Паколькі краіны па ўсім свеце надаюць вялікае значэнне энергазберажэнню і скарачэнню выкідаў, распрацоўка цалкам электрычных аўтамабіляў на новых крыніцах энергіі стала тэндэнцыяй. Акрамя прадукцыйнасці акумулятара, якасць кузава таксама з'яўляецца вырашальным фактарам, які ўплывае на запас ходу аўтамабіляў на новых крыніцах энергіі. Садзейнічанне распрацоўцы лёгкіх канструкцый кузава аўтамабіляў і высакаякасных злучэнняў можа палепшыць поўны запас ходу электрамабіляў, максімальна знізіўшы вагу ўсяго аўтамабіля, адначасова забяспечваючы трываласць і бяспеку аўтамабіля. Што тычыцца памяншэння вагі аўтамабіляў, гібрыдны кузаў са сталі і алюмінію ўлічвае як трываласць, так і зніжэнне вагі кузава, становячыся важным сродкам дасягнення памяншэння вагі кузава.
Традыцыйны метад злучэння алюмініевых сплаваў мае дрэнную прадукцыйнасць і нізкую надзейнасць. Самапраколная клёпка, як новая тэхналогія злучэння, шырока выкарыстоўваецца ў аўтамабільнай і аэракасмічнай прамысловасці дзякуючы сваёй абсалютнай перавазе ў злучэнні лёгкіх сплаваў і кампазітных матэрыялаў. У апошнія гады кітайскія навукоўцы правялі адпаведныя даследаванні тэхналогіі самапраколнай клёпкі і вывучылі ўплыў розных метадаў тэрмічнай апрацоўкі на прадукцыйнасць самапраколных клёпачных злучэнняў з чыстага тытана прамысловых TA1. Было ўстаноўлена, што метады тэрмічнай апрацоўкі адпалам і загартоўкай палепшылі статычную трываласць самапраколных клёпачных злучэнняў з чыстага тытана прамысловых TA1. Механізм утварэння злучэння быў назіраны і прааналізаваны з пункту гледжання патоку матэрыялу, і на аснове гэтага была ацэнена якасць злучэння. З дапамогай металаграфічных выпрабаванняў было ўстаноўлена, што вялікая плошча пластычнай дэфармацыі была ўдасканалена ў валакністую структуру з пэўнай тэндэнцыяй, што спрыяла паляпшэнню мяжы цякучасці і трываласці злучэння на стомленасць.
Вышэйзгаданыя даследаванні ў асноўным сканцэнтраваны на механічных уласцівасцях злучэнняў пасля клёпкі пласцін з алюмініевых сплаваў. У рэальнай клёпкавай вытворчасці кузаваў аўтамабіляў расколіны ў клёпкавых злучэннях экструдаваных профіляў з алюмініевых сплаваў, асабліва высокатрывалых алюмініевых сплаваў з высокім утрыманнем легіруючых элементаў, такіх як алюмініевы сплаў 6082, з'яўляюцца ключавымі фактарамі, якія абмяжоўваюць прымяненне гэтага працэсу на кузаве аўтамабіля. У той жа час, дапушчальныя адхіленні формы і становішча экструдаваных профіляў, якія выкарыстоўваюцца на кузаве аўтамабіля, такія як выгіб і скручванне, непасрэдна ўплываюць на зборку і выкарыстанне профіляў, а таксама вызначаюць дакладнасць памераў наступнага кузава аўтамабіля. Для кантролю выгібу і скручвання профіляў і забеспячэння дакладнасці памераў профіляў, акрамя канструкцыі формы, найбольш важнымі фактарамі ўплыву з'яўляюцца тэмпература на выхадзе профіляў і хуткасць загартоўкі ў рэжыме рэальнага часу. Чым вышэй тэмпература на выхадзе і чым хутчэй хуткасць загартоўкі, тым большая ступень выгібу і скручвання профіляў. Для профіляў з алюмініевых сплаваў для кузаваў аўтамабіляў неабходна забяспечыць дакладнасць памераў профіляў і пераканацца, што клёпка сплаву не расколініцца. Найпрасцейшы спосаб аптымізацыі дакладнасці памераў і характарыстык расколіны пры заклёпванні сплаву - гэта кантроль расколіны шляхам аптымізацыі тэмпературы нагрэву і працэсу старэння экструдаваных стрыжняў, захоўваючы пры гэтым нязменным склад матэрыялу, структуру формы, хуткасць экструзіі і хуткасць загартоўкі. Для алюмініевага сплаву 6082, пры ўмове, што іншыя ўмовы працэсу застаюцца нязменнымі, чым вышэй тэмпература экструзіі, тым меншы буйназярністы пласт, але тым большая дэфармацыя профілю пасля загартоўкі.
