预时效工艺对汽车用6016铝合金板时效稳定性和烘烤响应的影响

韩 欣，刘晓滕，王家毅，迟 蕊，吕正风

(山东南山铝业股份有限公司 国家铝合金压力加工工程技术研究中心，山东 烟台 265700)

在环境和能源的双重压力下，节能减排已经成为汽车行业发展的方向。对于传动燃油车而言，整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；对于新能源汽车而言，整车重量降低10%，电量节省4%～5%。由此可见，降低整车质量是实现节能减排的有效途径，而采用铝合金材料部分替代钢铁材料是实现汽车减重的常用手段之一[1-3]，铝合金板材在乘用车覆盖件上的应用就是一个典型案例，目前已经受到全球车企的广泛关注[4-6]。

6×××系铝合金板材是在汽车覆盖件上应用较广泛的一类产品，但汽车用6×××铝合金板在放置过程中会发生自然时效，导致屈服强度、抗拉强度增加，成形性能变差，这对于冲压工序是不利的[7]。固溶之后的预时效处理能够抑制板材在放置过程中的自然时效进程，提高板材的时效稳定性。同时，还有利于在烤漆过程中强度的快速提升，也就是获得好的烘烤响应。因此，合理的预时效工艺对汽车用6×××铝合金板至关重要[7-8]。

本试验以汽车用6016铝合金薄板为研究对象，基于长时间、系统性的性能跟踪，探究在室温到100 ℃的预时效温度下，板材放置150 d内的T4P态的性能演变规律和烘烤响应变化规律，进而确定具有最优时效稳定性和烘烤响应性的预时效工艺，为该板材实际工业化生产提供参考。

1 试验材料与方法

试验原材料为南山铝业公司生产的1 mm厚6016铝合金冷轧板材，合金化学成分见表1。对冷轧板材进行540 ℃30 s的固溶处理(水冷)，固溶处理完成10 min时开始预时效处理，分别在室温(25 ℃)、60 ℃、80 ℃、100 ℃的预时效温度下保温8 h，预时效完成后，在室温下放置进行自然时效，在5 d、10 d、15 d、30 d、60 d、90 d、120 d、150 d分别进行T4P态的性能测试，以及2%预拉伸+185 ℃20 min的烘烤态的性能测试。拉伸试验按照GB/T 228-2010标准，在万能拉伸试验机上进行。拉伸试样与轧制方向呈90°，每组数据为3个试样测量的平均值。

表1 6016铝合金的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 6016 aluminum alloy(wt/%)

2 试验结果与分析

2.1 预时效工艺对自然时效稳定性的影响

图1是经过不同预时效工艺处理的板材在放置不同时间之后测得的T4P态的性能数据。由图1可见，试样T4P态的屈服强度和抗拉强度受预时效温度影响显著(图1a、b)。对比不同的预时效温度，从60 ℃增加到100 ℃的过程中，屈服强度显著提高；室温预时效与60 ℃预时效的屈服强度接近，而且略微高于60 ℃预时效的屈服强度。对比在5 d～150 d内的强度变化，室温预时效的试样随着放置时间的延长，屈服强度增加明显，最低为117 N/mm2，最高为130 N/mm2，增量为13 N/mm2；60 ℃预时效的试样同样有明显的屈服强度增加，最低为116 N/mm2，最高为127 N/mm2，增量为11 N/mm2；而80 ℃和100 ℃预时效的试样屈服强度相对稳定，时效稳定性较好。抗拉强度的变化趋势与屈服强度基本一致。

不同预时效温度下试样T4P态的断后伸长率也有差异(图1c)，屈服强度低的预时效温度对应的断后伸长率较高(比如室温预时效)，而100 ℃预时效的试样断后伸长率最小。在放置5 d～150 d内，断后伸长率的变化并没有明显的规律性。

应变硬化指数(n)在室温预时效和60 ℃预时效时比较接近，而随着预时效温度升高到80 ℃和100 ℃，n不断减小。在5 d～150 d的放置过程中，n没有显著变化。

