Алуминиевата сплав 6063 принадлежи към нисколегираната серия Al-Mg-Si термично обработваема алуминиева сплав. Има отлична производителност при екструдиране, добра устойчивост на корозия и цялостни механични свойства. Също така се използва широко в автомобилната индустрия поради лесното му окислително оцветяване. С ускоряването на тенденцията за леки автомобили, приложението на екструдирани материали от алуминиева сплав 6063 в автомобилната индустрия също се увеличи допълнително.
Микроструктурата и свойствата на екструдираните материали се влияят от комбинираните ефекти на скоростта на екструдиране, температурата на екструдиране и степента на екструдиране. Сред тях съотношението на екструдиране се определя главно от налягането на екструдиране, производствената ефективност и производственото оборудване. Когато коефициентът на екструзия е малък, деформацията на сплавта е малка и усъвършенстването на микроструктурата не е очевидно; увеличаването на коефициента на екструзия може значително да рафинира зърната, да разруши грубата втора фаза, да получи еднаква микроструктура и да подобри механичните свойства на сплавта.
Алуминиевите сплави 6061 и 6063 претърпяват динамична рекристализация по време на процеса на екструдиране. Когато температурата на екструзия е постоянна, тъй като съотношението на екструзия се увеличава, размерът на зърното намалява, укрепващата фаза е фино диспергирана и якостта на опън и удължението на сплавта се увеличават съответно; въпреки това, тъй като съотношението на екструзия се увеличава, силата на екструзия, необходима за процеса на екструзия, също се увеличава, причинявайки по-голям топлинен ефект, което води до повишаване на вътрешната температура на сплавта и намаляване на производителността на продукта. Този експеримент изследва ефекта от съотношението на екструзия, особено голямото съотношение на екструзия, върху микроструктурата и механичните свойства на 6063 алуминиева сплав.
1 Експериментални материали и методи
Експерименталният материал е алуминиева сплав 6063, а химичният състав е показан в таблица 1. Първоначалният размер на блока е Φ55 mm × 165 mm и се обработва в заготовка за екструдиране с размер Φ50 mm × 150 mm след хомогенизиране обработка при 560 ℃ за 6 часа. Заготовката се нагрява до 470 ℃ и се поддържа топла. Температурата на предварително нагряване на екструзионния варел е 420 ℃, а температурата на предварително нагряване на матрицата е 450 ℃. Когато скоростта на екструдиране (скорост на движение на екструзионния прът) V=5 mm/s остава непроменена, се провеждат 5 групи различни тестове за съотношение на екструзия и съотношенията на екструзия R са 17 (съответстващи на диаметъра на отвора на матрицата D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) и 156 (D=4 mm).
Таблица 1 Химически състав на сплав 6063 Al (wt/%)
След шлайфане с шкурка и механично полиране, металографските проби се ецват с HF реагент с обемна фракция 40% за около 25 s и металографската структура на пробите се наблюдава на оптичен микроскоп LEICA-5000. Проба за анализ на текстурата с размер 10 mm × 10 mm беше изрязана от центъра на надлъжното сечение на екструдирания прът и бяха извършени механично смилане и ецване, за да се отстрани слоят на повърхностното напрежение. Непълните полюсни фигури на трите кристални равнини {111}, {200} и {220} на пробата бяха измерени от X′Pert Pro MRD рентгенов дифракционен анализатор на PANalytical Company и данните за текстурата бяха обработени и анализирани от софтуера X′Pert Data View и X′Pert Texture.
Образецът за опън на отлятата сплав беше взет от центъра на слитъка и образецът за опън беше изрязан по посока на екструзия след екструдиране. Размерът на измервателната площ беше Φ4 mm × 28 mm. Тестът за опън беше проведен с помощта на универсална машина за изпитване на материали SANS CMT5105 със скорост на опън 2 mm/min. Средната стойност на трите стандартни образеца беше изчислена като данни за механичните свойства. Морфологията на счупването на образците за опън се наблюдава с помощта на сканиращ електронен микроскоп с ниско увеличение (Quanta 2000, FEI, САЩ).
2 Резултати и дискусия
Фигура 1 показва металографската микроструктура на отлятата алуминиева сплав 6063 преди и след хомогенизираща обработка. Както е показано на Фигура 1а, α-Al зърната в микроструктурата на отлятата форма варират по размер, голям брой ретикулярни β-Al9Fe2Si2 фази се събират по границите на зърната и голям брой гранулирани Mg2Si фази съществуват вътре в зърната. След като слитъкът беше хомогенизиран при 560 ℃ в продължение на 6 часа, неравновесната евтектична фаза между дендритите на сплавта постепенно се разтвори, елементите на сплавта се разтвориха в матрицата, микроструктурата беше еднородна и средният размер на зърното беше около 125 μm (Фигура 1b ).
