Kadangi visame pasaulyje šalys teikia didelę reikšmę energijos taupymui ir išmetamųjų teršalų mažinimui, grynai elektrinių naujos energijos transporto priemonių kūrimas tapo tendencija. Be akumuliatoriaus veikimo, kėbulo kokybė taip pat yra labai svarbus veiksnys, turintis įtakos naujų energijos transporto priemonių važiavimo atstumui. Lengvų automobilių kėbulų konstrukcijų ir aukštos kokybės jungčių kūrimo skatinimas gali pagerinti visapusišką elektrinių transporto priemonių važiavimo atstumą, kiek įmanoma sumažinant visos transporto priemonės svorį ir kartu užtikrinant transporto priemonės tvirtumą bei saugumą. Kalbant apie automobilių lengvinimą, plieno ir aliuminio hibridinis kėbulas atsižvelgia tiek į kėbulo tvirtumą, tiek į svorio mažinimą, todėl tai yra svarbi priemonė siekiant lengvesnio kėbulo.
Tradicinis aliuminio lydinių jungimo būdas pasižymi prastu jungimo našumu ir mažu patikimumu. Savisriegis kniedymas, kaip nauja jungimo technologija, dėl savo absoliutaus pranašumo jungiant lengvuosius lydinius ir kompozicines medžiagas, buvo plačiai naudojamas automobilių pramonėje ir aviacijos bei kosmoso gamybos pramonėje. Pastaraisiais metais Kinijos mokslininkai atliko atitinkamus savaiminio kniedėjimo technologijos tyrimus ir tyrė skirtingų terminio apdorojimo metodų poveikį TA1 pramoninių gryno titano savaiminio kniedėjimo jungčių veikimui. Nustatyta, kad atkaitinimo ir grūdinimo terminio apdorojimo metodai pagerino TA1 pramoninių gryno titano savaiminio kniedėjimo jungčių statinį stiprumą. Jungties formavimo mechanizmas buvo stebimas ir analizuojamas medžiagų srauto požiūriu, o remiantis tuo buvo įvertinta jungties kokybė. Metalografiniais bandymais nustatyta, kad didelis plastinės deformacijos plotas buvo rafinuotas į pluošto struktūrą su tam tikra tendencija, o tai paskatino jungties takumo įtempio ir nuovargio stiprumo pagerėjimą.
Aukščiau aprašyti tyrimai daugiausia skirti aliuminio lydinio plokščių kniedėmis sujungimų mechaninėms savybėms. Faktiškai kniedėmis gaminant automobilių kėbulus, aliuminio lydinio ekstruzinio profilio, ypač didelio stiprumo aliuminio lydinių su dideliu legiruojančių elementų kiekiu, pvz., 6082 aliuminio lydinio, kniedėmis sujungimų įtrūkimai yra pagrindiniai veiksniai, ribojantys šio proceso taikymą automobilio kėbului. Tuo pačiu metu automobilio kėbului naudojamų ekstruzinio profilio formos ir padėties tolerancijos, pvz., lenkimas ir sukimas, tiesiogiai veikia profilių surinkimą ir naudojimą, taip pat lemia vėlesnio automobilio kėbulo matmenų tikslumą. Siekiant kontroliuoti profilių lenkimą ir sukimąsi bei užtikrinti profilių matmenų tikslumą, be štampo konstrukcijos, svarbiausi įtakos veiksniai yra profilių išėjimo temperatūra ir internetinis gesinimo greitis. Kuo aukštesnė išėjimo temperatūra ir kuo didesnis gesinimo greitis, tuo didesnis profilių lenkimo ir sukimo laipsnis. Automobilių kėbulams skirtų aliuminio lydinio profilių atveju būtina užtikrinti profilių matmenų tikslumą ir užtikrinti, kad lydinio kniedėmis nesusidarytų įtrūkimų. Paprasčiausias būdas optimizuoti lydinio matmenų tikslumą ir kniedijimo įtrūkimo savybes yra kontroliuoti įtrūkimą optimizuojant ekstruzinio strypo kaitinimo temperatūrą ir senėjimo procesą, išlaikant nepakitusią medžiagos sudėtį, štampo struktūrą, ekstruzijos greitį ir gesinimo greitį. 6082 aliuminio lydinio atveju, jei kitos proceso sąlygos nesikeičia, kuo aukštesnė ekstruzijos temperatūra, tuo mažesnis šiurkščiagrūdis sluoksnis, tačiau tuo didesnė profilio deformacija po gesinimo.
