鋁合金汽車板的預(yù)處理工藝

鋁合金汽車板的預(yù)處理工藝

1國內(nèi)外鋁合金發(fā)展趨勢自2000年以來，中國的汽車工業(yè)迅速發(fā)展，汽車產(chǎn)量迅速增長。2009年,中國汽車產(chǎn)銷量已達(dá)1364萬輛,產(chǎn)銷量均躍居世界第一。汽車保有量已超過7000萬輛,節(jié)能減排刻不容緩。大量的試驗和理論分析已經(jīng)表明,汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的重要手段。對乘用車每減重10%,可節(jié)油6%～8%,排放降低4%,輕量化的實施可以通過優(yōu)化設(shè)計、合理選材以及先進(jìn)的工藝技術(shù)實施。鋁合金是重要的輕量化材料,其比重為2.78g/cm3(僅為鋼的1/3),典型的鋁質(zhì)零件一次減重效果可達(dá)30%～40%,二次減重則可進(jìn)一步提高到50%;目前鋁合金應(yīng)用有鑄件、擠壓材、鍛件和變形板材等。1995—2000年,鋁合金在汽車上的應(yīng)用增長了80%。鋁合金具有高的強(qiáng)重比,如要達(dá)到AA5128同樣的強(qiáng)重比,鋼的抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)750MPa;在汽車中,采用鋁零件所節(jié)省的能量是生產(chǎn)該零件所用原鋁生產(chǎn)耗能的6～12倍。2006年歐、美、日等國家和地區(qū)的小汽車平均用鋁量已經(jīng)達(dá)到127kg/輛;歐洲鋁協(xié)預(yù)測,2015年前,歐洲小汽車用鋁量將增至300kg/輛。應(yīng)用鋁合金可以降低排放,轎車中每使用1kg鋁,可使轎車使用壽命期內(nèi)減少20kg尾氣排放。此外,鋁合金還是綠色環(huán)保材料,可循環(huán)回收,對鋁合金汽車零件全壽命周期的能耗和CO2排放的評估表明:鋁合金是很有發(fā)展前景的綠色汽車制造材料。2009年的歐洲車身會議資料上報導(dǎo),一些典型車型應(yīng)用變形鋁合金已達(dá)25～30kg。采用鋁合金板材制作發(fā)動機(jī)罩蓋就可以明顯減少二次碰撞對行人的傷害,有利于汽車碰撞對行人保護(hù)的法規(guī)的實施。文章將對汽車用變形鋁合金性能及應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)論述,并提出鋁合金汽車板進(jìn)一步的研發(fā)方向。2鋁合金汽車板的強(qiáng)度2.1鋁合金板式材料特性目前鋁合金汽車板主要有兩個系列:6000系和5000系,其典型牌號的合金成分列于表1。兩個系列典型牌號的鋁合金板材設(shè)計概念基本成分和性能特點列于表2;其典型牌號的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率下的力學(xué)性列于表3。鋁合金汽車板的流變曲線拉伸斷裂后的試樣及其和軟鋼的對比見圖1。從圖1可以看出:鋁合金汽車板的均勻延伸率和總延伸率均低于軟鋼,特別是均勻延伸和縮頸延伸均遠(yuǎn)低于軟鋼。2.2應(yīng)變速率對al-mg合金拉伸性能的影響材料的高應(yīng)變速率下的響應(yīng)特性對于沖壓模擬,尤其是所制汽車構(gòu)件的碰撞模擬是很重要的力學(xué)參量。鋁合金的高應(yīng)變速率的本構(gòu)特性亦是電磁成形時應(yīng)考慮的一個參量,這時應(yīng)變速率已高達(dá)3500s-1,從而可以獲得比AA5754和AA6111成形極限圖上的極限應(yīng)變更高的成形參量;這種結(jié)果與電磁成形時工具和板材的交互作用,塑性的模具穩(wěn)定性以及材料的應(yīng)變速率敏感性有關(guān)。因此已有一系列工作來研究鋁合金汽車板材的應(yīng)變速率敏感性。通常認(rèn)為,鋁合金的應(yīng)變速率敏感性是低的。然而,許多研究表明:室溫下當(dāng)應(yīng)變速率高于1×103s-1時,Al或鋁合金的應(yīng)變速率敏感性增加,純Al的室溫下的應(yīng)變速率敏感性是適中的,流變應(yīng)力和應(yīng)變速率的對數(shù)呈線性關(guān)系,在應(yīng)變速率高于1×103s-1時,應(yīng)變速率敏感性增加。然而,隨著合金量增加或加工工藝的變化(如熱處理和冷加工)都會降低室溫下的應(yīng)變速率的敏感性,合金AA6061在峰值時效狀態(tài)下有類似的結(jié)果,當(dāng)AA6061合金在過時效狀態(tài),應(yīng)變速率高于1×103s-1時,其應(yīng)變速率敏感性有增加。在AA6082,AA7108和AA7075合金中也觀察到類似的趨勢。將不同Mn含量(1.8%～8.4%)的高純度Al-Mg合金的擠壓材,加工成啞鈴狀試樣,進(jìn)行1×10-4～2×103s-1應(yīng)變速率下的拉伸試驗,結(jié)果表明:在應(yīng)變速率高于1×102s-1時,塑性應(yīng)變?yōu)?.2%的屈服強(qiáng)度隨Mn含量增加而增加,但在應(yīng)變速率低于1×102s-1時,這種關(guān)系不明顯;而且各種應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀無明顯變化。