6016鋁合金汽車板生產(chǎn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

摘要： 當(dāng)前，6016鋁合金汽車板因其優(yōu)異的性能備受關(guān)注。探討了6016鋁合金汽車板的全流程生產(chǎn)技術(shù)，包括化學(xué)成分、熔鑄、軋制、熱處理、化學(xué)處理與靜電涂油，闡述了各生產(chǎn)工序的基本原理、技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展。最后，從化學(xué)成分設(shè)計(jì)、熔鑄新技術(shù)、短流程軋制技術(shù)、熱處理技術(shù)、化學(xué)處理技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化等多個(gè)方面，對(duì)6016鋁合金汽車板生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：鋁合金汽車板 化學(xué)成分 軋制 熱處理 化學(xué)處理

中圖分類號(hào)：U465.2+2 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240174

Research Status of Production Technology for 6016 Aluminum Alloy Automobile Sheet

Li Yongxin1， Wang Chuanyao2

（1.Tianjin Zhongwang Aluminum Co.， Ltd.， Tianjin 301700; 2. Jiujiang Defu Technology Co.， Ltd.， Jiujiang 332005）

Abstract： At present， 6016 aluminum alloy automotive sheet has attracted much attention for its excellent performance. This paper discusses the whole process production technology of 6016 aluminum alloy automobile sheet， including chemical composition， melting and casting， rolling， heat treatment， chemical treatment and electrostatic oiling， and emphatically expounds the basic principle， technical status and research progress of each production process. It finally prospects the development directions of 6016 aluminum alloy automobile sheet production technology in aspects of chemical composition design， new melting and casting technology， short process rolling technology， heat treatment technology， chemical treatment technology and key equipment localization.

Key words： Aluminum alloy automobile sheet， Chemical composition， Rolling， Heat treatment， Chemical treatment

1 前言

據(jù)美國(guó)能源信息署（Energy Information Administration，EIA）預(yù)計(jì)，到2030年，全球汽車保有量將突破20億輛，全球交通領(lǐng)域的石油消耗量將占總消耗量的57%，輕量化已經(jīng)成為汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。燃油汽車車體減重有利于降低燃油消耗量并減少CO2的排放量。相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，汽車整體質(zhì)量每減輕10%，燃油效率可提高6%～8%，汽車動(dòng)力性能增強(qiáng)，燃料消耗量減少，可有效降低碳排放。電動(dòng)汽車質(zhì)量每減輕10%，其續(xù)駛里程可增加7.5%，并可提高車輛的可操控性[3]。因此，在“碳達(dá)峰”和“碳中和”的背景下，汽車輕量化具有極其重要的意義。

當(dāng)前，采用輕質(zhì)材料是汽車輕量化的有效措施之一，鋁合金是極具前景的汽車輕量化材料，在汽車的四門兩蓋覆蓋件、側(cè)圍總成、發(fā)動(dòng)機(jī)艙總成、頂蓋總成、底板總成與電動(dòng)汽車電池包總成等部件中均大量應(yīng)用。在眾多變形鋁合金中，得到應(yīng)用的6×××變形鋁合金汽車板主要有6014、6016、6022、6111、6181A與6451等。6016鋁合金板性能優(yōu)異，其用量占6×××系變形鋁合金板的80%以上。6016鋁合金汽車板的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，部分生產(chǎn)技術(shù)直接影響下游汽車主機(jī)廠的配套使用。本文綜述6016鋁合金汽車板的生產(chǎn)技術(shù)，包括化學(xué)成分、熔鑄、軋制、熱處理、化學(xué)處理、靜電涂油等，著重闡述各生產(chǎn)工序的基本原理、技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展。最后，展望6016鋁合金汽車板生產(chǎn)技術(shù)的研究方向。

2 化學(xué)成分

1984年，瑞士注冊(cè)了6016鋁合金牌號(hào)，其化學(xué)成分如表1所示。

2.1 合金元素

為使鋁合金具有某些特性，在鋁基體中添加或保留的金屬或非金屬元素稱為合金元素。6016鋁合金的合金元素為Mg和Si，形成了6016鋁合金的強(qiáng)化相Mg2Si，隨著固溶體中的Mg2Si含量增加，合金強(qiáng)度不斷提高，Wang等[4]研究了Mg與Si的質(zhì)量比值不變時(shí)Mg和Si含量降低梯度化學(xué)成分的6016鋁合金，結(jié)果表明，隨著Mg、Si含量的增加，晶粒尺寸減小，再結(jié)晶立方織構(gòu)得到改善，S織構(gòu)減弱。6016鋁合金的強(qiáng)度隨著Mg和Si含量的降低而降低。在Mg2Si相中，Mg與Si的質(zhì)量比為1.73，當(dāng)Mg與Si的質(zhì)量比gt;1.73時(shí)，形成Mg過(guò)剩型鋁合金，Mg過(guò)剩會(huì)影響鋁合金的成形性能，當(dāng)Mg與Si的質(zhì)量比lt;1.73時(shí)，形成Si過(guò)剩型鋁合金，隨著Si元素含量的增加，合金的硬化速度提高，得到的鋁合金峰值硬度更高，有利于6016鋁合金汽車板的烤漆硬化響應(yīng)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，鋁合金汽車板多選擇Si過(guò)剩的6016鋁合金，尤其在高端品牌汽車的車身覆蓋件（主要包括車門覆蓋件、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、行李箱后蓋、車身上頂蓋與翼子板等）中，鋁合金的應(yīng)用更為普遍，如圖1所示。

