铝合金汽车板性能及其应用的研究进展

作者：马鸣图1 ，毕祥玉2 ，游江海3 ，路洪洲1
The Automotive Association，Inc， 2003.

（1. 中国汽车工程研究院有限公司，重庆400039；

2.徐州财发铝热传输有限公司，徐州 221116；

3.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

        摘要:对铝合金汽车板及其应用技术的研究进展进行了论述，系统总结并提出了汽车用铝合金板材的7点性能要求，使铝合金汽车板材的研发有了明确目标；进而介绍了铝合金汽车板的典型化学成分、力学性能及成形性，并论述了影响其性能的主要因素，深入讨论了预处理工艺的影响，强调了该工艺在保证铝合金汽车板性能上的重要性；还提出了汽车用铝合金板的重点研发内容，介绍了铝合金汽车板在汽车上的典型应用，最后指出降低成本和价格、做好应用研究是今后扩大铝合金汽车板在汽车上应用的重要工作。

       关键词:汽车轻量化；铝合金；汽车板材；力学性能；成形性

 

       随着汽车工业发展、汽车保有量的增多，在给人们出行带来了方便的同时也产生了能耗、排放污染和安全三大问题。2009年中国汽车产销量已达1300万辆，跃居世界第一；汽车保有量已超过7000万辆，因此我国汽车工业的节能减排工作刻不容缓。

      大量研究表明，汽车轻量化是汽车节能减排的重要手段。乘用车车重每减少10%，可节油6%～8%，降低排放4%[1]。铝合金是重要的轻量化材料，其密度为钢的1/3，典型的铝合金零件取代钢制零件一次减重效果可达30%～40%，二次减重效果则可进一步提高到50% 。2006年欧、美、日等国的轿车平均用铝量已经达到127 kg/辆。欧洲铝协（EAA）预测，在2015年前，欧洲轿车用铝量将增至300kg/辆。在轿车中每使用1kg铝，可在其使用寿命期内减少20kg尾气排放。此外，铝合金还是绿色环保材料，可循环回收，在汽车中，采用铝材所节省的能量是生产该零件所用原铝生产耗能的6～12倍。

       2009年的欧洲车身会议（Euro Car Body 2009）上报导一些典型车型变形铝合金用量达25～30kg，而变形铝合金板材的应用还有利于满足汽车安全法规的要求，采用铝合金发动机罩盖，就可以明显减少二次碰撞对行人的伤害，有利于满足碰撞对行人的保护法规的要求。目前我国汽车用铝合金板材研究还不够深入，为了推动汽车用铝合金板材的研发和深入研究，作者对铝合金汽车板及其应用的研究进展进行了综述。

       1．1 良好的成形性

       板材的成形性是指在冲压过程中其承受形状变化的能力。成形性可以通过成形性试验进行评价。目前钢板的成形性已有大量试验结果[2]，但铝合金板材的成形性试验结果报导还较少。

       评价成形性的最常用的试验是单轴拉伸试验，为提高板材的成形性，希望板材具有较低的屈强比，较高的加工硬化速率和均匀伸长率；评价板材在各种应力状态下的成形性试验是测定成形极限曲线（FLC）。

      1．2 一定的抗时效稳定性

       铝合金板材在室温存放时不发生时效的特性称之为抗时效稳定性。因为时效会使合金在拉伸变形时出现屈服点伸长，即吕德丝（lüders）带，从而在冲压时造成表面变形不均和起皱，影响冲压件的外观；板材从生产出厂到零件冲压时往往需要运输和储存一些时间，通常要求板材在室温存放6个月而不发生时效。

       1．3 良好的烘烤硬化性

       汽车冲压件在冲压后经油漆烘烤处理时也会产生时效，从而使其屈服强度上升的特性称之为烘烤硬化性。高的烘烤硬化性将会赋予零件高的抗凹痕性。由于目前大部分汽车企业的油漆烘烤工艺是针对钢板设计的，而铝合金的烘烤硬化性和钢的明显不同，因此希望铝合金板的烘烤硬化性最好和钢板的油漆工艺兼容；材料的烘烤硬化性可按相关标准[3-4]进行评定。

