Aliajul de aluminiu 6063 aparține aliajului de aluminiu tratabil termic din seria Al-Mg-Si, slab aliat. Are performanțe excelente de turnare prin extrudare, o bună rezistență la coroziune și proprietăți mecanice complete. Este, de asemenea, utilizat pe scară largă în industria auto datorită colorării sale ușoare prin oxidare. Odată cu accelerarea tendinței automobilelor ușoare, utilizarea materialelor de extrudare din aliaj de aluminiu 6063 în industria auto a crescut și ea în continuare.
Microstructura și proprietățile materialelor extrudate sunt afectate de efectele combinate ale vitezei de extrudare, temperaturii de extrudare și raportului de extrudare. Printre acestea, raportul de extrudare este determinat în principal de presiunea de extrudare, eficiența producției și echipamentul de producție. Atunci când raportul de extrudare este mic, deformarea aliajului este mică, iar rafinarea microstructurii nu este evidentă; creșterea raportului de extrudare poate rafina semnificativ granulele, poate descompune a doua fază grosieră, poate obține o microstructură uniformă și poate îmbunătăți proprietățile mecanice ale aliajului.
Aliajele de aluminiu 6061 și 6063 suferă o recristalizare dinamică în timpul procesului de extrudare. Când temperatura de extrudare este constantă, pe măsură ce raportul de extrudare crește, dimensiunea granulelor scade, faza de întărire este fin dispersată, iar rezistența la tracțiune și alungirea aliajului cresc în mod corespunzător; cu toate acestea, pe măsură ce raportul de extrudare crește, forța de extrudare necesară pentru procesul de extrudare crește și ea, provocând un efect termic mai mare, determinând creșterea temperaturii interne a aliajului și scăderea performanței produsului. Acest experiment studiază efectul raportului de extrudare, în special al raportului de extrudare mare, asupra microstructurii și proprietăților mecanice ale aliajului de aluminiu 6063.
1 Materiale și metode experimentale
Materialul experimental este aliajul de aluminiu 6063, iar compoziția chimică este prezentată în Tabelul 1. Dimensiunea originală a lingoului este Φ55 mm × 165 mm și este prelucrat într-o țaglă extrudată cu dimensiunea de Φ50 mm × 150 mm după tratamentul de omogenizare la 560 ℃ timp de 6 ore. Țagla este încălzită la 470 ℃ și menținută caldă. Temperatura de preîncălzire a cilindrului de extrudare este de 420 ℃, iar temperatura de preîncălzire a matriței este de 450 ℃. Când viteza de extrudare (viteza de mișcare a tijei de extrudare) V = 5 mm/s rămâne neschimbată, se efectuează 5 grupe de teste cu diferite rapoarte de extrudare, iar rapoartele de extrudare R sunt 17 (corespunzătoare diametrului orificiului matriței D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) și 156 (D = 4 mm).
Tabelul 1 Compoziții chimice ale aliajului de aluminiu 6063 (g/%)
După șlefuirea cu șmirghel și lustruirea mecanică, probele metalografice au fost gravate cu reactiv HF cu o fracție volumică de 40% timp de aproximativ 25 de secunde, iar structura metalografică a probelor a fost observată la un microscop optic LEICA-5000. O probă de analiză a texturii cu dimensiunea de 10 mm × 10 mm a fost tăiată din centrul secțiunii longitudinale a tijei extrudate și s-au efectuat șlefuirea și gravarea mecanică pentru a îndepărta stratul de stres superficial. Figurile polare incomplete ale celor trei planuri cristaline {111}, {200} și {220} ale probei au fost măsurate cu analizorul de difracție de raze X X′Pert Pro MRD de la PANalytical Company, iar datele de textură au fost procesate și analizate cu ajutorul programelor software X′Pert Data View și X′Pert Texture.
Proba de tracțiune a aliajului turnat a fost prelevată din centrul lingoului, iar proba de tracțiune a fost tăiată de-a lungul direcției de extrudare după extrudare. Dimensiunea suprafeței de calibrare a fost de Φ4 mm × 28 mm. Testul de tracțiune a fost efectuat utilizând o mașină universală de testare a materialelor SANS CMT5105 cu o viteză de tracțiune de 2 mm/min. Valoarea medie a celor trei probe standard a fost calculată ca date privind proprietățile mecanice. Morfologia fracturilor probelor de tracțiune a fost observată utilizând un microscop electronic cu scanare cu mărire mică (Quanta 2000, FEI, SUA).
2 Rezultate și discuții
Figura 1 prezintă microstructura metalografică a aliajului de aluminiu 6063 turnat înainte și după tratamentul de omogenizare. După cum se arată în Figura 1a, granulele α-Al din microstructura turnată variază în dimensiuni, un număr mare de faze reticulare β-Al9Fe2Si2 se adună la limitele granulelor și un număr mare de faze granulare Mg2Si există în interiorul granulelor. După omogenizarea lingoului la 560 ℃ timp de 6 ore, faza eutectică de dezechilibru dintre dendritele aliajului s-a dizolvat treptat, elementele aliajului s-au dizolvat în matrice, microstructura a fost uniformă, iar dimensiunea medie a granulelor a fost de aproximativ 125 μm (Figura 1b).
