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當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)必須將發(fā)展的核心放在能源和環(huán)境上。汽車輕量化技術(shù)是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，對汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。采用輕量化材料是減輕汽車自重最簡單有效的方法，因而，其已成為當(dāng)前汽車工業(yè)研究的熱點問題。鋁合金以其較高的比強度、良好的耐腐蝕性、成形性以及焊接性等一系列優(yōu)良特性而成為汽車輕量化的優(yōu)選材料之一。在汽車行業(yè)，汽車輕量化作為節(jié)能減排最主要的手段之一，相關(guān)研究表明車身質(zhì)量每減輕1%，行駛過程中可至少節(jié)省燃料消耗0.6%。汽車中每使用1 kg鋁，在整個汽車的服役期限內(nèi)可減少尾氣排放20 kg。此外，隨著新能源汽車的發(fā)展以及國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的革新，消費者對國產(chǎn)品牌的信賴度也越來越高。新能源市場成為汽車發(fā)展的新方向，如此一來汽車輕量化的地位更為重要。
基于汽車發(fā)展的大背景，鋁合金材料可作為汽車輕量化發(fā)展的優(yōu)選材料，也將是未來汽車發(fā)展的主要材料之一。發(fā)展汽車用鋁合金材料，是基于鋁合金材料的密度低（約為鋼鐵材料的1/3）、比強度高、耐蝕性能優(yōu)異，易于加工成形，便于可回收利用的特點。相關(guān)研究指出，使用鋁合金材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽車用鋼材，能夠在保證汽車安全行駛的前提下，車體質(zhì)量實現(xiàn)最高60%的減少。因此，使用鋁合金來替代傳統(tǒng)鋼鐵材料，能夠很大程度地減輕汽車整體的質(zhì)量。 專家預(yù)測，到2025年我國汽車生產(chǎn)銷售車輛約為3200萬輛，2030年將會增長到3800萬輛，2035年將達(dá)到4000萬輛的規(guī)模。目前我國每輛車的平均用鋁為130 kg，預(yù)計到2025年將超過250 kg，到2030年將超過350 kg。到2025年，車用鋁合金在全球的市場規(guī)模將達(dá)到9300億元，而我國的市場規(guī)模將達(dá)到3200億元，約占全球規(guī)模的34.4%，說明未來鋁合金在汽車中應(yīng)用的市場規(guī)模是非常龐大的。
經(jīng)過長時間的發(fā)展，最常見的用于汽車車身的鋁合金板材有2×××（Al-Cu-Mg）系、5×××（Al-Mg）系、6×××（Al-Mg-Si）系合金及7×××（Al-Zn-Mg-Cu）系鋁合金。現(xiàn)常用的變形鋁合金，因其強度限制，較少用于汽車結(jié)構(gòu)件，其中可以通過熱處理強化的合金是2×××、6×××和7×××系合金，而5×××系合金屬于不可熱處理強化型合金。 2×××系鋁合金在汽車車身板上的應(yīng)用 2×××系鋁合金以Cu和Mg為主合金元素，是通過熱處理可以強化的合金。 Al-Cu-Mg合金中主要強化相是Al2Cu（θ）相和Al2MgCu（S）相。當(dāng)Cu/Mg>8時，Al-Cu-Mg合金以θ相強化。Al-Cu-Mg三元體系中的Cu/Mg=4～8時，θ相和S相同時成為主要的強化相，合金雙相強化時，強化效果最好。在低Cu/Mg比的Al-Cu-Mg系列合金中，比值為1.5～4時，S相成為最有效的強化相。 表1 2×××系鋁合金汽車板常用牌號及成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） Tab.1 Commonly used grades and components of 2××× series aluminum alloy (mass fraction) %
