Kako zemlje diljem svijeta pridaju veliku važnost uštedi energije i smanjenju emisija, razvoj potpuno električnih vozila na novu energiju postao je trend. Osim performansi baterije, kvaliteta karoserije također je ključni čimbenik koji utječe na domet vozila na novu energiju. Promicanje razvoja laganih konstrukcija karoserije automobila i visokokvalitetnih spojeva može poboljšati sveobuhvatni domet električnih vozila smanjenjem težine cijelog vozila koliko god je to moguće, a istovremeno osigurati čvrstoću i sigurnosne performanse vozila. Što se tiče smanjenja težine automobila, hibridna karoserija od čelika i aluminija uzima u obzir i čvrstoću i smanjenje težine karoserije, postajući važno sredstvo za postizanje smanjenja težine karoserije.
Tradicionalna metoda spajanja aluminijskih legura ima slabe performanse spajanja i nisku pouzdanost. Samoprobijajuće zakivanje, kao nova tehnologija spajanja, široko se koristi u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji zbog svoje apsolutne prednosti u spajanju lakih legura i kompozitnih materijala. Posljednjih godina, kineski domaći znanstvenici proveli su relevantna istraživanja o tehnologiji samoprobijajućeg zakivanja i proučavali učinke različitih metoda toplinske obrade na performanse industrijskih samoprobijajućih zakovičnih spojeva od čistog titana TA1. Utvrđeno je da metode toplinske obrade žarenjem i kaljenjem poboljšavaju statičku čvrstoću industrijskih samoprobijajućih zakovičnih spojeva od čistog titana TA1. Mehanizam formiranja spoja promatran je i analiziran s gledišta protoka materijala, a na temelju toga procijenjena je kvaliteta spoja. Metalografskim ispitivanjima utvrđeno je da je veliko područje plastične deformacije rafinirano u vlaknastu strukturu s određenom tendencijom, što je potaknulo poboljšanje granice tečenja i čvrstoće na umor spoja.
Gore navedeno istraživanje uglavnom se usredotočuje na mehanička svojstva spojeva nakon zakovivanja ploča od aluminijske legure. U stvarnoj proizvodnji karoserija automobila zakivanjem, pukotine zakovljenih spojeva ekstrudiranih profila od aluminijske legure, posebno visokočvrstih aluminijskih legura s visokim udjelom legirajućih elemenata, poput aluminijske legure 6082, ključni su čimbenici koji ograničavaju primjenu ovog postupka na karoseriji automobila. Istovremeno, tolerancije oblika i položaja ekstrudiranih profila korištenih na karoseriji automobila, poput savijanja i uvijanja, izravno utječu na montažu i upotrebu profila, a također određuju dimenzijsku točnost sljedeće karoserije automobila. Kako bi se kontroliralo savijanje i uvijanje profila i osigurala dimenzijska točnost profila, osim strukture matrice, najvažniji utjecajni čimbenici su izlazna temperatura profila i brzina kaljenja. Što je viša izlazna temperatura i veća brzina kaljenja, to je veći stupanj savijanja i uvijanja profila. Za profile od aluminijske legure za karoserije automobila potrebno je osigurati dimenzijsku točnost profila i osigurati da zakivanje legure ne puca. Najjednostavniji način optimizacije dimenzijske točnosti i performansi pucanja legure zakovicama je kontrola pucanja optimizacijom temperature zagrijavanja i procesa starenja ekstrudiranih šipki, uz održavanje nepromijenjenog sastava materijala, strukture matrice, brzine ekstruzije i brzine kaljenja. Za aluminijsku leguru 6082, pod pretpostavkom da ostali uvjeti procesa ostaju nepromijenjeni, što je viša temperatura ekstruzije, to je plići grubozrnati sloj, ali je veća deformacija profila nakon kaljenja.
Ovaj rad uzima aluminijsku leguru 6082 istog sastava kao i istraživački objekt, koristi različite temperature ekstruzije i različite procese starenja za pripremu uzoraka u različitim stanjima, te procjenjuje učinke temperature ekstruzije i stanja starenja na ispitivanje zakivanja putem ispitivanja zakivanja. Na temelju preliminarnih rezultata, optimalni proces starenja dodatno je određen kako bi se pružile smjernice za naknadnu proizvodnju ekstruzijskih profila tijela od aluminijske legure 6082.