У гэтай працы выкарыстоўваецца алюмініевы сплаў 6082 з такім жа складам, як і аб'ект даследавання, выкарыстоўваюцца розныя тэмпературы экструзіі і розныя працэсы старэння для падрыхтоўкі ўзораў у розных станах, а таксама ацэньваецца ўплыў тэмпературы экструзіі і стану старэння на выпрабаванне на клёпкі. На падставе папярэдніх вынікаў дадаткова вызначаецца аптымальны працэс старэння, які будзе служыць рэкамендацыямі для наступнай вытворчасці экструзійных профіляў карпусоў з алюмініевага сплаву 6082.
1 Эксперыментальныя матэрыялы і метады
Як паказана ў Табліцы 1, алюмініевы сплаў 6082 быў расплаўлены і падрыхтаваны да круглага злітка метадам паўбесперапыннага ліцця. Затым, пасля гамагенізацыйнай тэрмічнай апрацоўкі, злітак награваўся да розных тэмператур і экструдаваўся ў профіль на экструдары магутнасцю 2200 тон. Таўшчыня сценкі профілю складала 2,5 мм, тэмпература экструзійнай цыліндры — 440±10 ℃, тэмпература экструзійнай формы — 470±10 ℃, хуткасць экструзіі — 2,3±0,2 мм/с, а метад загартоўкі профілю — астуджэнне моцным ветрам. У залежнасці ад тэмпературы нагрэву ўзоры былі пранумараваны ад 1 да 3, сярод якіх узор 1 меў найменшую тэмпературу нагрэву, а адпаведная тэмпература нарыхтоўкі — 470±5 ℃, адпаведная тэмпература нарыхтоўкі ўзору 2 — 485±5 ℃, а тэмпература ўзору 3 была найвышэйшай, а адпаведная тэмпература нарыхтоўкі — 500±5 ℃.
Табліца 1 Вымераны хімічны склад даследаванага сплаву (масавая доля/%)
Пры ўмове, што іншыя параметры працэсу, такія як склад матэрыялу, структура прэс-формы, хуткасць экструзіі, хуткасць загартоўкі, застаюцца нязменнымі, вышэйзгаданыя ўзоры № 1-3, атрыманыя шляхам рэгулявання тэмпературы экструзійнага нагрэву, вытрымліваюцца ў печы супраціву скрынкавага тыпу пры тэмпературы 180 ℃/6 гадзін і 190 ℃/6 гадзін. Пасля ізаляцыі яны астуджаюцца на паветры, а затым зклёпваюцца, каб ацаніць уплыў розных тэмператур экструзіі і станаў старэння на выпрабаванне на клёпкі. У якасці ніжняй пласціны для выпрабавання на клёпкі выкарыстоўваецца сплаў 6082 таўшчынёй 2,5 мм з рознымі тэмпературамі экструзіі і рознымі сістэмамі старэння, а ў якасці верхняй пласціны для выпрабавання на клёпкі SPR - сплаў 5754-O таўшчынёй 1,4 мм. Выкарыстоўваецца прэс-форма M260238, а заклёпка - C5,3×6,0 H0. Акрамя таго, для далейшага вызначэння аптымальнага працэсу старэння, у залежнасці ад уплыву тэмпературы экструзіі і стану старэння на расколіны пры клёпках, выбіраецца пласціна з аптымальнай тэмпературай экструзіі, а затым апрацоўваецца рознымі тэмпературамі і розным часам старэння для вывучэння ўплыву сістэмы старэння на расколіны пры клёпках, каб канчаткова пацвердзіць аптымальную сістэму старэння. Для назірання за мікраструктурай матэрыялу пры розных тэмпературах экструзіі выкарыстоўваўся магутны мікраскоп, для праверкі механічных уласцівасцей — універсальная электронная выпрабавальная машына з мікракамп'ютарам серыі MTS-SANS CMT5000, а для назірання за клёпанымі злучэннямі пасля клёпкі ў розных станах выкарыстоўваўся малы мікраскоп.
