Алюмінієвий сплав 6063 належить до низьколегованого алюмінієвого сплаву серії Al-Mg-Si, що піддається термообробці. Він має відмінні характеристики екструзії, хорошу стійкість до корозії та комплексні механічні властивості. Він також широко використовується в автомобільній промисловості через його легке окислення забарвлення. З прискоренням тенденції легких автомобілів застосування екструзійних матеріалів з алюмінієвого сплаву 6063 в автомобільній промисловості також зросло.
На мікроструктуру та властивості екструдованих матеріалів впливає комбінований вплив швидкості екструзії, температури екструзії та коефіцієнта екструзії. Серед них коефіцієнт екструзії в основному визначається тиском екструзії, ефективністю виробництва та виробничим обладнанням. Коли коефіцієнт екструзії невеликий, деформація сплаву невелика, а уточнення мікроструктури неочевидне; збільшення коефіцієнта екструзії може значно подрібнити зерна, розбити грубу другу фазу, отримати однорідну мікроструктуру та покращити механічні властивості сплаву.
Алюмінієві сплави 6061 і 6063 піддаються динамічній рекристалізації в процесі екструзії. Коли температура екструзії є постійною, у міру збільшення коефіцієнта екструзії розмір зерна зменшується, фаза зміцнення дрібно диспергується, а міцність на розрив і подовження сплаву відповідно збільшуються; однак із збільшенням коефіцієнта екструзії сила екструзії, необхідна для процесу екструзії, також збільшується, викликаючи більший тепловий ефект, викликаючи підвищення внутрішньої температури сплаву та зниження продуктивності виробу. Цей експеримент вивчає вплив коефіцієнта екструзії, особливо високого коефіцієнта екструзії, на мікроструктуру та механічні властивості алюмінієвого сплаву 6063.
1 Експериментальні матеріали та методи
Експериментальним матеріалом є алюмінієвий сплав 6063, хімічний склад якого наведено в таблиці 1. Початковий розмір злитка становить Φ55 мм × 165 мм, і після гомогенізації він переробляється на екструзійну заготовку розміром Φ50 мм × 150 мм. обробка при 560 ℃ протягом 6 год. Заготовку нагрівають до 470 ℃ і зберігають у теплі. Температура попереднього нагріву екструзійної бочки становить 420 ℃, а температура попереднього нагріву форми становить 450 ℃. Коли швидкість екструзії (швидкість переміщення екструзійного стрижня) V=5 мм/с залишається незмінною, проводяться 5 груп різних випробувань коефіцієнта 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) і 156 (D=4 мм).
Таблиця 1. Хімічний склад сплаву 6063 Al (мас./%)
Після шліфування наждачним папером і механічного полірування металографічні зразки протравлювали реактивом 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 був вирізаний з центру поздовжнього перерізу екструдованого стрижня, і виконано механічне шліфування та травлення для видалення шару поверхневих напруг. Неповні полюсні фігури трьох кристалічних площин {111}, {200} і {220} зразка були виміряні рентгенівським дифракційним аналізатором X′Pert Pro MRD компанії PANalytical, а дані текстури оброблені та проаналізовані. програмним забезпеченням X′Pert Data View і X′Pert Texture.
Зразок на розтяг литого сплаву брали з центру злитка, і зразок на розтяг розрізали вздовж напрямку екструзії після екструзії. Розмір калібрувальної зони становив Φ4 мм × 28 мм. Випробування на розтяг проводили за допомогою універсальної випробувальної машини SANS CMT5105 зі швидкістю розтягування 2 мм/хв. Середнє значення трьох стандартних зразків було розраховано як дані про механічні властивості. Морфологію руйнування розтягнутих зразків спостерігали за допомогою скануючого електронного мікроскопа з низьким збільшенням (Quanta 2000, FEI, США).
2 Результати та їх обговорення
На рисунку 1 показана металографічна мікроструктура литого алюмінієвого сплаву 6063 до та після обробки гомогенізацією. Як показано на малюнку 1а, зерна α-Al у литій мікроструктурі змінюються за розміром, велика кількість сітчастих фаз β-Al9Fe2Si2 збирається на границях зерен, а всередині зерен існує велика кількість гранульованих фаз Mg2Si. Після того, як злиток гомогенізували при 560 ℃ протягом 6 годин, нерівноважна евтектична фаза між дендритами сплаву поступово розчинилася, елементи сплаву розчинилися в матриці, мікроструктура була однорідною, а середній розмір зерна становив близько 125 мкм (рис. 1b). ).
