Kako zemlje širom svijeta pridaju veliki značaj uštedi energije i smanjenju emisija, razvoj čisto električnih vozila na novu energiju postao je trend. Pored performansi baterije, kvalitet karoserije je također ključni faktor koji utiče na domet vozila na novu energiju. Promocija razvoja laganih struktura karoserije automobila i visokokvalitetnih veza može poboljšati sveobuhvatan domet vožnje električnih vozila smanjenjem težine cijelog vozila koliko god je to moguće, uz osiguranje čvrstoće i sigurnosnih performansi vozila. Kada je u pitanju smanjenje 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 vazduhoplovnoj industriji zbog svoje apsolutne prednosti u spajanju lakih legura i kompozitnih materijala. Posljednjih godina, kineski domaći naučnici proveli su relevantna istraživanja o tehnologiji samoprobijajućeg zakivanja i proučavali utjecaj različitih metoda termičke obrade na performanse TA1 industrijskih samoprobijajućih zakovičnih spojeva od čistog titana. Utvrđeno je da metode termičke obrade žarenjem i kaljenjem poboljšavaju statičku čvrstoću TA1 industrijskih samoprobijajućih zakovičnih spojeva od čistog titana. Mehanizam formiranja spoja promatran je i analiziran s gledišta protoka materijala, a na osnovu toga je procijenjen kvalitet spoja. Metalografskim ispitivanjima utvrđeno je da je veliko područje plastične deformacije rafinirano u vlaknastu strukturu s određenom tendencijom, što je doprinijelo poboljšanju napona tečenja i čvrstoće na zamor spoja.
Gore navedeno istraživanje se uglavnom fokusira na mehanička svojstva spojeva nakon zakivanja ploča od aluminijumske legure. U stvarnoj proizvodnji karoserija automobila zakivanjem, pukotine zakivanih spojeva ekstrudiranih profila od aluminijumske legure, posebno visokočvrstih aluminijumskih legura sa visokim sadržajem legirajućih elemenata, kao što je aluminijumska legura 6082, ključni su faktori koji ograničavaju primjenu ovog procesa na karoseriji automobila. Istovremeno, tolerancije oblika i položaja ekstrudiranih profila korištenih na karoseriji automobila, kao što su savijanje i uvijanje, direktno utiču na montažu i upotrebu profila, a također određuju i dimenzionalnu tačnost naknadne karoserije automobila. Kako bi se kontrolisalo savijanje i uvijanje profila i osigurala dimenzionalna tačnost profila, pored strukture kalupa, najvažniji faktori uticaja su izlazna temperatura profila i brzina kaljenja na mreži. Što je veća izlazna temperatura i veća brzina kaljenja, to je veći stepen savijanja i uvijanja profila. Za profile od aluminijumske legure za karoserije automobila, potrebno je osigurati dimenzionalnu tačnost profila i osigurati da zakivanje legure ne puca. Najjednostavniji način za optimizaciju dimenzionalne tačnosti i performansi pucanja legure prilikom zakivanja jeste kontrola pucanja optimizacijom temperature zagrijavanja i procesa starenja ekstrudiranih šipki, uz održavanje nepromijenjenog sastava materijala, strukture matrice, brzine ekstruzije i brzine kaljenja. Za aluminijumsku leguru 6082, pod pretpostavkom da ostali uslovi 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 utjecaj temperature ekstruzije i stanja starenja na ispitivanje zakivanje putem ispitivanja zakivanje. Na osnovu preliminarnih rezultata, optimalni proces starenja je dalje 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 Tabeli 1, aluminijska legura 6082 je rastopljena i pripremljena u okrugli ingot polukontinuiranim livenjem. Zatim, nakon termičke obrade homogenizacijom, ingot je 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 ℃.
