电池包用6061 铝合金型材成分与挤压成型性关系

高 爽， 崔家铭， 李洪林， 曲凤娇， 董 政， 李 健

（辽宁忠旺铝合金精深加工有限公司，辽宁 辽阳 111003）

用于生产挤压型材的铝合金，80%以上属于6 系铝合金，即Al-Mg-Si 系铝合金[1]。6061 铝合金属于典型的6 系A1-Mg-Si 系铝合金，具有良好的中等强度[2]、塑性[3-4]、可焊性，可用于生产大型材料、对强度和腐蚀性能要求较高的结构件、汽车车体结构等[5-6]。随着汽车工业的快速发展，全球汽车产量和保有量飞速增长，能源消耗和环境污染日益凸显，节能减排、低碳环保已成为发展汽车工业的核心问题，在能源紧缺、污染严重的严峻形势下[7]，铝合金替代钢用作机械零部件，成为交通工具轻量化、现代化的有效途径[8-9]。随着我国交通运输业的发展，高速、轻型铝合金列车、地铁列车、轻型客货汽车的应用必将越来越广[10]。

由于6061 铝合金型材需求量越来越大，针对电池包型材壁厚不均、芯头较多、多孔断面等缺点，现有合金成分成型性差、生产效率低，而6005A 铝合金的力学性能相对偏低，也难以满足汽车结构件对强度要求。

本文主要调整我司现有6061 铝合金成分配比，通过分析铝合金挤压制品速度调整后型材内筋成型开裂情况，来对比每种成分铝合金成型性能的优劣。将试验合金进行熔铸、挤压、检测等一系列工序对比验证工作，找出在棒温、速度相近的条件下，突破压力小、挤压速度快（可成型）、综合力学性能更好的成分配比及挤压生产工艺，提升6061 铝合金的挤压成型性，提高生产效率。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

本文主要调整我司现有6061 铝合金成分配比，制备了6061-A、6061-B、6061-C、6005A 铝合金等4 种成分的铝合金，具体成分配比见表1。其中，6005A、6061-C 铝合金为我司现有内控成分，6061-A、6061-B 铝合金属于新合金成分配比。从成分配比上看，两种新成分把Si 的质量分数从原有的0.60%～0.65%提高到接近国标上限0.73%～0.80%；Mg 从质量分数0.85%～1.00%降低到国标下限0.82%～0.90%，目的是提高过剩Si 的含量。6061-A 铝合金中的细晶元素Mn+Cr 的含量约为6061-B 铝合金的3 倍，约为6061-C 铝合金的2 倍。

表1 试验合金化学成分 （质量分数/%）Tab.1 Chemical compositions of the aluminum alloys （mass fraction /%）

试验铸锭要求无明显偏析、表面无油污、无裂纹等缺陷。图1 为该试验型材断面，内筋壁厚为2.5～3.0 mm，外壁厚3.0～4.0 mm，属于双排多腔体变壁厚结构型材，模具结构相对复杂，挤压过程中对金属在模具焊合室内流动性要求较高，故可通过改变挤压速度后型材内筋成型状态反映不同试验合金成型性的优劣。

图1 试验合金型材断面Fig. 1 Profile section for test alloy

1.2 试验方法

挤压设备选用2 000 t 铝合金挤压机，铸锭规格为Φ198 mm×630 mm，挤压系数为26.2，共挤压9 支铸棒，挤压顺序为2 支6005A 铝合金、2 支6061-A 铝合金、2 支6061-B 铝合金、3 支6061-C 铝合金棒。该断面6061 铝合金挤压后不能进行在线风冷，风冷无法满足淬火强度要求，需较强淬火才能获得较高的强度[11]，为保证合金时效后力学性能满足GB/T6892—2015 的要求，挤压淬火方式均选择在线水冷。

2 挤压生产及成型性

采取挤压速度调整方法，通过分析不同合金型材内筋成型开裂情况，对比金属在模具型腔内的流动性，同一速度条件下型材内筋成型状态越好，表明金属流动性越好，反之流动性则越差。表2 为型材挤压生产工艺及成型性。通过分析，本次试验合金的挤压成型性由优至劣的顺序为6005A 铝合金＞6061-B 铝 合 金＞6061-A 铝 合 金＞6061-C 铝合金。

表2 型材挤压生产工艺及成型性Tab.2 Profile extrusion production process and formability

（1）6061-A、6061-B 铝合金棒挤压时突破压力与6005A 铝合金无明显差别。 对比第2 根6005A 铝合金和第5 根6061-B 铝合金可知，在棒温相同甚至6061-B 铝合金速度略低的条件下，6005A 铝合金挤压的成形性明显优于6061-B 铝合金的，可挤压性6005A 铝合金＞6061-B 铝合金。

（2）对比第7 根6061-C 铝合金与第6 根6061-B 铝合金可知，在棒温和挤压速度都相同的条件下，6061-B 铝合金的成形性优于6061-C 铝合金的，可挤压性6061-B 铝合金＞6061-C 铝合金。

（3）在相同挤压速度下，将第4 根6061-A 铝合金和第9 根6061-C 铝合金进行对比，可挤压性6061-A 铝合金＞6061-C 铝合金。

（4）新成分对比方面，在挤压速度相同的条件下，对比第3 根6061-A 铝合金和第3 根6061-B 铝合金，可挤压性6061-B 铝合金＞6061-A 铝合金。