2×××系鋁合金具有良好的成形性，可以作為駕駛室及車蓋等汽車外板部件的主要材料。 雖然2×××鋁合金在成形性方面的表現(xiàn)良好，但是其烤漆硬化能力及應(yīng)力腐蝕性能在汽車外板的應(yīng)用中和其他系列板材相比競爭力不足。研究發(fā)現(xiàn)，Al-3.5Cu-(0.71-1.81)Mg鋁合金在190 ℃下需要12 h才能達(dá)到峰值，在200 ℃下也需要6 h才能到達(dá)峰值，這在汽車板的應(yīng)用中，難以滿足快速烤漆硬化的要求，限制了合金在汽車外板上的應(yīng)用。 6×××系鋁合金在汽車車身板上的應(yīng)用 6×××系鋁合金的主合金元素是Mg和Si元素，形成的主要強化相是Mg2Si相，是通過熱處理可以強化的合金。 6×××系鋁合金成形性能良好，Cu含量較高的6111合金具有更高的烤漆硬化性能，并且呈現(xiàn)出雙相強化的特征，強化相為Mg2Si相和Al-Cu-Mg-Si相。 在實際生產(chǎn)中6016包邊有開裂的現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)，富鐵相的存在，會影響板材的包邊性能，在成分調(diào)控或熱處理后，減少富鐵相有利于改進(jìn)合金的包邊性能。有研究者提出是否可以設(shè)計開發(fā)出一款合金板材，能夠滿足汽車各個部位的使用要求。盡管6×××系板材在實際的生產(chǎn)加工中，會出現(xiàn)包邊開裂的現(xiàn)象，但是考慮到回收成本的問題，該合金系列的板材擁有優(yōu)異的綜合性能，最有可能成為這樣的全能合金板材。
應(yīng)力腐蝕斷口形貌 7×××系鋁合金在汽車車身板上的應(yīng)用 7×××系鋁合金主要以Zn，Mg，Cu為主合金元素，主要強化相是η（MgZn2）相，也是可以通過熱處理實現(xiàn)強化的合金。η相具有細(xì)小彌散的分布特點，合金中含有較高的析出相分?jǐn)?shù)，使7×××系合金的強度明顯高于其他系列。 7×××系鋁合金的發(fā)展經(jīng)歷了4個階段：第1個階段是研發(fā)高強度低韌性的合金；第2個階段改變了時效工藝，提高了合金的耐腐蝕能力，形成了高強度耐腐蝕合金；第3個階段，通過合金成分調(diào)整，實現(xiàn)合金韌性的提高，形成高強度高韌性耐腐蝕的合金；第4個階段，協(xié)同提高了合金的綜合性能，形成了超高強度高韌性耐腐蝕的合金[29]。熱處理工藝和合金化探索在合金的發(fā)展中起著重要的作用。不同成分配比和不同的熱處理工藝，將對合金帶來不同的性能。 7×××系鋁合金的強度可滿足汽車結(jié)構(gòu)件的承力需求，但在峰時效狀態(tài)，合金的伸長率較低，說明合金的成形性能較差，作為汽車板使用時，需要改進(jìn)熱處理工藝，尋求合適的成形方法。 5×××系鋁合金在汽車車身板上的應(yīng)用 5×××系鋁合金是以Mg元素為主要元素的合金系列。通過熱處理，合金得不到強化，但是可以改變析出相的分布情況，進(jìn)而改善合金的耐腐蝕性能。該合金的主要強化方式是固溶強化和加工硬化。該合金中主要存在的是β（Al3Mg2）相，β相是Mg原子從過飽和固溶體中析出形成的，但是存在形核點較少、相形核尺寸大、與基體界面是非共格界面的缺點，這也是該合金不能熱處理強化的原因。 5×××系鋁合金相較于其他牌號具有密度低、比強度高、成形性能以及焊接性能良好等優(yōu)點。在汽車板上應(yīng)用時，5×××系鋁合金的成形性能優(yōu)于其他系列鋁合金，該系列合金有著較高的n值和r值，因為該系列合金屬于不可熱處理強化的合金，使用時多依靠合金的固溶強化和加工硬化，使用的狀態(tài)多為O（退火）態(tài)和H（加工硬化）態(tài)。
退火態(tài)下使用的5×××系鋁合金，在Mg原子的固溶作用下，容易形成柯氏氣團(tuán)，屬于原子聚集的一種形式，能夠?qū)ξ诲e運動產(chǎn)生影響，產(chǎn)生釘扎位錯的作用。在拉伸過程中柯氏氣團(tuán)與位錯交互作用，位錯運動在被釘扎與脫釘運動中交替進(jìn)行，在拉伸曲線上形成上下屈服點，宏觀上形成Lüders效應(yīng)（Luders effect）。此外，該系合金容易在拉伸過程中產(chǎn)生塑性失穩(wěn)現(xiàn)象，該現(xiàn)象被稱為Portevin-Le Chctelier效應(yīng)（PLC effect），該效應(yīng)不可消除，只能通過不同工藝成分減弱其影響。
總結(jié) 2×××系和7×××系鋁合金具有較高的強度，但是2×××系合金烤漆響應(yīng)能力欠缺，烤漆硬化程度不足。此外，這2種系列合金成形性能及耐應(yīng)力腐蝕性能也需要改善，這些因素限制了合金在汽車板上的發(fā)展，需要開發(fā)不同的成形工藝來改善合金的成形性能，未來高強合金板材也將是汽車板發(fā)展的一個方向。 6×××系鋁合金現(xiàn)在具有較為優(yōu)異的綜合性能，但是在具體的成分配比上還存在一些缺陷，如何改善成分配比不佳導(dǎo)致的成形性能降低及烤漆性能不佳等問題也將是未來工作的重點。 5×××系鋁合金雖然具有優(yōu)異的成形性能，但是其表面質(zhì)量問題嚴(yán)重，只能用作汽車內(nèi)板，需要通過改變合金成分，調(diào)控不同工藝來進(jìn)一步提高合金的綜合性能。 本文來源：網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有。 |
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