汽車典型結構件固溶成形工藝優化設計

胡慧敏，梁春蘭，張丹穎

汽車典型結構件固溶成形工藝優化設計

胡慧敏，梁春蘭，張丹穎

（河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054000）

研究和優化汽車輪轂構件的固溶時效工藝。基于正交試驗法設計了四因素三水平正交試驗，研究了固溶溫度、固溶時間、時效溫度、時效時間4個工藝參數對抗拉強度的影響規律。時效溫度對抗拉強度影響最大，其次是固溶溫度、時效時間，固溶時間對抗拉強度的影響較小。通過對極差和均值進行比較分析，獲得最優工藝組合如下：固溶溫度為560 ℃，固溶時間為180 min，時效溫度為170 ℃，時效時間為90 min。在該工藝參數下制備的汽車輪轂構件的抗拉強度可以達到283.6 MPa。

固溶；時效；汽車輪轂；抗拉強度；時效溫度；固溶溫度

近年來，節能減排成為了世界范圍內的熱點問題，汽車作為對環境有著重要影響的交通工具，其自身重量的降低是實現節能減排的重要途徑之一。鋁合金材料由于具備高強度和耐腐蝕等優點，成為目前汽車輕量化進程中主要的支撐材料之一[1-2]。鋁合金在室溫下成形性能不佳，在成形過程中容易出現破裂和回彈的現象，不易制備復雜的零件，而熱處理工藝可以有效改善鋁合金材料的成形能力，對發展汽車用高性能輕量化鋁合金成形工藝有著積極的作用[3-4]。熱處理工藝包含固溶和時效2個部分，固溶處理[5-7]是熱處理中十分重要的一步，是把原料加熱到高溫單相區，并在一定溫度下保溫一定時間，使溶質元素充分溶解到固溶體中，再進行淬火處理，從而得到過飽和固溶體的工藝流程。時效處理[8-10]是一種以沉淀硬化為強化機制，通過在基體上沉淀析出彌散細小的第二相顆粒，進而通過扎釘位錯來增強合金力學性能的方法。現階段鋁合金成形過程中的固溶和時效工藝得到了較多的研究。

劉萌等[11]以某車型鋁合金汽車結構件為研究對象，利用仿真軟件分別進行了一步和分步固溶成形工藝研究，結果表明，相比一次成形方式，當采用分步成形方式時，最小減薄率減小了4.67%，回彈量減小了40.21%，經時效處理的鋁合金汽車后風擋下橫梁的抗拉強度達到308 MPa，表明采用固溶成形工藝是可行的。韓高輝等[12]研究了固溶處理工藝對6082鋁合金材料組織和性能的影響，發現在固溶過程中，橫向軋制試樣比常規軋制試樣優先發生再結晶現象，其晶粒平均尺寸更大；經530 ℃×25 min固溶處理的橫軋6082鋁合金試樣性能更佳，其伸長率達到27.9%，合金具有更好的成形性。魏玉[13]對擠壓態6063鋁合金先進行了530 ℃×1 h的固溶處理，又進行了175 ℃× 12 h的時效處理，發現其抗拉強度提高了44.4%、屈服強度提高了69.8%。李恩波等[14]發現隨著固溶溫度的升高，6061合金的強度和硬度均呈先快速增加、再趨于平緩、最后略有下降的趨勢，伸長率和電導率則表現為下降的趨勢。皮連根等[15]對6082鋁合金型材進行了固溶處理（固溶溫度480～580 ℃）和人工時效處理，發現隨著固溶溫度的升高，拉伸性能呈現出先上升后下降的趨勢，在540 ℃時該合金具有最優拉伸特性。劉全升等[16]制備出了6063鋁合金并對其進行了固溶–時效處理，研究表明，6063鋁合金適宜的固溶和時效處理條件如下：固溶溫度為535 ℃，固溶時間為60 min，時效溫度為180 ℃，時效時間為7 h。

文中基于正交試驗方法，研究了固溶–時效工藝對6061鋁合金基汽車輪轂性能的影響，設計了四因素三水平的正交試驗，共計9組，通過對均值和極差進行比較，明確了各因素對抗拉強度的影響顯著性，同時也獲得了最優工藝組合。

1 試驗

1.1 材料

文中以6061鋁合金基汽車輪轂為研究對象，其初始態為鍛態，化學成分如表1所示。

表1 6061鋁合金化學成分

Tab.1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy wt.%

1.2 正交試驗設計

文中研究的工藝變量包括固溶溫度、固溶時間、時效溫度、時效時間。根據原材料固有加工性能和經驗值設計了四因素三水平正交試驗，研究4個變量對汽車輪轂力學性能的影響，所設計的正交試驗因素水平表如表2所示。

