Efterhånden som lande verden over lægger stor vægt på energibesparelse og emissionsreduktion, er udviklingen af rent elektriske nye energikøretøjer blevet en trend. Ud over batteriets ydeevne er karosseriets kvalitet også en afgørende faktor, der påvirker rækkevidden for nye energikøretøjer. Fremme af udviklingen af letvægts bilkarosseriestrukturer og forbindelser af høj kvalitet kan forbedre den omfattende rækkevidde for elbiler ved at reducere vægten af hele køretøjet så meget som muligt, samtidig med at køretøjets styrke og sikkerhedsydelse sikres. Med hensyn til letvægtning af biler tager stål-aluminium hybridkarosseriet hensyn til både karosseriets styrke og vægtreduktion og bliver et vigtigt middel til at opnå letvægtning af karosseriet.
Den traditionelle forbindelsesmetode til forbindelse af aluminiumslegeringer har dårlig forbindelsesydelse og lav pålidelighed. Selvgennemtrængende nitning, som en ny forbindelsesteknologi, er blevet meget anvendt i bilindustrien og luftfartsindustrien på grund af dens absolutte fordel ved forbindelse af lette legeringer og kompositmaterialer. I de senere år har kinesiske indenlandske forskere udført relevant forskning i selvgennemtrængende nitningteknologi og undersøgt virkningerne af forskellige varmebehandlingsmetoder på ydeevnen af TA1 industrielle, selvgennemtrængende, nittede samlinger af rent titanium. Det blev konstateret, at udglødning og bratkøling af varmebehandlingsmetoder forbedrede den statiske styrke af TA1 industrielle, selvgennemtrængende, nittede samlinger af rent titanium. Samlingsdannelsesmekanismen blev observeret og analyseret ud fra et materialeflowperspektiv, og samlingskvaliteten blev evalueret baseret på dette. Gennem metallografiske tests blev det konstateret, at det store plastiske deformationsområde blev raffineret til en fiberstruktur med en vis tendens, hvilket fremmede forbedringen af samlingens flydespænding og udmattelsesstyrke.
Ovenstående forskning fokuserer primært på de mekaniske egenskaber af samlingerne efter nitning af aluminiumlegeringsplader. I den faktiske nitningproduktion af bilkarosserier er revner i de nittede samlinger af ekstruderede aluminiumslegeringsprofiler, især højstyrkealuminiumlegeringer med et højt indhold af legeringselementer, såsom 6082 aluminiumlegering, de vigtigste faktorer, der begrænser anvendelsen af denne proces på bilkarosseriet. Samtidig påvirker form- og positionstolerancerne for de ekstruderede profiler, der anvendes på bilkarosseriet, såsom bøjning og vridning, direkte samlingen og brugen af profilerne og bestemmer også dimensionsnøjagtigheden af det efterfølgende bilkarosserie. For at kontrollere bøjning og vridning af profilerne og sikre profilernes dimensionsnøjagtighed er udover matricestrukturen også profilernes udløbstemperatur og online-hærdningshastigheden de vigtigste påvirkende faktorer. Jo højere udløbstemperaturen er og jo hurtigere hærdningshastigheden er, desto større er profilernes bøjnings- og vridningsgrad. For aluminiumslegeringsprofiler til bilkarosserier er det nødvendigt at sikre profilernes dimensionsnøjagtighed og sikre, at legeringsnitningerne ikke revner. Den enkleste måde at optimere legeringens dimensionsnøjagtighed og nitningsrevneevne på er at kontrollere revnedannelse ved at optimere opvarmningstemperaturen og ældningsprocessen for de ekstruderede stænger, samtidig med at materialesammensætningen, matricestrukturen, ekstruderingshastigheden og bratkølingshastigheden forbliver uændrede. For 6082 aluminiumlegering gælder det, under forudsætning af at andre procesbetingelser forbliver uændrede, at jo højere ekstruderingstemperaturen er, desto lavere er det grovkornede lag, men desto større er deformationen af profilen efter bratkøling.
Denne artikel anvender en 6082 aluminiumlegering med samme sammensætning som forskningsobjektet, anvender forskellige ekstruderingstemperaturer og forskellige ældningsprocesser til at fremstille prøver i forskellige tilstande og evaluerer virkningerne af ekstruderingstemperatur og ældningstilstand på nittetesten gennem nittetests. Baseret på de foreløbige resultater bestemmes den optimale ældningsproces yderligere for at give vejledning til den efterfølgende produktion af 6082 aluminiumlegeringsprofiler.