3 检测结果及分析

3.1 力学性能测试

对挤压后产品取200 mm 长度试样，采用同一时 效 制 度（175±5）℃×8 h 对 时 效 后 试 样 按 照GB/T228.1—2021 标准处理，采用电子万能试验机进行室温拉伸试验。表3 为试验合金力学性能测试结果。从表3 中可以看出，时效后试验合金整体抗拉强度由高到低排序为：6061-A 铝合金＞6061-B 铝合金＞6061-C 铝合金＞6005A 铝合金，6061-B 铝合金出现伸长率偏低现象。

3.2 微观组织观察

试验合金均在挤压速度为4 m/min 的室温条件下进行，取长度为50 mm 的试样，按照GB/T3246.1—2012 处理后，使用蔡司显微镜对试样的晶粒度等级进行评定，结果见图2。从图2 中可以看出，所有试样均无晶界裂纹及过烧现象；6005A 铝合金与6061-A 铝合金的皮质层与基体晶粒度并无明显差别；6061-C 铝合金皮质层晶粒粗大，基体晶粒度均匀细小；6061-B 铝合金由于细晶元素含量较低，皮质层与基体晶粒度均较粗大。

图2 试验合金晶粒度等级Fig.2 Grain degree grade of the test alloys

3.3 分析与讨论

（1）根据表3 力学性能检测结果，挤压在线水冷可满足6005A 铝合金、6061 铝合金对冷却强度的要求，不同挤压速度下，力学性能均可满足国标GB/T6892—2021 的要求，仅6061-B 铝合金出现伸长率偏低的现象。对比挤压速度为4m/min 的试验合金，抗拉强度由高到低排序为6061-A 铝合金＞6061-B 铝合金＞6061-C 铝合金＞6005A 铝合金，而挤压过程对比分析成型性由优至劣的顺序为6005A 铝合金＞6061-B 铝合金＞6061-A 铝合金＞6061-C 铝合金。因6061 铝合金时效强化相为Mg2Si，6061-A、6061-B 铝合金中的过剩Si 含量高于6061-C 铝合金的。研究表明，过剩的Si 可以提高Mg2Si 相的强化效果，使其力学性能提高[12]，而6061-A 铝合金含细晶元素多，晶粒均匀细小，导致在挤压变形时变形抗力增大，故挤压过程中金属在模具内流动性比6061-B 铝合金的差，但由于6061-C 铝合金中Mg 含量比6061-A、6061-B 铝合金的稍高，所以强化相Mg2Si 稍多。过剩Si 含量少，挤压时金属流动性变差，故6061-A、6061-B 铝合金的力学性能和成型性均优于6061-C 铝合金的；6061 铝合金中Mg、Si 含量多，合金化程度比6005A 铝合金的高，固溶处理后得到更多的过饱和固溶体，时效后强化相Mg2Si 析出较多，使得淬火时效后强化效果增加，故6061 铝合金力学性能明显高于6005A铝合金的，合金化程度高必然导致挤压过程中金属流动性变差，因此，6061 铝合金的成型性低于6005A 铝合金的。

（2）微观组织观察结果表明，由于6061-A 铝合金中含细晶元素较多，Mn、Cr 与Al 的作用非常强烈，形成稳定性非常好的金属间化合物（MnAl6，CrAl7），在凝固过程中可以作为异质形核点来促进形核从而细化晶粒。此外，Cr 与其他溶质元素如Fe、Mn 可形成尺寸细小的球状化合物A112（CrMn）可提高再结晶温度、抑制再结晶形核与长大、细化再结晶晶粒，提高材料强度[13]。6061-B 铝合金中细晶元素Mn、Cr 含量低，铸锭在均匀化过程中没有足够多的弥散相（MnAl6，CrAl7）析出来抑制晶粒长大，导致挤压过程中发生再结晶，整体截面晶粒尺寸粗大，粗大的晶粒分布导致时效后力学拉伸试样更容易断裂，伸长率不合格，速度不同条件下延伸率仅为6%～7%。

（3）根据表3 力学性能检测结果可以看出相同工艺条件下，6061 铝合金不同成分配比均随着挤压速度增加，伸长率有增大趋势。

4 结 论

（1）挤压多排腔体变壁厚（例如：主壁厚2.5～4 mm，个别位置为5 mm 和8 mm）型材，本次试验可得出挤压成型性由优至劣的顺序为6005A 铝合金＞6061-B 铝合金＞6061-A 铝合金＞6061-C 铝合金，力学性能由高到低排序为6061-A 铝合金＞6061-B 铝合金＞6061-C 铝合金＞6005A 铝合金，综合对比6061-A 铝合金力学性能及成型性优于现有6061-C 铝合金内控成分，故后续批量生产建议采用此成分进行量产。

（2）6061-B 铝合金的可挤压性及强度要优于现有6061-C 铝合金的，但由于Mn、Cr 含量低，挤压过程中容易发生再结晶，高倍皮质层及基体晶粒度较粗大导致伸长率较低，易造成伸长率无法满足国标。