Šiame straipsnyje naudojamas 6082 aliuminio lydinys, kurio sudėtis tokia pati kaip ir tyrimo objekto, skirtingos ekstruzijos temperatūros ir skirtingi sendinimo procesai mėginiams paruošti skirtingose būsenose, ir įvertinamas ekstruzijos temperatūros bei sendinimo būsenos poveikis kniedėjimo bandymui atliekant kniedėjimo bandymus. Remiantis preliminariais rezultatais, toliau nustatomas optimalus sendinimo procesas, siekiant pateikti rekomendacijas vėlesnei 6082 aliuminio lydinio korpuso ekstruzijos profilių gamybai.
1 Eksperimentinės medžiagos ir metodai
Kaip parodyta 1 lentelėje, 6082 aliuminio lydinys buvo išlydytas ir paruoštas į apvalų luitą pusiau ištisinio liejimo būdu. Po homogenizavimo terminio apdorojimo luitas buvo kaitinamas iki skirtingos temperatūros ir ekstruduojamas į profilį 2200 t ekstruderiu. Profilio sienelės storis buvo 2,5 mm, ekstruzijos cilindro temperatūra – 440 ± 10 ℃, ekstruzijos matricos temperatūra – 470 ± 10 ℃, ekstruzijos greitis – 2,3 ± 0,2 mm/s, o profilio gesinimo būdas – aušinimas stipriu vėju. Pagal kaitinimo temperatūrą mėginiai buvo sunumeruoti nuo 1 iki 3, iš kurių 1 mėginys turėjo žemiausią kaitinimo temperatūrą, o atitinkama ruošinio temperatūra buvo 470 ± 5 ℃, atitinkama 2 mėginio ruošinio temperatūra buvo 485 ± 5 ℃, o 3 mėginio temperatūra buvo aukščiausia, o atitinkama ruošinio temperatūra buvo 500 ± 5 ℃.
1 lentelė. Išmatuota bandomojo lydinio cheminė sudėtis (masės dalis / %).
Jei kiti proceso parametrai, pvz., medžiagos sudėtis, štampo struktūra, ekstruzijos greitis, gesinimo greitis, nesikeičia, aukščiau minėti 1–3 pavyzdžiai, gauti reguliuojant ekstruzijos kaitinimo temperatūrą, sendinami dėžės tipo varžinėje krosnyje, o sendinimo sistema yra 180 ℃/6 val. ir 190 ℃/6 val. Po izoliacijos jie aušinami oru, o tada sukniedimi, siekiant įvertinti skirtingų ekstruzijos temperatūrų ir sendinimo būsenų įtaką kniedijimo bandymui. Kniedijimo bandymui kaip apatinė plokštė naudojamas 2,5 mm storio 6082 lydinys su skirtingomis ekstruzijos temperatūromis ir skirtingomis sendinimo sistemomis, o kaip viršutinė plokštė – 1,4 mm storio 5754-O lydinys SPR kniedijimo bandymui. Kniedijimo štampo medžiaga yra M260238, o kniedė – C5,3×6,0 H0. Be to, siekiant toliau nustatyti optimalų sendinimo procesą, atsižvelgiant į ekstruzijos temperatūros ir sendinimo būsenos įtaką kniedijimo įtrūkimams, parenkama optimalios ekstruzijos temperatūros plokštė, kuri apdorojama skirtingomis temperatūromis ir skirtingu sendinimo laiku, siekiant ištirti sendinimo sistemos įtaką kniedijimo įtrūkimams ir galiausiai patvirtinti optimalią sendinimo sistemą. Didelės galios mikroskopas buvo naudojamas medžiagos mikrostruktūrai stebėti skirtingose ekstruzijos temperatūrose, MTS-SANS CMT5000 serijos mikrokompiuteriu valdoma elektroninė universali bandymo mašina buvo naudojama mechaninėms savybėms patikrinti, o mažos galios mikroskopas buvo naudojamas kniedijimo jungtims stebėti po kniedėjimo įvairiose būsenose.
