汽車用6係鋁合（hé）金及其衝壓成形性研究綜述

安全、環保和（hé）節能是當前汽車製造業發展的主題。汽車輕量化對減輕車（chē）身重量、減少（shǎo）耗油量和減排（pái）至關重要。研究表明：汽車每應用1kg鋁材，可獲得2kg的減重效果（guǒ）；汽車每減重10%，油耗可降低6%～8%，尾氣排放量可（kě）減少（shǎo）4%[1-4]。鋁合金具有比強度高、耐腐（fǔ）蝕和良好的加工成形性，熱處理後強度可與鋼的媲（pì）美（měi），因此可作（zuò）為理想（xiǎng）的汽車輕量化材料[5-6]。在汽車（chē）工業發達國家，18%的鋁材用於汽（qì）車製（zhì）造，每輛汽車的平均用鋁量為140kg左（zuǒ）右，並以每年20%～30%的速（sù）度增長。我國鋁（lǚ）合金板在汽車領域的應用（yòng）與汽車製（zhì）造業發達國家相比還有較大差距，汽車用鋁合金板材的研（yán）究與生（shēng）產在我國顯得重要而（ér）迫切[7-9]。

　　車用鋁合金主要有2×××係（Al-Cu-Mg）、5×××係（Al-Mg）和6×××係（Al-Mg-Si)。5×××係是非熱處理強化鋁合（hé）金，成形性能優良，主要用於生產形狀複（fù）雜的內板件，但板材在衝壓變形（xíng）時（shí）表麵易出現呂德斯帶的缺陷。2×××係和6×××係均是（shì）可熱處理強化鋁合金，具有較高的強度和一定的烤漆硬化性，主要用於外板件及對強度（dù）和剛度要求較高的零件。2×××係鋁合金在烘烤時會出現軟化現（xiàn）象，抗腐蝕性和焊接性均不如6×××係鋁合金[10]。6×××係鋁合金強度（dù）適中（zhōng），成形性（xìng）和耐蝕（shí）性好，綜合性能優良，進行固（gù）溶淬火和自然時效處理後屈服強度（dù）較低，具有良好的衝壓成形性，而且在烤漆處理後強度提高，抗凹陷能力增（zēng）強，因此該材料是汽車輕量化的首選材料[11-14]。本文（wén）作者主要針（zhēn）對6×××係鋁（lǚ）合金（jīn）板材的合金元素、織（zhī）構、力學性能和衝壓成（chéng）形性的相關研究進行綜述。

16×××係鋁合金的研（yán）究（jiū）現狀

　　1.1 6×××係鋁合金的合金元（yuán）素

　　6×××係鋁合金（jīn）的（de）主要合金（jīn）元素是Mg和（hé）Si，添加少（shǎo）量的微合金元素可以提高合金的強度，改善其綜合性能。例如添加少量的Cu，可抵消（xiāo）Ti及V對導電性的不良（liáng）影響；Zr或Ti能細化晶粒和控製再結晶組織；加入Pb與Bi能改善材料的切削性能[15]。

　　何立子和劉宏等[16-17]研究表明（míng）：在Mg不過剩的前提下，增加Mg含量(質量分數，下同)，有利於提高合金的強度，但合金的屈服強度（dù）和伸（shēn）長率隨Mg、Si含量的增加而降低，不利於合金的衝壓成形。

　　合金中含有相當量的Cu和Si，除生成Mg2Si相外，還會形成Cu2Mg8Si6Al5相，該相具（jù）有一定的自然（rán）時效能力，能顯著提高合金強度[18]。當（dāng）Mn增加時，易形成粗大夾雜相α（AlMnFeSi），降低合金的極限強度。增加Cu含量，會產生更細（xì）密的顯微組織，增加合金強（qiáng）度。李海等[19]研究（jiū）了Al-Mg-Si-(Cu)合金在連續升溫中的析出行為，證實Cu顯著地提高（gāo）了Al-Mg-Si合金的時效硬化效果和速率。Sujoy和金曼等[20-21]研究了Cu元素（sù）對Al-Si-Mg合金淬火特性的影響，結果表明，當（dāng）Cu含量超過0.57%時，合金形成GP區，經170℃時效30min後（hòu），合金中還出現短針狀的（de）β″相，加（jiā）快合（hé）金的時效強化過程。

