（材料学专业论文）预时效及微合金化对汽车车身用6022合金组织和性能的研究.pdf

中南人学硕l j 论义 摘要 本文以6 0 2 2 合金为基础，制备了四种不同成分的汽车铝合金板材， 通过金相显微镜、三维原子探针( 3 d a p ) 、透射电子显微镜( t e m ) 、 扫描电子显微镜( s e m ) 、差示扫描量热法( d s c ) 、显微硬度测量、拉 伸实验、成形性能测试，研究了预时效工艺、微合金化元素a g 和 s c + z r 对6 0 2 2 合金板材模拟烤漆处理后力学性能、成形性能以及微 观组织的影响。得到以下主要结果： ( 1 ) 6 0 2 2 合金铸态组织中存在大量的结晶相，经过5 4 0 x 3 2 h 的均 匀化处理后枝晶组织消失，结晶相基本全部溶解。且6 0 2 2 合金的成 形性能及模拟烤漆处理后力学性能均接近或优于已应用的汽车车身 用铝合金板材。 ( 2 ) 自然时效处理的合金，在模拟烤漆处理初期m g s i 原子团簇会 发生溶解，使合金人工时效初期的硬化速度减慢，模拟烤漆处理后 的力学性能降低。而高于室温的预时效处理后可形成较为稳定的 m g s i 原子团簇，会为随后人工时效过程中p 相的析出提供大量的 有利形核位置，从而导致合金硬度和模拟烤漆后力学性能的上升。 ( 3 ) 预时效处理会使合金模拟烤漆后力学脾i - r _ 厶匕i = j 匕提高，但成形性能下 降。且预时效时间越长，模拟烤漆处理后力学性能会更好，但成形 性能下降也更明显。合金经过8 0 预时效1 0 m i n 后，成形性能下降 较小，但烤漆处理后力学性能提高不明显。在1 4 0 ( 2 预时效时，较为 适宜的预时效工艺为：1 4 0 0 c 预时效1 0 m i n 。在此工艺条件下，成形 性能下降不是很大，但能显著提高合金模拟烤漆处理后的力学性能。 ( 4 ) 6 0 2 2 合金中添加0 3 4 a g 对合金自然时效5 天后的成形性能影 响较小，且加a g 合金在1 7 5 时效3 0 r a i n 后，其模拟烤漆处理后力 学性能和6 0 2 2 合金相比，o o 2 提高3 0 m p a ，o b 提高2 9 m p a 。a g 的加 入不仅促进时效响应，还提高了合金的时效硬化速率，但并未改变 合金的析出序列。其机理主要是通过促进g p z o n e s c l u s t e r s 的形成 而实现的，人工时效过程中g r z o n e s c l u s t e r s 为合金主要强化相1 3 ”形核提供有利位置，从而促进合金中主要强化相1 3 相的析出。 f 5 ) 6 0 2 2 合金中添加o 1 2 s c + 0 1 3 z r ，使合金合金成形性能衡量指标尹 中南人学硕 ：论文摘要 下降0 0 1 ，r 绝对值增大0 0 5 ，g o 2 1 3 b 增大0 0 6 ，0 1 2 s c + 0 1 3 z r 的添 加使6 0 2 2 合金成形性能略微下降，但可使合金时效早期硬度提高，经 模拟烤漆处理后咖2 提高2 6 m p a ，( y b 提高2 3 m p a 。这主要是添加o 1 2 s c + o 1 3 z r 后，合金在均匀化、固溶过程中析出了大量细小、弥散分布 的a 1 3 s c g l a l 3 z r 粒子所致。而0 12 s c + 0 13 z r 的添加并不改变6 0 2 2 合金 的析出序列，对合金主要析出相1 3 ”相影响较小。 关键词：6 0 2 2 合金，预时效，a g ，s c + z r ，模拟烤漆，成形性能 中南大学硕士a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ea l l o yc o m p o s i t i o nh a sb e e no p t i m i z e do nb a s i so f 6 0 2 2a l l o ya n df o u ra l u m i n u ma l l o y sw e r ep r e p a r e d t h ee f f e c to f h o m o g e n i z a t i o nt r e a t m e n t ，p r e a g i n gt r e a t m e n t , a d d i t i o no fa ga n d s e + z rh a sb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gm i c r o s c o p e ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ( t e m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，d i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a b o r i m e t r y ( d s c ) ，m i c r o h a r d n e s sm e a s u r e m e n t ，t e n s i l et e s t a n df o r m a b i l i t yt e s t o b t a i n e dt h e s ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i th a sb e e nf o u n dt h a tl a r g eq