1 Eksperimentelle materialer og metoder
Som vist i tabel 1 blev 6082 aluminiumlegeringen smeltet og fremstillet til en rund barre ved semikontinuerlig støbning. Derefter, efter homogeniseringsvarmebehandling, blev barren opvarmet til forskellige temperaturer og ekstruderet til en profil på en 2200 t ekstruder. Profilvægtykkelsen var 2,5 mm, ekstruderingstøndetemperaturen var 440 ± 10 ℃, ekstruderingsdysens temperatur var 470 ± 10 ℃, ekstruderingshastigheden var 2,3 ± 0,2 mm/s, og profilafkølingsmetoden var stærk vindkøling. I henhold til opvarmningstemperaturen blev prøverne nummereret fra 1 til 3, hvoraf prøve 1 havde den laveste opvarmningstemperatur, og den tilsvarende barretemperatur var 470 ± 5 ℃, den tilsvarende barretemperatur for prøve 2 var 485 ± 5 ℃, og temperaturen for prøve 3 var den højeste, og den tilsvarende barretemperatur var 500 ± 5 ℃.
Tabel 1 Målt kemisk sammensætning af testlegeringen (massefraktion/%)
Under forudsætning af at andre procesparametre såsom materialesammensætning, matricestruktur, ekstruderingshastighed og bratkølingshastighed forbliver uændrede, ældes ovenstående prøver nr. 1 til 3, der er opnået ved at justere ekstruderingsopvarmningstemperaturen, i en kasseformet modstandsovn, og ældningssystemet er 180 ℃/6 timer og 190 ℃/6 timer. Efter isoleringen luftkøles de og nittes derefter for at evaluere indflydelsen af forskellige ekstruderingstemperaturer og ældningstilstande på nittetesten. Nittetesten bruger en 2,5 mm tyk 6082-legering med forskellige ekstruderingstemperaturer og forskellige ældningssystemer som bundplade og en 1,4 mm tyk 5754-O-legering som øvre plade til SPR-nittetesten. Nittematrice er M260238, og nitten er C5,3 × 6,0 H0. Derudover, for yderligere at bestemme den optimale ældningsproces, i henhold til indflydelsen af ekstruderingstemperatur og ældningstilstand på nitningsrevner, vælges pladen ved den optimale ekstruderingstemperatur og behandles derefter med forskellige temperaturer og forskellige ældningstider for at undersøge indflydelsen af ældningssystemet på nitningsrevner for endelig at bekræfte det optimale ældningssystem. Et højtydende mikroskop blev brugt til at observere materialets mikrostruktur ved forskellige ekstruderingstemperaturer, en MTS-SANS CMT5000-serie mikrocomputerstyret elektronisk universaltestmaskine blev brugt til at teste de mekaniske egenskaber, og et lavtydende mikroskop blev brugt til at observere de nittede samlinger efter nitning i forskellige tilstande.
2 Eksperimentelle resultater og diskussion
2.1 Effekt af ekstruderingstemperatur og ældningstilstand på revner i nitning
Der blev taget prøver langs tværsnittet af den ekstruderede profil. Efter grovslibning, finslibning og polering med sandpapir blev prøven korroderet med 10% NaOH i 8 minutter, og det sorte korrosionsprodukt blev tørret af med salpetersyre. Det grovkornede lag i prøven blev observeret med et højtydende mikroskop, som var placeret på overfladen uden for nittespændet på den tilsigtede nitteposition, som vist i figur 1. Den gennemsnitlige dybde af det grovkornede lag i prøve nr. 1 var 352 μm, den gennemsnitlige dybde af det grovkornede lag i prøve nr. 2 var 135 μm, og den gennemsnitlige dybde af det grovkornede lag i prøve nr. 3 var 31 μm. Forskellen i dybden af det grovkornede lag skyldes hovedsageligt de forskellige ekstruderingstemperaturer. Jo højere ekstruderingstemperaturen er, desto lavere er deformationsmodstanden for 6082-legeringen, desto mindre er den deformationsenergilagring, der genereres af friktionen mellem legeringen og ekstruderingsmatrice (især matricearbejdsbåndet), og desto mindre er den drivende kraft for omkrystallisation. Derfor er det grovkornede overfladelag mere overfladisk; jo lavere ekstruderingstemperaturen er, desto større er deformationsmodstanden, desto større er deformationsenergilagringen, desto lettere er det at omkrystallisere, og desto dybere er det grovkornede lag. For 6082-legeringen er mekanismen for grovkornet omkrystallisation sekundær omkrystallisation.
