【占美金属】基于新能源汽车电池托盘对高性能 6061
铝合金型材生产工艺探讨
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
材 料
采 用 半 连 续 铸 造 法 生 产 规 格 为 ϕ 203mm 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 ） 。
试 验 方 案
所 有 铸 棒 均 采 用 570ϕ /12h 高 温 均 匀 化 处 理 ， 采 取 水 喷 淋 冷 却 到 150ϕ 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 ： 175ϕ /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 ，使 用 Z100 万 能 电 子 拉
伸 机 进 行 拉 伸 测 试 。
2 实验结果
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 。
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 。
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
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 ~ 之 间 ， 小 于 Mg 和 Si 形 成 Mg2Si 所 需 要 的 Mg/Si 比 为 。
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 %， 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 %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 %Mn 和 %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 。
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 。
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 3ϕ /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 7ϕ /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 490~510ϕ 、 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
%、 符 合 客 户 要 求 的 新 能 源 汽 车 电 池 托 盘 用 铝 合 金 型 材 。
来 源 ： 江阴东华铝材科技有限公司
