Поскольку страны по всему миру придают большое значение энергосбережению и сокращению выбросов, разработка чисто электрических транспортных средств на новой энергии стала тенденцией. Помимо производительности аккумулятора, качество кузова также является решающим фактором, влияющим на дальность хода новых энергетических транспортных средств. Содействие разработке легких конструкций кузова автомобиля и высококачественных соединений может улучшить всеобъемлющую дальность хода электромобилей за счет максимального снижения веса всего транспортного средства при обеспечении прочности и безопасности транспортного средства. С точки зрения облегчения веса автомобилей, гибридный кузов из стали и алюминия учитывает как прочность, так и снижение веса кузова, становясь важным средством для достижения облегчения кузова.
Традиционный метод соединения для соединения алюминиевых сплавов имеет плохие характеристики соединения и низкую надежность. Самопроникающая заклепка, как новая технология соединения, широко используется в автомобильной промышленности и аэрокосмической промышленности из-за ее абсолютного преимущества при соединении легких сплавов и композитных материалов. В последние годы китайские ученые провели соответствующие исследования по технологии самопроникающей заклепки и изучили влияние различных методов термической обработки на характеристики промышленных самопроникающих заклепочных соединений из чистого титана TA1. Было обнаружено, что методы отжига и закалки улучшают статическую прочность промышленных самопроникающих заклепочных соединений из чистого титана TA1. Механизм формирования соединения наблюдался и анализировался с точки зрения течения материала, и на основе этого оценивалось качество соединения. С помощью металлографических испытаний было обнаружено, что большая область пластической деформации была преобразована в волокнистую структуру с определенной тенденцией, что способствовало улучшению предела текучести и усталостной прочности соединения.
Вышеуказанные исследования в основном сосредоточены на механических свойствах соединений после клепки пластин из алюминиевого сплава. В реальном клепальном производстве кузовов автомобилей трещины заклепочных соединений экструдированных профилей из алюминиевого сплава, особенно высокопрочных алюминиевых сплавов с высоким содержанием легирующих элементов, таких как алюминиевый сплав 6082, являются ключевыми факторами, ограничивающими применение этого процесса на кузове автомобиля. В то же время допуски формы и положения экструдированных профилей, используемых на кузове автомобиля, такие как изгиб и скручивание, напрямую влияют на сборку и использование профилей, а также определяют размерную точность последующего кузова автомобиля. Для того чтобы контролировать изгиб и скручивание профилей и обеспечить размерную точность профилей, в дополнение к структуре матрицы, выходная температура профилей и скорость закалки в режиме онлайн являются наиболее важными влияющими факторами. Чем выше выходная температура и выше скорость закалки, тем больше степень изгиба и скручивания профилей. Для профилей из алюминиевого сплава для кузовов автомобилей необходимо обеспечить размерную точность профилей и убедиться, что заклепки из сплава не растрескиваются. Самый простой способ оптимизировать размерную точность и характеристики растрескивания заклепок сплава — контролировать растрескивание путем оптимизации температуры нагрева и процесса старения экструдированных стержней, сохраняя при этом неизменными состав материала, структуру матрицы, скорость экструзии и скорость закалки. Для алюминиевого сплава 6082, при условии, что другие условия процесса остаются неизменными, чем выше температура экструзии, тем мельче крупнозернистый слой, но тем больше деформация профиля после закалки.
В этой статье рассматривается алюминиевый сплав 6082 с тем же составом, что и объект исследования, используются различные температуры экструзии и различные процессы старения для подготовки образцов в различных состояниях, а также оценивается влияние температуры экструзии и состояния старения на испытание на клепку посредством испытаний на клепку. На основе предварительных результатов далее определяется оптимальный процесс старения, чтобы предоставить руководство для последующего производства профилей экструзии корпуса из алюминиевого сплава 6082.
1 Экспериментальные материалы и методы
Как показано в Таблице 1, алюминиевый сплав 6082 был расплавлен и подготовлен в виде круглого слитка методом полунепрерывного литья. Затем, после гомогенизационной термической обработки, слиток был нагрет до различных температур и выдавлен в профиль на экструдере 2200 т. Толщина стенки профиля составляла 2,5 мм, температура цилиндра экструзии составляла 440±10 ℃, температура фильеры экструзии составляла 470±10 ℃, скорость экструзии составляла 2,3±0,2 мм/с, а метод закалки профиля представлял собой охлаждение сильным воздухом. В зависимости от температуры нагрева образцы были пронумерованы от 1 до 3, среди которых образец 1 имел самую низкую температуру нагрева, а соответствующая температура заготовки составила 470±5 ℃, соответствующая температура заготовки образца 2 составила 485±5 ℃, а температура образца 3 была самой высокой, а соответствующая температура заготовки составила 500±5 ℃.
