淺析ABS合金鋁板材的優點及在汽車上的應用

2016年12月06日
  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。

  國外在發展ABS合金方面經過幾十年的工作已形成一個龐大的家族,有標準的合金,也有非標準的合金,約有四五十種,分屬于2xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系,各有各的性能,用于制造車身的不同鈑金件。不同的國家在用合金方面各有側重,日本汽車工業用5xxx系合金的多一些。美國則多用2xxx系合金,歐洲對6xxx系合金更感興趣。中國在《新材料產業“十二五”發展規劃》明確提出發展ABS的合金為6xxx系的6016、6022、6111,這既與世界ABS發展態勢一致,也與中國鋁加工業及汽車制造業的實際情況吻合。這三個合金的成分見下表,它們與建筑工業及其他工業廣泛應用的6063合金、6082合金、6061合金同屬Al-Mg-Si系,對于廢料回收與發展循環經濟非常有利,也就是說,在廢料回收過程中,即使發生少量的混料也是允許的。

  批量穩定地生產ABS的難度大,技術門坎高,是一項復雜的系統工程,應嚴格控制各道工序的工藝參數,才能制得各項性能搭配恰到好處的ABS。我們說ABS的上游工藝與生產其他大宗高精板帶的工藝相當,是從大的工序來說的,如熔煉、鑄造、熱軋、冷軋,實際上具體工藝參數是有差別的。

  首先應精心設計合金成分,制訂內部標準,按內部標準配料使鑄錠成分符合內標要求,熔煉溫度不宜過高,最好控制在規程中限偏下,爐料與熔劑都要符合規程要求,精心精煉、除氣、除渣。鑄造前晶粒細化劑添加量應恰如其份,應選擇優質細化劑,也可以Al-Ti-C細化劑的應用。鑄造時應保持穩定的熔體流量,控制好液面高度、鑄造速度,冷卻水溫度、壓力、流量,鑄出枝晶網格致密均勻,晶粒細小一致的鑄錠。熔煉鑄造這道工序非常重要,有了優質的鑄錠,才能軋得品質優異的帶材。生產實踐表明,板帶材生產中出現的缺陷有70%左右都或多或少與熔煉鑄造有關。

  熱軋帶坯有良好的組織才能保證冷軋帶材有精密細致的晶體組織,才能保證ABS有良好的成形性與翻邊塑性,達到強度與塑性的最佳匹配。鑄錠的均勻化退火也是一道關鍵工序,溫度宜高些,保溫時間宜長些,既要保證完全消除晶內偏,又要保證可固溶的相全部固溶,對冷卻速度也要適當控制。制訂特有的熱軋壓下率系統,始軋溫度在500℃左右,7xxx系合金的為475℃左右,最初一二道壓下率宜小、中間道次壓下率宜大些,最后道次的居中,總壓下率必須大于75%必須完全消除鑄造組織。終軋溫度為350℃±10℃。

  冷軋之前應進行一次預退火,使帶材的熱軋組織完全轉變為再結晶組織,建立一套完善的冷軋道次與壓下率控制系統,嚴格控制軋輥表面粗糙度,最好采用特殊設計的冷軋機,在軋最后一道時換上專用軋輥,可施加小的壓下量軋出特有的表面狀態,并確保表面涂漆品質的粗糙度。

  對固溶處理技術、淬火技術、強化相形核過程技術、預時效工藝、停放時間等的控制應統一起來看,以使材料在成表性、抗時效穩定性和烘烤硬化性達到最佳匹配和高度和諧統一。固溶處理時間既要足夠確保強化相完全固溶又要保證爐具有最高的生產效率,淬火速度一應快二應相當均勻。

  從熔煉鑄造開始到精整涂油包裝為止,如能對各道工序工藝參數嚴加控制,就可以生產出品質上乘的ABS,它的晶粒細小均勻,平行于軋制方向的平均晶粒度≤80μm。第二相不但本身細小,呈細棒狀,長寬比2~5,而且平均長度≤10μm。有了這種組織的ABS,在翻邊時與拉延涂裝后不會出現羅平線,同時變形后也不出現呂德帶。

  由于我們在生產ABS方面才剛剛起步,與工業發達國家的差距甚大,不說一百年,少說也有五六十年,需要做的工作很多。首先生產企業、汽車企業、高等院校、研究院所應緊密聯合起來,一方面希望南山輕合金公司、忠旺天津鋁業有限公司、南南鋁加工有限公司利用當下全球最先進的成套設備能盡快地向市場供應ABS,另一方面應展開研發工作,形成大眾創業、萬眾創新的局面。

  大力開發基礎研究。中國的高等院校、科研院所、生產企業等在研發鋁合金乘人車板材方面做了許多工作,成就斐然,但是恕筆者直言,大多數都是跟蹤型的,創新型的不多,之所以如此,就是對基礎研究投入少,要做到萬眾創新,首先要加強基礎研究,這是創新根基。

  研究新的合金,創造一個全新的ABS鋁合金系當前看來幾乎是不可能的,只能在現有的6xxx系合金基礎上優化合金的成分,創造綜合性能比6016合金更加優秀的ABS外板合金,在現有5xxx系合金基礎上,創造綜合性能勝過5754的內板ABS合金,同時新合金應有更加勝出的性價比。

  應加強應用研究,如沖壓成形、連續技術(含鋁-鋼連接),鋁合金鈑金件與零件的檢驗方法、技術與儀器等。

  加強表面處理的理論與實用技術研究,在這方面中國與國外的差距可能更大一些,起步更晚,包括軋制表面與轉化處理研究。
來源:佛山市順德區維聯塑料制品有限公司

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