2.2 其他微量元素

鋁合金中非添加或保留的金屬或非金屬元素稱為雜質(zhì)。6016合金主要雜質(zhì)元素有Fe、Cu、Mn、Cr、Zn、Ti等。為提高6016鋁合金汽車板的綜合性能，除研究以上合金元素和雜質(zhì)外，在6016鋁合金化學(xué)成分中加入特殊金屬元素的效果也受到研究者的關(guān)注。Lu等[5]研究了Nb元素對(duì)6016鋁合金組織和性能的影響，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)固溶處理或固溶處理+預(yù)時(shí)效處理后，合金的抗拉強(qiáng)度和塑性均顯著提高。隨著Nb含量的增加，第二相的數(shù)量和尺寸增加。T4P狀態(tài)下添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% Nb的合金具有較好的綜合力學(xué)性能，其斷后伸長(zhǎng)率、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性應(yīng)變比和應(yīng)變硬化指數(shù)分別為34.20%、372.77 MPa、208.54 MPa、0.82、0.32。在6016中加入稀土元素成為一個(gè)新的研究方向，如Ce、Y、Er和Y[6-8]，研究表明，鋁合金中添加少量稀土元素可改變合金的結(jié)晶條件，降低鋁液中的含氫量及孔隙率，改善其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。稀土元素的強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)為細(xì)晶強(qiáng)化、有限固溶強(qiáng)化和稀土化合物的第二相強(qiáng)化等。我國(guó)稀土資源豐富，為該項(xiàng)研究提供了極大便利。

3 熔鑄

熔鑄是熔煉與鑄造的簡(jiǎn)稱，是鋁合金汽車板生產(chǎn)的首道工序，其流程如圖2所示。熔鑄為后續(xù)鋁合金軋制提供坯料，其內(nèi)部組織與外觀質(zhì)量有很強(qiáng)的遺傳性，若鑄錠冶金質(zhì)量存在先天問(wèn)題，后道工序通常難以補(bǔ)救。尤其對(duì)汽車板、航空板、易拉罐、雙零鋁箔等高端鋁合金產(chǎn)品，熔鑄技術(shù)尤為重要，鑄錠質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率[9]。

3.1 熔煉

熔煉是將純鋁錠、電解鋁液、鎂錠、中間合金、金屬添加劑、幾何廢品與工藝廢品等各種不同形狀和成分的配料，經(jīng)過(guò)熔化、爐內(nèi)精煉，獲得符合合金化學(xué)成分的、較純凈的鋁合金熔體。由于鋁熔體中存在氣體（主要為氫氣）、非金屬夾雜及其他有害金屬等影響其純潔度，導(dǎo)致鑄錠產(chǎn)生疏松、氣孔、夾渣及裂紋等缺陷，對(duì)鑄錠的加工性能及制品的力學(xué)性能、抗蝕性、加工性能及外觀質(zhì)量均有明顯影響。因此，需要利用物理化學(xué)原理和相應(yīng)的工藝措施除去熔體中的非金屬夾雜、氣體和有害元素。按照凈化作用機(jī)理，鋁合金熔體凈化法分為吸附凈化法、非吸附凈化法與復(fù)合凈化法，如圖3所示。

3.2 鑄造

鑄造是通過(guò)在線細(xì)化、除氣、過(guò)濾等，將純凈的鋁合金熔體直接或間接冷卻，在模具內(nèi)結(jié)晶凝固成形狀、外觀及組織均符合要求的鑄錠，為后續(xù)熱軋加工提供質(zhì)量合格的坯料。

鑄造前需對(duì)鋁熔體進(jìn)行細(xì)化處理，獲得均勻、細(xì)小的等軸晶。在線細(xì)化劑使用Al-5Ti-B或Al-5Ti-0.2B，現(xiàn)有的細(xì)化機(jī)理有包晶理論、碳化物-硼化物理論與結(jié)合理論等，但目前這些機(jī)理不能解釋所有的問(wèn)題。

在線除氣的主要目的是降低熔體中的氫含量。常用的凈化氣體有N2、Ar，N2+Cl2、Ar+Cl2，主要方法有旋轉(zhuǎn)噴嘴惰性氣體浮游（Spinning Nozzle Inert-gas Floatation，SNIF）、熔體在線處理（Melt In-line Treatment，MINT）、ALPUR等，國(guó)內(nèi)鋁加工企業(yè)多采用混合氣與SNIF法進(jìn)行聯(lián)合除氣，并采用ALSCAN、HDA-IV、ELH-IV、TelegasⅡ型測(cè)氫儀，其中，ALSCAN測(cè)氫儀應(yīng)用較為廣泛。

