產學研結合 開發性能更好的ABS鋁合金

    當前,鑄造鋁合金及變形鋁合金都在汽車制造中獲得了應用,但仍以前者為主.從發展態勢來看,到2020年或稍晚一些,變形鋁合金平軋產品、擠壓材、鍛件等的用量有可能超過壓鑄件與鑄件,或平分秋色,其中增長速度與幅度最大的當數ABS.

    ABS應具備的性能

    在當下生產四項大宗民用平軋鋁產品(PS與CTP版基板、鋁箔帶坯、全鋁易拉罐身料、ABS)中,ABS的生產難度及技術門檻最高,裝備與建設投資也是最多的.ABS除有滿足標準與規范的力學性能、抗腐蝕性能、尺寸偏差與表面品質外,還應具備如下的特性,所以生產難度并不亞于和航空航天器鋁板帶的.

    1. 良好的成形性能與翻邊延性

    車身及覆蓋鈑金件的成形加工是從航空制造業移置過來的,通過沖壓成形,鋁合金薄板應該有良好的成形性,即具有低的屈強比(屈服強度Rpo.2與抗拉強度極限Rm之比)與高的成形極限,在各種不同的沖壓變形應力狀態下具有相當高的成形空間.在鈑金件生產中,沖壓成形是一道很重要的工序,有些鈑金件還要承受彎折.車身板有內、外板之分,對外板性能的要求比對內板的更高.

    鋁板的成形性能除用Rpo.2/Rm比表征外,還可用90°彎折半徑、突杯值、n值、r值等表示.有些車身鈑金件尺寸大、形狀復雜,主要通過沖制和鼓脹兩種復合成形方式生產,并以后者為主.鈑金件的連接采用焊接和/或黏結,也間或有用緊固件連接的.2xxx系及6xxx系合金用于外板等注重強度和剛度的部位.6xxx-T4P板材的抗拉強度Rm和屈服強度Rpo.2幾乎與冷軋鋼板的相等,而其n值卻≥冷軋鋼板的.ABS的90%以上的厚度0.9mm~1.3mm.

    有些鈑金件如發動機蓋板的內外板合成等均采用翻邊工藝,因此要求鋁合金板在沖壓翻邊時有高的抗開裂性即有良好的翻邊延性,它不但與材料的總伸長率有關,也與內部組織有關,實際上主要決定于組織,均勻細小的晶粒組織決定板材有高的翻邊延性.

    2. 表面平整性強

    ABS鋁合金薄板必須有良好的翻邊延性和成形以后表面色調均一,即成形的鈑金件表面不出現羅平線(roping line)又稱滑移線,它是由晶粒不均或者是夾雜物不均而造成的板材表面變形不均,從而使表面在涂油漆后出現光彩不一致的現象.

    3. 良好的可焊性

    良好的可焊性能可以滿足汽車構件在成形后直接焊接要求.板材應具有抗時效穩定性,以確保板材從出廠到沖壓時這段時間內不發生時效,防止沖壓時材料的屈服點升高,誘發呂德帶(Lude's zone)而產生的表面變形不均勻和起皺,從而影響汽車鈑金件外板的表面品質.

    4. 優秀的烘烤硬化性

    汽車輕量化還要求板材具有高的烘烤硬化性,即在沖壓變形和涂漆烘烤之后板材的屈服強度有明顯升高,從而保證成品鈑金件有高的抗凹性與抗壓性,鋁合金板材的油漆烘烤工藝應與目前鋼板沖壓件的烘烤工藝相容,因為現在汽車企業的油漆烘烤工藝都是為鋼板的.

    5.抗時效穩定性強

    鋁合金板材在室溫存放時不發生時效或幾乎不發生時效的特性被稱為抗時效穩定性,因為一旦發生時效,屈服點會有所伸長,也有一點點升高,拉伸時會產生呂德帶,造成沖壓時變形不均和起皺,對沖壓件外觀影響極大.通常板帶材從鋁加工廠到汽車構件沖制廠沖壓成形往往要經過長時間的運輸和貯存,要求材料有很強的抗時效性,在6個月內不發生時效.預計時效處理是提高ABS抗時效穩定性的有效措施,6xxx系合金在預時效后有良好的抗時效穩定性.

    6. 堅強的抗凹性

    板材和鈑金件抵抗外力和外來物件壓入而不發生凹陷或永久變形的能力被稱為抗凹性,用Pt表示,與材料的流變應力бf及厚度有關,可用下式表達;當然,抗凹性也與零件剛度及結構有關.

    7. 良好的Zr/Ti鹽化學轉化處理性能

    ABS在涂覆潤滑劑之前都要經過表面鈍化處理,形成一層Zr/Ti鹽體系轉化膜,為吸附潤滑劑創造良好的基底.這種處理液應是環保型的,不含鉻,主要由含鈦、鋯的金屬鹽、氟化物、硝酸鹽和有機添加劑組成,通過浸漬、噴淋方式在ABS上形成轉化膜.膜層主要為鋯/鈦鹽、鋁的氧化物,鋁的氟化物及鋯鈦的結合物等組成.其優點在于工藝操作簡單,所獲得的膜層與有機聚合物有很強的結合力.當下典型的無鉻化學轉化處理工藝是阿洛丁法,在德國已有成熟的生產線,還可以在含氟離子的專用磷化液中進行表面化學轉化膜處理.

    以上的這些性能如抗時效穩定性、成形性、烘烤硬化性、翻邊延性、油漆鮮艷性、表面處理特性、抗凹性等是ABS外板應具備的,不過有些特殊是相互矛盾的,應盡可能使它們達到合理的匹配,達到優化組合,同時應有合理的性價比.

    6xxx系ABS的性能

    ABS可分為外板與內板,外板的生產難度大,所要求的性能高,所以現在所說的ABS一般都是指車身外覆蓋板.關于ABS在2004年以前,國外有研究5xxx系合金的,也有研究2xxx系及6xxx系合金的,但自2005年起各國材料科學家的意見比較統一,大都集中于6xxx系合金的研究與開發,認為它的綜合性能比5xxx系及2xxx系合金的好一些.

    6xxx系合金ABS的生產工藝之一是鋁加工企業供應T4P狀態板材,汽車制造廠進行沖壓成形與之前的表面處理及噴涂潤滑劑,涂漆后在烘烤過程中強度得到進一步的提高.表中列出了Si含量對Al-Mg-Si系合金力學性能與成形性能的影響,ABS 6xxx系合金都是Si含量過剩的合金,因為過剩Si的存在不但可以提高BH性能,而且可以提高抗壓痕性.表中的力學性能為三個方向試樣平均值.

    6xxx系合金的成形性能比5xxx系合金的差一些.研究工作者為此作過種種努力,發現只要有一定量的Si便可提高合金的抻長率與成形性能,但不能過多,否則會降低彎曲性能,對成形性不利.

    車身鈑金件都是沖制的,要求材料有良好的沖制性能,材料的此性能手可用n值、r值、杯突值、屈強比、成形極限、斷面縮頸率評估,有相關人士認為:在評估汽車鋁合金鈑的成形性能時,使用X6值為評價指標最為準確;在簡單的單向拉伸性能參數中,可以使用Z值或n值進行評價,而不宜用r值.X6值為平面應變拉伸強度Rb-p與單向拉伸試驗抗拉強度Rb-u之比,即X6=Rb-p/Rb-u