在應(yīng)變速率為1×10-3s-1和速率1×101s-1之間純Al的最大流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加而增加,而Al-Mg合金則隨應(yīng)變速率增加而下降。但在應(yīng)變速率超過1×101s-1時,除Al-8%Mg合金之外,全部Al-Mg合金的最大流變應(yīng)力均隨應(yīng)變增加而增加。對AA5182的熱軋板的不同應(yīng)變速率下的流應(yīng)力進(jìn)行了檢驗,結(jié)果表明,在應(yīng)變小于5%時,流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加而增加;當(dāng)變形繼續(xù)增加,在應(yīng)變速率在1×10-3s-1和1×103s-1時,最大流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加而降低,當(dāng)應(yīng)變速率高于1×103s-1時,則最大流變應(yīng)力隨速率增加又開始上升,而總延伸率則隨應(yīng)變速率增加而增加;在應(yīng)變速率達(dá)到2×103s-1時,總延伸率高于40%,而在應(yīng)變速率為1×102s-1時,大約為30%。對AA5454的正火態(tài)和H34狀態(tài)的應(yīng)變速率敏感性試驗表明:應(yīng)變速率對這兩個狀態(tài)的AA5454的屈服強(qiáng)度影響很小,但使總延伸率明顯上升。這種延伸率增長與縮頸后出現(xiàn)的變形有關(guān),是由延性失效機(jī)理的時間相關(guān)性所引起的。文獻(xiàn)研究了AA5754和AA5182板材在準(zhǔn)靜態(tài)(QS—3.310-3s-1)和應(yīng)變速率為1,100,600,1500s-1的拉伸性能,材料的板原為1.6mm,沿軋制方向取樣,數(shù)據(jù)用Johson-cook方程處理。AA5754和AA5182是非熱處理的加工硬化Al-Mg合金,主要用于車身結(jié)構(gòu)件和內(nèi)板,合金成份列于表4。合金中的第二相為富Fe相和富Mn相,未變形的AA5182比AA5754中含有更高的第二相,且粒子尺寸更大。AA5754和AA5182中第二相的百分?jǐn)?shù)分別為0.60%和0.98%。普通力學(xué)性能試驗在電流伺服試驗機(jī)上進(jìn)行,而高速拉伸在TSHB(拉伸Hopninson桿)上完成。在進(jìn)行拉伸試驗時,標(biāo)距長將明顯影響總延伸值,對鋁合金變速拉伸變形時,這點影響更為明顯。試樣選用標(biāo)距部分12.5mm×1.75mm啞鈴試樣,不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力和對數(shù)應(yīng)變的試驗曲線見圖2,圖中QS的應(yīng)變速率為3.3×10-3s-1。從圖2(a)可以看出:在較高的應(yīng)變速率下,與準(zhǔn)靜態(tài)的應(yīng)變速率下(QS)的流變應(yīng)力相比有一定的增長,但在600s-1和1500s-1的應(yīng)變速率下,流變應(yīng)力幾乎在同一水平,這與文獻(xiàn)中的結(jié)果類同;但AA5182在所試驗的應(yīng)變速率范圍內(nèi),流變應(yīng)力對應(yīng)變速率是不敏感的,硬化速率幾乎沒有變化,見圖2(b)。在應(yīng)變速率為1500s-1,試驗溫度(23,50,150,300℃)對流變應(yīng)力的影響見圖3。由圖3可以看出,在這一應(yīng)變速率下,兩個合金的應(yīng)力應(yīng)變特性隨溫度的變化表現(xiàn)有類似趨勢,即從室溫到150℃之間流變應(yīng)力有輕微的下降,但在300℃,兩個合金的流變應(yīng)力有明顯的下降,即溫度升高,硬化速率下降,導(dǎo)致流變應(yīng)力較低。變形過程中應(yīng)變對試驗溫度的影響可以作為一個絕熱熱過程來處理,實驗材料的溫度升高是由于塑性變形引起,塑性功部分轉(zhuǎn)化為熱量,其溫升可由式(1)計算:ΔT=β1ρCp∫εpoσdεpΔΤ=β1ρCp∫oεpσdεp(1)式(1)中,β為總的塑性功轉(zhuǎn)向為熱的部分,試驗得出β的平均值為0.95;ΔT為由于塑性變形引起的溫度增長量;Cp為試驗材料的熱容;ρ為材料密度;σ為單軸拉伸流變應(yīng)力;εp為軸向的塑性應(yīng)變,而積分表示全部塑性功。利用式(1)計算的AA5754室溫變形時的溫升大約為26.5℃,而對于AA5182為31℃,這樣的溫升對試驗結(jié)果和趨勢影響不大。總伸長由斷裂后的試樣直接測定。兩種板材的延伸率和應(yīng)變速率的關(guān)系有類似趨勢,見表5,即當(dāng)應(yīng)變速率增加時,總伸長率也明顯增加,而AA5754比AA5182的延伸率隨應(yīng)變速率增長更加明顯。在恒定的應(yīng)變速率1500s-1下,延伸率和溫度的關(guān)系列于表6。表6中數(shù)據(jù)表明,在試驗溫度150℃以下,兩個合金的延伸率沒有明顯變化,然而,當(dāng)試驗溫度為300℃時,延伸率明顯下降。