Ker države po vsem svetu pripisujejo velik pomen varčevanju z energijo in zmanjševanju emisij, je razvoj povsem električnih vozil na novo energijo postal trend. Poleg zmogljivosti baterije je ključni dejavnik, ki vpliva na doseg vozil na novo energijo, tudi kakovost karoserije. Spodbujanje razvoja lahkih karoserij avtomobilov in visokokakovostnih povezav lahko izboljša celovit doseg električnih vozil z zmanjšanjem teže celotnega vozila, hkrati pa zagotavlja trdnost in varnost vozila. Kar zadeva lažjo težo avtomobilov, hibridna karoserija iz jekla in aluminija upošteva tako trdnost kot tudi zmanjšanje teže karoserije, kar postaja pomembno sredstvo za doseganje lažje teže karoserije.
Tradicionalna metoda povezovanja aluminijevih zlitin ima slabo učinkovitost in nizko zanesljivost. Samoprebodno kovičenje kot nova tehnologija povezovanja se pogosto uporablja v avtomobilski in letalski industriji zaradi svoje absolutne prednosti pri povezovanju lahkih zlitin in kompozitnih materialov. V zadnjih letih so kitajski znanstveniki izvedli ustrezne raziskave o tehnologiji samoprebodnega kovičenja in preučili vplive različnih metod toplotne obdelave na delovanje samoprebodnih kovičenih spojev iz čistega industrijskega titana TA1. Ugotovljeno je bilo, da so metode toplotne obdelave z žarjenjem in kaljenjem izboljšale statično trdnost samoprebodnih kovičenih spojev iz čistega industrijskega titana TA1. Mehanizem oblikovanja spoja je bil opazovan in analiziran z vidika pretoka materiala, na podlagi tega pa je bila ocenjena kakovost spoja. Z metalografskimi testi je bilo ugotovljeno, da se je veliko območje plastične deformacije prečistilo v vlaknasto strukturo z določeno tendenco, kar je spodbudilo izboljšanje napetosti tečenja in utrujenostne trdnosti spoja.
Zgornja raziskava se osredotoča predvsem na mehanske lastnosti spojev po kovičenju plošč iz aluminijevih zlitin. Pri dejanski proizvodnji karoserij z kovičenjem so razpoke v kovičenih spojih ekstrudiranih profilov iz aluminijevih zlitin, zlasti visokotrdnostnih aluminijevih zlitin z visoko vsebnostjo legirnih elementov, kot je aluminijeva zlitina 6082, ključni dejavniki, ki omejujejo uporabo tega postopka na karoseriji. Hkrati pa tolerance oblike in položaja ekstrudiranih profilov, uporabljenih na karoseriji, kot sta upogibanje in zvijanje, neposredno vplivajo na montažo in uporabo profilov ter določajo tudi dimenzijsko natančnost poznejše karoserije. Za nadzor upogibanja in zvijanja profilov ter zagotavljanje dimenzijske natančnosti profilov sta poleg strukture matrice najpomembnejša vplivna dejavnika izhodna temperatura profilov in hitrost kaljenja. Višja kot je izhodna temperatura in hitrejša kot je hitrost kaljenja, večja je stopnja upogibanja in zvijanja profilov. Pri profilih iz aluminijevih zlitin za karoserije je treba zagotoviti dimenzijsko natančnost profilov in preprečiti, da bi kovičenje zlitine razpokalo. Najenostavnejši način za optimizacijo dimenzijske natančnosti in odpornosti zlitine proti razpokam je nadzor nad razpokanjem z optimizacijo temperature segrevanja in procesa staranja ekstrudiranih palic, pri čemer se sestava materiala, struktura matrice, hitrost ekstrudiranja in hitrost kaljenja ohranijo nespremenjene. Pri aluminijevi zlitini 6082, pod predpostavko, da drugi procesni pogoji ostanejo nespremenjeni, velja, da višja temperatura ekstrudiranja pomeni plitvejšo grobozrnato plast, vendar večja je deformacija profila po kaljenju.
V tem članku je uporabljena aluminijeva zlitina 6082 z enako sestavo kot raziskovalni predmet, pri čemer so za pripravo vzorcev v različnih stanjih uporabljene različne temperature ekstrudiranja in različni postopki staranja, s katerimi so ocenjeni vplivi temperature ekstrudiranja in stanja staranja na preizkus kovičenja. Na podlagi predhodnih rezultatov je bil dodatno določen optimalni postopek staranja, ki bo služil kot smernice za nadaljnjo proizvodnjo ekstruzijskih profilov telesa iz aluminijeve zlitine 6082.