在線除渣主要是去除鋁熔體中的夾雜物，如氧化物、氯化物、氮化物與硅酸鹽等。現(xiàn)有過(guò)濾除渣方式有陶瓷泡沫過(guò)濾（Ceramic Foam Filter，CFF）、深床過(guò)濾（Deep Bed Filter，DBF）、管式過(guò)濾（Porous Tube Filter/Porous Cartridge Bonded Particle Filter，PTF/PCBPF）[10-12]，3種過(guò)濾設(shè)備性能指標(biāo)的對(duì)比如表2所示。為提高過(guò)濾精度，采用CFF+CFF、CFF+BDF、CFF+PTF的雙級(jí)過(guò)濾。6016鋁合金汽車板通常需要采用雙級(jí)過(guò)濾。本文認(rèn)為鋁合金汽車板沖壓與易拉罐罐身用鋁合金板帶的薄壁拉伸減薄沖壓不同，不必采用CFF+BDF、CFF+PTF雙級(jí)過(guò)濾組合，采用CFF+CFF雙級(jí)過(guò)濾即可，由此可降低生產(chǎn)成本。常用的渣含量檢測(cè)方法有液態(tài)金屬清潔度分析（Liquid Metal Cleanliness Analyzer，LiMCA）法、多孔盤過(guò)濾片（Porous Disk Filtration Apparatus，PoDFA）法、超聲探頭熔體夾雜在線檢測(cè)法等，普遍采用LiMCA在線測(cè)渣儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔體的渣含量。針對(duì)現(xiàn)有過(guò)濾進(jìn)行研究，開發(fā)新型的過(guò)濾材料也是重要的研究方向[11-15]。

鑄造采用瓦格斯塔夫（Wagstaff）自動(dòng)化扁錠鑄造系統(tǒng)，使用鋁合金結(jié)晶器或石墨環(huán)結(jié)晶器，嚴(yán)格執(zhí)行鑄造工藝。國(guó)內(nèi)外多采用立式直冷（Direct Chill）半連續(xù)鑄造技術(shù)生產(chǎn)6016鋁合金汽車板用鑄錠。鑄造完成后，檢查鑄錠外觀質(zhì)量。由于鑄造的鋁合金鑄錠頭尾與表面存在鑄造缺陷，如偏析瘤、皺褶、縮孔、夾雜及裂紋等，需要鋸切、銑面去除表面缺陷，并取樣檢測(cè)組織是否合格。部分鋁加工生產(chǎn)企業(yè)配備有鑄錠無(wú)損探傷設(shè)備，用于檢測(cè)銑面后鑄錠內(nèi)部缺陷。

近年來(lái)，鋁合金熔鑄生產(chǎn)新技術(shù)主要有：

a. 熔體處理技術(shù)：爐前電解鋁包除堿金屬技術(shù)、爐側(cè)旋轉(zhuǎn)除氣技術(shù)。

b. 鑄造技術(shù)：扁錠的可調(diào)節(jié)能變形結(jié)晶器（Adjustable Flexible Mould，AFM）技術(shù)、電磁攪拌鑄造技術(shù)、短流程鑄造技術(shù)。

c. 自動(dòng)化與智能化技術(shù)：超聲測(cè)液位技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）在線化學(xué)成分檢測(cè)技術(shù)、鑄造安全檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化與智能化集成技術(shù)。

熔鑄是6016鋁合金汽車板生產(chǎn)的首道工序，鑄錠質(zhì)量直接影響最終產(chǎn)品質(zhì)量。采用CFF雙級(jí)過(guò)濾可兼顧過(guò)濾效果與生產(chǎn)成本，新型高效的過(guò)濾材料、高效細(xì)化劑及其細(xì)化機(jī)制、智能在線檢測(cè)技術(shù)等依然是研究的熱點(diǎn)。另外，熔鑄是鋁合金汽車板生產(chǎn)中能源消耗的主要工序，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力與占有率，是需要持續(xù)改進(jìn)的課題。

4 軋制

根據(jù)軋制溫度不同，鋁合金軋制分為熱軋、冷軋和溫軋，但溫軋并未在鋁加工生產(chǎn)中得到應(yīng)用，鋁合金汽車板普遍采用熱軋加冷軋的方式生產(chǎn)。鑄軋是將熔鑄與軋制串聯(lián)的短流程生產(chǎn)方式，可減少部分中間生產(chǎn)設(shè)備，大幅降低生產(chǎn)成本。

4.1 熱軋

熱軋是指鋁合金在其再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行軋制，熱軋為冷軋?zhí)峁┡髁稀Ｍㄟ^(guò)熱軋將鋁合金鑄造組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸そM織。鑄錠在熱軋機(jī)三向壓縮應(yīng)力的作用下，通過(guò)多道熱軋的反復(fù)變形完成熱軋，硬化和軟化同時(shí)發(fā)生。軋制變形破碎了粗大柱狀晶，使材料的組織成為均勻細(xì)小的等軸晶粒，還能使某些細(xì)小的裂紋得以愈合，縮孔和疏松被壓實(shí)，變?yōu)檩^致密的組織結(jié)構(gòu)。高溫原子熱運(yùn)動(dòng)能力加強(qiáng)，在應(yīng)力作用下借助原子自由擴(kuò)散，有利于緩解鑄錠化學(xué)成分的不均勻性。熱軋分為熱粗軋和熱精軋，6016鋁合金汽車板的生產(chǎn)多采用1（熱粗軋）+4/5（熱精軋連軋機(jī)組）生產(chǎn)。

