Како земље широм света придају велики значај уштеди енергије и смањењу емисија, развој чисто електричних возила на нову енергију постао је тренд. Поред перформанси батерије, квалитет каросерије је такође кључни фактор који утиче на домет возила на нову енергију. Промовисање развоја лаких структура каросерије аутомобила и висококвалитетних веза може побољшати свеобухватни домет електричних возила смањењем тежине целог возила колико год је то могуће, уз обезбеђивање чврстоће и безбедносних перформанси возила. Када је у питању смањење тежине аутомобила, хибридна каросерија од челика и алуминијума узима у обзир и чврстоћу и смањење тежине каросерије, постајући важно средство за постизање смањења тежине каросерије.
Традиционални метод спајања алуминијумских легура има лоше перформансе спајања и ниску поузданост. Самопробојно закивање, као нова технологија спајања, широко се користи у аутомобилској индустрији и ваздухопловној индустрији због своје апсолутне предности у спајању лаких легура и композитних материјала. Последњих година, кинески домаћи научници су спровели релевантна истраживања о технологији самопробојног закивања и проучавали ефекте различитих метода термичке обраде на перформансе индустријских самопробојних заковичних спојева од чистог титанијума TA1. Утврђено је да методе термичке обраде жарење и каљење побољшавају статичку чврстоћу индустријских самопробојних заковичних спојева од чистог титанијума TA1. Механизам формирања споја је посматран и анализиран са становишта протока материјала, а на основу тога је процењен квалитет споја. Металографским испитивањима је утврђено да је велика површина пластичне деформације рафинисана у влакнасту структуру са одређеном тенденцијом, што је допринело побољшању границе течења и чврстоће на замор споја.
Горе наведено истраживање се углавном фокусира на механичка својства спојева након закивања плоча од алуминијумских легура. У стварној производњи каросерија аутомобила закивањем, пукотине закивених спојева екструдираних профила од алуминијумских легура, посебно легура алуминијума високе чврстоће са високим садржајем легирајућих елемената, као што је легура алуминијума 6082, кључни су фактори који ограничавају примену овог процеса на каросерији аутомобила. Истовремено, толеранције облика и положаја екструдираних профила који се користе на каросерији аутомобила, као што су савијање и увијање, директно утичу на монтажу и употребу профила, а такође одређују димензионалну тачност наредне каросерије аутомобила. Да би се контролисало савијање и увијање профила и осигурала димензионална тачност профила, поред структуре калупа, најважнији фактори утицаја су излазна температура профила и брзина каљења на мрежи. Што је већа излазна температура и што је већа брзина каљења, то је већи степен савијања и увијања профила. За профиле од алуминијумских легура за каросерије аутомобила, неопходно је осигурати димензионалну тачност профила и осигурати да закивање легуре не пуца. Најједноставнији начин за оптимизацију димензионалне тачности и перформанси пуцања легуре јесте контрола пуцања оптимизацијом температуре загревања и процеса старења екструдираних шипки, уз очување непромењеног састава материјала, структуре калупа, брзине екструзије и брзине каљења. За легуру алуминијума 6082, под претпоставком да остали услови процеса остају непромењени, што је виша температура екструзије, то је плићи крупнозрнасти слој, али је већа деформација профила након каљења.
У овом раду се узима легура алуминијума 6082 истог састава као и објекат истраживања, користе се различите температуре екструзије и различити процеси старења за припрему узорака у различитим стањима, и процењују се ефекти температуре екструзије и стања старења на тест закивања кроз тестове закивања. На основу прелиминарних резултата, оптимални процес старења је даље одређен како би се пружиле смернице за накнадну производњу профила екструзије тела од легуре алуминијума 6082.
1 Експериментални материјали и методе
Као што је приказано у Табели 1, легура алуминијума 6082 је истопљена и припремљена у округли ингот полуконтинуираним ливењем. Затим, након хомогенизационе термичке обраде, ингот је загрејан на различите температуре и екструдиран у профил на екструдеру од 2200 t. Дебљина зида профила је била 2,5 mm, температура екструзионог бурад је била 440±10 ℃, температура екструзионог калупа је била 470±10 ℃, брзина екструзије је била 2,3±0,2 mm/s, а метод каљења профила је био хлађење јаким ветром. Према температури загревања, узорци су нумерисани од 1 до 3, међу којима је узорак 1 имао најнижу температуру загревања, а одговарајућа температура обруча је била 470±5 ℃, одговарајућа температура обруча узорка 2 је била 485±5 ℃, а температура узорка 3 је била највиша, а одговарајућа температура обруча је била 500±5 ℃.
