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汽車輕量化是大勢所趨，鋁合金替代傳統(tǒng)鋼材已成為輕量化重要的技術(shù)途徑。汽車屬于耐用消費(fèi)品，用車環(huán)境復(fù)雜多變，為滿足消費(fèi)者使用需求，整車制造廠要研究鋁合金替代件的品質(zhì)管理要件。文章以汽車覆蓋件常用的6000系列鋁合金板材材料特性評價為例，從定量及定性兩方面介紹了評價鋁合金板材的指標(biāo)與驗(yàn)證方法，可作為汽車制造廠的研究參考。

 

關(guān)鍵詞：鋁合金；汽車覆蓋件；材料特性；評價方法

 

我國作為汽車產(chǎn)銷大國，汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。根據(jù)中汽協(xié)發(fā)布的數(shù)據(jù)[1]，2022年汽車產(chǎn)銷分別完成了2 702.1萬輛和2 686.4萬輛[2]。其中新能源持續(xù)爆發(fā)式增長，產(chǎn)銷分別完成了705.8萬輛和688.7萬輛，規(guī)模已連續(xù)8年蟬聯(lián)全球第一。隨著中國汽車產(chǎn)銷量的不斷攀升，節(jié)能環(huán)保已凸顯為汽車行業(yè)發(fā)展的重要課題。汽車輕量化技術(shù)是解決節(jié)能環(huán)保課題的有效手段之一，相關(guān)研究表明，如果小汽車整備質(zhì)量能夠削減100 kg，相當(dāng)于每百公里油耗可降低大約0.7 L[3]；如果整車質(zhì)量減重達(dá)到10%時，電能消耗可削減5.5%，續(xù)航里程可增加5.5%[4]。在汽車制造中，材料輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要技術(shù)途徑。鋁合金材料具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，有良好的塑性和耐腐蝕性能，已成為汽車輕量化的主流材料。

 

車用鋁合金的應(yīng)用

 

根據(jù)合金元素的含量不同，可將鋁合金歸類為不同族類。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《變形鋁及鋁合金牌號表示方法》（GB/T 16474－1996）[5]，變形鋁材按其化學(xué)成分分為不同系列牌號，以四位字符表示，如表1所示。

 

表1 鋁合金牌號表示方法

根據(jù)材料加工工藝與方法的差異，車身用鋁合金材料系列分類如圖1所示。4000系列鋁合金硅含量高、熔點(diǎn)低、熔體流動性好，在汽車行業(yè)主要用于制造鋁合金焊接添加劑，如釬焊板、焊條和焊絲。此外，該系列合金具有較高的耐磨性和耐高溫性，還被用于制造活塞和耐熱零件。8000系列鋁合金主要是鋁箔，電池行業(yè)運(yùn)用較多。

 

圖1 車用鋁合金材料分類

 

汽車鋁合金覆蓋件的應(yīng)用特點(diǎn)

 

汽車屬于耐用消費(fèi)品，消費(fèi)者非?？粗仄嚥考牧系哪途眯约翱煽啃?。作為輕量化材料而廣泛應(yīng)用的鋁合金，其性能既要滿足高效率的工業(yè)生產(chǎn)要求，也要保證汽車使用過程中的各種品質(zhì)性能滿足顧客的需求。例如：5754、5182和5052牌號鋁合金，具有密度低、抗拉強(qiáng)度高、延伸率高、疲勞強(qiáng)度好特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于車身內(nèi)板；6016、6022、6111、6181等牌號鋁合金可熱處理強(qiáng)化，具有良好的沖壓成形性，在成形表面不容易出現(xiàn)羅平線，主要被應(yīng)用于車身外板；7003、7075等牌號鋁合金強(qiáng)度、耐磨性及韌度更高，多應(yīng)用于前縱梁等零部件[6]。

 

其中對于車身覆蓋件（車門外板與機(jī)艙蓋外板），由于除了強(qiáng)度、耐久性外，還有消費(fèi)者能直接看到的零部件，因而其加工性能、成形性能（造型）、與涂料兼容性等還需要重點(diǎn)考慮以下方面。

 

1）良好的成形性。鋁合金板材主要用作汽車沖壓車身板和零部件，要讓板材在各種復(fù)雜的沖壓變形應(yīng)力狀態(tài)下具有較高的成形空間，材料要具備屈強(qiáng)比低、成形性能好、成形極限高的特點(diǎn)。

 