u a n t i t yo fc o n a i t u e n t sp h a s e si n 6 0 2 2a l l o ya sc a s tc o n d i t i o n c o n s t i t u e n t sp h a s e sc o u l dd i s s o l u t ef u l l y a f t e rh o m o g e n i z a t i o nt r e a t m e n to f5 4 0 x 3 2 ha n dt h ea r b o r e s c e n t s t r u c t u r ec o u l dv a n i s h 6 0 2 2a l l o yh a sab e r e rp a i n t - b a k ea g i n g p r o p e r t y a n d f o r m a b i l i t yt h a nt h ea p p l i e da l l o ys h e e t ( 2 ) i tw a si n d i c a t e dt h a tm g - s ic l u s t e r s d i s s o l u t i o np r o c e s so ft h e n a t u r e - a g i n ga l l o y si nt h ee a r l ys t a g e so fa r t i f i c i a la g i n gr e d u c et h e a l l o y sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh a r d n e s s m g s ic l u s t e r sf o r m e da f t e r p r e - a g i n gt r e a t m e n tw h i c h c a ns e r v ea sn u c l e a t i o ns i t e sf o rt h ep i nt h e s u b s e q u e n ta r t i f i c i a la g i n g ，r e s u l tt h e i n c r e m e n to fh a r d n e s sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ( 3 ) i t w a sf o u n dt h a t ，w i t ht h e p r e a g i n g t i m ei n c r e a s e d ，t h e f o r m a b i l i t yo fa l l o y sw a sd e c l i n e d ，w h i l et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a s p r o m o t e d p r e a g i n ga t8 0 0 cf o r 10 m i n ，t h ef o r m a b i l i t yo fa l l o y s d e c l i n e ds m a l l ，b u tt h ei n c r e a s eo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a sa l s o s m a l l t h es u p e r i o rf o r m a b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a so b t a i n e d p r e - a g i n ga t14 0 0 cf o r10 m i n ( 4 ) i t w a sf o u n dt h a tt h e f o r m a b i l i t yo f6 0 2 2a l l o yc o n t a i n i n g o 3 5 a g ( a f t e r5 d a y sn a t u r ea g i n g ) w a sd e c l i n e dw i t hal i i t l ea m o u n t ， a n da f t e r3 0m i n u t e sp a i n t - b a k ea g i n ga t17 5 h i g h e rs t r e n g t hc o u l db e o b t a i n e d ( e 0 2 i n c r e a s e3 0 m p a ，o bi n c r e a s e2 9 m p a ) a ga d d i t i o na l s oc o u l d i m p r o v et h ea g i n gr e s p o n s ea n dh a r d n e s s i ta l s or e v e a l e dt h a ta g a d d i t i o nc o u l dp r o m o t et h ef o r m a t i o no ft h et h ep p h a s ew h i c hs h o u l d p r e f e rt on u c l e a t eo n t h ep o s i t i o no fg p z o n e s c l u s t e r s ( 5 ) i tw a sf o u n dt h a tt h ef o r m a b i l i t yo f6 0 2 2a l l o yc o n t a i n i n go 12 s c + 0 13 z r ( a f t e r5 d a y sn a t u r ea g i n g ) w a s d e c l i n e dw i t hal i i t l e 锄。