Тъй като страните по света отдават голямо значение на пестенето на енергия и намаляването на емисиите, разработването на чисто електрически превозни средства с нова енергия се превърна в тенденция. В допълнение към производителността на батерията, качеството на каросерията също е ключов фактор, влияещ върху пробега на превозните средства с нова енергия. Насърчаването на разработването на леки конструкции на каросерията на автомобилите и висококачествени връзки може да подобри цялостния пробег на електрическите превозни средства, като намали максимално теглото на цялото превозно средство, като същевременно гарантира здравината и безопасността на превозното средство. По отношение на олекотяването на автомобилите, хибридната каросерия от стомана и алуминий отчита както здравината, така и намаляването на теглото на каросерията, превръщайки се във важно средство за постигане на олекотяване на каросерията.
Традиционният метод за свързване на алуминиеви сплави има лоши характеристики на свързване и ниска надеждност. Самопробиващото занитване, като нова технология за свързване, се използва широко в автомобилната и аерокосмическата индустрия поради абсолютното си предимство при свързването на леки сплави и композитни материали. През последните години китайски учени проведоха съответните изследвания върху технологията за самопробиващо занитване и изучиха ефектите от различни методи за термична обработка върху производителността на самопробиващи се нитови съединения TA1 от индустриален чист титан. Установено е, че методите за термична обработка чрез отгряване и закаляване подобряват статичната якост на самопробиващите се нитови съединения TA1 от индустриален чист титан. Механизмът на образуване на съединението е наблюдаван и анализиран от гледна точка на потока на материала и качеството на съединението е оценено въз основа на това. Чрез металографски тестове е установено, че голямата площ на пластична деформация е прецизирана във влакнеста структура с определена тенденция, което насърчава подобряването на границата на провлачване и якостта на умора на съединението.
Горното изследване се фокусира основно върху механичните свойства на съединенията след нитоване на алуминиеви сплавни плочи. При самото нитоване на автомобилни каросерии, пукнатините в нитованите съединения на екструдирани алуминиеви профили, особено на високоякостни алуминиеви сплави с високо съдържание на легиращи елементи, като алуминиева сплав 6082, са ключовите фактори, ограничаващи прилагането на този процес върху каросерията на автомобила. В същото време, допустимите отклонения във формата и положението на екструдираните профили, използвани върху каросерията на автомобила, като огъване и усукване, влияят пряко върху сглобяването и употребата на профилите, а също така определят точността на размерите на последващата каросерия на автомобила. За да се контролира огъването и усукването на профилите и да се гарантира точността на размерите на профилите, освен структурата на матрицата, най-важните влияещи фактори са изходната температура на профилите и скоростта на закаляване в реално време. Колкото по-висока е изходната температура и колкото по-бърза е скоростта на закаляване, толкова по-голяма е степента на огъване и усукване на профилите. При алуминиевите профили за автомобилни каросерии е необходимо да се гарантира точността на размерите на профилите и да се гарантира, че нитоването на сплавта няма да се напука. Най-лесният начин за оптимизиране на точността на размерите и характеристиките на занитване при напукване на сплавта е да се контролира напукването чрез оптимизиране на температурата на нагряване и процеса на стареене на екструдираните пръти, като същевременно се запазват непроменени съставът на материала, структурата на матрицата, скоростта на екструдиране и скоростта на закаляване. За алуминиева сплав 6082, при условие че другите условия на процеса остават непроменени, колкото по-висока е температурата на екструдиране, толкова по-плитък е едрозърнестият слой, но толкова по-голяма е деформацията на профила след закаляване.
В тази статия се използва алуминиева сплав 6082 със същия състав като изследователския обект, използват се различни температури на екструдиране и различни процеси на стареене за подготовка на проби в различни състояния и се оценява влиянието на температурата на екструдиране и състоянието на стареене върху теста за нитоване чрез тестове за нитоване. Въз основа на предварителните резултати е определен оптималният процес на стареене, за да се предоставят насоки за последващото производство на екструдирани профили от алуминиева сплав 6082.