2Eksperimentiniai rezultatai ir aptarimas
2.1 Ekstruzijos temperatūros ir senėjimo būsenos įtaka kniedijimo įtrūkimams
Mėginiai buvo imami išilgai ekstruzinio profilio skerspjūvio. Po grubaus šlifavimo, smulkaus šlifavimo ir poliravimo švitriniu popieriumi, mėginys 8 minutes buvo korozijos veikiamas 10 % NaOH tirpalu, o juodas korozijos produktas nuvalytas azoto rūgštimi. Mėginio stambiagrūdis sluoksnis buvo stebimas didelio galingumo mikroskopu, kuris buvo ant paviršiaus už kniedės sagties, numatytoje kniedijimo vietoje, kaip parodyta 1 paveiksle. Vidutinis stambiagrūdžio sluoksnio gylis mėginio Nr. 1 buvo 352 μm, vidutinis stambiagrūdžio sluoksnio gylis mėginio Nr. 2 – 135 μm, o vidutinis stambiagrūdžio sluoksnio gylis mėginio Nr. 3 – 31 μm. Stambiagrūdžio sluoksnio gylio skirtumas daugiausia susijęs su skirtingomis ekstruzijos temperatūromis. Kuo aukštesnė ekstruzijos temperatūra, tuo mažesnis 6082 lydinio atsparumas deformacijai, tuo mažesnis deformacijos energijos kaupimas, kurį sukuria trintis tarp lydinio ir ekstruzijos matricos (ypač matricos darbinės juostos), ir tuo mažesnė rekristalizacijos varomoji jėga. Todėl paviršinis stambiagrūdžio sluoksnis yra seklesnis; Kuo žemesnė ekstruzijos temperatūra, tuo didesnis deformacijos atsparumas, tuo didesnis deformacijos energijos kaupimas, tuo lengviau rekristalizuotis ir kuo gilesnis šiurkščiagrūdžių sluoksnis. 6082 lydinio šiurkščiagrūdžių rekristalizacijos mechanizmas yra antrinis rekristalizavimas.
(a) 1 modelis
(b) 2 modelis
(c) 3 modelis
1 pav. Stambiagrūdžio sluoksnio storis, gautas ekstruzinio profilio pavidalu, naudojant skirtingus procesus.
1–3 mėginiai, paruošti skirtingose ekstruzijos temperatūrose, buvo sendinti atitinkamai 180 ℃/6 val. ir 190 ℃/6 val. temperatūroje. 2 mėginio mechaninės savybės po dviejų sendinimo procesų pateiktos 2 lentelėje. Taikant abi sendinimo sistemas, mėginio takumo riba ir tempiamasis stipris, esant 180 ℃/6 val. temperatūrai, yra žymiai didesni nei esant 190 ℃/6 val. temperatūrai, o abiejų pailgėjimas labai nesiskiria, o tai rodo, kad 190 ℃/6 val. temperatūra yra per sendinimo procesas. Kadangi 6 serijos aliuminio lydinio mechaninės savybės per sendinimo būsenoje labai svyruoja keičiantis sendinimo procesui, tai nepadeda profilių gamybos proceso stabilumui ir kniedijimo kokybės kontrolei. Todėl per sendinimo būsena netinka kėbulo profiliams gaminti.
2 lentelė. 2-ojo mėginio mechaninės savybės, veikiant dviem sendinimo sistemoms.
Bandinio išvaizda po kniedėjimo parodyta 2 paveiksle. Kai Nr. 1 bandinys su storesniu stambiagrūdžiu sluoksniu buvo kniedijamas didžiausio sendinimo būsenoje, kniedės apatinis paviršius turėjo akivaizdžią „apelsino žievelės“ efektą ir įtrūkimus, matomus plika akimi, kaip parodyta 2a paveiksle. Dėl netolygios orientacijos grūdelių viduje deformacijos laipsnis deformacijos metu bus netolygus, susidarys nelygus paviršius. Kai grūdeliai stambiagrūdžiai, paviršiaus nelygumai tampa didesni, susidarys „apelsino žievelės“ efektas, matomas plika akimi. Kai Nr. 3 bandinys su storesniu stambiagrūdžiu sluoksniu, paruoštu padidinus ekstruzijos temperatūrą, buvo kniedijamas didžiausio sendinimo būsenoje, kniedės apatinis paviršius buvo santykinai lygus, o įtrūkimai buvo tam tikru mastu sumažinti, tai buvo matoma tik padidinus mikroskopą, kaip parodyta 2b paveiksle. Kai Nr. 3 bandinys buvo pernelyg sendinimo būsenoje, padidinus mikroskopą įtrūkimų nepastebėta, kaip parodyta 2c paveiksle.