Таблица 1 Измеренный химический состав испытуемого сплава (массовая доля/%)
При условии, что другие параметры процесса, такие как состав материала, структура матрицы, скорость экструзии, скорость закалки остаются неизменными, указанные выше образцы № 1–3, полученные путем регулировки температуры нагрева экструзии, выдерживаются в муфельной печи сопротивления, а система старения составляет 180 ℃/6 ч и 190 ℃/6 ч. После изоляции их охлаждают на воздухе, а затем клепают для оценки влияния различных температур экструзии и состояний старения на испытание на клепку. В испытании на клепку в качестве нижней пластины используется сплав 6082 толщиной 2,5 мм с различными температурами экструзии и различными системами старения, а в качестве верхней пластины для испытания на клепку SPR используется сплав 5754-O толщиной 1,4 мм. Клепальная матрица — M260238, а заклепка — C5.3×6.0 H0. Кроме того, для дальнейшего определения оптимального процесса старения, в соответствии с влиянием температуры экструзии и состояния старения на растрескивание заклепок, выбирается пластина при оптимальной температуре экструзии, а затем обрабатывается при разных температурах и разном времени старения для изучения влияния системы старения на растрескивание заклепок, чтобы окончательно подтвердить оптимальную систему старения. Для наблюдения за микроструктурой материала при разных температурах экструзии использовался мощный микроскоп, для проверки механических свойств использовалась электронная универсальная испытательная машина с микрокомпьютерным управлением серии MTS-SANS CMT5000, а для наблюдения за заклепочными соединениями после клепки в разных состояниях использовался маломощный микроскоп.
2Экспериментальные результаты и обсуждение
2.1 Влияние температуры экструзии и состояния старения на растрескивание заклепок
Отбор проб производился вдоль поперечного сечения экструдированного профиля. После грубой шлифовки, тонкой шлифовки и полировки наждачной бумагой образец подвергался коррозии с помощью 10% NaOH в течение 8 минут, а черный продукт коррозии был очищен азотной кислотой. Крупнозернистый слой образца наблюдался с помощью мощного микроскопа, который находился на поверхности снаружи заклепочной пряжки в предполагаемом месте заклепывания, как показано на рисунке 1. Средняя глубина крупнозернистого слоя образца № 1 составляла 352 мкм, средняя глубина крупнозернистого слоя образца № 2 составляла 135 мкм, а средняя глубина крупнозернистого слоя образца № 3 составляла 31 мкм. Разница в глубине крупнозернистого слоя в основном обусловлена различными температурами экструзии. Чем выше температура экструзии, тем ниже сопротивление деформации сплава 6082, тем меньше запас энергии деформации, создаваемый трением между сплавом и экструзионной головкой (особенно рабочим поясом головки), и тем меньше движущая сила рекристаллизации. Поэтому поверхностный крупнозернистый слой мельче; чем ниже температура экструзии, тем больше сопротивление деформации, тем больше запас энергии деформации, тем легче рекристаллизоваться и тем глубже крупнозернистый слой. Для сплава 6082 механизм крупнозернистой рекристаллизации — вторичная рекристаллизация.
(а) Модель 1
(б) Модель 2
(с) Модель 3
Рисунок 1. Толщина крупнозернистого слоя экструдированных профилей, полученных различными способами
Образцы 1–3, приготовленные при различных температурах экструзии, были состарены при 180 ℃/6 ч и 190 ℃/6 ч соответственно. Механические свойства образца 2 после двух процессов старения показаны в таблице 2. При двух системах старения предел текучести и предел прочности на растяжение образца при 180 ℃/6 ч значительно выше, чем при 190 ℃/6 ч, в то время как удлинение двух образцов не сильно отличается, что указывает на то, что 190 ℃/6 ч является обработкой перестаривания. Поскольку механические свойства алюминиевого сплава 6 серии сильно колеблются с изменением процесса старения в состоянии недостарения, это не способствует стабильности процесса производства профилей и контролю качества клепки. Поэтому не подходит использовать состояние недостарения для производства профилей кузова.
Таблица 2 Механические свойства образца № 2 при двух системах старения
Внешний вид испытательного образца после клепки показан на рисунке 2. Когда образец № 1 с более глубоким крупнозернистым слоем был заклепан в состоянии пикового старения, нижняя поверхность заклепки имела очевидную апельсиновую корку и трещины, видимые невооруженным глазом, как показано на рисунке 2а. Из-за непоследовательной ориентации внутри зерен степень деформации будет неравномерной во время деформации, образуя неровную поверхность. Когда зерна крупные, неровность поверхности становится больше, образуя явление апельсиновой корки, видимое невооруженным глазом. Когда образец № 3 с более мелким крупнозернистым слоем, полученным путем повышения температуры экструзии, был заклепан в состоянии пикового старения, нижняя поверхность заклепки была относительно гладкой, и растрескивание было подавлено в определенной степени, что было видно только при увеличении микроскопа, как показано на рисунке 2б. Когда образец № 3 находился в состоянии перестаривания, при увеличении микроскопа не наблюдалось трещин, как показано на рисунке 2с.
