Cr含量對新能源汽車用6061合金型材組織與性能的影響

萬 里，蔡知之，鄧濤濤

（佛山市三水鳳鋁鋁業有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

具有中強、可焊、易成型的6xxx鋁合金是汽車輕量化改革中的理想材料，常用的合金牌號有6063、6061、6082及6005A合金等，主要用于前后防撞梁、電池托盤、儀表盤及車身結構件等型材[1-4]。對于電池包下殼體類構件，除了滿足對新能源汽車電池的承載和散熱外，還需在發生突發事故時防止電池在外力作用下發生擠壓而誘發次生事故。因此，該類安全結構件對鋁合金型材的性能有了更高的要求。這要求型材在沖擊力作用時不要發生脆性斷裂，而通過自身變形來吸收沖擊過程中的能量以達到對電池的保護。其中，型材的內部晶粒組織及試樣的斷后延伸率是最終產品需要考察的關鍵指標。因此，本文以6061合金為對象，詳細研究了Cr元素含量對新能源汽車用6061合金型材組織與性能的影響規律，以期為新能源汽車用鋁合金的合金化設計提供思路。

1 實驗材料與方法

截取半連續鑄造生產線生產的直徑為φ320mm的3種不同Cr的6061合金鑄棒各長800mm，合金成分見表1。然后采用4000T擠壓機將其擠壓成如圖1所示的電池托盤型材。模具溫度為490±10℃，鋁棒溫度為500±5℃，擠壓速度為3～4m/min。在擠壓機出口對型材進行在線噴水使其冷卻到室溫。

圖1 熱擠壓的新能源汽車電池托盤型材

在最大載荷為10T的SUST CMT-5105電子萬能試驗機上進行力學性能測試。將試樣浸入10%的NaOH溶液中進行低倍堿蝕，浸泡時間為30min。在ZEISS AX10型金相顯微鏡下進行金相組織觀察。采用Keller試劑對試樣進行腐蝕處理，腐蝕時間為30s，其成分為：2ml HF+ 3ml HCl+ 5ml HNO3+ 190ml H2O。

2 結果與分析

2.1 Cr含量對型材低倍組織的影響

圖2展示了三個不同Cr含量的6061合金擠壓型材經過NaOH溶液浸泡30min后的低倍組織照片。從圖中可以看出，當Cr含量為0.07%時，擠壓后的底板型材壁厚較薄的莖條位置與壁厚較厚的支撐位置都表現出較大的晶粒組織，各位置晶粒的尺寸相對均勻。當Cr含量為0.15%時，擠壓后的底板型材壁厚較薄的莖條位置與壁厚較厚的支撐位置基體組織內外表面層都出現了一定厚度的粗晶層，而中間層則轉變成細晶區域。當Cr含量進一步上升至0.23%時，擠壓后的底板型材無肉眼可見的粗晶組織出現，各位置均表現為細晶形貌特征。

2.2 Cr含量對型材高倍組織的影響

為了能定量表征不同Cr含量對6061合金擠壓型材內部晶粒組織的影響，將圖2各低倍組織中的典型位置的表層和芯部在金相顯微鏡中進行高倍組織觀察，如圖3所示。其中圖3（a）（b）（c）為型材表層金相照片，圖3（d）（e）（f）為型材芯部金相照片。從圖中可以發現，當Cr含量為0.07%時，型材表層和芯部均為晶粒相對規則的再結晶組織，經過多個視場的數理統計，其晶粒尺寸在200～400μm范圍。當Cr含量增加至0.15%時，型材表面出現了約700μm厚度的粗晶層，且其晶粒大小尺寸分布不均勻，表現為外表層尺寸較小，約100μm，而次表層晶粒粗大，最大可達600μm左右。而芯部晶粒相對均勻，其尺寸約為40μm左右大小。當Cr含量進一步增加至0.23%時，整個型材晶粒表現得非常均勻，除了外表有一層尺寸約40μm的晶粒外，其余均為尺寸約15μm的細晶組織。

圖3 三種不同Cr含量型材的金相組織照片

由于熱擠壓是一個高溫、高壓、高摩擦及長時間的一個形變過程，因此不難發現，當Cr含量為0.07%時，由于其含量較少，其在基體中的存在狀態不足以顯著阻礙熱擠壓過程基體中晶界的遷移，因此基體組織在擠壓過程中出現了完全再結晶并長大的狀態。隨著Cr含量增加至0.15%時，其在基體中形成的物相組織可有效阻礙擠壓過程中晶界的遷移過程，所以芯部表現為細晶組織。但由于熱擠壓過程金屬與模具表面的劇烈摩擦，使得擠出型材表層溫升較大，晶界的遷移變得更加活躍，從而在型材外表面形成了一層尺寸較大的粗晶組織。而當Cr含量進一步增加到0.23%時，基體中形成的大量含Cr的物相組織對擠壓過程中型材表層晶界的遷移同樣起到了強烈的阻礙作用，使得擠出型材表層無粗晶組織出現，且芯部晶粒較Cr含量為0.15%時更加細小。由此可見，Cr元素的添加能有效阻礙熱擠壓過程中晶粒晶界的遷移，使擠壓后的型材晶粒均勻、細小。

2.3 Cr含量對型材力學性能的影響

圖4為三個不同Cr含量6061合金經過170℃/8h人工時效后的力學性能數據。從圖中可以看出，Cr元素在0.07%～0.23%含量范圍內添加對本實驗過程中獲得的三種新能源汽車電池底板用擠壓型材的抗拉強度和屈服強度影響不大。但前面的試驗結果表明，Cr元素在基體中形成的物相組織能顯著阻礙位錯及晶界的遷移過程，該過程對合金強度的提高是有利的，即Cr元素的添加量越大，合金的強度越高。而另一方面，基體中形成的含Cr物相組織與基體間形成的是非共格界面，其顯著增加了合金的淬火敏感性[5]。在淬火冷卻過程中，過飽和固溶體將以這些含Cr物相組織為載體進行異質形核析出并長大，這降低了室溫條件下基體中固溶原子的含量，從而在人工時效后造成合金強度的下降。在這兩方面原因的綜合作用下，這就出現了三種不同Cr含量6061合金型材強度接近的現象。而添加Cr元素含量較高的合金，由于基體表現為整體的細晶組織，使得材料在變形過程中可以有效地通過晶粒轉動及晶界移動來協調整體的變形過程，因此試樣斷后延伸率越高。因此，Cr元素的添加可以使材料抗拉強度和屈服強度保持穩定的情況下，有效地提高合金的斷后延伸率，從而更加有利于合金在工業化生產中的應用。

圖4 三種不同Cr含量型材的力學性能數據

3 結束語

（1）Cr元素的添加對新能源汽車電池托盤用6061合金型材在熱變形過程中晶界的遷移起到阻礙作用。在0.0%～0.23%范圍內，添加量越大，型材的粗晶層深度越薄，內部晶粒越細。

（2）Cr元素的添加使材料抗拉強度和屈服強度保持穩定的情況下，可有效提高合金的斷后延伸率。