汽车防撞梁用7003铝合金成分优化及停放稳定性研究.pdf

0引言随着汽车轻量化的发展以及汽车用铝合金型材高强度需求，近年来7系合金在车辆上的应用越来越多。7003合金属于Al-Zn-Mg系，它具有较高的强度、良好的焊接性及优良的抗腐蚀性能，在车辆、建筑、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都有广泛应用1-3。一直以来人们对7系铝合金的固溶处理、时效特征及常规力学性能等进行了大量研究，并取得了很多重要成果4-5。例如胡权5等人对7003铝合金时效温度和时间对其组织与力学性能影响进行研究，结果发现：随着时效温度的提高，铝合金强度达到峰值的时间缩短，并且两个峰值之间的时间间隔也缩短，时效温度为120 时，铝合金的第二峰值强度高于第一峰值强度；时效温度高于120 时，铝合金的第一峰值强度高于第二峰值强度。汽车在进行模拟碰撞试验过程中，防撞横梁则需要较大的强度来抵抗变形，对于防撞系统强度设计要求较高的汽车用铝型材，选用7系合金更为牢固可靠。现有7003合金成分及挤压控制参数型材产品T6时效后不能很好的满足7003-T6力学性能要求，Rp0.2350 MPa，Rm390 MPa，A5012%。同时由于型材金相组织要求高，加上7系合金挤压型材具有较强自然时效现象，后续深加工均需要在未时效状态下进行。然而，未进行时效的型材随着停放时间延长会导致其力学强度逐渐增加，而加工时间不固定则会导致弯曲角度稳定性差、产品变形较大处易开裂等缺陷，影响型材产品加工品质。1试验材料及方法1.1 试验型材及要求试验型材为汽车用7003铝合金防撞横梁，型材全截面位置壁厚45.5 mm，结构相对简单，挤压模具为双孔型材组合模具。采用卧式4 000 t铝合金挤压机，挤压系数为51。淬火方式采用在线水雾冷却。上机铸锭要求熔铸后充分均质处理，无明显偏析、表面无油污、裂纹等缺陷，图1为此次试验断面。挤压型材产品 T6 力学性能需满足 7003-T6，Rp0.2350 MPa，Rm390 MPa，A5012%，型材金相组织单边粗晶层厚度小于整个壁厚的5%，且为保汽车防撞梁用7003铝合金成分优化及停放稳定性研究崔家铭，汪文进，张峰，贾占涛，高明哲（明达铝业科技（太仓）有限公司，太仓 215412）摘要：通过对7003合金挤压型材进行化学成分优化，即调整Mg、Zn比例，添加少量Cu，提高其力学性能，同时合金中添加少量Zr元素来细化晶粒、改善组织结构；通过对优化后的型材进行160 30 min预时效处理，可减缓7系合金自然时效下力学强度快速爬升现象，使材料力学性能处于低强度相对稳定状态。型材采用单级时效145 7 h延长升温段时间，最终机械性能满足要求。关键词：7003合金成分；金相；T6力学性能；自然时效中图分类号：TG146.21，TG379文献标识码：A文章编号：1005-4898（2023）04-0031-04doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2023.04.07作者简介：崔家铭（1989-），男，辽宁营口人，工程师，主要从事铝合金挤压型材实验研究与产品开发。收稿日期：2023-03-202023年第4期总第273期铝加工工艺技术 31崔家铭，等：汽车防撞梁用7003铝合金成分优化及停放稳定性研究工艺技术证型材后续变形加工，挤压后产品需要较稳定的T4加工力学性能。图1型材断面图1.2 原材料成分调整由于现有7003合金无法满足客户所需力学性能及金相组织要求，故在7003合金国标成分范围内调整Mg、Cu、Zr含量，试验过程Zn元素保持不变，成分1、成分2、成分3添加少量Zr元素，而成分4、成分5未添加Zr元素（成分1、成分3对比Cu含量为唯一变量，成分2、成分3对比Mg含量为唯一变量，成分1、成分4和成分2、成分5对比Zr元素为唯一变量），试验成分严格限定杂质元素Fe和Si的含量，7003合金国标及试验成分见下表1所示。