I takt med att länder runt om i världen lägger stor vikt vid energibesparing och utsläppsminskning har utvecklingen av helt elektriska nya energifordon blivit en trend. Förutom batteriets prestanda är även karossens kvalitet en avgörande faktor som påverkar räckvidden för nya energifordon. Att främja utvecklingen av lätta bilkarossstrukturer och högkvalitativa anslutningar kan förbättra den omfattande körräckvidden för elfordon genom att minska hela fordonets vikt så mycket som möjligt samtidigt som fordonets styrka och säkerhetsprestanda säkerställs. När det gäller att lätta bilar tar stål-aluminiumhybridkarossen hänsyn till både karossens styrka och viktminskning, vilket blir ett viktigt sätt att uppnå lättare kaross.
Den traditionella anslutningsmetoden för att sammanfoga aluminiumlegeringar har dålig anslutningsprestanda och låg tillförlitlighet. Självgenomträngande nitning, som en ny anslutningsteknik, har använts i stor utsträckning inom bilindustrin och flygindustrin på grund av dess absoluta fördel vid sammanfogning av lätta legeringar och kompositmaterial. Under senare år har kinesiska forskare bedrivit relevant forskning om självgenomträngande nitningsteknik och studerat effekterna av olika värmebehandlingsmetoder på prestandan hos TA1 industriella ren titan självgenomträngande nitade fogar. Det visade sig att glödgnings- och kylningsvärmebehandlingsmetoder förbättrade den statiska hållfastheten hos TA1 industriella ren titan självgenomträngande nitade fogar. Fogenbildningsmekanismen observerades och analyserades ur materialflödesperspektiv, och fogenkvaliteten utvärderades baserat på detta. Genom metallografiska tester fann man att det stora plastiska deformationsområdet förfinades till en fiberstruktur med en viss tendens, vilket främjade förbättringen av fogens sträckgräns och utmattningshållfasthet.
Ovanstående forskning fokuserar huvudsakligen på de mekaniska egenskaperna hos lederna efter nitning av aluminiumlegeringsplattor. Vid den faktiska nitningstillverkningen av bilkarosser är sprickor i de nitade lederna av extruderade aluminiumlegeringsprofiler, särskilt höghållfasta aluminiumlegeringar med högt legeringsämnesinnehåll, såsom aluminiumlegering 6082, de viktigaste faktorerna som begränsar tillämpningen av denna process på bilkarossen. Samtidigt påverkar form- och positionstoleranserna hos de extruderade profilerna som används på bilkarossen, såsom böjning och vridning, direkt monteringen och användningen av profilerna, och bestämmer även dimensionsnoggrannheten hos den efterföljande bilkarossen. För att kontrollera profilernas böjning och vridning och säkerställa profilernas dimensionsnoggrannhet är, utöver formstrukturen, profilernas utloppstemperatur och online-härdningshastigheten de viktigaste påverkande faktorerna. Ju högre utloppstemperatur och ju snabbare härdningshastighet, desto större är profilernas böjnings- och vridningsgrad. För aluminiumlegeringsprofiler för bilkarosser är det nödvändigt att säkerställa profilernas dimensionsnoggrannhet och se till att legeringsnitningen inte spricker. Det enklaste sättet att optimera legeringens dimensionsnoggrannhet och nitsprickbildningsprestanda är att kontrollera sprickbildning genom att optimera uppvärmningstemperaturen och åldringsprocessen för de extruderade stavarna, samtidigt som materialsammansättningen, formstrukturen, extruderingshastigheten och kylningshastigheten bibehålls oförändrade. För aluminiumlegering 6082, under förutsättningen att andra processförhållanden förblir oförändrade, ju högre extruderingstemperaturen är, desto grundare blir det grovkorniga lagret, men desto större blir deformationen av profilen efter kylning.
Denna artikel använder 6082 aluminiumlegering med samma sammansättning som forskningsobjektet, använder olika extruderingstemperaturer och olika åldringsprocesser för att framställa prover i olika tillstånd, och utvärderar effekterna av extruderingstemperatur och åldringstillstånd på nitningstestet genom nitningstester. Baserat på de preliminära resultaten bestäms den optimala åldringsprocessen ytterligare för att ge vägledning för efterföljande produktion av 6082 aluminiumlegeringsprofiler.