1 Eksperimentalni materiali in metode
Kot je prikazano v tabeli 1, je bila aluminijeva zlitina 6082 staljena in pripravljena v okrogli ingot s polkontinuirnim litjem. Nato je bil ingot po toplotni obdelavi s homogenizacijo segret na različne temperature in ekstrudiran v profil na ekstruderju z močjo 2200 t. Debelina stene profila je bila 2,5 mm, temperatura ekstruzijske cevi je bila 440 ± 10 ℃, temperatura ekstruzijske matrice je bila 470 ± 10 ℃, hitrost ekstrudiranja je bila 2,3 ± 0,2 mm/s, metoda kaljenja profila pa je bila hlajenje z močnim vetrom. Glede na temperaturo segrevanja so bili vzorci oštevilčeni od 1 do 3, med katerimi je imel vzorec 1 najnižjo temperaturo segrevanja, ustrezna temperatura gredice pa 470 ± 5 ℃, ustrezna temperatura gredice vzorca 2 pa 485 ± 5 ℃, temperatura vzorca 3 pa je bila najvišja, ustrezna temperatura gredice pa 500 ± 5 ℃.
Tabela 1 Izmerjena kemijska sestava preskusne zlitine (masni delež/%)
Pod pogojem, da drugi procesni parametri, kot so sestava materiala, struktura matrice, hitrost ekstrudiranja in hitrost kaljenja, ostanejo nespremenjeni, se zgornji vzorci št. 1 do 3, pridobljeni s prilagoditvijo temperature ekstruzijskega segrevanja, starajo v škatlasti uporovni peči, pri čemer je sistem staranja 180 ℃/6 ur in 190 ℃/6 ur. Po izolaciji se ohladijo na zraku in nato zakovičijo, da se oceni vpliv različnih temperatur ekstrudiranja in stanj staranja na preskus kovičenja. Pri preskusu kovičenja se kot spodnja plošča uporablja 2,5 mm debela zlitina 6082 z različnimi temperaturami ekstrudiranja in različnimi sistemi staranja, kot zgornja plošča pa 1,4 mm debela zlitina 5754-O za preskus kovičenja SPR. Matrica za kovičenje je M260238, zakovica pa je C5,3 × 6,0 H0. Poleg tega se za nadaljnjo določitev optimalnega postopka staranja glede na vpliv temperature ekstrudiranja in stanja staranja na kovičenje izbere plošča pri optimalni temperaturi ekstrudiranja, nato pa se obdela z različnimi temperaturami in različnimi časi staranja, da se preuči vpliv sistema staranja na kovičenje, da se končno potrdi optimalni sistem staranja. Za opazovanje mikrostrukture materiala pri različnih temperaturah ekstrudiranja je bil uporabljen visokozmogljiv mikroskop, za preizkušanje mehanskih lastnosti je bil uporabljen mikroračunalniško krmiljen elektronski univerzalni preskusni stroj serije MTS-SANS CMT5000, za opazovanje kovičenih spojev po kovičenju v različnih stanjih pa nizkozmogljiv mikroskop.
2 Eksperimentalni rezultati in razprava
2.1 Vpliv temperature ekstrudiranja in stanja staranja na razpoke pri kovičenju
Vzorec je bil odvzet vzdolž prečnega prereza ekstrudiranega profila. Po grobem brušenju, finem brušenju in poliranju z brusnim papirjem je bil vzorec 8 minut korodiran z 10 % NaOH, črni produkt korozije pa je bil očiščen z dušikovo kislino. Grobozrnata plast vzorca je bila opazovana z visokozmogljivim mikroskopom, ki je bil nameščen na površini zunaj zakovice na predvidenem mestu kovičenja, kot je prikazano na sliki 1. Povprečna globina grobozrnate plasti vzorca št. 1 je bila 352 μm, povprečna globina grobozrnate plasti vzorca št. 2 je bila 135 μm, povprečna globina grobozrnate plasti vzorca št. 3 pa 31 μm. Razlika v globini grobozrnate plasti je predvsem posledica različnih temperatur ekstrudiranja. Višja kot je temperatura ekstrudiranja, nižja je deformacijska odpornost zlitine 6082, manjše je shranjevanje deformacijske energije, ki ga ustvari trenje med zlitino in ekstruzijsko matrico (zlasti delovnim trakom matrice), in manjša je gonilna sila rekristalizacije. Zato je površinska grobozrnata plast plitvejša; Nižja kot je temperatura ekstrudiranja, večja je odpornost proti deformaciji, večje je shranjevanje deformacijske energije, lažja je rekristalizacija in globlja je plast grobih zrn. Pri zlitini 6082 je mehanizem rekristalizacije grobih zrn sekundarna rekristalizacija.
