(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072)
摩托車方向把的材料通常要求符合輕量化及外形美觀等特點(diǎn),在競(jìng)技用車以及高級(jí)車上經(jīng)常采用鋁制方向把。
鋁合金分為一般合金和高強(qiáng)度合金,按照不同使用要求被區(qū)分用于摩托車上。
形狀上,傳統(tǒng)摩托車車把通常是采用定直徑合金,近些年開(kāi)始逐漸采用錐形車把。錐形車把在方向把中央受力處直徑增大,延伸到兩端把手末端處逐漸變細(xì),因此被稱作錐形方向把。采用此設(shè)計(jì)的方向把僅集中受力部位采用較粗直徑,減少了不必要的用材,使方向把質(zhì)量更輕、外觀更簡(jiǎn)潔。
本次研究也采用了具備高強(qiáng)度的鋁合金材質(zhì)A7075。但是,A7075 在加工成管狀進(jìn)行壓鑄工藝時(shí)難度較大,工藝要求高,壓出效率低,使得管狀素材的制造成本升高。
本文旨在探討如何提高7000 系合金的生產(chǎn)效率,通過(guò)對(duì)管狀素材進(jìn)行熱處理,改進(jìn)加工設(shè)定條件等,從而實(shí)現(xiàn)降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本,開(kāi)發(fā)出兼具高強(qiáng)度、耐應(yīng)力及耐腐蝕性等特點(diǎn)的鋁合金錐度方向把產(chǎn)品。
圖1 為近些年逐漸采用的錐形把示意圖,圖2為傳統(tǒng)利用高強(qiáng)度鋁合金制作方向把的流程圖。原料先經(jīng)高溫壓鑄成管狀,再拉伸至所需直徑。之后經(jīng)過(guò)塑性鍛造,將兩端壓成方向把形狀。再后的熱處理工序可以在彎曲工序之前或者之后進(jìn)行。最后,對(duì)表面進(jìn)行氧化處理。
選材方面,通常采用2000 系列Al-Cu 合金以及部分特殊合金,除此之外,擁有高強(qiáng)度的7000 系列Al-Zn-Mg-Cu 合金也較為常用。但原材強(qiáng)度高,致使壓鑄效率較低,造成了生產(chǎn)成本居高不下。這也是本課題需要解決的一個(gè)課題之一。

圖1 錐形車把示意圖

圖2 錐形鋁合金把手流程圖
造成壓鑄效率低的原因是高強(qiáng)度材料即使在高溫下也保持著較高的強(qiáng)度,導(dǎo)致壓鑄時(shí)阻抗較大[1]。雖然提高壓鑄溫度可以降低材料阻抗,但會(huì)致使材料的表面局部溫度過(guò)高,超過(guò)熔點(diǎn)而形成熔解裂紋。因此,壓鑄溫度受制于材料熔點(diǎn),不能過(guò)高。在Al-Zn-Mg-Cu 合金成分中,Cu 熔點(diǎn)最低,其壓鑄溫度主要取決于合金中Cu 的添加量。當(dāng)Cu 的添加量逐步升高時(shí),為了防止產(chǎn)生裂紋,就要降低壓鑄速度。因此,若想提高壓鑄速度就應(yīng)降低合金中Cu 的含量。
基于以上分析,本課題決定采用不含Cu 的Al-Zn-Mg 合金來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步研究。
不含Cu 的合金會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度降低,為了保證性能需要增加管壁厚度,這樣一來(lái)用料增加,導(dǎo)致成本上升以及成品質(zhì)量增加。而在合金的成分中,Zn與Cu 比起來(lái),熔點(diǎn)較高,提高合金強(qiáng)度效果顯著[2]。
因此,我們的目標(biāo)是通過(guò)調(diào)整Zn 的比例使得新材料的強(qiáng)度不低于A7075-T73 合金。圖3 是基于參考文獻(xiàn)[3]繪制的Al-Zn-Mg 合金中隨Mg、Zn 添加量的變化合金拉伸強(qiáng)度的變化曲線圖。