2.2 预时效温度和自然时效时间对烘烤响应的影响

图2是不同预时效工艺和放置不同时间的试样，经过2%预拉伸+185 ℃20 min烘烤后的性能数据。经过预拉伸和185 ℃20 min的烘烤之后，不同预时效工艺试样的屈服强度和抗拉强度都显著增加。随着预时效温度的不同，屈服强度的增量在40 N/mm2～80 N/mm2范围，抗拉强度的增量在5 N/mm2～35 N/mm2范围。同时，伸长率有所减小。对比不同的预时效工艺，随着预时效温度从室温升高到100℃，烘烤态的屈服强度和抗拉强度单调递增，而伸长率近似呈单调递减。

图1 不同预时效温度和自然时效时间T4P态性能对比Fig.1 T4P mechanical properties with different pre-aging temperatures and natural aging time

图2 不同预时效温度和自然时效时间烘烤态性能对比Fig.2 Bake-hardening-state mechanical properties with different pre-aging temperatures and natural aging time

图3是经过2%预拉伸+185 ℃20 min烘烤后，相比T4P态的屈服强度和抗拉强度的增量对比图。

由图3a可以看出，对于185 ℃20 min烘烤的试样，在室温到80℃范围内随着预时效温度的升高，屈服强度增量增大；预时效温度提高到100 ℃，屈服强度增量减小。对于室温和60 ℃预时效而言，在30 d以内，屈服强度增量降低趋势明显，之后趋于稳定；经过80 ℃预时效的试样强度增量比较稳定。抗拉强度增量的变化趋势与屈服强度相似，但增量明显小于屈服强度，意味着烘烤后试样的屈强比降低。

图3 不同预时效温度和自然时效时间对烘烤强度增量的影响Fig.3 Effect of different pre-aging tmperatures and natural aging time on baking strength increment

6×××系铝合金属于热处理可强化铝合金，固溶完成之后在放置过程中会发生自然时效，从过饱和基体中析出原子团簇，导致屈服强度和抗拉强度升高。本次试验中，室温预时效的性能数据也就是自然时效下的性能数据，在5 d～150 d内，其强度增加最显著，这种强度的增加对冲压成形不利。对固溶处理后的板材进行预时效处理会在过饱和基体中析出另一种原子团簇(pre-β″)，这类原子团簇的析出能够降低基体的过饱和度，减弱自然时效析出动力，使板材在长时间放置过程中更稳定。而且在后续烘烤过程中，最有效的强化相β"能够以pre-β″为基底大量形成，从而使强度快速提升，提高板材的烘烤响应性[9]。Pre-β″的析出与预时效制度密切相关，合理的预时效温度能够使pre-β″团簇大量形成，也就意味着板材的时效稳定性和烘烤响应更佳[10-11]。在本次试验中，60 ℃的预时效温度下，板材T4P态的强度变化趋势与室温预时效类似，在5 d～150 d内强度有较明显的提高，说明该温度并不能达到理想的预时效效果。当预时效温度提高到80 ℃、100 ℃时，板材的时效稳定性显著提高。然而，预时效处理本身也会带来板材强度的提高，例如，100 ℃的预时效温度下，板材T4P态的屈服强度在165 N/mm2左右，而伸长率和n也都显著减小，这会使冲压开裂风险增加。而在80 ℃的预时效温度下，板材具有最大的烘烤强度增量。因此，对于6016铝合金板材，80 ℃的预时效温度更加合理。

3 结 论

1)预时效工艺对汽车用6016铝合金板材的时效稳定性影响显著，相比于室温和60 ℃预时效，80 ℃和100 ℃的预时效温度使板材表现出良好的时效稳定性，放置150 d之内没有因自然时效使强度显著增加。然而，随着预时效温度的提高，板材的伸长率和n减小。

2)预时效工艺对汽车用6016铝合金板材的烘烤态性能有显著影响，随着预时效温度的升高，板材烘烤态的强度不断提高，伸长率则降低；在室温到80 ℃的范围内预时效，烘烤态的强度增量随预时效温度升高而增加，到100 ℃时，强度增量减小。

3)80 ℃8 h的预时效工艺可以使T4P态试验板材获得适中的强度和伸长率，在放置150 d之内性能稳定，同时具有最大的烘烤强度增量，是最优的预时效工艺。