表1化学成分（质量分数/%）合金7003国标成分1成分2成分3成分4成分5Si0.30.120.120.120.120.12Fe0.350.200.200.200.200.20Cu0.20.140.200.050.050.140.200.05Mn0.30.050.050.050.050.05Mg0.51.00.800.950.700.800.800.950.800.950.700.80Cr0.20.050.050.050.050.05Zn5.06.55.56.05.56.05.56.05.56.05.56.0Zr0.050.450.120.200.120.200.120.200.100.10单个0.050.050.050.050.050.05合计0.150.150.150.150.150.151.3 试验设备及方法化学成分检测试验方法按GB/T 7999铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法进行试验，试验设备为德国SPECTRO直读光谱仪，各元素实测值满足GB/T 3190变形铝及铝合金化学成分内7003成分要求。力学拉伸试验根据试验方法GB/T 228.1，试验设备为美国 MTS 电子万能试验机，力学性能满足7003-T6：Rp0.2350 MPa，Rm390 MPa，A5012%。金相试验方法按GB/T 3246.1，试验设备为尼康金相显微镜；金相试验步骤：采用阳极覆膜放大倍数100X，型材横向切割取样抛光截面表面，15 mlHBF4（48%）+600 ml H2O+3 min，电压20 V，清水冲洗+快速吹干；金相合格判定：允许单边粗晶层厚度小于整个壁厚的5%。2试验结果分析2.1 力学性能结果及分析为保证时效后力学性能，增加升温段时间，采用T6时效制度：升温6 h，145 7 h；5种不同成分对应力学性能结果见表2。表2不同成分产品力学性能成分12345Rp0.2/MPa367325358352319Rm/MPa409374396389370A50/%16.617.217.813.514.4在相同挤压工艺及时效制度条件下，试验成分1、成分3、成分4力学性能明显高于成分2、成分5，可见决定7003合金力学性能的关键在于Mg元素含量。试验成分1力学性能高于成分3，故添加少量Cu也会增加该合金力学强度。该合金在一定成分范围内提高Cu、Mg含量可提高挤压型材时效后力学强度；对比试验成分1、成分4和成分2、成分5发现，Zr元素添加对该合金力学强度影响较小，但添加Zr会明显提高型材断后延伸率（A50提高约3%）。2.2 金相检测结果及分析金相取样均为壁厚中间相同位置取样，避开边角等易产生再结晶处，取样型材壁厚为5.5 mm。5种不同成分沿壁厚方向横向金相结果见图2。从成分1、成分2、成分3金相结果可以看出，该合金型材沿整个壁厚方向，外壁呈现再结晶晶粒组织结构（粗晶层），基体呈现纤维状晶粒组织结构，单侧粗晶层厚度61.6101.5 m，单侧粗晶层厚度小于壁厚的2%（取样位置壁厚为5.5 mm），可见铝锭原料成分添加少量Zr元素可改善挤压型材组织状态，结果符合客户对金相组织的要求。从成分4和成分5金相结果可以看出，该合金 32型材沿整个壁厚方向的再结晶层均较厚，成分5单侧粗晶层厚度285.8564.4 m，单侧粗晶层厚度大于整个壁厚5%（取样位置壁厚为5.5 mm）。尤其成分4，仅部分区域沿壁厚中部位置有少量纤维组织存在。可见原料成分未添加Zr等细化晶粒的元素时，挤压型材晶粒组织不均匀，大部分呈现再结晶状态，这也是导致成分4、成分5型材断后延伸率低于成分1、成分2、成分3的重要原因。2.3试验成分选择7003合金中的强化相为相（MgZn2）和T相（Al2Mg3Zn3），他们有大致相同的强化效果。当两个相共存时，强化效果会更好7。相微观组织结构为六方晶格结构，T相微观组织结构为立方晶格结构。试验成分 1、成分 3、成分 4：Zn/Mg 约为6.4；试验成分2、成分5：Zn/Mg 约为7.7。当Zn含量不变时，随Mg含量的增加，合金中逐渐出现T 相。试验成分 2、成分 5 强化相主要为 和，为部分晶格的过渡相；试验成分1、成分3、成分4出现相和T相共存，两相共存会增强其时效强化效果，实际力学性能结果也表明了该现象。试验成分1、成分4在Al-Zn-Mg系合金中加入少量 Cu，主要强化仍然是析出序列，但还可能出现S相（Al2CuMg）析出序列，该相出现也会增加沉淀强化效果。合金配比中不添加Mn和Cr元素，添加少量Zr元素可细化晶粒、改善组织结构提高材料综合性能，保证合金低淬火敏感性特点，同时添加少量Zr元素可提高焊接性能。通过分析不同成分产品的力学性能及金相结果表明：成分1综合性能优于其余4种试验成分，且试验成分1屈服强度和抗拉强度相比传统6系合金提升100 MPa以上，断后伸长率相比传统6系合金提升6%以上，时效后力学性能远远超过GB/T 6892力学性能要求，且可满足客户力学性能及金相组织高质量要求，故选成分1进行后续机械性能停放稳定性测试。