Ponieważ kraje na całym świecie przywiązują dużą wagę do oszczędzania energii i redukcji emisji, rozwój czysto elektrycznych pojazdów nowej energii stał się trendem. Oprócz wydajności akumulatora, jakość nadwozia jest również kluczowym czynnikiem wpływającym na zasięg pojazdów nowej energii. Promowanie rozwoju lekkich konstrukcji nadwozia samochodowego i wysokiej jakości połączeń może poprawić kompleksowy zasięg pojazdów elektrycznych poprzez maksymalne zmniejszenie masy całego pojazdu przy jednoczesnym zapewnieniu wytrzymałości i bezpieczeństwa pojazdu. Jeśli chodzi o odchudzanie samochodów, hybrydowe nadwozie stalowo-aluminiowe uwzględnia zarówno wytrzymałość, jak i redukcję masy nadwozia, stając się ważnym środkiem do osiągnięcia lekkości nadwozia.
Tradycyjna metoda łączenia stopów aluminium charakteryzuje się słabą wydajnością połączenia i niską niezawodnością. Samoprzebijające się nitowanie, jako nowa technologia łączenia, jest szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym i przemyśle lotniczym ze względu na swoją absolutną przewagę w łączeniu lekkich stopów i materiałów kompozytowych. W ostatnich latach chińscy naukowcy przeprowadzili odpowiednie badania nad technologią samoprzebijających się nitów i zbadali wpływ różnych metod obróbki cieplnej na wydajność przemysłowych, czystych tytanowych połączeń nitowych samoprzebijających TA1. Stwierdzono, że metody obróbki cieplnej wyżarzania i hartowania poprawiły wytrzymałość statyczną przemysłowych, czystych tytanowych połączeń nitowych samoprzebijających TA1. Mechanizm formowania połączenia obserwowano i analizowano z perspektywy przepływu materiału, a jakość połączenia oceniano na tej podstawie. Poprzez testy metalograficzne stwierdzono, że duży obszar odkształcenia plastycznego został udoskonalony w strukturę włókien o pewnej tendencji, co sprzyjało poprawie naprężenia granicznego i wytrzymałości zmęczeniowej połączenia.
Powyższe badania koncentrują się głównie na właściwościach mechanicznych połączeń po nitowaniu płyt ze stopu aluminium. W rzeczywistej produkcji nitów nadwozi samochodowych pęknięcia połączeń nitowanych wytłaczanych profili ze stopu aluminium, zwłaszcza stopów aluminium o wysokiej wytrzymałości z wysoką zawartością pierwiastków stopowych, takich jak stop aluminium 6082, są kluczowymi czynnikami ograniczającymi zastosowanie tego procesu w nadwoziu samochodu. Jednocześnie tolerancje kształtu i położenia wytłaczanych profili stosowanych w nadwoziu samochodu, takie jak gięcie i skręcanie, bezpośrednio wpływają na montaż i użytkowanie profili, a także określają dokładność wymiarową późniejszego nadwozia samochodu. Aby kontrolować gięcie i skręcanie profili oraz zapewnić dokładność wymiarową profili, oprócz struktury matrycy, temperatura wylotowa profili i prędkość hartowania online są najważniejszymi czynnikami wpływającymi. Im wyższa temperatura wylotowa i szybsza prędkość hartowania, tym większy stopień gięcia i skręcania profili. W przypadku profili ze stopu aluminium do nadwozi samochodowych konieczne jest zapewnienie dokładności wymiarowej profili i upewnienie się, że nity stopowe nie pękają. Najprostszym sposobem optymalizacji dokładności wymiarowej i odporności stopu na pękanie nitów jest kontrolowanie pękania poprzez optymalizację temperatury nagrzewania i procesu starzenia wytłaczanych prętów, przy jednoczesnym zachowaniu niezmienionego składu materiału, struktury matrycy, prędkości wytłaczania i prędkości hartowania. W przypadku stopu aluminium 6082, przy założeniu, że inne warunki procesu pozostają niezmienione, im wyższa temperatura wytłaczania, tym płytsza warstwa gruboziarnista, ale tym większe odkształcenie profilu po hartowaniu.
