Cr含量对新能源汽车用6061合金型材组织与性能的影响

万 里，蔡知之，邓涛涛

（佛山市三水凤铝铝业有限公司，广东 佛山 528000）

0 引言

具有中强、可焊、易成型的6xxx铝合金是汽车轻量化改革中的理想材料，常用的合金牌号有6063、6061、6082及6005A合金等，主要用于前后防撞梁、电池托盘、仪表盘及车身结构件等型材[1-4]。对于电池包下壳体类构件，除了满足对新能源汽车电池的承载和散热外，还需在发生突发事故时防止电池在外力作用下发生挤压而诱发次生事故。因此，该类安全结构件对铝合金型材的性能有了更高的要求。这要求型材在冲击力作用时不要发生脆性断裂，而通过自身变形来吸收冲击过程中的能量以达到对电池的保护。其中，型材的内部晶粒组织及试样的断后延伸率是最终产品需要考察的关键指标。因此，本文以6061合金为对象，详细研究了Cr元素含量对新能源汽车用6061合金型材组织与性能的影响规律，以期为新能源汽车用铝合金的合金化设计提供思路。

1 实验材料与方法

截取半连续铸造生产线生产的直径为φ320mm的3种不同Cr的6061合金铸棒各长800mm，合金成分见表1。然后采用4000T挤压机将其挤压成如图1所示的电池托盘型材。模具温度为490±10℃，铝棒温度为500±5℃，挤压速度为3～4m/min。在挤压机出口对型材进行在线喷水使其冷却到室温。

图1 热挤压的新能源汽车电池托盘型材

在最大载荷为10T的SUST CMT-5105电子万能试验机上进行力学性能测试。将试样浸入10%的NaOH溶液中进行低倍碱蚀，浸泡时间为30min。在ZEISS AX10型金相显微镜下进行金相组织观察。采用Keller试剂对试样进行腐蚀处理，腐蚀时间为30s，其成分为：2ml HF+ 3ml HCl+ 5ml HNO3+ 190ml H2O。

2 结果与分析

2.1 Cr含量对型材低倍组织的影响

图2展示了三个不同Cr含量的6061合金挤压型材经过NaOH溶液浸泡30min后的低倍组织照片。从图中可以看出，当Cr含量为0.07%时，挤压后的底板型材壁厚较薄的茎条位置与壁厚较厚的支撑位置都表现出较大的晶粒组织，各位置晶粒的尺寸相对均匀。当Cr含量为0.15%时，挤压后的底板型材壁厚较薄的茎条位置与壁厚较厚的支撑位置基体组织内外表面层都出现了一定厚度的粗晶层，而中间层则转变成细晶区域。当Cr含量进一步上升至0.23%时，挤压后的底板型材无肉眼可见的粗晶组织出现，各位置均表现为细晶形貌特征。

2.2 Cr含量对型材高倍组织的影响

为了能定量表征不同Cr含量对6061合金挤压型材内部晶粒组织的影响，将图2各低倍组织中的典型位置的表层和芯部在金相显微镜中进行高倍组织观察，如图3所示。其中图3（a）（b）（c）为型材表层金相照片，图3（d）（e）（f）为型材芯部金相照片。从图中可以发现，当Cr含量为0.07%时，型材表层和芯部均为晶粒相对规则的再结晶组织，经过多个视场的数理统计，其晶粒尺寸在200～400µm范围。当Cr含量增加至0.15%时，型材表面出现了约700µm厚度的粗晶层，且其晶粒大小尺寸分布不均匀，表现为外表层尺寸较小，约100µm，而次表层晶粒粗大，最大可达600µm左右。而芯部晶粒相对均匀，其尺寸约为40µm左右大小。当Cr含量进一步增加至0.23%时，整个型材晶粒表现得非常均匀，除了外表有一层尺寸约40µm的晶粒外，其余均为尺寸约15µm的细晶组织。

图3 三种不同Cr含量型材的金相组织照片

由于热挤压是一个高温、高压、高摩擦及长时间的一个形变过程，因此不难发现，当Cr含量为0.07%时，由于其含量较少，其在基体中的存在状态不足以显著阻碍热挤压过程基体中晶界的迁移，因此基体组织在挤压过程中出现了完全再结晶并长大的状态。随着Cr含量增加至0.15%时，其在基体中形成的物相组织可有效阻碍挤压过程中晶界的迁移过程，所以芯部表现为细晶组织。但由于热挤压过程金属与模具表面的剧烈摩擦，使得挤出型材表层温升较大，晶界的迁移变得更加活跃，从而在型材外表面形成了一层尺寸较大的粗晶组织。而当Cr含量进一步增加到0.23%时，基体中形成的大量含Cr的物相组织对挤压过程中型材表层晶界的迁移同样起到了强烈的阻碍作用，使得挤出型材表层无粗晶组织出现，且芯部晶粒较Cr含量为0.15%时更加细小。由此可见，Cr元素的添加能有效阻碍热挤压过程中晶粒晶界的迁移，使挤压后的型材晶粒均匀、细小。

2.3 Cr含量对型材力学性能的影响

图4为三个不同Cr含量6061合金经过170℃/8h人工时效后的力学性能数据。从图中可以看出，Cr元素在0.07%～0.23%含量范围内添加对本实验过程中获得的三种新能源汽车电池底板用挤压型材的抗拉强度和屈服强度影响不大。但前面的试验结果表明，Cr元素在基体中形成的物相组织能显著阻碍位错及晶界的迁移过程，该过程对合金强度的提高是有利的，即Cr元素的添加量越大，合金的强度越高。而另一方面，基体中形成的含Cr物相组织与基体间形成的是非共格界面，其显著增加了合金的淬火敏感性[5]。在淬火冷却过程中，过饱和固溶体将以这些含Cr物相组织为载体进行异质形核析出并长大，这降低了室温条件下基体中固溶原子的含量，从而在人工时效后造成合金强度的下降。在这两方面原因的综合作用下，这就出现了三种不同Cr含量6061合金型材强度接近的现象。而添加Cr元素含量较高的合金，由于基体表现为整体的细晶组织，使得材料在变形过程中可以有效地通过晶粒转动及晶界移动来协调整体的变形过程，因此试样断后延伸率越高。因此，Cr元素的添加可以使材料抗拉强度和屈服强度保持稳定的情况下，有效地提高合金的断后延伸率，从而更加有利于合金在工业化生产中的应用。

图4 三种不同Cr含量型材的力学性能数据

3 结束语

（1）Cr元素的添加对新能源汽车电池托盘用6061合金型材在热变形过程中晶界的迁移起到阻碍作用。在0.0%～0.23%范围内，添加量越大，型材的粗晶层深度越薄，内部晶粒越细。

（2）Cr元素的添加使材料抗拉强度和屈服强度保持稳定的情况下，可有效提高合金的断后延伸率。