2. Вынікі эксперыментаў і іх абмеркаванне
2.1 Уплыў тэмпературы экструзіі і стану старэння на расколіны пры заклёпванні
Узоры былі адабраны ўздоўж папярочнага сячэння экструдаванага профілю. Пасля грубага шліфавання, дробнага шліфавання і паліроўкі наждачнай паперай узор быў апрацаваны 10% растворам NaOH на працягу 8 хвілін, а чорны прадукт карозіі быў праціраны азотнай кіслатой. Буйны пласт узору назіраўся з дапамогай мікраскопа высокага павелічэння, які знаходзіўся на паверхні звонку заклёпкі ў меркаваным месцы клёпкі, як паказана на малюнку 1. Сярэдняя глыбіня буйнага пласта ўзору № 1 складала 352 мкм, сярэдняя глыбіня буйнага пласта ўзору № 2 — 135 мкм, а сярэдняя глыбіня буйнага пласта ўзору № 3 — 31 мкм. Розніца ў глыбіні буйнага пласта ў асноўным абумоўлена рознымі тэмпературамі экструзіі. Чым вышэй тэмпература экструзіі, тым ніжэйшы супраціў дэфармацыі сплаву 6082, тым меншы запас энергіі дэфармацыі, які ствараецца трэннем паміж сплавам і экструзійнай матрицай (асабліва рабочай стужкай матрицы), і тым меншая рухаючая сіла рэкрышталізацыі. Такім чынам, павярхоўны буйны пласт больш дробны; Чым ніжэйшая тэмпература экструзіі, тым большы супраціў дэфармацыі, тым большы запас энергіі дэфармацыі, тым лягчэй перакрышталізацыя і тым глыбейшы пласт буйнога зерня. Для сплаву 6082 механізмам перакрышталізацыі буйнога зерня з'яўляецца другасная перакрышталізацыя.
(а) Мадэль 1
(б) Мадэль 2
(c) Мадэль 3
Малюнак 1. Таўшчыня буйназярністага пласта экструдаваных профіляў, атрыманых рознымі спосабамі
Узоры з 1 па 3, падрыхтаваныя пры розных тэмпературах экструзіі, былі вытрыманы пры тэмпературах 180 ℃/6 гадзін і 190 ℃/6 гадзін адпаведна. Механічныя ўласцівасці ўзору 2 пасля двух працэсаў вытрымкі паказаны ў табліцы 2. Пры дзвюх сістэмах вытрымкі мяжа цякучасці і трываласць на расцяжэнне ўзору пры 180 ℃/6 гадзін значна вышэйшыя, чым пры 190 ℃/6 гадзін, у той час як падаўжэнне паміж імі не моцна адрозніваецца, што сведчыць аб тым, што 190 ℃/6 гадзін з'яўляецца апрацоўкай празмернага вытрымкі. Паколькі механічныя ўласцівасці алюмініевага сплаву 6-й серыі значна вагаюцца са зменай працэсу вытрымкі ў стане недастатковага вытрымкі, гэта не спрыяе стабільнасці працэсу вытворчасці профіляў і кантролю якасці клёпак. Такім чынам, выкарыстанне стану недастатковага вытрымкі для вырабу профіляў кузава не з'яўляецца мэтазгодным.
Табліца 2 Механічныя ўласцівасці ўзору № 2 пры двух сістэмах старэння
Знешні выгляд выпрабавальнага ўзору пасля клёпкі паказаны на малюнку 2. Калі ўзор № 1 з больш глыбокім буйназярністым пластом быў заклёпаны ў стане пікавага старэння, ніжняя паверхня заклёпкі мела відавочную «апельсінавую скарынку» і расколіны, бачныя няўзброеным вокам, як паказана на малюнку 2a. З-за неадпаведнай арыентацыі ўнутры зерняў ступень дэфармацыі падчас дэфармацыі будзе нераўнамернай, утвараючы няроўную паверхню. Калі зерні буйныя, няроўнасць паверхні становіцца большай, утвараючы з'яву «апельсінавай скарынкі», бачную няўзброеным вокам. Калі ўзор № 3 з больш дробным буйназярністым пластом, падрыхтаваным шляхам павышэння тэмпературы экструзіі, быў заклёпаны ў стане пікавага старэння, ніжняя паверхня заклёпкі была адносна гладкай, а расколіны былі да пэўнай ступені падаўлены, што было бачна толькі пад павелічэннем мікраскопа, як паказана на малюнку 2b. Калі ўзор № 3 знаходзіўся ў стане празмернага старэння, расколіны пад павелічэннем мікраскопа не назіраліся, як паказана на малюнку 2c.