Tabela 1 Izmjereni hemijski sastav ispitivane legure (maseni udio/%)
Pod uslovom da ostali parametri procesa, kao što su sastav materijala, struktura matrice, brzina ekstruzije i brzina kaljenja, ostanu nepromijenjeni, gore navedeni uzorci od br. 1 do 3, dobijeni podešavanjem temperature zagrijavanja ekstruzijom, stare u kutijastoj peći otpornog tipa, a sistem starenja je 180 ℃/6 h i 190 ℃/6 h. Nakon izolacije, hlade se na zraku, a zatim zakivaju kako bi se procijenio utjecaj različitih temperatura ekstruzije i stanja starenja na ispitivanje zakivanja. Ispitivanje zakivanja koristi leguru 6082 debljine 2,5 mm s različitim temperaturama ekstruzije i različitim sistemima starenja kao donju ploču, i leguru 5754-O debljine 1,4 mm kao gornju ploču za SPR ispitivanje zakivanja. Matrica za zakivanje je M260238, a zakivak je C5.3×6.0 H0. Pored toga, kako bi se dalje odredio optimalni proces starenja, u skladu s utjecajem temperature ekstruzije i stanja starenja na pucanje pri zakivanju, odabire se ploča na optimalnoj temperaturi ekstruzije, a zatim se tretira različitim temperaturama i različitim vremenima starenja kako bi se proučio utjecaj sistema starenja na pucanje pri zakivanju, te konačno potvrdio optimalni sistem starenja. Za posmatranje mikrostrukture materijala na različitim temperaturama ekstruzije korišten je mikroskop velike snage, za ispitivanje mehaničkih svojstava korištena je univerzalna elektronska ispitna mašina kontrolirana mikroračunarom serije MTS-SANS CMT5000, a mikroskop male snage korišten je za posmatranje zakovljenih spojeva nakon zakivanja u različitim stanjima.
2 Eksperimentalni rezultati i diskusija
2.1 Utjecaj temperature ekstruzije i stanja starenja na pucanje pri zakivanju
Uzorkovanje je uzeto duž poprečnog presjeka ekstrudiranog profila. Nakon grubog brušenja, finog brušenja i poliranja brusnim papirom, uzorak je korodiran sa 10% NaOH tokom 8 minuta, a crni produkt korozije je obrisan azotnom kiselinom. Sloj grubih zrna uzorka je posmatran mikroskopom visokog 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, manje je skladištenje energije deformacije generirano 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, veće je skladištenje energije deformacije, lakše je rekristalizacija i dublji je 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 su ostarjeli na 180 ℃/6 h i 190 ℃/6 h, respektivno. Mehanička svojstva uzorka 2 nakon dva procesa starenja prikazana su u Tabeli 2. Pod dva sistema starenja, granica tečenja i zatezna čvrstoća uzorka na 180 ℃/6 h su znatno veće od onih na 190 ℃/6 h, dok se izduženje ta dva sistema ne razlikuje mnogo, što ukazuje na to da je 190 ℃/6 h tretman predugog starenja. Budući da mehanička svojstva aluminijumske legure serije 6 uveliko fluktuiraju s promjenom procesa starenja u stanju predugog starenja, to ne doprinosi stabilnosti procesa proizvodnje profila i kontroli kvaliteta zakivanja. Stoga nije prikladno koristiti stanje predugog starenja za proizvodnju profila tijela.
Tabela 2 Mehanička svojstva uzorka br. 2 pod dva sistema starenja
Izgled ispitnog uzorka nakon zakivanja prikazan je na Slici 2. Kada je uzorak br. 1 s dubljim grubozrnatim slojem zakovan u stanju vršnog starenja, donja površina zakovice imala je očiglednu "narandžinu koru" i pukotine vidljive golim okom, kao što je prikazano na Slici 2a. Zbog nedosljedne orijentacije unutar zrna, stepen deformacije će biti neravnomjeran tokom deformacije, formirajući neravnu površinu. Kada su zrna gruba, neravnine površine postaju veće, formirajući fenomen "narandžine kore" vidljiv golim okom. Kada je uzorak br. 3 s plićim grubozrnatim slojem, pripremljenim povećanjem temperature ekstruzije, zakovan u stanju vršnog starenja, donja površina zakovice bila je relativno glatka, a pucanje je do određene mjere potisnuto, što je bilo vidljivo samo pod uvećanjem mikroskopa, kao što je prikazano na Slici 2b. Kada je uzorak br. 3 bio u stanju prekomjernog starenja, nije uočeno pucanje pod uvećanjem 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 stepeni pucanja nakon zakivanja
Površina nakon zakivanja je uglavnom u tri stanja, i to: pukotine vidljive golim okom (označene sa "×"), male pukotine vidljive pod uvećanjem mikroskopa (označene sa "△") i bez pukotina (označene sa "○"). Rezultati morfologije zakivanja gore navedenih uzoraka u tri stanja pod dva sistema starenja prikazani su u Tabeli 3. Može se vidjeti da su, kada je proces starenja konstantan, performanse pucanja zakivanjem uzorka s višom temperaturom ekstruzije i tanjim slojem grubih zrna bolje od uzorka s dubljim slojem grubih zrna; kada je sloj grubih zrna konstantan, performanse pucanja zakivanjem u stanju prekomjernog starenja su bolje od onih u stanju vršnog starenja.