吼t a i l d a f t e r 3 0 m i n u t e sp a i n t - b a k ea g i n ga t 17 5 h i g h e rs t r e n g t hc o u l db e o b t a i n e d ( 0 0 2 i n c r e a s e2 6 m p a ，o bi n c r e a s e2 3 m p a ) t h em a i nr e a s o nw a s t h a tl o t so f a l s s ca n da 1 3 z rf o r m a t i o ni nt h ep r o c e s so f h o r n o g e n i z a t i o n t r e a t m e n ta n ds o l u t i o nt r e a t m e n t b u tt h e s ep h a s e sd on o t i n f l u e n c et h e m a i n p r i c i p i t a t i o n gp r o c e s so fa l l o y s k e y 黼s ：6 0 2 2 a l l o y , p r e a g i n g ，a g ，s c + z r , p a i n t b a k ea g i n g ， f o r m a b i l t y 中南人学硕士第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着国民经济水平的不断提高，汽车工业己成为国家和地区国民经济的支 柱产业，并带动着冶金、石化、机械、电子、城建等相关产业的迅速发展。2 0 0 5 年我国汽车产能和需求量约4 5 0 万辆，其中轿车2 5 0 万辆，n 2 0 l o 年汽车产能和 需求量将达n s o o 万辆，其中轿车5 4 0 万辆i 。而汽车工业的发展和应用的普及是 与能源、环保、安全这三大课题息息相关的。因此，减轻汽车自重以降低能耗、 减少污染、提高效率成为各大汽车企业提高竞争力的重要措施。轿车轻量化的 途径有两种：一是优化结构设计，二是采用轻质材料。到目前为止，前者已无 太大的回旋余地，因而汽车行业普遍注重于开发利用新的高强度钢材或铝、镁 等轻合金材料。降低轿车重量的轻质材料，有铝材、树脂基材料、复合材料、 镁合金以及高强度低合金化钢材等。其中，使用铝合金代替钢铁材料是各国汽 车制造商的主要减重措施。 铝合金板材具有重量轻、强度高、耐蚀性好的特点。汽车车身板用铝合金 替代后带来的效益主要体现在以下几个方面：( 1 ) 明显的减重效益。汽车车身约 占汽车总重的3 0 ，仅在汽车内外板上用铝合金来代替传统钢板就可使车身减重 约4 0 - 5 0 。可观的减重效果是铝合金材料的突出优点。( 2 ) 可观的节能效果。 减少燃油消耗的途径一般为：提高发动机效率，减少行驶阻力，改善传动机构 效率及减轻汽车自重等，其中最有效的措施是减轻汽车自重。汽车自重每减轻 1 0 0k g ，每百公里可节省燃油0 4 1 0 l 。( 3 ) 减少大气污染，改善环境质量。车重 减少5 0 ，c 0 2 排放量减少1 3 。( 4 ) 有助于提高汽车行驶的平稳性、乘客的舒适 性和安全性。减轻车重可以提高汽车的行驶性能，美国铝业协会提出，如果车 重减轻2 5 ，可使汽车加速盈j 6 0 m p h 的时间，从原来的1 0 s 减少n s s ；使用铝合金 车轮，使振动变小，可以使用更轻的反弹缓冲器：由于使用铝合金材料是在不 减少汽车容积的情况下减轻汽车自重，因而汽车更稳定，乘客空间变大。承受 同样冲击，铝板比钢板多吸收冲击能5 0 。因而在减重后安全性能也能较大提高。 ( 5 ) 可较大程度的回收利用。在轻质材料中，由于聚合物类的塑料制品在回收中 存在环境污染问题、镁合金材料的价格和安全性也限制了它的广泛应用。因此， 铝合金材料是汽车轻量最理想的材料之一。 中南大学硕士第一章绪论 目前，我国汽车铝化率还比较低，一般轿车单车用铝量为4 0 一5 0 k g 左右，铝 化率平均为4 ，远远低于发达国家。由于汽车车身占汽车总重的3 0 左右，因 此，开发高性能且具有特色的汽车车身板材是我国汽车轻量化进程中的一个重 要环节。 1 2 铝合金汽车车身板的分类及特点 用在汽车车身板的铝合金主要有2 0 0 0 系( a 1 c u - m g 系) 、5 0 0 0 系( a l m g 系) 和 6 0 0 0 系( a 1 一m g s i ) 。表1 一l 列出了主要汽车车身板铝合金的化学成分。 表1 1 主要汽车车身板铝合金的化学成分 2 0 0 0 系铝合金具有良好的焊接性，锻造性和高的强度。其强化相为c u m g g l 2 和c u a l 2 ，以c u m g a l 2 为强化相的合金，由于强化相形成困难，时效硬化很慢， 而以c u a l 2 为强化相的合金在时效温度升高时，会出现强度降低的现象。因此， 以这两种强化相为主要强化相的合金，需要较高的人工时效温度才可以获得合 适的强度。2 0 0 0 系合金也是一种热处理强化合金，具有烘烤强化效应，但其抗 蚀性比其他工业铝合金差。