а) расколіны, бачныя няўзброеным вокам
(b) Невялікія расколіны, бачныя пад мікраскопам
(c) Няма расколін
Малюнак 2 Розныя ступені расколін пасля клёпвання
Паверхня пасля клёпкі знаходзіцца ў асноўным у трох станах, а менавіта: расколіны, бачныя няўзброеным вокам (пазначаны «×»), нязначныя расколіны, бачныя пад павелічэннем мікраскопа (пазначаны «△»), і адсутнасць расколін (пазначаны «○»). Вынікі марфалогіі клёпкі вышэйзгаданых трох станаў узораў пры дзвюх сістэмах старэння паказаны ў табліцы 3. Відаць, што пры пастаянным працэсе старэння характарыстыкі клёпкі па расколінах узору з больш высокай тэмпературай экструзіі і больш тонкім пластом буйнога зярністага зерня лепшыя, чым у ўзору з больш глыбокім пластом буйнога зярністага зерня; калі пласт буйнога зярністага зерня пастаянны, характарыстыкі клёпкі па расколінах у стане празмернага старэння лепшыя, чым у стане пікавага старэння.
Табліца 3. Выгляд узораў 1–3, якія выглядалі як заклёпкі, пры апрацоўцы дзвюх сістэм працэсу.
Было вывучана ўздзеянне марфалогіі зерняў і стану старэння на паводзіны профіляў пры восевым сцісканні пры растрэскванні. Напружаны стан матэрыялу падчас восевага сціскання адпавядаў стану самапраколвальнага заклёпвання. Даследаванне паказала, што расколіны ўзнікаюць на межах зерняў, а механізм растрэсквання сплаву Al-Mg-Si быў растлумачаны формулай.
σapp — напружанне, прыкладзенае да крышталя. Пры расколванні σapp роўна сапраўднаму значэнню напружання, якое адпавядае трываласці на расцяжэнне; σa0 — супраціўленне вылучэнняў пры ўнутрыкрышталічным слізганні; Φ — каэфіцыент канцэнтрацыі напружанняў, які звязаны з памерам зерня d і шырынёй слізгання p.
У параўнанні з перакрышталізацыяй, валакністая структура зерня больш спрыяе інгібіраванню расколін. Асноўная прычына заключаецца ў тым, што памер зерня d значна памяншаецца з-за драбнення зерня, што можа эфектыўна знізіць каэфіцыент канцэнтрацыі напружанняў Φ на мяжы зерня, тым самым інгібіруючы расколіны. У параўнанні з валакністай структурай, каэфіцыент канцэнтрацыі напружанняў Φ перакрышталізаванага сплаву з буйнымі зернямі прыкладна ў 10 разоў вышэйшы за першы.
У параўнанні з пікавым старэннем, стан празмернага старэння больш спрыяе інгібіраванню расколін, што вызначаецца рознымі фазавымі станамі выпадзення ўнутры сплаву. Падчас пікавага старэння ў сплаве 6082 выпадаюць фазы 'β (Mg5Si6) памерам 20-50 нм з вялікай колькасцю выпадзенняў і малых памераў; калі сплаў знаходзіцца ў стане празмернага старэння, колькасць выпадзенняў у сплаве памяншаецца, а іх памер павялічваецца. Выпадзенні, якія ўтвараюцца падчас працэсу старэння, могуць эфектыўна інгібіраваць рух дыслакацый унутры сплаву. Сіла замацавання дыслакацый звязана з памерам і аб'ёмнай доляй выпадзенай фазы. Эмпірычная формула:
f — аб'ёмная доля асадкавай фазы; r — памер фазы; σa — энергія мяжы паміж фазай і матрыцай. Формула паказвае, што чым большы памер асадкавай фазы і чым меншая аб'ёмная доля, тым меншая сіла яе замацавання на дыслакацыях, тым лягчэй дыслакацыям у сплаве пачацца ўтварэнне, і σa0 у сплаве будзе змяншацца ад пікавага старэння да стану празмернага старэння. Нават калі σa0 памяншаецца, калі сплаў пераходзіць ад пікавага старэння да стану празмернага старэння, значэнне σapp у момант расколіны сплаву змяншаецца яшчэ больш, што прыводзіць да значнага зніжэння эфектыўнага напружання на мяжы зерня (σapp-σa0). Эфектыўнае напружанне на мяжы зерня празмернага старэння складае прыкладна 1/5 ад таго, якое назіраецца пры пікавым старэнні, гэта значыць, меншая верагоднасць расколін на мяжы зерня ў стане празмернага старэння, што прыводзіць да лепшых клёпачных характарыстык сплаву.