W tym artykule wykorzystano stop aluminium 6082 o tym samym składzie co obiekt badań, zastosowano różne temperatury wytłaczania i różne procesy starzenia w celu przygotowania próbek w różnych stanach, a także oceniono wpływ temperatury wytłaczania i stanu starzenia na test nitowania za pomocą testów nitowania. Na podstawie wstępnych wyników określono optymalny proces starzenia, aby zapewnić wskazówki dotyczące późniejszej produkcji profili wytłaczania korpusu ze stopu aluminium 6082.
1 Materiały i metody eksperymentalne
Jak pokazano w tabeli 1, stop aluminium 6082 został stopiony i przygotowany do postaci okrągłego wlewka metodą półciągłego odlewania. Następnie, po obróbce cieplnej homogenizującej, wlewek został podgrzany do różnych temperatur i wytłoczony w profil na wytłaczarce 2200 t. Grubość ścianki profilu wynosiła 2,5 mm, temperatura cylindra wytłaczarki wynosiła 440 ± 10 ℃, temperatura matrycy wytłaczarki wynosiła 470 ± 10 ℃, prędkość wytłaczania wynosiła 2,3 ± 0,2 mm/s, a metodą hartowania profilu było silne chłodzenie wiatrem. Próbki ponumerowano od 1 do 3 w zależności od temperatury nagrzewania, przy czym próbka 1 miała najniższą temperaturę nagrzewania, a odpowiadająca jej temperatura wsadu wynosiła 470 ± 5 ℃, odpowiadająca jej temperatura wsadu próbki 2 wynosiła 485 ± 5 ℃, a temperatura próbki 3 była najwyższa, a odpowiadająca jej temperatura wsadu wynosiła 500 ± 5 ℃.
Tabela 1 Zmierzony skład chemiczny badanego stopu (ułamek masowy/%)
Pod warunkiem, że inne parametry procesu, takie jak skład materiału, struktura matrycy, prędkość wytłaczania, prędkość hartowania pozostają niezmienione, powyższe próbki nr 1 do 3 uzyskane poprzez dostosowanie temperatury ogrzewania wytłaczania są starzone w piecu oporowym typu pudełkowego, a system starzenia wynosi 180 ℃/6 h i 190 ℃/6 h. Po izolacji są one chłodzone powietrzem, a następnie nitowane w celu oceny wpływu różnych temperatur wytłaczania i stanów starzenia na test nitowania. Test nitowania wykorzystuje stop 6082 o grubości 2,5 mm z różnymi temperaturami wytłaczania i różnymi systemami starzenia jako płytę dolną oraz stop 5754-O o grubości 1,4 mm jako płytę górną do testu nitowania SPR. Matryca nitująca to M260238, a nit to C5.3×6.0 H0. Ponadto, aby dodatkowo określić optymalny proces starzenia, zgodnie z wpływem temperatury wytłaczania i stanu starzenia na pękanie nitów, wybiera się płytę w optymalnej temperaturze wytłaczania, a następnie poddaje się ją obróbce w różnych temperaturach i różnym czasom starzenia, aby zbadać wpływ systemu starzenia na pękanie nitów, aby ostatecznie potwierdzić optymalny system starzenia. Mikroskop o dużej mocy został użyty do obserwacji mikrostruktury materiału w różnych temperaturach wytłaczania, elektroniczna uniwersalna maszyna testująca sterowana mikrokomputerem serii MTS-SANS CMT5000 została użyta do przetestowania właściwości mechanicznych, a mikroskop o małej mocy został użyty do obserwacji połączeń nitowanych po nitowaniu w różnych stanach.
