擠壓速度對Al-Mg-Si 合金壓潰性能的影響*

鄭長鑫，黃顯贊，黎龍全，廖 斌

（南南鋁業股份有限公司，廣西 南寧 530031）

0 引言

隨著我國社會經濟的快速增長，居民生活水平不斷提升。自2000 年以來，我國汽車保有量年平均增速為14.4%，2016 年以來汽車年銷量持續超過2 500萬輛[1]。與此同時，隨著全球氣候變暖問題日益嚴峻，新能源汽車的發展也逐步進入快車道，截至2022年6 月，我國新能源汽車保有量達1 001 萬輛[2]。汽車極大地推動了我國經濟增長，但也帶來了交通安全問題，根據世界衛生組織的數據，每天全球平均有3萬人死于車禍。在我國，2018 年到2021 年每年的交通事故都在24 萬起以上，死亡人數在6 萬以上，造成的直接財產損失在131 361 萬元以上，對人身安全和經濟財產造成了巨大的威脅，因此汽車在安全方面還具有一定的提升空間。

汽車保險杠總成可在碰撞時有效抵御外來侵入對駕乘人員的傷害，保險杠總成主要由防撞梁、吸能盒、連接板等組成，并通過螺栓連接到車身上，拆卸方便，利于維修。其中，鋁合金具備密度小、回收利用率高、吸能效果好、擠壓成型簡單高效等優勢，目前已廣泛應用于汽車保險杠總成[3-4]。而作為保險杠中重要的吸能部件，肩負著碰撞過程中吸收能量的重要作用，吸能盒的性能直接影響整個部件的性能。

目前，國內針對吸能盒也有一些研究，這些研究主要分為吸能盒結構、吸能盒化學成分及工藝對吸能效果的影響。其中，張德偉等[5]對比了不同吸能盒截面形狀、寬高比以及吸能盒材質對吸能盒耐撞效果的影響，結果表明雙十字型截面鋁合金吸能盒的最大壓潰力最大，吸能盒寬高比增加，其平均壓潰力逐漸下降，寬高比越接近1 吸能效果越好，隨著吸能盒材料強度的提升，其最大壓潰力、吸能逐步增加。成海飛等[6]采用HyperMesh 與LS-Dyna 數值模擬的方式研究了吸能盒結構對吸能效果的影響，結果表明不同肋板布置方式會影響吸能盒的結構強度，從而影響能量吸收。肖罡等[7]通過相似方法研究了吸能盒截面形狀對吸能效果的影響，結果表明正八邊形截面吸能盒結構設計對吸能盒壓潰比吸能最大。

周運等[8]通過構建吸能盒損傷本構模型，模擬了吸能盒材質對汽車吸能盒軸向壓縮特性的影響，結果表明鋁合金比鋼材質更適合作為中低速碰撞時車用吸能盒的材料。謝方亮等[9]研究了冷卻工藝及微量元素Mn 含量對吸能盒壓潰性能的影響，結果表明冷卻速率越快，越可有效避免淬火過程中過飽和固溶體脫溶，Mn含量越高，越可以明顯減小晶粒尺寸，提高合金力學性能和壓潰性能。張富亮等[10]研究了時效制度對鋁合金壓潰性能的影響，結果表明合適的時效制度有利于壓潰性能提升。然而，擠壓速度對鋁合金吸能效果的影響還未見有相關報告，而擠壓作為常見鋁合金吸能盒的加工方式，擠壓速度對制品最終性能有較大影響，本文以6063 鋁合金為試驗材料研究擠壓速度對合金性能及壓潰性能的影響，旨在為生產實踐提供數據支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗選用6063鋁合金薄壁型材（壁厚3 mm），其型材截面如圖1所示，型材為“日字型”，該型材結構為主流的吸能盒截面，其尺寸規格為100 mm×71 mm。

圖1 試驗用型材截面圖

1.2 試驗方法

試驗用6063 鋁合金鑄錠經熔煉、精煉、電磁攪拌及多級除氣后由流槽引入鑄造機，鑄造機采用油氣滑熱頂鑄造，以獲得高質量的擠壓用鑄錠，其合金成分如表1所示。

表1 6063鋁合金化學成分（質量分數%）

鑄錠經均勻化處理后不僅消除了鑄造時產生的晶間偏析，溶解了晶界上的金屬間化合物，改善了鑄錠內部組織，而且可消除鑄錠內應力，為擠壓型材組織性能奠定了物質基礎。本試驗采用均勻化處理制度，在550 ℃~570 ℃保溫4 h，出爐后強風冷至300℃后水冷至室溫。

擠壓機設備為1800T 擠壓機，擠壓系數為24.5，模具溫度為420 ℃~450 ℃，棒溫460 ℃~490 ℃，擠壓速度分別為3.0 mm/s、4.0 mm/s、5.0 mm/s，出料后采用在線噴水冷卻。擠壓后樣品轉運至時效爐，時效制度為170 ℃/8 h，出爐后空冷至室溫，時效后取樣分別進行壓潰、力學性能、電導率及微觀組織分析。