圖3 Al-Zn-Mg 合金拉伸強(qiáng)度曲線圖
根據(jù)結(jié)果分析看,當(dāng)添加8%的Zn 及1.7%的Mg 時(shí),合金強(qiáng)度有望達(dá)到500 MPa 以上。
解決了強(qiáng)度問(wèn)題,再來(lái)探討一下材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題。所謂的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(Stress Corrosion Cracking:以下簡(jiǎn)稱SCC)是指材料曝露在應(yīng)力腐蝕條件下,持續(xù)在拉伸應(yīng)力作用下,沿結(jié)晶面發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。
7000 系合金耐SCC 性能比較低。Al-Zn-Mg 合金耐SCC 性能會(huì)隨著Zn 以及Mg 添加量的增加而降低。即同一強(qiáng)度下,Zn/Mg 比例越大越容易發(fā)生SCC 現(xiàn)象。為了保持良好的耐SCC 性能,Zn/Mg 添加量合計(jì)應(yīng)控制在6%~7%,Zn/Mg 比在2.7~3.0[4-6]。
本課題中的方向把為了減小振動(dòng)在車把末端增加了螺栓配重。在把手外圓周方向上螺栓擰緊處會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。當(dāng)螺栓按照扭力值上限擰緊時(shí)會(huì)產(chǎn)生大約90 MPa 的應(yīng)力。在該應(yīng)力條件下,進(jìn)行耐腐蝕疲勞實(shí)驗(yàn),求得試驗(yàn)循環(huán)最大數(shù)量以及耐SCC 性能指標(biāo)。
之前為了提高熔點(diǎn),配比中去掉了Cu,但少量添加Cu 可以提高材料的耐SCC 性能。圖4 結(jié)合參考文獻(xiàn)[7]繪制,表述了Al-8Zn-Mg 材料在鉻酸溶液中,隨著Cu 添加量的變化合金耐SCC 性能變化的關(guān)系圖。由圖可知,Cu 添加量的增加與合金的SCC耐受性成正相關(guān)。當(dāng)添加量達(dá)到0.5%時(shí),SCC 耐受性增加趨于穩(wěn)定。因此,為了兼顧熔點(diǎn)和耐SCC 性能,Cu 的添加量定在0.5%最佳。

圖4 隨Cu 添加量變化合金耐SCC 性能變化關(guān)系圖
綜合分析,在Al-8Zn-1.7Mg 合金中添加0.5%Cu 是最為理想的方案。管材壓鑄速度可達(dá)到A7075材質(zhì)的7 倍。
接下來(lái),我們進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),總結(jié)出不同熱處理?xiàng)l件與管材制法對(duì)合金機(jī)械特性帶來(lái)的影響,進(jìn)而制定改進(jìn)生產(chǎn)工藝[8]。
熱處理分為固溶工序后和自然時(shí)效后兩個(gè)階段進(jìn)行人工時(shí)效。熱處理?xiàng)l件如圖5 所示。若將熱處理?xiàng)l件設(shè)定為水準(zhǔn)3,過(guò)時(shí)效設(shè)定為T6 時(shí)材料強(qiáng)度最佳;設(shè)定為T7 時(shí),犧牲部分強(qiáng)度,帶來(lái)耐SCC 性能的提升。因此,在T6 基礎(chǔ)上,延長(zhǎng)第二階段人工時(shí)效時(shí)長(zhǎng),設(shè)定過(guò)時(shí)效為水準(zhǔn)2,將T6 第二階段人工時(shí)效設(shè)定為t,則2.4 t 長(zhǎng)的時(shí)間是充分過(guò)時(shí)效時(shí)長(zhǎng)(T73),通過(guò)調(diào)節(jié)介于T6 和T73 之間的這段1.4 t 的時(shí)長(zhǎng)內(nèi),可以對(duì)合金強(qiáng)度和耐SCC 性能進(jìn)行平衡(成為T76)。

