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電池包用6061 鋁合金型材成分與擠壓成型性關(guān)系

2023-10-31 06:40:30崔家銘李洪林曲鳳嬌
有色金屬材料與工程 2023年5期
關(guān)鍵詞:型材伸長(zhǎng)率晶粒

高 爽, 崔家銘, 李洪林, 曲鳳嬌, 董 政, 李 健

(遼寧忠旺鋁合金精深加工有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

用于生產(chǎn)擠壓型材的鋁合金,80%以上屬于6 系鋁合金,即Al-Mg-Si 系鋁合金[1]。6061 鋁合金屬于典型的6 系A(chǔ)1-Mg-Si 系鋁合金,具有良好的中等強(qiáng)度[2]、塑性[3-4]、可焊性,可用于生產(chǎn)大型材料、對(duì)強(qiáng)度和腐蝕性能要求較高的結(jié)構(gòu)件、汽車車體結(jié)構(gòu)等[5-6]。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,全球汽車產(chǎn)量和保有量飛速增長(zhǎng),能源消耗和環(huán)境污染日益凸顯,節(jié)能減排、低碳環(huán)保已成為發(fā)展汽車工業(yè)的核心問題,在能源緊缺、污染嚴(yán)重的嚴(yán)峻形勢(shì)下[7],鋁合金替代鋼用作機(jī)械零部件,成為交通工具輕量化、現(xiàn)代化的有效途徑[8-9]。隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,高速、輕型鋁合金列車、地鐵列車、輕型客貨汽車的應(yīng)用必將越來越廣[10]。

由于6061 鋁合金型材需求量越來越大,針對(duì)電池包型材壁厚不均、芯頭較多、多孔斷面等缺點(diǎn),現(xiàn)有合金成分成型性差、生產(chǎn)效率低,而6005A 鋁合金的力學(xué)性能相對(duì)偏低,也難以滿足汽車結(jié)構(gòu)件對(duì)強(qiáng)度要求。

本文主要調(diào)整我司現(xiàn)有6061 鋁合金成分配比,通過分析鋁合金擠壓制品速度調(diào)整后型材內(nèi)筋成型開裂情況,來對(duì)比每種成分鋁合金成型性能的優(yōu)劣。將試驗(yàn)合金進(jìn)行熔鑄、擠壓、檢測(cè)等一系列工序?qū)Ρ闰?yàn)證工作,找出在棒溫、速度相近的條件下,突破壓力小、擠壓速度快(可成型)、綜合力學(xué)性能更好的成分配比及擠壓生產(chǎn)工藝,提升6061 鋁合金的擠壓成型性,提高生產(chǎn)效率。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

本文主要調(diào)整我司現(xiàn)有6061 鋁合金成分配比,制備了6061-A、6061-B、6061-C、6005A 鋁合金等4 種成分的鋁合金,具體成分配比見表1。其中,6005A、6061-C 鋁合金為我司現(xiàn)有內(nèi)控成分,6061-A、6061-B 鋁合金屬于新合金成分配比。從成分配比上看,兩種新成分把Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從原有的0.60%~0.65%提高到接近國(guó)標(biāo)上限0.73%~0.80%;Mg 從質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.85%~1.00%降低到國(guó)標(biāo)下限0.82%~0.90%,目的是提高過剩Si 的含量。6061-A 鋁合金中的細(xì)晶元素Mn+Cr 的含量約為6061-B 鋁合金的3 倍,約為6061-C 鋁合金的2 倍。

表1 試驗(yàn)合金化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Tab.1 Chemical compositions of the aluminum alloys (mass fraction /%)

試驗(yàn)鑄錠要求無明顯偏析、表面無油污、無裂紋等缺陷。圖1 為該試驗(yàn)型材斷面,內(nèi)筋壁厚為2.5~3.0 mm,外壁厚3.0~4.0 mm,屬于雙排多腔體變壁厚結(jié)構(gòu)型材,模具結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,擠壓過程中對(duì)金屬在模具焊合室內(nèi)流動(dòng)性要求較高,故可通過改變擠壓速度后型材內(nèi)筋成型狀態(tài)反映不同試驗(yàn)合金成型性的優(yōu)劣。

