Ponieważ kraje na całym świecie przywiązują dużą wagę do oszczędzania energii i redukcji emisji, rozwój w pełni elektrycznych pojazdów zasilanych nowymi źródłami energii stał się trendem. Oprócz wydajności akumulatora, jakość nadwozia jest również kluczowym czynnikiem wpływającym na zasięg pojazdów zasilanych nowymi źródłami energii. Promowanie rozwoju lekkich nadwozi samochodowych i wysokiej jakości połączeń może poprawić zasięg pojazdów elektrycznych poprzez maksymalne obniżenie masy całego pojazdu, przy jednoczesnym zapewnieniu jego wytrzymałości i bezpieczeństwa. Jeśli chodzi o redukcję masy samochodów, hybrydowe nadwozie stalowo-aluminiowe uwzględnia zarówno wytrzymałość, jak i redukcję masy nadwozia, stając się ważnym sposobem na osiągnięcie tego celu.
Tradycyjna metoda łączenia stopów aluminium charakteryzuje się niską wydajnością i niezawodnością. Nitowanie samoprzebijające, jako nowa technologia łączenia, jest szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym ze względu na swoją absolutną przewagę w łączeniu stopów lekkich i materiałów kompozytowych. W ostatnich latach chińscy naukowcy przeprowadzili istotne badania nad technologią nitowania samoprzebijającego i zbadali wpływ różnych metod obróbki cieplnej na wydajność połączeń nitowych samoprzebijających z czystego tytanu przemysłowego TA1. Stwierdzono, że metody obróbki cieplnej z wyżarzaniem i hartowaniem poprawiły wytrzymałość statyczną połączeń nitowych samoprzebijających z czystego tytanu przemysłowego TA1. Mechanizm formowania połączenia obserwowano i analizowano z perspektywy płynięcia materiału, a na tej podstawie oceniano jakość połączenia. Badania metalograficzne wykazały, że duży obszar odkształcenia plastycznego przekształcił się w strukturę włóknistą o określonej tendencji, co sprzyjało poprawie granicy plastyczności i wytrzymałości zmęczeniowej połączenia.
Powyższe badania koncentrują się głównie na właściwościach mechanicznych połączeń po nitowaniu płyt ze stopów aluminium. W rzeczywistej produkcji nitów nadwozi samochodowych pęknięcia połączeń nitowych profili wytłaczanych ze stopów aluminium, zwłaszcza stopów aluminium o wysokiej wytrzymałości i wysokiej zawartości pierwiastków stopowych, takich jak stop aluminium 6082, są kluczowymi czynnikami ograniczającymi zastosowanie tego procesu w nadwoziu. Jednocześnie tolerancje kształtu i położenia profili wytłaczanych stosowanych w nadwoziu, takie jak gięcie i skręcanie, bezpośrednio wpływają na montaż i użytkowanie profili, a także determinują dokładność wymiarową późniejszego nadwozia. Aby kontrolować gięcie i skręcanie profili oraz zapewnić dokładność wymiarową profili, oprócz konstrukcji matrycy, najważniejszymi czynnikami wpływającymi są temperatura wylotowa profili i prędkość hartowania online. Im wyższa temperatura wylotowa i im szybsza prędkość hartowania, tym większy stopień gięcia i skręcania profili. W przypadku profili ze stopów aluminium do nadwozi samochodowych konieczne jest zapewnienie dokładności wymiarowej profili oraz zabezpieczenie nitów stopowych przed pękaniem. Najprostszym sposobem optymalizacji dokładności wymiarowej i odporności stopu na pękanie nitów jest kontrola pękania poprzez optymalizację temperatury nagrzewania i procesu starzenia wytłaczanych prętów, przy jednoczesnym zachowaniu niezmienionego składu materiału, struktury matrycy, prędkości wytłaczania i szybkości hartowania. W przypadku stopu aluminium 6082, przy założeniu niezmienionych pozostałych warunków procesu, im wyższa temperatura wytłaczania, tym płytsza warstwa gruboziarnista, ale tym większe odkształcenie profilu po hartowaniu.