圖5 熱處理?xiàng)l件示意圖
在進(jìn)行壓鑄工藝時(shí),芯棒壓鑄法成品可靠性好較為常用,舷窗壓鑄法由于對(duì)原材料的強(qiáng)度受限不適應(yīng)壓鑄阻抗大的材質(zhì),且易發(fā)生SCC 斷裂,所以使用較少。但芯棒制法需要在毛坯上打孔,以及壓鑄后拔模。舷窗壓鑄法則無(wú)此顧慮。關(guān)于壓鑄方法示意圖如圖6 所示。

圖6 壓鑄方法示意圖
本次研討的目標(biāo)是打造高強(qiáng)度和耐SCC 性能兼優(yōu)的合金材料。采用舷窗法壓鑄出的管材需要切斷后再融合,增加了不確定性。因此,本次試驗(yàn)只采用芯棒壓鑄法來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
在制作材料評(píng)價(jià)試驗(yàn)切片時(shí),對(duì)材料進(jìn)行壓鑄、拔模、塑型、彎曲等工序制成方向把半成品,再分別按照T6、T76、T73 進(jìn)行熱處理。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行切片得到最終的試驗(yàn)樣品。同時(shí)采用芯棒壓鑄法制得A7075-T73(原材料)管材樣品,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集對(duì)比。
首先,對(duì)樣品進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),將各樣品沿著與管材壓出方向平行方向進(jìn)行拉伸,評(píng)價(jià)樣品的強(qiáng)度、0.2%耐力以及拉伸形變[9]。評(píng)價(jià)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 機(jī)械性能
由圖7 可以看出,隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),樣品的強(qiáng)度、耐力下降,拉伸形變?cè)黾?。在?qiáng)度上,采用T6、T76 熱處理的樣品要優(yōu)于原材料,耐力也顯著提升。
在測(cè)試性能時(shí),對(duì)方向把施加負(fù)荷來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià),材質(zhì)較以往更加輕薄。
制作樣品時(shí),采用T6、T76 熱處理方式以獲得較佳的機(jī)械特性[10]。再通過(guò)塑型、切片工序(最細(xì)徑處切片)制得。切片上有類似字母C 形狀的缺口,呈C狀。管壁厚度是通過(guò)保持樣品外周直徑不變,僅對(duì)內(nèi)徑部分進(jìn)行加工來(lái)控制。試驗(yàn)樣品切片示意圖如圖8所示。

圖8 C 環(huán)樣品切片示意圖
為了模擬方向把在有配重螺栓擰緊時(shí)外圓周受力狀態(tài),在樣品環(huán)狀直徑正中央打貫穿孔,用螺栓和螺母從上下兩個(gè)方向進(jìn)行擰緊,使樣品外圓周受到等同拉伸。
過(guò)程采用復(fù)合循環(huán)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。包含鹽水噴霧、干燥、濕潤(rùn)等多種腐蝕環(huán)境條件,多次循環(huán)預(yù)設(shè)的這些程序后,評(píng)價(jià)材料耐腐蝕特性。
加載的負(fù)荷應(yīng)力從75 MPa 到300 MPa 分為10檔,每隔25 MPa 為一檔。每檔各用3 個(gè)試驗(yàn)切片進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。在規(guī)定循環(huán)下,3 個(gè)樣品都不產(chǎn)生裂紋時(shí)的最大加載應(yīng)力為最佳適用應(yīng)力值。
試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。柱狀圖表示各種規(guī)格樣品最佳適用應(yīng)力值,圖上部的百分比表示與樣品加配重部位的實(shí)測(cè)應(yīng)力值相比的材質(zhì)耐應(yīng)力的富裕度。