圖1 試驗(yàn)合金型材斷面Fig. 1 Profile section for test alloy

1.2 試驗(yàn)方法

擠壓設(shè)備選用2 000 t 鋁合金擠壓機(jī),鑄錠規(guī)格為Φ198 mm×630 mm,擠壓系數(shù)為26.2,共擠壓9 支鑄棒,擠壓順序?yàn)? 支6005A 鋁合金、2 支6061-A 鋁合金、2 支6061-B 鋁合金、3 支6061-C 鋁合金棒。該斷面6061 鋁合金擠壓后不能進(jìn)行在線風(fēng)冷,風(fēng)冷無法滿足淬火強(qiáng)度要求,需較強(qiáng)淬火才能獲得較高的強(qiáng)度[11],為保證合金時(shí)效后力學(xué)性能滿足GB/T6892—2015 的要求,擠壓淬火方式均選擇在線水冷。

2 擠壓生產(chǎn)及成型性

采取擠壓速度調(diào)整方法,通過分析不同合金型材內(nèi)筋成型開裂情況,對(duì)比金屬在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)性,同一速度條件下型材內(nèi)筋成型狀態(tài)越好,表明金屬流動(dòng)性越好,反之流動(dòng)性則越差。表2 為型材擠壓生產(chǎn)工藝及成型性。通過分析,本次試驗(yàn)合金的擠壓成型性由優(yōu)至劣的順序?yàn)?005A 鋁合金>6061-B 鋁 合 金>6061-A 鋁 合 金>6061-C 鋁合金。

表2 型材擠壓生產(chǎn)工藝及成型性Tab.2 Profile extrusion production process and formability

(1)6061-A、6061-B 鋁合金棒擠壓時(shí)突破壓力與6005A 鋁合金無明顯差別。 對(duì)比第2 根6005A 鋁合金和第5 根6061-B 鋁合金可知,在棒溫相同甚至6061-B 鋁合金速度略低的條件下,6005A 鋁合金擠壓的成形性明顯優(yōu)于6061-B 鋁合金的,可擠壓性6005A 鋁合金>6061-B 鋁合金。

(2)對(duì)比第7 根6061-C 鋁合金與第6 根6061-B 鋁合金可知,在棒溫和擠壓速度都相同的條件下,6061-B 鋁合金的成形性優(yōu)于6061-C 鋁合金的,可擠壓性6061-B 鋁合金>6061-C 鋁合金。

(3)在相同擠壓速度下,將第4 根6061-A 鋁合金和第9 根6061-C 鋁合金進(jìn)行對(duì)比,可擠壓性6061-A 鋁合金>6061-C 鋁合金。

(4)新成分對(duì)比方面,在擠壓速度相同的條件下,對(duì)比第3 根6061-A 鋁合金和第3 根6061-B 鋁合金,可擠壓性6061-B 鋁合金>6061-A 鋁合金。

3 檢測(cè)結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)擠壓后產(chǎn)品取200 mm 長(zhǎng)度試樣,采用同一時(shí) 效 制 度(175±5)℃×8 h 對(duì) 時(shí) 效 后 試 樣 按 照GB/T228.1—2021 標(biāo)準(zhǔn)處理,采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。表3 為試驗(yàn)合金力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。從表3 中可以看出,時(shí)效后試驗(yàn)合金整體抗拉強(qiáng)度由高到低排序?yàn)椋?061-A 鋁合金>6061-B 鋁合金>6061-C 鋁合金>6005A 鋁合金,6061-B 鋁合金出現(xiàn)伸長(zhǎng)率偏低現(xiàn)象。

3.2 微觀組織觀察

試驗(yàn)合金均在擠壓速度為4 m/min 的室溫條件下進(jìn)行,取長(zhǎng)度為50 mm 的試樣,按照GB/T3246.1—2012 處理后,使用蔡司顯微鏡對(duì)試樣的晶粒度等級(jí)進(jìn)行評(píng)定,結(jié)果見圖2。從圖2 中可以看出,所有試樣均無晶界裂紋及過燒現(xiàn)象;6005A 鋁合金與6061-A 鋁合金的皮質(zhì)層與基體晶粒度并無明顯差別;6061-C 鋁合金皮質(zhì)層晶粒粗大,基體晶粒度均勻細(xì)小;6061-B 鋁合金由于細(xì)晶元素含量較低,皮質(zhì)層與基體晶粒度均較粗大。

