Алюмінієвий сплав 6063 належить до низьколегованого термічно оброблюваного алюмінієвого сплаву серії Al-Mg-Si. Він має чудові характеристики екструзійного лиття, добру корозійну стійкість та комплексні механічні властивості. Він також широко використовується в автомобільній промисловості завдяки легкості окислення та фарбування. Зі зростанням тенденції до легких автомобілів, застосування екструзійних матеріалів зі сплаву 6063 в автомобільній промисловості також ще більше зросло.
На мікроструктуру та властивості екструдованих матеріалів впливає сукупний вплив швидкості екструзії, температури екструзії та коефіцієнта екструзії. Серед них коефіцієнт екструзії головним чином визначається тиском екструзії, ефективністю виробництва та виробничим обладнанням. Коли коефіцієнт екструзії малий, деформація сплаву невелика, а подрібнення мікроструктури не помітне; збільшення коефіцієнта екструзії може значно подрібнити зерна, розбити грубу другу фазу, отримати однорідну мікроструктуру та покращити механічні властивості сплаву.
Алюмінієві сплави 6061 та 6063 зазнають динамічної рекристалізації під час процесу екструзії. Коли температура екструзії постійна, зі збільшенням коефіцієнта екструзії розмір зерна зменшується, фаза зміцнення тонко диспергується, а міцність на розтяг та видовження сплаву відповідно збільшуються; однак, зі збільшенням коефіцієнта екструзії, також збільшується сила екструзії, необхідна для процесу екструзії, що призводить до більшого теплового ефекту, що призводить до підвищення внутрішньої температури сплаву та зниження характеристик виробу. У цьому експерименті вивчається вплив коефіцієнта екструзії, особливо великого коефіцієнта екструзії, на мікроструктуру та механічні властивості алюмінієвого сплаву 6063.
1 Експериментальні матеріали та методи
Експериментальний матеріал – алюмінієвий сплав 6063, хімічний склад якого наведено в таблиці 1. Початковий розмір злитка становив Φ55 мм × 165 мм, і після гомогенізації при 560 ℃ протягом 6 годин його переробляють на екструзійну заготовку розміром Φ50 мм × 150 мм. Заготовку нагрівають до 470 ℃ і підтримують у теплі. Температура попереднього нагрівання екструзійного барабана становить 420 ℃, а температура попереднього нагрівання форми – 450 ℃. Коли швидкість екструзії (швидкість руху екструзійного стрижня) V = 5 мм/с залишається незмінною, проводять 5 груп випробувань з різними коефіцієнтами екструзії, а коефіцієнти екструзії R становлять 17 (що відповідає діаметру отвору матриці D = 12 мм), 25 (D = 10 мм), 39 (D = 8 мм), 69 (D = 6 мм) та 156 (D = 4 мм).
Таблиця 1 Хімічний склад сплаву Al 6063 (мас./%)
Після шліфування наждачним папером та механічного полірування металографічні зразки протравлювали реагентом HF з об'ємною часткою 40% протягом приблизно 25 с, а металографічну структуру зразків спостерігали на оптичному мікроскопі LEICA-5000. Зразок для аналізу текстури розміром 10 мм × 10 мм вирізали з центру поздовжнього перерізу екструдованого стрижня, після чого виконували механічне шліфування та травлення для видалення шару поверхневих напружень. Неповні полюсні фігури трьох кристалічних площин {111}, {200} та {220} зразка вимірювали за допомогою рентгенівського дифракційного аналізатора X′Pert Pro MRD компанії PANalytical, а дані текстури обробляли та аналізували за допомогою програмного забезпечення X′Pert Data View та X′Pert Texture.
Зразок для розтягу литого сплаву було взято з центру злитка, а після екструзії зразок для розтягу було розрізано вздовж напрямку екструзії. Розмір вимірювальної площі становив Φ4 мм × 28 мм. Випробування на розтяг проводилося за допомогою універсальної випробувальної машини SANS CMT5105 зі швидкістю розтягу 2 мм/хв. Середнє значення трьох стандартних зразків було розраховано як дані механічних властивостей. Морфологію руйнування зразків для розтягу спостерігали за допомогою скануючого електронного мікроскопа з малим збільшенням (Quanta 2000, FEI, США).
2 Результати та обговорення
На рисунку 1 показано металографічну мікроструктуру литого алюмінієвого сплаву 6063 до та після гомогенізації. Як показано на рисунку 1a, зерна α-Al у литій мікроструктурі різняться за розміром, велика кількість сітчастих фаз β-Al9Fe2Si2 збирається на межах зерен, а всередині зерен існує велика кількість гранулярних фаз Mg2Si. Після гомогенізації злитка при 560 ℃ протягом 6 годин нерівноважна евтектична фаза між дендритами сплаву поступово розчинилася, елементи сплаву розчинилися в матриці, мікроструктура стала однорідною, а середній розмір зерна становив близько 125 мкм (рисунок 1b).