Înainte de omogenizare
După tratamentul de uniformizare la 600°C timp de 6 ore
Fig.1 Structura metalografică a aliajului de aluminiu 6063 înainte și după tratamentul de omogenizare
Figura 2 prezintă aspectul barelor din aliaj de aluminiu 6063 cu diferite rapoarte de extrudare. După cum se arată în Figura 2, calitatea suprafeței barelor din aliaj de aluminiu 6063 extrudate cu diferite rapoarte de extrudare este bună, în special atunci când raportul de extrudare este crescut la 156 (corespunzător vitezei de ieșire a extrudării barei de 48 m/min), încă nu există defecte de extrudare, cum ar fi fisuri și exfoliere, pe suprafața barei, ceea ce indică faptul că aliajul de aluminiu 6063 are, de asemenea, performanțe bune de formare prin extrudare la cald la viteză mare și raport de extrudare mare.
Fig.2 Aspectul tijelor din aliaj de aluminiu 6063 cu diferite rapoarte de extrudare
Figura 3 prezintă microstructura metalografică a secțiunii longitudinale a barei din aliaj de aluminiu 6063 cu diferite rapoarte de extrudare. Structura granulară a barei cu diferite rapoarte de extrudare prezintă diferite grade de alungire sau rafinare. Când raportul de extrudare este 17, granulele originale sunt alungite de-a lungul direcției de extrudare, însoțite de formarea unui număr mic de granule recristalizate, dar granulele sunt încă relativ grosiere, cu o dimensiune medie a granulelor de aproximativ 85 μm (Figura 3a); când raportul de extrudare este 25, granulele sunt trase mai subțiri, numărul de granule recristalizate crește, iar dimensiunea medie a granulelor scade la aproximativ 71 μm (Figura 3b); când raportul de extrudare este 39, cu excepția unui număr mic de granule deformate, microstructura este compusă în principal din granule recristalizate echiaxiale de dimensiuni inegale, cu o dimensiune medie a granulelor de aproximativ 60 μm (Figura 3c); Când raportul de extrudare este 69, procesul de recristalizare dinamică este practic finalizat, granulele originale grosiere au fost complet transformate în granule recristalizate uniform structurate, iar dimensiunea medie a granulelor este rafinată la aproximativ 41 μm (Figura 3d); când raportul de extrudare este 156, odată cu progresul complet al procesului de recristalizare dinamică, microstructura este mai uniformă, iar dimensiunea granulelor este mult rafinată la aproximativ 32 μm (Figura 3e). Odată cu creșterea raportului de extrudare, procesul de recristalizare dinamică decurge mai complet, microstructura aliajului devine mai uniformă, iar dimensiunea granulelor este semnificativ rafinată (Figura 3f).
Fig.3 Structura metalografică și granulometria secțiunii longitudinale a barelor din aliaj de aluminiu 6063 cu diferite rapoarte de extrudare
Figura 4 prezintă figurile inverse ale polilor barelor din aliaj de aluminiu 6063 cu diferite rapoarte de extrudare de-a lungul direcției de extrudare. Se poate observa că microstructurile barelor din aliaj cu diferite rapoarte de extrudare produc o orientare preferențială evidentă. Când raportul de extrudare este 17, se formează o textură <115> + <100> mai slabă (Figura 4a); când raportul de extrudare este 39, componentele texturii sunt în principal textura <100> mai puternică și o cantitate mică de textură <115> slabă (Figura 4b); când raportul de extrudare este 156, componentele texturii sunt textura <100> cu rezistență semnificativ crescută, în timp ce textura <115> dispare (Figura 4c). Studiile au arătat că metalele cubice cu fețe centrate formează în principal texturi de sârmă <111> și <100> în timpul extrudării și tragerii. Odată ce textura este formată, proprietățile mecanice ale aliajului la temperatura camerei prezintă o anizotropie evidentă. Rezistența texturii crește odată cu creșterea raportului de extrudare, indicând faptul că numărul de granule dintr-o anumită direcție cristalină paralelă cu direcția de extrudare din aliaj crește treptat, iar rezistența la tracțiune longitudinală a aliajului crește. Mecanismele de întărire ale materialelor de extrudare la cald din aliaj de aluminiu 6063 includ întărirea granulelor fine, întărirea dislocațiilor, întărirea texturii etc. În intervalul de parametri de proces utilizați în acest studiu experimental, creșterea raportului de extrudare are un efect de promovare asupra mecanismelor de întărire menționate mai sus.