1 Experimentella material och metoder
Som visas i tabell 1 smältes aluminiumlegeringen 6082 och framställdes till ett runt göt genom semikontinuerlig gjutning. Efter homogeniseringsvärmebehandling upphettades götet till olika temperaturer och extruderades till en profil på en 2200 t extruder. Profilväggtjockleken var 2,5 mm, extruderingstrummans temperatur var 440 ± 10 ℃, extruderingsmunstyckets temperatur var 470 ± 10 ℃, extruderingshastigheten var 2,3 ± 0,2 mm/s och profilkylningsmetoden var stark vindkylning. Beroende på uppvärmningstemperaturen numrerades proverna från 1 till 3, bland vilka prov 1 hade den lägsta uppvärmningstemperaturen, och motsvarande ämnestemperatur var 470 ± 5 ℃, motsvarande ämnestemperatur för prov 2 var 485 ± 5 ℃, och temperaturen för prov 3 var den högsta, och motsvarande ämnestemperatur var 500 ± 5 ℃.
Tabell 1 Uppmätt kemisk sammansättning av testlegeringen (massfraktion/%)
Under förutsättning att andra processparametrar såsom materialsammansättning, formstruktur, extruderingshastighet och kylningshastighet förblir oförändrade, åldras ovanstående prover nr 1 till 3, som erhållits genom att justera extruderingsvärmetemperaturen, i en lådformad motståndsugn, och åldringssystemet är 180 ℃/6 timmar och 190 ℃/6 timmar. Efter isoleringen luftkyls de och nitas sedan för att utvärdera inverkan av olika extruderingstemperaturer och åldringstillstånd på nitningstestet. Nitningstestet använder en 2,5 mm tjock 6082-legering med olika extruderingstemperaturer och olika åldringssystem som bottenplatta och en 1,4 mm tjock 5754-O-legering som övre platta för SPR-nitningstestet. Nitningsformen är M260238 och niten är C5.3×6.0 H0. För att ytterligare bestämma den optimala åldringsprocessen, i enlighet med inverkan av extruderingstemperatur och åldringstillstånd på nitningssprickbildning, väljs dessutom plattan vid optimal extruderingstemperatur och behandlas sedan med olika temperaturer och olika åldringstider för att studera inverkan av åldringssystemet på nitningssprickbildning, för att slutligen bekräfta det optimala åldringssystemet. Ett högeffektsmikroskop användes för att observera materialets mikrostruktur vid olika extruderingstemperaturer, en MTS-SANS CMT5000-serie mikrodatorstyrd elektronisk universaltestmaskin användes för att testa de mekaniska egenskaperna, och ett lågeffektsmikroskop användes för att observera de nitade fogarna efter nitning i olika tillstånd.
2Experimentella resultat och diskussion
2.1 Effekt av extruderingstemperatur och åldrandetillstånd på nitningssprickbildning
Prover togs längs tvärsnittet av den extruderade profilen. Efter grovslipning, finslipning och polering med sandpapper korroderades provet med 10 % NaOH i 8 minuter, och den svarta korrosionsprodukten torkades ren med salpetersyra. Provets grovkorniga lager observerades med ett högpresterande mikroskop, som placerades på ytan utanför nitspännet vid den avsedda nitpositionen, såsom visas i figur 1. Det genomsnittliga grovkorniga lagerdjupet för prov nr 1 var 352 μm, det genomsnittliga grovkorniga lagerdjupet för prov nr 2 var 135 μm, och det genomsnittliga grovkorniga lagerdjupet för prov nr 3 var 31 μm. Skillnaden i grovkornigt lagerdjup beror huvudsakligen på de olika extruderingstemperaturerna. Ju högre extruderingstemperatur, desto lägre deformationsmotstånd för 6082-legeringen, desto mindre deformationsenergilagring som genereras av friktionen mellan legeringen och extruderingsmunstycket (särskilt munstyckets arbetsband), och desto mindre är drivkraften för omkristallisationen. Därför är det grovkorniga ytskiktet grundare; ju lägre extruderingstemperaturen är, desto större deformationsmotstånd, desto större deformationsenergilagring, desto lättare är det att omkristallisera och desto djupare är det grovkorniga skiktet. För legeringen 6082 är mekanismen för grovkornig omkristallisation sekundär omkristallisation.