1 Eksperimentalni materijali i metode
Kao što je prikazano u Tablici 1, aluminijska legura 6082 je rastaljena i pripremljena u okrugli ingot polukontinuiranim lijevanjem. Zatim je, nakon toplinske obrade homogenizacijom, ingot zagrijan na različite temperature i ekstrudiran u profil na ekstruderu od 2200 t. Debljina stijenke profila bila je 2,5 mm, temperatura cijevi za ekstruziju bila je 440±10 ℃, temperatura matrice za ekstruziju bila je 470±10 ℃, brzina ekstruzije bila je 2,3±0,2 mm/s, a metoda kaljenja profila bilo je hlađenje jakim vjetrom. Prema temperaturi zagrijavanja, uzorci su numerirani od 1 do 3, među kojima je uzorak 1 imao najnižu temperaturu zagrijavanja, a odgovarajuća temperatura gredice bila je 470±5 ℃, odgovarajuća temperatura gredice uzorka 2 bila je 485±5 ℃, a temperatura uzorka 3 bila je najviša, a odgovarajuća temperatura gredice bila je 500±5 ℃.
Tablica 1 Izmjereni kemijski sastav ispitivane legure (maseni udio/%)
Pod uvjetom da ostali parametri procesa, kao što su sastav materijala, struktura matrice, brzina ekstruzije i brzina kaljenja, ostanu nepromijenjeni, gore navedeni uzorci br. 1 do 3 dobiveni podešavanjem temperature ekstruzijskog zagrijavanja stare u kutijastoj peći otpornog tipa, a sustav starenja je 180 ℃/6 h i 190 ℃/6 h. Nakon izolacije, hlade se zrakom, a zatim zakovicama kako bi se procijenio utjecaj različitih temperatura ekstruzije i stanja starenja na ispitivanje zakovica. Ispitivanje zakovica koristi leguru 6082 debljine 2,5 mm s različitim temperaturama ekstruzije i različitim sustavima starenja kao donju ploču, te leguru 5754-O debljine 1,4 mm kao gornju ploču za SPR ispitivanje zakovica. Matrica za zakovice je M260238, a zakovica je C5.3×6.0 H0. Osim toga, kako bi se dodatno odredio optimalni proces starenja, prema utjecaju temperature ekstruzije i stanja starenja na pucanje zakovicama, odabire se ploča na optimalnoj temperaturi ekstruzije, a zatim se obrađuje različitim temperaturama i različitim vremenima starenja kako bi se proučio utjecaj sustava starenja na pucanje zakovicama, kako bi se konačno potvrdio optimalni sustav starenja. Za promatranje mikrostrukture materijala na različitim temperaturama ekstruzije korišten je mikroskop velike snage, za ispitivanje mehaničkih svojstava korišten je elektronički univerzalni ispitni stroj s mikroračunalom MTS-SANS CMT5000 serije, a mikroskop male snage korišten je za promatranje zakovica nakon zakovicanja u različitim stanjima.
2 Eksperimentalni rezultati i rasprava
2.1 Utjecaj temperature ekstruzije i stanja starenja na pucanje pri zakivanju
Uzorkovanje je uzeto duž presjeka ekstrudiranog profila. Nakon grubog brušenja, finog brušenja i poliranja brusnim papirom, uzorak je korodiran s 10%-tnim NaOH tijekom 8 minuta, a crni produkt korozije obrisan je dušičnom kiselinom. Sloj grubih zrna uzorka promatran je mikroskopom velikog uvećanja, koji se nalazio na površini izvan kopče zakovice na predviđenom položaju zakivanja, kao što je prikazano na slici 1. Prosječna dubina sloja grubih zrna uzorka br. 1 bila je 352 μm, prosječna dubina sloja grubih zrna uzorka br. 2 bila je 135 μm, a prosječna dubina sloja grubih zrna uzorka br. 3 bila je 31 μm. Razlika u dubini sloja grubih zrna uglavnom je posljedica različitih temperatura ekstruzije. Što je viša temperatura ekstruzije, to je niži otpor deformaciji legure 6082, manja je pohrana energije deformacije generirana trenjem između legure i ekstruzijskog kalupa (posebno radnog remena kalupa) i manja je pokretačka sila rekristalizacije. Stoga je površinski sloj grubih zrna plići; Što je niža temperatura ekstruzije, to je veći otpor deformaciji, to je veće skladištenje energije deformacije, lakše je rekristalizirati i to je dublji sloj grubih zrna. Za leguru 6082, mehanizam rekristalizacije grubih zrna je sekundarna rekristalizacija.