Табела 1 Измерени хемијски састав тест легуре (масени удео/%)
Под условом да остали параметри процеса, као што су састав материјала, структура калупа, брзина екструзије, брзина каљења, остану непромењени, горе наведени узорци од бр. 1 до 3 добијени подешавањем температуре загревања екструзијом старе у кутијастој отпорној пећи, а систем старења је 180 ℃/6 сати и 190 ℃/6 сати. Након изолације, хладе се ваздухом, а затим закивају како би се проценио утицај различитих температура екструзије и стања старења на тест закивања. Тест закивања користи легуру 6082 дебљине 2,5 мм са различитим температурама екструзије и различитим системима старења као доњу плочу, и легуру 5754-O дебљине 1,4 мм као горњу плочу за SPR тест закивања. Калуп за закивање је M260238, а закивац је C5.3×6.0 H0. Поред тога, како би се даље одредио оптималан процес старења, у складу са утицајем температуре екструзије и стања старења на пуцање при закивању, плоча на оптималној температури екструзије се бира, а затим третира различитим температурама и различитим временима старења како би се проучио утицај система старења на пуцање при закивању, како би се коначно потврдио оптималан систем старења. Микроскоп велике снаге коришћен је за посматрање микроструктуре материјала на различитим температурама екструзије, микрорачунарски контролисана електронска универзална машина за испитивање MTS-SANS CMT5000 серије коришћена је за испитивање механичких својстава, а микроскоп мале снаге коришћен је за посматрање заковичних спојева након закивања у различитим стањима.
2 Експериментални резултати и дискусија
2.1 Утицај температуре екструзије и стања старења на пуцање при закивању
Узорци су узети дуж попречног пресека екструдираног профила. Након грубог брушења, финог брушења и полирања брусним папиром, узорак је кородиран са 10% NaOH током 8 минута, а црни производ корозије је обрисан азотном киселином. Слој крупних зрна узорка је посматран помоћу микроскопа великог увећања, који се налазио на површини изван копче заковице на предвиђеном положају за закивање, као што је приказано на слици 1. Просечна дубина слоја крупних зрна узорка бр. 1 била је 352 μm, просечна дубина слоја крупних зрна узорка бр. 2 била је 135 μm, а просечна дубина слоја крупних зрна узорка бр. 3 била је 31 μm. Разлика у дубини слоја крупних зрна углавном је последица различитих температура екструзије. Што је температура екструзије виша, то је нижи отпор легуре 6082 на деформацију, мање је складиштење енергије деформације генерисано трењем између легуре и екструзионог калупа (посебно радне траке калупа), и мања је покретачка сила рекристализације. Стога је површински слој крупних зрна плићи; Што је температура екструзије нижа, то је већи отпор деформацији, веће је складиштење енергије деформације, лакше је рекристализовати и дубљи је слој крупних зрна. За легуру 6082, механизам рекристализације крупних зрна је секундарна рекристализација.
(а) Модел 1
(б) Модел 2
(ц) Модел 3
Слика 1 Дебљина крупнозрног слоја екструдираних профила различитим поступцима
Узорци 1 до 3, припремљени на различитим температурама екструзије, старени су на 180 ℃/6 сати и 190 ℃/6 сати, респективно. Механичка својства узорка 2 након два процеса старења приказана су у Табели 2. Под два система старења, граница течења и затезна чврстоћа узорка на 180 ℃/6 сати су знатно веће од оних на 190 ℃/6 сати, док се издужење ова два система не разликује много, што указује да је 190 ℃/6 сати третман прекомерног старења. Пошто механичка својства легуре алуминијума серије 6 значајно варирају са променом процеса старења у стању недовољног старења, то не доприноси стабилности процеса производње профила и контроли квалитета закивања. Стога није погодно користити стање недовољног старења за производњу профила каросерије.
Табела 2 Механичка својства узорка бр. 2 под два система старења
Изглед испитног узорка након закивања приказан је на слици 2. Када је узорак бр. 1 са дубљим крупнозрним слојем закиван у стању вршног старења, доња површина заковице имала је очигледну поморанџину кору и пукотине видљиве голим оком, као што је приказано на слици 2а. Због недоследне оријентације унутар зрна, степен деформације ће бити неуједначен током деформације, формирајући неравну површину. Када су зрна груба, неравнина површине постаје већа, формирајући феномен поморанџине коре видљив голим оком. Када је узорак бр. 3 са плићим крупнозрним слојем припремљеним повећањем температуре екструзије закиван у стању вршног старења, доња површина заковице је била релативно глатка, а пуцање је донекле потиснуто, што је било видљиво само под увећањем микроскопа, као што је приказано на слици 2б. Када је узорак бр. 3 био у стању прекомерног старења, пуцање није примећено под увећањем микроскопа, као што је приказано на слици 2ц.