1 Експериментални материали и методи
Както е показано в Таблица 1, алуминиевата сплав 6082 е разтопена и подготвена в кръгъл слитък чрез полунепрекъснато леене. След това, след хомогенизираща термична обработка, слитъкът е нагрят до различни температури и е екструдиран в профил на екструдер с мощност 2200 t. Дебелината на стената на профила е 2,5 mm, температурата на екструзионния барабан е 440±10 ℃, температурата на екструзионната матрица е 470±10 ℃, скоростта на екструдиране е 2,3±0,2 mm/s, а методът на закаляване на профила е охлаждане със силен вятър. Според температурата на нагряване, пробите са номерирани от 1 до 3, сред които проба 1 има най-ниска температура на нагряване, а съответната температура на заготовката е 470±5 ℃, съответната температура на заготовката на проба 2 е 485±5 ℃, а температурата на проба 3 е най-висока, а съответната температура на заготовката е 500±5 ℃.
Таблица 1 Измерен химичен състав на изпитваната сплав (масова фракция/%)
При условие че други параметри на процеса, като състав на материала, структура на матрицата, скорост на екструдиране, скорост на закаляване, останат непроменени, горните проби от № 1 до 3, получени чрез регулиране на температурата на екструдиране, се подлагат на стареене в кутийна съпротивителна пещ, като системата за стареене е 180 ℃/6 часа и 190 ℃/6 часа. След изолирането, те се охлаждат на въздух и след това се нитоват, за да се оцени влиянието на различните температури на екструдиране и състояния на стареене върху теста за нитоване. При теста за нитоване се използва сплав 6082 с дебелина 2,5 мм с различни температури на екструдиране и различни системи за стареене като долна плоча и сплав 5754-O с дебелина 1,4 мм като горна плоча за SPR теста за нитоване. Матрицата за нитоване е M260238, а нитът е C5.3×6.0 H0. Освен това, за да се определи допълнително оптималният процес на стареене, в зависимост от влиянието на температурата на екструдиране и състоянието на стареене върху напукването от нитове, се избира плоча с оптимална температура на екструдиране и след това се обработва с различни температури и различно време на стареене, за да се изследва влиянието на системата на стареене върху напукването от нитове, така че окончателно да се потвърди оптималната система за стареене. Използван е високоенергиен микроскоп за наблюдение на микроструктурата на материала при различни температури на екструдиране, използвана е универсална електронна изпитвателна машина с микрокомпютърно управление от серия MTS-SANS CMT5000 за тестване на механичните свойства, а нискоенергиен микроскоп е използван за наблюдение на нитованите съединения след нитове в различни състояния.
2Експериментални резултати и дискусия
2.1 Влияние на температурата на екструдиране и състоянието на стареене върху напукването при нитове
Проби са взети по напречното сечение на екструдирания профил. След грубо шлайфане, фино шлайфане и полиране с шкурка, пробата е корозирала с 10% NaOH в продължение на 8 минути, а черният продукт от корозията е бил избърсан с азотна киселина. Едрозърнестият слой на пробата е наблюдаван с мощен микроскоп, разположен на повърхността извън катарамата на нитовето в предвидената позиция за нитоване, както е показано на Фигура 1. Средната дълбочина на едрозърнестия слой на проба № 1 е 352 μm, средната дълбочина на едрозърнестия слой на проба № 2 е 135 μm, а средната дълбочина на едрозърнестия слой на проба № 3 е 31 μm. Разликата в дълбочината на едрозърнестия слой се дължи главно на различните температури на екструдиране. Колкото по-висока е температурата на екструдиране, толкова по-ниско е съпротивлението на деформация на сплавта 6082, толкова по-малко е съхранението на деформационна енергия, генерирано от триенето между сплавта и екструдиращата матрица (особено работната лента на матрицата), и толкова по-малка е движещата сила на рекристализация. Следователно, повърхностният едрозърнест слой е по-плитък; Колкото по-ниска е температурата на екструдиране, толкова по-голямо е съпротивлението на деформация, толкова по-голямо е съхранението на деформационна енергия, толкова по-лесно е рекристализацията и толкова по-дълбок е слоят с едри зърна. За сплавта 6082 механизмът на рекристализация на едри зърна е вторична рекристализация.