熱軋的主要技術(shù)參數(shù)有均勻化溫度、開軋溫度、熱軋速度、熱軋壓下制度、精軋卷取張力與卷取溫度，以上參數(shù)對(duì)6016鋁合金組織與性能有很大影響。Ouhiba等[16]研究了6016鋁合金熱變形保溫過(guò)程中粗再結(jié)晶晶粒的形成，探討了粗大再結(jié)晶晶粒發(fā)展的可能因素，指出儲(chǔ)存能量是導(dǎo)致某些再結(jié)晶晶粒過(guò)度生長(zhǎng)而損害其他晶粒的關(guān)鍵因素，且由于高驅(qū)動(dòng)壓力與儲(chǔ)存能量相關(guān)，Smith-Zener釘扎無(wú)法防止。王亮等[17]闡述了鋁合金板羅平（Roping）線的產(chǎn)生原因、檢測(cè)方法及操作步驟。通過(guò)拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)分析了羅平線的影響因素，結(jié)果表明，鋁合金板的各向異性、彎曲角度、表面狀態(tài)對(duì)羅平線均有一定影響，嚴(yán)格控制熱軋的開軋溫度和終軋卷取溫度是保證鋁合金汽車板羅平線合格的有效途徑。

4.2 冷軋

冷軋為鋁合金在其再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的軋制，冷軋過(guò)程不會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，只能上升至回復(fù)溫度。6016鋁合金經(jīng)冷軋后，少量晶體產(chǎn)生加工硬化，晶粒被破碎拉長(zhǎng)形成纖維組織，其強(qiáng)度和變形抗力增加，塑性降低。6016鋁合金熱軋帶材在冷軋機(jī)三向壓縮應(yīng)力的作用下，晶粒沿長(zhǎng)度方向被壓扁、拉長(zhǎng)、變細(xì)，并出現(xiàn)纖維組織；經(jīng)過(guò)充分冷軋后出現(xiàn)了亞結(jié)構(gòu)，提高了鋁合金強(qiáng)度，并形成了纖維狀的變形織構(gòu)，在晶粒內(nèi)部和晶粒間形成微裂紋。鋁合金汽車板生產(chǎn)多采用4輥或6輥連續(xù)可變凸度（Continuously Variable Crown，CVC）冷軋機(jī)或冷連軋機(jī)生產(chǎn)。

冷軋的主要技術(shù)參數(shù)有冷軋壓下率、軋制速度、軋制張力，通常與熱處理工藝聯(lián)合調(diào)控鋁合金汽車板織構(gòu)與性能。為調(diào)控6016鋁合金汽車板的晶粒度和織構(gòu)，可選擇熱軋坯料直接退火后冷軋，或冷軋后進(jìn)行中間淬火或退火，再次進(jìn)行冷軋。徐燕萍等[18]研究了冷變形量對(duì)6016鋁合金板r值（塑性應(yīng)變比）的影響，淬火后主要有立方織構(gòu)和R織構(gòu)，且不同冷軋工藝會(huì)導(dǎo)致淬火后形成不相同的織構(gòu)組分，使材料表現(xiàn)出不同程度的各向異性。段曉鴿等[19]研究了熱軋退火后常規(guī)軋制（NR）、橫向軋制（TR）、交叉軋制（AR）等對(duì)6016鋁合金組織和平面各向異性的影響。結(jié)果表明，AR軋制能有效改善6016鋁合金板再結(jié)晶退火后的組織均勻性和塑性各向異性。

毛化軋制技術(shù)（Skin Pass）起源于汽車用鋼板，為改善板材的成形性與涂漆性能，鋁合金汽車板冷軋也引入了該技術(shù)。其方法是在冷軋成品道次，使用毛化處理的冷軋輥配合特殊軋制控制技術(shù)，進(jìn)行加工率為2%～10%的冷軋，將軋輥的毛化形態(tài)轉(zhuǎn)移至板表面。毛化軋制技術(shù)本質(zhì)上只能稱為軋輥的毛化技術(shù)，軋輥的不同毛化技術(shù)比較如表3所示。隨著軋輥表面毛化技術(shù)的發(fā)展，噴丸毛化（Shot Blast Texturing，SBT）技術(shù)已不再使用，Topocrom技術(shù)的軋輥使用壽命是其他工藝的3～6倍，但易產(chǎn)生大量有毒廢物，嚴(yán)重污染環(huán)境，現(xiàn)已被逐步淘汰。激光毛化（Laser Texturing，LT）會(huì)導(dǎo)致局部金屬熔化，易產(chǎn)生氧化和毛化層破裂，毛化效率較低。電子束毛化（Electron Beam Texturing，EBT）技術(shù)需要在真空條件下進(jìn)行，工藝技術(shù)尚不成熟。電火花毛化（Electron Discharge Texturing，EDT）工藝成熟，毛化效率高、成本較低，應(yīng)用廣泛[20]。