應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度對Von,Mises流變應(yīng)力的影響,通常用Johnson-cook經(jīng)驗本構(gòu)模型模擬,并可表示為:σ=[A+Bεnp1][1+Clnε?˙][1?T?m]σ=[A+Bεp1n][1+Clnε*˙][1-Τ*m](2)式(2)中εp1為有效塑性應(yīng)變;ε˙?=εp1?/ε0˙ε˙*=εp1?/ε0˙,ε˙?ε˙*為尺度塑性應(yīng)變率或者是被參考塑性應(yīng)變率ε˙0ε˙0歸一化的塑性應(yīng)變率;T*是由下列方程所給定的均質(zhì)溫度表達(dá)式:T*=(T-T室)(T熔-T室);A,B,C,n,m是擬合給定材料數(shù)據(jù)求得的常數(shù)。式(2)第一項表示了在給定應(yīng)變速率下的材料加工硬化特性,第二和第三項分別表達(dá)到應(yīng)變速率和溫度的敏感性;應(yīng)用非線性回歸程序用式(2)擬合試驗數(shù)據(jù),求得式(2)中的各常數(shù)列于表7。光學(xué)和SEM觀察表明:AA5754和AA5182在拉伸變形時的失效模式為延性剪切失效,其縮頸量和損傷量隨應(yīng)變速率而增加,損傷是孔洞在第二相上的萌生長大和粗化過程的結(jié)果,在臨近斷口表面的部位其塑性應(yīng)變和水靜壓力是最高的,對斷口表面韌窩內(nèi)的粒子檢測表明:孔洞是由于第二相粒子的斷裂或第二相粒子和基體交界面的脫聚而形成;能譜檢測表明:第二相粒子是富Fe和Mn的金屬間化物相。應(yīng)變速率對AA5754和AA5182的縮頸斷口形貌和孔洞的影響見圖4,高應(yīng)變速率使斷口附近的空洞率明顯上升。已經(jīng)表明:回歸擬合參數(shù)計算的曲線和試驗結(jié)果具有良好的一致性。3化的能力的測定板材的成形性是指為生產(chǎn)一個滿意的最終產(chǎn)品,在沖壓過程中鋼板承受形狀變化的能力。其成形性可以通過成形性試驗進(jìn)行評價,成形性試驗可以分為有幾何約束的成形性試驗和無幾何約束的成形性試驗。在鋼鐵材料中,為評價各類板材的成形性已有大量試驗結(jié)果,但鋁合金板材的成形性試驗結(jié)果的報導(dǎo)還較少。3.1單軸拉伸下的成形參量單軸拉伸試驗是評價材料成形性的最常用的試驗,為提高板材的成形性,希望板材具有較低的屈強(qiáng)比,較高的加工硬化速率、均勻延伸率以及n值(應(yīng)變硬化指數(shù))和r值(塑性應(yīng)變比);5000系和6000系合金的單軸拉伸下典型的成形參量見表8。可以看出:鋁合金汽車板在同樣強(qiáng)度下和鋼鐵材料相比,其均勻延伸率、r值均低于后者,但n值仍然較高,并具有較高的FLD;因此,鋁合金仍具有一定的成形性,可以沖壓成汽車的外覆蓋件。3.2鋁合金面板的成形性能成形極限曲線是表征材料在多種應(yīng)力狀態(tài)下的成形性的一種表征;或者是汽車板材基本處于平面應(yīng)力條件下,塑性失穩(wěn)或斷裂的最大主應(yīng)變與次主應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系曲線。測量FLC曲線的方法是圓頂沖頭延展試驗,幾種鋁合金和軟鋼的成形極限曲線對比見圖5,其鋁合金板材相應(yīng)的性能見表3和表8。文獻(xiàn)曾研究了不同牌號鋁合金板材的軟化態(tài)和硬化態(tài)的成形極限圖。所用材料為3004及5052的1mm厚的鋁板,處理工藝和性能列于表9,其相應(yīng)的成形極限圖見圖6。從圖6可以看出:不論3系或者5系的鋁合金,硬化狀態(tài)的成形性均遜于軟化狀態(tài)的成形性,文獻(xiàn)還研究了不同應(yīng)變路徑對鋁合金板材成形性的影響,采用的路徑見圖7;圖8示出了3004-0狀態(tài)和5052-0狀態(tài)的板材經(jīng)應(yīng)變路徑Ⅰ變形之后的成形極限圖的對比;可以看出,經(jīng)等雙軸拉伸變形隨之單軸拉伸變形的試樣和單一的應(yīng)變路徑相比,可以提高靠近平面應(yīng)變變形區(qū)的極限應(yīng)變;而第二個應(yīng)變路徑試驗結(jié)果表明:在單軸拉伸變形之后,隨之雙軸拉伸變形的試樣和單一應(yīng)變路徑相比,可以提高從雙軸拉伸到單面應(yīng)變變形區(qū)的極限應(yīng)變。3.3材料的拉伸性能許多汽車零件經(jīng)沖壓成形,并具有較雜的幾何形狀。在沖壓時,成形零件同時承受延展和深拉延變形的綜合,而表征這種成形性的試驗為延展和深拉延實驗。通常軟鋼汽車板由于具有高的n值(0.20～0.28)、高的r值(1.5～2.4),且總延伸率大于40%,因此具有高的深沖和延展成形性;而鋁合金的r值通常在0.7～0.8,總延伸率只有20%～30%,因此研究鋁合金深沖成形性,對汽車用鋁合金開發(fā)和應(yīng)用具有特殊意義。Jain等研究了汽車鋁合金板的深拉延和延展成形性,所用的實驗裝置見圖9。試驗用材料為:AA5754-0和AA6111-T4,合金的單軸拉伸下的性能列于表10。AA5754含有3%Mg產(chǎn)生固溶強(qiáng)化,并產(chǎn)生高的應(yīng)變硬化速率。AA6111是沉淀強(qiáng)化的Al-Mg-Si-Cu合金。經(jīng)鑄軋后,最后冷軋至1.55mm。