宋　冰

(深圳市華加日西林實(shí)業(yè)有限公司，廣東 深圳 518122)

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7003鋁合金汽車保險(xiǎn)杠型材生產(chǎn)工藝的研究

宋冰

(深圳市華加日西林實(shí)業(yè)有限公司，廣東 深圳 518122)

摘要本文針對(duì)汽車用鋁合金保險(xiǎn)杠防撞梁的作用和對(duì)力學(xué)性能要求，研究了從合金成分、熔煉、鑄造、擠壓、時(shí)效等一系列影響7003合金保險(xiǎn)杠防撞梁型材力學(xué)性能穩(wěn)定性的因素，并由此制定出嚴(yán)格的合金成分和生產(chǎn)工藝控制條件，從而生產(chǎn)出滿足型材力學(xué)性能要求的高屈服強(qiáng)度性能穩(wěn)定的7003合金防撞梁型材。

關(guān)鍵詞7003合金； 屈服強(qiáng)度； 合金元素； 雙級(jí)時(shí)效

1汽車用鋁合金保險(xiǎn)杠的作用

汽車保險(xiǎn)杠是汽車車身的重要組成部分，它能夠在汽車發(fā)生碰撞時(shí)保護(hù)車身結(jié)構(gòu)，對(duì)車內(nèi)乘員起到很好的保護(hù)作用。鋁合金保險(xiǎn)杠防撞梁由于減重效果明顯，在未來有望全面替代鋼防撞梁，具有良好的市場應(yīng)用前景。但是，通常鋁合金結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍大，對(duì)車體而言，在同樣的沖擊力下，若屈服強(qiáng)度過低，車體變形過大，車輛的損壞程度比較嚴(yán)重，亦可能傷及司乘人員；而屈服強(qiáng)度過高，則會(huì)由于車體產(chǎn)生的變形不足，不能起到潰縮吸能的緩沖作用，也會(huì)對(duì)司乘人員造成傷害。既要實(shí)現(xiàn)輕量化，又要保證司乘人員的安全，對(duì)汽車用鋁合金保險(xiǎn)杠型材性能的穩(wěn)定性就提出了嚴(yán)格的要求。通過對(duì)鋁合金汽車保險(xiǎn)杠型材性能要求和從合金成分、熔鑄、擠壓時(shí)效等一系列工藝過程的研究，最終成功研制出高屈服強(qiáng)度且強(qiáng)度穩(wěn)定的汽車用7003鋁合金汽車保險(xiǎn)杠型材，滿足了客戶要求并成功實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

27003鋁合金汽車保險(xiǎn)杠型材生產(chǎn)工藝研究：

2.17003鋁合金汽車保險(xiǎn)杠型材見下圖1:

圖1

性能要求，見下表1：

表1

2.27003合金特點(diǎn)及合金元素的作用：

7003合金屬Al—Zn—Mg系超硬鋁合金，該系合金的主要強(qiáng)化相為MgZn2(η)與Al2Mg3Zn3(Τ)[1]。該合金如在顯微組織、熱處理和成分方面全面設(shè)計(jì)，可獲得綜合性能良好的高強(qiáng)度合金。提高合金中Zn、Mg含量，抗拉強(qiáng)度雖會(huì)進(jìn)一步提高，但其抗應(yīng)力腐蝕的能力隨之下降；Cu能增加固溶體的過飽和度提高時(shí)效速度，Cu還能提高合金的淬火敏感性，增強(qiáng)抗應(yīng)力腐蝕能力。Zr是超高強(qiáng)度鋁合金中常用的添加元素之一，一般加入量為0．1%～0．3%就對(duì)鋁合金性能有顯著的影響[2]。根據(jù)再結(jié)晶形核機(jī)制可知彌散的Al3Zr質(zhì)點(diǎn)尺寸小、密集度很高，對(duì)位錯(cuò)的滑移和攀沿以及晶界的移動(dòng)具有很強(qiáng)的釘扎作用,可穩(wěn)定變形組織的亞結(jié)構(gòu),阻礙加熱時(shí)位錯(cuò)重新排列成亞晶界及隨后發(fā)展成大角度晶界的過程,從而阻礙了再結(jié)晶的形核，在Al-Zn-Mg,Al-Zn-Mg-Cu系合金中,微量元素鋯的作用更為顯著:抑制再結(jié)晶,提高合金再結(jié)晶溫度,改善合金的強(qiáng)度、斷裂韌性及抗應(yīng)力腐蝕性能[3]。但Zr會(huì)降低Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的細(xì)化效果，因此，在合金中添加Zr時(shí)，應(yīng)比一般合金添加更多的Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑。因7003合金中含Zn、Mg較高，而兩種金屬熔點(diǎn)低，易燒損，Be在變形鋁中可改善氧化膜的結(jié)構(gòu)，減少熔煉和鑄造時(shí)的燒損或夾雜，因此，在熔煉時(shí)應(yīng)加入0.005%以下的Be，由于Be擴(kuò)散至熔體表面，生產(chǎn)致密的氧化膜，從而減少了合金的燒損和污染，又不損壞鋁合金的抗蝕性。Fe和Si為雜質(zhì)元素，對(duì)合金的抗蝕性、力學(xué)性能、可焊性能均不利，應(yīng)盡量控制在較低水平。

