汽车保险杠用6013P铝合金挤压型材工艺研究

崔 雷

（华加日西林实业有限公司，深圳 518118）

0 前言

随着人们对环境保护和提升燃油经济性的呼声逐渐增高，对降耗减排的要求日趋严格。如果汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%以上，所以汽车轻量化是大势所趋。而用铝合金材料代替传统的钢铁材料制造汽车可使车身减重40%以上。然而随着材料重量的减轻，为了保证车体的安全性，对材料的技术要求也将越来越高。

然而，随着客户对材料力学性能要求的不断提高，尤其是对汽车保险杠用铝合金型材的要求也越来越高，而目前普遍采用的6061、6082等中等强度合金（即抗拉强度≥320 MPa，屈服强度（290±20） MPa，A50mm延伸率≥10%）已不能满足客户的要求。6013铝合金是美国铝业公司研究开发的一种新型铝合金，其最初的应用目标为汽车行业，通过零部件重量的降低来提高燃油消费效率[1]。但目前该合金基本都是以板材为主，其力学性能普遍为抗拉强度≥350 MPa，屈服强度≥320 MPa，A50mm延伸率≥10%，同时保持着优良的耐蚀性和成型性[2]。因此，经评估我们选用6013铝合金来挤压空心型材，同时在6013铝合金基础上对化学成分进行了优化处理。通过合理控制主要元素Mg、Si、Cu的含量，并对挤压生产工艺进行验证确认，使材料的力学性能完全满足客户的技术要求，同时也填补了6013合金空心型材研发的空白。

1 试验过程

1.1 试验材料

试验选用直径为203 mm的6013P铝合金铸棒，其化学成分如表1所示。

表1 6013P铝合金化学成分（质量分数/%）

1.2 试验方案

采用2 500 t正向挤压机，空心型材最大壁厚为2.5 mm。由于6013P铝合金铸棒挤压性差，型材截面难度大，所以为了保证型材能顺利挤压出来，其首棒需要用高温短棒进行填充，慢速上压。型材挤压出来后，根据挤压突破压力大小，调整正常棒温。出料速度分别设定为5 m/min、6 m/min和7 m/min，淬火方式为在线穿水冷却，时效工艺制度为175 ℃，时效时间分别为8 h、9 h、10 h、11 h、12 h、13 h。分析不同出料速度和不同时效工艺对材料力学性能的影响[3]。

分别在第2、3、4支挤压型材上取约250 mm拉伸试样（第1支挤压型材报废处理），然后用电加热炉进行175 ℃×11 h、175 ℃×12 h、175 ℃×13 h人工时效处理。时效后采用10 kN电子拉伸试验机对试样进行测试，并通过拉伸数据结果最终确认合理的挤压工艺制度。

2 试验分析

2.1 出料速度对6013P铝合金力学性能的影响

在研发开始阶段，为了满足A50mm≥13.5%，同时保证抗拉强度≥380 MPa，对6013P铝合金化学成分中Cu含量进行了适当控制。Cu是铝合金中重要的合金化学元素，有一定的固溶强化作用，CuAl2（θ相）有着明显的时效强化效果。然而强度提高势必会引起塑性的降低，因此Cu含量也不宜太高[4]。6013P铝合金的强度比一般6×××系铝合金要高，但挤压性相对较差。根据现场实际突破压力值，铸棒加热温度采用（520±5）℃，其型材可以顺利挤压出来。而且出料速度不能太快或太慢，即如果出料过快，型材内腔会出现不同程度的刮烂现象；出料速度太慢，型材的淬火转移时间过长，导致力学性能低。因此，综合以上因素，本试验分别采用了5 m/min、6 m/min和7 m/min 3组不同的出料速度进行挤压试验分析[5]。检测结果如表2所示。

表2 出料速度对力学性能的影响

出料速度为5~7 m/min时，6013P铝合金均具有较好的挤压性能，型材无压烂现象。从表2中的试验数据可以看出，随着出料速度的提高，6013P铝合金的强度逐渐升高，延伸率略有所下降。

根据客户的技术要求，在出料速度为7 m/min时，材料的抗拉强度和延伸率均满足要求。结合现场实际挤压情况，最终将型材的出料速度设定为7 m/min。

2.2 不同出料速度下时效态的金相组织观察

分别对3种不同出料速度的型材截面的同一位置取样进行高倍金相组织分析，其金相显微组织如图1所示。

图1 不同出料速度下时效态的金相组织图

从图1中3种不同出料速度时效态下的金相组织可以看出，图1（a）的平均晶粒度为81.1 μm，（b）的平均晶粒度为77.4 μm，（c）的平均晶粒度为63.1 μm。随着出料速度的不断提高，时效后的型材平均晶粒度越来越均匀细小，抗拉强度也越来越高。

2.3 时效工艺对6013P铝合金力学性能的影响

根据相关技术资料表明，6013铝合金时效工艺采用177 ℃可获得较高的力学性能[6]。因此，结合现场生产实际情况，采用175 ℃、分别时效8 h、9 h、10 h、11 h、12 h和13 h后对6013P铝合金进行力学性能论证试验。测试结果如表3所示。

表3 时效工艺对力学性能的影响

通过表3可以看出，前2种时效工艺得到的6013P铝合金抗拉强度都在380 MPa以下，没有达到客户的技术要求，故不能采用。第3、4、6种时效工艺得到的6013P铝合金抗拉强度和延伸率虽然达到了客户的技术要求，但有不合格的风险，故也不能采用。结合现场生产，最终将型材的时效工艺设定为175 ℃×12 h。

3 结论

（1）通过对6013P铝合金挤压工艺的研究，确定了挤压空心型材时6013P铝合金合理的出料速度为7 m/min，铸棒温度控制在（520±5）℃范围内。

（2）通过对6013P铝合金挤压工艺的研究，确定了挤压空心型材时6013P铝合金合理的时效工艺参数为175 ℃×12 h。

按照以上挤压工艺参数，用6013P化学成分铝合金生产空心铝型材截面时，完全可以保证抗拉强度≥380 MPa、A50mm延伸率≥13.5%的技术指标，不仅填补了6013铝合金空心型材研发生产的空白，更为今后的大批量生产奠定了坚实的技术基础。