(а) Пукотине видљиве голим оком
(б) Мале пукотине видљиве под микроскопом
(ц) Без пукотина
Слика 2 Различити степени пуцања након закивања
Површина након закивања је углавном у три стања, наиме, пукотине видљиве голим оком (означене са „×“), мале пукотине видљиве под увећањем микроскопа (означене са „△“) и без пукотина (означене са „○“). Резултати морфологије закивања горе наведених узорака у три стања под два система старења приказани су у Табели 3. Може се видети да када је процес старења константан, перформансе закивања у пуцању код узорка са вишом температуром екструзије и тањим слојем крупних зрна су боље него код узорка са дубљим слојем крупних зрна; када је слој крупних зрна константан, перформансе закивања у стању прекомерног старења су боље него у стању вршног старења.
Табела 3 Изглед закивања узорака 1 до 3 под два процесна система
Проучавани су ефекти морфологије зрна и стања старења на понашање профила при аксијалном притиску. Напонско стање материјала током аксијалног притиска било је у складу са стањем код самопробојног закивања. Студија је показала да пукотине настају на границама зрна, а механизам пуцања легуре Al-Mg-Si објашњен је формулом.
σapp је напон примењен на кристал. Приликом пуцања, σapp је једнако правој вредности напона која одговара затезној чврстоћи; σa0 је отпор преципитата током интракристалног клизања; Φ је коефицијент концентрације напона, који је повезан са величином зрна d и ширином клизања p.
У поређењу са рекристализацијом, влакнаста структура зрна је погоднија за инхибицију пуцања. Главни разлог је тај што је величина зрна d значајно смањена због префињења зрна, што може ефикасно смањити фактор концентрације напона Φ на граници зрна, чиме се спречава пуцање. У поређењу са влакнастом структуром, фактор концентрације напона Φ рекристалисане легуре са крупним зрнима је око 10 пута већи од прве.
У поређењу са вршним старењем, стање прекомерног старења је погодније за инхибицију пуцања, што је одређено различитим стањима фазе таложења унутар легуре. Током вршног старења, фазе 'β (Mg5Si6) од 20-50 nm се таложе у легури 6082, са великим бројем талога и малим величинама; када је легура у стању прекомерног старења, број талога у легури се смањује, а величина постаје већа. Талози настали током процеса старења могу ефикасно инхибирати кретање дислокација унутар легуре. Њена сила затезања дислокација повезана је са величином и запреминским уделом фазе таложа. Емпиријска формула је:
f је запремински удео преципитатне фазе; r је величина фазе; σa је енергија међуповршине између фазе и матрице. Формула показује да што је већа величина преципитатне фазе и што је мањи запремински удео, то је мања њена сила закачињавања на дислокације, лакше је да се дислокације у легури покрену, а σa0 у легури ће се смањивати од вршног старења до стања прекомерног старења. Чак и ако се σa0 смањи, када легура пређе из вршног старења у стање прекомерног старења, вредност σapp у тренутку пуцања легуре се више смањује, што резултира значајним смањењем ефективног напона на граници зрна (σapp-σa0). Ефективни напон на граници зрна прекомерног старења је око 1/5 оног на вршном старењу, односно мања је вероватноћа пуцања на граници зрна у стању прекомерног старења, што резултира бољим перформансама закивања легуре.
2.2 Оптимизација температуре екструзије и система процеса старења
Према горе наведеним резултатима, повећање температуре екструзије може смањити дубину крупнозрног слоја, чиме се спречава пуцање материјала током процеса закивања. Међутим, под претпоставком одређеног састава легуре, структуре калупа за екструзију и процеса екструзије, ако је температура екструзије превисока, с једне стране, степен савијања и увијања профила ће се погоршати током накнадног процеса каљења, што ће довести до тога да толеранција величине профила неће испуњавати захтеве, а с друге стране, то ће довести до тога да легура лако прегори током процеса екструзије, повећавајући ризик од ломљења материјала. Узимајући у обзир стање закивања, процес величине профила, временски оквир производног процеса и друге факторе, најпогоднија температура екструзије за ову легуру је најмање 485 ℃, односно узорак бр. 2. Да би се потврдио оптималан систем процеса старења, процес старења је оптимизован на основу узорка бр. 2.