2Wyniki eksperymentów i dyskusja
2.1 Wpływ temperatury wytłaczania i stanu starzenia na pękanie nitów
Próbkowanie pobrano wzdłuż przekroju poprzecznego wytłaczanego profilu. Po zgrubnym szlifowaniu, dokładnym szlifowaniu i polerowaniu papierem ściernym próbkę skorodowano 10% NaOH przez 8 minut, a czarny produkt korozji wytarto kwasem azotowym. Gruboziarnistą warstwę próbki obserwowano za pomocą mikroskopu o dużej mocy, który znajdował się na powierzchni na zewnątrz klamry nitu w zamierzonym położeniu nitowania, jak pokazano na rysunku 1. Średnia głębokość warstwy gruboziarnistej próbki nr 1 wynosiła 352 μm, średnia głębokość warstwy gruboziarnistej próbki nr 2 wynosiła 135 μm, a średnia głębokość warstwy gruboziarnistej próbki nr 3 wynosiła 31 μm. Różnica w głębokości warstwy gruboziarnistej wynika głównie z różnych temperatur wytłaczania. Im wyższa temperatura wytłaczania, tym niższy opór odkształcenia stopu 6082, tym mniejsze magazynowanie energii odkształcenia generowane przez tarcie między stopem a matrycą wytłaczającą (zwłaszcza pasem roboczym matrycy) i tym mniejsza siła napędowa rekrystalizacji. Dlatego też powierzchnia warstwy gruboziarnistej jest płytsza; im niższa temperatura wytłaczania, tym większy opór odkształcenia, tym większe magazynowanie energii odkształcenia, tym łatwiejsza rekrystalizacja i tym głębsza warstwa gruboziarnista. W przypadku stopu 6082 mechanizmem rekrystalizacji gruboziarnistej jest rekrystalizacja wtórna.
(a) Wzór 1
(b) Wzór 2
(c) Wzór 3
Rysunek 1 Grubość warstwy gruboziarnistej profili wytłaczanych w różnych procesach
Próbki 1 do 3 przygotowane w różnych temperaturach wytłaczania poddano starzeniu w temperaturze odpowiednio 180 ℃/6 h i 190 ℃/6 h. Właściwości mechaniczne próbki 2 po dwóch procesach starzenia przedstawiono w tabeli 2. W przypadku dwóch systemów starzenia granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie próbki w temperaturze 180 ℃/6 h są znacznie wyższe niż w temperaturze 190 ℃/6 h, podczas gdy wydłużenie obu nie różni się znacznie, co wskazuje, że 190 ℃/6 h to obróbka z przestarzeniem. Ponieważ właściwości mechaniczne stopu aluminium serii 6 znacznie zmieniają się wraz ze zmianą procesu starzenia w stanie niedostarzenia, nie sprzyja to stabilności procesu produkcji profili i kontroli jakości nitowania. Dlatego też nie nadaje się do produkcji profili korpusów stan niedostarzenia.
Tabela 2 Właściwości mechaniczne próbki nr 2 w dwóch systemach starzenia
Wygląd próbki testowej po nitowaniu pokazano na Rysunku 2. Gdy próbka nr 1 z głębszą warstwą gruboziarnistą została nitowana w stanie szczytowego starzenia, dolna powierzchnia nitu miała wyraźną skórkę pomarańczową i pęknięcia widoczne gołym okiem, jak pokazano na Rysunku 2a. Ze względu na niespójną orientację wewnątrz ziaren stopień odkształcenia będzie nierównomierny podczas odkształcania, tworząc nierówną powierzchnię. Gdy ziarna są grube, nierówność powierzchni staje się większa, tworząc zjawisko skórki pomarańczowej widoczne gołym okiem. Gdy próbka nr 3 z płytszą warstwą gruboziarnistą przygotowaną przez zwiększenie temperatury wytłaczania została nitowana w stanie szczytowego starzenia, dolna powierzchnia nitu była stosunkowo gładka, a pęknięcia zostały stłumione do pewnego stopnia, co było widoczne tylko pod powiększeniem mikroskopowym, jak pokazano na Rysunku 2b. Gdy próbka nr 3 znajdowała się w stanie przestarzonym, pod powiększeniem mikroskopowym nie zaobserwowano żadnych pęknięć, jak pokazano na rysunku 2c.