(а) Трещины, видимые невооруженным глазом
(б) Небольшие трещины, видимые под микроскопом
(c) Трещин нет
Рисунок 2. Различные степени трещинообразования после клепки
Поверхность после клепки в основном находится в трех состояниях, а именно, трещины, видимые невооруженным глазом (отмечены «×»), небольшие трещины, видимые под микроскопом (отмечены «△»), и отсутствие трещин (отмечены «○»). Результаты морфологии клепки трех вышеуказанных образцов в двух системах старения показаны в таблице 3. Видно, что при постоянном процессе старения характеристики клепки по растрескиванию образца с более высокой температурой экструзии и более тонким слоем грубого зерна лучше, чем у образца с более глубоким слоем грубого зерна; при постоянном слое грубого зерна характеристики клепки по растрескиванию в состоянии перестаривания лучше, чем в состоянии пикового старения.
Таблица 3 Внешний вид заклепок образцов 1–3 при двух технологических системах
Изучено влияние морфологии зерен и состояния старения на поведение профилей при осевом сжатии. Напряженное состояние материала при осевом сжатии соответствовало напряженному состоянию при самопроникающей заклепке. Исследование показало, что трещины возникают на границах зерен, а механизм растрескивания сплава Al-Mg-Si был объяснен формулой.
σapp — напряжение, приложенное к кристаллу. При растрескивании σapp равно истинному значению напряжения, соответствующему пределу прочности; σa0 — сопротивление выделений при внутрикристаллическом скольжении; Φ — коэффициент концентрации напряжений, связанный с размером зерна d и шириной скольжения p.
По сравнению с рекристаллизацией, волокнистая структура зерна более благоприятствует ингибированию трещин. Основная причина заключается в том, что размер зерна d значительно уменьшается из-за измельчения зерна, что может эффективно снизить коэффициент концентрации напряжений Φ на границе зерна, тем самым ингибируя трещинообразование. По сравнению с волокнистой структурой, коэффициент концентрации напряжений Φ рекристаллизованного сплава с крупным зерном примерно в 10 раз больше, чем у первого.
По сравнению с пиковым старением состояние перестаривания более благоприятствует ингибированию растрескивания, что определяется различными состояниями фазы преципитации внутри сплава. Во время пикового старения в сплаве 6082 выделяются фазы 'β (Mg5Si6) размером 20-50 нм с большим количеством преципитатов и малыми размерами; когда сплав находится в состоянии перестаривания, количество преципитатов в сплаве уменьшается, а размер становится больше. Преципитаты, образующиеся в процессе старения, могут эффективно ингибировать движение дислокаций внутри сплава. Его сила закрепления на дислокациях связана с размером и объемной долей фазы преципитата. Эмпирическая формула имеет вид:
f — объемная доля фазы преципитата; r — размер фазы; σa — энергия интерфейса между фазой и матрицей. Формула показывает, что чем больше размер фазы преципитата и чем меньше объемная доля, тем меньше ее сила закрепления на дислокациях, тем легче дислокациям в сплаве начаться, и σa0 в сплаве будет уменьшаться от пикового старения до состояния перестаривания. Даже если σa0 уменьшается, когда сплав переходит от пикового старения к состоянию перестаривания, значение σapp во время растрескивания сплава уменьшается больше, что приводит к значительному снижению эффективного напряжения на границе зерна (σapp-σa0). Эффективное напряжение на границе зерна перестаривания составляет около 1/5 от такового при пиковом старении, то есть вероятность трещины на границе зерна в состоянии перестаривания меньше, что приводит к улучшению характеристик заклепывания сплава.
2.2 Оптимизация температуры экструзии и системы процесса старения
Согласно приведенным выше результатам, повышение температуры экструзии может уменьшить глубину крупнозернистого слоя, тем самым препятствуя растрескиванию материала во время процесса клепки. Однако, при условии определенного состава сплава, структуры экструзионной матрицы и процесса экструзии, если температура экструзии слишком высока, с одной стороны, степень изгиба и скручивания профиля будет усугубляться во время последующего процесса закалки, делая допуск размера профиля не соответствующим требованиям, а с другой стороны, это приведет к легкому перегоранию сплава во время процесса экструзии, увеличивая риск брака материала. Учитывая состояние клепки, процесс размера профиля, окно производственного процесса и другие факторы, более подходящая температура экструзии для этого сплава составляет не менее 485 ℃, то есть образец № 2. Чтобы подтвердить оптимальную систему процесса старения, процесс старения был оптимизирован на основе образца № 2.
