Оскільки країни світу надають великого значення енергозбереженню та скороченню викидів, розробка повністю електричних транспортних засобів на нових джерелах енергії стала тенденцією. Окрім продуктивності акумулятора, якість кузова також є вирішальним фактором, що впливає на запас ходу транспортних засобів на нових джерелах енергії. Сприяння розробці легких конструкцій кузова автомобілів та високоякісних з'єднань може покращити повний запас ходу електромобілів, максимально зменшивши вагу всього транспортного засобу, забезпечуючи при цьому міцність та безпеку транспортного засобу. Що стосується полегшення автомобілів, то гібридний кузов зі сталі та алюмінію враховує як міцність, так і зменшення ваги кузова, стаючи важливим засобом для досягнення полегшення кузова.
Традиційний метод з'єднання алюмінієвих сплавів має низьку продуктивність та надійність. Самопрокльовування, як нова технологія з'єднання, широко використовується в автомобільній та аерокосмічній промисловості завдяки своїй абсолютній перевазі у з'єднанні легких сплавів та композитних матеріалів. В останні роки китайські вчені провели відповідні дослідження технології самопрокльовування та вивчали вплив різних методів термічної обробки на характеристики самопрокльовуваних клепаних з'єднань TA1 з промислового чистого титану. Було виявлено, що методи термічної обробки відпалом та гартуванням покращують статичну міцність самопрокльовуваних клепаних з'єднань TA1 з промислового чистого титану. Механізм формування з'єднання спостерігали та аналізували з точки зору потоку матеріалу, і на основі цього оцінювали якість з'єднання. За допомогою металографічних випробувань було виявлено, що велика площа пластичної деформації перетворюється на волокнисту структуру з певною тенденцією, що сприяє покращенню межі текучості та міцності з'єднання на втому.
Вищезазначене дослідження в основному зосереджено на механічних властивостях з'єднань після клепки алюмінієвих сплавів. У фактичному клепачному виробництві кузовів автомобілів тріщини клепаних з'єднань екструдованих профілів з алюмінієвих сплавів, особливо високоміцних алюмінієвих сплавів з високим вмістом легуючих елементів, таких як алюмінієвий сплав 6082, є ключовими факторами, що обмежують застосування цього процесу на кузові автомобіля. Водночас, допуски форми та положення екструдованих профілів, що використовуються на кузові автомобіля, такі як вигин та скручування, безпосередньо впливають на складання та використання профілів, а також визначають точність розмірів наступного кузова автомобіля. Для контролю вигину та скручування профілів та забезпечення точності розмірів профілів, окрім конструкції штампа, найважливішими факторами впливу є температура на виході профілів та швидкість гартування в режимі реального часу. Чим вища температура на виході та чим вища швидкість гартування, тим більший ступінь вигину та скручування профілів. Для профілів з алюмінієвих сплавів для кузовів автомобілів необхідно забезпечити точність розмірів профілів та переконатися, що клепка сплаву не розтріскується. Найпростіший спосіб оптимізувати точність розмірів та стійкість сплаву до розтріскування при заклепках – це контролювати розтріскування, оптимізуючи температуру нагрівання та процес старіння екструдованих стрижнів, зберігаючи при цьому незмінним склад матеріалу, структуру матриці, швидкість екструзії та швидкість гартування. Для алюмінієвого сплаву 6082, за умови, що інші умови процесу залишаються незмінними, чим вища температура екструзії, тим менший грубозернистий шар, але тим більша деформація профілю після гартування.
У цій статті використовується алюмінієвий сплав 6082 з тим самим складом, що й об'єкт дослідження, використовуються різні температури екструзії та різні процеси старіння для підготовки зразків у різних станах, а також оцінюється вплив температури екструзії та стану старіння на випробування на клепку за допомогою випробувань на клепку. На основі попередніх результатів додатково визначено оптимальний процес старіння, щоб надати рекомендації для подальшого виробництва екструдованих профілів корпусів з алюмінієвого сплаву 6082.
