人工時效制度及停放時間對防撞梁用7003鋁合金性能的影響

吳 琪，李佳寧，劉 迪，孟 濤，恒桂英

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003）

0 前言

防撞梁作為汽車碰撞安全裝置中的重要組成部分，當車輛發生低速碰撞時，防撞梁可有效傳遞、緩和碰撞能量。防撞梁兩端后部的吸能盒等吸能部件可通過潰縮、變形等方式充分吸收碰撞能量[1-2]，緩和外界對車身的沖擊，對車體結構起到重要的保護作用，同時在碰撞事故中保護行人安全，降低事故率[3-4]。

Al-Zn-Mg（7 ××× 系）合金因其出色的強度、優良的焊接性及抗腐蝕性能，被廣泛用于軌道列車及航空航天等領域[5-6]。近年來7×××系鋁合金在交通運輸上的應用越來越多，用其制造的汽車部件具有強度高、質量輕、耐腐蝕及易維護等優點。其中7003 鋁合金已被用于車身安全結構部件的開發中，如蔚來ES8、ES6 車型的前后縱梁及吸能盒等部件材料就是采用的7003 鋁合金[7]。使用7003鋁合金代替傳統鋼材，達到了優異的整車剛度及碰撞安全性。

根據崔家銘[8]等對7003鋁合金在汽車防撞梁上的應用研究顯示：7003合金具有較強自然時效現象，隨著停放時間的延長，擠壓型材的力學強度逐漸升高。該特性對鋁合金防撞梁的生產加工帶來了一定難度。

現研究7003 鋁型材的人工時效、折彎加工等工藝，以取代以往產品中6061 鋁合金防撞梁產品，確保生產出品質、性能更佳的鋁合金汽車防撞梁產品。由于7×××系鋁合金型材具有較強的停放效應，在后續加工過程中不會產生彎曲性能差、加工易開裂等缺陷。在經過人工時效處理后，7003鋁合金型材力學性能應滿足：Rp0.2≥330 MPa，Rm≥370 MPa，A50mm≥8%。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗合金及要求

此次試驗采用汽車防撞橫梁用7003 鋁合金型材，該合金主要強化相為MgZn2和T（Al2Mg3Zn3），它們的強化效果大致相同。合金的耐應力腐蝕能力也與Zn、Mg 的質量分數總和有關，通過控制Zn、Mg 的含量，合金會有良好的耐應力腐蝕性能。所以將Zn 含量控制在5.5%～5.8%，Mg 含量控制在0.75%～0.82%。由于Si 能降低合金強度，并使彎曲性能下降，故嚴格控制Si含量。表1為試驗7003合金化學成分與國標合金成分。

表1 7003鋁合金化學成分（質量分數/%）

1.2 試驗型材的制備

試驗型材為汽車用7003 鋁合金防撞橫梁，防撞梁截面為中空方管，方管壁厚2.5 mm，其尺寸規格如圖1所示。該汽車防撞梁鋁型材為中等強度型材，擠壓時選用880 t 臥式擠壓機生產，米重為1.037 kg/m，鑄錠選用長度為480 mm的鑄棒，熔鑄后須經充分均質處理，無明顯偏析、表面無油污、裂紋等缺陷。其具體的擠壓工藝參數如表2所示。

圖1 型材斷面圖

表2 擠壓工藝參數

1.3 試驗方案及測試方法

為確保試驗數據的準確性，對上述擠壓型材進行5因素4水平（L16（45））正交試驗，確定預時效溫度、預時效時間、最終時效溫度、最終時效時間、停放時間為5個影響因素，分別對16個試樣的力學性能及折彎角度進行測試。采用極差分析法確定最優的時效制度及停放時間的影響，試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案

化學成分檢測試驗中，各元素實測值應滿足GB/T 3190《變形鋁及鋁合金化學成分》中7003成分要求。7003-T6 型材力學性能滿足：Rp0.2≥330 MPa，Rm≥370 MPa，A50mm≥8%，折彎滿足彎曲角度≥90°。

2 試驗結果分析

2.1 合金成分測定

測試設備采用ARL-3460直讀光譜儀，測試方法應符合GB/T 7999—2015《鋁及鋁合金光電直讀發射光譜分析方法》的要求。合金成分檢測結果如表4所示。

表4 7003合金成分檢測結果（質量分數/%）

2.2 力學性能、折彎角度結果及分析

試驗設備采用AG-X 100KN 電子萬能試驗機，力學拉伸試驗應符合GB/T 228.1《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》的要求，彎曲試驗應符合GB/T 232—2010《金屬材料彎曲試驗方法》的要求。7003 鋁型材在經過16 種不同人工時效制度處理及停放時間后，對所得試樣進行性能檢測，檢測結果如表5所示。

表5 7003鋁型材性能檢測結果

表5共計給出16組實驗數據，每組實驗數據共有3 個試驗試樣進行檢測，記錄檢測數據的平均值。根據正交試驗極差法原理，根據上表5所給試驗數據，以預時效溫度、預時效時間、最終時效溫度、最終時效時間、停放時間為基礎條件，對其相應屈服強度、抗拉強度、伸長率、折彎角度進行平均值計算，得到7003鋁型材性能檢測結果，如表6所示。

表6 7003鋁型材性能檢測結果處理

在正交試驗極差分析中，R（因素極差值）=Kavg（max）-Kavg（min），R值的大小反映了各因素對于試驗結果的影響程度大小，根據表6數據求取R值，如表7所示。

表7 各時效條件下R（因素極差值）對比

從表7中可知在特定時效條件下各因素對試驗結果的影響，在預時效溫度中，R（抗拉強度）＞R（屈服強度）＞R（伸長率）=R（折彎角度），即抗拉強度為該條件下的最優考慮選項。結合表6可知，預時效溫度為105 ℃，材料性能為最佳。在預時效時間中，R（抗拉強度） ＞R（屈服強度）＞R（折彎角度）＞R（伸長率），抗拉強度為該條件下的最優考慮選項。結合表6可知，預時效時間為8 h，材料性能為最佳。由此類推，在最終時效溫度為145 ℃、最終時效時間為12 h，材料性能為最佳。綜上可知，最佳時效制度為105 ℃×8 h+145 ℃×12 h。

觀察表6數據可知，隨著停放時間的增長，型材的彎曲性能有明顯減弱的趨勢，性能平緩。因此型材在完成淬火處理后應盡快加工，最遲不要超過96 h，以降低加工難度。

3 結論

（1）7003 合金具有較強的停放效應，隨著擠壓后型材停放時間延長力學強度逐漸升高。試驗表明，T4 狀態型材在擠壓完成后的一段時間內力學性能有升高趨勢，在停放96 h后性能增長減弱，性能趨于穩定。

（2）鋁型材擠壓完成后需盡快進行拉彎加工，最遲應在96 h之內完成，以減小停放效應的影響。

（3）7003 鋁型材T6 人工時效制度為105 ℃×8 h+145 ℃×12 h。采用雙級時效，可顯著提升鋁型材性能，經人工時效后的鋁型材，停放效應明顯降低，性能穩定，力學性能滿足Rp0.2≥330 MPa，Rm≥370 MPa，A50mm≥8%。