(a) Modell 1
(b) Modell 2
(c) Modell 3
Figur 1 Tjocklek på grovkornigt lager av extruderade profiler med olika processer
Proverna 1 till 3, framställda vid olika extruderingstemperaturer, åldrades vid 180 ℃/6 timmar respektive 190 ℃/6 timmar. De mekaniska egenskaperna hos prov 2 efter de två åldringsprocesserna visas i tabell 2. Under de två åldringssystemen är sträckgränsen och draghållfastheten hos provet vid 180 ℃/6 timmar betydligt högre än de vid 190 ℃/6 timmar, medan töjningen mellan de två inte skiljer sig mycket, vilket indikerar att 190 ℃/6 timmar är en överåldringsbehandling. Eftersom de mekaniska egenskaperna hos 6-seriens aluminiumlegering fluktuerar kraftigt med förändringen av åldringsprocessen i underåldringstillståndet, är det inte gynnsamt för stabiliteten i profilproduktionsprocessen och kontrollen av nitningskvaliteten. Därför är det inte lämpligt att använda underåldringstillståndet för att producera karossprofiler.
Tabell 2 Mekaniska egenskaper hos prov nr 2 under två åldrande system
Utseendet på testbiten efter nitning visas i figur 2. När prov nr 1 med ett djupare grovkornigt lager nitades i toppåldrande tillstånd, uppvisade nitens bottenyta tydliga apelsinskal och sprickor synliga för blotta ögat, såsom visas i figur 2a. På grund av den inkonsekventa orienteringen inuti kornen blir deformationsgraden ojämn under deformationen, vilket bildar en ojämn yta. När kornen är grova blir ojämnheterna i ytan större, vilket bildar ett apelsinskalfenomen synligt för blotta ögat. När prov nr 3 med ett grundare grovkornigt lager, framställt genom att öka extruderingstemperaturen, nitades i toppåldrande tillstånd, var nitens bottenyta relativt slät, och sprickbildningen undertrycktes till en viss grad, vilket endast var synligt under mikroskopförstoring, såsom visas i figur 2b. När prov nr 3 var i överåldrande tillstånd observerades ingen sprickbildning under mikroskopförstoring, såsom visas i figur 2c.
(a) Sprickor synliga för blotta ögat
(b) Små sprickor synliga under mikroskop
(c) Inga sprickor
Figur 2 Olika grader av sprickbildning efter nitning
Ytan efter nitning har huvudsakligen tre tillstånd, nämligen sprickor synliga för blotta ögat (markerade med "×"), mindre sprickor synliga under mikroskopförstoring (markerade med "△") och inga sprickor (markerade med "○"). Resultaten av nitningsmorfologin för ovanstående tre tillståndsprover under två åldrandesystem visas i tabell 3. Det kan ses att när åldringsprocessen är konstant är nitningssprickbildningsprestandan hos provet med högre extruderingstemperatur och tunnare grovkornigt lager bättre än hos provet med djupare grovkornigt lager; när det grovkorniga lagret är konstant är nitningssprickbildningsprestandan i överåldringstillståndet bättre än i toppåldringstillståndet.
Tabell 3 Nitning av proverna 1 till 3 under två processsystem
Effekterna av kornmorfologi och åldrandetillstånd på profilers axiella kompressionssprickbildningsbeteende studerades. Materialets spänningstillstånd under axiell kompression överensstämde med det vid självgenomträngande nitning. Studien fann att sprickorna uppstod från korngränserna, och sprickbildningsmekanismen för Al-Mg-Si-legeringen förklarades med formeln.
σapp är den spänning som appliceras på kristallen. Vid sprickbildning är σapp lika med det verkliga spänningsvärdet som motsvarar draghållfastheten; σa0 är utfällningarnas motstånd under intrakristallin glidning; Φ är spänningskoncentrationskoefficienten, som är relaterad till kornstorleken d och glidbredden p.
