長懸臂鋁合金型材開發及應用

孫永彬

(廣東興發鋁業(河南)有限公司，河南 焦作 454591)

輕量化材料的應用是交通運輸輕量化的重要途徑之一，鋁合金材料具有質量輕、強度高、可焊性好、耐腐蝕、成本低等優點，是目前發展交通運輸輕量化的理想材料。汽車往往承擔運輸、載重等特殊功能或任務，車體較重，具有較多的燃油消耗和尾氣排放；同時，隨著國家超限超載等法律法規的嚴格實施，運輸企業運輸成本大幅提高，因此，汽車減重已經成為不可逆的趨勢。我國鋁合金汽車車體輕量化還處于起步階段，目前只是在油箱，踏板，車輪，護欄等零部件有所應用，汽車制造商正在增加鋁合金在汽車制造中的使用比例，通過輕量化提升燃油經濟性，減少油耗，實現節能減排；而梁是汽車車體主要結構件，并且性能要求較高，因此，對汽車用橫梁鋁型材進行探索和開發具有重要意義。

1 材料選擇

橫梁鋁型材作為專用汽車的主要支撐件，呈L型(如圖1所示)，其既要承擔部分載重載荷，又要承擔橫向載荷或橫向疲勞載荷，對構件的強度和韌性均要求較高，試驗采用6061鋁合金一次近終成型，為提高合金強度，在設計合金成分配方時，適當增加Cu合金元素和Cr元素含量，同時，盡量減少Fe元素含量。試驗設計的合金化學成分如表1。

表1 6061鋁合金化學成分

配置型材合金時，采用純度為99.85%的鋁錠配置；型材擠壓完成后，進行T6熱處理，以提高型材的綜合力學性能。為觀察橫梁型材的組織，分別在L型試樣的長臂和短臂處取樣，取樣后型材制作成標準試樣進行拉伸試驗。T6熱處理后的合金試樣鋸切、打磨、拋光后，采用混合酸腐蝕，觀察試樣金相組織。

圖1 專用汽車橫梁型材示意圖

2 縱梁鋁型材試驗設備選擇

鋁合金合金熔煉采用20T矩形熔鋁爐，鑄造采用同水平熱頂鑄造機，鑄造直徑320 mm鋁合金棒；采用35T均質爐對鋁合金棒進行均質熱處理，確保均質處理后組織均勻，析出相細小。型材擠壓采用5000T大型擠壓級擠壓，擠壓過程中采用熱電偶測量鋁棒進入擠壓機溫度和型材出口溫度。擠壓完成后在時效爐內進行人工時效處理

3 橫梁鋁型材工藝控制要點及組織性能

(1)合金熔煉時，除氣一定要徹底，一方面要通過除氣設備除掉熔體內氣體，另一方面要控制熔體溫度，防止熔體溫度較高卷入氣體并造成晶粒粗大，通常情況下，熔體保溫溫度應不超過720℃較好。

(2)鋁棒鑄造時采用低過熱度鑄造，晶粒細化的鋁鈦硼絲嚴格控制鈦硼元素比例，試驗表明，當流槽內溫度700℃，鋁鈦硼絲中鈦和硼含量分別為5%～5.2%、0.8%～1%時，制造的鋁棒晶粒較小且均勻，鋁棒表層偏析最薄。

(3)型材擠壓前，鋁棒加熱均勻，在鋁棒加熱爐加熱完成后，要送入感應加熱爐加熱，以減少鋁棒徑向溫差，徑向溫差過大，容易造成橫梁型材長臂和短壁性能出現較大偏差，表面缺陷較多，送入擠壓機前，鋁棒徑向溫差應小于10℃，為使擠壓時鋁型材質量穩定，應對鋁棒進行及時測溫，采用紅外測溫儀測量鋁棒溫度，根據低溫高速原則，適時調整擠壓速度，確保型材模具出口溫度恒定，試驗表明，當型材出口溫度500～510℃時，型材擠出后綜合性能較好。

(4)型材擠出后淬火是橫梁鋁型材合格的關鍵，一方面，冷卻不均勻容易造成型材的變形，另一方面，冷卻強度不夠影響型材力學性能，試驗采用水霧共冷的方法冷卻，同時增大L角處的冷卻強度，減小長臂處的冷卻強度，綜合冷卻強度要達到240～260℃/min。

(5)型材擠出后要及時進行預變形和時效處理，預變形量量控制在4%～8%之間。預處理后應在4 h內進行人工時效處理，人工時效采用雙級時效，人工時效時，爐內溫度應均勻一致。通過上述工藝關鍵點控制及相關參數匹配，獲得的型材性能和組織如表2。

表2 鋁合金橫梁型材力學性能

(a)橫梁型材長臂部位組織 (100X) (b)橫梁型材短臂部位組織(100X)

圖2 鋁合金橫梁型材時效后的組織(T6)

由表2和圖2可以看出，通過工藝關鍵點的控制，橫梁型材強度和塑性均較好，特別是型材長臂部位，由于冷卻強度及均勻性好，其性能和組織均由于短臂部位，短臂部位由于與棚架接觸并且距型材轉角處近，溫度下降速度小于長臂部位，導致性能略低，但能滿足使用要求，后續繼續對型材冷卻方式和冷卻能力進行改進，以獲得性能更高，更均勻的型材。

4 結語

長懸臂汽車鋁合金橫梁型材的生產是各工藝參數和生產條件相互匹配的結果，參數不匹配會造成產品不合格，因此，通過控制生產工藝要點，同時匹配好相關參數，方能控制好長懸臂鋁型材的質量和成材率。