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        鋁硅變厚板熱沖壓前后鍍層微觀結(jié)構(gòu)研究

        2019-09-07 02:35:12曹棟杰
        冶金與材料 2019年4期

        曹棟杰,王 強

        (上海寶鋼包裝鋼帶有限公司,上海 200941)

        變厚板(VRB,Variable-thickness Rolled Blanks),是一種在軋制時厚度按設(shè)計要求呈縱向規(guī)則變化的冷軋鋼板,也稱為柔性軋制板,廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)板及結(jié)構(gòu)件。變厚板因不同厚度之間無焊縫、過渡區(qū)連接順暢圓滑、材料組織流動性好,已成為汽車輕量化的重要技術(shù)解決方案。

        鍍鋁硅變厚板,則是用熱鍍鋁硅卷進行變厚軋制,得到不同厚度段落的冷軋鍍鋁硅卷,經(jīng)剪切成一個零件周期的矩形板。因鍍鋁硅鋼板具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐高溫氧化性,且在熱沖壓淬火后具備超高的強度和硬度,逐步成為汽車行業(yè)以熱代冷增強減重的重要材料手段。但由于鍍鋁硅板的焊接技術(shù)工序復(fù)雜,使得變厚板與鍍鋁硅的結(jié)合應(yīng)用成為主流,它不僅具有鋁硅熱沖壓鋼超強的強度和硬度性能,更具有變厚板無焊縫,變形時優(yōu)越的金屬流動性,更貼合汽車安全結(jié)構(gòu)件想要擁有的局部加強和能量緩沖的設(shè)計要求。鋁硅變厚板因每個零件經(jīng)過不同的軋制壓下量,其鍍層和合金層厚度在熱沖壓前后發(fā)生了不同程度的變化,在設(shè)計選型時不能套用等厚鋁硅板的經(jīng)驗,所以,研究鋁硅變厚板在熱沖壓前后鍍層及合金層厚度的變化規(guī)律,以及在不同軋制壓下量作用下鍍層及合金層厚度的區(qū)別,對各汽車主機廠及特別是變厚板材料制造廠的零件設(shè)計、原料鍍層選型、軋制規(guī)程制定及質(zhì)量控制具有重要的意義。

        表 1 HC950/1300HS+AS150的化學(xué)成分%

        1 實驗材料與方法

        選取變厚板最常用的熱鍍鋁硅材料HC950/1300 HS+AS150,鍍層重量為 75/75(g/m2),其基板為22MnB5,化學(xué)成分如表1所示。原卷材料厚1.9mm,寬470mm,鍍層及合金層用金相法分別測出其平均厚度,如表2所示。

        設(shè)計一個六等厚度段的變厚板如圖1所示,每段長度330mm,每兩段厚度之間為30mm長的過渡區(qū),其中6個等厚段的厚度為1.9mm的原卷分別設(shè)計軋制成10%壓下量、20%壓下量、30%……60%壓下量的厚度。將此卷在寶鋼變厚軋機上進行變厚軋制,并切割為若干份周期相同的變厚板,然后選取穩(wěn)定區(qū)域的一張變厚板材料1,在每個等厚度段沿邊中邊各取3根試樣,6個厚度段共取18根試樣,然后在每根試樣從左至右每間隔20mm取一點做鍍層和合金層金相厚度觀察測試。

        同時在穩(wěn)定區(qū)域另取一個周期變厚板材料2,在10%壓下量至60%壓下量等厚區(qū)各取330×470矩形板,利用平板模進行熱沖壓實驗??紤]到實際應(yīng)用中一張變厚板在沖壓時,不同的厚度分布采用的是同樣的熱沖壓加熱溫度、保溫時間、保壓時間等,此實驗同樣采用相同工藝進行熱沖壓處理(在寶鋼熱沖壓生產(chǎn)線上加熱930℃、保溫270s、保壓8s)。沖壓后,同樣按圖1所示在每個等厚厚度段沿邊中邊各取3根試樣,并在每個試樣從左至右每間隔20mm取一點做鍍層和擴散層金相厚度觀察測試。

        圖1 按10%,20%60%軋制壓下的變厚板

        2 實驗結(jié)果和分析

        2.1 不同軋制壓下量下鍍層厚度變化(熱沖壓前)

        圖2為材料1自1.9mm原料按10%壓下量、20%壓下量、30%……60%壓下量下不同厚度的縱向截面鍍層金相圖,從圖中可以看到鍍層及合金層與基體的界面形貌。

        圖2 不同壓下量下鋁硅鍍層截面500X(熱沖壓前)

        在每個壓下量厚度段各取90個點,共180個數(shù)據(jù)。在500倍顯微鏡下測量鍍層厚度如圖3所示,結(jié)合從10%壓下至60%壓下各90個點平均厚度數(shù)據(jù)(10%-26.36 μm,20%-25.03 μm,30%-23.16 μm,40%-20.08 μm,50%-19.88μm,60%-18.83μm)可以看出,排除個別點的磨樣及檢測誤差,鍍層厚度基本上是隨壓下量的增加而呈現(xiàn)逐步降低的分布規(guī)律。

        圖3 不同軋制壓下量下鍍層厚度分布(熱沖壓前)