W niniejszym artykule wykorzystano stop aluminium 6082 o tym samym składzie co obiekt badań, wykorzystując różne temperatury wytłaczania i różne procesy starzenia do przygotowania próbek w różnych stanach, a także oceniono wpływ temperatury wytłaczania i stanu starzenia na test nitowania. Na podstawie wstępnych wyników określono optymalny proces starzenia, aby zapewnić wskazówki dotyczące późniejszej produkcji profili korpusów 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 odlewania półciągłego. Następnie, po obróbce cieplnej homogenizującej, wlewek został podgrzany do różnych temperatur i wytłoczony w profil na wytłaczarce o mocy 2200 ton. Grubość ścianki profilu wynosiła 2,5 mm, temperatura bębna wytłaczarki wynosiła 440 ± 10°C, temperatura matrycy wytłaczarki wynosiła 470 ± 10°C, prędkość wytłaczania wynosiła 2,3 ± 0,2 mm/s, a metoda hartowania profilu polegała na silnym chłodzeniu nadmuchowym. Próbki ponumerowano od 1 do 3 w zależności od temperatury nagrzewania, przy czym próbka 1 miała najniższą temperaturę nagrzewania, a odpowiadająca jej temperatura wlewka wynosiła 470 ± 5 ℃, odpowiadająca jej temperatura wlewka próbki 2 wynosiła 485 ± 5 ℃, a temperatura próbki 3 była najwyższa, a odpowiadająca jej temperatura wlewka 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 i szybkość hartowania, pozostają niezmienione, powyższe próbki nr 1–3, uzyskane poprzez dostosowanie temperatury nagrzewania wytłaczania, są starzone w piecu oporowym typu skrzynkowego, a system starzenia wynosi 180°C/6 h i 190°C/6 h. Po izolacji są one chłodzone powietrzem, a następnie nitowane w celu oceny wpływu różnych temperatur wytłaczania i stopni starzenia na test nitowania. W teście nitowania zastosowano 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, w celu dalszego określenia optymalnego procesu starzenia, uwzględniając wpływ temperatury wytłaczania i stanu starzenia na pękanie nitów, wybiera się płytę o optymalnej temperaturze wytłaczania, a następnie poddaje ją obróbce w różnych temperaturach i przez różne czasy starzenia, aby zbadać wpływ systemu starzenia na pękanie nitów i ostatecznie potwierdzić optymalny system starzenia. Mikroskop o dużej mocy obserwowano w celu obserwacji mikrostruktury materiału w różnych temperaturach wytłaczania. Do badania właściwości mechanicznych wykorzystano sterowaną mikrokomputerem elektroniczną uniwersalną maszynę wytrzymałościową MTS-SANS serii CMT5000, a mikroskop o małej mocy obserwowano połączenia nitowane w różnych stanach po nitowaniu.
2Wyniki eksperymentów i dyskusja
2.1 Wpływ temperatury wytłaczania i stanu starzenia na pękanie nitów
Próbki pobierano wzdłuż przekroju poprzecznego wytłaczanego profilu. Po szlifowaniu zgrubnym, dokładnym 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 przewidywanym miejscu 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 mniejsza energia odkształcenia generowana przez tarcie między stopem a matrycą (zwłaszcza pasem roboczym matrycy) i tym mniejsza siła napędowa rekrystalizacji. W związku z tym, powierzchnia warstwy gruboziarnistej jest płytsza; im niższa temperatura wytłaczania, tym większy opór odkształcenia, tym większa energia odkształcenia, tym łatwiejsza rekrystalizacja i tym głębsza warstwa gruboziarnista. W przypadku stopu 6082 mechanizm rekrystalizacji gruboziarnistej to rekrystalizacja wtórna.
(a) Model 1
(b) Model 2
(c) Model 3
Rysunek 1 Grubość warstwy gruboziarnistej profili wytłaczanych w różnych procesach
Próbki 1–3 przygotowane w różnych temperaturach wytłaczania poddano starzeniu odpowiednio w temperaturze 180°C/6 h i 190°C/6 h. Właściwości mechaniczne próbki 2 po dwóch procesach starzenia przedstawiono w tabeli 2. W obu systemach starzenia granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie próbki w temperaturze 180°C/6 h są znacznie wyższe niż w temperaturze 190°C/6 h, podczas gdy wydłużenie obu próbek nie różni się znacząco, co wskazuje, że 190°C/6 h to proces starzenia przestarzeniowego. Ponieważ właściwości mechaniczne stopu aluminium serii 6 ulegają znacznym wahaniom wraz ze zmianą procesu starzenia w stanie niedostarzonym, nie sprzyja to stabilności procesu produkcji profili i kontroli jakości nitowania. Dlatego też nie jest wskazane stosowanie stanu niedostarzonego do produkcji profili korpusowych.