1 Експериментальні матеріали та методи
Як показано в Таблиці 1, алюмінієвий сплав 6082 був розплавлений та підготовлений до круглого злитка методом напівбезперервного лиття. Потім, після гомогенізаційної термічної обробки, злиток нагрівали до різних температур та екструдували у профіль на екструдері потужністю 2200 т. Товщина стінки профілю становила 2,5 мм, температура екструзійної головки – 440±10 ℃, температура екструзійної матриці – 470±10 ℃, швидкість екструзії – 2,3±0,2 мм/с, а метод гартування профілю – охолодження сильним вітром. Залежно від температури нагрівання, зразки були пронумеровані від 1 до 3, серед яких зразок 1 мав найнижчу температуру нагрівання, а відповідна температура заготовки становила 470±5 ℃, відповідна температура заготовки зразка 2 – 485±5 ℃, а температура зразка 3 була найвищою, а відповідна температура заготовки становила 500±5 ℃.
Таблиця 1 Виміряний хімічний склад досліджуваного сплаву (масова частка/%)
За умови, що інші параметри процесу, такі як склад матеріалу, структура матриці, швидкість екструзії, швидкість гартування, залишаються незмінними, вищезгадані зразки № 1-3, отримані шляхом регулювання температури екструзійного нагрівання, витримуються в коробчастій печі опору, а система витримки становить 180 ℃/6 год та 190 ℃/6 год. Після ізоляції їх охолоджують на повітрі, а потім з'єднують заклепками для оцінки впливу різних температур екструзії та станів витримки на випробування на клепки. У випробуванні на клепки як нижня пластина використовується сплав 6082 товщиною 2,5 мм з різними температурами екструзії та різними системами витримки, а як верхня пластина для випробування на клепки SPR - сплав 5754-O товщиною 1,4 мм. Використана матриця для клепки - M260238, а заклепка - C5.3×6.0 H0. Крім того, для подальшого визначення оптимального процесу старіння, залежно від впливу температури екструзії та стану старіння на розтріскування при заклепках, вибирається пластина з оптимальною температурою екструзії, а потім обробляється різними температурами та різним часом старіння для вивчення впливу системи старіння на розтріскування при заклепках, щоб остаточно підтвердити оптимальну систему старіння. Для спостереження за мікроструктурою матеріалу за різних температур екструзії використовувався потужний мікроскоп, для перевірки механічних властивостей використовувалася універсальна електронна випробувальна машина з мікрокомп'ютерним керуванням серії MTS-SANS CMT5000, а для спостереження за клепаними з'єднаннями після заклепування в різних станах використовувався низькоенергетичний мікроскоп.
2. Результати експерименту та їх обговорення
2.1 Вплив температури екструзії та стану старіння на розтріскування при заклепках
Зразки відбирали вздовж поперечного перерізу екструдованого профілю. Після грубого шліфування, тонкого шліфування та полірування наждачним папером зразок обробляли корозією 10% NaOH протягом 8 хвилин, а чорний продукт корозії протирали азотною кислотою. Грубозернистий шар зразка спостерігали за допомогою потужного мікроскопа, розташованого на поверхні зовні заклепки у передбачуваному положенні клепки, як показано на рисунку 1. Середня глибина грубозернистого шару зразка № 1 становила 352 мкм, середня глибина грубозернистого шару зразка № 2 – 135 мкм, а середня глибина грубозернистого шару зразка № 3 – 31 мкм. Різниця в глибині грубозернистого шару головним чином зумовлена різною температурою екструзії. Чим вища температура екструзії, тим нижчий опір деформації сплаву 6082, тим менше накопичення енергії деформації, що генерується тертям між сплавом та екструзійною матрицею (особливо робочим стрічкою матриці), і тим менша рушійна сила рекристалізації. Отже, поверхневий грубозернистий шар є менш глибоким; Чим нижча температура екструзії, тим більший опір деформації, тим більше накопичення енергії деформації, тим легше перекристалізуватися і тим глибший шар грубого зерна. Для сплаву 6082 механізмом перекристалізації грубого зерна є вторинна перекристалізація.