        由圖4可看出,軋制后鍍層厚度呈線性下降,其中其厚度平均值在10%~40%下降明顯,在40%~60%壓下量段則比較緩慢,同時鍍層厚度的下降率與軋制的壓下率雖是正向關(guān)系,但并非同比例下降。從圖4(a)觀察,當軋制壓下量輕微壓下為10%時,鍍層厚度已發(fā)生26%的減薄,高于基材厚度的減??;軋制壓下量在30%~40%時,壓下率與鍍層厚度的減薄比較接近,當壓下達到43%左右后,鍍層厚度的下降率趨于平緩,且低于壓下量。從圖4(b)可看出,合金層的變化不明顯。

        圖4 鍍層及合金層厚度的變化

        圖5 所示為不同軋制壓下量的合金層截面,在1000倍顯微鏡下觀察其合金層變化。由圖5可以發(fā)現(xiàn),當鍍鋁硅材料經(jīng)10%~20%軋制壓下時,其合金層基本上能保持清晰完整。隨著軋制壓下量增加至30%時,合金層則開始出現(xiàn)破碎,當軋制壓下至50%時,合金層已出現(xiàn)雖連續(xù)但不規(guī)則狀態(tài),同時有個別點出現(xiàn)斷開現(xiàn)象。當壓下接近60%時,合金層基本上處于非連續(xù)不規(guī)則狀態(tài)。

        圖5 不同壓下量下合金層截面1000X(熱沖壓前)

        2.2 不同軋制壓下量下鍍層變化(熱沖壓后)

        圖6 為鍍鋁硅變厚板在經(jīng)不同的軋制壓下量后,取經(jīng)平板模熱沖壓后所取的縱向截面鍍層金相圖,從圖中可以看出,基體與鍍層界面清晰,鍍層厚度均勻,基體與鍍層之間合金層發(fā)生擴散,擴散識別明顯,并發(fā)生長大。同樣用金相法對材料2各取90個點的鍍層厚度及合金層厚度,以平均值分析其變化及分布,如圖7所示,可以發(fā)現(xiàn),隨軋制壓下量的增加,鍍層和合金層厚度比熱沖壓前均有明顯增加,其中鍍層的厚度增加比較穩(wěn)定,增長幅度絕對值在3~7μm,增長比例隨著壓下量的增加變化不明顯,幅度在18%~30%,且與壓下量的變化無正向關(guān)系;合金層增加的趨勢則比較明顯,增長幅度絕對值在0.2~4.2μm,且增長比例在3%~68%,且隨著壓下量的增加而增加;超過30%后,增幅比例顯著擴大,這與圖5的合金層在軋制壓下超過30%時開始破碎有一定的關(guān)系,以此推斷,隨著鍍鋁硅變厚板在軋制時合金層的破碎,其熱沖壓后擴散嚴重。

        圖6 不同壓下量下鋁硅鍍層截面500X(熱沖壓后)

        圖7 鍍層及合金層厚度的變化(熱沖壓后)

        2.3 鍍層變化在實際應(yīng)用中的分析

        在鍍鋁硅熱沖壓鋼板作為汽車零件使用時,主機廠對鋁硅鍍層有著不同的規(guī)定。其中通用對等厚鋁硅板AS150鍍層厚度試驗規(guī)范的依據(jù)為GMW144003.2.5.4-2016,要求:熱成型前為 20~33 μm,可以有±1μm 的誤差,對變厚板參考等厚執(zhí)行;熱成型后為30~50μm,合金層厚度≤16μm,對變厚板零件無明確要求。同時在變厚板技術(shù)交流過程中,部分主機廠和零部件廠也多次詢問此方面的情況,說明大部分國內(nèi)主機廠商對鋁硅變厚板的認知不足,亟需變厚板制造廠給出相關(guān)方面的研究。大眾則依據(jù)TL4225:2012-05,其中AlSi pre-coated sheets(+AS)描述的等厚鋁硅板熱成型前鍍層厚度參考值為19~33μm,變厚板與軋制壓下量有關(guān),具體以設(shè)計部門的設(shè)計要求為準;熱成型后則明確為15~50μm,合金層厚度≤16μm。

        結(jié)合上述實驗結(jié)果分析,在汽車零件以鍍鋁硅AS150為原料進行變厚板設(shè)計時,根據(jù)不同壓下量的鍍層分布變化判斷,變厚軋制壓下量應(yīng)小于60%(40%,50%,60%壓下量時鍍層厚度分別為20.08μm,19.88 μm,18.83μm),或盡可能控制在55%以內(nèi)。

        3 結(jié)語

        (1)在使用鍍鋁硅AS150為原料軋制變厚板時,其鍍層厚度是隨著壓下量的增加而減少,并且在軋制壓下初期鍍層減薄率高于壓下比例,在軋制壓下43%左右后,鍍層減薄率低于壓下比例。合金層厚度減少變化不明顯,但隨著軋制壓下量的增大合金層破碎逐步惡化。

        (2)鍍鋁硅變厚板熱沖壓后,其鍍層厚度會發(fā)生增長,增幅范圍在3~7μm,且不同壓下量的鍍層增長基本穩(wěn)定,與軋制壓下量的增加關(guān)系不明顯。合金層隨軋制壓下量的增加而增長,特別是超過30%后增長比例明顯。

        (3)變厚板在以鍍鋁硅AS150為原料設(shè)計時,變厚軋制壓下量盡可能控制在55%以內(nèi)。

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