Tabela 2 Właściwości mechaniczne próbki nr 2 w dwóch systemach starzenia
Wygląd próbki 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, nierówności powierzchni stają się większe, 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 w pewnym stopniu stłumione, co było widoczne tylko pod mikroskopem, jak pokazano na rysunku 2b. Gdy próbka nr 3 znajdowała się w stanie przestarzania, pod powiększeniem mikroskopowym nie zaobserwowano żadnych pęknięć, jak pokazano na rysunku 2c.
(a) Pęknięcia widoczne gołym okiem
(b) Niewielkie 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 „×”), drobne 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, odporność na pękanie nitów próbki o wyższej temperaturze wytłaczania i cieńszej warstwie gruboziarnistej jest lepsza niż próbki o głębszej warstwie gruboziarnistej; gdy warstwa gruboziarnista jest stała, odporność na pękanie nitów w stanie przestarzania jest lepsza niż w stanie szczytowego starzenia.
Tabela 3 Wygląd nitów próbek 1 do 3 w dwóch układach procesowych
Zbadano wpływ morfologii ziaren i stanu starzenia na pękanie profili pod wpływem ściskania osiowego. Stan naprężeń materiału podczas ściskania osiowego był zgodny z tym występującym podczas nitowania samoprzebijającego. Badania wykazały, że pęknięcia powstały na granicach ziaren, a mechanizm pękania stopu Al-Mg-Si wyjaśniono 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 poślizgu wewnątrzkrystalicznego; Φ to współczynnik koncentracji naprężeń, który jest powiązany z wielkością ziarna d i szerokością poślizgu p.
W porównaniu z rekrystalizacją, włóknista struktura ziaren sprzyja hamowaniu pękania. Głównym powodem jest znaczne zmniejszenie wielkości ziarna d dzięki rozdrobnieniu ziarna, co może skutecznie zmniejszyć współczynnik koncentracji naprężeń Φ na granicy ziaren, tym samym hamując pękanie. W porównaniu ze strukturą włóknistą, współczynnik koncentracji naprężeń Φ rekrystalizowanego stopu o grubych ziarnach jest około 10 razy wyższy niż w przypadku struktury włóknistej.
W porównaniu ze starzeniem szczytowym, stan przestarzenia bardziej sprzyja hamowaniu pęknięć, co jest determinowane przez różne stany faz wydzieleniowych wewnątrz stopu. Podczas starzenia szczytowego w stopie 6082 wytrącają się fazy β (Mg5Si6) o średnicy 20–50 nm, charakteryzujące się dużą liczbą wydzieleń i małymi rozmiarami; podczas przestarzenia stopu liczba wydzieleń w stopie maleje, a ich rozmiar staje się większy. Wydzielenia powstające podczas procesu starzenia mogą skutecznie hamować ruch dyslokacji wewnątrz stopu. Siła, z jaką zatrzymują one dyslokacje, jest związana z rozmiarem i ułamkiem objętościowym fazy wydzieleniowej. Wzór empiryczny jest następujący:
f to ułamek objętości fazy wydzieleniowej; r to rozmiar fazy; σa to energia międzyfazowa między fazą a osnową. Wzór pokazuje, że im większy rozmiar fazy wydzieleniowej i mniejszy ułamek objętości, tym mniejsza siła blokująca dyslokacje, tym łatwiej jest rozpocząć powstawanie dyslokacji w stopie, a σa0 w stopie będzie maleć od stanu szczytowego starzenia do stanu przestarzania. Nawet jeśli σa0 maleje, gdy stop przechodzi od stanu szczytowego starzenia do stanu przestarzania, wartość σapp w momencie pękania stopu maleje bardziej, co powoduje znaczny spadek naprężenia efektywnego na granicy ziaren (σapp-σa0). Naprężenie efektywne na granicy ziaren w stanie przestarzania wynosi około 1/5 naprężenia w stanie szczytowym starzenia, co oznacza, że jest mniejsze prawdopodobieństwo pęknięcia na granicy ziaren w stanie przestarzania, co przekłada się na lepsze właściwości 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, biorąc pod uwagę skład stopu, strukturę matrycy i proces wytłaczania, zbyt wysoka temperatura wytłaczania z jednej strony zwiększy stopień zgięcia i skręcenia profilu podczas późniejszego hartowania, co spowoduje, że tolerancja wymiarowa profilu nie będzie spełniać wymagań, a z drugiej strony doprowadzi do łatwego przepalenia stopu podczas procesu wytłaczania, zwiększając ryzyko złomu materiału. Biorąc pod uwagę stan nitowania, proces produkcji, okno procesu produkcyjnego i inne czynniki, najbardziej odpowiednia temperatura wytłaczania dla tego stopu wynosi co najmniej 485°C, tj. dla próbki nr 2. Aby potwierdzić optymalny system starzenia, proces starzenia zoptymalizowano na podstawie próbki nr 2.