Перед гомогенізацією
Після однорідної обробки при 600°C протягом 6 годин
Рис.1 Металографічна структура алюмінієвого сплаву 6063 до та після обробки гомогенізацією
На малюнку 2 показаний зовнішній вигляд прутків з алюмінієвого сплаву 6063 з різними коефіцієнтами екструзії. Як показано на малюнку 2, якість поверхні брусків з алюмінієвого сплаву 6063, екструдованих з різними коефіцієнтами екструзії, хороша, особливо коли коефіцієнт екструзії збільшується до 156 (що відповідає швидкості виходу прутка екструзії 48 м/хв), все ще немає дефекти екструзії, такі як тріщини та відшарування на поверхні бруска, що вказує на те, що алюмінієвий сплав 6063 також має гарну продуктивність гарячої екструзії при високій швидкості та великому коефіцієнті екструзії.
Рис.2 Зовнішній вигляд стрижнів з алюмінієвого сплаву 6063 з різними коефіцієнтами екструзії
На рисунку 3 показана металографічна мікроструктура поздовжнього перерізу бруска з алюмінієвого сплаву 6063 з різними коефіцієнтами екструзії. Зерниста структура бруска з різними коефіцієнтами екструзії демонструє різний ступінь подовження або подрібнення. Коли коефіцієнт екструзії становить 17, вихідні зерна подовжуються вздовж напрямку екструзії, що супроводжується утворенням невеликої кількості перекристалізованих зерен, але зерна все ще є відносно грубими, із середнім розміром зерна приблизно 85 мкм (рис. 3a) ; коли коефіцієнт екструзії дорівнює 25, зерна стають більш стрункими, кількість рекристалізованих зерен збільшується, а середній розмір зерен зменшується приблизно до 71 мкм (рис. 3b); коли коефіцієнт екструзії становить 39, за винятком невеликої кількості деформованих зерен, мікроструктура в основному складається з рівновісних рекристалізованих зерен нерівномірного розміру із середнім розміром зерна приблизно 60 мкм (рис. 3c); коли коефіцієнт екструзії становить 69, процес динамічної рекристалізації в основному завершено, грубі вихідні зерна повністю трансформовано в однорідно структуровані рекристалізовані зерна, а середній розмір зерен уточнюється приблизно до 41 мкм (рис. 3d); коли коефіцієнт екструзії становить 156, при повному прогресі процесу динамічної рекристалізації мікроструктура стає більш однорідною, а розмір зерна значно зменшується приблизно до 32 мкм (рис. 3e). Зі збільшенням коефіцієнта екструзії процес динамічної рекристалізації протікає більш повно, мікроструктура сплаву стає більш однорідною, 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 малюнку 4 показано зворотні полюсні фігури прутків з алюмінієвого сплаву 6063 з різними коефіцієнтами екструзії вздовж напрямку екструзії. Можна побачити, що всі мікроструктури сплавів з різними коефіцієнтами екструзії створюють очевидну переважну орієнтацію. Коли коефіцієнт екструзії становить 17, утворюється слабша текстура <115>+<100> (рис. 4a); коли коефіцієнт екструзії дорівнює 39, компонентами текстури є переважно сильніша текстура <100> і невелика кількість слабкої текстури <115> (рис. 4b); коли коефіцієнт екструзії становить 156, компоненти текстури є текстурою <100> зі значно підвищеною міцністю, тоді як текстура <115> зникає (рис. 4c). Дослідження показали, що гранецентровані кубічні метали в основному утворюють дротяні текстури <111> і <100> під час екструзії та витягування. Після формування текстури механічні властивості сплаву при кімнатній температурі показують очевидну анізотропію. Міцність текстури збільшується зі збільшенням коефіцієнта екструзії, що вказує на те, що кількість зерен у певному кристалічному напрямку, паралельному напрямку екструзії в сплаві, поступово збільшується, а поздовжня міцність на розрив сплаву збільшується. Механізми зміцнення матеріалів гарячої екструзії з алюмінієвого сплаву 6063 включають зміцнення дрібної зернистості, зміцнення дислокацій, зміцнення текстури тощо. У межах діапазону параметрів процесу, що використовуються в цьому експериментальному