2 0 0 0 系合金中，2 0 3 6 合金已广泛用于汽车车身板的 生产。 5 0 0 0 系铝合金中的m g 原子固溶于铝基体中，形成固溶强化效应使该系合金在 2 中南大学硕士 第一章绪论 成型性和抗腐蚀性等方面具有普碳钢板的优点，可用于汽车内板等形状复杂的 部位。但低m g 合金铸造性能相当差，其共晶含量少，合金有明显的热脆性。虽 然5 0 0 0 系铝合金具有优良的成形性，但是其强度比2 0 0 0 系和6 0 0 0 系低，板材表 面容易起皱，出现滑移带，使得板材的表面质量变坏，甚至喷漆后也不能完全 消除，并且喷漆烘烤过程中会变软。5 0 0 0 系的固溶强化，使它还有两个明显的 缺点：延迟屈服和勒德斯线睇j 。 6 0 0 0 系( a i m g s i ) 合金具有强度和塑性的良好组合，综合性能优良。与钢 板相比，6 0 0 0 系合金t 4 态板材的屈服强度和抗拉强度相近，n 值超过钢板。此 外6 0 0 0 系是可热处理强化合金，合金经模拟烤漆处理( 1 6 0 18 0 c 2 0 3 0 r a i n ) 和 其他工序处理后，可用于外板要求强度、刚性的部位，而且铝合金板材还可直 接利用原有的模具和生产线来加工。目前，国外铝制车体大型材用铝合金主要 采用6 0 0 0 系列合金，如6 0 0 9 、6 0 1 0 、6 11 1 、6 1 8 1 a 等，美国汽车制造商多选 用具有较高强度的6 1 1l ，欧洲更多采用具有较好成形性能的6 0 1 6 1 3 1 。最新研究 表明6 0 0 5 a 合金的性能也较为理想【4 ，5 j 。 6 0 0 0 系合金以t 4 ( 固溶淬火+ 自然时效) 状态供货，具有较低的屈服强度( 2 6 时，形成s + 0 相或0 相。 m 9 2 s i 含量高的合金会发生时效滞后现象，即合金淬火后在室温停留，会降 低随后人工时效的强化效果，导致合金强度的下降。a i m g s i 系合金出现停放效 应主要是由于镁和硅在铝中的固溶度不同，硅的固溶度小，先于镁发生偏聚， 硅原子偏聚区小且弥散，从而使得基体中固溶的硅含量大大减少。当再进行人 工时效时，那些小于临界尺寸的硅的g p 区将重新溶解，导致形成介稳的b ”相的 有效核心数减少。微量的铜能降低自然时效速度，从而减轻停放效应的不良影 响【4 3 1 。为了抑制停放效应，在a 1 m g s i 合金中加入一定量的c u ，于是发展成砧 - m g - s i - c u 系合金。 已有研究表明，添加c u 能够促进烤漆过程中b ”相的形成，提高烤漆硬化性 能。c u 的添加能够增加合金中m g 和s i 的过饱和程度，加强了自然时效过程中富 集区的形成。a u m o u s s e 等人认为【3 6 1 ，c u 减d t m g 和s i 原子的迁移速度，阻碍了 m g s i 富集区的形成，而在人工时效过程中，小的富集区发生回复。这样就增加 t m 9 2 s i 的过饱和度，从而导致了人工时效温度下析出反应的强大推动力。有研 究者【1 9 】报道了c u 的加入增加硬化的初始速度和峰值硬度，这是由于随着c u 含量 的增加，针状析出物的密度增加的原因。金曼1 等人提出在欠时效条件下，c u 含量对时效硬化动力学有很大的影响，c u 可明显提高峰值硬度。他们发现高c u 合金的显微结构比低c u 合金的要细小得多。另外一种在a i m g s i c u 合金中发现 的沉淀相有人认为是是q 相，它第一次是被d i x 和s a g e r 发现1 4 副。但是c u 含量过高 时，则会降低合金的抗腐蚀性。 1 3 3 4m n 对合金的影响 删材料的性能有强化作用，它对铝及铝合金的再结晶过程有很大影响。 首先，它能阻碍铝及其合金的再结晶过程，提高再结晶温度。其次，在再结晶 终了阶段m n 能显著细化再结晶晶粒。6 0 0 0 系合金中添加加少量的m n 能够细化晶 粒，不仅提高强度，还提高耐蚀性，m n 含量的增加会增加再结晶温度 4 f l 。而且， m n 形成的弥散强化相对硬度和强度的提高也有较大贡献。 添加m n 能阻止s i 在晶界处成核，防止金属脆性，从而提高了断裂强度。在 高强度合金里添加m n 含量大于0 1 的时候，m n 的害处是增加变形抗力，降低铸 锭的挤压性能，同样也增加淬火敏感性。m n 固溶于铝中，可提高再结晶温度2 0 1 0 0k ，铝越纯，m n 含量越高，这种作用愈明显。对再结晶晶粒的细化主要是 通过a 1 6 m n 弥散质点对再结晶晶粒的长大起阻碍作用来实现的。a l d v i n 是与a l m n 固溶体相平衡的相，它除了能提高合金的强度，细化再结晶晶粒外，另一重 中南大学硕士第一章绪论 要作用是能熔解杂质铁，形成a 1 6 ( f e m n ) ，减小铁的不利影响。同时a 1 6 m n 的电 极电位与铝的电极电位相等( 0 8 5 v ) ，所以对铝的抗蚀性能没有影响。另外，锰 会明显的增加铝的电阻，所以用作导电材料时应控制锰的含量。但合金中锰含 量过多时，会形成粗大、硬脆的a 1 6 呲合物，将损害合金的性能 4 7 1 。在液固 相变时，砧和m n 形成粗大的a 1 f e m n s i 相( a 相) 颗粒，这些粗大颗粒在热轧过程中 会破碎，在破碎的粗大相的周围将形成高应力区，从而促进了新晶粒的形核和 成长；在固固相变时，a l 和m n 会形成细小弥散的1 2 m n 3 s i ( o t 相) 颗粒相，尺寸 在o 1 0 3 u m ，这种弥散的颗粒