(a) Pęknięcia widoczne gołym okiem
(b) Nieznaczne pęknięcia widoczne pod mikroskopem
(c) Brak pęknięć
Rysunek 2 Różne stopnie pęknięć po nitowaniu
Powierzchnia po nitowaniu jest głównie w trzech stanach, a mianowicie pęknięcia widoczne gołym okiem (oznaczone „×”), niewielkie pęknięcia widoczne pod powiększeniem mikroskopowym (oznaczone „△”) i brak pęknięć (oznaczone „○”). Wyniki morfologii nitowania powyższych trzech próbek w dwóch systemach starzenia przedstawiono w Tabeli 3. Można zauważyć, że gdy proces starzenia jest stały, wydajność pękania nitów próbki o wyższej temperaturze wytłaczania i cieńszej warstwie gruboziarnistej jest lepsza niż próbki o głębszej warstwie gruboziarnistej; gdy warstwa gruboziarnista jest stała, wydajność pękania nitów w stanie przestarzalego jest lepsza niż w stanie szczytowego starzenia.
Tabela 3 Wygląd nitowania próbek 1 do 3 w dwóch układach procesowych
Zbadano wpływ morfologii ziarna i stanu starzenia na zachowanie pękania profili pod wpływem ściskania osiowego. Stan naprężenia materiału podczas ściskania osiowego był zgodny ze stanem naprężenia podczas nitowania samoprzebijającego. Badanie wykazało, że pęknięcia pochodziły z granic ziaren, a mechanizm pękania stopu Al-Mg-Si został wyjaśniony za pomocą wzoru.
σapp to naprężenie przyłożone do kryształu. Podczas pękania σapp jest równe rzeczywistej wartości naprężenia odpowiadającej wytrzymałości na rozciąganie; σa0 to opór wydzieleń podczas ślizgania wewnątrzkrystalicznego; Φ to współczynnik koncentracji naprężeń, który jest związany z rozmiarem ziarna d i szerokością poślizgu p.
W porównaniu z rekrystalizacją, włóknista struktura ziarna jest bardziej sprzyjająca hamowaniu pękania. Głównym powodem jest to, że rozmiar ziarna d jest znacznie zmniejszony dzięki rafinacji ziarna, co może skutecznie zmniejszyć współczynnik koncentracji naprężeń Φ na granicy ziarna, tym samym hamując pękanie. W porównaniu ze strukturą włóknistą, współczynnik koncentracji naprężeń Φ rekrystalizowanego stopu z grubymi ziarnami jest około 10 razy większy niż w przypadku pierwszego.
W porównaniu ze starzeniem szczytowym, stan przestarzenia bardziej sprzyja hamowaniu pękania, co jest determinowane przez różne stany fazy wytrącania wewnątrz stopu. Podczas starzenia szczytowego, fazy 20-50 nm 'β (Mg5Si6) są wytrącane w stopie 6082, z dużą liczbą wytrąceń i małymi rozmiarami; gdy stop jest w stanie przestarzenia, liczba wytrąceń w stopie zmniejsza się, a rozmiar staje się większy. Osady generowane podczas procesu starzenia mogą skutecznie hamować ruch dyslokacji wewnątrz stopu. Jego siła przytrzymująca dyslokacje jest związana z rozmiarem i ułamkiem objętości fazy wytrącania. Wzór empiryczny jest następujący:
f to ułamek objętości fazy osadu; r to rozmiar fazy; σa to energia interfejsu między fazą a matrycą. Wzór pokazuje, że im większy rozmiar fazy osadu i mniejszy ułamek objętości, tym mniejsza siła przytrzymująca dyslokacje, tym łatwiej jest rozpocząć dyslokacje w stopie, a σa0 w stopie będzie się zmniejszać od szczytowego starzenia do stanu przestarzałego. Nawet jeśli σa0 maleje, gdy stop przechodzi od szczytowego starzenia do stanu przestarzałego, wartość σapp w momencie pękania stopu zmniejsza się bardziej, co skutkuje znacznym zmniejszeniem efektywnego naprężenia na granicy ziaren (σapp-σa0). Efektywne naprężenie na granicy ziaren przestarzałego wynosi około 1/5 naprężenia w szczytowym starzeniu, to znaczy, że jest mniejsze prawdopodobieństwo pęknięcia na granicy ziaren w stanie przestarzałego, co skutkuje lepszymi właściwościami nitowania stopu.