дослідженні, збільшення коефіцієнта екструзії має сприяючий 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 представлена гістограма властивостей розтягування алюмінієвого сплаву 6063 після деформації при різних коефіцієнтах екструзії. Межа міцності литого сплаву на розрив становить 170 МПа, подовження – 10,4%. Міцність на розрив і подовження сплаву після екструзії значно покращуються, а міцність на розрив і подовження поступово збільшуються зі збільшенням коефіцієнта екструзії. Коли коефіцієнт екструзії становить 156, міцність на розрив і подовження сплаву досягають максимального значення, яке становить 228 МПа і 26,9% відповідно, що приблизно на 34% вище, ніж міцність на розрив литого сплаву, і приблизно на 158% вище, ніж подовження. Міцність на розрив алюмінієвого сплаву 6063, отриманого за допомогою великого коефіцієнта екструзії, близька до значення міцності на розрив (240 МПа), отриманого шляхом 4-прохідної рівноканальної кутової екструзії (ECAP), що набагато вище, ніж значення міцності на розрив (171,1 МПа) отриманий однопрохідною екструзією ECAP алюмінієвого сплаву 6063. Можна побачити, що великий коефіцієнт екструзії може до певної міри покращити механічні властивості сплаву.
Покращення механічних властивостей сплаву шляхом екструзії в основному відбувається за рахунок зміцнення зерна. Зі збільшенням коефіцієнта екструзії відбувається подрібнення зерен і збільшення щільності дислокацій. Більше меж зерен на одиницю площі може ефективно перешкоджати руху дислокацій у поєднанні із взаємним рухом і заплутанням дислокацій, тим самим покращуючи міцність сплаву. Чим дрібніші зерна, тим більш звивисті межі зерен, і пластична деформація може бути розсіяна в більшій кількості зерен, що не сприяє утворенню тріщин, не кажучи вже про поширення тріщин. Більше енергії може бути поглинено під час процесу руйнування, тим самим покращуючи пластичність сплаву.
Рис.5 Властивості на розтяг алюмінієвого сплаву 6063 після лиття та екструзії
Морфологія руйнування сплаву при розтягуванні після деформації з різними коефіцієнтами екструзії показана на малюнку 6. У морфології руйнування литого зразка не було виявлено жодних ямок (малюнок 6a), а руйнування в основному складалося з плоских ділянок і розривних країв. , що вказує на те, що механізм руйнування при розтягуванні литого сплаву був переважно крихким. Морфологія руйнування сплаву після екструзії значно змінилася, і руйнування складається з великої кількості рівновісних ямок, що вказує на те, що механізм руйнування сплаву після екструзії змінився з крихкого руйнування на пластичний. Коли коефіцієнт екструзії малий, ямочки неглибокі, розмір ямок великий, а розподіл нерівномірний; зі збільшенням коефіцієнта екструзії кількість ямок збільшується, розмір ямок стає меншим, а розподіл рівномірним (рис. 6b~f), що означає, що сплав має кращу пластичність, що узгоджується з результатами випробування механічних властивостей, 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 нагріву 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 очищаються, а зерна, витягнуті вздовж напрямку екструзії, перетворюються на рівновісні рекристалізовані зерна, а міцність текстури дроту <100> постійно збільшується.
2) Завдяки ефекту дрібнозернистого зміцнення поліпшуються механічні властивості сплаву зі збільшенням коефіцієнта екструзії. У діапазоні параметрів випробування, коли коефіцієнт екструзії становить 156, міцність на розрив і відносне подовження сплаву досягають максимальних значень 228 МПа і 26,9% відповідно.
Рис.6 Морфологія руйнування при розтягуванні алюмінієвого сплаву 6063 після лиття та екструзії
3) Морфологія зламу литого зразка складається з плоских ділянок і розривних країв. Після екструзії руйнування складається з великої кількості рівновісних ямок, і механізм руйнування перетворюється з крихкого руйнування на пластичний.
Час публікації: 30 листопада 2024 р