        1．4 高的抗凹痕性

        板材和构件抵抗外力作用而不发生凹陷或永久变形的能力称为抗凹痕性。材料的抗凹痕性与其流变应力σf有关，也与材料厚度t有关[5]，作为零部件的抗凹痕性还与零件的刚度和结构有关[6]。

       1．5   良好的翻边延性

       1．6   较好的表面光鲜性

        铝合金板材和钢板不同，其晶粒度远大于钢的，在较粗的晶粒下，如果晶粒大小不均则会导致冲压件的表面沿轧制方向出现像绳索圈（Roping）样的变形不均匀，这种表面缺陷又称罗平线（Roping line）[7]，导致油漆后表面光鲜不一致，这种缺陷也与板材料变形能力的各向异性有关；另一种表面缺陷是板材在拉伸变形后，在表面形成桔皮状的起皱和不平，这与组织均匀有关，造成这种缺陷的原因还需要进一步研究。

       1．7   表面处理及涂装性能

        钢铁材料在油漆之前，其表面要进行酸洗磷化处理，以改善冲压件表面与油漆的结合力，提高其耐蚀性；由于铝合金表面会有一种结合紧密的氧化膜,油漆前的表面处理方法就和钢铁材料不同，不能用一般的酸性磷化方法,而是采用铬化处理，考虑到六价铬对人体的毒性，近年来开发了无铬式或低铬处理技术，其中典型处理方法是Arodine方法[8]，并已有较成熟的生产线；另一种方法是在含氟离子的特殊磷化液中进行表面处理。

        显然，上述7种性能既互相关联，又相互矛盾，如何将上述相关性能得到合理匹配，满足汽车冲压件的性能要求是铝合金汽车板研发的主要目标。
        2 铝合金汽车板的典型力学性能及成形性

        目前铝合金汽车板主要有两个系列，5000系和6000系列，其典型牌号的合金成分列于表1。6000系合金分含铜（如6111）和基本不含铜（如6016，6022，6181）两类，前者具有高的烘烤硬化性，但对对丝状腐蚀比较敏感；后者具有高的烘烤硬化性、良好的成形性、良好的耐腐蚀性。5000系合金中分高含量镁（如5182）的合金板，它具有较高强度、良好的成形性，但对晶间腐蚀较敏感；中含量镁的合金板（如5754）具有良好的晶间腐蚀性能和良好的成形性；低含量镁的合金板（如5052）的主要是强度较低。5000系和6000系的典型牌号的合金板的主要性能列于表2，其相应的成形性参量列于表3[7,9].表中 r值为金属板塑性应变各向异性值；n值为金属板拉伸应变硬化指数，基本成分设计概念和性能特点列于表2.
 

表1 6000系和5000系典型铝合金汽车板材的主要成分（质量分数）

Tab.1 the chemical composition of typical 5××× and 6××× series Al alloy sheets %

表2 5000系和6000系典型铝合金汽车板材的主要性能

Tab.2 The main properties of typical 5××× and 6××× series Al alloy sheets 

合金牌号	状态	E/MPa	泊松比	密度， kg/m3				备注
					屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	伸长率/%
6111	T4Pd	69000	0.3	2.89×10-3	146.0	290.0	25.0	纵向
6022	T4Pd	69000	0.3	2.86×10-3	122.0	238.0	30.0	纵向
5182	O	69000	0.3	2.84×10-3	123.0	276.0	25.6	纵向
5023	O	69000	0.3	2.85×10-3	124.0	280.0	32.0	纵向

               表3 5000系和6000系典型铝合金汽车板材的成形性

Tab.3 The formation properties of typical 5××× and 6××× series Al alloy sheets

合金牌号	状态	板厚，/mm	成形性					冷弯垂直于轧向
			均匀延伸率，%	n值 （变形量6%～12%）	K值 （变形量6%～12%）	r值 （变形量6%～12%）	FLD0 ，%	d=0，180°（试样宽度70mm）
6111	T4Pd	0.9	18.0	0.23	540.0	0.65	22.8	不裂
6022	T4Pd	0.9	19.0	0.25	525.0	0.66	23.2	不裂
5182	O	0.9	21.0	0.32	514.0	0.82	22.2	不裂
5023	O	0.9	22.0	0.31	520.0	0.85	26.5	不裂

