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产学研结合 开发性能更好的ABS铝合金

【铝道】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较大的当数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较高，装备与建设投资也是较多的。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筛粉机值等表示。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“欧文斯科宁的玻纤主要利用在1些高端领域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（ropingline）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'szone）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.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较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，铝的裁条机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，ABS6xxx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值为评价指标较为准确；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

一些公司研发的ABS合金

除了上面介绍的标准的ABS铝合金外，一些大的铝业公司研发出一批精密刀具有特色的合金，它们的特点是：以标准合金为基础，对成分做了稍微的改变，或是对主成分略加调整，或是添加了一两个微量元素，或对某些杂质作更严格的限制；第二对生产工艺作精细调整，提高产品品质或降低制造成本，使产品具有更好的性价比，汽车制造厂更乐于使用。

1.诺贝丽斯公司Advanz7000系高强度汽车铝板

诺贝丽斯铝业公司是全球较大的平轧铝产品企业，新近推出一种名为Advanz7000系的铝合金，其板材用于制造汽车安全装置，该合金的强度比现行保险杠合金的高一倍。与高强钢材相比，该合金在减轻车身质量的同时能较大程度地确保乘客安全。目前，全球多家汽车制造企业正在对该产品进行性能测试与评估。

2.日本神户钢铁公司的ABS合金

日本神户钢铁公司（KobeSteelCo.,Ltd.）是日本ABS的较大生产者，其产量占日本总产量的50%以上，它研发的KS6K21合金与KS5J30合金的综合性能比标准5182合金的好得多，是一种Al-Mg-Si系合金，由于前期强度低，因此易卷边，有良好的弯曲加工性与成形性，烘烤（烤漆）温度低，淬透性高，抗腐蚀性强，可焊性良好。KS5J30合金是一种Al-Mg-Cu系合金，其抗拉强度高，仅比SPCC钢板的低13%，伸长率高达30%，成膨化机形性良好；冲压后强度有所上升，而烤漆后并不下降；抗腐蚀性强，可焊性良好。

3.肯联铝业公司的5种ABS合金

总部位于法国巴黎的肯联铝业公司（Constellium）的纽布利萨克轧制厂（Neuf-Brisach）从20世纪90年代开始生产汽车白车身铝合金板，内板为5754，外板为6016合金，主要用户为雷诺汽车公司，用于制造标致与雪铁龙汽车车身，为激光截切板坯，而为德国宝马5GT、捷豹XJ、奔驰、奥迪A8等供应的为带卷，该公司ABS生产能力约100kt/a。

4.诺贝丽斯公司的AC-600PX高强度合金

2011年8月诺贝丽斯铝业公司被确定为全新埃沃奎系列越野车ABS供应商。这一系列埃沃奎系列越野车具有较高的燃油效率，比过去生产的任何一款埃沃奎越野车都省油，这都得益于铝合金ABS的采用。为此，埃沃奎汽车公司在利物浦建设了首条专业铝钣金件加工线。新款埃沃奎越野车的盖、车顶和结构件都是用诺贝丽斯公司的ABS加工的，车顶设计极为领先，首次采用公司的新型高强度铝合金板Anticorodal-600PX（AC-600PX）制造，它既有高的强度性能又有良好的成形性，是一种的车身钣金件合金，其抗拉强度Rm比典型ABS合金的约高20%，而其成形性能比任何其他高强度铝合金的都好，由于合金强度高，ABS的厚度可减薄15%以上，使其成为一种制造车身盖板、翼子板、顶板、门板等之类的钣金件的理想铝合金。还有一种牌号是Anticorod可以根据合金适当斟酌增韧相容体系al-120的Al-Mg-Si系合金。

5.日本住友铝业公司的系列ABS合金

GV15VJ合金，这是一种2xxx系合金，其成分（质量%）：Si0.30~0.6，Fe0.40，Cu1.2~1.7，Mn0.10，Mg0.40~0.8，Cr0.10,Zn0.25,T0.10,V0.01~0.10，其余Al；

GV10J合金，为一种Al-Mg-Si系合金，其成分（质量%）：Si0.35~0.7，Fe0.50，Cu0.45~0.8，Mn0.05~0.20，Mg0.8~1.2，Cr0.10，Zn0.25，Ti0.10，其余Al。特点：成形性，强度适中。

GZ42J合金，是一种7xxx系合金，其分析成分（质量%）：Si0.09，Fe0.18，Cu0.38，Mg4.5，Zn1.46。抗拉强度Rm=300N/mm2，伸长率A5=30%。它是强度高与成形性也不错的合金，是杂质含量低的高纯度合金。

住友铝业公司于2013年与斯凯-古河铝业公司合并，组建日本联合铝业公司（UACJ），从此之前三家铝业公司都不复存在。

6.海德鲁铝业公司的L63/44合金

L63/44合金原是德国联合铝业公司（VAW）格雷文布罗伊（Grevenbroich）轧制厂的注册合金，2006年海德鲁铝业公司（Hydro）收购了VAW铝业公司，从此VAW铝业公司不再存在，但L63/44合金仍在市场销售，它是一种5xxx系合金，成分为（W%）：Si0.40，Fe0.50，Cu0.10，Mn0.10~0.6，Mg4.5~5.3,Cr0.20,Zn0.20,Ti0.20,其余为Al。