2.2 Аптымізацыя тэмпературы экструзіі і сістэмы працэсу старэння
Згодна з вышэйзгаданымі вынікамі, павышэнне тэмпературы экструзіі можа паменшыць глыбіню буйназярністага пласта, тым самым перашкаджаючы расколінам матэрыялу падчас працэсу клёпкі. Аднак, пры ўмове пэўнага складу сплаву, структуры экструзійнай формы і працэсу экструзіі, калі тэмпература экструзіі занадта высокая, з аднаго боку, ступень выгібу і скручвання профілю будзе пагаршацца падчас наступнага працэсу загартоўкі, што прывядзе да таго, што дапушчальныя адхіленні памеру профілю не будуць адпавядаць патрабаванням, а з іншага боку, гэта прывядзе да лёгкага перагарання сплаву падчас працэсу экструзіі, павялічваючы рызыку аблому матэрыялу. Улічваючы стан клёпкі, працэс памеру профілю, вытворчае акно і іншыя фактары, найбольш прыдатная тэмпература экструзіі для гэтага сплаву складае не менш за 485 ℃, гэта значыць, узор № 2. Для пацверджання аптымальнай сістэмы працэсу старэння працэс старэння быў аптымізаваны на аснове ўзору № 2.
Механічныя ўласцівасці ўзору № 2 пры розных часах старэння пры тэмпературах 180 ℃, 185 ℃ і 190 ℃ паказаны на малюнку 3, а менавіта мяжа цякучасці, мяжа трываласці на расцяжэнне і адноснае падаўжэнне. Як паказана на малюнку 3a, пры тэмпературы 180 ℃ час старэння павялічваецца з 6 гадзін да 12 гадзін, і мяжа цякучасці матэрыялу істотна не змяншаецца. Пры тэмпературы 185 ℃, па меры павелічэння часу старэння з 4 гадзін да 12 гадзін, мяжа цякучасці спачатку павялічваецца, а затым памяншаецца, і час старэння, які адпавядае найвышэйшаму значэнню трываласці, складае 5-6 гадзін. Пры тэмпературы 190 ℃, па меры павелічэння часу старэння, мяжа цякучасці паступова змяншаецца. У цэлым, пры трох тэмпературах старэння, чым ніжэйшая тэмпература старэння, тым вышэйшая пікавая трываласць матэрыялу. Характарыстыкі трываласці на расцяжэнне на малюнку 3b адпавядаюць мяжы цякучасці на малюнку 3a. Падаўжэнне пры розных тэмпературах старэння, паказанае на малюнку 3c, складае ад 14% да 17%, без відавочнай карціны змяненняў. У гэтым эксперыменце правяраецца пікавае старэнне да стадыі празмернага старэння, і з-за невялікіх эксперыментальных адрозненняў памылка тэсту прыводзіць да невыразнай карціны змяненняў.