經(jīng)530℃的溫度固溶,保溫時間足以使Mg,Cu,Si固溶,經(jīng)快速淬火和幾個星期的自然時效,檢測單軸拉伸性能列于表11;為使摩擦系數(shù)恒定,在板材兩邊加上0.127mm的Teflon塑料薄膜。試驗時通過特定的斷裂時的極限載荷而估算極限拉延比LDR(極限拉延高度與試樣直徑之比)。表10給出了不同直徑試樣的沖頭位移和沖頭直徑的關(guān)系?？梢钥闯?對于兩個材料,當(dāng)板坯直徑達(dá)到一定值后,在深拉延時的斷裂之前的載荷極限和板坯的直徑無關(guān),利用這一極限載荷的概念,就可以確定LDR;從圖10也可看出:板坯直徑越大,則達(dá)到極限載荷的沖頭位移量越小。利用這一極限載荷的概念,用3～5個試樣可以快速確定板材的LDR值。利用這種方法確定的不同模子剖面半徑下的所得的AA5754-0和AA6111-T4的LDR試驗值列于表11。可以看出,在同樣的Rd值下,AA5754-0的LDR值高于A6111-T4,這一區(qū)別與兩種材料的加工硬化、冷彎性以及不同的斷裂特點有關(guān)。同時,表11中數(shù)據(jù)也表明兩種材料的LDR值均隨模具的剖面半徑的降低而下降,而AA6111-T4要比AA6111合金更為敏感。這與前者較后者的n值更低以及冷彎性能更差有關(guān)。如在板坯上彩印圓形網(wǎng)格,則可以測量沿深拉延杯的表面的應(yīng)變分布,從而求出不同變形條件下的深拉延杯的剖面的應(yīng)變分布,并以主應(yīng)變和次應(yīng)變?yōu)樽鴺?biāo)畫出這種變形條件下的成形極限曲線。同時,也可用有限元分析對其深沖和延展成形性進(jìn)行預(yù)測。3.4延遲彎曲試驗試驗是模擬板材在延展或拉伸作用下的彎曲的成形性。這種成形性通常采用由Demeki提出的角度延展彎曲或半球延展彎曲的試驗方法進(jìn)行;以測定RtH或tRH條件的沖頭半徑(R)和板材厚度(t)以及板材失效時延展彎曲高度(H)之間的關(guān)系曲線。延展彎曲成形性所用夾具及樣品見圖11;該類型夾具曾用具測量各類先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的角度彎曲成形性,所得的試驗結(jié)果將有助于板材零件的設(shè)計和沖壓工藝的制定。測量延展彎曲成形性的鋁合金面板的性能見表12。板材厚為0.81～2.54mm,203.2mm的方板或長方形板,半球延展彎曲采用試樣為203.2mm的方板或長方形板。半球沖頭半徑為50.8,19,12.7,9.5,6.4,3.2mm。角度延展彎曲試驗,采用壓頭半徑1.6,3.2,6.4,9.5mm,在失效開始時的相對應(yīng)的最大載荷下的延展高度作為失效判據(jù)。幾種試驗材料的半球延展彎曲成形性的試驗結(jié)果見圖12,圖12中示出了彎曲半徑和板材厚度的影響。橫坐標(biāo)的R/t強(qiáng)調(diào)了在彎曲進(jìn)行時的延展性能,而如以t/R做橫標(biāo)作圖,則強(qiáng)調(diào)了在延展進(jìn)行時的彎曲性能;圖13給出了板厚與兩種沖頭直徑的角度彎曲時極限高度的關(guān)系?？梢钥闯?幾種試驗條件下的5182-0和6009-T4的延展彎曲成形性均優(yōu)于2036-T4和6010-T4,對比AK鋼和DP-90T以及HSLA(F50)鋼的數(shù)據(jù),鋁合金AA/5182-0和6009-T4的延展彎曲成形性略遜于HSLA-F50和DP-90T,但遠(yuǎn)低于低碳軟鋼AK鋼。所展示的一些成形性,可以作為鋁合金延展彎曲成形時的設(shè)計參考。3.5v型彎曲裝置的回彈性能由于鋁合金板材的初始加工硬化性能高于軟鋼,因此其冷彎時的回彈也大于軟鋼。一些鋁合金牌號的回彈和軟鋼板的對比見圖14(a);其回彈角的試驗裝置和測量方法見圖14(b)。不同的彎曲半徑下鋁合金回彈角較軟鋼板大2～3倍,這一特點,在設(shè)計鋁合金沖壓模具時必須充分考慮。文獻(xiàn)曾研究了AA6022,AA6082,AA6111,A6016等合金的的回彈特性;合金AA5754-0具有很好的成形性和抗蝕性,文獻(xiàn)中研究了5754-0狀態(tài)的鋁合金板的回彈,板材供貨狀態(tài)的屈服強(qiáng)度為104.6MPa,經(jīng)10%,20%,30%冷軋后的屈服強(qiáng)度分別為(沿軋向):189,208,268MPa,在圖15所示的V型彎曲裝置上進(jìn)行變形并測量變形后構(gòu)件的回彈角,試驗裝置配有合適半徑的沖頭,將裝置放在Instron4469試驗機(jī)上。試樣為長方形帶狀試樣,127mm×25.4mm,沖頭半徑R為:3.18,4.35,12.7mm,以研究彎曲半徑對回彈的影響;模子底部有方型槽,以防止底部板材受到壓縮,模子上部有兩個鋼塊,以施加在試樣上不同壓力(即夾緊扭矩)。測量V型成型樣品底部90°角的變化作為回彈參量。彎曲半徑、夾緊力和冷加工對回彈的影響見表13。表13中數(shù)據(jù)可以看出,冷加工使回彈量增加,這與冷加工增加屈服強(qiáng)度,減薄厚度有關(guān);即冷加工使YS/E增加,同時也使R/t的值增加,這些都增加回彈量;而屈服強(qiáng)度增加的影響更大。同樣厚度下,沖頭彎曲半徑R增加,則回彈也增加,這與隨R增加,彈性帶的寬度增加有關(guān)。Schey曾提出了估算回彈的公式(3)和(4)。