        铝合金汽车板在拉伸时的均匀伸长率和总伸长率均低于软钢的，尤其是均匀伸长率和缩颈后的伸长率均远低于软钢的；因此，其深拉延、三轴应变及延展成形性均低于软钢。由于铝合金板材的初始加工硬化性能高于软钢的，因此其冷弯时的回弹也较大。一些牌号铝合金在不同的弯曲半径下其回弹角较软钢的大2～3倍，在设计铝合金冲压模具时必须充分考虑这一些特点。

        5000系和6000系及软钢的碗状试样冲压成形时的开裂/起皱的极限高度与压边力的关系不太一样，在低压边力下，三种材料起皱的极限高度没什么区别；但在高压边力时，由于铝合金产生开裂而不能使成形高度进一步提高。因此，在模具设计时，对于铝合金板材冲压成

       3 影响铝合金板材力学性能和成形性的主要因素

       3．1 合金种类和主要合金元素

5000系变形铝合金汽车板材主要是以镁原子的固溶强化、细晶强化以及少量铜原子固溶和析出强化来强化的，该系合金具有良好成形性。室温放置时，易出现屈服点延长（或lüders伸长），冲压成形后表面易起皱，影响产品外观质量。铁元素的增加会明显恶化其延展性和冷弯性能；由于无烘烤硬化性，油漆烘烤后会易发生软化，从而影响零件的抗凹陷性。

        6000系变形铝合金汽车板材以硅，镁作为主要合金元素（在6111合金还加入铜作为合金元素），这类合金是靠硅，镁在固溶时效析出强化作为主要强化手段，是可热处理强化的铝合金板，该类铝合金板材在预处理状态下具有良好的成形性，无屈服点伸长，适合于汽车外板，并具烘烤硬化性，在油漆烘烤后具有高的流变应力，零件具有高的抗凹陷性；但发生时效后会导致翻边延性下降和成形性恶化。

       3．2 制造及预处理工艺

       铝合金板材的制造工艺已有一些专利，如“冷轧耐蚀铝合金板材（WO 95/31580和US.Patent6.129792）”、“铝合金及制造铝合金板的方法（WO 96/03531）”、“可热处理强化的铝合金板的制造工艺 (WO 00/03052)”、“冲压铝合金产品的热处理（WO 00/70115）”、“具有良好弯曲性能的铝合金板材的制造方法（WO 02/090609）”等，这些专利针对不同成分铝合金板材的性能改善提出了相应的工艺方法；但所述的指标与汽车变形铝合金板材的综合性能要求亦还有一定差异。“烘烤硬化优异的Al-Mg-Si系铝合金板的制造方法（200480042140.X）”[10]为日本学者在中国申请的专利，重点保护内容是铝合金板材薄带连铸，此技术无需均质处理，可获得较细晶粒和均匀的显微组织。加拿大学者也在中国申请了相关专利[11]，重点内容是双带连铸、热轧、冷轧的Al-Si-Cu铝合金板材，专利中以热通量的下限值定义了双带连铸的内含。另有专利[12]重点内容是铝合金板材在在固溶处理后，再板材加热到100～300℃范围内，保温1min以内，然后快速冷至85℃下，可获得良好成形性和烘烤硬化性；专利[13]提出冷轧后的先进行450℃以上的固溶处理，淬火后室温时效1h ，再于180～300℃(不降低电导率的范围内)实施短时间加热，得到与板面平行方面的晶粒大小≤90 ，与垂直于轧向的晶粒大小的长度比值为1～4，含镁和硅的化合物的平均最大长度≤10 ，可获得良好成形性和烘烤硬化性；专利[14]提出了一种6111板材的预热处理工艺，以改善其成形性和烘烤硬化性，经固溶处理水淬后，时效温度在180～200℃之间，时间为7～15min， 6111铝合金经这种处理后，强度较高，但成形性和其他铝合金相比尚需提高；专利[15]针对6022和6016合金的预处理技术，包括固溶处理工艺、时效工艺等，来改善了板材的力学性能、成形性和烘烤硬化性及抗时效稳定性的合理匹配，并使冲压件具有高的抗凹陷性，可满足汽车零件的使用要求。由于相关专利技术的保密性，使得专利的真正的使用价值受到影响；因此，真正合适的铝合金汽车板的成分及相适用的生产工艺还需要还需要不断探索。中国汽车工程研究院结合国家“863”计划项目和企业的合作，对6016 合金T4Pd处理后的性能进行了研究，其力学性能列于表4，由表中数据可以看出，经T4Pd处理后与冷轧状态相比，其综合力学性能明显改善；因此可见预处理工艺是6000系变形铝合金板材生产的关键。预处理工艺包括固溶温度、冷却模式和预时效工艺，预时效前的停留时间等对变形铝合金性能都有明显影响，有关研究成果将会陆续发表。