6016鋁合金汽車板采用EDT技術(shù)，毛化軋制后表面呈魚鱗狀，表面粗糙度為（1.0±0.3） μm；對(duì)于不需要毛化的軋制表面，通過(guò)普通軋輥即可實(shí)現(xiàn)，表面稱為軋制光面（Mill Finish，MF），其粗糙度為（0.4±0.2） μm。采用EDT的表面形成很多凸起和凹坑，在靜電涂油后可形成很多小油池儲(chǔ)存潤(rùn)滑介質(zhì)，不僅對(duì)鋁合金板表面有保護(hù)作用，也有利于板的沖壓成形。與MF相比，EDT處理后的表面的具有以下優(yōu)勢(shì)：板材表面的潤(rùn)滑油分布更均勻、附著力更好；提高板材的運(yùn)輸、處理與儲(chǔ)存的性能，降低表面缺陷形成的風(fēng)險(xiǎn)；在板材沖壓車間更易自動(dòng)拆垛；改善板材的成形性能；涂漆后表面均勻美觀。

4.3 鑄軋

鑄軋是鋁合金帶坯的連續(xù)鑄軋法和連鑄連軋法的統(tǒng)稱，是將生產(chǎn)工序連成一條生產(chǎn)線，也稱為短程無(wú)頭軋制（Endless Rolling）、短流程軋制。主要的鑄軋技術(shù)有雙輥式連續(xù)鑄軋、哈茲雷特（Hazelett）雙帶式連鑄連軋、凱撒微型雙鋼帶連鑄連軋、勞納法（CasterⅡ）連鑄連軋、英國(guó)曼式（MAN）連鑄連軋、奧科寧克（原美鋁）MicromillTM連鑄連軋等。奧科寧克公司的MicromillTM技術(shù)取得了130余項(xiàng)專利，產(chǎn)品已在汽車制造中應(yīng)用。與現(xiàn)有鋁合金板相比，MicromillTM技術(shù)生產(chǎn)的鋁合金板材成形性提高40%，強(qiáng)度提高30%，從鋁液到鋁合金卷材的生產(chǎn)時(shí)間由20天縮短至20 min，具有更優(yōu)良的表面質(zhì)量[21]。2016年，美鋁公司與意大利達(dá)涅利公司達(dá)成MicromillTM生產(chǎn)技術(shù)的合作協(xié)議，但近年來(lái)該技術(shù)幾乎銷聲匿跡。不少研究者利用雙輥式連續(xù)鑄軋嘗試生產(chǎn)6016鋁合金汽車板，雖取得了很大進(jìn)展，但生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟[22-25]。

軋制是鋁合金汽車板生產(chǎn)的重要工序，6016鋁合金汽車板普遍采用熱粗+熱連軋生產(chǎn)出熱軋帶材，隨后使用6輥CVC冷軋或冷連軋機(jī)生產(chǎn)至成品厚度，并采用EDT軋制技術(shù)。但這些軋制設(shè)備與控制系統(tǒng)大多需要進(jìn)口，如何實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、降低生產(chǎn)成本是未來(lái)的研究方向。鑄軋流程短、成本低，但因其成形性能不足，表面質(zhì)量差，目前不能實(shí)現(xiàn)鋁合金汽車板材的批量生產(chǎn)。

5 熱處理

熱處理是鋁合金通過(guò)加熱、保溫及冷卻的手段獲得預(yù)期的組織與性能的過(guò)程。熱處理是6016鋁合金汽車板生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括均勻化、退火、固溶淬火及預(yù)時(shí)效。

5.1 均勻化

為減少鋁合金鑄錠化學(xué)成分的偏析和組織的不均勻性，將其加熱到高溫并長(zhǎng)時(shí)間保溫，以消除或減少偏析及殘余應(yīng)力、改善后續(xù)加工性能的熱處理過(guò)程稱為鑄錠均勻化。Fe在6×××系鋁合金中的相有針狀β-AlFeSi相與橢球狀α-AlFeSi相。β-AlFeSi相會(huì)在塑性變形時(shí)產(chǎn)生裂紋，對(duì)鋁合金沖壓產(chǎn)生不利影響。鑄錠均勻化促使β-AlFeSi轉(zhuǎn)化為α-AlFeSi，消除β相產(chǎn)生的負(fù)面影響。崔立治等[26]研究了不同均勻化熱處理時(shí)間對(duì)6016鋁合金組織和性能的影響，確定了6016鋁合金鑄錠均勻化的最優(yōu)工藝為加熱到560 ℃，保溫8 h。鑄錠經(jīng)過(guò)該工藝均勻化熱處理后，軋制熱處理后的板材具有良好的綜合力學(xué)性能。