3型材停放稳定性测试3.1 型材停放力学性能涨幅结果在成分1铝锭挤压后型材相邻位置连续取样，试片编号1-1、1-3、1-5、1-7未进行预时效，试2023年第4期总第273期铝加工工艺技术（a）成分1（b）成分2（c）成分3（d）成分4（e）成分5图2型材金相检测结果 33片编号 1-2、1-4、1-6、1-8 采用低温短时预时效。预时效制度：160 30 min。挤压后力学强度增长趋势与未进行预时效处理产品对比如表3所示。成分1经过T4预时效+T6时效，不同停放时间型材力学性能平均值见表4。表3型材停放力学性能检测结果汇总7003材料状态T4涨幅（预时效）T4涨幅（未预时效）测试信息试片编号1-21-41-61-81-11-31-51-7停放时间/d2510202102063机械性能实测值Rp0.2/MPa191197201208189223240260Rm/MPa286291297304320361384398A50/%19.519.118.218.517.318.117.818.3表4型材T4（预时效）+T6力学性能结果Rp0.2/MPa370Rm/MPa412A50/%17.13.2 数据结果分析型材停放测试数据表明：经过预时效处理的型材产品力学性能相对稳定，且预时效后对抗拉强度有一定的降低作用（降低约30 MPa），屈服强度及抗拉强度涨幅相对较小（涨幅均小于20 MPa）；而没有经过预时效处理的型材产品，屈服强度及抗拉强度涨幅较大（屈服强度涨幅大于50 MPa，抗拉强度涨幅大于60 MPa）。随着停放时间继续延长，力学强度仍会小幅上涨，而断后伸长率则表现出比较稳定状态，对比预时效和未预时效型材断后伸长率可看出，经过预时效的型材断后伸长率平均高约1%。由于7系挤压铝型材的自然时效现象，加上型材产品弯曲加工前停放时间不固定，导致力学强度偏差较大。加工前停放时间越长型材力学强度越高，产品变硬导致拉弯过程不稳定，而经过预时效处理后的产品可有效解决该问题的产生。预时效处理优点：经过预时效后产品力学性能处于低强度稳定状态，相对稳定的低强度力学性能状态不仅使成型加工更加容易，提高产品加工稳定性，同时可提高产品加工尺寸精度、减少回弹量、提高表面质量等，且型材经过 T4（预时效）再进行 T6 时效（升温6 h，145 7 h）仍可满足力学性能要求，对实际生产具有重大意义。4结论（1）7003合金在试验成分范围内Zn含量保持不变，增加Cu、Mg含量可提高挤压型材时效后力学性能，合金内添加少量Zr元素可细化晶粒、减少型材粗晶层厚度、改善组织结构提高材料综合性能，最终挤压型材产品单边粗晶层厚度小于壁厚的2%，满足客户对金相组织质量要求。（2）7003合金具有较强自然时效现象，随着挤压后型材停放时间延长力学强度逐渐升高。本试验表明，对挤压型材采用160 30 min预时效制度处理后，型材屈服强度几乎未改变，抗拉强度小幅度下降，随着停放时间延长型材力学性能表现出低强度相对稳定状态，故可在型材挤压后采用低温短时预处理以保证型材后续加工过程力学性能的稳定。（3）7003 合 金 T6 时 效 制 度：升 温 6 h，145 7 h，采用单级时效，延长升温段时间可显著提高型材力学性能，与传统双级时效同样具备提高力学强度的效果，最终型材产品经过T4预时效+T6时效处理后力学性能并未降低，满足Rp0.2350MPa，Rm390 MPa，A5012%。参考文献1罗兵辉，柏振海.高性能铝合金的研究进展J.兵器材料科学工程，2002，25（3）：59-62.2林高用，彭大暑，魏圣明，等.强化固溶处理对7075铝合金组织的影响J.金属热处理，2002，27（11）：30-33.3刘卫红，陈康华，刘允中.强化固溶处理对7075铝合金组织的影响J.金属热处理，2002，25（9）：17-18.4杨健.振动时效技术在铝合金箱形焊接构件中的应用J.四川兵工学报，2010，（10）：85-88.5胡权，鲁炎卿，周楠，王顺成.时效工艺对7003铝合金组织与性能影响J.有色金属加工，2018，47（2）：9-12.6王祝堂.变形铝合金热处理工艺M.长沙：中南大学出版社，2011：271-272.（下转第38页）崔家铭，等：汽车防撞梁用7003铝合金成分优化及停放稳定性研究工艺技术 34图4显微组织3.4 超声波探伤锻管最终粗加工后探伤，满足GJB1580中A级要求。4结论自由锻成型7050锻管，须对原材料、成型过程、热处理各工序严格控制，掌握好各工序控制要点，才能稳定控制锻件的性能，提高产品的一致性。经实际产品验证，产品性能合格、稳定，达到了目标。