2）保持表面光滑。鋁合金板應(yīng)具有良好的翻邊延展性，成形后表面光滑，不會出現(xiàn)羅平線，不會造成沖壓成品涂裝后光澤不一致的現(xiàn)象。

 

3）良好焊接及結(jié)構(gòu)膠的附著性能。為了滿足零件焊接工藝的性能要求，要求鋁合金板材具有良好的焊接性能。同時，不同零件之間有很多結(jié)構(gòu)膠連接，也要求板材具有良好的附著性能，滿足各種型號結(jié)構(gòu)膠的涂布。

 

4）良好烘烤硬化性。板材在沖壓變形前較軟，成形性要好，但在沖壓成形零件烘烤后，成品屈服強(qiáng)度明顯提升。高的烘烤硬化性將會賦予零件高的抗凹痕性能。由于鋁合金的烘烤硬化性和鋼的明顯不同，而傳統(tǒng)汽車企業(yè)的油漆烘烤工藝是針對鋼板設(shè)計(jì)的，因此，鋁合金板的烘烤硬化性要與鋼板油漆工藝兼容。

 

5）一定的抗時效穩(wěn)定性能。鋁合金板出廠后，在整車廠沖壓生產(chǎn)前不可避免要經(jīng)歷一段儲存和運(yùn)輸?shù)臅r間。如果板材的抗時效穩(wěn)定性差，沖壓性能就會變差，出現(xiàn)皺皮現(xiàn)象甚至拉裂，影響汽車外板的表面質(zhì)量。

 

鋁合金板材試驗(yàn)方法及評價指標(biāo)

 

在汽車生產(chǎn)制造中，將車身覆蓋件的工業(yè)應(yīng)用要求轉(zhuǎn)化為定性或定量的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)而成為整車生產(chǎn)廠對鋁合金板材的評價依據(jù)，參考如下。

 

3.1 機(jī)械特性

試驗(yàn)方法：材料機(jī)械特性評價通常采用單向拉伸試驗(yàn)方法，單向拉伸試驗(yàn)是一種普遍試驗(yàn)方法，用于評價板料的力學(xué)性能及沖壓成形性能。通過拉伸試驗(yàn)可以測得材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、總伸長率、彈性模量E、加工硬化指數(shù)以及這些指標(biāo)在板面內(nèi)的各向異性值。通過單向拉伸試驗(yàn)可繪制材料塑性變形過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，直觀地看出材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

 

參考標(biāo)準(zhǔn)：JIS Z 2241（測試片：JIS Z 2241 No.5）；

 

評價指標(biāo)：屈服強(qiáng)度≤145 MPa；抗拉強(qiáng)度≥175 MPa；延伸率≥24%（在所有方向都能滿足）。

 

3.2 化學(xué)成分

試驗(yàn)方法：X射線熒光光譜儀是一種快速的、非破壞式的物質(zhì)測量方法，其原理是X射線管通過產(chǎn)生入射X射線（一次X射線），來激發(fā)被測樣品。受激發(fā)樣品中的每一種元素會放射出二次X射線（又叫X熒光），不同的元素所放射出的二次X射線具有特定的能量特性或波長特性，同時還與這種元素在樣品中的含量有關(guān)。探測系統(tǒng)測量這些放射出來的二次X射線的能量及數(shù)量或者波長。然后，儀器軟件將探測系統(tǒng)所收集到的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類及含量，評價指標(biāo)如表2所示。

 

表2 鋁板化學(xué)成分品質(zhì)管控基準(zhǔn)

 

3.3 微觀組織

試驗(yàn)方法：金相組織觀察主要是指利用顯微鏡、將試樣放大100～1 500倍率來研究金屬及合金組織的一種方法。先對試樣進(jìn)行取樣、鑲嵌、打磨、拋光及腐蝕，然后用金相顯微鏡觀察得到的金相組織形態(tài)，再利用金相顯微鏡自帶的拍攝系統(tǒng)對所觀察的金相組織進(jìn)行拍照觀察。

 

評價指標(biāo)：組織均一，無粗大析出物、偏析帶等。結(jié)晶粒徑：45 μm以下。

 

3.4 面粗度

試驗(yàn)方法：采用觸針法，利用針尖曲率半徑為2 μm左右的金剛石觸針沿被測表面緩慢滑行，金剛石觸針的上下位移量由電學(xué)式長度傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大、濾波、計(jì)算后由顯示儀表指示出表面粗糙度數(shù)值，還可用記錄器記錄被測截面輪廓曲線。

 

