产学研结合 开发性能更好的ABS铝合金

    当前,铸造铝合金及变形铝合金都在汽车制造中获得了应用,但仍以前者为主.从发展态势来看,到2020年或稍晚一些,变形铝合金平轧产品、挤压材、锻件等的用量有可能超过压铸件与铸件,或平分秋色,其中增长速度与幅度最大的当数ABS.

    ABS应具备的性能

    在当下生产四项大宗民用平轧铝产品(PS与CTP版基板、铝箔带坯、全铝易拉罐身料、ABS)中,ABS的生产难度及技术门槛最高,装备与建设投资也是最多的.ABS除有满足标准与规范的力学性能、抗腐蚀性能、尺寸偏差与表面品质外,还应具备如下的特性,所以生产难度并不亚于和航空航天器铝板带的.

    1. 良好的成形性能与翻边延性

    车身及覆盖钣金件的成形加工是从航空制造业移置过来的,通过冲压成形,铝合金薄板应该有良好的成形性,即具有低的屈强比(屈服强度Rpo.2与抗拉强度极限Rm之比)与高的成形极限,在各种不同的冲压变形应力状态下具有相当高的成形空间.在钣金件生产中,冲压成形是一道很重要的工序,有些钣金件还要承受弯折.车身板有内、外板之分,对外板性能的要求比对内板的更高.

    铝板的成形性能除用Rpo.2/Rm比表征外,还可用90°弯折半径、突杯值、n值、r值等表示.有些车身钣金件尺寸大、形状复杂,主要通过冲制和鼓胀两种复合成形方式生产,并以后者为主.钣金件的连接采用焊接和/或黏结,也间或有用紧固件连接的.2xxx系及6xxx系合金用于外板等注重强度和刚度的部位.6xxx-T4P板材的抗拉强度Rm和屈服强度Rpo.2几乎与冷轧钢板的相等,而其n值却≥冷轧钢板的.ABS的90%以上的厚度0.9mm~1.3mm.

    有些钣金件如发动机盖板的内外板合成等均采用翻边工艺,因此要求铝合金板在冲压翻边时有高的抗开裂性即有良好的翻边延性,它不但与材料的总伸长率有关,也与内部组织有关,实际上主要决定于组织,均匀细小的晶粒组织决定板材有高的翻边延性.

    2. 表面平整性强

    ABS铝合金薄板必须有良好的翻边延性和成形以后表面色调均一,即成形的钣金件表面不出现罗平线(roping line)又称滑移线,它是由晶粒不均或者是夹杂物不均而造成的板材表面变形不均,从而使表面在涂油漆后出现光彩不一致的现象.

    3. 良好的可焊性

    良好的可焊性能可以满足汽车构件在成形后直接焊接要求.板材应具有抗时效稳定性,以确保板材从出厂到冲压时这段时间内不发生时效,防止冲压时材料的屈服点升高,诱发吕德带(Lude's zone)而产生的表面变形不均匀和起皱,从而影响汽车钣金件外板的表面品质.

    4. 优秀的烘烤硬化性

    汽车轻量化还要求板材具有高的烘烤硬化性,即在冲压变形和涂漆烘烤之后板材的屈服强度有明显升高,从而保证成品钣金件有高的抗凹性与抗压性,铝合金板材的油漆烘烤工艺应与目前钢板冲压件的烘烤工艺相容,因为现在汽车企业的油漆烘烤工艺都是为钢板的.

    5.抗时效稳定性强

    铝合金板材在室温存放时不发生时效或几乎不发生时效的特性被称为抗时效稳定性,因为一旦发生时效,屈服点会有所伸长,也有一点点升高,拉伸时会产生吕德带,造成冲压时变形不均和起皱,对冲压件外观影响极大.通常板带材从铝加工厂到汽车构件冲制厂冲压成形往往要经过长时间的运输和贮存,要求材料有很强的抗时效性,在6个月内不发生时效.预计时效处理是提高ABS抗时效稳定性的有效措施,6xxx系合金在预时效后有良好的抗时效稳定性.

    6. 坚强的抗凹性

    板材和钣金件抵抗外力和外来物件压入而不发生凹陷或永久变形的能力被称为抗凹性,用Pt表示,与材料的流变应力бf及厚度有关,可用下式表达;当然,抗凹性也与零件刚度及结构有关.

    7. 良好的Zr/Ti盐化学转化处理性能

    ABS在涂覆润滑剂之前都要经过表面钝化处理,形成一层Zr/Ti盐体系转化膜,为吸附润滑剂创造良好的基底.这种处理液应是环保型的,不含铬,主要由含钛、锆的金属盐、氟化物、硝酸盐和有机添加剂组成,通过浸渍、喷淋方式在ABS上形成转化膜.膜层主要为锆/钛盐、铝的氧化物,铝的氟化物及锆钛的结合物等组成.其优点在于工艺操作简单,所获得的膜层与有机聚合物有很强的结合力.当下典型的无铬化学转化处理工艺是阿洛丁法,在德国已有成熟的生产线,还可以在含氟离子的专用磷化液中进行表面化学转化膜处理.

    以上的这些性能如抗时效稳定性、成形性、烘烤硬化性、翻边延性、油漆鲜艳性、表面处理特性、抗凹性等是ABS外板应具备的,不过有些特殊是相互矛盾的,应尽可能使它们达到合理的匹配,达到优化组合,同时应有合理的性价比.

    6xxx系ABS的性能

    ABS可分为外板与内板,外板的生产难度大,所要求的性能高,所以现在所说的ABS一般都是指车身外覆盖板.关于ABS在2004年以前,国外有研究5xxx系合金的,也有研究2xxx系及6xxx系合金的,但自2005年起各国材料科学家的意见比较统一,大都集中于6xxx系合金的研究与开发,认为它的综合性能比5xxx系及2xxx系合金的好一些.

    6xxx系合金ABS的生产工艺之一是铝加工企业供应T4P状态板材,汽车制造厂进行冲压成形与之前的表面处理及喷涂润滑剂,涂漆后在烘烤过程中强度得到进一步的提高.表中列出了Si含量对Al-Mg-Si系合金力学性能与成形性能的影响,ABS 6xxx系合金都是Si含量过剩的合金,因为过剩Si的存在不但可以提高BH性能,而且可以提高抗压痕性.表中的力学性能为三个方向试样平均值.

    6xxx系合金的成形性能比5xxx系合金的差一些.研究工作者为此作过种种努力,发现只要有一定量的Si便可提高合金的抻长率与成形性能,但不能过多,否则会降低弯曲性能,对成形性不利.

    车身钣金件都是冲制的,要求材料有良好的冲制性能,材料的此性能手可用n值、r值、杯突值、屈强比、成形极限、断面缩颈率评估,有相关人士认为:在评估汽车铝合金钣的成形性能时,使用X6值为评价指标最为准确;在简单的单向拉伸性能参数中,可以使用Z值或n值进行评价,而不宜用r值.X6值为平面应变拉伸强度Rb-p与单向拉伸试验抗拉强度Rb-u之比,即X6=Rb-p/Rb-u