2.2 Optymalizacja układu temperatury wytłaczania i procesu starzenia
Zgodnie z powyższymi wynikami, zwiększenie temperatury wytłaczania może zmniejszyć głębokość warstwy gruboziarnistej, tym samym hamując pękanie materiału podczas procesu nitowania. Jednakże, przy założeniu pewnego składu stopu, struktury matrycy wytłaczającej i procesu wytłaczania, jeśli temperatura wytłaczania jest zbyt wysoka, z jednej strony stopień zginania i skręcania profilu ulegnie pogorszeniu podczas późniejszego procesu hartowania, co spowoduje, że tolerancja rozmiaru profilu nie spełni wymagań, a z drugiej strony spowoduje to łatwe przepalenie stopu podczas procesu wytłaczania, zwiększając ryzyko złomowania materiału. Biorąc pod uwagę stan nitowania, proces rozmiaru profilu, okno procesu produkcyjnego i inne czynniki, bardziej odpowiednia temperatura wytłaczania dla tego stopu nie jest niższa niż 485 ℃, tj. próbka nr 2. Aby potwierdzić optymalny system procesu starzenia, proces starzenia został zoptymalizowany na podstawie próbki nr 2.
Właściwości mechaniczne próbki nr 2 w różnych czasach starzenia w temperaturze 180 ℃, 185 ℃ i 190 ℃ przedstawiono na rysunku 3. Są to: granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie. Jak pokazano na rysunku 3a, w temperaturze 180 ℃ czas starzenia wydłuża się z 6 do 12 godzin, a granica plastyczności materiału nie zmniejsza się znacząco. W temperaturze 185 ℃ wraz ze wzrostem czasu starzenia z 4 do 12 godzin granica plastyczności najpierw wzrasta, a następnie maleje, a czas starzenia odpowiadający najwyższej wartości wytrzymałości wynosi 5-6 godzin. W temperaturze 190 ℃ wraz ze wzrostem czasu starzenia granica plastyczności stopniowo maleje. Ogólnie rzecz biorąc, w trzech temperaturach starzenia, im niższa temperatura starzenia, tym wyższa wytrzymałość szczytowa materiału. Charakterystyki wytrzymałości na rozciąganie na rysunku 3b są zgodne z granicą plastyczności na rysunku 3a. Wydłużenie w różnych temperaturach starzenia przedstawione na rysunku 3c wynosi od 14% do 17%, bez wyraźnego wzoru zmian. Ten eksperyment testuje szczyt starzenia do etapu przestarzenia, a ze względu na niewielkie różnice eksperymentalne błąd testu powoduje, że wzór zmian jest niejasny.