中国着重发展6xxx系合金

国外在发展ABS合金方面经过几十年的工作已形成一个庞大的家族，有标准的合金，也有非标准的合金，约有四五十种，分属于2xxx系、5xxx系、6xxx系、7xxx系，各有各的性能，用于制造车身的不同钣金件。不同的国家在用合金方面各有侧重，日本汽车工业用5xxx系合金的多一些。美国则多用2xxx系合金，欧洲对6xxx系合金更感兴趣。中国在《新材料产业 十二五 发展规划》明确提出发展ABS的合金为6xxx系的6016、6022、6111，这既与世界ABS发展态势一致，也与中国铝加工业及汽车制造业的实际情况吻合。这三个合金的成分见下表，它们与建筑工业及其他工业广泛应用的6063合金、6082合金、6061合金同属Al-Mg-Si系，对于废料回收与发展循环经济非常有利，也就是说，在废料回收过程中，即使发生少量的混料也是允许的。

结束语

批量稳定地生产ABS的国内许多企业都已研发出自主技术并实现范围化生产难度大，技术门坎高，是一项复杂的系统工程，应严格控制各道工序的工艺参数，才能制得各项性能搭配恰到好处的ABS。我们说ABS的上游工艺与生产其他大宗高精板带的工艺相当，是从大的工序来说的，如熔炼、铸造、热轧、冷轧，实际上具体工艺参数是有差别的。

首先应精心设计合金成分，制订内部标准，按内部标准配料使铸锭成分符合内标要求，熔炼温度不宜过高，较好控制在规程中限偏下，炉料与熔剂都要符合规程要求，精心精炼、除气、除渣。铸造前晶粒细化剂添加量应恰如其份，应选择优质细化剂，也可以Al-Ti-C细化剂的应用。铸造时应保持稳定的熔体流量，控制好液面高度、铸造速度，冷却水温度、压力、流量，铸出枝晶格致密均匀，晶粒细小一致的铸锭。熔炼铸造这道工序非常重要，有了优质的铸锭，才能轧得品质优异的带材。生产实践表明，板带材生产中出现的缺陷有70%左右都或多或少与熔炼铸造有关。

热轧带坯有良好的组织才能保证冷轧带材有精密细致的晶体组织，才能保证ABS有良好的成形性与翻边塑性，达到强度与塑性的较佳匹配。铸锭的均匀化退火也是一道关键工序，温度宜高些，保温时间宜长些，既要保证完全消除晶内偏，又要保证可固溶的相全部固溶，对冷却速度也要适当控制。制订特有的热轧压下率系统，始轧温度在500℃左右，7xxx系合金的为475℃左右，较初一二道压下率宜小、中间道次压下率宜大些，较后道次的居中，总压下率必须大于75%必须完全消除铸造组织。终轧温度为350℃ 10℃。

冷轧之前应进行一次预退火，使带材的热轧组织完全转变为再结晶组织，建立一套完善的冷轧道次与压下率控制系统，严格控制轧辊表面粗糙度，较好采用特殊设计的冷轧机，在轧较后一道时换上专用轧辊，可施加小的压下量轧出特有的表面状态，并确保表面涂漆品质的粗糙度。

对固溶处理技术、淬火技术、强化相形核过程技术、预时效工艺、停放时间等的控制应统一起来看，以使材料在成表性、抗时效稳定性和烘烤硬化性达到较佳匹配和高度和谐统一。固溶处理时间既要足够确保强化相完全固溶又要保证炉具有较高的生产效率，淬火速度一应快二应相当均匀。

从熔炼铸造开始到精整涂油包装为止，如能对各道工序工艺参数严加控制，就可以生产出品质上乘的ABS，它的晶粒细小均匀，平行于轧制方向的平均晶粒度 80 m。第二相不但本身细小，呈细棒状，长宽比2~5，而且平均长度 10 m。有了这种组织的ABS，在翻边时与拉延涂装后不会出现罗平线，同时变形后也不出现吕德带。

由于我们在生产ABS方面才刚刚起步，与工业发达国家的差距甚大，不说一百年具有比传统材料更加优良的性能，少说也有五六十年，需要做的工作很多。首先生产企业、汽车企业、高等院校、研究院所应紧密联合起来，一方面希望南山轻合金公司、忠旺天津铝业有限公司、南南铝加工有限公司利用当下全球较先进的成套设备能尽快地向市场供应ABS，另一方面应展开研发工作，形成大众创业、万众创新的局面。

大力开发基础研究。中国的高等院校、科研院所、生产企业等在研发铝合金乘人车板材方面做了许多工作，成就斐然，但是恕笔者直言，大多数都是跟踪型的，创新型的不多，之所以如此，就是对基础研究投入少，要做到万众创新，首先要加强基础研究，这是创新根基。

研究新的合金，创造一个全新的ABS铝合金系当前看来几乎是不可能的，只能在现有的6xxx系合金基础上优化合金的成分，创造综合性能比6016合金更加的ABS外板合金，在现有5xxx系合金基础上，创造综合性能胜过5754的内板ABS合金，同时新合金应有更加胜出的性价比。

应加强应用研究，如冲压成形、连续技术（含铝-钢连接），铝合金钣金件与零件的检验方法、技术与仪器等。

加强表面处理的理论与实用技术研究，在这方面中国与国外的差距可能更大一些，起步更晚，包括轧制表面与转化处理研究。

-王祝堂

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