1.3 試驗表征

壓潰試驗在萬能試驗機上進行，原始試樣長度為150 mm，壓縮速度為100 mm/min，變形量為70%，壓縮完成后觀察型材表面裂紋情況，記錄壓潰數據并分析。力學性能參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》中規定制樣要求進行，拉伸試樣從鋁合金型材上切取，最后量取實際樣品尺寸后在萬能試驗機上進行拉伸。電導率樣品取面積大于20 mm×20 mm，試片于20 ℃房間放置2 h 后，采用校準后的Sigma 2008 B 型渦流電導率儀進行檢測并記錄數據。微觀組織樣品從正式樣品上切取，隨后經不同砂紙打磨且每次切換砂紙均需進行90°轉向，打磨至5 000#砂紙后置于濃度為10%的高氯酸酒精中進行電解拋光，電解拋光參數為：拋光電壓20 V，拋光時間10 s，拋光完成后立刻用清水沖洗拋光表面并用酒精吹干。隨后將拋光后樣品置于體積比為2.5%的氟硼酸水溶液中進行覆膜，覆膜電壓為15 V，覆膜時間為15 s，完成后用清水沖洗并風干。最后將拋光+覆膜后的樣品置于Axio Vert. A1倒置顯微鏡上觀察，選擇合適的觀察倍率進行觀察拍照。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能及電導率

不同擠壓速度下型材力學性能、電導率及布氏硬度變化如表2 所示。可以看出，隨擠壓速度增加，時效后型材屈服強度、抗拉強度和布氏硬度均呈現增加趨勢，而延伸率卻逐漸下降。與此同時，不同擠壓速度下型材電導率變化并不明顯。這是由于在擠壓熱變形過程中，隨變形量不斷增加，大部分塑性變形功轉化為熱能，這部分熱能稱為變形熱效應[11]。變形熱效應隨擠壓速度增加而增加，從而使得型材溫度升高，使得型材在擠壓模具出口時溫度較高，溫度越高，Mg、Si 元素擴散系數越高，使得Mg、Si 元素回溶至基體更多，在后續時效過程中更易析出β′′和β′相。從而使得型材力學性能提高。而電導率則受基體中固溶原子影響較大，經相同時效制度時效后，固溶原子均已大部分析出，所以電導率變化不明顯，從數據上看基本一致。

表2 不同擠壓速度下力學性能、電導率及布氏硬度變化

2.2 微觀組織

不同擠壓速度下型材微觀組織變化如圖2 所示，可以看出，型材表層存在明顯的再結晶晶粒，呈現類粗晶現象；隨著擠壓速度增加，型材邊部再結晶比例明顯增多，并且不斷向中心延伸；當擠壓速度為3.0 mm/s 時，型材心部幾乎沒有明顯再結晶；隨著擠壓速度增加，再結晶晶粒數量增加，且再結晶晶粒逐步向型材內部擴散；當擠壓速度為5.0 mm/s 時，再結晶晶粒數量最多，且心部再結晶晶粒已較為明顯。

圖2 不同擠壓速度下型材微觀組織變化

這是由于型材在擠壓成型時，擠壓用鑄錠表層金屬與模具和擠壓筒表層直接接觸，受擠壓模具和擠壓筒摩擦力的影響，表層產生較大的塑性變形，使得表層金屬再結晶儲能更高，在熱擠壓變形過程中更容易發生動態再結晶。所以不同擠壓速度下，再結晶晶粒呈現出沿表層向心部逐漸擴散的現象。

2.3 壓潰試驗

不同擠壓速度下，經70%變形后型材壓潰后圖片如圖3 所示。可以看出，不同擠壓速度下型材表層在T 形角處均出現裂紋，如圖3 中藍色方框所示。隨擠壓速度增加，型材邊部拐角處也逐漸出現裂紋，如圖3 中紅框所示，隨著擠壓速度增加，裂紋尺寸和數量均出現明顯上升趨勢。圖3（d）為不同擠壓速度下壓潰力-位移曲線，經計算，3.0 mm/s、4.0 mm/s和5.0 mm/s 擠壓速度下其吸收的能量分別為11.98 kJ、12.1 kJ 和13.2kJ。吸收的能量隨擠壓速度增加而增加，但差別并不明顯；結合型材開裂情況，擠壓速度為3 mm/s 時其壓潰性能最好。

如上文所述，隨著再結晶晶粒逐漸由邊部向心部擴散，再結晶程度逐漸增加，表層較大尺寸晶粒抵抗塑性變形能力較差，也即晶粒尺寸越大，變形協調能力越差，易產生應力集中，從而形成裂紋源[12]。而心部的變形態組織則能夠有效抵抗塑性變形，且增強型材均勻變形的能力，也即型材更容易出現均勻折疊而不產生裂紋。而吸收能量的差異主要源于快速擠壓產生過飽和度差別而引起型材時效后力學性能的差異，也即在壓潰過程中隨著壓縮逐漸進行，合金強度越高（與表2 中力學性能一致），其變形抗力越大，吸收能量（壓縮曲線與橫坐標面積）越大[5]。

3 結論

本文以6063 鋁合金擠壓型材為研究對象，重點研究了擠壓速度對Al-Mg-Si 吸能盒型材力學性能、布氏硬度、電導率、微觀組織和壓潰性能的影響，得到以下結論：

1）隨著擠壓速度增加，時效后鋁合金型材屈服強度、抗拉強度和硬度均逐漸增加，電導率無明顯變化，但延伸率下降。這主要是由于擠壓速度越快，金屬產生變形熱致使淬火后過飽和度有所區別，經時效后析出相有所差異而導致力學上呈現差異。

2）型材擠壓后均出現再結晶層，隨著擠壓速度增加，再結晶晶粒數量逐漸增加且逐步向型材內部擴散，這主要與變形金屬和模具間摩擦力相關。

3）壓潰性能與型材組織密切相關，再結晶程度越高，晶粒尺寸越大，壓潰時型材不易產生均勻變形，易產生應力集中，造成型材壓潰折疊時易出現裂紋。

4）壓潰試驗中吸能效果與合金力學性能密切相關，型材強度越高，其壓縮曲線與橫坐標所形成的面積越大，型材吸能效果越明顯。