a) Įtrūkimai, matomi plika akimi
(b) Mikroskopu matomi nedideli įtrūkimai
(c) Nėra įtrūkimų
2 pav. Skirtingi įtrūkimų laipsniai po kniedėmis sujungimo
Po kniedijimo paviršius daugiausia yra trijų būsenų: įtrūkimai matomi plika akimi (pažymėti „ד), nedideli įtrūkimai matomi pro mikroskopo didinimą (pažymėti „△“) ir nėra įtrūkimų (pažymėta „○“). Minėtų trijų būsenų bandinių kniedijimo morfologijos rezultatai, gauti naudojant dvi sendinimo sistemas, pateikti 3 lentelėje. Matyti, kad kai sendinimo procesas yra pastovus, bandinio su aukštesne ekstruzijos temperatūra ir plonesniu stambiagrūdžiu sluoksniu kniedijimo įtrūkimo charakteristikos yra geresnės nei bandinio su gilesniu stambiagrūdžiu sluoksniu; kai stambiagrūdis sluoksnis yra pastovus, per didelio sendinimo būsenos kniedijimo įtrūkimo charakteristikos yra geresnės nei piko sendinimo būsenos.
3 lentelė. 1–3 mėginių sukibimo išvaizda naudojant dvi procesų sistemas
Buvo tirta grūdelių morfologijos ir senėjimo būsenos įtaka profilių ašinio gniuždymo įtrūkimų elgsenai. Medžiagos įtempių būsena ašinio gniuždymo metu atitiko savaime pradurto kniedinimo įtempių būseną. Tyrimo metu nustatyta, kad įtrūkimai atsirado dėl grūdelių ribų, o Al-Mg-Si lydinio įtrūkimų mechanizmas paaiškintas formule.
σapp yra kristalui veikiantis įtempis. Įtrūkimo metu σapp yra lygus tikrajai įtempio vertei, atitinkančiai tempiamąjį stiprį; σa0 yra nuosėdų pasipriešinimas kristalinio slydimo metu; Φ yra įtempių koncentracijos koeficientas, susijęs su grūdelių dydžiu d ir slydimo pločiu p.
Palyginti su rekristalizacija, pluoštinė grūdėtoji struktūra labiau skatina įtrūkimų slopinimą. Pagrindinė priežastis yra ta, kad dėl grūdelių smulkinimo žymiai sumažėja grūdelių dydis d, o tai gali efektyviai sumažinti įtempių koncentracijos koeficientą Φ grūdelių riboje ir taip slopinti įtrūkimų atsiradimą. Palyginti su pluoštine struktūra, rekristalizuoto lydinio su stambiagrūdžiu įtempių koncentracijos koeficientas Φ yra maždaug 10 kartų didesnis nei pirmojo.
Palyginti su piko senėjimu, per didelio senėjimo būsena yra palankesnė įtrūkimų slopinimui, kurį lemia skirtingos iškritimo fazės būsenos lydinio viduje. Piko senėjimo metu 6082 lydinyje iškrenta 20–50 nm storio 'β (Mg5Si6) fazės, kuriose susidaro daug iškritimų ir maži jų dydžiai; kai lydinys per daug sensta, iškritų skaičius lydinyje mažėja, o jų dydis didėja. Senėjimo proceso metu susidariusios iškritos gali veiksmingai slopinti dislokacijų judėjimą lydinio viduje. Jų prispaudimo jėga dislokacijoms yra susijusi su iškritimo fazės dydžiu ir tūrio dalimi. Empirinė formulė yra:
f yra nuosėdų fazės tūrio dalis; r yra fazės dydis; σa yra fazės ir matricos sąsajos energija. Formulė rodo, kad kuo didesnis nuosėdų fazės dydis ir mažesnė tūrio dalis, tuo mažesnė jos prispaudimo jėga dislokacijoms, tuo lengviau lydinyje prasidėti dislokacijoms, o lydinio σa0 mažėja nuo piko senėjimo iki persenėjimo būsenos. Net jei σa0 mažėja, lydiniui pereinant iš piko senėjimo į persenėjimo būseną, σapp vertė lydinio krekingo metu dar labiau sumažėja, todėl žymiai sumažėja efektyvusis įtempis grūdelių riboje (σapp-σa0). Efektyvusis įtempis grūdelių riboje persenėjimo metu yra maždaug 1/5 to, kuris yra piko senėjimo metu, tai yra, persenėjimo būsenoje mažesnė tikimybė, kad grūdelių riba įtrūks, todėl lydinys geriau kniedžia.
