0前言
为了降低汽车自重、增加汽车续航里程、有效节能减排，越来越多的汽车制造企业将6061铝合金作为一种理想的轻量化材料应用于汽车零部件制造中。特别是近年来采用6061铝合金作为新能源汽车托盘材料呈现出主流趋势，其主要原因在于6061铝合金具有良好的力学性能、优异的焊接性能、较高的比强度等特点。我公司与某合作客户根据某车企的某款新能源车设计的续航里程要求，经过部件的轻量化设计计算和模拟，在材料性能方面提出了比GB/T6892要求更高的力学性能指标：抗拉强度≥300MPa，屈服强度≥260MPa，伸长率≥10%。常规的6061生产工艺生产的产品性能已不能满足客户需求，因此我公司将高性能新能源汽车电池托盘的关键技术研发列为重点研发项目，并进行立项攻关。
本文探讨了不同成分和挤压工艺条件下新能源汽车电池托盘用6061铝合金铝型材的力学性能和显微组织，通过优化，得出了能满足客户要求的生产工艺，以期为铝加工同行提供参考。
1材料及试验方案
1.1材料
采用半连续铸造法生产规格为ϕ203mm的两种不同化学成分6061铸棒。化学成分见表1，分别记为1#（低Mn、Cr成分）和2#（高Mn、Cr成分）。
1.2试验方案
所有铸棒均采用570℃/12h高温均匀化处理，采取水喷淋冷却到150℃以下，然后出炉空冷。铸棒采取快速加热（短棒炉加热）后，在2500MN挤压机上进行挤压，各试样采用的挤压参数见表2。表2中的编号A、B、C是为了标记三种不同的挤压工艺，其中低温高速慢冷工艺标记为A、高温低速慢冷标记为B、高温低速快冷标记为C。1#A表示1#化学成分棒采用A类挤压工艺，其它依次类推。进行1#A和2#A、1#B和2#B、1#C和2#C三组试验，目的是在相同的挤压工艺下，探讨不同的化学成分下型材的性能和组织情况；而1#A、1#B、1#C则是在相同的化学成分下，探讨三种不同挤压工艺下型材的性能和组织；2#A、2#B、2#C也是这种情况。挤压完成后产品的时效工艺为：175℃/8h。
所有试样在切完工艺废料后的产品头部相同长度处取样，采用金相显微镜进行观察。显微镜型号为倒置型ZEISSAxiovert.A1，使用Z100万能电子拉伸机进行拉伸测试。
2实验结果
2.1铸棒组织形貌
如图1所示，刚铸造出来的6061铝合金铸棒存在着严重的枝晶偏析。但在均匀化处理过程中，溶质原子发生扩散，组织成分趋于均衡，可使得后续挤压产品组织均匀，而且均匀化处理可溶解大尺寸Mg2Si非平衡凝固相。同时β-AlFeSi转变为α-Al-FeSi颗粒，减少材料中因大尺寸第二相应力集中萌生的裂纹源头，提高材料力学性能，改善材料表面质量状况。
均匀化组织形貌如图2所示。从图2（a）中可以看出，合金中大部分非平衡结晶相溶入了铝基体中，部分第二相聚集、球化，较多第二相呈片状分布；而图2（b）为添加了较多Mn、Cr的2#铝棒均匀化组织形貌。从中可以看出第二相体积分数变大，同时第二相形态球化更明显，部分第二相形态呈链状分布，晶粒大小方面2#样品比1#样品的细小。
2.2型材力学性能
拉伸测试结果见表3。由表3可以看出，采用的六组工艺中，有四组试样力学性能未符合客户提出的性能要求，其中1#A试样（低Mn、Cr成分+低温高速慢冷）力学性能三项指标都未能达标；1#B试样（低Mn、Cr成分+高温低速慢冷）抗拉强度和屈服强度达到客户要求，但试样的伸长率与客户要求还有不少的差距；1#C试样（低Mn、Cr成分+高温低速快冷）在强度和伸长方面都有提升，但是伸长率未能达标。由此可见，1#化学成分生产的型材性能主要问题在于伸长率性能较差。改进成分的2#A试样（高Mn、Cr成分+低温高速慢冷）抗拉强度和屈服强度未能达到客户要求，但伸长率比客户要求的还高出21%；2#B试样和2#C试样的力学性能三项指标都达到客户的要求，但是2#B试样的抗拉强度和屈服强度只比客户要求高1~8MPa，批量生产时工艺条件稍有波动将会导致部分产品报废；而2#C试样的各项力学性能相对于客户要求均有余量。在相同的工艺条件下，抗拉强度方面2#样品和1#样品相差不大，屈服强度方面2#样品比1#样品差，伸长率方面2#样品比1#样品要好；而在相同化学成分条件下，高温低速快冷样品的力学性能表现最好。另外，添加了较多Mn、Cr的2#试样的产品普遍表面质量比1#的要差，在快速挤压时甚至在尾部表面出现小裂纹。