圖9 規(guī)定循環(huán)下不產(chǎn)生裂效應(yīng)力值
各樣材最佳適用應(yīng)力值,T6 為150MPa,T76 是175MPa,既有的A7075-T73 是250MPa。在耐SCC 性能方面,熱處理時(shí)間較長(zhǎng)的T76 要優(yōu)于T6 樣材。本次試驗(yàn)所選樣材的耐SCC 性能低于既有的A7075-T73,但對(duì)于實(shí)際使用中加配重處產(chǎn)生的應(yīng)力也綽綽有余。
為了確認(rèn)管材毛坯制法以及熱處理?xiàng)l件對(duì)耐SCC 性能的影響,對(duì)管材毛坯及試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行了檢測(cè)。
首先對(duì)斷面組織情況進(jìn)行了確認(rèn)。斷面在經(jīng)過(guò)鏡面研磨后,用蝕刻液進(jìn)行蝕刻。觀察到的組織照片如圖10 所示。

圖10 原料管組織照片
組織中可觀察到約200 μm 厚度均勻的再結(jié)晶層。該結(jié)晶組織是管材在進(jìn)行壓鑄時(shí)與模具的接觸以及塑型冷卻加工時(shí)在其表面殘留的扭曲應(yīng)力作用下,在熱處理時(shí)生成了結(jié)晶,然后發(fā)生再結(jié)晶所生成的粗大顆粒結(jié)晶組織。
之后又對(duì)產(chǎn)生裂痕的樣品進(jìn)行觀測(cè)。發(fā)生裂痕的斷面如圖11 所示。

圖11 裂痕斷面圖
觀測(cè)結(jié)果顯示鋁合金SCC 沿結(jié)晶邊界處出現(xiàn)裂痕。
為了確認(rèn)熱處理對(duì)樣材耐SCC 特性的影響,對(duì)結(jié)晶粒邊界進(jìn)行進(jìn)一步的研究。用電子顯微鏡分別對(duì)T6 熱處理后樣品的再結(jié)晶組織、T6、T76、T73 熱處理樣品非再結(jié)晶組織進(jìn)行了觀察。結(jié)果如圖12 所示。

圖12 晶體組織與粒界圖
圖12 中上半圖分別是觀測(cè)到的結(jié)晶組織情況。通過(guò)對(duì)比可知,T6 狀態(tài)下的再結(jié)晶組織較非再結(jié)晶組織的結(jié)晶尺寸粗大。但對(duì)于不同熱處理工藝樣材的非再結(jié)晶組織的尺寸經(jīng)過(guò)對(duì)比是相同的。
圖12 中下半圖是放大后的結(jié)晶粒邊界圖。粒子邊界處有無(wú)析出帶(PFZ:Precipitate Free Zone),該地帶中央處有結(jié)晶粒界的析出物質(zhì)。對(duì)其進(jìn)行成分分析結(jié)果顯示,改析出物是Zn-Mg 化合物形成的η相,PFZ 是母相Al 的α 相。粒界析出物小且均勻地分布易形成電勢(shì)差,從而促進(jìn)腐蝕的發(fā)生。通過(guò)粒界析出物的尺寸和分散狀態(tài)的觀測(cè)來(lái)對(duì)粒界單位長(zhǎng)度內(nèi)粒界析出物的合計(jì)周長(zhǎng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。析出物越小、分布越均勻該數(shù)值越大。結(jié)果見(jiàn)圖13 所示。