(а) Модель 1
(б) Модель 2
(в) Модель 3
Рисунок 1 Товщина шару крупнозернистого матеріалу, отриманого екструдованими профілями, отриманими за різними процесами
Зразки 1-3, виготовлені за різних температур екструзії, були витримані при 180 ℃/6 год та 190 ℃/6 год відповідно. Механічні властивості зразка 2 після двох процесів старіння наведено в таблиці 2. За двох систем старіння межа текучості та міцність на розтяг зразка при 180 ℃/6 год значно вищі, ніж при 190 ℃/6 год, тоді як видовження цих двох процесів не сильно відрізняється, що вказує на те, що 190 ℃/6 год є обробкою надмірного старіння. Оскільки механічні властивості алюмінієвого сплаву 6-ї серії значно коливаються зі зміною процесу старіння в стані недостатнього старіння, це не сприяє стабільності процесу виробництва профілів та контролю якості клепки. Тому недостатнє старіння не підходить для виготовлення профілів корпусу.
Таблиця 2 Механічні властивості зразка № 2 за двох систем старіння
Зовнішній вигляд випробуваного зразка після заклепування показано на рисунку 2. Коли зразок № 1 з глибшим грубозернистим шаром був заклепаний у стані пікового старіння, нижня поверхня заклепки мала явну апельсинову кірку та тріщини, видимі неозброєним оком, як показано на рисунку 2a. Через нерівномірну орієнтацію всередині зерен ступінь деформації під час деформації буде нерівномірним, утворюючи нерівну поверхню. Коли зерна грубі, нерівність поверхні стає більшою, утворюючи явище апельсинової кірки, видиме неозброєним оком. Коли зразок № 3 з дрібнішим грубозернистим шаром, отриманим шляхом підвищення температури екструзії, був заклепаний у стані пікового старіння, нижня поверхня заклепки була відносно гладкою, а розтріскування було певною мірою пригнічено, що було видно лише під збільшенням мікроскопа, як показано на рисунку 2b. Коли зразок № 3 перебував у стані надмірного старіння, розтріскування під збільшенням мікроскопа не спостерігалося, як показано на рисунку 2c.
(a) Тріщини, видимі неозброєним оком
(b) Незначні тріщини, видимі під мікроскопом
(c) Без тріщин
Рисунок 2 Різний ступінь розтріскування після заклепування
Поверхня після заклепування переважно знаходиться у трьох станах, а саме: тріщини, видимі неозброєним оком (позначені «×»), незначні тріщини, видимі під збільшенням мікроскопа (позначені «△»), та відсутність тріщин (позначені «○»). Результати морфології заклепування вищезазначених трьох станів зразків за двох систем старіння наведено в таблиці 3. Видно, що коли процес старіння є постійним, характеристики заклепування зразка з вищою температурою екструзії та тоншим шаром грубого зерна кращі, ніж у зразка з глибшим шаром грубого зерна; коли шар грубого зерна є постійним, характеристики заклепування у стані надмірного старіння кращі, ніж у стані пікового старіння.
Таблиця 3. Зовнішній вигляд зразків 1-3, що піддаються заклепкам, за двох технологічних систем
Було досліджено вплив морфології зерен та стану старіння на поведінку профілів при осьовому стисканні у розтріскуванні. Напружений стан матеріалу під час осьового стиску відповідав стану самопроколюючої заклепки. Дослідження показало, що тріщини виникли на межах зерен, а механізм розтріскування сплаву Al-Mg-Si був пояснений формулою.
σapp – напруження, прикладене до кристала. При розтріскуванні σapp дорівнює істинному значенню напруження, що відповідає межі міцності на розтяг; σa0 – опір виділень під час внутрішньокристалічного ковзання; Φ – коефіцієнт концентрації напружень, який пов'язаний з розміром зерна d та шириною ковзання p.