参考文献1王祝堂，等.变形铝合金热处理工艺M.长沙：中南大学出版社，2011：289-290.2吕炎.锻造工艺学M.北京：机械工业出版社，1995：10-143冉凡青，鄢勇，等.7050铝合金的铸态组织及均匀化工艺研究J.Hot Working Technology，2017，46（10）：208-209.4阙基容，俞巍巍.铝合金筒体锻件芯轴拔长工艺及生产特点J.铝加工，2003，152：19-21.5李伟华，董选普，等.铝合金热模锻润滑机理研究与应用J.锻压技术，2010（6）：128-130.6AMS 2772，Heat Treatment of Aluminum Alloy Raw Mate-rials S.Forming and performance control technology of 7050 alloy largeforged pipeWang Xueqiang,Cong Zhenyu,Ding Jie,Zhu Yijie,Li Xiaofei(Shandong Nanshan Aluminum Co.,Ltd.,Yantai 265700,China)Abstract:From the angle of forging forming and heat treatment,the forming and performance control technology of 7050 aluminumalloy large-scale forged pipe was put forward.The technology has been perfected and optimized in the production process,and thekey technology formed can ensure the qualified and stable performance of mass produced forged pipe.Key words:7050 aluminum alloy;forged pipe;free forging;heat treatment50mStudy on composition optimization and parking stability of 7003aluminum alloy for automobile anti-collision beamCui Jiaming,Wang Wenjin,Zhang Feng,Jia Zhantao,Gao Mingzhe(Min Ta Aluminum Technology(Taicang)Co.,Ltd.,Taicang 215412,China)Abstract:The chemical composition of extruded 7003 alloy was optimized,that is,the ratio of Mg and Zn was adjusted,a smallamount of Cu was added to improve its mechanical properties,and a small amount of Zr was added to the alloy to refine the grain andimprove the structure.By pre-aging the optimized profiles for 16030min,the mechanical strength of 7 series alloy can beslowed down under natural aging,and the mechanical properties of the materials are in a relatively stable state of low strength.The profile adopts single-stage aging 1457h,extending the heating period,and the final mechanical properties meet the requirements.Key words:7003 alloy composition;microstructure;T6;mechanical properties;natural aging（上接第34页）王雪强，等：7050合金大型锻管成型及性能控制技术工艺技术 38