Tabela 3 Izgled zakivača uzoraka 1 do 3 pod dva procesna sistema
Proučavani su uticaji morfologije zrna i stanja starenja na ponašanje aksijalnog pucanja profila pri kompresiji. Stanje napona materijala tokom aksijalnog pritiska bilo je u skladu sa stanjem kod samoprobijajućeg zakovica. Studija je otkrila da pukotine potiču od granica zrna, a mehanizam pucanja legure Al-Mg-Si objašnjen je formulom.
σapp je napon primijenjen na kristal. Prilikom pucanja, σapp je jednak stvarnoj vrijednosti napona koja odgovara zateznoj čvrstoći; σa0 je otpor precipitata tokom intrakristalnog klizanja; Φ je koeficijent koncentracije napona, koji je povezan s veličinom zrna d i širinom klizanja p.
U poređenju sa rekristalizacijom, vlaknasta struktura zrna je pogodnija za inhibiciju pucanja. Glavni razlog je taj što je veličina zrna d značajno smanjena zbog profinjenja zrna, što može efikasno smanjiti faktor koncentracije napona Φ na granici zrna, čime se inhibira pucanje. U poređenju sa vlaknastom strukturom, faktor koncentracije napona Φ rekristalizovane legure sa grubim zrnima je oko 10 puta veći od prethodnog.
U poređenju sa vršnim starenjem, stanje prekomjernog starenja je pogodnije za inhibiciju pucanja, što je određeno različitim stanjima faze taloženja unutar legure. Tokom vršnog starenja, faze 'β (Mg5Si6) od 20-50 nm se talože u leguri 6082, sa 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 tokom procesa starenja mogu efikasno inhibirati kretanje dislokacija unutar legure. Njegova sila zapinjanja na dislokacije povezana je sa veličinom i zapreminskim udjelom faze taloga. Empirijska formula je:
f je volumenski udio taložne faze; r je veličina faze; σa je energija međupovršine između faze i matrice. Formula pokazuje da što je veća veličina taložne faze i manji volumenski udio, to je manja njena sila vezivanja na dislokacije, lakše je da se dislokacije u leguri pokrenu, a σa0 u leguri će se smanjivati od vršnog starenja do stanja prekomjernog starenja. Čak i ako se σa0 smanji, kada legura pređe iz vršnog starenja u stanje prekomjernog starenja, vrijednost σapp u trenutku pucanja legure se još više smanjuje, što rezultira značajnim smanjenjem efektivnog napona na granici zrna (σapp-σa0). Efektivni napon na granici zrna prekomjernog starenja je oko 1/5 onog pri vršnom starenju, odnosno manja je vjerovatnoća pucanja na granici zrna u stanju prekomjernog starenja, što rezultira boljim performansama zakivanja legure.