Порівняно з рекристалізацією, волокниста зерниста структура більше сприяє гальмуванню розтріскування. Основна причина полягає в тому, що розмір зерна d значно зменшується завдяки подрібненню зерна, що може ефективно зменшити коефіцієнт концентрації напружень Φ на межі зерен, тим самим гальмуючи розтріскування. Порівняно з волокнистою структурою, коефіцієнт концентрації напружень Φ рекристалізованого сплаву з грубими зернами приблизно в 10 разів більший, ніж у попереднього.
Порівняно з піковим старінням, стан надмірного старіння більше сприяє гальмуванню розтріскування, що визначається різними станами фаз осадження всередині сплаву. Під час пікового старіння у сплаві 6082 осаджуються фази 'β (Mg5Si6) розміром 20-50 нм з великою кількістю осадів малого розміру; коли сплав знаходиться в стані надмірного старіння, кількість осадів у сплаві зменшується, а їх розмір збільшується. Осади, що утворюються під час процесу старіння, можуть ефективно гальмувати рух дислокацій всередині сплаву. Сила закріплення дислокацій пов'язана з розміром та об'ємною часткою осадової фази. Емпірична формула така:
f – об'ємна частка преципітату фази; r – розмір фази; σa – енергія межі розділу між фазою та матрицею. Формула показує, що чим більший розмір преципітату фази та чим менша об'ємна частка, тим менша її сила закріплення на дислокаціях, тим легше дислокаціям у сплаві почати утворення, і σa0 у сплаві зменшуватиметься від пікового старіння до стану надмірного старіння. Навіть якщо σa0 зменшується, коли сплав переходить від пікового старіння до стану надмірного старіння, значення σapp у момент розтріскування сплаву зменшується ще більше, що призводить до значного зниження ефективного напруження на межі зерен (σapp-σa0). Ефективне напруження на межі зерен надмірного старіння становить приблизно 1/5 від напруження на піковому старінні, тобто менша ймовірність розтріскування на межі зерен у стані надмірного старіння, що призводить до кращих клепальних характеристик сплаву.
2.2 Оптимізація температури екструзії та системи процесу старіння
Згідно з вищезазначеними результатами, підвищення температури екструзії може зменшити глибину грубозернистого шару, тим самим запобігаючи розтріскуванню матеріалу під час процесу клепки. Однак, за умови певного складу сплаву, структури екструзійної матриці та процесу екструзії, якщо температура екструзії занадто висока, з одного боку, ступінь вигину та скручування профілю посилиться під час подальшого процесу гартування, що призведе до невідповідності допуску розміру профілю вимогам, а з іншого боку, це призведе до легкого перегоряння сплаву під час процесу екструзії, що збільшить ризик пошкодження матеріалу. Враховуючи стан клепки, процес визначення розміру профілю, технологічне вікно та інші фактори, найбільш підходяща температура екструзії для цього сплаву становить не менше 485 ℃, тобто для зразка № 2. Для підтвердження оптимальної системи процесу старіння процес старіння було оптимізовано на основі зразка № 2.
Механічні властивості зразка № 2 за різних часів старіння при 180 ℃, 185 ℃ та 190 ℃ показано на рисунку 3, а саме: межа плинності, міцність на розтяг та видовження. Як показано на рисунку 3a, при 180 ℃ час старіння збільшується з 6 годин до 12 годин, і межа плинності матеріалу суттєво не зменшується. При 185 ℃, зі збільшенням часу старіння з 4 годин до 12 годин, межа плинності спочатку збільшується, а потім зменшується, і час старіння, що відповідає найвищому значенню міцності, становить 5-6 годин. При 190 ℃, зі збільшенням часу старіння, межа плинності поступово зменшується. Загалом, при трьох температурах старіння, чим нижча температура старіння, тим вища пікова міцність матеріалу. Характеристики міцності на розтяг на рисунку 3b відповідають межі плинності на рисунку 3a. Подовження за різних температур старіння, показане на рисунку 3c, становить від 14% до 17%, без помітної закономірності змін. Цей експеримент перевіряє пікове старіння до стадії надмірного старіння, і через невеликі експериментальні відмінності похибка тесту призводить до нечіткої закономірності змін.