(а) Модел 1
(б) Модел 2
(в) Модел 3
Фигура 1 Дебелина на едрозърнестия слой на екструдирани профили, получени чрез различни процеси
Проби 1 до 3, приготвени при различни температури на екструдиране, бяха подложени на стареене съответно при 180 ℃/6 часа и 190 ℃/6 часа. Механичните свойства на проба 2 след двата процеса на стареене са показани в Таблица 2. При двете системи на стареене, границата на провлачване и якостта на опън на пробата при 180 ℃/6 часа са значително по-високи от тези при 190 ℃/6 часа, докато удължението на двете не се различава много, което показва, че 190 ℃/6 часа е обработка с прекомерно стареене. Тъй като механичните свойства на алуминиевата сплав от серия 6 се колебаят значително с промяната на процеса на стареене в състояние на недостатъчно стареене, това не е благоприятно за стабилността на производствения процес на профила и контрола на качеството на занитване. Следователно, не е подходящо да се използва състояние на недостатъчно стареене за производство на профили на каросерията.
Таблица 2 Механични свойства на проба № 2 при две системи на стареене
Външният вид на изпитваната проба след занитване е показан на Фигура 2. Когато проба № 1 с по-дълбок едрозърнест слой е била занитана в състояние на пиково стареене, долната повърхност на нита е имала очевидна „портокалова кора“ и пукнатини, видими с просто око, както е показано на Фигура 2а. Поради неравномерната ориентация вътре в зърната, степента на деформация ще бъде неравномерна по време на деформация, образувайки неравна повърхност. Когато зърната са едри, неравностите на повърхността стават по-големи, образувайки феномена „портокалова кора“, видим с просто око. Когато проба № 3 с по-плитък едрозърнест слой, приготвен чрез повишаване на температурата на екструдиране, е била занитана в състояние на пиково стареене, долната повърхност на нита е била относително гладка и напукването е било потиснато до известна степен, което е било видимо само под микроскопско увеличение, както е показано на Фигура 2б. Когато проба № 3 е била в състояние на прекомерно стареене, не са наблюдавани напуквания под микроскопско увеличение, както е показано на Фигура 2в.
а) Пукнатини, видими с невъоръжено око
(б) Леки пукнатини, видими под микроскоп
(в) Без пукнатини
Фигура 2 Различни степени на напукване след занитване
Повърхността след занитване е основно в три състояния, а именно пукнатини, видими с просто око (отбелязани с „ד), леки пукнатини, видими под микроскопско увеличение (отбелязани с „△“) и без пукнатини (отбелязани с „○“). Резултатите от морфологията на занитването на горните три състояния на пробите при две системи на стареене са показани в Таблица 3. Вижда се, че когато процесът на стареене е постоянен, характеристиките на занитване при напукване на образеца с по-висока температура на екструдиране и по-тънък едрозърнест слой са по-добри от тези на образеца с по-дълбок едрозърнест слой; когато едрозърнестият слой е постоянен, характеристиките на занитване при състояние на прекомерно стареене са по-добри от тези при пиково стареене.
Таблица 3 Занитващ външен вид на проби 1 до 3 при две технологични системи
Изследвани са ефектите от морфологията на зърната и състоянието на стареене върху поведението на профилите при аксиално напукване. Напрегнатото състояние на материала по време на аксиално натиск е съвместимо с това при самопробивно нитоване. Изследването установи, че пукнатините произхождат от границите на зърната, а механизмът на напукване на сплавта Al-Mg-Si е обяснен с формулата.
σapp е напрежението, приложено към кристала. При напукване, σapp е равно на истинската стойност на напрежението, съответстваща на якостта на опън; σa0 е съпротивлението на утайките по време на вътрекристално плъзгане; Φ е коефициентът на концентрация на напрежение, който е свързан с размера на зърното d и ширината на плъзгане p.