(a) Model 1
(b) Model 2
(c) Model 3
Slika 1 Debelina grobozrnate plasti ekstrudiranih profilov z različnimi postopki
Vzorci 1 do 3, pripravljeni pri različnih temperaturah ekstrudiranja, so bili starani pri 180 ℃/6 ur oziroma 190 ℃/6 ur. Mehanske lastnosti vzorca 2 po obeh postopkih staranja so prikazane v tabeli 2. Pri obeh sistemih staranja sta meja tečenja in natezna trdnost vzorca pri 180 ℃/6 ur bistveno višji kot pri 190 ℃/6 ur, medtem ko se raztezek pri obeh sistemih ne razlikuje bistveno, kar kaže na to, da je 190 ℃/6 ur obdelava s prekomernim staranjem. Ker mehanske lastnosti aluminijeve zlitine serije 6 močno nihajo s spremembo procesa staranja v stanju podstaranja, to ne prispeva k stabilnosti proizvodnega procesa profila in nadzoru kakovosti kovičenja. Zato ni primerno uporabljati stanja podstaranja za izdelavo profilov telesa.
Tabela 2 Mehanske lastnosti vzorca št. 2 pri dveh sistemih staranja
Videz preskusnega vzorca po kovičenju je prikazan na sliki 2. Ko je bil vzorec št. 1 z globljo grobozrnato plastjo kovičen v stanju največjega staranja, je imela spodnja površina zakovice očitno pomarančno lupino in razpoke, vidne s prostim očesom, kot je prikazano na sliki 2a. Zaradi nedosledne orientacije znotraj zrn je stopnja deformacije med deformacijo neenakomerna, kar tvori neravno površino. Ko so zrna groba, se neenakomernost površine poveča, kar tvori pojav pomarančne lupine, viden s prostim očesom. Ko je bil vzorec št. 3 s plitvejšo grobozrnato plastjo, pripravljeno s povišano temperaturo ekstrudiranja, je bila spodnja površina zakovice relativno gladka, razpoke pa so bile do neke mere zatrte, kar je bilo vidno le pod povečavo mikroskopa, kot je prikazano na sliki 2b. Ko je bil vzorec št. 3 v stanju prekomernega staranja, pod povečavo mikroskopa ni bilo opaziti razpok, kot je prikazano na sliki 2c.
(a) Razpoke, vidne s prostim očesom
(b) Rahle razpoke, vidne pod mikroskopom
(c) Brez razpok
Slika 2 Različne stopnje razpok po kovičenju
Površina po kovičenju je večinoma v treh stanjih, in sicer z razpokami, vidnimi s prostim očesom (označenimi z "×"), z rahlimi razpokami, vidnimi pod povečavo mikroskopa (označenimi z "△"), in brez razpok (označenimi z "○"). Rezultati morfologije kovičenja zgornjih treh vzorcev v dveh sistemih staranja so prikazani v tabeli 3. Vidimo lahko, da je pri konstantnem procesu staranja učinkovitost kovičenja pri razpokanju vzorca z višjo temperaturo ekstrudiranja in tanjšo grobozrnato plastjo boljša kot pri vzorcu z globljo grobozrnato plastjo; ko je grobozrnata plast konstantna, je učinkovitost kovičenja pri razpokanju v stanju prekomernega staranja boljša kot v stanju največjega staranja.
Tabela 3 Videz kovičenja vzorcev 1 do 3 v dveh procesnih sistemih
Proučevali so vplive morfologije zrn in stanja staranja na obnašanje profilov pri aksialnem stiskanju pri razpokanju. Napetostno stanje materiala med aksialnim stiskanjem je bilo skladno s stanjem pri samoprebadajočem kovičenju. Študija je pokazala, da razpoke izvirajo iz meja zrn, mehanizem razpokanja zlitine Al-Mg-Si pa je bil pojasnjen s formulo.