Мал. 3 Механічныя ўласцівасці матэрыялаў пры розных тэмпературах і часах старэння
Пасля вышэйзгаданай апрацоўкі старэннем расколіны ў кляпаных злучэннях прыведзены ў табліцы 4. З табліцы 4 відаць, што з павелічэннем часу расколіны ў кляпаных злучэннях да пэўнай ступені падаўляецца. Пры тэмпературы 180 ℃, калі час старэння перавышае 10 гадзін, знешні выгляд кляпанага злучэння знаходзіцца ў прымальным стане, але нестабільны. Пры тэмпературы 185 ℃, пасля старэння на працягу 7 гадзін, знешні выгляд кляпанага злучэння не мае расколін і стан адносна стабільны. Пры тэмпературы 190 ℃ знешні выгляд кляпанага злучэння не мае расколін і стан стабільны. З вынікаў выпрабаванняў на клёпкі відаць, што прадукцыйнасць клёпкі лепшая і больш стабільная, калі сплаў знаходзіцца ў стане, перавытрыманым. У спалучэнні з выкарыстаннем профілю корпуса, клёпка пры тэмпературы 180 ℃/10~12 гадзін не спрыяе стабільнасці якасці вытворчага працэсу, які кантралюецца вытворцам арыгінальнага абсталявання. Каб забяспечыць стабільнасць клепанага злучэння, неабходна дадаткова падоўжыць час старэння, але праверка часу старэння прывядзе да зніжэння эфектыўнасці вытворчасці профіляў і павелічэння выдаткаў. Пры тэмпературы 190 ℃ усе ўзоры могуць адпавядаць патрабаванням да клёпачных расколін, але трываласць матэрыялу значна зніжаецца. Згодна з патрабаваннямі канструкцыі транспартных сродкаў, мяжа цякучасці сплаву 6082 павінна гарантавана перавышаць 270 МПа. Такім чынам, тэмпература старэння 190 ℃ не адпавядае патрабаванням да трываласці матэрыялу. У той жа час, калі трываласць матэрыялу занадта нізкая, рэшткавая таўшчыня ніжняй пласціны клепанага злучэння будзе занадта малой. Пасля старэння пры тэмпературы 190 ℃/8 гадзін характарыстыкі папярочнага сячэння клепанага злучэння паказваюць, што рэшткавая таўшчыня складае 0,26 мм, што не адпавядае патрабаванням да індэкса ≥0,3 мм, як паказана на малюнку 4а. У цэлым аптымальная тэмпература старэння складае 185 ℃. Пасля вытрымкі на працягу 7 гадзін матэрыял стабільна адпавядае патрабаванням да клёпкі, а трываласць адпавядае патрабаванням да эксплуатацыйных характарыстык. Улічваючы стабільнасць вытворчасці працэсу клёпкі ў зварачным цэху, прапануецца вызначыць аптымальны час вытрымкі на ўзроўні 8 гадзін. Характарыстыкі папярочнага сячэння для гэтай тэхналагічнай сістэмы паказаны на малюнку 4b, што адпавядае патрабаванням да індэкса злучэння. Левы і правы злучэнні складаюць 0,90 мм і 0,75 мм, што адпавядае патрабаванням да індэкса ≥0,4 мм, а рэшткавая таўшчыня дна складае 0,38 мм.
Табліца 4 Расколіны ўзору № 2 пры розных тэмпературах і розным часе старэння
Мал. 4 Характарыстыкі папярочнага сячэння заклёпаных злучэнняў ніжніх пліт 6082 пры розных ступенях старэння
3 Выснова
Чым вышэйшая тэмпература экструзіі профіляў з алюмініевага сплаву 6082, тым меншы павярхоўны буйназярністы пласт пасля экструзіі. Меншая таўшчыня буйназярністага пласта можа эфектыўна знізіць каэфіцыент канцэнтрацыі напружанняў на мяжы зерняў, тым самым перашкаджаючы ўтварэнню заклёпак. Эксперыментальныя даследаванні паказалі, што аптымальная тэмпература экструзіі складае не менш за 485 ℃.
Калі таўшчыня буйназярністага пласта алюмініевага сплаву 6082 аднолькавая, эфектыўнае напружанне на мяжы зерняў сплаву ў стане перастарэння меншае, чым у стане пікавага старэння, рызыка расколін падчас клёпкі меншая, а клёпкавыя характарыстыкі сплаву лепшыя. Улічваючы тры фактары: стабільнасць клёпкі, значэнне злучэння клёпачных злучэнняў, эфектыўнасць вытворчасці тэрмічнай апрацоўкі і эканамічныя выгады, аптымальная сістэма старэння для сплаву вызначаецца як 185℃/8 гадзін.
Час публікацыі: 05 красавіка 2025 г.