(a) Model 1
(b) Model 2
(c) Model 3
Figur 1 Tykkelse af grovkornet lag af ekstruderede profiler ved forskellige processer
Prøverne 1 til 3, der blev fremstillet ved forskellige ekstruderingstemperaturer, blev ældet ved henholdsvis 180 ℃/6 timer og 190 ℃/6 timer. De mekaniske egenskaber af prøve 2 efter de to ældningsprocesser er vist i tabel 2. Under de to ældningssystemer er flydespændingen og trækstyrken af prøven ved 180 ℃/6 timer betydeligt højere end ved 190 ℃/6 timer, mens forlængelsen af de to ikke er meget forskellig, hvilket indikerer, at 190 ℃/6 timer er en overældningsbehandling. Da de mekaniske egenskaber af 6-serie aluminiumlegering svinger meget med ændringen af ældningsprocessen i underældningstilstanden, er det ikke befordrende for stabiliteten af profilproduktionsprocessen og kontrollen af nittekvaliteten. Derfor er det ikke egnet at bruge underældningstilstanden til at producere karosseriprofiler.
Tabel 2 Mekaniske egenskaber for prøve nr. 2 under to ældningssystemer
Teststykkets udseende efter nitning er vist i figur 2. Da prøve nr. 1 med et dybere grovkornet lag blev nittet i maksimal ældningstilstand, havde nittens bundflade tydelig appelsinskal og revner, der var synlige for det blotte øje, som vist i figur 2a. På grund af den inkonsistente orientering inde i kornene vil deformationsgraden være ujævn under deformation, hvilket danner en ujævn overflade. Når kornene er grove, bliver ujævnhederne i overfladen større, hvilket danner et appelsinskalfænomen, der er synligt for det blotte øje. Da prøve nr. 3 med et mere overfladisk grovkornet lag, der var fremstillet ved at øge ekstruderingstemperaturen, blev nittet i maksimal ældningstilstand, var nittens bundflade relativt glat, og revnerne blev undertrykt i en vis grad, hvilket kun var synligt under mikroskopforstørrelse, som vist i figur 2b. Da prøve nr. 3 var i overældningstilstanden, blev der ikke observeret revner under mikroskopforstørrelse, som vist i figur 2c.
(a) Revner synlige for det blotte øje
(b) Små revner synlige under mikroskop
(c) Ingen revner
Figur 2 Forskellige grader af revnedannelse efter nitning
Overfladen efter nitning er primært i tre tilstande, nemlig revner synlige for det blotte øje (markeret "×"), små revner synlige under mikroskopforstørrelse (markeret "△") og ingen revner (markeret "○"). Resultaterne af nitningsmorfologien for ovenstående tre tilstandsprøver under to ældningssystemer er vist i tabel 3. Det kan ses, at når ældningsprocessen er konstant, er nitningsrevnedannelsen for prøven med højere ekstruderingstemperatur og tyndere grovkornet lag bedre end for prøven med et dybere grovkornet lag; når det grove kornlag er konstant, er nitningsrevnedannelsen i overældningstilstanden bedre end i den maksimale ældningstilstand.
Tabel 3. Udseende af prøverne 1 til 3 under to processystemer
Effekterne af kornmorfologi og ældningstilstand på profilers aksiale kompressionsrevneadfærd blev undersøgt. Materialets spændingstilstand under aksial kompression var i overensstemmelse med den ved selvgennemtrængende nitning. Undersøgelsen viste, at revnerne stammede fra korngrænserne, og revnemekanismen for Al-Mg-Si-legeringen blev forklaret ved hjælp af formlen.
σapp er den spænding, der påføres krystallen. Ved revnedannelse er σapp lig med den sande spændingsværdi, der svarer til trækstyrken; σa0 er modstanden af udfældningerne under intrakrystallinsk glidning; Φ er spændingskoncentrationskoefficienten, som er relateret til kornstørrelsen d og glidningsbredden p.