σapp je napetost, ki deluje na kristal. Pri razpokanju je σapp enaka dejanski vrednosti napetosti, ki ustreza natezni trdnosti; σa0 je upor oborin med intrakristalnim drsenjem; Φ je koeficient koncentracije napetosti, ki je povezan z velikostjo zrn d in širino zdrsa p.
V primerjavi z rekristalizacijo je vlaknasta struktura zrn bolj ugodna za zaviranje razpok. Glavni razlog je, da se velikost zrn d zaradi prečiščevanja zrn znatno zmanjša, kar lahko učinkovito zmanjša faktor koncentracije napetosti Φ na meji zrn in s tem prepreči nastanek razpok. V primerjavi z vlaknasto strukturo je faktor koncentracije napetosti Φ rekristalizirane zlitine z grobimi zrni približno 10-krat večji od prve.
V primerjavi s staranjem vrhov je stanje prekomernega staranja bolj ugodno za zaviranje razpok, kar je določeno z različnimi stanji precipitacijske faze znotraj zlitine. Med staranjem vrhov se v zlitini 6082 izločijo faze 'β (Mg5Si6) velikosti 20-50 nm z velikim številom precipitatov in majhnimi velikostmi; ko je zlitina v stanju prekomernega staranja, se število precipitatov v zlitini zmanjša, njihova velikost pa se poveča. Precipitati, ki nastanejo med procesom staranja, lahko učinkovito zavirajo gibanje dislokacij znotraj zlitine. Njegova sila pritrjevanja dislokacij je povezana z velikostjo in volumskim deležem precipitacijske faze. Empirična formula je:
f je volumski delež oborine; r je velikost faze; σa je energija vmesnika med fazo in matrico. Formula kaže, da večja kot je velikost oborine in manjši volumski delež, manjša je njena sila pripenjanja na dislokacije, lažje se dislokacije v zlitini začnejo pojavljati, σa0 v zlitini pa se bo zmanjšal od vršnega staranja do stanja prekomernega staranja. Tudi če se σa0 zmanjša, se pri prehodu zlitine iz vršnega staranja v stanje prekomernega staranja vrednost σapp v času razpokanja zlitine bolj zmanjša, kar povzroči znatno zmanjšanje efektivne napetosti na meji zrn (σapp-σa0). Efektivna napetost na meji zrn pri prekomernem staranju je približno 1/5 tiste pri vršnem staranju, kar pomeni, da je manj verjetno, da bo na meji zrn v stanju prekomernega staranja prišlo do razpok, kar ima za posledico boljšo kovičenje zlitine.
2.2 Optimizacija temperature ekstrudiranja in sistema staranja
Glede na zgornje rezultate lahko zvišanje temperature ekstrudiranja zmanjša globino grobozrnate plasti in s tem prepreči razpokanje materiala med postopkom kovičenja. Če pa je temperatura ekstrudiranja pod določeno sestavo zlitine, strukturo ekstruzijske matrice in postopkom ekstrudiranja previsoka, se bo stopnja upogibanja in zvijanja profila med kasnejšim kaljenjem poslabšala, zaradi česar toleranca velikosti profila ne bo ustrezala zahtevam, po drugi strani pa bo zlitina med postopkom ekstrudiranja zlahka pregorela, kar bo povečalo tveganje za odtrganje materiala. Glede na stanje kovičenja, postopek velikosti profila, proizvodno okno in druge dejavnike je primernejša temperatura ekstrudiranja za to zlitino najmanj 485 ℃, torej vzorec št. 2. Za potrditev optimalnega sistema procesa staranja je bil proces staranja optimiziran na podlagi vzorca št. 2.
Mehanske lastnosti vzorca št. 2 pri različnih časih staranja pri 180 ℃, 185 ℃ in 190 ℃ so prikazane na sliki 3, in sicer meja tečenja, natezna trdnost in raztezek. Kot je prikazano na sliki 3a, se pri 180 ℃ čas staranja poveča s 6 ur na 12 ur, meja tečenja materiala pa se ne zmanjša bistveno. Pri 185 ℃ se s podaljšanjem časa staranja s 4 ur na 12 ur meja tečenja najprej poveča, nato pa zmanjša, čas staranja, ki ustreza najvišji vrednosti trdnosti, pa je 5–6 ur. Pri 190 ℃ se s podaljšanjem časa staranja meja tečenja postopoma zmanjšuje. Na splošno velja, da pri treh temperaturah staranja velja, da nižja kot je temperatura staranja, višja je najvišja trdnost materiala. Značilnosti natezne trdnosti na sliki 3b so skladne z mejo tečenja na sliki 3a. Raztezek pri različnih temperaturah staranja, prikazan na sliki 3c, je med 14 % in 17 %, brez očitnega vzorca sprememb. Ta poskus preizkuša vrh staranja do stopnje prekomernega staranja in zaradi majhnih eksperimentalnih razlik napaka testa povzroči, da vzorec sprememb ni jasen.