Рис.3 Механічні властивості матеріалів за різних температур та часів старіння
Після вищезазначеної обробки старінням, розтріскування клепаних з'єднань наведено в таблиці 4. З таблиці 4 видно, що зі збільшенням часу розтріскування клепаних з'єднань певною мірою пригнічується. За умови 180 ℃, коли час старіння перевищує 10 годин, зовнішній вигляд клепаного з'єднання знаходиться в прийнятному стані, але нестабільний. За умови 185 ℃, після старіння протягом 7 годин, зовнішній вигляд клепаного з'єднання не має тріщин і стан є відносно стабільним. За умови 190 ℃ зовнішній вигляд клепаного з'єднання не має тріщин і стан є стабільним. З результатів випробувань на клепання видно, що характеристики клепання кращі та стабільніші, коли сплав знаходиться в стані надмірного старіння. У поєднанні з використанням профілю тіла, клепання при 180 ℃/10~12 годин не сприяє стабільності якості виробничого процесу, контрольованого виробником оригінального обладнання (OEM). Для забезпечення стабільності клепаного з'єднання час старіння необхідно додатково збільшити, але перевірка часу старіння призведе до зниження ефективності виробництва профілю та збільшення витрат. За умови 190 ℃ усі зразки можуть відповідати вимогам щодо розтріскування від клепання, але міцність матеріалу значно знижується. Відповідно до вимог конструкції транспортних засобів, межа текучості сплаву 6082 повинна гарантовано перевищувати 270 МПа. Тому температура старіння 190 ℃ не відповідає вимогам до міцності матеріалу. Водночас, якщо міцність матеріалу занадто низька, залишкова товщина нижньої пластини клепаного з'єднання буде занадто малою. Після старіння при 190 ℃/8 годин характеристики поперечного перерізу клепаного з'єднання показують, що залишкова товщина становить 0,26 мм, що не відповідає вимозі індексу ≥0,3 мм, як показано на рисунку 4a. У комплексному плані оптимальна температура старіння становить 185 ℃. Після витримки протягом 7 годин матеріал стабільно відповідає вимогам до клепки, а міцність відповідає вимогам до експлуатаційних характеристик. Враховуючи стабільність виробництва процесу клепки у зварювальному цеху, оптимальний час витримки пропонується визначити як 8 годин. Характеристики поперечного перерізу за цією технологічною системою показано на рисунку 4b, що відповідає вимогам до індексу зчеплення. Ліве та праве зчеплення становлять 0,90 мм та 0,75 мм, що відповідає вимогам до індексу ≥0,4 мм, а залишкова товщина дна становить 0,38 мм.
Таблиця 4 Розтріскування зразка № 2 за різних температур та різного часу старіння
Рис.4 Характеристики поперечного перерізу заклепаних з'єднань нижніх плит 6082 за різних станів старіння
3 Висновок
Чим вища температура екструзії профілів з алюмінієвого сплаву 6082, тим менший поверхневий грубозернистий шар після екструзії. Менша товщина грубозернистого шару може ефективно зменшити коефіцієнт концентрації напружень на межі зерен, тим самим запобігаючи утворенню заклепкових розтріскування. Експериментальні дослідження показали, що оптимальна температура екструзії становить не менше 485 ℃.
Коли товщина грубозернистого шару профілю алюмінієвого сплаву 6082 однакова, ефективне напруження на межі зерен сплаву в стані надмірного старіння менше, ніж у стані пікового старіння, ризик розтріскування під час клепки менший, а клепальні характеристики сплаву кращі. Беручи до уваги три фактори: стабільність клепки, міцність клепаного з'єднання, ефективність виробництва термічної обробки та економічні вигоди, оптимальна система старіння для сплаву визначена як 185℃/8 год.
Час публікації: 05 квітня 2025 р.