2.3型材显微组织
图3为部分试样的显微组织照片。从图3（a）与图3（c）的对比和图3（b）与图3（d）的对比可以看出：在化学成分一致的情况下，采取高温低速慢冷和高温低速快冷挤压工艺条件，试样的晶粒组织基本无变化；从图3（a）与图3（b）的对比和图3（c）与图3（d）对比可以看出：1#化学成分的样品晶粒度指数为3级，整体晶粒尺寸较大，形状上接近等轴晶状态；2#化学成分的样品晶粒度指数约为7级，晶粒组织都很小，晶粒形状为拉长状晶粒。出现这种晶粒主要是在于2#化学成分中Mn和Cr元素的含量较高。
3分析与讨论
3.1化学成分的影响
（1）Mg、Si对组织及力学性能的影响。Mg和Si在合金中形成的Mg2Si是6061合金中主要的强化相[2]。本研究中两种合金成分中的Mg和Si比例在1.51~1.53之间，小于Mg和Si形成Mg2Si所需要的Mg/Si比为1.73。但合金中的Fe、Mn能优先于Mg与Si形成AlMn（Fe）Si相，必须由过剩Si来补充这部分Si的损失。为了保证合金中的Mg与Si成分匹配，Si在合金中一般处于过剩状态。本研究中两种合金成分中的Mg和Si含量较高，按Mg元素全部转化为Mg2Si来计算，Mg2Si含量达到1.7%，Mg2Si含量都处于较高的水平，因而热处理后力学性较高。另外Si含量也会通过影响在线风冷淬火效果来影响力学性能。
（2）Mn、Cr对组织及力学性能的影响。Mn在合金中有多种作用，比如促进均匀化过程中的β-AlFeSi转变为α-AlFeSi，但最为主要的作用是阻止Si在晶界成核，防止金属脆性断裂，并且能在挤压和热处理阶段阻止晶粒长大和粗化。但当Mn元素添加量大于0.1%时，挤压力增加，降低铝棒的可挤压性，增加淬火敏感性。
Cr可抑制Mg2Si相在晶界析出，延缓再结晶发生。李炜炜等人指出Cr含量增多，Al（MnCr）Si粒子增多，这些粒子钉扎晶界，强烈阻碍再结晶的发生。
本试验中2#化学成分试样同时添加了0.14%Mn和0.12%Cr，改变了晶粒组织，提升了力学性能中的伸长率指标，在相同挤压工艺情况下，抗拉强度和屈服强度相差不大。但与此同时，表面质量比1#化学成分试样变得更差。
3.2挤压温度和速度对组织及力学性能的影响
为了提升挤压生产效率，生产厂家倾向于采取低温高速的工艺进行生产。本次工艺试验中，低温高速方案下的抗拉强度和屈服强度均未能达到客户的要求，而高温低速方案的力学性能则更高。原因在于挤压温度越高，则更多的Mg、Si溶入基体中，为后续Mg2Si析出提供更多的Mg、Si元素。但挤压温度高，挤压的成形性能变差，挤压速度过快则引起表面质量下降，甚至出现小裂纹。因此在高挤压温度情况下，只能降低挤压速度。
3.3冷却方式对组织及力学性能的影响
在快速冷却的情况下（比如水冷），Mg、Si元素被冻结在固溶体当中，而缓慢的冷却过程中（比如风冷）就会有粗大的Mg2Si第二相析出，降低基体中Mg、Si含量。本试验中采用风冷的冷却速率为3℃/s（使用手持测温仪测量产品通过淬火系统前后的温差以及时间测算），而水冷方式的冷却速率为7℃/s（使用手持测温仪测量产品通过淬火系统前后的温差以及时间测算）。冷却速率越快则固溶在铝基体的Mg、Si越多，为后续时效提供更多的Mg、Si元素，从而提升力学性能。
4结论
采用添加适量Mn、Cr化学成分、棒温490~510℃、挤压速度5m/min、水雾冷却的生产工艺可生产出抗拉强度312MPa、屈服强度273MPa、伸长率12.8%、符合客户要求的新能源汽车电池托盘用铝合金型材。
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