Sammenlignet med omkrystallisation er fiberstrukturen mere befordrende for revnedannelseshæmning. Hovedårsagen er, at kornstørrelsen d reduceres betydeligt på grund af kornforfining, hvilket effektivt kan reducere spændingskoncentrationsfaktoren Φ ved korngrænsen og derved hæmme revnedannelse. Sammenlignet med fiberstrukturen er spændingskoncentrationsfaktoren Φ for omkrystalliseret legering med grove korn ca. 10 gange højere end for førstnævnte.
Sammenlignet med maksimal ældning er overældningstilstanden mere befordrende for revnedannelseshæmning, hvilket bestemmes af de forskellige udfældningsfasetilstande inde i legeringen. Under maksimal ældning udfældes 20-50 nm 'β (Mg5Si6) faser i 6082-legeringen med et stort antal udfældninger og små størrelser; når legeringen er i overældning, falder antallet af udfældninger i legeringen, og størrelsen bliver større. De udfældninger, der genereres under ældningsprocessen, kan effektivt hæmme bevægelsen af dislokationer inde i legeringen. Dens fastgørelseskraft på dislokationer er relateret til størrelsen og volumenfraktionen af udfældningsfasen. Den empiriske formel er:
f er volumenfraktionen af udfældningsfasen; r er størrelsen af fasen; σa er grænsefladeenergien mellem fasen og matrixen. Formlen viser, at jo større størrelsen af udfældningsfasen er, og jo mindre volumenfraktionen er, jo mindre dens fastgørelseskraft på dislokationer er, desto lettere er det for dislokationer i legeringen at starte, og σa0 i legeringen vil falde fra maksimal ældning til overældningstilstanden. Selv hvis σa0 falder, når legeringen går fra maksimal ældning til overældningstilstanden, falder σapp-værdien på tidspunktet for legeringens revnedannelse mere, hvilket resulterer i et betydeligt fald i den effektive spænding ved korngrænsen (σapp-σa0). Den effektive spænding ved korngrænsen ved overældning er ca. 1/5 af den ved maksimal ældning, dvs. det er mindre sandsynligt, at det revner ved korngrænsen i overældningstilstanden, hvilket resulterer i bedre nitteevne for legeringen.
2.2 Optimering af ekstruderingstemperatur og ældningsprocessystem
Ifølge ovenstående resultater kan en forøgelse af ekstruderingstemperaturen reducere dybden af det grovkornede lag og derved hæmme revnedannelse i materialet under nitningsprocessen. Men under forudsætning af en bestemt legeringssammensætning, ekstruderingsdysestruktur og ekstruderingsproces, hvis ekstruderingstemperaturen er for høj, vil profilens bøjnings- og vridningsgrad på den ene side blive forværret under den efterfølgende bratkølingsproces, hvilket gør, at profilstørrelsestolerancen ikke opfylder kravene, og på den anden side vil det medføre, at legeringen let overbrændes under ekstruderingsprocessen, hvilket øger risikoen for materialeskrab. I betragtning af nitningstilstanden, profilstørrelsesprocessen, produktionsprocesvinduet og andre faktorer er den mere passende ekstruderingstemperatur for denne legering ikke mindre end 485 ℃, det vil sige prøve nr. 2. For at bekræfte det optimale ældningssystem blev ældningsprocessen optimeret baseret på prøve nr. 2.
De mekaniske egenskaber for prøve nr. 2 ved forskellige ældningstider ved 180 ℃, 185 ℃ og 190 ℃ er vist i figur 3, som er flydespænding, trækstyrke og forlængelse. Som vist i figur 3a øges ældningstiden under 180 ℃ fra 6 timer til 12 timer, og materialets flydespænding falder ikke signifikant. Under 185 ℃, når ældningstiden stiger fra 4 timer til 12 timer, øges flydespændingen først og falder derefter, og ældningstiden svarende til den højeste styrkeværdi er 5-6 timer. Under 190 ℃, når ældningstiden stiger, falder flydespændingen gradvist. Samlet set gælder det, at jo lavere ældningstemperaturen er, desto højere er materialets maksimale styrke ved de tre ældningstemperaturer. Trækstyrkens egenskaber i figur 3b er i overensstemmelse med flydespændingen i figur 3a. Forlængelsen ved forskellige ældningstemperaturer vist i figur 3c er mellem 14% og 17% uden noget tydeligt ændringsmønster. Dette eksperiment tester spidsældningsstadiet til overældningsstadiet, og på grund af de små eksperimentelle forskelle forårsager testfejlen, at ændringsmønsteret er uklart.