2.2 Optimizacija temperature ekstruzije i sistema procesa starenja
Prema gore navedenim rezultatima, povećanje temperature ekstruzije može smanjiti dubinu grubozrnatog sloja, čime se sprječava pucanje materijala tokom procesa zakivanja. Međutim, pod pretpostavkom određenog sastava legure, strukture ekstruzijskog alata i procesa ekstruzije, ako je temperatura ekstruzije previsoka, s jedne strane, stepen savijanja i uvijanja profila će se pogoršati tokom naknadnog procesa kaljenja, što će dovesti do toga da tolerancija veličine profila ne ispunjava zahtjeve, a s druge strane, to će uzrokovati da legura lako pregori tokom procesa ekstruzije, povećavajući rizik od kidanja materijala. Uzimajući u obzir stanje zakivanja, proces veličine profila, proizvodni proces i druge faktore, prikladnija temperatura ekstruzije za ovu leguru je najmanje 485 ℃, odnosno uzorak br. 2. Kako bi se potvrdio optimalni sistem procesa starenja, proces starenja je optimizovan na osnovu 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 tečenja, zatezna čvrstoća i izduženje. Kao što je prikazano na Slici 3a, ispod 180 ℃, vrijeme starenja se povećava sa 6 sati na 12 sati, a granica tečenja materijala se ne smanjuje značajno. Ispod 185 ℃, kako se vrijeme starenja povećava sa 4 sata na 12 sati, granica tečenja se prvo povećava, a zatim smanjuje, a vrijeme starenja koje odgovara najvišoj vrijednosti čvrstoće je 5-6 sati. Ispod 190 ℃, kako se vrijeme starenja povećava, granica tečenja postepeno se smanjuje. Sveukupno, na tri temperature starenja, što je niža temperatura starenja, to je veća vršna čvrstoća materijala. Karakteristike zatezne čvrstoće na Slici 3b su u skladu s granicom tečenja na Slici 3a. Izduženje na različitim temperaturama starenja prikazano na slici 3c iznosi između 14% i 17%, bez očiglednog obrasca promjene. Ovaj eksperiment testira vršno starenje do faze prekomjernog starenja, a zbog malih eksperimentalnih razlika, greška testa uzrokuje nejasan obrazac promjene.
Sl.3 Mehanička svojstva materijala na različitim temperaturama i vremenima starenja
Nakon gore navedenog tretmana starenja, pucanje zakovljenih spojeva je sažeto u Tabeli 4. Iz Tabele 4 se može vidjeti da se s povećanjem vremena pucanje zakovljenih spojeva do određene mjere smanjuje. Pod uslovima od 180 ℃, kada vrijeme starenja prelazi 10 sati, izgled zakovljenog spoja je u prihvatljivom stanju, ali nestabilan. Pod uslovima od 185 ℃, nakon starenja od 7 sati, izgled zakovljenog spoja nema pukotina i stanje je relativno stabilno. Pod uslovima od 190 ℃, izgled zakovljenog 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 (OEM). Kako bi se osigurala stabilnost zakovljenog spoja, vrijeme starenja treba dodatno produžiti, ali provjera vremena starenja dovest će do smanjene efikasnosti proizvodnje profila i povećanja troškova. Pod uslovom od 190 ℃, svi uzorci mogu ispuniti zahtjeve za pucanje od zakovica, ali je čvrstoća materijala značajno smanjena. Prema zahtjevima dizajna vozila, granica tečenja legure 6082 mora biti zagarantovana na više od 270 MPa. Stoga, temperatura starenja od 190 ℃ ne ispunjava zahtjeve čvrstoće materijala. Istovremeno, ako je čvrstoća materijala preniska, preostala debljina donje ploče zakovljenog spoja bit će premala. Nakon starenja na 190 ℃/8 sati, karakteristike poprečnog presjeka zakovice pokazuju da je preostala debljina 0,26 mm, što ne ispunjava zahtjev indeksa od ≥0,3 mm, kao što je prikazano na slici 4a. Sveobuhvatno gledano, optimalna temperatura starenja je 185 ℃. Nakon starenja od 7 sati, materijal može stabilno ispuniti zahtjeve zakivanja, a čvrstoća ispunjava 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 sistemu prikazane su na slici 4b, što ispunjava zahtjeve indeksa međusobnog spajanja. Lijevo i desno međusobno spajanje su 0,90 mm i 0,75 mm, što ispunjava zahtjeve indeksa od ≥0,4 mm, a donja preostala debljina je 0,38 mm.
Tabela 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 efikasno smanjiti faktor koncentracije napona na granici zrna, čime se sprječava pucanje usljed zakivanja. Eksperimentalna istraživanja su utvrdila da optimalna temperatura ekstruzije nije niža od 485 ℃.
Kada je debljina grubozrnatog sloja profila aluminijske legure 6082 ista, efektivni napon granice zrna legure u stanju prekomjernog starenja je manji nego u stanju vršnog starenja, rizik od pucanja tokom zakivanja je manji, a performanse zakivanja legure su bolje. Uzimajući u obzir tri faktora: stabilnost zakivanja, vrijednost međusobnog spajanja zakovicama, efikasnost termičke obrade i ekonomske koristi, optimalni sistem starenja za leguru utvrđen je na 185℃/8h.
Vrijeme objave: 05.04.2025.