圖2 試驗(yàn)合金晶粒度等級(jí)Fig.2 Grain degree grade of the test alloys

3.3 分析與討論

(1)根據(jù)表3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果,擠壓在線水冷可滿足6005A 鋁合金、6061 鋁合金對(duì)冷卻強(qiáng)度的要求,不同擠壓速度下,力學(xué)性能均可滿足國(guó)標(biāo)GB/T6892—2021 的要求,僅6061-B 鋁合金出現(xiàn)伸長(zhǎng)率偏低的現(xiàn)象。對(duì)比擠壓速度為4m/min 的試驗(yàn)合金,抗拉強(qiáng)度由高到低排序?yàn)?061-A 鋁合金>6061-B 鋁合金>6061-C 鋁合金>6005A 鋁合金,而擠壓過程對(duì)比分析成型性由優(yōu)至劣的順序?yàn)?005A 鋁合金>6061-B 鋁合金>6061-A 鋁合金>6061-C 鋁合金。因6061 鋁合金時(shí)效強(qiáng)化相為Mg2Si,6061-A、6061-B 鋁合金中的過剩Si 含量高于6061-C 鋁合金的。研究表明,過剩的Si 可以提高M(jìn)g2Si 相的強(qiáng)化效果,使其力學(xué)性能提高[12],而6061-A 鋁合金含細(xì)晶元素多,晶粒均勻細(xì)小,導(dǎo)致在擠壓變形時(shí)變形抗力增大,故擠壓過程中金屬在模具內(nèi)流動(dòng)性比6061-B 鋁合金的差,但由于6061-C 鋁合金中Mg 含量比6061-A、6061-B 鋁合金的稍高,所以強(qiáng)化相Mg2Si 稍多。過剩Si 含量少,擠壓時(shí)金屬流動(dòng)性變差,故6061-A、6061-B 鋁合金的力學(xué)性能和成型性均優(yōu)于6061-C 鋁合金的;6061 鋁合金中Mg、Si 含量多,合金化程度比6005A 鋁合金的高,固溶處理后得到更多的過飽和固溶體,時(shí)效后強(qiáng)化相Mg2Si 析出較多,使得淬火時(shí)效后強(qiáng)化效果增加,故6061 鋁合金力學(xué)性能明顯高于6005A鋁合金的,合金化程度高必然導(dǎo)致擠壓過程中金屬流動(dòng)性變差,因此,6061 鋁合金的成型性低于6005A 鋁合金的。

(2)微觀組織觀察結(jié)果表明,由于6061-A 鋁合金中含細(xì)晶元素較多,Mn、Cr 與Al 的作用非常強(qiáng)烈,形成穩(wěn)定性非常好的金屬間化合物(MnAl6,CrAl7),在凝固過程中可以作為異質(zhì)形核點(diǎn)來促進(jìn)形核從而細(xì)化晶粒。此外,Cr 與其他溶質(zhì)元素如Fe、Mn 可形成尺寸細(xì)小的球狀化合物A112(CrMn)可提高再結(jié)晶溫度、抑制再結(jié)晶形核與長(zhǎng)大、細(xì)化再結(jié)晶晶粒,提高材料強(qiáng)度[13]。6061-B 鋁合金中細(xì)晶元素Mn、Cr 含量低,鑄錠在均勻化過程中沒有足夠多的彌散相(MnAl6,CrAl7)析出來抑制晶粒長(zhǎng)大,導(dǎo)致擠壓過程中發(fā)生再結(jié)晶,整體截面晶粒尺寸粗大,粗大的晶粒分布導(dǎo)致時(shí)效后力學(xué)拉伸試樣更容易斷裂,伸長(zhǎng)率不合格,速度不同條件下延伸率僅為6%~7%。

(3)根據(jù)表3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果可以看出相同工藝條件下,6061 鋁合金不同成分配比均隨著擠壓速度增加,伸長(zhǎng)率有增大趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

(1)擠壓多排腔體變壁厚(例如:主壁厚2.5~4 mm,個(gè)別位置為5 mm 和8 mm)型材,本次試驗(yàn)可得出擠壓成型性由優(yōu)至劣的順序?yàn)?005A 鋁合金>6061-B 鋁合金>6061-A 鋁合金>6061-C 鋁合金,力學(xué)性能由高到低排序?yàn)?061-A 鋁合金>6061-B 鋁合金>6061-C 鋁合金>6005A 鋁合金,綜合對(duì)比6061-A 鋁合金力學(xué)性能及成型性優(yōu)于現(xiàn)有6061-C 鋁合金內(nèi)控成分,故后續(xù)批量生產(chǎn)建議采用此成分進(jìn)行量產(chǎn)。

(2)6061-B 鋁合金的可擠壓性及強(qiáng)度要優(yōu)于現(xiàn)有6061-C 鋁合金的,但由于Mn、Cr 含量低,擠壓過程中容易發(fā)生再結(jié)晶,高倍皮質(zhì)層及基體晶粒度較粗大導(dǎo)致伸長(zhǎng)率較低,易造成伸長(zhǎng)率無法滿足國(guó)標(biāo)。

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