2.3合金成分選擇和控制：

該合金的成分控制范圍見下表2：

表2

2.4生產(chǎn)工藝研究：

2.4.1生產(chǎn)工藝流程：

備料→熔煉→永磁攪拌→取樣分析→合金調(diào)整→取樣分析→精煉→取樣分析→靜置→在線處理→鑄造→裂紋探傷→均質(zhì)處理→鑄棒檢驗(yàn)→鑄棒加熱→擠壓→固溶處理→拉伸→時(shí)效→檢驗(yàn)→交貨

2.4.2配料：

配料在選擇鋁錠時(shí)，一般選擇牌號(hào)99.7及以上鋁錠即可；配廢料時(shí)，一般只添加7000系合金廢料，為防止合金中雜質(zhì)元素Si、Mn等元素超標(biāo)，應(yīng)嚴(yán)禁其他合金廢料，如6063、6082合金廢料混入。加料前，如上一爐生產(chǎn)的是6000系等其他系合金產(chǎn)品，應(yīng)進(jìn)行清爐或洗爐處理。在合金添加方面，Zn、Mg熔點(diǎn)低，一般會(huì)以純金屬加入，Cu、Zr、Be合金熔點(diǎn)較高，一般以溶劑或以中間合金方式加入。

2.4.3熔煉：

熔煉采用20噸燃?xì)庑顭崾饺蹱t進(jìn)行，熔煉時(shí)因合金中Zn含量較高，為使Zn錠充分、均勻溶解，可適當(dāng)提高熔煉溫度，熔煉溫度一般控制在760±10℃，當(dāng)然，也應(yīng)注意加強(qiáng)溫度控制，避免溫度太高，以防止合金鑄造后出現(xiàn)粗大晶粒。因Zn比重較高，為防止熔煉時(shí)出現(xiàn)比重偏析，Zn合金沉底造成合金成分不均勻，熔煉時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)合金添加一定要保證在鋁水熔化溫度達(dá)到760±10℃；2)加合金時(shí)，應(yīng)使用渣扒強(qiáng)烈攪拌鋁液10分鐘；3)攪拌完后繼續(xù)使用永磁攪拌設(shè)備攪拌15分鐘；4)分析取樣時(shí)應(yīng)在爐膛鋁液上部和下部分別取樣。

2.4.4爐內(nèi)精煉、靜置處理：

7003合金熔煉、爐內(nèi)處理、鑄造一般均在同一爐內(nèi)進(jìn)行，以避免合金轉(zhuǎn)爐、倒?fàn)t造成的洗爐量增加。爐內(nèi)處理采用N2噴粉精煉，噴粉量控制在在2Kg/噸，精煉時(shí)間一般控制在15分鐘，精煉溫度控制在750±10℃，精煉、扒渣完后，爐內(nèi)靜置30分鐘，以使熔體內(nèi)渣、氣充分上浮或沉底，提高熔體凈化質(zhì)量。精煉完后，應(yīng)取樣對(duì)熔體成分最終確認(rèn)，合格方可鑄造。