В сравнение с рекристализацията, влакнестата структура на зърната е по-благоприятна за инхибиране на напукване. Основната причина е, че размерът на зърната d е значително намален поради рафинирането на зърната, което може ефективно да намали коефициента на концентрация на напрежение Φ на границата на зърната, като по този начин инхибира напукването. В сравнение с влакнестата структура, коефициентът на концентрация на напрежение Φ на рекристализирана сплав с едри зърна е около 10 пъти по-голям от този на първата.
В сравнение с пиковото стареене, състоянието на прекомерно стареене е по-благоприятно за инхибиране на напукване, което се определя от различните състояния на фазите на утаяване в сплавта. По време на пиковото стареене в сплавта 6082 се утаяват фази 'β (Mg5Si6) с размер 20-50 nm, с голям брой утайки и малки размери; когато сплавта е в състояние на прекомерно стареене, броят на утайките в сплавта намалява и размерът им става по-голям. Утайките, генерирани по време на процеса на стареене, могат ефективно да инхибират движението на дислокациите в сплавта. Силата на затягане върху дислокациите е свързана с размера и обемната фракция на утаената фаза. Емпиричната формула е:
f е обемната фракция на утаената фаза; r е размерът на фазата; σa е енергията на интерфейса между фазата и матрицата. Формулата показва, че колкото по-голям е размерът на утаената фаза и колкото по-малка е обемната фракция, толкова по-малка е нейната сила на закрепване върху дислокациите, толкова по-лесно е да започнат да се образуват дислокации в сплавта и σa0 в сплавта ще намалее от пиковото стареене до състоянието на свръхстареене. Дори ако σa0 намалее, когато сплавта преминава от пиковото стареене към състоянието на свръхстареене, стойността на σapp в момента на напукване на сплавта намалява още повече, което води до значително намаляване на ефективното напрежение на границата на зърната (σapp-σa0). Ефективното напрежение на границата на зърната при свръхстареене е около 1/5 от това при пиковото стареене, т.е. по-малка е вероятността от напукване на границата на зърната в състояние на свръхстареене, което води до по-добри занитващи характеристики на сплавта.
2.2 Оптимизация на температурата на екструдиране и системата за процес на стареене
Според горните резултати, повишаването на температурата на екструдиране може да намали дълбочината на едрозърнестия слой, като по този начин предотврати напукването на материала по време на процеса на нитоване. Въпреки това, при определени състави на сплавта, структура на екструдиращата матрица и процес на екструдиране, ако температурата на екструдиране е твърде висока, от една страна, степента на огъване и усукване на профила ще се влоши по време на последващия процес на закаляване, което ще доведе до несъответствие между допустимите отклонения в размера на профила и от друга страна, това ще доведе до лесно прегаряне на сплавта по време на процеса на екструдиране, увеличавайки риска от бракуване на материала. Като се имат предвид състоянието на нитоване, процеса на размер на профила, производствения прозорец и други фактори, по-подходящата температура на екструдиране за тази сплав е не по-ниска от 485 ℃, т.е. проба № 2. За да се потвърди оптималната система за процес на стареене, процесът на стареене беше оптимизиран въз основа на проба № 2.
Механичните свойства на образец № 2 при различни времена на стареене при 180 ℃, 185 ℃ и 190 ℃ са показани на Фигура 3, а именно граница на провлачване, якост на опън и удължение. Както е показано на Фигура 3а, при 180 ℃ времето на стареене се увеличава от 6 часа до 12 часа, а границата на провлачване на материала не намалява значително. При 185 ℃, с увеличаване на времето на стареене от 4 часа до 12 часа, границата на провлачване първо се увеличава, а след това намалява, като времето на стареене, съответстващо на най-високата стойност на якостта, е 5-6 часа. При 190 ℃, с увеличаване на времето на стареене, границата на провлачване постепенно намалява. Като цяло, при трите температури на стареене, колкото по-ниска е температурата на стареене, толкова по-висока е пиковата якост на материала. Характеристиките на якостта на опън на Фигура 3b са в съответствие с границата на провлачване на Фигура 3а. Удължението при различни температури на стареене, показано на Фигура 3в, е между 14% и 17%, без видим модел на промяна. Този експеримент тества пиковото стареене до етап на свръхстареене и поради малките експериментални разлики, грешката в теста води до неясен модел на промяна.