　　Mg2Si是Al-Mg-Si係合金的主要強化相（β相），其在鋁中的最大溶解度為1.85%，500℃時為1.05%，300℃時僅有0.27%[22-23]。6×××係鋁合金中Mg含（hán）量過剩時，合金的耐蝕性好，但強度與成形性能較差（chà）。當Si含量（liàng）過剩時，合金的強度高，但成形性能及焊接性能較低。在生產實踐中難以保持Mg和Si的比（bǐ）例及其他元素（sù）的含（hán）量，都會對鋁（lǚ）合金的性（xìng）能產生（shēng）較（jiào）大的影響。

　　1.2 6×××係鋁合金的織構

　　鋁合金中的織構可分為變形織構和再結晶織構，表1列出了6×××係鋁（lǚ）合金（jīn）的主要（yào）織構成分的密勒指數和歐拉角。EnglerO等[25]對6016鋁合（hé）金板材冷（lěng）軋後的織構進行了表征，結果表明越靠近板材中心Brass織構越多，而越靠近板材表麵Copper織構越多。陳揚等[26]對6111鋁（lǚ）合金（jīn）板材在熱軋-退（tuì）火-冷軋等傳統軋製工（gōng）藝過程中的織構進行了表征，結果（guǒ）表明熱軋板織構主要由Copper織構、Brass織構（gòu）和S織構構成，此外還有少量的Goss織構。

　　謝（xiè）錦嶽（yuè）[27]對6016鋁合金軋（zhá）製態和熱處理後的（de）板材織構（gòu）研究發現，熱軋態織構主要由Brass織構、S織構和Copper織構組成，由於較高的（de）終軋溫度，還存在部（bù）分再結晶織構Ｒ。陳海軍[28]研究了固（gù）溶、時效對軋製織構的影響，結果發現經不同預時（shí）效處理（lǐ）後合（hé）金中織構的類型基本不變（biàn）而（ér）取向密度發生變化。

　　張克龍[29]對6016鋁合金冷軋織構研究（jiū）發現冷軋過程中隨（suí）軋製道次的增加，形（xíng）成以S織構為主的（de）變形織構，且有在ND上的(112)和(110)麵（miàn）織構和TD上的＜111＞絲織構。

　　由上述可知（zhī），不同軋製條件和熱處（chù）理工藝對6×××係鋁合金的織構成（chéng）分有很大影響，然而（ér）織構（gòu）對（duì）6×××係鋁合金（jīn）板材的各向異性和力學（xué）性能的影響研究較少，特別是織構對合金在衝（chōng）壓成（chéng）形方麵的影響還是（shì）空白，還有待進一步的研究和探索。

　　1.3 6×××係鋁合金的（de）力（lì）學性能

　　鋁合（hé）金作為汽車車身材料，不僅使車身輕量化（huà），而且在同樣的衝擊條件（jiàn）下比鋼的抗（kàng）衝擊載荷能（néng）力強（qiáng），有研究發現[30]鋁合金在比鋼輕47%的情況下能達到同樣的（de）力學性能指（zhǐ）標。6×××係合金不但可以（yǐ）通（tōng）過添加少量多種合金元素來細（xì）化晶粒，改變再結晶狀態，還可以通過改進熱處理工藝（yì）和變形條件獲得良（liáng）好的綜合性能[20]。

　　新（xīn）型（xíng）6×××係鋁合金經560℃1h固溶、水淬+180℃8h人工時效後，抗拉強度為401N/mm2，屈服強度為356N/mm2，伸長率為17%[31]。張金鵬[10]通過試驗和有限元數值模擬對比了不同時效處理狀態的6016鋁合金的性能（néng），結果發現完全人工時效處理的6016鋁合金的衝（chōng）壓綜合性能最好。張士嬌等（děng）[32]對不同牌號的6×××係鋁合金組織與性能研究發現不同的熱處理對（duì）材料的力學性能有很大的影響，采用合適的熱（rè）處理方案（àn）可使材料的（de）綜合力學性（xìng）能明顯提高。此（cǐ）外，溫成形也可大幅提高6×××係鋁合（hé）金的衝壓成形性能。LAMBOO等[33]通（tōng）過（guò）AA6016鋁合金的溫拉深實驗，發現在175℃時（shí），拉深高度比常溫（wēn）下提高了30%。Li等[34]研究發現，AA6111-T4鋁合金在溫變形條件下總伸長率提升了25%。李翔等[35]研究了溫變形對6061鋁合金力學性能的影響，結果表（biǎo）明在160℃～230℃範圍內，隨著成形溫（wēn）度（dù）的上升，材料的硬度增強。韓小強等[36]研究6061-T6鋁合金板材溫熱狀態下的力學性能參數，發現在400℃時n值比室溫下降低了66.7%，而三（sān）個（gè）方向r值隨溫度變化不明顯，表明沿板（bǎn）材的斜向軋製方向的拉延與深（shēn）衝性能較好，而垂直於軋製方（fāng）向（xiàng）的成形性則較差。