Jämfört med omkristallisation är fiberstrukturen mer gynnsam för sprickbildningshämning. Den främsta anledningen är att kornstorleken d minskas avsevärt på grund av kornförfining, vilket effektivt kan minska spänningskoncentrationsfaktorn Φ vid korngränsen och därigenom hämma sprickbildning. Jämfört med fiberstrukturen är spänningskoncentrationsfaktorn Φ för omkristalliserad legering med grova korn cirka 10 gånger högre än för den förra.
Jämfört med toppåldring är överåldringstillståndet mer gynnsamt för sprickbildningshämning, vilket bestäms av de olika utfällningsfastillstånden inuti legeringen. Under toppåldring utfälls 20-50 nm 'β (Mg5Si6)-faser i 6082-legeringen, med ett stort antal utfällningar och små storlekar; när legeringen är under överåldring minskar antalet utfällningar i legeringen och storleken blir större. Utfällningarna som genereras under åldringsprocessen kan effektivt hämma rörelsen av dislokationer inuti legeringen. Dess fastspänningskraft på dislokationer är relaterad till storleken och volymfraktionen av utfällningsfasen. Den empiriska formeln är:
f är volymfraktionen av den utfällda fasen; r är fasens storlek; σa är gränssnittsenergin mellan fasen och matrisen. Formeln visar att ju större den utfällda fasen är och ju mindre volymfraktionen är, desto mindre är dess fästkraft vid dislokationer, desto lättare är det för dislokationer i legeringen att starta, och σa0 i legeringen kommer att minska från toppåldringstillståndet till överåldringstillståndet. Även om σa0 minskar, när legeringen går från toppåldring till överåldringstillståndet, minskar σapp-värdet vid tidpunkten för legeringens sprickbildning mer, vilket resulterar i en betydande minskning av den effektiva spänningen vid korngränsen (σapp-σa0). Den effektiva spänningen vid korngränsen vid överåldring är ungefär 1/5 av den vid toppåldring, det vill säga det är mindre sannolikt att det spricker vid korngränsen i överåldringstillståndet, vilket resulterar i bättre nitningsprestanda hos legeringen.
2.2 Optimering av extruderingstemperatur och åldringsprocesssystem
Enligt ovanstående resultat kan en ökning av extruderingstemperaturen minska djupet på det grovkorniga lagret, vilket förhindrar sprickbildning i materialet under nitningsprocessen. Men under förutsättningen av vissa legeringssammansättningar, extruderingsformstrukturer och extruderingsprocesser, om extruderingstemperaturen är för hög, kommer å ena sidan profilens böjnings- och vridningsgrad att förvärras under den efterföljande kylningsprocessen, vilket gör att profilstorlekstoleransen inte uppfyller kraven, och å andra sidan kommer det att leda till att legeringen lätt överbränns under extruderingsprocessen, vilket ökar risken för materialskrapning. Med tanke på nitningstillstånd, profilstorleksprocessen, produktionsprocessfönstret och andra faktorer är den lämpligaste extruderingstemperaturen för denna legering inte lägre än 485 ℃, det vill säga prov nr 2. För att bekräfta det optimala åldringsprocesssystemet optimerades åldringsprocessen baserat på prov nr 2.
De mekaniska egenskaperna hos prov nr 2 vid olika åldringstider vid 180 ℃, 185 ℃ och 190 ℃ visas i figur 3, vilka är sträckgräns, draghållfasthet och förlängning. Som visas i figur 3a ökar åldringstiden under 180 ℃ från 6 timmar till 12 timmar, och materialets sträckgräns minskar inte signifikant. Under 185 ℃, när åldringstiden ökar från 4 timmar till 12 timmar, ökar sträckgränsen först och minskar sedan, och åldringstiden som motsvarar det högsta hållfasthetsvärdet är 5-6 timmar. Under 190 ℃, när åldringstiden ökar, minskar sträckgränsen gradvis. Sammantaget gäller att vid de tre åldringstemperaturerna gäller att ju lägre åldringstemperaturen är, desto högre är materialets topphållfasthet. Draghållfasthetens egenskaper i figur 3b överensstämmer med sträckgränsen i figur 3a. Förlängningen vid olika åldringstemperaturer som visas i figur 3c ligger mellan 14 % och 17 %, utan något uppenbart förändringsmönster. Detta experiment testar toppåldringsstadiet till överåldringsstadiet, och på grund av de små experimentella skillnaderna gör testfelet att förändringsmönstret blir oklart.
