萬 里，蔡知之，鄧濤濤

（佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

具有中強(qiáng)、可焊、易成型的6xxx鋁合金是汽車輕量化改革中的理想材料，常用的合金牌號有6063、6061、6082及6005A合金等，主要用于前后防撞梁、電池托盤、儀表盤及車身結(jié)構(gòu)件等型材[1-4]。對于電池包下殼體類構(gòu)件，除了滿足對新能源汽車電池的承載和散熱外，還需在發(fā)生突發(fā)事故時(shí)防止電池在外力作用下發(fā)生擠壓而誘發(fā)次生事故。因此，該類安全結(jié)構(gòu)件對鋁合金型材的性能有了更高的要求。這要求型材在沖擊力作用時(shí)不要發(fā)生脆性斷裂，而通過自身變形來吸收沖擊過程中的能量以達(dá)到對電池的保護(hù)。其中，型材的內(nèi)部晶粒組織及試樣的斷后延伸率是最終產(chǎn)品需要考察的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，本文以6061合金為對象，詳細(xì)研究了Cr元素含量對新能源汽車用6061合金型材組織與性能的影響規(guī)律，以期為新能源汽車用鋁合金的合金化設(shè)計(jì)提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

截取半連續(xù)鑄造生產(chǎn)線生產(chǎn)的直徑為φ320mm的3種不同Cr的6061合金鑄棒各長800mm，合金成分見表1。然后采用4000T擠壓機(jī)將其擠壓成如圖1所示的電池托盤型材。模具溫度為490±10℃，鋁棒溫度為500±5℃，擠壓速度為3～4m/min。在擠壓機(jī)出口對型材進(jìn)行在線噴水使其冷卻到室溫。

圖1 熱擠壓的新能源汽車電池托盤型材

在最大載荷為10T的SUST CMT-5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試。將試樣浸入10%的NaOH溶液中進(jìn)行低倍堿蝕，浸泡時(shí)間為30min。在ZEISS AX10型金相顯微鏡下進(jìn)行金相組織觀察。采用Keller試劑對試樣進(jìn)行腐蝕處理，腐蝕時(shí)間為30s，其成分為：2ml HF+ 3ml HCl+ 5ml HNO3+ 190ml H2O。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr含量對型材低倍組織的影響

圖2展示了三個不同Cr含量的6061合金擠壓型材經(jīng)過NaOH溶液浸泡30min后的低倍組織照片。從圖中可以看出，當(dāng)Cr含量為0.07%時(shí)，擠壓后的底板型材壁厚較薄的莖條位置與壁厚較厚的支撐位置都表現(xiàn)出較大的晶粒組織，各位置晶粒的尺寸相對均勻。當(dāng)Cr含量為0.15%時(shí)，擠壓后的底板型材壁厚較薄的莖條位置與壁厚較厚的支撐位置基體組織內(nèi)外表面層都出現(xiàn)了一定厚度的粗晶層，而中間層則轉(zhuǎn)變成細(xì)晶區(qū)域。當(dāng)Cr含量進(jìn)一步上升至0.23%時(shí)，擠壓后的底板型材無肉眼可見的粗晶組織出現(xiàn)，各位置均表現(xiàn)為細(xì)晶形貌特征。

2.2 Cr含量對型材高倍組織的影響

為了能定量表征不同Cr含量對6061合金擠壓型材內(nèi)部晶粒組織的影響，將圖2各低倍組織中的典型位置的表層和芯部在金相顯微鏡中進(jìn)行高倍組織觀察，如圖3所示。其中圖3（a）（b）（c）為型材表層金相照片，圖3（d）（e）（f）為型材芯部金相照片。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cr含量為0.07%時(shí)，型材表層和芯部均為晶粒相對規(guī)則的再結(jié)晶組織，經(jīng)過多個視場的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，其晶粒尺寸在200～400μm范圍。當(dāng)Cr含量增加至0.15%時(shí)，型材表面出現(xiàn)了約700μm厚度的粗晶層，且其晶粒大小尺寸分布不均勻，表現(xiàn)為外表層尺寸較小，約100μm，而次表層晶粒粗大，最大可達(dá)600μm左右。而芯部晶粒相對均勻，其尺寸約為40μm左右大小。當(dāng)Cr含量進(jìn)一步增加至0.23%時(shí)，整個型材晶粒表現(xiàn)得非常均勻，除了外表有一層尺寸約40μm的晶粒外，其余均為尺寸約15μm的細(xì)晶組織。