 表4不同处理工艺6016铝合金板材的力学性能

Tab.4 The mechanical properties of various treatment states

编号	状态	板厚 mm	取 样 方向 °	r值（变形量8%）	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	总伸长率%	均匀伸长率%	n值（变形量0.5%~14%）
1	T4Pd	0.9	0	0.727	142.0	244.0	25.0	18	0.220
2	T4Pd	0.9	45	0.802	138.0	240.0	27.0	18	0.212
3	T4Pd	0.9	90	0.506	130.0	230.0	24.6	14	0.231
4	冷轧	0.9	0	0.495	208.2	224.4	6.9	6.5	0.142
5	冷轧	0.9	45	1.036	200.4	219.1	5.9	5.6	0.176
6	冷轧	0.9	90	0.850	214.0	233.2	6.0	5.8	0.180

       3．3 自然时效

        变形铝合金板材的自然时效特性是板材应用中的重要特性，由于时效会使拉伸时出现屈服点伸长，即lüders带，导致板材冲压后的零件表面会出现起皱等表面缺陷，影响汽车外覆盖件的质量，因此希望铝合金板材具有抗时效稳定性。

表5 自然时效对6022变形铝合金板材力学性能的影响

Tab.5 The influence of nature age on mechanical properties of 6022 alloy

自然时效时间/d		力学性能
		屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	伸长率/%
0	纵向	125	238	30
	横向	128	245	29
7	纵向	130	246	30
	横向	135	253	29
90	纵向	142	260	30
	横向	146	266	29
180	纵向	145	261	30
	横向	150	267	29
270	纵向	146	262	30
	横向	150	267	29
360	纵向	146	261	30
	横向	150	267	29

        由表可以看出：放置7—90d后，板材的屈服强度和抗拉强度明显上升，而在90d 之后，其屈服强度和抗拉强度几乎没有变化，放置360d的时间之内，板材的伸长率基本没有变化。

        自然时效对铝合金汽车覆盖件内板冲压时达到成形极限的高度时的压边力(BHF)完全没有影响。但对翻边成形性有明显影响，从预处理后到90d之内的自然时效，随时间延长，纵向翻边延性仍在较好水平，尤其是横向翻边延性变得较差，但自然时效90d 后随时间延长，翻边延性不再发生变化。

       3．4 烘烤温度和时间

       烘烤硬化性通常是以单轴拉伸试样预应变2%，然后于170℃～180℃烘烤3min后用其屈服强度增量来衡量；而铝合金板材的烘烤硬化性和合金系列、预处理工艺以及烘烤工艺（温度和时间）有关。6022合金板材在合适的预处理后，当烘烤温度一定时，随烘烤时间的延长，则烘烤硬化量上升；如烘烤时间一定（30min），则100℃以下烘烤对屈服强度影响不大，但在高于150℃时，则屈服强度迅速上升[7]。

        3．5晶粒度和含镁、硅化合物的尺寸与分布

       对于6022和6016铝合金而言，晶粒大小对其力学性能有明显影响，并影响其预处理效果，在其它条件相同的情况下，细晶粒（直径50～70 ）合金将具有良好的综合力学性能，预处理后，可望具有较好的成形性。第二相的大小和分布将明显影响翻边延性（即Heming性能），当具有细小、均匀分布的含镁、硅化合物时，板材具有良好的翻边延性；如果含镁、硅化合物粗大且呈尖角或立方形形状，合金板在冲压翻边时很难避免开裂。中国汽车工程研究院近期关于不同晶粒尺寸和不同第二相大小的6016的板材力学性能试验结果列于表5。可以看出：晶粒细化和第二相细化可以明显改善板材力学性能，即强度提高，延性改善。