rirf=1?3(rit×ysE)+4(ritysE)3rirf=1-3(rit×ysE)+4(ritysE)3(3)αfαi=(ri+t2)(rf+t2)αfαi=(ri+t2)(rf+t2)(4)ri—回彈前的初始半徑;rf—回彈后的最終半徑;ys—殘留變形為0.2%的屈服強(qiáng)度;E—彈性模量;ai—回彈前的初始角度;af—回彈后的最終角;t—板材厚度。式(3)表明:ri/t或ys/E增加將增加回彈rf,按式(4)當(dāng)rf增加時,αf也增加,其回彈量(αi-αf)也將增加;圖16示出了式(3),(4)計算的回彈量和ys/E的關(guān)系,理論預(yù)測值和試驗值具有很好的一致性。3.6材料的起實行邊力5000系和6000系及軟鋼的碗狀試樣沖壓成形時的開裂/起皺的極限高度與壓邊力的關(guān)系見圖17。從圖17可以看出:在低壓邊力下,3種材料起皺的極限高度沒什么區(qū)別;但在高壓邊力(BHF)時,由于鋁合金樣品產(chǎn)生開裂而不能使成形高度進(jìn)一步提高。因此,在模具設(shè)計時,對于鋁合金板材沖壓成形,應(yīng)在較低的壓邊力下(BHF)進(jìn)行。3.7翻邊延性和孔脹成形性板材在沖壓翻邊時,抵抗開裂的特性稱之為翻邊延性。作為汽車外覆零件,在沖壓成形后,要進(jìn)行翻邊加工工序,如發(fā)動機(jī)蓋板的內(nèi)外板的合成等均采用翻邊工藝,因此要求鋁合金板材應(yīng)具有良好的翻邊延性,以保證在翻邊成形時不發(fā)生開裂。板材的翻邊延性和板材的總延伸率有關(guān),也與材料的內(nèi)部組織有關(guān)。翻邊延性可用冷彎來檢測,但通常的冷彎并未考慮到應(yīng)變速率敏感性,而沖壓翻邊時則變形較快,應(yīng)變速率較大,從而對翻邊延性有更高的要求。按現(xiàn)代的物理冶金和力學(xué)冶金的進(jìn)展和理念,改善翻邊性能或孔脹成形性的方法是:a.采用納米粒子強(qiáng)化,并且材料的性能盡可能為各項同性;b.如果是板材組織有兩項組織強(qiáng)化,則兩相組織的性能應(yīng)盡可能相近。目前鋁合金汽車外板和內(nèi)板的連接方式多數(shù)為翻邊連接。變形鋁合金尤其是用作汽車外板的變形鋁合金板材更應(yīng)具有良好的翻邊延性。晶粒細(xì)化而均勻,第二相細(xì)化等是提高翻邊延性的重要因素。4影響汽車鋁板性能和形狀的因素4.1加工后的鋁合金用于汽車板的變形鋁合金板材主要是5000系和6000系;5000系主要是由于鎂原子的固溶強(qiáng)化,晶粒細(xì)化強(qiáng)化以及少量銅原子固溶和析出強(qiáng)化,該系具有良好成形性。但5000系鋁合金室溫放置時,易出現(xiàn)屈服點伸長(或lüders伸長),沖壓成形后表面起皺,影響外觀;而且Fe的增加會明顯惡化該系鋁合金的延展性和冷彎性能;由于無烘烤硬化性,油漆烘烤后易發(fā)生軟化,從而影響零件的抗凹性。6000系合金以Si,Mg作為合金元素(6111合金還加入Cu作為合金元素),這類鋁合金是靠Si,Mg在固溶處理后時效的析出作為強(qiáng)化手段的可熱處理強(qiáng)化的鋁合金板材,這類板材在預(yù)處理狀態(tài)下具有良好的成形性,無屈服點伸長,適合作汽車外板,并具烘烤硬化性,在油漆烘烤后,具有高的流變應(yīng)力,零件具有高的抗凹性;但發(fā)生時效后會導(dǎo)致翻邊延性下降和成形性惡化。4.2t4pd工藝及熱壓工藝專利鋁合金板材的制造工藝已有一些專利申請和發(fā)表,如“冷軋耐蝕鋁合金板材(WO95/31580和US.Patent6.129792)”,“鋁合金及制造鋁合金板的方法(WO96/03531)”,“可熱處理強(qiáng)化的鋁合金板的制造工藝(WO00/03052)”,“沖壓鋁合金產(chǎn)品的熱處理(WO00/70115)”,“具有良好彎曲性能的鋁合金板材的制造方法(WO02/090609)”,這些專利針對不同成份系的鋁合金板材的性能改善提出了相應(yīng)的處理工藝方法;所述指標(biāo)與汽車變形鋁合金板材的綜合性能要求亦還有一定差異?！昂婵居不瘍?yōu)異的Al-Mg-Si系鋁合金板的制造方法(200480042140.X)”為日本學(xué)者在中國申請的專利,重點保護(hù)鋁合金板材薄帶連鑄,無需均質(zhì)處理的相關(guān)技術(shù),以此獲得細(xì)晶粒和均勻組織;加拿大學(xué)者在中國申請的專利,重點為雙帶連鑄、熱軋、冷軋的Al-Si-Cu鋁合金板材的制造方法;專利中以熱通量的下限值定義的雙帶連鑄的內(nèi)涵。專利重點介紹鋁合金板材在固溶處理后,將板材加熱到100～300℃范圍內(nèi),保溫1min以內(nèi),然后快速冷至85℃下,以獲得良好成形性和烘烤硬化性的工藝;專利提出冷軋后的預(yù)處理為450℃以上的固溶處理,淬火后室溫時效1h,再于180～300℃不降低電導(dǎo)率的范圍內(nèi)實施短時間處理,得到與板面平行的晶粒不大于90μm,與垂直于軋向的晶粒大小的長度比值為1～4,含Mg和Si的化合物的平均最大長度不大于10μm,可獲得良好成形性和烘烤硬化性;專利提出了一種6111板材的預(yù)熱處理工藝,以改善其成形性和烘烤硬化性,經(jīng)固溶處理水淬后,時效溫度在180～200℃之間,時間為7～15min;該專利用于6111鋁合金,經(jīng)這種處理后,強(qiáng)度較高,成形效果和其他鋁合金相比尚需提高;專利針對6022和6016的預(yù)處理技術(shù),包括固溶處理工藝、時效工藝等;通過預(yù)處理工藝改善了板材的力學(xué)性能,使板材的成形性和烘烤硬化性及抗時效穩(wěn)定性合理匹配,并使沖壓構(gòu)件具有高的抗凹性,滿足汽車零件的使用要求。