圖3 三種不同Cr含量型材的金相組織照片

由于熱擠壓是一個高溫、高壓、高摩擦及長時(shí)間的一個形變過程，因此不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cr含量為0.07%時(shí)，由于其含量較少，其在基體中的存在狀態(tài)不足以顯著阻礙熱擠壓過程基體中晶界的遷移，因此基體組織在擠壓過程中出現(xiàn)了完全再結(jié)晶并長大的狀態(tài)。隨著Cr含量增加至0.15%時(shí)，其在基體中形成的物相組織可有效阻礙擠壓過程中晶界的遷移過程，所以芯部表現(xiàn)為細(xì)晶組織。但由于熱擠壓過程金屬與模具表面的劇烈摩擦，使得擠出型材表層溫升較大，晶界的遷移變得更加活躍，從而在型材外表面形成了一層尺寸較大的粗晶組織。而當(dāng)Cr含量進(jìn)一步增加到0.23%時(shí)，基體中形成的大量含Cr的物相組織對擠壓過程中型材表層晶界的遷移同樣起到了強(qiáng)烈的阻礙作用，使得擠出型材表層無粗晶組織出現(xiàn)，且芯部晶粒較Cr含量為0.15%時(shí)更加細(xì)小。由此可見，Cr元素的添加能有效阻礙熱擠壓過程中晶粒晶界的遷移，使擠壓后的型材晶粒均勻、細(xì)小。

2.3 Cr含量對型材力學(xué)性能的影響

圖4為三個不同Cr含量6061合金經(jīng)過170℃/8h人工時(shí)效后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，Cr元素在0.07%～0.23%含量范圍內(nèi)添加對本實(shí)驗(yàn)過程中獲得的三種新能源汽車電池底板用擠壓型材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度影響不大。但前面的試驗(yàn)結(jié)果表明，Cr元素在基體中形成的物相組織能顯著阻礙位錯及晶界的遷移過程，該過程對合金強(qiáng)度的提高是有利的，即Cr元素的添加量越大，合金的強(qiáng)度越高。而另一方面，基體中形成的含Cr物相組織與基體間形成的是非共格界面，其顯著增加了合金的淬火敏感性[5]。在淬火冷卻過程中，過飽和固溶體將以這些含Cr物相組織為載體進(jìn)行異質(zhì)形核析出并長大，這降低了室溫條件下基體中固溶原子的含量，從而在人工時(shí)效后造成合金強(qiáng)度的下降。在這兩方面原因的綜合作用下，這就出現(xiàn)了三種不同Cr含量6061合金型材強(qiáng)度接近的現(xiàn)象。而添加Cr元素含量較高的合金，由于基體表現(xiàn)為整體的細(xì)晶組織，使得材料在變形過程中可以有效地通過晶粒轉(zhuǎn)動及晶界移動來協(xié)調(diào)整體的變形過程，因此試樣斷后延伸率越高。因此，Cr元素的添加可以使材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度保持穩(wěn)定的情況下，有效地提高合金的斷后延伸率，從而更加有利于合金在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用。

圖4 三種不同Cr含量型材的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

（1）Cr元素的添加對新能源汽車電池托盤用6061合金型材在熱變形過程中晶界的遷移起到阻礙作用。在0.0%～0.23%范圍內(nèi)，添加量越大，型材的粗晶層深度越薄，內(nèi)部晶粒越細(xì)。

（2）Cr元素的添加使材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度保持穩(wěn)定的情況下，可有效提高合金的斷后延伸率。