表5 不同晶粒尺寸和不同尺寸第二相的铝合金板材的力学性能对比

Tab.5 the mechanical properties comparison of alloys for various crystals sizes and second phase

        4 汽车用铝合金板材研发的主要内容

        汽车用铝合金板材，尤其是汽车用铝合金外板是铝合金板材生产中的顶级产品，在其研发中应重点解决的是其抗时效稳定性、成形性、烘烤硬化性、翻边延性、油漆光鲜均匀性、抗凹性、表面处理技术等这些既相互联系又相互矛盾性能的合理匹配和统一，同时满足铝合金汽车板的力学性能、工艺性能以及零部件的功能要求。其具体研发过程：通过合金成分设计软件，完成汽车外覆盖件用铝合金板合金系列的选择和确定，以首先满足板材的成形性为依据，确定铁、锰、镁、硅、钛和锌等合金元素 含量对板材不同性能的影响，以达到最高的性价比及最佳的性能匹配。为此，应特别注意以下的生产关键工艺。

       （1）热轧板组织的均匀化及细化处理技术（均匀化加热工艺、保温时间、冷却速率的控制技术、始轧温度及压下量、终轧温度及压下量），重点解决晶粒度、成形性和翻边延性的关系，达到强度和延性的合理匹配。

      （2）冷轧工艺控制及优化，道次控制、轧制压下量的控制、轧辊表面处理和板材表面处理技术，达到板材合理的表面粗糙度，并为保证表面的涂漆质量做准备。

      （3）通过预处理技术使板材达到高成形性和抗时效稳定性，包括板材固溶处理、淬火冷却方式及淬火速率控制技术、强化相形核过程的控制技术、预时效等达到成形性、抗时效稳定性和高烘烤硬化性的合理匹配和统一；

     （4）板材晶粒度和第二相细化和均匀性的控制技术，达到第二相均匀分布，应呈细棒状，长宽比2~5，平均长度不超过10μm，平行于轧制方向的平均晶粒度不超过80μm，并达到均匀性，以保证翻边延性和拉延涂装后不出现Roping line。

      （5）铝合金汽车板成形性和抗凹性的评估方法、冲压构件的抗凹性、刚度、行人保护等性能检测、评价方法及表征参量的开发研究。

       5 铝合金汽车板的应用

        国内外的研究表明：6000系可热处理铝合金是变形铝合金汽车外板的合适材料。美国铝业公司、加拿大铝业公司及神户钢铁公司都进行了6000系和5000系变形铝合金汽车板的生产和应用研究，并已批量生产和应用；6000系铝合金汽车板主要应用于汽车外覆盖件，如发动机罩盖，和钢制零件相比可减重50%，同时，铝合金零件的导热性好，可以有效保证发动机的散热，并且在满足汽车碰撞对行人的保护方面也发挥了重要作用。目前国际上采用较多的铝合金汽车板型号有：AA6016、AA6022 、AA6111 、AA6005 、AA6009和AA6010， AA5182 、AA5754、 AA5052等，如Audi A8 车采用6016合金板作车身板，Acura NSX车使用5052作为内部面板以及6000系作为外部面板，Jaguar XJ220车和GM EV1车都采用5754作为车身覆盖件材料。

        国内近几年对变形铝合金汽车板进行了较多应用研究，作者在大量研究基础上，系统而全面地提出了前面所述的对铝合金汽车板的7点性能要求。从应用的角度确定了研发铝合金汽车板首先应瞄准解决成形性问题，再通过预处理工艺的大量试验，解决其7个方面性能的合理匹配和工艺方法，并认真研究了国外铝合金烘烤硬化和抗凹性的测试方法[16-19]，初步成果也用于徐州财发集团开发的铝合金汽车板上，取得良好的效果。同时和西南铝合作，承担国家“863”项目，开发出相关产品，通过成形模拟，成功冲压出奇瑞新车型的铝合金发动机罩，为其实际应用打了基础。目前国内生产的标志307、206以及北京大切诺基、长安CVLL混动车等以及一些军车上都在应用铝合金作汽车外板。随着汽车轻量化技术的发展，一些相关法规的实施及出口产品要求，将会有更多车型应用铝合金板材。

      6 结语

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[2]马鸣图，吴宝榕，双相钢物理和力学冶金[M]。北京：冶金工业出版社，2009.

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