Перед гомогенізацією
Після однорідної обробки при 600°C протягом 6 годин
Рис.1 Металографічна структура алюмінієвого сплаву 6063 до та після гомогенізаційної обробки
На рисунку 2 показано зовнішній вигляд прутків з алюмінієвого сплаву 6063 з різними коефіцієнтами екструзії. Як показано на рисунку 2, якість поверхні прутків з алюмінієвого сплаву 6063, екструдованих з різними коефіцієнтами екструзії, є хорошою, особливо коли коефіцієнт екструзії збільшено до 156 (що відповідає швидкості екструзії прутків на виході 48 м/хв), на поверхні прутків все ще немає дефектів екструзії, таких як тріщини та відшаровування, що свідчить про те, що алюмінієвий сплав 6063 також має хороші характеристики гарячого екструзійного формування за високих швидкостей та великих коефіцієнтів екструзії.
Рис.2 Зовнішній вигляд стрижнів з алюмінієвого сплаву 6063 з різними коефіцієнтами екструзії
На рисунку 3 показано металографічну мікроструктуру поздовжнього перерізу прутка з алюмінієвого сплаву 6063 з різними коефіцієнтами екструзії. Зерниста структура прутка з різними коефіцієнтами екструзії демонструє різний ступінь видовження або подрібнення. При коефіцієнті екструзії 17 початкові зерна видовжуються вздовж напрямку екструзії, що супроводжується утворенням невеликої кількості рекристалізованих зерен, але зерна все ще відносно грубі, із середнім розміром зерна близько 85 мкм (рисунок 3a); при коефіцієнті екструзії 25 зерна стають тоншими, кількість рекристалізованих зерен збільшується, а середній розмір зерна зменшується приблизно до 71 мкм (рисунок 3b); при коефіцієнті екструзії 39, за винятком невеликої кількості деформованих зерен, мікроструктура в основному складається з рівноосьових рекристалізованих зерен нерівномірного розміру, із середнім розміром зерна близько 60 мкм (рисунок 3c); Коли коефіцієнт екструзії становить 69, процес динамічної рекристалізації в основному завершено, грубі вихідні зерна повністю перетворюються на рівномірно структуровані рекристалізовані зерна, а середній розмір зерна подрібнюється приблизно до 41 мкм (рис. 3d); коли коефіцієнт екструзії становить 156, при повному просуванні процесу динамічної рекристалізації мікроструктура стає більш рівномірною, а розмір зерна значно подрібнюється приблизно до 32 мкм (рис. 3e). Зі збільшенням коефіцієнта екструзії процес динамічної рекристалізації відбувається повніше, мікроструктура сплаву стає більш рівномірною, а розмір зерна значно подрібнюється (рис. 3f).
Рис.3 Металографічна структура та розмір зерна поздовжнього перерізу стрижнів з алюмінієвого сплаву 6063 з різними коефіцієнтами екструзії
На рисунку 4 показано обернені полюсні фігури для прутків алюмінієвого сплаву 6063 з різними коефіцієнтами екструзії вздовж напрямку екструзії. Видно, що мікроструктури прутків сплаву з різними коефіцієнтами екструзії створюють очевидну переважну орієнтацію. Коли коефіцієнт екструзії становить 17, формується слабша текстура <115>+<100> (рисунок 4a); коли коефіцієнт екструзії становить 39, компоненти текстури в основному є сильнішою текстурою <100> та невеликою кількістю слабкої текстури <115> (рисунок 4b); коли коефіцієнт екструзії становить 156, компоненти текстури - це текстура <100> зі значно підвищеною міцністю, тоді як текстура <115> зникає (рисунок 4c). Дослідження показали, що гранецентровані кубічні метали в основному утворюють дротяні текстури <111> та <100> під час екструзії та витяжки. Після формування текстури механічні властивості сплаву за кімнатної температури демонструють очевидну анізотропію. Текстурна міцність збільшується зі збільшенням коефіцієнта екструзії, що вказує на поступове збільшення кількості зерен у певному кристалічному напрямку, паралельному напрямку екструзії у сплаві, а також на збільшення поздовжньої міцності сплаву на розтяг. Механізми зміцнення матеріалів гарячої екструзії з алюмінієвого сплаву 6063 включають дрібнозернисте зміцнення, дислокаційне зміцнення, текстурне зміцнення тощо. У діапазоні параметрів процесу, що використовуються в цьому експериментальному дослідженні, збільшення коефіцієнта екструзії має стимулюючий вплив на вищезазначені механізми зміцнення.