圖13 粒界析出物合計(jì)周長(zhǎng)圖
該數(shù)值的排列順序按照再結(jié)晶部尺寸由大到小依次是T6、T76、T73 與SCC 耐受性的排序一致。再結(jié)晶使得不止在結(jié)晶組織、在顆粒邊界處析出物的析出狀態(tài),其SCC 耐受性都較高,隨著人工時(shí)效的增長(zhǎng),顆粒邊界析出物變得稀疏,耐SCC 性能也進(jìn)一步得到提高。
在機(jī)械特性方面,從對(duì)耐SCC 性評(píng)價(jià)結(jié)果看,T76 較T6 略勝一籌,跟既有的樣品相比又具備輕量化的優(yōu)點(diǎn),也能滿足所需強(qiáng)度。因此,最終選定采用芯棒壓鑄的T76 作為新式方向把的材料。
在加工時(shí),為了獲得較高耐SCC 材料特性,就需要設(shè)定合適的加工條件。
首先,分析塑型鍛造條件對(duì)再結(jié)晶層厚度的影響。以方向盤為例,加工時(shí)是對(duì)芯棒型材末端進(jìn)行擊打鍛造、扭轉(zhuǎn),最后塑型加工成盤狀。塑型機(jī)的加工模式如圖14 所示。設(shè)備的4 只錘頭如圖14 所示被凸輪擠在外圓周位置,對(duì)固定在內(nèi)圓周處的原材料進(jìn)行鍛造。原材的中心插入金屬棒。加工參數(shù)包括:原材進(jìn)給速度、錘頭及原材旋轉(zhuǎn)速度等。在本次研究所用設(shè)備中,原材和錘頭同方向旋轉(zhuǎn),只能設(shè)定原材回轉(zhuǎn)速度。通過(guò)調(diào)整該速度,對(duì)原材進(jìn)行塑型鍛造,測(cè)定熱處理后再結(jié)晶層的厚度。原材回轉(zhuǎn)速度可分為3 檔進(jìn)行設(shè)定:靜止、錘頭轉(zhuǎn)速一半、與錘頭同轉(zhuǎn)速。原材靜止時(shí)與錘頭的相對(duì)轉(zhuǎn)速最大,同轉(zhuǎn)速時(shí)最小。

圖14 塑形機(jī)加工示意圖
試驗(yàn)結(jié)果如圖15 所示。當(dāng)不斷調(diào)低原材轉(zhuǎn)速時(shí),與錘頭的相對(duì)轉(zhuǎn)速越大再結(jié)晶層越薄。當(dāng)原材與錘頭同轉(zhuǎn)速時(shí),每個(gè)錘頭擊打固定位置,原材的表面被垂直固定在錘頭正下方。當(dāng)調(diào)低原材轉(zhuǎn)速,增大與錘頭間的相對(duì)轉(zhuǎn)速時(shí),錘頭在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上有相對(duì)移動(dòng),是從原材斜上方落錘。推測(cè)正是由于落錘方向的不同,所以當(dāng)兩者相對(duì)轉(zhuǎn)速較小時(shí),殘留應(yīng)力作用更深,再結(jié)晶層也更厚。
由分析可知,原材轉(zhuǎn)速設(shè)定為靜止不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),結(jié)晶層更薄。但會(huì)縮短錘頭使用壽命。因此,折中方案就是不固定原材,讓其隨錘頭的旋轉(zhuǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。該方案下,再結(jié)晶層厚度大約為160 μm,使選材進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了輕量化。

圖15 原材轉(zhuǎn)速設(shè)定與再結(jié)晶層厚度關(guān)系圖
原料在進(jìn)行彎曲工序時(shí)發(fā)生巨大塑性形變,在彎曲部位形成殘留應(yīng)力。該應(yīng)力可以通過(guò)熱處理去除。因此,熱處理工序宜排在彎曲工序之后。但在進(jìn)行熱處理工序時(shí),原料隨著殘留應(yīng)力的釋放以及自重的影響,材料在固溶的高溫中也會(huì)發(fā)生一定的形變。從保證產(chǎn)品成型穩(wěn)定性角度,彎曲工序宜安排在固溶工序后,之后再進(jìn)行人工時(shí)效工序較為理想。但這樣安排會(huì)導(dǎo)致熱處理工序被分為彎曲工序前后兩段。需要多次安裝與拆卸卡具,抑制自然冷卻,追加保溫措施,對(duì)后工序進(jìn)行時(shí)間控制,以及固溶后材料在軟化狀態(tài)下如何防止打痕和變形等,這些增加的作業(yè)量導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低。綜上,如果能提前將熱處理中的形變進(jìn)行量化,在計(jì)算彎曲量時(shí)納入該值影響,這樣就可實(shí)現(xiàn)彎曲工序后進(jìn)行固溶、人工時(shí)效等工序一氣呵成。
為了量化熱處理形變,減小過(guò)程偏差,我們對(duì)熱處理卡具進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。使其滿足既能保持方向把姿勢(shì)不變,又能在方向把發(fā)生熱膨脹時(shí)不會(huì)干涉造成受力。使用該卡具對(duì)方向把進(jìn)行熱處理后,對(duì)形變進(jìn)行測(cè)定。
如圖16 所示,以方向把右端面為基準(zhǔn)測(cè)定左側(cè)端面的位置。中間方框是允差范圍。雖未進(jìn)行精確測(cè)定,也可看出超差較多。再分別對(duì)彎曲角度和扭轉(zhuǎn)等工序按照相同方法進(jìn)行驗(yàn)證,將與目標(biāo)值的偏差計(jì)入到彎曲量的計(jì)算中。在進(jìn)行了最終補(bǔ)正后全部都達(dá)到了公差要求。從而實(shí)現(xiàn)了工序安排的合理化。