Механические свойства образца № 2 при различном времени старения при 180 ℃, 185 ℃ и 190 ℃ показаны на рисунке 3, которые представляют собой предел текучести, предел прочности на растяжение и относительное удлинение. Как показано на рисунке 3а, при 180 ℃ время старения увеличивается с 6 ч до 12 ч, а предел текучести материала существенно не уменьшается. При 185 ℃ при увеличении времени старения с 4 ч до 12 ч предел текучести сначала увеличивается, а затем уменьшается, а время старения, соответствующее наибольшему значению прочности, составляет 5-6 ч. При 190 ℃ при увеличении времени старения предел текучести постепенно уменьшается. В целом, при трех температурах старения, чем ниже температура старения, тем выше пиковая прочность материала. Характеристики предела прочности на растяжение на рисунке 3б согласуются с пределом текучести на рисунке 3а. Удлинение при различных температурах старения, показанное на рисунке 3c, составляет от 14% до 17%, без очевидной картины изменения. Этот эксперимент проверяет пиковое старение до стадии перестаривания, и из-за небольших экспериментальных различий ошибка теста приводит к тому, что картина изменения неясна.
Рис.3 Механические свойства материалов при различных температурах и времени старения
После вышеуказанной обработки старением растрескивание заклепочных соединений суммировано в Таблице 4. Из Таблицы 4 видно, что с увеличением времени растрескивание заклепочных соединений в определенной степени подавляется. При условии 180 ℃, когда время старения превышает 10 ч, внешний вид заклепочного соединения находится в приемлемом состоянии, но нестабильном. При условии 185 ℃, после старения в течение 7 ч, внешний вид заклепочного соединения не имеет трещин, и состояние относительно стабильно. При условии 190 ℃, внешний вид заклепочного соединения не имеет трещин, и состояние стабильно. Из результатов испытаний на заклепывание можно увидеть, что производительность заклепывания лучше и стабильнее, когда сплав находится в состоянии перестаривания. В сочетании с использованием профиля кузова клепка при 180 ℃/10~12 ч не способствует стабильности качества производственного процесса, контролируемого OEM. Для обеспечения стабильности заклепочного соединения время старения должно быть дополнительно увеличено, но проверка времени старения приведет к снижению эффективности производства профиля и увеличению затрат. При условии 190 ℃ все образцы могут соответствовать требованиям к растрескиванию заклепок, но прочность материала значительно снижается. Согласно требованиям конструкции транспортного средства предел текучести сплава 6082 должен быть гарантированно больше 270 МПа. Поэтому температура старения 190 ℃ не соответствует требованиям прочности материала. В то же время, если прочность материала слишком низкая, остаточная толщина нижней пластины заклепочного соединения будет слишком маленькой. После старения при 190 ℃/8 ч характеристики заклепочного поперечного сечения показывают, что остаточная толщина составляет 0,26 мм, что не соответствует требованию индекса ≥0,3 мм, как показано на рисунке 4а. Рассматривая всесторонне, оптимальная температура старения составляет 185 ℃. После старения в течение 7 ч материал может стабильно соответствовать требованиям к заклепкам, а прочность соответствует требованиям к эксплуатационным характеристикам. Учитывая производственную стабильность процесса клепки в сварочном цехе, оптимальное время старения предлагается определить как 8 ч. Характеристики поперечного сечения в этой технологической системе показаны на рисунке 4б, что соответствует требованиям индекса блокировки. Левая и правая блокировки составляют 0,90 мм и 0,75 мм, что соответствует требованиям индекса ≥0,4 мм, а нижняя остаточная толщина составляет 0,38 мм.
Таблица 4 Растрескивание образца № 2 при разных температурах и разном времени старения
Рис.4 Характеристики поперечного сечения заклепочных соединений нижних пластин 6082 при различных состояниях старения
3 Заключение
Чем выше температура экструзии профилей из алюминиевого сплава 6082, тем мельче поверхностный крупнозернистый слой после экструзии. Более мелкая толщина крупнозернистого слоя может эффективно снизить коэффициент концентрации напряжений на границе зерен, тем самым препятствуя растрескиванию заклепок. Экспериментальные исследования определили, что оптимальная температура экструзии составляет не менее 485 ℃.
При одинаковой толщине крупнозернистого слоя профиля из алюминиевого сплава 6082 эффективное напряжение границы зерна сплава в состоянии перестаривания меньше, чем в состоянии пикового старения, риск растрескивания во время клепки меньше, а клепальные характеристики сплава лучше. Принимая во внимание три фактора: стабильность клепки, значение блокировки заклепочного соединения, эффективность производства термообработки и экономические выгоды, оптимальная система старения для сплава определена как 185℃/8ч.
Время публикации: 05.04.2025