5.2 退火

退火是將變形鋁合金加熱至再結(jié)晶溫度以上，保溫一段時(shí)間后冷卻，使鋁合金發(fā)生再結(jié)晶，從而消除加工硬化的熱處理過(guò)程。6016鋁合金汽車板成品的平均晶粒度尺寸為30～50 μm，晶粒大小均勻，不僅有利于沖壓成形，且表面不會(huì)因晶粒粗大形成“橘皮紋”表面缺陷，影響涂漆美觀。退火可減輕或消除羅平（Roping）線的不利影響。李大林等[27]研究了冷軋過(guò)程的中間退火對(duì)6016鋁合金表面Roping線和組織性能的影響，結(jié)果表明，450 ℃的中間退火處理可使6016鋁合金板表面Roping線完全消失，且包邊性能最優(yōu)。丁軒等[28]研究了汽車外板用6016鋁合金生產(chǎn)過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律和中間退火工藝對(duì)綜合性能的影響，結(jié)果表明，連續(xù)退火比箱式退火晶粒細(xì)化作用更強(qiáng)，中間退火前冷軋壓下量對(duì)結(jié)晶相破碎效果顯著，中間退火處理弱化了T4P態(tài)板中的不均勻屈服延伸，箱式退火的慢升溫速率和長(zhǎng)時(shí)間保溫導(dǎo)致Mg2Si相沿晶析出并粗化。

5.3 固溶淬火

固溶淬火是指將鋁合金加熱到某一適當(dāng)?shù)臏囟龋⒃诖藴囟缺兀箍扇芙M分充分溶入固溶體中，隨后淬火（風(fēng)淬或水淬），使可溶組分形成過(guò)飽和固溶體的熱處理過(guò)程。鋁合金的固溶溫度原則上根據(jù)相圖中低熔點(diǎn)相共晶溫度和鋁合金的溶解度曲線確定。6×××系鋁合金板的固溶溫度一般為510～579 ℃，固溶時(shí)間應(yīng)該保證析出相能夠充分溶解到基體中，固溶處理后必須立即淬火，形成過(guò)飽和固溶體，防止強(qiáng)化相析出[29]。在實(shí)際生產(chǎn)中，6016鋁合金汽車板固溶溫度多采用530～575 ℃，在保證板材不過(guò)燒的情況下，采用高溫可提高生產(chǎn)效率。6016固溶淬火處理后會(huì)自發(fā)析出彌散性，析出的次序?yàn)椋哼^(guò)飽和固溶體（SSSS），原子團(tuán)簇，紀(jì)尼埃-普雷斯頓（Guinier-Preston，GP）區(qū)，β\"（Al2Mg5Si4），β'（Mg9Si5）、U1、U2、B'，β（Mg2Si）、Si[30]。β\"與β'相與鋁基體共格或半共格，具有強(qiáng)化作用，而β相與鋁基體不共格，無(wú)強(qiáng)化作用。由于高溫固溶淬火，鋁合金板、帶材表面會(huì)產(chǎn)生變形或板形不良，為保證后續(xù)化學(xué)處理和靜電涂油均勻，需進(jìn)行板形拉伸矯直，但會(huì)加速析出物的產(chǎn)生，對(duì)后續(xù)沖壓成形產(chǎn)生不利影響，因此，在保證板形的情況下，使用盡可能小的矯直拉伸率。

5.4 預(yù)時(shí)效

預(yù)時(shí)效是在固溶淬火后，為抑制自然時(shí)效產(chǎn)生的沉淀硬化，使鋁合金過(guò)飽和固溶體預(yù)析出的熱處理過(guò)程。劉蒙[31]研究了固溶淬火+預(yù)時(shí)效+自然時(shí)效制度對(duì)6016鋁合金加工成型及烤漆性能的影響。結(jié)果表明，6016鋁合金固溶淬火后（T4態(tài)）具有一定的自然時(shí)效硬化傾向，不利于加工成型和烤漆硬化。采用預(yù)時(shí)效能抑制自然時(shí)效硬化傾向，明顯提高烤漆的硬化速度和硬化能力。韓欣等[32]對(duì)汽車覆蓋件用6016鋁合金板進(jìn)行了室溫到100 ℃的預(yù)時(shí)效處理，發(fā)現(xiàn)80 ℃×8 h的預(yù)時(shí)效最優(yōu)。雖然生產(chǎn)中常使用60～100 ℃的預(yù)時(shí)效來(lái)抑制自然時(shí)效，但自然時(shí)效產(chǎn)生的沉淀析出依然存在，因此，6016鋁合金汽車板預(yù)時(shí)效完成后，必須在6個(gè)月內(nèi)使用完畢。

熱處理是6016鋁合金汽車板生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，不同的熱處理作用不同，通常與軋制技術(shù)共同調(diào)控晶粒尺寸和織構(gòu)的分布，以獲得優(yōu)良的綜合性能。研究熱處理的機(jī)理，開發(fā)新的鋁合金汽車板熱處理技術(shù)，延長(zhǎng)鋁合金汽車板保質(zhì)期成為重要的研究方向，需盡快推進(jìn)氣墊爐等設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