Преди хомогенизиране
След уеднаквяване на обработката при 600°C в продължение на 6 часа
Фиг.1 Металографска структура на алуминиева сплав 6063 преди и след хомогенизираща обработка
Фигура 2 показва външния вид на пръти от алуминиева сплав 6063 с различни коефициенти на екструдиране. Както е показано на фигура 2, качеството на повърхността на пръти от алуминиева сплав 6063, екструдирани с различни съотношения на екструзия, е добро, особено когато съотношението на екструзия се увеличи до 156 (съответстващо на скорост на изхода на пръта от 48 m/min), все още няма екструзионни дефекти като пукнатини и лющене на повърхността на пръта, което показва, че алуминиевата сплав 6063 също има добра производителност при горещо екструдиране при висока скорост и голямо съотношение на екструзия.
Фиг.2 Външен вид на пръти от алуминиева сплав 6063 с различни коефициенти на екструдиране
Фигура 3 показва металографската микроструктура на надлъжното сечение на прът от алуминиева сплав 6063 с различни коефициенти на екструзия. Зърнестата структура на пръта с различни съотношения на екструзия показва различни степени на удължение или усъвършенстване. Когато коефициентът на екструзия е 17, оригиналните зърна са удължени по посока на екструзия, придружени от образуването на малък брой прекристализирани зърна, но зърната все още са относително груби, със среден размер на зърното от около 85 μm (Фигура 3а) ; когато коефициентът на екструзия е 25, зърната се изтеглят по-тънки, броят на прекристализираните зърна се увеличава и средният размер на зърното намалява до около 71 μm (Фигура 3b); когато коефициентът на екструзия е 39, с изключение на малък брой деформирани зърна, микроструктурата е основно съставена от равноосни рекристализирани зърна с неравномерен размер, със среден размер на зърното от около 60 μm (Фигура 3в); когато съотношението на екструзия е 69, процесът на динамична рекристализация е основно завършен, грубите оригинални зърна са напълно трансформирани в равномерно структурирани рекристализирани зърна и средният размер на зърното е рафиниран до около 41 μm (Фигура 3d); когато съотношението на екструзия е 156, с пълния напредък на процеса на динамична рекристализация, микроструктурата е по-равномерна и размерът на зърното е значително рафиниран до около 32 μm (Фигура 3e). С увеличаването на коефициента на екструзия процесът на динамична рекристализация протича по-пълно, микроструктурата на сплавта става по-равномерна и размерът на зърното е значително рафиниран (Фигура 3f).
Фиг.3 Металографска структура и размер на зърното на надлъжно сечение на пръти от алуминиева сплав 6063 с различни коефициенти на екструзия
Фигура 4 показва обратните полюсни фигури на пръти от алуминиева сплав 6063 с различни съотношения на екструзия по посока на екструзия. Може да се види, че всички микроструктури на пръти от сплав с различни съотношения на екструзия произвеждат очевидна преференциална ориентация. Когато коефициентът на екструзия е 17, се образува по-слаба <115>+<100> текстура (Фигура 4а); когато съотношението на екструзия е 39, компонентите на текстурата са главно по-силната <100> текстура и малко количество слаба <115> текстура (Фигура 4b); когато съотношението на екструзия е 156, текстурните компоненти са <100> текстура със значително повишена якост, докато <115> текстурата изчезва (Фигура 4c). Проучванията показват, че лицево-центрираните кубични метали образуват основно <111> и <100> телени текстури по време на екструдиране и изтегляне. След като се формира текстурата, механичните свойства на сплавта при стайна температура показват очевидна анизотропия. Силата на текстурата се увеличава с увеличаването на коефициента на екструзия, което показва, че броят на зърната в определена кристална посока, успоредна на посоката на екструзия в сплавта, постепенно се увеличава и надлъжната якост на опън на сплавта се увеличава. Механизмите за укрепване на материали за горещо екструдиране от алуминиева сплав 6063 включват укрепване на фини зърна, укрепване на дислокации, укрепване на текстура и т.н. В рамките на обхвата на параметрите на процеса, използвани в това експериментално изследване, увеличаването на съотношението на екструзия има насърчаващ ефект върху горните укрепващи механизми.
