Якщо механічні властивості екструдованих виробів не відповідають очікуванням, увага зазвичай зосереджується на початковому складі заготовки або умовах екструзії/старіння. Мало хто ставить під сумнів, чи може гомогенізація сама по собі бути проблемою. Фактично, етап гомогенізації має вирішальне значення для виробництва високоякісних екструдованих виробів. Неналежний контроль етапу гомогенізації може призвести до:
●Підвищений тиск прориву
●Більше дефектів
●Текстури смуг після анодування
●Нижча швидкість екструзії
●Погані механічні властивості
Стадія гомогенізації має дві основні мети: рафінування інтерметалевих сполук, що містять залізо, та перерозподіл магнію (Mg) і кремнію (Si). Досліджуючи мікроструктуру заготовки до та після гомогенізації, можна передбачити, чи добре вона працюватиме під час екструзії.
Вплив гомогенізації заготовки на зміцнення
У екструзіях 6XXX міцність забезпечується фазами, багатими на Mg та Si, що утворюються під час старіння. Здатність утворювати ці фази залежить від приміщення елементів у твердий розчин до початку старіння. Щоб Mg та Si зрештою стали частиною твердого розчину, метал необхідно швидко загартувати з температури вище 530 °C. За температур вище цієї точки Mg та Si природним чином розчиняються в алюмінії. Однак під час екструзії метал залишається вище цієї температури лише короткий час. Щоб забезпечити розчинення всього Mg та Si, частинки Mg та Si повинні бути відносно малими. На жаль, під час лиття Mg та Si осідають у вигляді відносно великих блоків Mg₂Si (рис. 1a).
Типовий цикл гомогенізації заготовок 6060 становить 560 °C протягом 2 годин. Під час цього процесу, оскільки заготовка залишається вище 530 °C протягом тривалого періоду, Mg₂Si розчиняється. Після охолодження він повторно осаджується у набагато дрібнішому розподілі (рис. 1c). Якщо температура гомогенізації недостатньо висока або час занадто короткий, деякі великі частинки Mg₂Si залишаться. Коли це відбувається, твердий розчин після екструзії містить менше Mg та Si, що унеможливлює утворення високої щільності тверднучих осадів, що призводить до зниження механічних властивостей.
Рис. 1. Оптичні мікрофотографії полірованих та 2% HF-травлених заготовок 6060: (a) литі, (b) частково гомогенізовані, (c) повністю гомогенізовані.
Роль гомогенізації інтерметалідів, що містять залізо
Залізо (Fe) має більший вплив на в'язкість руйнування, ніж на міцність. У сплавах 6XXX фази Fe мають тенденцію утворювати β-фазу (Al₅(FeMn)Si або Al₈.₉(FeMn)₂Si₂) під час лиття. Ці фази є великими, незграбними та перешкоджають екструзії (виділено на рис. 2a). Під час гомогенізації важкі елементи (Fe, Mn тощо) дифундують, а великі незграбні фази стають меншими та округлими (рис. 2b).
Лише за оптичними зображеннями важко розрізнити різні фази, і неможливо достовірно кількісно визначити їх. В Innoval ми кількісно визначаємо гомогенізацію заготовок за допомогою нашого методу внутрішнього виявлення та класифікації ознак (FDC), який забезпечує значення %α для заготовок. Це дозволяє нам оцінити якість гомогенізації.
Рис. 2. Оптичні мікрофотографії заготовок (а) до та (б) після гомогенізації.
Метод виявлення та класифікації ознак (FDC)
На рис. 3a показано полірований зразок, проаналізований за допомогою скануючої електронної мікроскопії (СЕМ). Потім для розділення та ідентифікації інтерметалідів, які на рис. 3b виглядають білими, застосовується метод визначення порогу у шкалах сірого. Цей метод дозволяє аналізувати ділянки площею до 1 мм², а це означає, що можна проаналізувати понад 1000 окремих ознак одночасно.
Рис. 3. (a) Зображення гомогенізованої заготовки 6060, отримане за допомогою зворотно розсіяних електронів, (b) ідентифіковані окремі особливості з (a).
Склад частинок
Система Innoval оснащена енергодисперсійним рентгенівським (EDX) детектором Oxford Instruments Xplore 30. Це дозволяє швидко автоматично збирати EDX-спектри з кожної ідентифікованої точки. За цими спектрами можна визначити склад частинок та зробити висновок про відносне співвідношення Fe:Si.
Залежно від вмісту Mn або Cr у сплаві, можуть бути включені й інші важкі елементи. Для деяких сплавів 6XXX (іноді зі значним вмістом Mn) співвідношення (Fe+Mn):Si використовується як орієнтир. Ці співвідношення потім можна порівняти зі співвідношеннями відомих інтерметалідів, що містять Fe.
β-фаза (Al₅(FeMn)Si або Al₈.₉(FeMn)₂Si₂): співвідношення (Fe+Mn):Si ≈ 2. α-фаза (Al₁₂(FeMn)₃Si або Al₈.₃(FeMn)₂Si): співвідношення ≈ 4–6, залежно від складу. Наше спеціальне програмне забезпечення дозволяє нам встановити поріг та класифікувати кожну частинку як α або β, а потім відобразити їх положення в мікроструктурі (рис. 4). Це дає приблизний відсоток перетвореного α в гомогенізованій заготовці.
Рис. 4. (a) Карта, що показує α- та β-класифіковані частинки, (b) діаграма розсіювання співвідношень (Fe+Mn):Si.
Що нам можуть розповісти дані
На рис. 5 показано приклад використання цієї інформації. У цьому випадку результати вказують на неоднорідне нагрівання в межах конкретної печі або, можливо, на те, що заданої температури не було досягнуто. Для належної оцінки таких випадків потрібні як випробувальна заготовка, так і еталонні заготовки відомої якості. Без них неможливо встановити очікуваний діапазон %α для цього складу сплаву.
Рис. 5. Порівняння %α у різних секціях погано продуктивної гомогенізаційної печі.
Час публікації: 30 серпня 2025 р.