6 化學(xué)處理

鋁的化學(xué)活性很高，能與空氣中的氧氣迅速反應(yīng)，在自然條件下形成氧化薄膜，但氧化膜不夠均勻致密，因此，經(jīng)常采用化學(xué)處理或電化學(xué)處理的表面處理技術(shù)使鋁材表面產(chǎn)生一層新的均勻的轉(zhuǎn)化膜或鈍化膜，提高鋁合金汽車板的耐蝕性、可焊性與粘接性等。

6.1 堿洗

鋁合金在冷軋制過(guò)程中以軋制油作為介質(zhì)，起到潤(rùn)滑、冷卻和清洗的作用。目前鋁合金冷軋機(jī)均配備軋制油吹掃系統(tǒng)，但在鋁合金板表面依然殘留少量軋制油和鋁粉。在帶材表面進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化前，通常使用堿洗去除。為避免環(huán)境污染以及干擾后續(xù)酸洗工序，堿洗后進(jìn)行1～2級(jí)純水漂洗，去除殘留在鋁板表面的堿液。6016鋁合金汽車板普遍使用達(dá)因筆判定表面是否清洗干凈。

6.2 酸洗

堿洗難以清除鋁合金表面的氧化物與粘鋁層，因此，需要酸洗徹底去除鋁合金板表面的缺陷，為化學(xué)轉(zhuǎn)化處理提供清潔、新鮮的鋁合金基體表面，便于化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層的附著。酸洗工序通常使用硫酸、氫氟酸或硫酸和磷酸以及表面活性劑。為避免環(huán)境污染以及干擾后續(xù)表面處理工序，酸洗后需要進(jìn)行1～2級(jí)純水漂洗，去除殘留在鋁板表面的酸液。

6.3 化學(xué)轉(zhuǎn)化

6016鋁合金汽車板常用的化學(xué)轉(zhuǎn)化法有鈦、鋯鹽轉(zhuǎn)化法，有機(jī)硅烷處理，Alcoa 951?處理，磷化處理，陽(yáng)極氧化等[33]，國(guó)內(nèi)鋁合金汽車板生產(chǎn)廠大都采用鈦、鋯鹽轉(zhuǎn)化法，并用X射線熒光光譜儀檢測(cè)膜重。鈦、鋯鹽法不使用六價(jià)鉻酸鹽，屬于綠化環(huán)保型化學(xué)轉(zhuǎn)化處理方法，化學(xué)處理液主要由含鈦、鋯的金屬鹽、氫氟酸和表面活性劑組成，通過(guò)噴淋、浸漬的方式形成轉(zhuǎn)化膜。膜層主要由鋯、鈦及鋁的絡(luò)合物等組成，如圖4所示，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，化學(xué)轉(zhuǎn)化處理后，用擠干輥擠干，無(wú)需漂洗，然后熱風(fēng)烘干，降低了用水成本。所得轉(zhuǎn)化膜面密度為2～8 mg/m2，膜層均勻穩(wěn)定，與有機(jī)聚合物的結(jié)合力很強(qiáng)，耐腐蝕性能優(yōu)異，且對(duì)材料成形或鋅-磷化處理無(wú)任何負(fù)面影響[34]。有機(jī)硅烷處理、Alcoa 951?處理在北美地區(qū)的鋁加工企業(yè)與汽車主機(jī)廠應(yīng)用廣泛，磷化處理與陽(yáng)極氧化應(yīng)用較少。

6016鋁合金汽車板表面化學(xué)轉(zhuǎn)化處理過(guò)程中，通過(guò)堿洗去除油，酸洗去除氧化皮，普遍采用鋯鹽轉(zhuǎn)化法形成鈍化膜，提高鋁合金汽車板的耐蝕性與粘接性等。鋁合金汽車板的化學(xué)處理藥劑均為國(guó)外品牌，國(guó)內(nèi)對(duì)鋁合金汽車板生產(chǎn)專用化學(xué)藥劑屬于空白，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、無(wú)鉻綠色環(huán)保的化學(xué)處理技術(shù)極其重要。另外，國(guó)內(nèi)對(duì)現(xiàn)有化學(xué)轉(zhuǎn)化成膜機(jī)理與耐腐蝕機(jī)理的研究較為籠統(tǒng)。