(a) Model 1
(b) Model 2
(c) Model 3
Slika 1 Debljina grubozrnatog sloja ekstrudiranih profila različitim postupcima
Uzorci 1 do 3 pripremljeni na različitim temperaturama ekstruzije ostarjeli su na 180 ℃/6 h i 190 ℃/6 h. Mehanička svojstva uzorka 2 nakon dva procesa starenja prikazana su u Tablici 2. Pod dva sustava starenja, granica razvlačenja i vlačna čvrstoća uzorka na 180 ℃/6 h znatno su veće od onih na 190 ℃/6 h, dok se izduženje ta dva ne razlikuje puno, što ukazuje na to da je 190 ℃/6 h tretman prekomjernog starenja. Budući da mehanička svojstva aluminijske legure serije 6 uvelike fluktuiraju s promjenom procesa starenja u stanju nedovoljno starenja, to ne pogoduje stabilnosti procesa proizvodnje profila i kontroli kvalitete zakovica. Stoga nije prikladno koristiti stanje nedovoljno starenja za proizvodnju profila tijela.
Tablica 2 Mehanička svojstva uzorka br. 2 pod dvama sustavima starenja
Izgled ispitnog uzorka nakon zakovicanja prikazan je na slici 2. Kada je uzorak br. 1 s dubljim grubozrnatim slojem zakovican u stanju vršnog starenja, donja površina zakovice imala je očitu narančinu koru i pukotine vidljive golim okom, kao što je prikazano na slici 2a. Zbog nedosljedne orijentacije unutar zrna, stupanj deformacije bit će neravnomjeran tijekom deformacije, formirajući neravnu površinu. Kada su zrna gruba, neravnina površine postaje veća, formirajući fenomen narančine kore vidljiv golim okom. Kada je uzorak br. 3 s plićim grubozrnatim slojem pripremljenim povećanjem temperature ekstruzije zakovican u stanju vršnog starenja, donja površina zakovice bila je relativno glatka, a pucanje je do određene mjere potisnuto, što je bilo vidljivo samo pod povećanjem mikroskopa, kao što je prikazano na slici 2b. Kada je uzorak br. 3 bio u stanju prekomjernog starenja, nije uočeno pucanje pod povećanjem mikroskopa, kao što je prikazano na slici 2c.
(a) Pukotine vidljive golim okom
(b) Manje pukotine vidljive pod mikroskopom
(c) Nema pukotina
Slika 2 Različiti stupnjevi pucanja nakon zakivanja
Površina nakon zakovicanja uglavnom je u tri stanja, i to pukotine vidljive golim okom (označene s "×"), male pukotine vidljive pod povećanjem mikroskopa (označene s "△") i bez pukotina (označene s "○"). Rezultati morfologije zakovica za gore navedena tri stanja uzoraka pod dva sustava starenja prikazani su u Tablici 3. Može se vidjeti da je, kada je proces starenja konstantan, performanse pucanja zakovicama uzorka s višom temperaturom ekstruzije i tanjim slojem grubih zrna bolja od onih uzorka s dubljim slojem grubih zrna; kada je sloj grubih zrna konstantan, performanse pucanja zakovicama u stanju prekomjernog starenja bolje su od onih u stanju vršnog starenja.
Tablica 3 Izgled zakovica uzoraka 1 do 3 pod dva procesna sustava
Proučavani su učinci morfologije zrna i stanja starenja na ponašanje aksijalnog pucanja profila pri kompresiji. Stanje naprezanja materijala tijekom aksijalnog stiskanja bilo je u skladu s onim kod samoprobijajućeg zakovica. Studija je otkrila da pukotine nastaju na granicama zrna, a mehanizam pucanja legure Al-Mg-Si objašnjen je formulom.
σapp je naprezanje primijenjeno na kristal. Prilikom pucanja, σapp je jednak stvarnoj vrijednosti naprezanja koja odgovara vlačnoj čvrstoći; σa0 je otpor precipitata tijekom intrakristalnog klizanja; Φ je koeficijent koncentracije naprezanja, koji je povezan s veličinom zrna d i širinom klizanja p.