　　表征板材（cái）成形性和力學性能的主要指標（biāo）有：應變硬化指數n、厚向異性係數r、屈服強度、抗拉強度和伸長率（lǜ）等。表2總結了常見的6×××係鋁合金在不同熱處理狀態下的力學（xué）性能，為了方便比較，同時也列出（chū）了冷軋鋼板的力學（xué）性能，表中ST表示固溶處理（Solutiontreatment），PA表示（shì）峰值時效（Peakaging），CＲ表（biǎo）示冷軋（Coldrolling）。可以看出，不同的（de）熱處理方式可使（shǐ）6×××係鋁合金的屈（qū）服強度（dù）和抗拉強度接近甚至超過（guò）冷軋鋼板，但厚向異性係（xì）數r卻遠低（dī）於冷軋（zhá）鋼板的。因此，6×××係鋁合金板材與鋼板相比，成形性、剛度和抗（kàng）凹陷性都較低，容易發生回彈、起皺和表麵損傷，影（yǐng）響表麵質量。

　　由此可見，要擴大6×××係鋁（lǚ）合金板材的實（shí）際應用，還需進一步提高板材的成形（xíng）性能指標，即厚向異性係數（shù）r值。目前（qián），對（duì）6×××係鋁合金板材厚向異（yì）性（xìng）係數r值的主要影響（xiǎng）因素及其改善措施的研究尚不完（wán）善。

26×××係鋁合（hé）金板材的衝壓成形性

　　6×××係鋁合金主要用於汽車外表麵覆蓋件，往往要求其具有較高的衝壓成形性和抗凹陷性。成形極限圖是判斷和評定金屬薄板成形性的最為簡便和直觀的（de）方法，也是對（duì）板材成形性能的一種定量描述。圖1為（wéi）6×××係鋁合金與（yǔ）IF鋼板的成形極限圖[38,42-46]。由圖1可知，在高溫（wēn）或合適（shì）的熱處理工藝下6×××係鋁合金板材的成形極限曲線優於（yú）室溫下IF鋼的成形極限曲線，然而在室溫下其（qí）成形極限卻遠低於IF鋼板的，能達到的（de）極限應變也遠小於IF鋼板的。因此，目前針對鋁合金的研究中（zhōng），除了在（zài）合金化方麵通過改（gǎi）變其成分來提高6×××係鋁（lǚ）合金的成形性（xìng）外（wài），在汽車覆蓋件的衝壓生產中，也需（xū）采用特（tè）殊工（gōng）藝進行成形加工。

　　冷衝（chōng）壓是一種常用的高生產效（xiào）率的板材加工方式。但鋁合金室（shì）溫下成形（xíng）性較差，因此熱處理、微合金化等手段成為提高鋁合金板材冷衝壓的重要方法（fǎ）[47]。李文意等[48]通過改變6×××係鋁合金中Mg和Cu的含（hán）量，得到具有良好的時效強化效果的CuAl2相，使材料的伸長（zhǎng）率從8%增（zēng）加到20%。馬鳴圖和（hé）張鈞萍（píng）等[49-50]對鋁合金的成形極限（xiàn）、烘烤硬化性和（hé）表（biǎo）麵抗凹（āo）性等方麵進行（háng）了研究，發現經預處理（lǐ）工藝後得到的T4PD態（T4處理後進行預時（shí）效處理）鋁合（hé）金板（bǎn）材不（bú）僅成形性有提高，而且通過烤漆手段可提（tí）高板材抗拉強度和表麵抗凹（āo）性。添（tiān）加微合金元素是改變材料自身性（xìng）能的（de）最有效途徑（jìng），也是較為直觀的（de）方法。然而，目前的研究主要集中在合金元素對微觀組織、第二相構成以及力學性能（néng）的影響方麵，合金元素的改變也會引（yǐn）起微觀織構的變化，從而影響材料（liào）的成形性（xìng）能，這些方麵的研究數據還有待進一步完善。