由于相關(guān)專利技術(shù)的保密性,使得專利真正的使用價值受到影響;因此,真正合適的鋁合金汽車板的成份,相適用的工藝技術(shù)還需要生產(chǎn)應(yīng)用者的具體試驗結(jié)果進(jìn)行制定。中國汽車工程研究院結(jié)合國家“八六三”項目和企業(yè)的合作,對6016T4Pd處理后的性能進(jìn)行了研究,其力學(xué)性能列于表14,由表中數(shù)據(jù)可以看出:經(jīng)T4Pd處理和冷軋狀態(tài)相比,其綜合力學(xué)性能明顯改善;預(yù)處理工藝是6000系變形鋁合金板材的關(guān)鍵工藝過程,有關(guān)預(yù)處理工藝應(yīng)包括固溶溫度,冷卻模式和預(yù)時效工藝,預(yù)時效前的停留時間等,這些工藝參數(shù)對變形鋁合金性能都有明顯影響,有關(guān)研究成果將會陸續(xù)發(fā)表。4.3第二相大小對材料力學(xué)性能的影響對于6022和6016鋁合金而言,晶粒大小對力學(xué)性能有明顯影響,并影響其預(yù)處理效果。在其他條件類同的情況下,(細(xì)晶粒直徑50～70μm左右),將具有良好的綜合機(jī)械性能;預(yù)處理后,可望具有較好的成形性。第二相的大小和分布,將明顯影響翻邊延性(即Heming性能);當(dāng)具有細(xì)小,均勻分布的Mg,Si,Mn的化合物時,板材具有良好的翻邊延性,如果具有粗的,且呈尖角或立方形形狀的夾雜物,在沖壓翻邊時很難避免開裂。中汽院近期關(guān)于不同晶粒直徑和不同第二相大小的6016的板材的力學(xué)性能試驗結(jié)果見表15。從數(shù)據(jù)可以看出:晶粒細(xì)化和第二相細(xì)化可以明顯改善力學(xué)性能,即強(qiáng)度提高,延性改善。4.4材料的延伸率和壓邊力自然時效對6022系鋁合金力學(xué)性能的試驗結(jié)果見表16。表16中數(shù)據(jù)可以看出:放置7天到3個月,板材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯上升,而在3個月之后幾乎沒有變化,放置一年內(nèi),板材的延伸率完全沒有變化。自然時效對鋁合金汽車覆蓋件內(nèi)板沖壓時達(dá)到成形極限的高度時的壓邊力(BHF)完全沒有影響。自然時效對翻邊成形性有明顯影響,從預(yù)處理后到3個月之內(nèi)的自然時效,隨時間延長,橫向翻邊延性從好變到中等水平,縱向翻邊延性仍在較好水平,而橫向翻邊延性變得較差;但自然時效3個月后隨時間延長,翻邊延性不再發(fā)生變化。4.5成分配非壓壓件的表面變形鋁合金板材在室溫存放時不發(fā)生時效的特性稱之為抗時效穩(wěn)定性。因為時效在拉伸變形時會出現(xiàn)屈服點伸長,即lüders帶,從而在沖壓時造成表面變形不均和起皺,影響沖壓件的外觀;板材從生產(chǎn)出廠到構(gòu)件沖壓成形往往需要運輸和儲存一段時間,通常要求板材在室溫存放6個月而不發(fā)生時效,即具有抗時效穩(wěn)定性,預(yù)處理是提高鋁合金汽車板抗時效穩(wěn)定性的有效方法,經(jīng)預(yù)處理后的6000系鋁合金具有良好的抗時效穩(wěn)定性(見表16)。4.6試驗材料的選擇汽車沖壓件在沖壓后經(jīng)油漆烘烤處理而產(chǎn)生時效,使屈服強(qiáng)度上升的特性稱之為烘烤硬化性。高的烘烤硬化將會賦予零件高的抗凹性。由于目前大部分汽車企業(yè)的油漆烘烤方法是針對鋼板的油漆烘烤工藝,而鋁合金的油漆烘烤硬化性能和鋼的明顯不同,因此希望鋁合金板的烘烤硬化性可和鋼板的油漆工藝兼容;材料的烘烤硬化性可按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定。烘烤硬化性通常是以單軸拉伸試樣預(yù)應(yīng)變2%,然后于170～180℃,烘烤30min,測量其屈服強(qiáng)度增量來衡量;而鋁合金板材的烘烤硬化性和合金系列、預(yù)處理工藝以及烘烤工藝(溫度和時間)均有關(guān)系。合金6022板材經(jīng)合適的預(yù)處理,經(jīng)2%的預(yù)應(yīng)變,其屈服強(qiáng)度和烘烤溫度與保溫時間的關(guān)系見圖18。由圖18可以看出,當(dāng)烘烤溫度一定時,隨烘烤時間的延長,烘烤硬化量上升,如烘烤時間一定(30min),則100℃以下烘烤對屈服強(qiáng)度影響不大,但在高于150℃時,則屈服應(yīng)力迅速上升。4.7汽車車輪覆蓋件動態(tài)抗凹性能測試與分析板材和構(gòu)件抵抗外力和物件壓入而不發(fā)生凹陷或永久變形的能力稱為抗凹性?？拱夹曰虬己劭沽t與材料的流變應(yīng)力σf有關(guān),也與材料厚度t有關(guān),并可表示為:Pt=kσnft?n=12~12.5(5)Ρt=kσfnt?n=12~12.5(5)作為零部件的抗凹性還與零件剛度和結(jié)構(gòu)有關(guān)。