长悬臂铝合金型材开发及应用

孙永彬

(广东兴发铝业(河南)有限公司，河南 焦作 454591)

轻量化材料的应用是交通运输轻量化的重要途径之一，铝合金材料具有质量轻、强度高、可焊性好、耐腐蚀、成本低等优点，是目前发展交通运输轻量化的理想材料。汽车往往承担运输、载重等特殊功能或任务，车体较重，具有较多的燃油消耗和尾气排放；同时，随着国家超限超载等法律法规的严格实施，运输企业运输成本大幅提高，因此，汽车减重已经成为不可逆的趋势。我国铝合金汽车车体轻量化还处于起步阶段，目前只是在油箱，踏板，车轮，护栏等零部件有所应用，汽车制造商正在增加铝合金在汽车制造中的使用比例，通过轻量化提升燃油经济性，减少油耗，实现节能减排；而梁是汽车车体主要结构件，并且性能要求较高，因此，对汽车用横梁铝型材进行探索和开发具有重要意义。

1 材料选择

横梁铝型材作为专用汽车的主要支撑件，呈L型(如图1所示)，其既要承担部分载重载荷，又要承担横向载荷或横向疲劳载荷，对构件的强度和韧性均要求较高，试验采用6061铝合金一次近终成型，为提高合金强度，在设计合金成分配方时，适当增加Cu合金元素和Cr元素含量，同时，尽量减少Fe元素含量。试验设计的合金化学成分如表1。

表1 6061铝合金化学成分

配置型材合金时，采用纯度为99.85%的铝锭配置；型材挤压完成后，进行T6热处理，以提高型材的综合力学性能。为观察横梁型材的组织，分别在L型试样的长臂和短臂处取样，取样后型材制作成标准试样进行拉伸试验。T6热处理后的合金试样锯切、打磨、抛光后，采用混合酸腐蚀，观察试样金相组织。

图1 专用汽车横梁型材示意图

2 纵梁铝型材试验设备选择

铝合金合金熔炼采用20T矩形熔铝炉，铸造采用同水平热顶铸造机，铸造直径320 mm铝合金棒；采用35T均质炉对铝合金棒进行均质热处理，确保均质处理后组织均匀，析出相细小。型材挤压采用5000T大型挤压级挤压，挤压过程中采用热电偶测量铝棒进入挤压机温度和型材出口温度。挤压完成后在时效炉内进行人工时效处理

3 横梁铝型材工艺控制要点及组织性能

(1)合金熔炼时，除气一定要彻底，一方面要通过除气设备除掉熔体内气体，另一方面要控制熔体温度，防止熔体温度较高卷入气体并造成晶粒粗大，通常情况下，熔体保温温度应不超过720℃较好。

(2)铝棒铸造时采用低过热度铸造，晶粒细化的铝钛硼丝严格控制钛硼元素比例，试验表明，当流槽内温度700℃，铝钛硼丝中钛和硼含量分别为5%～5.2%、0.8%～1%时，制造的铝棒晶粒较小且均匀，铝棒表层偏析最薄。

(3)型材挤压前，铝棒加热均匀，在铝棒加热炉加热完成后，要送入感应加热炉加热，以减少铝棒径向温差，径向温差过大，容易造成横梁型材长臂和短壁性能出现较大偏差，表面缺陷较多，送入挤压机前，铝棒径向温差应小于10℃，为使挤压时铝型材质量稳定，应对铝棒进行及时测温，采用红外测温仪测量铝棒温度，根据低温高速原则，适时调整挤压速度，确保型材模具出口温度恒定，试验表明，当型材出口温度500～510℃时，型材挤出后综合性能较好。

(4)型材挤出后淬火是横梁铝型材合格的关键，一方面，冷却不均匀容易造成型材的变形，另一方面，冷却强度不够影响型材力学性能，试验采用水雾共冷的方法冷却，同时增大L角处的冷却强度，减小长臂处的冷却强度，综合冷却强度要达到240～260℃/min。

(5)型材挤出后要及时进行预变形和时效处理，预变形量量控制在4%～8%之间。预处理后应在4 h内进行人工时效处理，人工时效采用双级时效，人工时效时，炉内温度应均匀一致。通过上述工艺关键点控制及相关参数匹配，获得的型材性能和组织如表2。

表2 铝合金横梁型材力学性能

(a)横梁型材长臂部位组织 (100X) (b)横梁型材短臂部位组织(100X)

图2 铝合金横梁型材时效后的组织(T6)

由表2和图2可以看出，通过工艺关键点的控制，横梁型材强度和塑性均较好，特别是型材长臂部位，由于冷却强度及均匀性好，其性能和组织均由于短臂部位，短臂部位由于与棚架接触并且距型材转角处近，温度下降速度小于长臂部位，导致性能略低，但能满足使用要求，后续继续对型材冷却方式和冷却能力进行改进，以获得性能更高，更均匀的型材。

4 结语

长悬臂汽车铝合金横梁型材的生产是各工艺参数和生产条件相互匹配的结果，参数不匹配会造成产品不合格，因此，通过控制生产工艺要点，同时匹配好相关参数，方能控制好长悬臂铝型材的质量和成材率。