　　從圖1中可知，在溫成形下的鋁合金板材具有較高的成形性（xìng），可以降（jiàng）低室溫（wēn）成形過程中的缺陷（xiàn），提高其綜合性能。因此越來越多研究者把目光投向了鋁合金（jīn）板（bǎn）材的溫成形（xíng）技術的研究。溫成形技術是將金屬板材加熱到能夠確保材（cái）料具有較好的延伸率的（de）溫度下，然後迅速轉移到模具內進行衝壓成（chéng）形，從而獲得強度高、回彈（dàn）小的金屬衝（chōng）壓件。侯波等[51]采用M-K理論建立（lì）溫成形條件下的FLD預（yù）測模型得到n值和m值（zhí）隨成形溫度的變化規律（lǜ），研究表明升高溫度可以大幅增加鋁合（hé）金板（bǎn）的極限應變。溫度的升高會導致（zhì）板材軟化現象的發生，從而使強（qiáng）度降低，還可能會出現集中失穩而斷（duàn）裂。戴（dài）明華[37]研究了6×××係鋁合金材料在常溫100℃、150℃、200℃和250℃四種溫度下成形性試驗，結果表明200℃是四（sì）種成形溫度中的最佳成形溫度，能實現（xiàn）其成形深度達到28.2mm。成形過程中的壓邊力和潤（rùn）滑條件對溫成形效果有一定影響，過大的（de）壓邊（biān）力會（huì）使破裂提前，溫成形過（guò）程需采（cǎi）用潤滑才能保證必要的衝壓深度和表麵質量。馬聞宇[52]分析（xī）了壓邊（biān）力、摩擦因數和衝壓速（sù）度（dù）對（duì）熱衝壓成形性的影響，揭示了工藝參數對衝壓（yā）件的厚度分布、厚度均勻性、應變路徑和失效（xiào）形式的影響規律。李久（jiǔ）輝（huī）[53]研（yán）究了板料成形溫度、壓邊力和摩擦因數對回彈影響的大（dà）小，研究（jiū）結果發現板料加（jiā）熱溫（wēn）度影響最（zuì）為顯著（zhe），壓邊力次之，摩擦因數影響最小。

　　因此，為提高6×××係鋁合金板材的衝壓成形性能，得到足夠的成形深度、較高的成形精度和良（liáng）好（hǎo）的表麵質量（liàng），還需在微合金元素、熱處理狀態和衝壓成形工藝等方（fāng）麵做進一步研（yán）究與探索。

3結束語

　　（1）6×××係鋁合金中（zhōng）除了（le）Mg和（hé）Si外，還有Mn、Cu等其他（tā）合金元素對合金的顯微組（zǔ）織、時效（xiào）強化和硬度等產生了較大的影響。

　　（2）6×××係鋁合金（jīn）的織構分為（wéi）變形（xíng）織構和再結晶織（zhī）構，不同的熱處理狀態（tài）和軋製過程產生的織構成分（fèn）不同。織構（gòu）是板材各向異性的主要影響因素（sù）之一，在一定程度上也能（néng）體現合金板材（cái）的性能。

　　（3）在（zài）高溫或合適的（de）熱（rè）處理工藝下6×××係鋁合（hé）金板材的成（chéng）形極限曲線優於室溫下IF鋼板的（de）成形極限曲（qǔ）線，但厚向異性係（xì）數r遠低於冷（lěng）軋鋼板的。因此，6×××係（xì）鋁合金板（bǎn）材與鋼板相比，成形（xíng）性、剛度和抗凹（āo）陷性都較低（dī），為使6×××係鋁合金板（bǎn）材（cái）更好地滿足汽車輕量化的需求，應（yīng）綜合考慮合金元素、織構、熱處理狀態（tài）和成（chéng）形工藝等方麵的影響，研製出綜合性能更優的車身板（bǎn）材，提升我國汽車製造的輕量化水平。

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聲明（míng）：本文內容轉載自期刊（kān）輕合金加工技術（shù），作者：汪建強，郭麗麗（lì）（大連交通大（dà）學材料科學與工程學院，連續擠壓工程研究中心），文中觀點僅供分享交流，轉載請注明出處，如涉及（jí）版（bǎn）權等問題，請您（nín）告知，我們將及時處理！