板材或者汽車覆蓋件的凹痕抗力是指抵抗由于準(zhǔn)靜態(tài)加載(或能量)、外加載荷沖擊或外加能量作用而抵抗產(chǎn)生的塑性變形的抗力。由于多數(shù)材料對高速沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)載荷的響應(yīng)不同,故凹痕抗力又分為靜態(tài)凹痕抗力和動態(tài)凹痕抗力。靜態(tài)凹痕抗力作用是表征板材或者汽車覆蓋件抵抗準(zhǔn)靜態(tài)載荷而產(chǎn)生塑性變形的抗力,該性能主要與局部作用力有關(guān),載荷作用力是影響靜態(tài)抗凹性能的主要因素;動態(tài)凹痕抗力是表征板材或者汽車覆蓋件抵抗高速沖擊產(chǎn)生塑性變形的能力;沖擊物體的動能和動量是影響這一性能的重要因素。兩者都是汽車外板設(shè)計和性能重要的考慮因素和評價指標(biāo)。基于該分類,抗凹性能的測試方法也分為靜態(tài)測試方法和動態(tài)測試方法兩種。靜態(tài)凹痕抗力測試主要用半球壓頭在準(zhǔn)靜態(tài)載荷條件下進(jìn)行測試,半球壓頭直徑多為25.4mm,也有壓頭直徑選為10～25mm之間以及100mm,壓下速度為10-3mm/s左右,壓頭垂直于待測件表面,待測試樣類型分為平板試樣(試樣尺寸為圓形,55～85mm)、脹形試樣(試樣為方型,邊長在150～203.2mm之間,脹形凸模尺寸多為101.6mm)、Marcinik試樣(試樣尺寸同脹形試樣),以及已成形的汽車構(gòu)件(如車門、發(fā)動機(jī)蓋板)等。準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用力一般通過氣壓或液壓控制,變形是通過電子傳感器和分壓計測得;主要通過兩種方式對靜態(tài)抗凹性進(jìn)行測量和給出表征參量:給定一定載荷下所產(chǎn)生殘留凹痕深度;給定一定殘留凹痕深度所需的載荷值。動態(tài)抗凹性的測試方式和表征參量通常有兩種:a.產(chǎn)生某一殘留凹痕深度,測定吸能值;b.某一沖擊能,產(chǎn)生殘留凹痕深度值。由于動態(tài)載荷為高速沖擊載荷,沖擊動能將轉(zhuǎn)化為作用點附近的變形能,導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。其測試裝置主要有空氣壓槍沖擊測試設(shè)備、落錘沖擊測試設(shè)備和液壓動態(tài)沖擊測試設(shè)備;其動態(tài)抗凹性測試樣品與上述靜態(tài)測試試樣類似,但沖頭壓下速度一般在1～103mm/s。由于汽車車身覆蓋件多在發(fā)生碰撞或者被外界物體高速沖擊時產(chǎn)生凹痕,因而動態(tài)抗凹性能夠更真實反映汽車外板實際使用中抵抗凹痕的能力。2003年,Hua-ChuShih等提出了一種較為精確的動態(tài)抗凹性能的測試方法:使用計算機(jī)控制的液壓伺服機(jī),用加速度計測量壓頭加速度,考慮了加速度效應(yīng)以及沖頭慣性力的影響,并采用一定的測試和計算方法消除了加載系統(tǒng)的加速度慣性的影響,可更真實地反映板材或構(gòu)件的動態(tài)抗凹性能。文獻(xiàn)用不同性能鋼板的動態(tài)抗凹性的試驗結(jié)果證實了該方法的有效性。但該文獻(xiàn)指出當(dāng)動態(tài)沖擊速度超過4.8km/hr時,以塑性變形深度0.1mm作為可見凹痕的標(biāo)準(zhǔn),難以準(zhǔn)確表征所測的抗凹性能,應(yīng)對該參量進(jìn)行修正。凹痕抗力測試數(shù)據(jù)中往往包含有板材或構(gòu)件測試點的剛度,剛度是表征板材或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力;板材或構(gòu)件的剛度越大,相同載荷下,彈性變形就越少?？拱紲y試過程中板材或構(gòu)件變形的彈性部分可以定義剛度,即載荷-變形曲線的初始線形部分的斜率定義為初始剛度,載荷-變形曲線的第二線形部分的斜率定義為二次剛度。汽車板或覆蓋件某點的剛度也可以借助抗凹性測試設(shè)備測量,靜態(tài)剛度的測試是用直徑為25.4mm的半球壓頭和邊長為100mm的方板壓頭在準(zhǔn)靜態(tài)速率下加載待測汽車板,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種壓頭測得的靜態(tài)剛度基本相等(待測件邊長應(yīng)遠(yuǎn)大于100mm),但Ekstrand認(rèn)為100mm方壓頭過大,只有被測構(gòu)件或板材的尺寸遠(yuǎn)大于測試剛度壓頭的尺寸時,其測試結(jié)果才更可靠。動態(tài)初始剛度有兩種測量方法:重力落槌測試,落錘沖擊速度在測試過程減小,測試過程中沒有能量追加;另一種是液壓動態(tài)測試,在測試過程仍有能量補充到系統(tǒng)中,即維持壓頭速度恒定。兩種方法測得剛度絕對值不同,但同樣可以表征板材或構(gòu)件在動態(tài)載荷下對彈性變形的抵抗能力。對6016鋁合金汽車板(板厚為0.8～1.2mm)的動態(tài)和靜態(tài)抗凹性的研究表明:鋁合金的屈服強(qiáng)度每提高80MPa,其動態(tài)抗凹性將提高25%;板材厚度每降低或提高0.1mm,其對板材靜態(tài)抗凹性的影響與鋁合金屈服強(qiáng)度增加或降低30MPa的效果相當(dāng)。