Механичка својства узорка бр. 2 при различитим временима старења на 180 ℃, 185 ℃ и 190 ℃ приказана су на слици 3, а то су граница течења, затезна чврстоћа и издужење. Као што је приказано на слици 3а, испод 180 ℃, време старења се повећава са 6 сати на 12 сати, а граница течења материјала се не смањује значајно. Испод 185 ℃, како се време старења повећава са 4 сата на 12 сати, граница течења прво се повећава, а затим смањује, а време старења које одговара највишој вредности чврстоће је 5-6 сати. Испод 190 ℃, како се време старења повећава, граница течења постепено опада. Генерално, на три температуре старења, што је температура старења нижа, то је већа вршна чврстоћа материјала. Карактеристике затезне чврстоће на слици 3б су у складу са границом течења на слици 3а. Издужење на различитим температурама старења приказано на слици 3ц је између 14% и 17%, без очигледног обрасца промене. Овај експеримент тестира вршно старење до фазе прекомерног старења, и због малих експерименталних разлика, грешка теста узрокује да образац промене буде нејасан.
Сл. 3 Механичка својства материјала на различитим температурама и временима старења
Након горе наведеног третмана старењем, пуцање заковичних спојева је сумирано у Табели 4. Из Табеле 4 се може видети да се са повећањем времена пуцање заковичних спојева донекле смањује. Под условом од 180 ℃, када време старења прелази 10 сати, изглед заковичног споја је у прихватљивом стању, али нестабилан. Под условом од 185 ℃, након старења од 7 сати, изглед заковичног споја нема пукотине и стање је релативно стабилно. Под условом од 190 ℃, изглед заковичног споја нема пукотине и стање је стабилно. Из резултата испитивања заковицама може се видети да су перформансе заковица боље и стабилније када је легура у стању прекомерног старења. У комбинацији са употребом профила тела, заковице на 180 ℃/10~12 сати не доприносе стабилности квалитета производног процеса који контролише произвођач оригиналне опреме. Да би се осигурала стабилност заковичног споја, време старења треба додатно продужити, али провера времена старења ће довести до смањене ефикасности производње профила и повећања трошкова. Под условом од 190 ℃, сви узорци могу испунити захтеве за пуцање од закивања, али је чврстоћа материјала значајно смањена. Према захтевима дизајна возила, граница течења легуре 6082 мора бити гарантовано већа од 270 MPa. Стога, температура старења од 190 ℃ не испуњава захтеве чврстоће материјала. Истовремено, ако је чврстоћа материјала прениска, преостала дебљина доње плоче заковичног споја биће премала. Након старења на 190 ℃/8 h, карактеристике попречног пресека заковице показују да је преостала дебљина 0,26 mm, што не испуњава захтев индекса од ≥0,3 mm, као што је приказано на слици 4a. Свеобухватно гледано, оптимална температура старења је 185 ℃. Након старења од 7 сати, материјал може стабилно да испуни захтеве за закивање, а чврстоћа испуњава захтеве перформанси. Узимајући у обзир стабилност производње процеса закивања у радионици за заваривање, предлаже се да оптимално време старења буде 8 сати. Карактеристике попречног пресека у оквиру овог процесног система приказане су на слици 4б, што испуњава захтеве индекса међусобног закључавања. Лево и десно међусобно закључавање су 0,90 мм и 0,75 мм, што испуњава захтеве индекса од ≥0,4 мм, а доња преостала дебљина је 0,38 мм.
Табела 4 Пуцање узорка бр. 2 на различитим температурама и различитим временима старења
Сл. 4 Карактеристике попречног пресека заковичних спојева доњих плоча 6082 у различитим стањима старења
3 Закључак
Што је виша температура екструзије профила од алуминијумске легуре 6082, то је плићи површински крупнозрнасти слој након екструзије. Мања дебљина крупнозрнастог слоја може ефикасно смањити фактор концентрације напона на граници зрна, чиме се спречава пуцање услед закивања. Експериментална истраживања су утврдила да оптимална температура екструзије није мања од 485 ℃.
Када је дебљина крупнозрног слоја профила алуминијумске легуре 6082 иста, ефективни напон границе зрна легуре у стању прекомерног старења је мањи него у стању вршног старења, ризик од пуцања током закивања је мањи, а перформансе закивања легуре су боље. Узимајући у обзир три фактора: стабилност закивања, вредност међусобног закивања заковицама, ефикасност производње термичке обраде и економске користи, оптимални систем старења за легуру је одређен на 185℃/8h.
Време објаве: 05.04.2025.