Slika 3 Mehanske lastnosti materialov pri različnih temperaturah in časih staranja
Po zgoraj opisani obdelavi s staranjem je razpokanje kovičenih spojev povzeto v tabeli 4. Iz tabele 4 je razvidno, da se s povečevanjem časa razpokanje kovičenih spojev do neke mere zmanjša. Pri 180 ℃, ko čas staranja preseže 10 ur, je videz kovičenega spoja v sprejemljivem stanju, vendar nestabilen. Pri 185 ℃, po 7 urah staranja, videz kovičenega spoja nima razpok in je stanje relativno stabilno. Pri 190 ℃ videz kovičenega spoja nima razpok in je stanje stabilno. Iz rezultatov preskusa kovičenja je razvidno, da je učinkovitost kovičenja boljša in stabilnejša, ko je zlitina v predolgo staranem stanju. V kombinaciji z uporabo profila telesa kovičenje pri 180 ℃/10~12 ur ne prispeva k stabilnosti kakovosti proizvodnega procesa, ki ga nadzoruje proizvajalec originalne opreme. Da bi zagotovili stabilnost kovičenega spoja, je treba čas staranja še podaljšati, vendar bo preverjanje časa staranja povzročilo zmanjšano učinkovitost proizvodnje profilov in povečane stroške. Pri temperaturi 190 ℃ lahko vsi vzorci izpolnjujejo zahteve glede razpok pri kovičenju, vendar se trdnost materiala znatno zmanjša. V skladu z zahtevami zasnove vozil mora biti meja tečenja zlitine 6082 zagotovljena nad 270 MPa. Zato temperatura staranja 190 ℃ ne izpolnjuje zahtev glede trdnosti materiala. Hkrati bo, če je trdnost materiala prenizka, preostala debelina spodnje plošče kovičenega spoja premajhna. Po staranju pri 190 ℃/8 ur presek kovičenega spoja kaže, da je preostala debelina 0,26 mm, kar ne izpolnjuje zahteve glede indeksa ≥ 0,3 mm, kot je prikazano na sliki 4a. Celovito gledano je optimalna temperatura staranja 185 ℃. Po 7 urah staranja material stabilno izpolnjuje zahteve glede kovičenja, trdnost pa izpolnjuje zahteve glede delovanja. Glede na stabilnost proizvodnje pri postopku kovičenja v varilni delavnici se predlaga, da je optimalni čas staranja 8 ur. Karakteristike prečnega prereza v tem procesnem sistemu so prikazane na sliki 4b, kar ustreza zahtevam glede indeksa prepletanja. Levi in desni preplet sta debeline 0,90 mm in 0,75 mm, kar ustreza zahtevam glede indeksa ≥ 0,4 mm, preostala debelina dna pa je 0,38 mm.
Tabela 4 Razpokanje vzorca št. 2 pri različnih temperaturah in različnih časih staranja
Slika 4 Značilnosti prečnega prereza kovičenih spojev spodnjih plošč 6082 pri različnih stanjih staranja
3 Zaključek
Višja kot je temperatura ekstrudiranja profilov iz aluminijeve zlitine 6082, plitvejša je površinska grobozrnata plast po ekstrudiranju. Manjša debelina grobozrnate plasti lahko učinkovito zmanjša faktor koncentracije napetosti na meji zrn in s tem prepreči nastanek razpok zaradi kovičenja. Eksperimentalne raziskave so pokazale, da optimalna temperatura ekstrudiranja ni nižja od 485 ℃.
Ko je debelina grobozrnate plasti profila iz aluminijeve zlitine 6082 enaka, je efektivna napetost na meji zrn zlitine v stanju prekomernega staranja manjša kot v stanju največjega staranja, tveganje za razpoke med kovičenjem je manjše in kovičenje zlitine je boljše. Ob upoštevanju treh dejavnikov: stabilnosti kovičenja, vrednosti zakovičenega spoja, učinkovitosti toplotne obdelave in ekonomskih koristi, je optimalni sistem staranja za zlitino določen na 185 ℃/8 ur.
Čas objave: 05.04.2025