Rys.3 Właściwości mechaniczne materiałów w różnych temperaturach i czasach starzenia
Po powyższym procesie starzenia pękanie połączeń nitowych podsumowano w Tabeli 4. Z Tabeli 4 wynika, że wraz ze wzrostem czasu pękanie połączeń nitowych jest w pewnym stopniu tłumione. W warunkach 180 ℃, gdy czas starzenia przekracza 10 godzin, wygląd połączenia nitowego jest w akceptowalnym stanie, ale niestabilny. W warunkach 185 ℃, po starzeniu przez 7 godzin, wygląd połączenia nitowego nie ma pęknięć, a stan jest stosunkowo stabilny. W warunkach 190 ℃ wygląd połączenia nitowego nie ma pęknięć, a stan jest stabilny. Z wyników testu nitowania wynika, że wydajność nitowania jest lepsza i bardziej stabilna, gdy stop jest w stanie przestarzonym. W połączeniu z zastosowaniem profilu korpusu, nitowanie w temperaturze 180 ℃/10~12 h nie sprzyja stabilności jakości procesu produkcyjnego kontrolowanego przez producenta OEM. Aby zapewnić stabilność połączenia nitowanego, czas starzenia musi zostać dodatkowo wydłużony, ale weryfikacja czasu starzenia doprowadzi do zmniejszenia wydajności produkcji profilu i wzrostu kosztów. W warunkach 190 ℃ wszystkie próbki mogą spełniać wymagania dotyczące pękania nitów, ale wytrzymałość materiału jest znacznie zmniejszona. Zgodnie z wymogami konstrukcji pojazdu, granica plastyczności stopu 6082 musi być gwarantowana jako większa niż 270 MPa. Dlatego temperatura starzenia 190 ℃ nie spełnia wymagań wytrzymałościowych materiału. Jednocześnie, jeśli wytrzymałość materiału jest zbyt niska, resztkowa grubość dolnej płyty połączenia nitowanego będzie zbyt mała. Po starzeniu w temperaturze 190 ℃/8 h, charakterystyki przekroju poprzecznego nitów pokazują, że grubość resztkowa wynosi 0,26 mm, co nie spełnia wymogu indeksu ≥0,3 mm, jak pokazano na rysunku 4a. Biorąc pod uwagę wszystko, optymalna temperatura starzenia wynosi 185 ℃. Po starzeniu przez 7 h materiał może stabilnie spełniać wymagania dotyczące nitowania, a wytrzymałość spełnia wymagania dotyczące wydajności. Biorąc pod uwagę stabilność produkcji procesu nitowania w warsztacie spawalniczym, proponuje się określić optymalny czas starzenia na 8 h. Charakterystyki przekroju poprzecznego w ramach tego systemu procesowego pokazano na rysunku 4b, który spełnia wymagania dotyczące indeksu blokowania. Lewe i prawe blokowanie ma 0,90 mm i 0,75 mm, co spełnia wymagania dotyczące indeksu ≥0,4 mm, a dolna grubość resztkowa wynosi 0,38 mm.
Tabela 4 Pękanie próbki nr 2 w różnych temperaturach i różnym czasie starzenia
Rys.4 Charakterystyka przekroju poprzecznego połączeń nitowych płyt dolnych 6082 w różnym stanie starzenia
3. Wnioski
Im wyższa temperatura wytłaczania profili ze stopu aluminium 6082, tym płytsza warstwa gruboziarnista powierzchni po wytłaczaniu. Płytsza grubość warstwy gruboziarnistej może skutecznie zmniejszyć współczynnik koncentracji naprężeń na granicy ziaren, tym samym zapobiegając pękaniu nitów. Badania eksperymentalne wykazały, że optymalna temperatura wytłaczania nie jest niższa niż 485 ℃.
Gdy grubość warstwy gruboziarnistej profilu stopu aluminium 6082 jest taka sama, efektywne naprężenie granicy ziarna stopu w stanie przestarzania jest mniejsze niż w stanie szczytowego starzenia, ryzyko pękania podczas nitowania jest mniejsze, a wydajność nitowania stopu jest lepsza. Biorąc pod uwagę trzy czynniki stabilności nitowania, wartość zazębienia nitowanych połączeń, wydajność produkcji obróbki cieplnej i korzyści ekonomiczne, optymalny system starzenia dla stopu określono na 185℃/8h.
Czas publikacji: 05-kwi-2025