2.2 Ekstruzijos temperatūros ir senėjimo proceso sistemos optimizavimas
Remiantis aukščiau pateiktais rezultatais, padidinus ekstruzijos temperatūrą, galima sumažinti šiurkščiagrūdžio sluoksnio storį, taip slopinant medžiagos įtrūkimus kniedėjimo proceso metu. Tačiau, atsižvelgiant į tam tikrą lydinio sudėtį, ekstruzijos matricos struktūrą ir ekstruzijos procesą, jei ekstruzijos temperatūra yra per aukšta, viena vertus, profilio lenkimo ir sukimo laipsnis vėlesnio grūdinimo proceso metu padidės, todėl profilio dydžio tolerancija neatitiks reikalavimų, kita vertus, lydinys ekstruzijos proceso metu lengvai perdegs, todėl padidės medžiagos dūžio rizika. Atsižvelgiant į kniedėjimo būseną, profilio dydžio procesą, gamybos proceso langą ir kitus veiksnius, šiam lydiniui tinkamesnė ekstruzijos temperatūra yra ne mažesnė kaip 485 ℃, t. y. 2 pavyzdys. Siekiant patvirtinti optimalią sendinimo proceso sistemą, sendinimo procesas buvo optimizuotas remiantis 2 pavyzdžiu.
3 paveiksle parodytos 2 bandinio mechaninės savybės, išmatuotos esant skirtingam sendinimo laikui 180 ℃, 185 ℃ ir 190 ℃ temperatūrose: takumo stipris, tempiamasis stipris ir pailgėjimas. Kaip parodyta 3a paveiksle, esant 180 ℃ temperatūrai, sendinimo laikas pailgėja nuo 6 val. iki 12 val., o medžiagos takumo stipris reikšmingai nesumažėja. Esant 185 ℃ temperatūrai, sendinimo laikui ilgėjant nuo 4 val. iki 12 val., takumo stipris pirmiausia didėja, o vėliau mažėja, o sendinimo laikas, atitinkantis didžiausią stiprumo vertę, yra 5–6 val. Esant 190 ℃ temperatūrai, ilgėjant sendinimo laikui, takumo stipris palaipsniui mažėja. Apskritai, esant trims sendinimo temperatūroms, kuo žemesnė sendinimo temperatūra, tuo didesnis medžiagos didžiausias stiprumas. 3b paveiksle pateiktos tempiamojo stiprio charakteristikos atitinka 3a paveiksle pateiktą takumo stiprio charakteristikas. 3c paveiksle parodytas pailgėjimas esant skirtingoms sendinimo temperatūroms yra nuo 14 % iki 17 %, be akivaizdaus pokyčių modelio. Šiame eksperimente tiriamas piko senėjimas iki per didelio senėjimo etapo, ir dėl nedidelių eksperimentinių skirtumų bandymo paklaida lemia, kad pokyčių modelis nėra aiškus.