2.4.5在線處理：

鑄造時(shí)為進(jìn)一步提升熔體質(zhì)量，一般需進(jìn)行在線除氣和CFF過濾處理，以降低鑄棒中的氫含量和夾雜物含量，提高材料的延伸率并獲得更加穩(wěn)定的屈服強(qiáng)度。在線除氣采用Ar處理，Ar氣流量為30L/分鐘，除氣時(shí)除氣轉(zhuǎn)子以600rpm/分鐘高速旋轉(zhuǎn)，將氣體在熔體中打淬成細(xì)小氣泡，以獲得良好的除氣效果，使用在線除氣處理后，熔體中的氣體含量達(dá)到0.2ml/100gAl以下。在使用在線除氣的同時(shí)，采用CFF過濾板過濾熔體中的氧化物夾渣，過濾板的孔隙度為50ppi。

2.4.6鑄造：

鑄造采用同水平熱頂鑄造，鑄造工藝見下表3：

表3

由于合金含Zn量高，合金粘度大，采用普通石墨環(huán)結(jié)晶器熱頂鑄造時(shí)的修模和涂抹潤滑油特別關(guān)鍵，否則易造成在鑄造中后期鑄棒表面因潤滑不足造成鑄棒表面產(chǎn)生拉痕；合金含鋯量過高或者合金熔鑄過程中控制不當(dāng)而導(dǎo)致Zr元素的偏聚，此種形式存在的Zr元素對(duì)合金有百害而無一利，在實(shí)際生產(chǎn)中必須防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，鑄造時(shí)為防止在結(jié)晶中產(chǎn)生粗大的Zr3Al粒子，一般應(yīng)采用較高的鑄造溫度；而為了避免因高溫鑄造在結(jié)晶中產(chǎn)生羽毛晶或其他粗大晶粒，一般會(huì)在線加入較大量的Al-Ti-B絲晶粒細(xì)化劑，以使合金中Ti含量保持在0.03—0.05%之間，保證熔體獲得充分的晶粒細(xì)化效果；鑄造完后要進(jìn)行裂紋探傷，有裂紋的鑄棒應(yīng)切除報(bào)廢。

2.4.7均勻化熱處理：

在熱頂直接水冷鑄造過程中，由于快速凝固，會(huì)產(chǎn)生非平衡結(jié)晶和鑄造應(yīng)力，均勻化退火能消除枝晶偏析、非平衡項(xiàng)溶解和過飽和元素沉淀，溶質(zhì)元素逐漸均勻化，改善鑄棒的擠壓性能和產(chǎn)品的最終性能。7003鑄棒在均熱時(shí)對(duì)鑄棒升溫速度應(yīng)進(jìn)行控制，鑄棒裝爐時(shí)爐內(nèi)溫度應(yīng)控制在150℃以下，在加熱升溫時(shí)升溫速度控制在80℃/h，均質(zhì)溫度控制在480±10℃，實(shí)體保溫時(shí)間控制在6h，在冷卻爐冷卻時(shí)，采用風(fēng)冷冷卻，冷卻速度要> 200℃/h。

2.4.8擠壓、固溶處理：

7003合金屬于超硬合金，擠壓力較大，擠壓性能較差。擠壓時(shí)應(yīng)選擇較高的鑄棒擠壓溫度，以降低擠壓力。型材在固溶冷卻時(shí)，采用強(qiáng)風(fēng)冷卻，冷卻速度在150℃/min以上，這樣在保證型材獲得充分的過飽和固溶體的同時(shí)，型材的尺寸精度也能得到較好的保證。7003合金的擠壓工藝見下表4：