U usporedbi s rekristalizacijom, vlaknasta struktura zrna pogoduje inhibiciji pucanja. Glavni razlog je taj što je veličina zrna d značajno smanjena zbog profinjenja zrna, što može učinkovito smanjiti faktor koncentracije naprezanja Φ na granici zrna, čime se inhibira pucanje. U usporedbi s vlaknastom strukturom, faktor koncentracije naprezanja Φ rekristalizirane legure s grubim zrnima je oko 10 puta veći od prvog.
U usporedbi s vršnim starenjem, stanje prekomjernog starenja pogodnije je za inhibiciju pucanja, što je određeno različitim stanjima faze taloženja unutar legure. Tijekom vršnog starenja, u leguri 6082 se talože faze 'β (Mg5Si6) od 20-50 nm, s velikim brojem taloga i malim veličinama; kada je legura u stanju prekomjernog starenja, broj taloga u leguri se smanjuje, a veličina postaje veća. Talozi nastali tijekom procesa starenja mogu učinkovito inhibirati kretanje dislokacija unutar legure. Njegova sila pričvršćivanja na dislokacije povezana je s veličinom i volumnim udjelom faze taloga. Empirijska formula je:
f je volumni udio precipitacijske faze; r je veličina faze; σa je energija granice između faze i matrice. Formula pokazuje da što je veća veličina precipitacijske faze i manji volumni udio, to je manja njezina sila zapinjanja na dislokacije, lakše je pokrenuti dislokacije u leguri, a σa0 u leguri će se smanjivati od vršnog starenja do stanja prekomjernog starenja. Čak i ako se σa0 smanji, kada legura prijeđe iz vršnog starenja u stanje prekomjernog starenja, vrijednost σapp u trenutku pucanja legure se više smanjuje, što rezultira značajnim smanjenjem efektivnog naprezanja na granici zrna (σapp-σa0). Efektivno naprezanje na granici zrna prekomjernog starenja iznosi oko 1/5 onog pri vršnom starenju, odnosno manja je vjerojatnost pucanja na granici zrna u stanju prekomjernog starenja, što rezultira boljim svojstvima zakivanja legure.
2.2 Optimizacija temperature ekstruzije i sustava procesa starenja
Prema gore navedenim rezultatima, povećanje temperature ekstruzije može smanjiti dubinu grubozrnatog sloja, čime se sprječava pucanje materijala tijekom procesa zakivanja. Međutim, pod pretpostavkom određenog sastava legure, strukture ekstruzijskog alata i procesa ekstruzije, ako je temperatura ekstruzije previsoka, s jedne strane, stupanj savijanja i uvijanja profila će se pogoršati tijekom naknadnog procesa kaljenja, što će uzrokovati da tolerancija veličine profila ne zadovoljava zahtjeve, a s druge strane, to će uzrokovati lako prekomjerno izgaranje legure tijekom procesa ekstruzije, povećavajući rizik od kidanja materijala. Uzimajući u obzir stanje zakivanja, proces veličine profila, prozor proizvodnog procesa i druge čimbenike, prikladnija temperatura ekstruzije za ovu leguru je najmanje 485 ℃, odnosno uzorak br. 2. Kako bi se potvrdio optimalni sustav procesa starenja, proces starenja je optimiziran na temelju uzorka br. 2.
Mehanička svojstva uzorka br. 2 pri različitim vremenima starenja na 180 ℃, 185 ℃ i 190 ℃ prikazana su na slici 3, a to su granica razvlačenja, vlačna čvrstoća i istezanje. Kao što je prikazano na slici 3a, ispod 180 ℃ vrijeme starenja se povećava od 6 sati do 12 sati, a granica razvlačenja materijala se ne smanjuje značajno. Ispod 185 ℃, kako se vrijeme starenja povećava od 4 sata do 12 sati, granica razvlačenja prvo se povećava, a zatim smanjuje, a vrijeme starenja koje odgovara najvišoj vrijednosti čvrstoće je 5-6 sati. Ispod 190 ℃, kako se vrijeme starenja povećava, granica razvlačenja postupno se smanjuje. Općenito, na tri temperature starenja, što je niža temperatura starenja, to je veća vršna čvrstoća materijala. Karakteristike vlačne čvrstoće na slici 3b u skladu su s granicom razvlačenja na slici 3a. Istezanje pri različitim temperaturama starenja prikazano na slici 3c iznosi između 14% i 17%, bez vidljivog obrasca promjene. Ovaj eksperiment testira vršno starenje do faze prekomjernog starenja, a zbog malih eksperimentalnih razlika, pogreška ispitivanja uzrokuje nejasan obrazac promjene.