Рис.4. Діаграма зворотних полюсів стрижнів з алюмінієвого сплаву 6063 з різними коефіцієнтами екструзії вздовж напрямку екструзії
На рисунку 5 зображено гістограму характеристик міцності на розтяг алюмінієвого сплаву 6063 після деформації за різних коефіцієнтів екструзії. Міцність на розтяг литого сплаву становить 170 МПа, а видовження – 10,4%. Міцність на розтяг та видовження сплаву після екструзії значно покращуються, а міцність на розтяг та видовження поступово зростають зі збільшенням коефіцієнта екструзії. Коли коефіцієнт екструзії становить 156, міцність на розтяг та видовження сплаву досягають максимального значення, яке становить 228 МПа та 26,9% відповідно, що приблизно на 34% вище, ніж міцність на розтяг литого сплаву, та приблизно на 158% вище, ніж видовження. Міцність на розтяг алюмінієвого сплаву 6063, отримана за допомогою великого коефіцієнта екструзії, близька до значення міцності на розтяг (240 МПа), отриманого методом 4-прохідної рівноканальної кутової екструзії (ECAP), яке значно вище, ніж значення міцності на розтяг (171,1 МПа), отримане методом 1-прохідної ECAP-екструзії алюмінієвого сплаву 6063. Можна побачити, що великий коефіцієнт екструзії може певною мірою покращити механічні властивості сплаву.
Покращення механічних властивостей сплаву за рахунок збільшення коефіцієнта екструзії головним чином відбувається за рахунок зміцнення шляхом подрібнення зерен. Зі збільшенням коефіцієнта екструзії зерна подрібнюються, а щільність дислокацій збільшується. Більша кількість меж зерен на одиницю площі може ефективно перешкоджати руху дислокацій, що поєднується з взаємним рухом та переплутанням дислокацій, тим самим покращуючи міцність сплаву. Чим дрібніші зерна, тим звивистіші межі зерен, і пластична деформація може розподілятися на більшу кількість зерен, що не сприяє утворенню тріщин, не кажучи вже про їх поширення. Під час руйнування може поглинатися більше енергії, тим самим покращуючи пластичність сплаву.
Рис.5 Міцність на розтяг алюмінієвого сплаву 6063 після лиття та екструзії
Морфологію руйнування сплаву при розтягу після деформації з різними коефіцієнтами екструзії показано на рисунку 6. У морфології руйнування литого зразка не виявлено заглиблень (рисунок 6a), а руйнування переважно складалося з плоских ділянок та країв відриву, що свідчить про те, що механізм руйнування при розтягу литого сплаву був переважно крихким. Морфологія руйнування сплаву після екструзії значно змінилася, і руйнування складається з великої кількості рівноосьових заглиблень, що вказує на те, що механізм руйнування сплаву після екструзії змінився з крихкого на в'язке. Коли коефіцієнт екструзії малий, заглиблення неглибокі, а розмір заглиблень великий, а розподіл нерівномірний; зі збільшенням коефіцієнта екструзії кількість заглиблень збільшується, розмір заглиблень зменшується, а розподіл рівномірний (рисунки 6b~f), що означає, що сплав має кращу пластичність, що узгоджується з результатами випробувань на механічні властивості, наведеними вище.
3 Висновок
У цьому експерименті було проаналізовано вплив різних коефіцієнтів екструзії на мікроструктуру та властивості алюмінієвого сплаву 6063 за умови, що розмір заготовки, температура нагрівання злитка та швидкість екструзії залишалися незмінними. Висновки такі:
1) Динамічна рекристалізація відбувається в алюмінієвому сплаві 6063 під час гарячої екструзії. Зі збільшенням коефіцієнта екструзії зерна безперервно подрібнюються, а зерна, витягнуті вздовж напрямку екструзії, перетворюються на рівноосьові рекристалізовані зерна, а міцність текстури дроту <100> безперервно зростає.
2) Завдяки ефекту дрібнозернистого зміцнення, механічні властивості сплаву покращуються зі збільшенням коефіцієнта екструзії. У діапазоні параметрів випробувань, коли коефіцієнт екструзії становить 156, міцність на розрив та видовження сплаву досягають максимальних значень 228 МПа та 26,9% відповідно.
Рис.6 Морфологія розривного руйнування алюмінієвого сплаву 6063 після лиття та екструзії
3) Морфологія руйнування литого зразка складається з плоских ділянок та країв відриву. Після екструзії руйнування складається з великої кількості рівноосьових заглиблень, а механізм руйнування трансформується з крихкого руйнування на в'язке.
Час публікації: 30 листопада 2024 р.