3 pav. Medžiagų mechaninės savybės esant skirtingoms sendinimo temperatūroms ir sendinimo laikams
Po minėto sendinimo apdorojimo kniedytų jungčių įtrūkimai apibendrinti 4 lentelėje. Iš 4 lentelės matyti, kad laikui bėgant kniedytų jungčių įtrūkimai tam tikru mastu sumažėja. Esant 180 ℃ temperatūrai, kai sendinimo laikas viršija 10 val., kniedytos jungties išvaizda yra priimtina, bet nestabili. Esant 185 ℃ temperatūrai, po 7 val. sendinimo kniedytos jungties išvaizda nėra įtrūkimų, o būsena yra santykinai stabili. Esant 190 ℃ temperatūrai, kniedytos jungties išvaizda nėra įtrūkimų, o būsena yra stabili. Iš kniedėjimo bandymo rezultatų matyti, kad kniedėjimo charakteristikos yra geresnės ir stabilesnės, kai lydinys yra persendintos būsenos. Kartu su korpuso profiliu, kniedymas 180 ℃ temperatūroje per 10–12 val. nepadeda užtikrinti originalios įrangos gamintojo (OEM) kontroliuojamo gamybos proceso kokybės stabilumo. Siekiant užtikrinti kniedytos jungties stabilumą, sendinimo laiką reikia dar labiau pailginti, tačiau sendinimo laiko patikrinimas sumažins profilių gamybos efektyvumą ir padidins sąnaudas. Esant 190 ℃ temperatūrai, visi pavyzdžiai gali atitikti kniedėjimo įtrūkimo reikalavimus, tačiau medžiagos stiprumas žymiai sumažėja. Pagal transporto priemonių projektavimo reikalavimus, 6082 lydinio takumo riba turi būti garantuotai didesnė nei 270 MPa. Todėl 190 ℃ sendinimo temperatūra neatitinka medžiagos stiprumo reikalavimų. Tuo pačiu metu, jei medžiagos stiprumas yra per mažas, kniedytos jungties apatinės plokštės likęs storis bus per mažas. Po sendinimo 190 ℃/8 val., kniedytos jungties skerspjūvio charakteristikos rodo, kad likęs storis yra 0,26 mm, o tai neatitinka ≥0,3 mm indekso reikalavimo, kaip parodyta 4a paveiksle. Apskritai, optimali sendinimo temperatūra yra 185 ℃. Po 7 valandų sendinimo medžiaga gali stabiliai atitikti kniedėjimo reikalavimus, o stiprumas atitinka eksploatacinius reikalavimus. Atsižvelgiant į kniedėjimo proceso gamybos stabilumą suvirinimo dirbtuvėse, optimalus sendinimo laikas siūlomas nustatyti kaip 8 val. Šios proceso sistemos skerspjūvio charakteristikos parodytos 4b paveiksle, kurios atitinka sujungimo indekso reikalavimus. Kairysis ir dešinysis sujungimo taškai yra 0,90 mm ir 0,75 mm, kurie atitinka ≥0,4 mm indekso reikalavimus, o apatinis likęs storis yra 0,38 mm.
4 lentelė. 2-ojo mėginio įtrūkimai skirtingose temperatūrose ir skirtingu sendinimo laiku
4 pav. 6082 dugno plokščių kniedytų jungčių skerspjūvio charakteristikos esant skirtingoms senėjimo būsenoms
3 Išvada
Kuo aukštesnė 6082 aliuminio lydinio profilių ekstruzijos temperatūra, tuo mažesnis paviršinis šiurkščiagrūdis sluoksnis po ekstruzijos. Mažesnis šiurkščiagrūdžio sluoksnio storis gali efektyviai sumažinti įtempių koncentracijos koeficientą grūdelių riboje, taip užkertant kelią kniedijimo įtrūkimams. Eksperimentiniai tyrimai parodė, kad optimali ekstruzijos temperatūra yra ne žemesnė kaip 485 ℃.
Kai 6082 aliuminio lydinio profilio šiurkščiagrūdžio sluoksnio storis yra vienodas, lydinio grūdelių ribos efektyvusis įtempis per didelio senėjimo būsenoje yra mažesnis nei piko senėjimo būsenoje, įtrūkimų rizika kniedėmis yra mažesnė, o lydinio kniedėjimo charakteristikos geresnės. Atsižvelgiant į tris veiksnius: kniedėjimo stabilumą, kniedytų jungčių sujungimo vertę, terminio apdorojimo gamybos efektyvumą ir ekonominę naudą, optimali lydinio senėjimo sistema yra 185 ℃/8 val.
Įrašo laikas: 2025 m. balandžio 5 d.