Fig. 3 Mekaniske egenskaber af materialer ved forskellige ældningstemperaturer og ældningstider
Efter ovenstående ældningsbehandling er revnerne i de nittede samlinger opsummeret i tabel 4. Det fremgår af tabel 4, at revnerne i de nittede samlinger undertrykkes i et vist omfang med tiden. Ved 180 ℃, når ældningstiden overstiger 10 timer, er den nittede samlings udseende i en acceptabel tilstand, men ustabil. Ved 185 ℃, efter ældning i 7 timer, er der ingen revner i udseendet af den nittede samling, og tilstanden er relativt stabil. Ved 190 ℃ er der ingen revner i udseendet af den nittede samling, og tilstanden er stabil. Ud fra nittetestresultaterne kan det ses, at nitteydelsen er bedre og mere stabil, når legeringen er i en overældet tilstand. Kombineret med brugen af kropsprofilen er nitning ved 180 ℃/10~12 timer ikke befordrende for kvalitetsstabiliteten i den produktionsproces, der kontrolleres af OEM'en. For at sikre stabiliteten af den nittede samling skal ældningstiden forlænges yderligere, men verifikationen af ældningstiden vil føre til reduceret profilproduktionseffektivitet og øgede omkostninger. Under betingelserne 190 ℃ kan alle prøver opfylde kravene til nitningsrevner, men materialets styrke reduceres betydeligt. I henhold til kravene til køretøjsdesign skal flydespændingen for 6082-legeringen garanteres at være større end 270 MPa. Derfor opfylder ældningstemperaturen på 190 ℃ ikke kravene til materialestyrke. Samtidig, hvis materialestyrken er for lav, vil den resterende tykkelse af bundpladen i den nittede samling være for lille. Efter ældning ved 190 ℃/8 timer viser de nittede tværsnitskarakteristika, at den resterende tykkelse er 0,26 mm, hvilket ikke opfylder indekskravet på ≥0,3 mm, som vist i figur 4a. Samlet set er den optimale ældningstemperatur 185 ℃. Efter 7 timers ældning kan materialet stabilt opfylde nittekravene, og styrken opfylder ydeevnekravene. I betragtning af produktionsstabiliteten af nitteprocessen i svejseværkstedet foreslås den optimale ældningstid at være 8 timer. Tværsnitskarakteristikaene under dette processystem er vist i figur 4b, som opfylder kravene til sammenkoblingsindekset. Venstre og højre sammenkoblinger er 0,90 mm og 0,75 mm, hvilket opfylder indekskravene på ≥0,4 mm, og den nederste resttykkelse er 0,38 mm.
Tabel 4 Revnedannelse af prøve nr. 2 ved forskellige temperaturer og forskellige ældningstider
Fig. 4 Tværsnitskarakteristika for nittede samlinger af 6082 bundplader ved forskellige aldringsstadier
3 Konklusion
Jo højere ekstruderingstemperaturen for 6082 aluminiumslegeringsprofiler er, desto lavere er det grovkornede lag på overfladen efter ekstrudering. En lavere grovkornet lagtykkelse kan effektivt reducere spændingskoncentrationsfaktoren ved korngrænsen og derved hæmme nitningsrevner. Eksperimentel forskning har vist, at den optimale ekstruderingstemperatur ikke er lavere end 485 ℃.
Når tykkelsen af det grovkornede lag af 6082 aluminiumlegeringsprofil er den samme, er den effektive spænding af legeringens korngrænse i overældningstilstanden mindre end i den maksimale ældningstilstand, risikoen for revner under nitning er mindre, og legeringens nitteevne er bedre. Under hensyntagen til de tre faktorer: nitningsstabilitet, nittesamlingens sammenlåsningsværdi, varmebehandlingens produktionseffektivitet og økonomiske fordele, bestemmes det optimale ældningssystem for legeringen til at være 185 ℃/8 timer.
Udsendelsestidspunkt: 05. april 2025
