析出較多，使得淬火時效后強化效果增加，故6061 鋁合金力學性能明顯高于6005A鋁合金的，合金化程度高必然導致擠壓過程中金屬流動性變差，因此，6061 鋁合金的成型性低于6005A 鋁合金的。

（2）微觀組織觀察結(jié)果表明，由于6061-A 鋁合金中含細晶元素較多，Mn、Cr 與Al 的作用非常強烈，形成穩(wěn)定性非常好的金屬間化合物（MnAl6，CrAl7），在凝固過程中可以作為異質(zhì)形核點來促進形核從而細化晶粒。此外，Cr 與其他溶質(zhì)元素如Fe、Mn 可形成尺寸細小的球狀化合物A112（CrMn）可提高再結(jié)晶溫度、抑制再結(jié)晶形核與長大、細化再結(jié)晶晶粒，提高材料強度[13]。6061-B 鋁合金中細晶元素Mn、Cr 含量低，鑄錠在均勻化過程中沒有足夠多的彌散相（MnAl6，CrAl7）析出來抑制晶粒長大，導致擠壓過程中發(fā)生再結(jié)晶，整體截面晶粒尺寸粗大，粗大的晶粒分布導致時效后力學拉伸試樣更容易斷裂，伸長率不合格，速度不同條件下延伸率僅為6%～7%。

（3）根據(jù)表3 力學性能檢測結(jié)果可以看出相同工藝條件下，6061 鋁合金不同成分配比均隨著擠壓速度增加，伸長率有增大趨勢。

4 結(jié) 論

（1）擠壓多排腔體變壁厚（例如：主壁厚2.5～4 mm，個別位置為5 mm 和8 mm）型材，本次試驗可得出擠壓成型性由優(yōu)至劣的順序為6005A 鋁合金＞6061-B 鋁合金＞6061-A 鋁合金＞6061-C 鋁合金，力學性能由高到低排序為6061-A 鋁合金＞6061-B 鋁合金＞6061-C 鋁合金＞6005A 鋁合金，綜合對比6061-A 鋁合金力學性能及成型性優(yōu)于現(xiàn)有6061-C 鋁合金內(nèi)控成分，故后續(xù)批量生產(chǎn)建議采用此成分進行量產(chǎn)。

（2）6061-B 鋁合金的可擠壓性及強度要優(yōu)于現(xiàn)有6061-C 鋁合金的，但由于Mn、Cr 含量低，擠壓過程中容易發(fā)生再結(jié)晶，高倍皮質(zhì)層及基體晶粒度較粗大導致伸長率較低，易造成伸長率無法滿足國標。