Sl.3 Mehanička svojstva materijala pri različitim temperaturama i vremenima starenja
Nakon gore navedenog tretmana starenja, pucanje zakovičnih spojeva sažeto je u Tablici 4. Iz Tablice 4 može se vidjeti da se s povećanjem vremena pucanje zakovičnih spojeva do određene mjere potiskuje. Pod uvjetom od 180 ℃, kada vrijeme starenja prelazi 10 sati, izgled zakovičnog spoja je u prihvatljivom stanju, ali nestabilan. Pod uvjetom od 185 ℃, nakon starenja od 7 sati, izgled zakovičnog spoja nema pukotina i stanje je relativno stabilno. Pod uvjetom od 190 ℃, izgled zakovičnog spoja nema pukotina i stanje je stabilno. Iz rezultata ispitivanja zakovica može se vidjeti da su performanse zakovica bolje i stabilnije kada je legura u stanju predugog starenja. U kombinaciji s korištenjem profila tijela, zakivanje na 180 ℃/10~12 sati ne doprinosi stabilnosti kvalitete proizvodnog procesa kojim upravlja proizvođač originalne opreme. Kako bi se osigurala stabilnost zakovljenog spoja, vrijeme starenja potrebno je dodatno produžiti, ali provjera vremena starenja dovest će do smanjene učinkovitosti proizvodnje profila i povećanja troškova. Pod uvjetom od 190 ℃, svi uzorci mogu zadovoljiti zahtjeve za pucanje od zakovica, ali čvrstoća materijala je značajno smanjena. Prema zahtjevima dizajna vozila, granica razvlačenja legure 6082 mora biti veća od 270 MPa. Stoga, temperatura starenja od 190 ℃ ne zadovoljava zahtjeve čvrstoće materijala. Istovremeno, ako je čvrstoća materijala preniska, preostala debljina donje ploče zakovljenog spoja bit će premala. Nakon starenja na 190 ℃/8 h, karakteristike poprečnog presjeka zakovica pokazuju da je preostala debljina 0,26 mm, što ne zadovoljava zahtjev indeksa od ≥0,3 mm, kao što je prikazano na slici 4a. Sveobuhvatno gledajući, optimalna temperatura starenja je 185 ℃. Nakon starenja od 7 sati, materijal može stabilno zadovoljiti zahtjeve zakivanja, a čvrstoća zadovoljava zahtjeve performansi. Uzimajući u obzir stabilnost proizvodnje procesa zakivanja u radionici za zavarivanje, predlaže se da optimalno vrijeme starenja bude 8 sati. Karakteristike poprečnog presjeka u ovom procesnom sustavu prikazane su na slici 4b, što zadovoljava zahtjeve indeksa međusobnog spajanja. Lijevo i desno međusobno spajanje su 0,90 mm i 0,75 mm, što zadovoljava zahtjeve indeksa od ≥0,4 mm, a donja preostala debljina je 0,38 mm.
Tablica 4 Pucanje uzorka br. 2 na različitim temperaturama i različitim vremenima starenja
Sl.4 Karakteristike poprečnog presjeka zakovljenih spojeva donjih ploča 6082 u različitim stanjima starenja
3 Zaključak
Što je viša temperatura ekstruzije profila od aluminijske legure 6082, to je plići površinski grubozrnati sloj nakon ekstruzije. Manja debljina grubozrnatog sloja može učinkovito smanjiti faktor koncentracije naprezanja na granici zrna, čime se sprječava pucanje zakovicama. Eksperimentalnim istraživanjem utvrđeno je da optimalna temperatura ekstruzije nije niža od 485 ℃.
Kada je debljina grubozrnatog sloja profila aluminijske legure 6082 ista, efektivno naprezanje granice zrna legure u stanju prekomjernog starenja je manje nego u stanju vršnog starenja, rizik od pucanja tijekom zakivanja je manji, a performanse zakivanja legure su bolje. Uzimajući u obzir tri faktora: stabilnost zakivanja, vrijednost međusobnog spajanja zakovicama, učinkovitost proizvodnje toplinskom obradom i ekonomske koristi, optimalni sustav starenja za leguru utvrđen je na 185 ℃/8 h.
Vrijeme objave: 05.04.2025.