Fig.4 Diagrama polilor inversați a tijelor din aliaj de aluminiu 6063 cu diferite rapoarte de extrudare de-a lungul direcției de extrudare
Figura 5 este o histogramă a proprietăților de tracțiune ale aliajului de aluminiu 6063 după deformare la diferite rapoarte de extrudare. Rezistența la tracțiune a aliajului turnat este de 170 MPa, iar alungirea este de 10,4%. Rezistența la tracțiune și alungirea aliajului după extrudare sunt îmbunătățite semnificativ, iar rezistența la tracțiune și alungirea cresc treptat odată cu creșterea raportului de extrudare. Când raportul de extrudare este de 156, rezistența la tracțiune și alungirea aliajului ating valoarea maximă, care este de 228 MPa și respectiv 26,9%, ceea ce este cu aproximativ 34% mai mare decât rezistența la tracțiune a aliajului turnat și cu aproximativ 158% mai mare decât alungirea. Rezistența la tracțiune a aliajului de aluminiu 6063 obținută printr-un raport de extrudare mare este apropiată de valoarea rezistenței la tracțiune (240 MPa) obținută prin extrudare unghiulară cu canale egale (ECAP) în 4 treceri, care este mult mai mare decât valoarea rezistenței la tracțiune (171,1 MPa) obținută prin extrudare ECAP într-o singură trecere a aliajului de aluminiu 6063. Se poate observa că un raport mare de extrudare poate îmbunătăți într-o anumită măsură proprietățile mecanice ale aliajului.
Îmbunătățirea proprietăților mecanice ale aliajului prin raportul de extrudare provine în principal din întărirea rafinării granulelor. Pe măsură ce raportul de extrudare crește, granulele sunt rafinate și densitatea dislocațiilor crește. Mai multe limite ale granulelor pe unitatea de suprafață pot împiedica eficient mișcarea dislocațiilor, combinate cu mișcarea reciprocă și încurcarea dislocațiilor, îmbunătățind astfel rezistența aliajului. Cu cât granulele sunt mai fine, cu atât limitele granulelor sunt mai tortuoase, iar deformarea plastică poate fi dispersată în mai multe granule, ceea ce nu conduce la formarea fisurilor, darămite la propagarea fisurilor. Mai multă energie poate fi absorbită în timpul procesului de fracturare, îmbunătățind astfel plasticitatea aliajului.
Fig.5 Proprietățile de tracțiune ale aliajului de aluminiu 6063 după turnare și extrudare
Morfologia fracturii la tracțiune a aliajului după deformare cu diferite rapoarte de extrudare este prezentată în Figura 6. Nu s-au găsit adâncituri în morfologia fracturii probei turnate (Figura 6a), iar fractura a fost compusă în principal din zone plane și margini de rupere, indicând faptul că mecanismul de fractură la tracțiune al aliajului turnat a fost în principal o fractură fragilă. Morfologia fracturii aliajului după extrudare s-a schimbat semnificativ, iar fractura este compusă dintr-un număr mare de adâncituri echiaxiale, indicând faptul că mecanismul de fractură al aliajului după extrudare s-a schimbat de la fractură fragilă la fractură ductilă. Când raportul de extrudare este mic, adânciturile sunt superficiale, iar dimensiunea adânciturii este mare, iar distribuția este inegală; pe măsură ce raportul de extrudare crește, numărul de adâncituri crește, dimensiunea adânciturii este mai mică, iar distribuția este uniformă (Figura 6b-f), ceea ce înseamnă că aliajul are o plasticitate mai bună, ceea ce este în concordanță cu rezultatele testelor de proprietăți mecanice de mai sus.
3 Concluzie
În acest experiment, au fost analizate efectele diferitelor rapoarte de extrudare asupra microstructurii și proprietăților aliajului de aluminiu 6063, în condițiile în care dimensiunea țaglei, temperatura de încălzire a lingoului și viteza de extrudare au rămas neschimbate. Concluziile sunt următoarele:
1) Recristalizarea dinamică are loc în aliajul de aluminiu 6063 în timpul extrudării la cald. Odată cu creșterea raportului de extrudare, granulele sunt rafinate continuu, iar granulele alungite de-a lungul direcției de extrudare se transformă în granule recristalizate echiaxiale, iar rezistența texturii sârmei <100> crește continuu.
2) Datorită efectului de întărire a granulelor fine, proprietățile mecanice ale aliajului se îmbunătățesc odată cu creșterea raportului de extrudare. În intervalul parametrilor de testare, când raportul de extrudare este 156, rezistența la tracțiune și alungirea aliajului ating valori maxime de 228 MPa și, respectiv, 26,9%.
Fig.6 Morfologii de fractură la întindere ale aliajului de aluminiu 6063 după turnare și extrudare
3) Morfologia fracturii epruvetei turnate este compusă din zone plane și margini de rupere. După extrudare, fractura este compusă dintr-un număr mare de adâncituri echiaxiale, iar mecanismul de fractură se transformă de la fractură fragilă la fractură ductilă.
Data publicării: 30 noiembrie 2024