7 靜電涂油

鋁合金汽車板采用固體（加熱后呈液態(tài)）或液態(tài)潤(rùn)滑介質(zhì)，不同汽車主機(jī)廠對(duì)潤(rùn)滑介質(zhì)的要求不同，鋁合金汽車板主要潤(rùn)滑介質(zhì)如表4所示。固態(tài)潤(rùn)滑劑又稱干膜潤(rùn)滑劑（Dry Film Lubricants，DFL），在鋁合金汽車板生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，無(wú)需清洗即可直接進(jìn)行粘接。通過(guò)靜電涂油機(jī)對(duì)6016鋁合金汽車板進(jìn)行預(yù)潤(rùn)滑（潤(rùn)滑介質(zhì)在沖壓成形后很容易除去）以及對(duì)板表面進(jìn)行涂層（該涂層留在成形工件表面，起到抗腐蝕的作用，有利于表面粘結(jié)處理），可顯著提高鋁板的沖壓成形性能。鋁合金汽車板材專用生產(chǎn)線通常配備靜電涂油機(jī)，但大多設(shè)置在預(yù)時(shí)效爐后，對(duì)不需要預(yù)時(shí)效處理的板材可直接涂油，而對(duì)需要預(yù)時(shí)效處理的6016鋁合金汽車板，由于預(yù)時(shí)效溫度為60～100 ℃，會(huì)使涂油揮發(fā)，且卷取后會(huì)造成鋁卷端面涂油流動(dòng)，不滿足涂油標(biāo)準(zhǔn)，因此，預(yù)時(shí)效處理的板材需要在預(yù)時(shí)效完成并降低至室溫后，轉(zhuǎn)移至其他生產(chǎn)線，如重卷機(jī)、切邊機(jī)，進(jìn)行靜電涂油。

Gruber 等[35] 以涂有Multidraw Drylube E1的6016鋁合金汽車板為基材，研究了干膜潤(rùn)滑劑（Dry-Film Lubricants）對(duì)汽車行業(yè)用6xxx鋁合金粘接接頭的粘結(jié)強(qiáng)度和腐蝕行為的影響。結(jié)果表明，干膜潤(rùn)滑劑對(duì)粘附鋁樣品的耐腐蝕性能以及金屬-粘附界面腐蝕滲透的影響顯著。

使用靜電涂油機(jī)對(duì)6016鋁合金汽車板進(jìn)行預(yù)潤(rùn)滑，能夠顯著提高鋁板的沖壓成形性能與耐腐蝕性能，通常采用干膜潤(rùn)滑。研究潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)后續(xù)沖壓成形、焊接及粘接的影響，對(duì)汽車鋁板應(yīng)用具有重要意義。但當(dāng)前潤(rùn)滑介質(zhì)與涂油機(jī)均為國(guó)外進(jìn)口。

8 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)6016鋁合金汽車板的化學(xué)成分、熔鑄、軋制、熱處理、化學(xué)處理、靜電涂油等全流程生產(chǎn)技術(shù)的探討，闡述了各工序的基本原理、技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展。主要得出以下結(jié)論：

a. 為提高6016鋁合金汽車板的烤漆硬化響應(yīng)性能，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中多選擇Si過(guò)剩的6016鋁合金，有針對(duì)性地加入稀有或稀土元素改善鋁合金化學(xué)成分，有利于提升鋁合金性能。

b. 熔鑄是鋁合金汽車板生產(chǎn)的首要工序，其鑄錠質(zhì)量直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。采用雙級(jí)CFF過(guò)濾可兼顧過(guò)濾效果與生產(chǎn)成本。

c. 軋制是6016鋁合金汽車板生產(chǎn)的重要技術(shù)，6016鋁合金汽車板的生產(chǎn)大都采用熱粗+熱連軋生產(chǎn)出熱軋帶材，隨后采用6輥CVC冷軋或冷連軋機(jī)生產(chǎn)至成品厚度。鋁加工企業(yè)普遍采用工藝成熟且成本較低的EDT技術(shù)。盡管鑄軋技術(shù)流程短且成本低，但目前不能實(shí)現(xiàn)汽車板材的批量生產(chǎn)。

d. 熱處理是6016鋁合金汽車板生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，不同的熱處理工藝作用不同，通常與軋制技術(shù)共同調(diào)控晶粒尺寸與織構(gòu)的分布，以獲得優(yōu)良的綜合性能。

e. 6016鋁合金汽車板表面化學(xué)轉(zhuǎn)化處理中，通過(guò)堿洗除油、酸洗去除氧化皮，普遍采用鋯鹽轉(zhuǎn)化法形成鈍化膜、提高鋁合金汽車板的耐蝕性與粘接性等。

f. 使用靜電涂油機(jī)對(duì)6016鋁合金汽車板進(jìn)行預(yù)涂油能顯著提高鋁板的沖壓成形性與耐腐蝕性能，干膜潤(rùn)滑油在鋁合金汽車板生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

為進(jìn)一步拓寬6016鋁合金汽車板的應(yīng)用范圍，后續(xù)研究方向有：

a. 添加新的化學(xué)元素，提高鋁合金汽車板的綜合性能。

b. 開發(fā)新的熔鑄技術(shù)及其過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化。

c. 推進(jìn)鋁合金鑄軋汽車板生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，降低生產(chǎn)成本。

d. 研究熱處理的機(jī)理，開發(fā)新的鋁合金汽車板熱處理技術(shù)，延長(zhǎng)鋁合金汽車板保質(zhì)期。

e. 研究鋁合金汽車板化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)理，開發(fā)新型綠色環(huán)保型轉(zhuǎn)化處理技術(shù)。

f. 鋁合金汽車板生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研究與替代。

g. 使用CAE模擬鋁合金汽車板生產(chǎn)工藝條件，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

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