大眾TL116-N28標準的鋁合金門檻梁生產工藝研究

藍嘉昕，鄧濤濤，王素杰，蔡知之

（佛山市三水鳳鋁鋁業有限公司，廣東省鋁型材加工與裝備企業重點實驗室，佛山 528133）

0 前言

隨著新能源汽車的發展，為了減輕車身自重增加電池續航能力，車身及其配件也逐漸走向輕量化方向[1]。因此，具有比重低及高安全性的鋁合金成為車身零部件首選材料，其涵蓋的產品有門檻梁、防撞梁、吸能盒、電池箱體等[2-3]。同時許多大型車企針對不同的車用鋁合金也做出了標準要求。德國大眾在2016 年更新的TL116 標準協議中，要求所提供的鋁合金產品應按對應類別達到相應力學性能，此外還需滿足一定的長期熱穩定性、短期熱穩定性以及焊合要求。

為了對門檻梁產品（以TL116-N28 為技術標準）進行前期開發，本研究以某門檻梁產品為案例生產擠壓型材，通過正交試驗法研究擠壓溫度、時效溫度及時效時間對產品基礎性能影響，并選出最佳擠壓工藝進行生產驗證，同時按照TL116-N28標準進行檢測，為后續合金的應用以及相關產品的開發提供依據。

1 材料與試驗方案

1.1 樣本制備

按表1 所示成分（成分要求均在TL116 標準內）熔鑄鋁棒材料，以某型號門檻梁擠壓型材為案例生產制備樣本，產品截面如圖1 所示。工藝為：使用經560 ℃保溫8 h 均勻化消除成分偏析及殘余應力的試驗合金鑄棒，在4 000 t 的擠壓機上生產，主缸速度控制在2.4～2.8 m/min，淬火方式為噴水。

圖1 門檻梁型材截面圖

表1 試驗合金的化學成分（質量分數%）

1.2 測試方法

不同擠壓溫度下的擠壓成品分別按正交試驗要求以不同的溫度、時間進行時效處理，正交試驗設計如表2所示。對樣本進行力學性能測試（按GB/T 16865—2013 執行標準），通過正交試驗結果極差分析出擠壓溫度、時效溫度以及時效時間因素對材料力學性能的影響大小，得出各因素最佳搭配并在實際生產中加以驗證。

表2 正交試驗設計因素水平

將驗證后的材料參照大眾TL116-N28標準要求進行測試，主要如下：

長期、短期熱穩定性：將材料置于150 ℃環境下，分別在0 h、240 h、480 h、1 000 h時段取出并進行力學性能測試；將材料置于205 ℃環境下1 h后取出進行力學性能測試。

產品截面低倍組織檢測：將材料沿橫截面切平進行堿蝕，取出洗凈后觀察截面的低倍組織情況，目視判斷是否出現孔洞或其他污染物，焊合線呈直線狀而非喇叭狀。

熱熔鉆加工試驗：由于門檻梁產品壁厚較薄，普通鉆孔攻絲螺紋強度難以滿足要求，故需通過熱熔鉆加工使有效螺紋深度增加，以加強組件鏈接效果[4-5]。確認材料力學性能符合標準要求后，對其進行熱熔鉆加工M8 螺紋孔，要求加工后表面無變形開裂，且螺紋孔經過扭矩扳手檢測，其強度等級應≥24.5 N·m。

2 試驗結果及分析

2.1 正交試驗及結果

按表2設計正交試驗方案進行試驗，測得力學性能結果如表3 所示。通過極差分析，擠壓溫度、時效溫度及時效時長因素對材料抗拉強度、屈服強度以及斷后延伸率的影響結果如表4所示。

表3 正交試驗結果

表4 極差分析結果

通過正交試驗結果可以計算出各因素在不同水平參量下的極差值，一般認為極差值越大，對結果的影響也越大[6]。可以發現，三種因素對材料力學性能的影響程度均為：時效時長＞時效溫度＞擠壓溫度。而從表3可以得知，最佳工藝路線為擠壓溫度490 ℃，產品時效工藝為175 ℃/12 h，此生產條件下材料的性能可達到最佳。