Фиг.4 Диаграма на обратния полюс на пръти от алуминиева сплав 6063 с различни съотношения на екструзия по посока на екструзия
Фигура 5 е хистограма на свойствата на опън на алуминиева сплав 6063 след деформация при различни съотношения на екструзия. Якостта на опън на отлятата сплав е 170 MPa, а удължението е 10,4%. Якостта на опън и удължението на сплавта след екструзия са значително подобрени, а якостта на опън и удължението постепенно се увеличават с увеличаването на съотношението на екструзия. Когато коефициентът на екструдиране е 156, якостта на опън и удължението на сплавта достигат максималната стойност, която е съответно 228 MPa и 26,9%, което е около 34% по-високо от якостта на опън на отлятата сплав и около 158% по-високо от удължението. Якостта на опън на алуминиева сплав 6063, получена чрез голямо съотношение на екструзия, е близка до стойността на якост на опън (240 MPa), получена чрез 4-проходна равноканална ъглова екструзия (ECAP), която е много по-висока от стойността на якост на опън (171,1 MPa) получен чрез еднопроходно ECAP екструдиране на 6063 алуминиева сплав. Може да се види, че голямото съотношение на екструзия може да подобри до известна степен механичните свойства на сплавта.
Подобряването на механичните свойства на сплавта чрез съотношението на екструзия идва главно от укрепването на усъвършенстването на зърното. Тъй като съотношението на екструзия се увеличава, зърната се рафинират и дислокационната плътност се увеличава. Повече граници на зърната на единица площ могат ефективно да възпрепятстват движението на дислокациите, комбинирано с взаимното движение и заплитането на дислокациите, като по този начин подобряват здравината на сплавта. Колкото по-фини са зърната, толкова по-криволичещи са границите на зърната и пластичната деформация може да се разпръсне в повече зърна, което не благоприятства образуването на пукнатини, да не говорим за разпространението на пукнатини. По време на процеса на счупване може да се абсорбира повече енергия, като по този начин се подобрява пластичността на сплавта.
Фиг.5 Свойства на опън на алуминиева сплав 6063 след леене и екструдиране
Морфологията на счупване при опън на сплавта след деформация с различни съотношения на екструзия е показана на Фигура 6. Не са открити вдлъбнатини в морфологията на счупване на излятата проба (Фигура 6а), а счупването се състои главно от плоски зони и разкъсващи се ръбове , което показва, че механизмът на счупване при опън на сплавта след отливането е главно крехко счупване. Морфологията на счупване на сплавта след екструзия се е променила значително и счупването се състои от голям брой равноосни вдлъбнатини, което показва, че механизмът на счупване на сплавта след екструдиране се е променил от крехко счупване към пластично счупване. Когато съотношението на екструзия е малко, вдлъбнатините са плитки и размерът на вдлъбнатините е голям и разпределението е неравномерно; тъй като коефициентът на екструзия се увеличава, броят на трапчинките се увеличава, размерът на трапчинките е по-малък и разпределението е равномерно (Фигура 6b~f), което означава, че сплавта има по-добра пластичност, което е в съответствие с резултатите от изпитването на механичните свойства по-горе.
3 Заключение
В този експеримент ефектите от различните съотношения на екструзия върху микроструктурата и свойствата на алуминиева сплав 6063 бяха анализирани при условие, че размерът на заготовката, температурата на нагряване на блока и скоростта на екструзия останаха непроменени. Изводите са следните:
1) Динамичната рекристализация възниква в алуминиева сплав 6063 по време на горещо екструдиране. С увеличаването на съотношението на екструзия, зърната непрекъснато се рафинират и зърната, удължени по посока на екструзия, се трансформират в равноосни рекристализирани зърна и силата на <100> телена текстура непрекъснато се увеличава.
2) Благодарение на ефекта на укрепване на фините зърна, механичните свойства на сплавта се подобряват с увеличаване на съотношението на екструзия. В рамките на обхвата на тестовите параметри, когато съотношението на екструзия е 156, якостта на опън и удължението на сплавта достигат максималните стойности съответно от 228 MPa и 26,9%.
Фиг.6 Морфологии на счупване при опън на алуминиева сплав 6063 след леене и екструдиране
3) Морфологията на фрактурата на излятия образец се състои от плоски области и ръбове на разкъсване. След екструзията счупването се състои от голям брой равноосни вдлъбнатини и механизмът на счупване се трансформира от крехко счупване в пластично счупване.
Време на публикуване: 30 ноември 2024 г