圖16 右端面為基準(zhǔn)測(cè)定左端面位置圖
經(jīng)過(guò)如上這些調(diào)整,我們對(duì)最終的方向把產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)耐SCC 性確認(rèn)結(jié)果如圖17 所示,展現(xiàn)了經(jīng)過(guò)復(fù)合循環(huán)進(jìn)行腐蝕老化后的方向把外觀情況??梢?jiàn)除配重安裝部位外,方向把在支撐部和彎曲部位等處均未產(chǎn)生裂紋。之后在整車上進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)價(jià)、騎行性能評(píng)價(jià)及預(yù)設(shè)腐蝕環(huán)境騎行試驗(yàn)等,所有性能均達(dá)標(biāo)。
本課題通過(guò)合適的選材及合理安排熱處理工序,對(duì)傳統(tǒng)的方向把材料實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度提升,使得產(chǎn)品進(jìn)一步輕薄化。使用本課題的方式生產(chǎn)的方向把與相同外形規(guī)格的A7075-T73 材質(zhì)產(chǎn)品相比,質(zhì)量減輕約20%。質(zhì)量的降低減少了耗材,成本減低約30%。
本課題通過(guò)選材及工序調(diào)整等一系列嘗試,開(kāi)發(fā)出性能更佳及成本更低的方向把產(chǎn)品。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:
1)壓鑄性能優(yōu)秀的基礎(chǔ)上,降低Cu 含量有利于提高材料強(qiáng)度和耐SCC 性,與Al-Zn-Mg 相比,提高Zn 添加量的Al-8Zn-1.7Mg 合金最為符合要求。
2)芯棒壓鑄法制得的管材再結(jié)晶組織范圍小,T6 強(qiáng)度最佳,T73 耐SCC 性能優(yōu)異,而T76 介于兩者之間,通過(guò)熱處理后,強(qiáng)度和耐SCC 性能兼優(yōu)。
3)為了減小塑型鍛造中表面再結(jié)晶層厚度,兼顧錘頭使用壽命,要減小原材轉(zhuǎn)動(dòng),加工時(shí)采取原材不固定,利用原材與錘頭間巨大的速差,使得原材隨著錘頭的旋轉(zhuǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的方式最為有效。
4)采用特殊的熱處理卡具,獲得穩(wěn)定的熱處理形變量,將該形變量補(bǔ)償?shù)綇澢嵌扔?jì)算中,再通過(guò)調(diào)整工序,既能保證彎曲角度符合精度要求,又能將彎曲部位殘留應(yīng)力釋放掉。
基于以上幾點(diǎn)結(jié)論,我們?cè)贏l-Zn-Mg 合金基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)出了強(qiáng)度與耐SCC 性能兼優(yōu)材料,結(jié)合生產(chǎn)工藝調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的輕量化和生產(chǎn)成本的降低。本次開(kāi)發(fā),與傳統(tǒng)高強(qiáng)度合金產(chǎn)品比較可知,產(chǎn)品質(zhì)量減低20%,成本減低約30%,該工藝未來(lái)會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。