一種新型6×××系汽車車身板均熱加熱分離方案的工藝研究

陳志強

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

近年來，能源的缺乏和環境污染已經成為影響汽車行業持續發展的重要因素。各汽車生產廠商也從各個方面做出改進以提高競爭能力，如：汽車輕量化、優化傳動系統技術、進行空氣動力學的研究等等。其中，汽車輕量化是提高燃油經濟性以及降低排放的有效手段。有數據表明[1]：汽車自重每降低100 kg，油耗就可以減少0.7 L/km。與汽車用鋼鐵材料相比，鋁合金具有密度小、比強度和比剛度較高、彈性好、抗沖擊性能好和相當高的再回收率、再生率等一系列優良特征，因此受到了人們的普遍關注。可熱處理強化的6×××系鋁合金由于其優良的綜合力學性能、沖壓成形性能以及抗腐蝕性能，是目前汽車輕量化的理想材料。

目前北美使用強度較高的AA6111鋁合金以及耐蝕性、烘烤硬化性較好的AA6022鋁合金，而歐洲使用成形性和耐蝕性優良的AA6016鋁合金。美國Novelis公司基于6016合金，大幅降低了合金中的Si含量，適當提高Cu、Fe元素含量，并微量調整了其它合金元素的含量，開發了具有極好的翻邊性能和成形性能的AA6014鋁合金[2]。而此次工業化試制的新型6×××系鋁合金T4P態板材具有較低的屈服強度，烘烤后合金表現出優越的烤漆硬化性，屈服強度的增量達130 MPa。

汽車用6×××系鋁合金板帶材熱軋前一般都采用均熱加熱一體化的工藝方式。但這種處理工藝存在費工費時的缺點，不利組織生產。現針對生產的批量性和各生產廠商的設備以及生產模式的不同等各種因素影響，我們開發出一種均熱、加熱分離的生產工藝。該處理方案可以有效解決生產時長時間占用鑄錠加熱爐而導致其它產品難以組爐的問題，不僅有助于小批量生產，更便于生產組織和安排。

1 工藝方案

1.1 工藝流程

汽車車身用6×××系T4P鋁合金板材的常用生產工藝主要為：配料→熔煉→精煉→添加晶粒細化劑→鑄造→鋸切→銑面→均熱加熱一體化→熱軋→冷軋→中間退火→冷軋→成品熱處理（預時效）→剪切。

1.2 機理分析

Mg、Si是6×××系鋁合金中最主要的合金元素，它們可構成強化相Mg2Si，其Mg/Si比為1.73∶1。該合金主要通過時效過程中析出的Mg2Si的亞穩相β″相產生強化作用，采用特定的熱處理工藝通過調控亞穩相的種類、尺寸、形貌和分布來有效控制合金的性能。平衡態合金中隨著Mg2Si含量的增加，時效時β″相密度增大且分布更加均勻，使得合金的強度增加[3]。

鑄造凝固過程中，在合金晶界處會形成粗大的初生共晶組織，造成嚴重的枝晶偏析和成分偏析。非平衡凝固會產生不均勻的成分偏析和非平衡凝固組織效應，從而導致性能不均勻、塑性差、變形抗力大及耐蝕性差。均勻化是將鑄錠加熱到接近固相線或共晶溫度，長時間保溫后冷卻到室溫，使可溶解的相完全或接近完全溶解，從而形成過飽和固溶體以及少量彌散析出的細小質點。均勻化過程中的固態轉變主要是原子的高溫擴散，同時伴隨第二相的粗化、溶解與析出和晶粒長大等，使組織趨于平衡[6]。

而鑄錠均熱處理（均勻化）可消除鑄造過程中不平衡凝固導致的枝晶偏析和非平衡相，最終使鑄態合金具有較好的化學均一性和組織均一性[4]。同時有研究表明[5]：6×××系鋁合金均熱后快速冷卻能夠有效抑制Mg2Si的析出。并且冷卻的初始溫度越高，抑制效果越好。

6×××系合金鑄錠從550℃冷卻至各溫度時的導電率變化見圖1。

從電導率變化可以推測：析出行為主要發生在200℃以上；200℃以下析出量很少，難以檢測到導電率的變化。

因此，為避免鑄錠在均熱后冷卻過程中Mg2Si相的析出較多，盡可能將組織保持在均熱后的狀態下，故鑄錠均熱后冷卻到200℃的冷卻時間至關重要。

1.3 試驗方案

試驗所用材料是以高純鋁、電解銅、硅石、鎂錠等合金作為原料，采用半連續鑄造法澆鑄而成。取兩塊規格為510 mm×2 000 mm×2 500 mm的鑄錠，將其切頭銑面。試驗所用鑄錠的化學成分見表1。

表1 試驗材料化學成分（質量分數/%）

兩塊鑄錠分別以均熱加熱一體化的工藝（550℃）和均熱、加熱分離（550℃+520℃）的工藝進行處理。

方案1：均熱加熱一體化的鑄錠，保溫到一定時間后直接進行熱軋。

方案2：均熱加熱分離方案的鑄錠在均熱后，將鑄錠橫向放置于快速冷卻塔中快速冷卻至200℃以下，冷卻工藝見表2。冷卻至室溫后，再重新裝爐加熱到要求溫度后熱軋。

同時，所有后續工序采用相同的工藝進行。在1+1式熱粗軋+熱精軋機上軋到6.0 mm，終軋溫度為245℃；再經過460℃/4 h中間退火，最終冷軋成1.1 mm厚的薄板。成品熱處理工藝：固溶溫度為555℃，60 s，水淬；預時效溫度為100℃，8 h。通過對比兩種工藝生產的材料性能差異，判斷均熱、加熱分離方案的可行性。

均熱試驗流程示意圖如圖2所示。

2 試驗結果

由于鑄錠在冷卻過程中，風機循環每20 min換向一次，所以每20 min鑄錠兩側的溫度會存在一定的升高和降低。但鑄錠從開始冷卻約2 h后，整體溫度已達到200℃以下；冷卻3 h后，整體溫度已達到50℃以下。鑄錠降溫過程曲線如圖3所示。

所有后續工序采用相同的工藝進行，并對成品板材進行相關檢測。方案1和方案2的高倍（50倍）金相組織分別如圖4、圖5所示。力學性能拉伸試樣采用橫向定標距試樣，標距50 mm。室溫力學性能檢測結果見表3。

表3 室溫力學性能檢測結果

兩種工藝方案從成品組織上看，沒有明顯區別；從二者的初始及停放性能對比可以看出，兩種工藝方案制備出的T4P板材性能相當。

經2%的預拉伸變形和未經預拉伸的板材試樣在185℃模擬烘烤20 min后的室溫拉伸力學性能見表4。

表4 模擬烘烤性能檢測結果

3 結論

（1）均熱加熱分離工藝制備的該6×××系T4P態板材與均熱加熱一體化工藝制備的板材性能相當。

（2）均勻化后冷卻過程中析出行為主要發生在200℃以上。因此，控制其冷卻到200℃的冷卻時間至關重要。

（3）如果將鑄錠于550℃均勻化退火后冷卻到200℃的時間控制在2 h內，均熱加熱分離工藝可以替代均熱加熱一體化工藝。

（4）均熱加熱分離的工藝能有效避免一體化工藝的加熱時間過長，有助于小批量生產。