Фиг. 3 Механични свойства на материалите при различни температури и времена на стареене
След горепосочената обработка за стареене, напукването на нитованите съединения е обобщено в Таблица 4. От Таблица 4 може да се види, че с увеличаване на времето, напукването на нитованите съединения се потиска до известна степен. При условие на 180 ℃, когато времето за стареене надвишава 10 часа, външният вид на нитованата връзка е в приемливо състояние, но нестабилен. При условие на 185 ℃, след стареене в продължение на 7 часа, външният вид на нитованата връзка няма пукнатини и състоянието ѝ е относително стабилно. При условие на 190 ℃, външният вид на нитованата връзка няма пукнатини и състоянието ѝ е стабилно. От резултатите от теста за нитоване може да се види, че производителността на нитоване е по-добра и по-стабилна, когато сплавта е в състояние на свръхстареене. В комбинация с използването на профил на тялото, нитоването при 180 ℃/10~12 часа не е благоприятно за стабилността на качеството на производствения процес, контролиран от производителя на оригинално оборудване (OEM). За да се гарантира стабилността на нитованата връзка, времето за стареене трябва да се удължи допълнително, но проверката на времето за стареене ще доведе до намалена ефективност на производството на профили и увеличени разходи. При условие на 190 ℃, всички проби могат да отговарят на изискванията за напукване от нитове, но якостта на материала е значително намалена. Съгласно изискванията за проектиране на превозни средства, границата на провлачване на сплав 6082 трябва да бъде гарантирана, че е по-голяма от 270 MPa. Следователно, температурата на стареене от 190 ℃ не отговаря на изискванията за якост на материала. В същото време, ако якостта на материала е твърде ниска, остатъчната дебелина на долната плоча на нитованата връзка ще бъде твърде малка. След стареене при 190 ℃/8 часа, характеристиките на напречното сечение на нитова показват, че остатъчната дебелина е 0,26 мм, което не отговаря на изискването за индекс от ≥0,3 мм, както е показано на Фигура 4а. Като цяло, оптималната температура на стареене е 185 ℃. След стареене в продължение на 7 часа, материалът може стабилно да отговаря на изискванията за нитоване, а якостта отговаря на изискванията за експлоатационни характеристики. Като се има предвид производствената стабилност на процеса на нитоване в заваръчния цех, се предлага оптималното време за стареене да бъде определено на 8 часа. Характеристиките на напречното сечение при тази технологична система са показани на Фигура 4b, което отговаря на изискванията за индекс на зацепване. Лявото и дясното зацепване са 0,90 мм и 0,75 мм, което отговаря на изискванията за индекс ≥0,4 мм, а остатъчната дебелина на дъното е 0,38 мм.
Таблица 4 Напукване на проба № 2 при различни температури и различни времена на стареене
Фиг.4 Характеристики на напречното сечение на нитовани съединения на дънни плочи 6082 при различни състояния на стареене
3 Заключение
Колкото по-висока е температурата на екструдиране на профили от алуминиева сплав 6082, толкова по-плитък е повърхностният едрозърнест слой след екструдиране. По-плиткият едрозърнест слой може ефективно да намали коефициента на концентрация на напрежение на границата на зърната, като по този начин предотврати напукването от нитове. Експериментални изследвания са установили, че оптималната температура на екструдиране е не по-ниска от 485 ℃.
Когато дебелината на едрозърнестия слой от алуминиева сплав 6082 е еднаква, ефективното напрежение на границата на зърната на сплавта в състояние на свръхстареене е по-малко от това в състояние на пиково стареене, рискът от напукване по време на занитване е по-малък и нитовите характеристики на сплавта са по-добри. Като се вземат предвид трите фактора: стабилност на занитването, стойност на занитване на съединенията, ефективност на термичната обработка и икономически ползи, оптималната система за стареене на сплавта се определя на 185℃/8h.
Време на публикуване: 05 април 2025 г.