表4

2.4.9時(shí)效：

為使型材獲得穩(wěn)定的屈服強(qiáng)度和較好的塑性，時(shí)效采用雙級(jí)時(shí)效，即105℃保溫8 h，升溫至150℃再保溫8 h。

3生產(chǎn)過程及產(chǎn)品性能檢測(cè)：

3.1鑄棒化學(xué)成分分析：

見表5

表5

從分析結(jié)果看，Mg、Zn兩種元素在鑄棒中不同位置的取樣分析結(jié)果相對(duì)其他合金元素偏大，但都在控制范圍內(nèi)和控制目標(biāo)值附近，這為后續(xù)擠壓型材力學(xué)性能控制的穩(wěn)定性打下了良好的基礎(chǔ)，從Mg元素的成分變化來看，存在著隨鑄造進(jìn)行含量下降的趨勢(shì)，這主要是Mg在鑄造中易揮發(fā)燒損造成的，而Zn元素則正好相反，這主要是Zn元素在靜置、鑄造過程中會(huì)存在比重沉降，因此，鑄造前應(yīng)嚴(yán)格控制爐內(nèi)鋁液停留時(shí)間。

3.2鑄棒晶粒組織分析見表6

表6

3.3型材組織分析檢測(cè)見表7

表7

3.4型材斷面尺寸分析檢測(cè)見表8

表8

3.5型材性能分析檢測(cè)見表9

表9

為確保型材力學(xué)性能符合要求，每批型材在取樣檢測(cè)時(shí)，相對(duì)一般型材會(huì)加大取樣抽檢頻度，一般應(yīng)對(duì)每批擠壓的第一根合格型材、中間生產(chǎn)的型材和最后一根型材分別取頭、中、尾樣進(jìn)行檢測(cè)。

4結(jié)論：

4.1鑄棒合金成分的選擇和范圍控制是保證保險(xiǎn)杠型材力學(xué)性能嚴(yán)格控制在規(guī)定控制范圍內(nèi)的基礎(chǔ)，在熔煉過程中應(yīng)通過三次分析、永磁攪拌等措施保證鑄棒成分的均勻性和準(zhǔn)確控制。

4.2鑄造過程中應(yīng)嚴(yán)格控制鑄造溫度在720—750℃之間，防止在鑄造過程中出現(xiàn)Zr3Al粗大相粒子和粗晶，從而為擠壓時(shí)型材形成纖維組織，避免出現(xiàn)粗大晶粒打下基礎(chǔ)，提高型材的韌性和延伸率。

4.3擠壓時(shí)應(yīng)合理控制鑄棒擠壓溫度和冷卻速度，以防止擠壓時(shí)材料出現(xiàn)充分再結(jié)晶，在型材表面形成較厚的再結(jié)晶層，從而惡化材料的耐應(yīng)力腐蝕性能。

4.4時(shí)效時(shí)采用雙級(jí)時(shí)效，可以減少因時(shí)效爐溫控制的波動(dòng)對(duì)型材力學(xué)性能的影響，最終使型材保持較高的力學(xué)性能，并且得到穩(wěn)定的屈服強(qiáng)度和良好的延伸率。

4.5通過采用并嚴(yán)格執(zhí)行上述工藝所生產(chǎn)的保險(xiǎn)杠材料完全滿足了客戶的要求，現(xiàn)材料已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并應(yīng)用于國內(nèi)一些合資高端汽車上，填補(bǔ)了該類產(chǎn)品在國內(nèi)領(lǐng)域的空白。

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作者簡介：宋冰(1969-), 男, 工程師, 學(xué)士, 主要研究金屬材料及加工、安全質(zhì)量管理。

中圖分類號(hào)：TG166.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-3818(2016)02-0016-05

Study on the production process of 7003 aluminum alloyfor automobile bumper

Song Bing

(Nonfemet International XiLin Industry LTD,Shenzhen 518122,China)

AbstractAccording to the role and mechanical properties requirements of automobile bumper anti-collision beam, this article studied a series of factors from alloy composition, smelting, casting, extrusion, aging which affected mechanical properties stability of 7003 alloy bumper anti-collision beam, and thus to develop a strict alloy composition and production process control conditions, to produce 7003 alloy anti-collision beam profiles meeting the requirements of mechanical properties with high yield strength and stable performance.

Key words7003 Alloy；yield strength；alloy elements；double aging