評價指標(biāo)：光面（冷軋態(tài)）（Mill Finish, MF）：0.1 μm≤Ra≤0.7 μm；電火花鈍化紋理（Electron Dis- charge Texture, EDT）：0.1 μm≤Ra≤1.5 μm。

 

3.5 疲勞特性

試驗(yàn)方法：參考《金屬平面彎曲疲勞測試方法》（JIS Z 2275），對金屬試樣反復(fù)施加與板面正交的彎曲力矩，研究板材經(jīng)受循環(huán)負(fù)荷作用的斷裂過程、從而評定材料的疲勞強(qiáng)度。

 

評價指標(biāo)：循環(huán)次數(shù)107，耐久比在0.4以上。

 

3.6 彎曲性

試驗(yàn)方法：用附加10%預(yù)變形（標(biāo)點(diǎn)間50 mm）的JIS Z 2241 5號，相對彎曲半徑R/t≤0.5，彎曲180°，主要觀察試樣在彎曲試驗(yàn)后的表面是否會產(chǎn)生裂紋。

 

評價指標(biāo)：彎曲表面無有害的裂痕。根據(jù)限度樣品判定，如圖2所示，L/C/D方向都滿足要求。

圖2 彎曲表面限度樣品

 

3.7 成形表面品質(zhì)

試驗(yàn)方法：參考JIS H 4000第5.1項(xiàng)，通過Φ100的圓筒加工測試將平面預(yù)變形6%，用磨砂紙研磨圓筒部，通過目視確認(rèn)。

 

評價指標(biāo)：成形后表面品質(zhì)，不出現(xiàn)限度樣本中不可接受的等級表現(xiàn)，如圖3所示的波紋圖案、橘皮圖案。

 

圖3 成形后表面品質(zhì)限度樣本

 

3.8 BH特性

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)JIS Z 2241，預(yù)應(yīng)變5%在烘烤溫度170 ℃保持20 min。

 

判斷基準(zhǔn)：屈服強(qiáng)度≥180MPa、抗拉強(qiáng)度≥240MPa、延伸率≥16%（所有方向都能滿足）。

 

3.9 時效檢驗(yàn)

可熱處理強(qiáng)化的6000系鋁合金是理想的輕質(zhì)汽車車身外板材料，其最大的特點(diǎn)是可在低屈服強(qiáng)度的固溶處理T4狀態(tài)下供貨，具有良好的沖壓成形變形能力。其時效強(qiáng)化可借助最終的烤漆固化處理同時進(jìn)行，進(jìn)一步提高了材料的性能，具有良好的最初成形性和最終使用性能。一般而言，板材采購周期設(shè)定為3至6個月為宜。實(shí)際應(yīng)用時，需要將鋁板材料放置一段時間后，再對機(jī)械特性、烘烤硬化特性、彎曲性關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)檢證，確認(rèn)材料特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并以此時效周期來指導(dǎo)鋁合金板材采購周期時間的設(shè)定。

 

 結(jié)論

 

整車制造廠導(dǎo)入鋁合金板材覆蓋件時，需要對鋁合金板材進(jìn)行系統(tǒng)的材料特性研究實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)對機(jī)械性能、微觀組織、化學(xué)成分、面粗度、疲勞特性、彎曲性能、成形表面品質(zhì)、BH特性、時效性等指標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)，作為板材性能的重要評價依據(jù)。此外，整車制造廠還需要對板材的點(diǎn)焊性能、表面處理性能、車體各種型號密封膠的適合性進(jìn)行驗(yàn)證，最終綜合評價鋁合金板材是否滿足整車量產(chǎn)要求。

 

參考文獻(xiàn)

 

[1] 中國汽車工業(yè)協(xié)會,中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,北京汽車集團(tuán)有限公司.中國汽車工業(yè)發(fā)展報(bào)告(2023)[M].北京:社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社,2023.

 

[2] 張?jiān)?汽車用鋁合金板料沖壓成形性研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2013.

 

[3] 徐肖.鋁合金沖壓成形工藝研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2019(1):83-84.

 

[4] 王鴻波,何昌協(xié).鋁合金車身板材在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].世界有色金屬,2018(7):186-187.

 

[5] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.變形鋁及鋁合金牌號表示方法:GB/T 16474－1996[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1996.

 

[6] 張琪.汽車覆蓋件用6xxx系鋁合金板材的研究?產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].有色金屬加工,2020,49(1): 1-5.

 

來源：期刊：《汽車實(shí)用技術(shù)》 作者： 鐘坪和