表2 正交試驗因素水平表

Tab.2 Four factors and three levels of orthogonal experiment

1.3 測試標準

文中以抗拉強度作為試樣性能的評價指標，參照GB/T 228.1—2010在室溫下對試樣進行測試，所用的拉伸試驗機器為Instron 5966。

2 結果與討論

所設計的四因素三水平正交試驗的結果統計見表3，以抗拉強度為性能的評價指標，共計9組試驗。采用極差法對試驗中的因素均值進行統計分析，其結果如表4所示。極差為同一因素中水平均值的最大值與最小值之差，其大小可以用于評價因素中水平取值對評價指標影響力的大小。

從表4數據可以看出，時效溫度具有最大極差值30.5 MPa，說明在所選擇的溫度范圍內，時效溫度對熱處理后試樣抗拉強度的影響最大，固溶溫度的極差值次之，為20.2 MPa，說明固溶溫度為影響力次之的因素，時效時間和固溶時間極差值依次排列第三和第四，說明其影響力依次減小。

工藝參數與抗拉強度的關系如圖1所示。由圖1a可知，隨著固溶溫度的升高，抗拉強度也對應升高，當固溶溫度達到560 ℃時，對應抗拉強度為257.2 MPa，相比初始530 ℃時，其值相應增加了8.5%，這是因為隨著溫度的升高，溶質原子與第二相粒子在基體中的固溶度升高，增加了固溶強化效應，從而引起了合金強度增加，因此選擇560 ℃作為此溫度范圍內固溶溫度的最優值。由圖1b可以看出，抗拉強度先升高后降低，在180 min時具有最大值246.2 MPa，但是在120～240 min范圍內，抗拉強度僅變化了3.2 MPa，約1.3%的變化率，說明固溶時間與抗拉強度呈弱相關性。由圖1c可以看出，隨著時效溫度的升高，抗拉強度也相應增加，從150 ℃時的232.9 MPa，增加到170 ℃時的263.4 ℃，在溫度變化了20 ℃的條件下，抗拉強度增加了30.5 MPa，增加了13.1%，4個因素中時效溫度所引起的抗拉強度變化率最大，說明時效溫度對抗拉強度的影響最大。由圖1d可以看出，抗拉強度先降低后升高，在90 min時具有最大值251.9 MPa。綜上比較可以得出，文中最優工藝組合如下：固溶溫度為560 ℃，固溶時間為180 min，時效溫度為170 ℃，時效時間為90 min。根據此優化工藝制備的汽車輪轂構件的抗拉強度可以達到283.6 MPa。

表3 正交試驗結果統計

Tab.3 Statistics of orthogonal experiment results

表4 正交試驗均值與極差

Tab.4 Mean and range of orthogonal test MPa

3 結論

以6061鋁合金基汽車輪轂為研究對象，采用正交試驗設計方法，設計了四因素三水平的正交試驗，研究了固溶溫度、固溶時間、時效溫度、時效時間對抗拉強度的影響規律，并進行了最優工藝組合確認。以抗拉強度為考核指標，通過對極差和均值進行比較分析，獲得了最優工藝組合如下：固溶溫度為560 ℃，固溶時間為180 min，時效溫度為170 ℃，時效時間為90 min。根據此優化工藝制備的汽車輪轂構件抗拉強度可以達到283.6 MPa。

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Optimal Design of Solution Forming Process for Typical Automotive Structural Parts

HU Hui-min, LIANG Chun-lan, ZHANG Dan-ying

(Hebei Vocational University of Technology and Engineering, Hebei Xingtai 054000, China)

The work aims to study and optimize the solution aging process of automotive wheel components.A four-factor and three-level orthogonal experiment was designed based on the orthogonal experiment method, and the effects of solution temperature, solution time, aging temperature and aging time on tensile strength were studied. The aging temperature had the greatest effects on the tensile strength, followed by the solution temperature and the aging time. Based on the comparative analysis of the range and the mean value, the optimal process combination is obtained as a solution temperature of 560 ℃, a solution time of 180 min, an aging temperature of 170 ℃ and an aging time of 90 min. The tensile strength of the automotive wheel components prepared according to this optimized process can reach 283.6 MPa.

solution; aging; automobile wheel; tensile strength; aging temperature; solution temperature

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.012

TG156.1

A

1674-6457(2022)08-0080-04

2021–08–13

邢臺市科技局項目（2020ZC098）

胡慧敏（1982—），女，碩士，講師，主要研究方向為汽車技術。

責任編輯：蔣紅晨