Fig. 3 Mekaniska egenskaper hos material vid olika åldringstemperaturer och åldringstider
Efter ovanstående åldringsbehandling sammanfattas sprickbildningen i de nitade fogarna i tabell 4. Det framgår av tabell 4 att med tiden minskar sprickbildningen i de nitade fogarna till en viss grad. Vid 180 ℃, när åldringstiden överstiger 10 timmar, är den nitade fogens utseende i ett acceptabelt tillstånd, men instabilt. Vid 185 ℃, efter 7 timmars åldring, har den nitade fogens utseende inga sprickor och tillståndet är relativt stabilt. Vid 190 ℃ har den nitade fogens utseende inga sprickor och tillståndet är stabilt. Av nitningstestresultaten framgår att nitningsprestandan är bättre och mer stabil när legeringen är i ett överåldrat tillstånd. I kombination med användning av kroppsprofilen är nitning vid 180 ℃/10~12 timmar inte gynnsam för kvalitetsstabiliteten i den produktionsprocess som kontrolleras av OEM. För att säkerställa nitförbandets stabilitet måste åldringstiden förlängas ytterligare, men verifieringen av åldringstiden kommer att leda till minskad profilproduktionseffektivitet och ökade kostnader. Vid 190 ℃ kan alla prover uppfylla kraven för nitsprickbildning, men materialets hållfasthet minskas avsevärt. Enligt kraven för fordonskonstruktion måste sträckgränsen för 6082-legeringen garanteras vara större än 270 MPa. Därför uppfyller inte en åldringstemperatur på 190 ℃ kraven på materialhållfasthet. Samtidigt, om materialhållfastheten är för låg, kommer den återstående tjockleken på bottenplattan i nitförbandet att vara för liten. Efter åldring vid 190 ℃/8 timmar visar det nitade tvärsnittet att den återstående tjockleken är 0,26 mm, vilket inte uppfyller indexkravet på ≥0,3 mm, såsom visas i figur 4a. Sammantaget är den optimala åldringstemperaturen 185 ℃. Efter åldring i 7 timmar kan materialet stabilt uppfylla nitningskraven, och hållfastheten uppfyller prestandakraven. Med tanke på produktionsstabiliteten för nitningsprocessen i svetsverkstaden föreslås den optimala åldringstiden bestämmas till 8 timmar. Tvärsnittsegenskaperna under detta processsystem visas i figur 4b, vilket uppfyller kraven för sammankopplingsindex. De vänstra och högra sammankopplingarna är 0,90 mm och 0,75 mm, vilket uppfyller indexkraven på ≥0,4 mm, och den nedre resttjockleken är 0,38 mm.
Tabell 4 Sprickbildning av prov nr 2 vid olika temperaturer och olika åldringstider
Fig. 4 Tvärsnittsegenskaper för nitade fogar i 6082 bottenplattor vid olika åldrandetillstånd
3 Slutsats
Ju högre extruderingstemperaturen för 6082-aluminiumlegeringsprofiler är, desto grundare blir det grovkorniga ytskiktet efter extrudering. En grundare grovkornig skikttjocklek kan effektivt minska spänningskoncentrationsfaktorn vid korngränsen och därigenom hämma nitsprickbildning. Experimentell forskning har visat att den optimala extruderingstemperaturen inte är lägre än 485 ℃.
När tjockleken på det grovkorniga lagret av 6082-aluminiumlegeringsprofilen är densamma, är den effektiva spänningen i legeringens korngräns i överåldrat tillstånd mindre än i toppåldrat tillstånd, risken för sprickbildning under nitning är mindre och legeringens nitningsprestanda är bättre. Med hänsyn till de tre faktorerna nitningsstabilitet, nitförbandets sammankopplingsvärde, värmebehandlingens produktionseffektivitet och ekonomiska fördelar, bestäms det optimala åldringssystemet för legeringen till 185 ℃/8 timmar.
Publiceringstid: 5 april 2025