2.2 生產工藝驗證

在擠壓溫度490 ℃、時效工藝175 ℃/12 h 下進行生產工藝驗證，最終狀態的產品對其6個部位沿擠壓方向取樣進行力學性能檢測。成品及取樣位置如圖2 所示，力學性能數據詳見表5。得出門檻梁力學性能均值為：抗拉強度為311.8 MPa，屈服強度為299.0 MPa，斷后延伸率為11.7%。可見，按照此工藝生產的型材力學性符合TL116-N28的性能要求。

圖2 型材及取樣位置

表5 成品各區域的力學性能

2.3 短時、長時熱穩定性

對生產驗證后的門檻梁型材進行長時和短時熱穩定性試驗，不同處理下的力學性能測試結果分別如表6、圖3 所示。可以發現，在150 ℃下，試驗合金的抗拉強度與屈服強度均隨保溫時長增加出現一定程度的減小，而斷后延伸率則隨之增大。相關研究表明[7]，將材料在150 ℃下放置處理相當于一個過時效的過程，該過程會使組織內析出的強化相粒子粗化。李巧莉[8]發現，在過時效狀態下，大多數Al-Mg-Si 合金組織內的析出相會隨過時效時長增加而發生粗化，通常表現為細小的Mg5Si6相轉化為尺寸較大的Mg9Si5相或尺寸更粗大的Mg2Si，進而導致力學性能出現下降。在放置1 000 h 后，試驗合金的抗拉強度與屈服強度分別降至299 MPa 與281 MPa，斷后延伸率增至13.56%，但屈服強度高于標準要求的265 MPa要求，這可能是由于實驗合金成分內Cu 含量較高（0.2%）。據Jin[9]等研究表明，在過時效下Cu 原子會偏聚在析出相界面，使析出相粗化得到一定程度的抑制，材料宏觀體現為過時效下力學性能下降較緩慢。將試驗合金置于205 ℃環境下1 h 后，力學性能強度均未出現明顯的降低，雖然溫度升高會一定程度上加快析出相的粗化速率，但由于保溫時間較短，析出相可能尚未發生粗化或粗化程度較小。根據測試結果，該材料短、長時熱穩定性均符合TL116-N28要求。

圖3 長時熱穩定性測試結果

表6 短時熱穩定性測試結果

2.4 低倍組織結果

門檻梁型材橫截面經泡堿后，低倍組織結果如圖4 所示，標記處為焊合線出現位置。可以發現，10 處標記中焊合線為不明顯的白色光亮直線，鋁流體焊合充分，其余區域組織未見孔洞或其他污染物，說明按照擠壓溫度490 ℃、時效工藝為175 ℃/12 h工藝生產的型材焊合良好、低倍組織正常。

圖4 低倍組織圖片

2.5 熱熔鉆加工測試

對驗證后型材進行熱熔鉆加工測試，熱熔鉆螺紋孔如圖5、圖6 所示。由圖可見，孔位周邊及表面未出現明顯裂紋，切割加工面置于平臺上未見明顯凹陷變形。經扭矩扳手測試，螺紋孔在25.95 N·m時出現破壞，高于標準要求的24.5 N·m，熱熔鉆加工后螺紋孔達到性能要求。

圖5 熱熔鉆螺紋孔

圖6 加工面平面

3 結論

（1）通過正交試驗與極差分析，得出擠壓工藝對實驗合金門檻梁型材力學性能的影響程度為時效時長＞時效溫度＞擠壓溫度。最佳工藝路線為：生產控制擠壓溫度為490 ℃，產品時效制度為175 ℃/12 h。

（2）門檻梁型材以最佳工藝生產驗證后，按大眾TL116-N28標準進行測試，型材的抗拉強度為311.8 MPa，屈服強度為299.0 MPa，斷后延伸率為11.7%。在205 ℃/1 h 處理后力學性能未出現明顯降低，在150 ℃/1 000 h處理后屈服強度為281 MPa（＞265 MPa）。泡堿后低倍組織未見焊合不良、孔洞等缺陷，其基礎力學性能、短/長期熱穩定性以及低倍組織均符合TL116-N28標準要求，且經熱熔鉆后型材實體未出現開裂、變形情況，螺紋孔經扭力扳手檢驗合格，達到大眾TL116-N28標準。