但在高沖擊速率下,大剛度鋁合金板的厚度增加并不會引起動態(tài)抗凹性的很大提升。由于鋁合金汽車板應(yīng)變速率小于汽車鋼板,因此,在低的沖擊速率下,兩者動態(tài)抗凹性的差異小于高速沖擊下的差異。構(gòu)件抗凹性還和構(gòu)件表面的曲率大小相關(guān),表面曲率對動態(tài)抗凹性的影響小于對靜態(tài)抗凹性的影響。板材沖壓試樣或構(gòu)件的剛度對抗凹性的影響,由于不同研究者的測試方法和條件不同結(jié)果尚不可比,靜態(tài)抗凹性是變形和載荷的關(guān)系。動態(tài)抗凹性則包含載荷,構(gòu)件吸收動態(tài)能量等兩種因素。因此,分析不同試驗結(jié)果,應(yīng)該根據(jù)不同試驗條件具體分析。4.8織構(gòu)紋樣的設(shè)計鋁合金板材和鋼板不同,其晶粒度遠(yuǎn)大于鋼,在較粗的晶粒下,如果晶粒大小不均則會導(dǎo)致沖壓構(gòu)件的表面沿軋制方向出現(xiàn)像繩索圈樣的變形不均勻,這種表面缺陷又稱羅平線;導(dǎo)致油漆后表面光鮮不一致。這種缺陷也與變形能力的方向性有關(guān);另一種表面缺陷是板材在拉伸變形后,在表面形成桔皮狀的起皺和不平,造成這種缺陷的原因還需要進(jìn)一步研究。通常鋁合金表面是沒有織構(gòu)花樣的,其表面有精軋表面,從1980年開始,引入電火花處理軋輥的表面,以得到電火花處理的織構(gòu)花樣(EDT),這既改善鋁合金表面沖壓的潤滑性能,又避免精軋表面的方向性條紋;最近又引入了電子束織構(gòu)花樣處理軋輥的表面;三種處理的表面的狀態(tài)見圖19。其中EBT有確定的織構(gòu)花樣,EDT是隨機(jī)的織構(gòu)花樣,且有孤立束狀的規(guī)則的織構(gòu)花樣,這對成形和油漆都有好處。文獻(xiàn)認(rèn)為Roping性是6000系鋁合金板材的另一表面缺陷,這種性能通常是由于在軋制板材的端部上存在的一種帶狀的組織織構(gòu)所控制,這種帶狀的組織織構(gòu)是由沿軋制方向有類似晶粒取向的平行的晶粒束所構(gòu)成。它主要是由在離板材表面某一定的深度下,在熱軋過程中,產(chǎn)生剪切變形所誘發(fā)產(chǎn)生的。在沖壓和延展時,有兩個因素對評價板材的Roping性是很重要的:一個是板材表面的粗糙水平,它可以通過變形板材的表面粗糙度來確定,另外一個是形貌為連續(xù)的或者斷續(xù)的線形花樣,也就是Roping線,形狀像斷線的雪茄。從冶金學(xué)的觀點,控制Roping線的關(guān)鍵因素是平行晶粒束構(gòu)成的帶狀組織的直徑或長度以及剪切變形層的深度。為了使鋁合金板材有好的成形性,板材應(yīng)該具有各向同性的力學(xué)性能,在這種情況下,要求板材具有隨機(jī)的織構(gòu)。而一般6000系的鋁合金,在軋材的端部,通常有比較強(qiáng)的再結(jié)晶織構(gòu);因此,采用正確的工藝,控制再結(jié)晶和取向變形織構(gòu)的平衡,是鋁合金板材取得各向同性力學(xué)性能的重要手段。4.9價鉻的表面處理鋼鐵材料油漆之前,其表面要經(jīng)過酸洗磷化處理,以改善沖壓件表面與油漆的結(jié)合力,提高其抗蝕性;由于鋁合金表面會有一種結(jié)合緊密的氧化膜,油漆前的表面處理方法就和鋼鐵材料不同,不能用一般的酸性磷化方法,而是采用鉻化處理;考慮到六價鉻對人體的毒性,近年來開發(fā)了無鉻式或低鉻處理技術(shù),其中典型處理方法是Arodine方法,并已有較成熟的生產(chǎn)線;另一種方法是在含F(xiàn)離子的特殊磷化液中進(jìn)行表面處理得到良好的表面處理結(jié)果。顯然,上述各個性能既互相關(guān)聯(lián)和影響,又相互矛盾,如何將上述相關(guān)性能得到合理匹配,滿足汽車沖壓件的性能要求是鋁合金汽車板研發(fā)的主要內(nèi)容和目標(biāo)。5鋁合金汽車板是我國最牛2005年歐洲汽車應(yīng)用的鋁合金中,板材占20%(車身面板和空間構(gòu)件等),擠壓材占12%(保險杠、加強(qiáng)件、安全汽車卡支架等),鑄件65%(車輪、傳動系統(tǒng)殼體以及制動構(gòu)件等),鍛件占3%(主要是懸架支撐、活塞等),最近鍛鋁車輪有很大發(fā)展。汽車節(jié)能減排的要求,給鋁合金在白車上應(yīng)用提供了廣闊的空間,用鋁代替鋼,可使白車身減重達(dá)50%,從而使汽車整車減重可達(dá)20%～30%。國內(nèi)外的研究表明:6000系可熱處理的鋁合金是生產(chǎn)變形鋁合金的汽車外板合適的材料;美國鋁業(yè)公司、加拿大鋁業(yè)公司及神戶鋼鐵公司都進(jìn)行了6000系和5000系變形鋁合金汽車板的生產(chǎn)和應(yīng)用研究,并已批量生產(chǎn)和應(yīng)用;6000系鋁合金汽車板主要應(yīng)用汽車外覆零件如發(fā)動機(jī)罩蓋等和鋼制零件相比可減重50%,同時,鋁質(zhì)零件的導(dǎo)熱性好,可以有效散發(fā)發(fā)動機(jī)的熱量,并且在滿足汽車碰撞對行人的保護(hù)的相關(guān)法規(guī)中也發(fā)揮重要作用。目前國際上采用較多的鋁合金汽車板型號有:AA6016,AA6022,AA6111,AA6005,AA6009和AA6010,AA5182,AA5754,AA505