Właściwości mechaniczne próbki nr 2 po różnym czasie starzenia w temperaturze 180°C, 185°C i 190°C przedstawiono na rysunku 3. Są to granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie. Jak pokazano na rysunku 3a, poniżej 180°C czas starzenia wydłuża się z 6 do 12 godzin, a granica plastyczności materiału nie maleje znacząco. Poniżej 185°C, 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. Poniżej 190°C, 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, mieści się w przedziale od 14% do 17%, bez wyraźnego wzorca zmian. W tym eksperymencie testowano od etapu starzenia szczytowego do etapu przestarzenia, a ze względu na niewielkie różnice eksperymentalne, błąd testu powoduje, że wzorzec 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 akceptowalny, ale niestabilny. W warunkach 185 ℃, po starzeniu przez 7 godzin, wygląd połączenia nitowego nie ma pęknięć, a stan jest względnie stabilny. W warunkach 190 ℃ wygląd połączenia nitowego nie ma pęknięć, a stan jest stabilny. Z wyników testu nitowania można wywnioskować, 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 profili i wzrostu kosztów. W warunkach 190 ℃ wszystkie próbki mogą spełnić 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 wytrzymałości materiału. Jednocześnie, jeśli wytrzymałość materiału jest zbyt niska, resztkowa grubość dolnej płyty połączenia nitowanego będzie zbyt mała. Po starzeniu w temperaturze 190°C/8 h, charakterystyki przekroju poprzecznego nitów pokazują, że grubość resztkowa wynosi 0,26 mm, co nie spełnia wymogu wskaźnika ≥0,3 mm, jak pokazano na rysunku 4a. Biorąc pod uwagę kompleksowo, optymalna temperatura starzenia wynosi 185°C. 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, aby optymalny czas starzenia wynosił 8 h. Charakterystyki przekroju poprzecznego w ramach tego systemu procesowego pokazano na rysunku 4b, który spełnia wymagania dotyczące wskaźnika zazębienia. Lewe i prawe zazębienie mają 0,90 mm i 0,75 mm, co spełnia wymagania dotyczące wskaźnika ≥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 jest warstwa gruboziarnista po wytłaczaniu. Mniejsza grubość warstwy gruboziarnistej może skutecznie zmniejszyć współczynnik koncentracji naprężeń na granicy ziaren, zapobiegając w ten sposób pękaniu nitów. Badania eksperymentalne wykazały, że optymalna temperatura wytłaczania nie jest niższa niż 485°C.
Przy takiej samej grubości warstwy gruboziarnistej profilu ze stopu aluminium 6082, efektywne naprężenie granicy ziaren stopu w stanie przestarzania jest mniejsze niż w stanie szczytowego starzenia, ryzyko pęknięć podczas nitowania jest mniejsze, a właściwości nitowania stopu są lepsze. Biorąc pod uwagę trzy czynniki: stabilność nitowania, współczynnik zazębienia połączeń nitowanych, wydajność obróbki cieplnej oraz korzyści ekonomiczne, optymalny system starzenia dla stopu określono na 185°C/8h.
Czas publikacji: 05-04-2025
