Алуминиевата сплав 6063 принадлежи към нисколегираната термообработваема алуминиева сплав от серията Al-Mg-Si. Тя има отлични характеристики при екструдиране, добра устойчивост на корозия и комплексни механични свойства. Също така се използва широко в автомобилната индустрия поради лесното си окислително оцветяване. С ускоряването на тенденцията за леки автомобили, приложението на екструдирани алуминиеви сплави 6063 в автомобилната индустрия също се е увеличило допълнително.
Микроструктурата и свойствата на екструдираните материали се влияят от комбинираното въздействие на скоростта на екструдиране, температурата на екструдиране и коефициента на екструдиране. Сред тях коефициентът на екструдиране се определя главно от налягането на екструдиране, производствената ефективност и производственото оборудване. Когато коефициентът на екструдиране е малък, деформацията на сплавта е малка и рафинирането на микроструктурата не е очевидно; увеличаването на коефициента на екструдиране може значително да рафинира зърната, да разчупи грубата втора фаза, да получи равномерна 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 екструдиране е постоянна, с увеличаване на коефициента на екструдиране, размерът на зърната намалява, укрепващата фаза се диспергира фино и якостта на опън и удължението на сплавта се увеличават съответно; с увеличаване на коефициента на екструдиране обаче, необходимата за процеса на екструдиране сила на екструдиране също се увеличава, което води до по-голям термичен ефект, повишаване на вътрешната температура на сплавта и намаляване на производителността на продукта. Този експеримент изследва влиянието на коефициента на екструдиране, особено на големия коефициент на екструдиране, върху микроструктурата и механичните свойства на алуминиевата сплав 6063.
1 Експериментални материали и методи
Експерименталният материал е алуминиева сплав 6063, а химичният състав е показан в Таблица 1. Първоначалният размер на слитъка е Φ55 mm × 165 mm и след хомогенизираща обработка при 560 ℃ в продължение на 6 часа, той се преработва в екструдирана заготовка с размер Φ50 mm × 150 mm. Заготовката се нагрява до 470 ℃ и се поддържа топла. Температурата на предварително нагряване на екструзионния барабан е 420 ℃, а температурата на предварително нагряване на формата е 450 ℃. Когато скоростта на екструдиране (скорост на движение на екструдиращия прът) V=5 mm/s остане непроменена, се провеждат 5 групи тестове с различни съотношения на екструдиране, като съотношенията на екструдиране R са 17 (съответстващо 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 Химичен състав на алуминиева сплав 6063 (тегл./%)
След шлайфане с шкурка и механично полиране, металографските проби бяха ецвани с HF реагент с обемна фракция 40% за около 25 секунди, а металографската структура на пробите беше наблюдавана на оптичен микроскоп LEICA-5000. Проба за текстурен анализ с размер 10 mm × 10 mm беше изрязана от центъра на надлъжното сечение на екструдирания прът и бяха извършени механично шлайфане и ецване за отстраняване на повърхностния напрегнат слой. Непълните полюсни фигури на трите кристални равнини {111}, {200} и {220} на пробата бяха измерени с рентгеновия дифракционен анализатор X′Pert Pro MRD на PANalytical Company, а данните за текстурата бяха обработени и анализирани със софтуера X′Pert Data View и X′Pert Texture.
Образецът за опън на лятата сплав е взет от центъра на слитъка и след екструдирането е изрязан по посока на екструдиране. Размерът на измерваната площ е Φ4 mm × 28 mm. Изпитването на опън е проведено с помощта на универсална машина за изпитване на материали SANS CMT5105 със скорост на опън 2 mm/min. Средната стойност на трите стандартни образци е изчислена като данни за механичните свойства. Морфологията на разрушаването на образците за опън е наблюдавана 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 отлятата микроструктура варират по размер, голям брой ретикуларни β-Al9Fe2Si2 фази се събират по границите на зърната, а вътре в зърната съществува голям брой гранулирани Mg2Si фази. След като слитъкът е хомогенизиран при 560 ℃ в продължение на 6 часа, неравновесната евтектична фаза между дендритите на сплавта постепенно се разтваря, елементите на сплавта се разтварят в матрицата, микроструктурата е равномерна, а средният размер на зърната е около 125 μm (Фигура 1b).
Преди хомогенизиране
След униформизираща обработка при 600°C в продължение на 6 часа
Фиг.1 Металографска структура на алуминиева сплав 6063 преди и след хомогенизационна обработка
Фигура 2 показва външния вид на пръти от алуминиева сплав 6063 с различни съотношения на екструдиране. Както е показано на Фигура 2, качеството на повърхността на прътите от алуминиева сплав 6063, екструдирани с различни съотношения на екструдиране, е добро, особено когато съотношението на екструдиране се увеличи до 156 (съответстващо на скорост на изхода на пръта от 48 м/мин), все още няма дефекти при екструдиране, като пукнатини и лющене по повърхността на пръта, което показва, че алуминиевата сплав 6063 също има добри характеристики на горещо екструдиране при висока скорост и голямо съотношение на екструдиране.
Фиг. 2 Външен вид на пръти от алуминиева сплав 6063 с различни съотношения на екструдиране
Фигура 3 показва металографската микроструктура на надлъжното сечение на прът от алуминиева сплав 6063 с различни съотношения на екструдиране. Зърнестата структура на пръта с различни съотношения на екструдиране показва различна степен на удължаване или рафиниране. Когато съотношението на екструдиране е 17, оригиналните зърна се удължават по посока на екструдиране, придружено от образуването на малък брой рекристализирани зърна, но зърната все още са относително едри, със среден размер на зърната около 85 μm (Фигура 3a); когато съотношението на екструдиране е 25, зърната се издърпват по-тънки, броят на рекристализираните зърна се увеличава и средният размер на зърната намалява до около 71 μm (Фигура 3b); когато съотношението на екструдиране е 39, с изключение на малък брой деформирани зърна, микроструктурата е съставена основно от равноосни рекристализирани зърна с неравномерен размер, със среден размер на зърната около 60 μm (Фигура 3c); Когато коефициентът на екструдиране е 69, процесът на динамична рекристализация е основно завършен, грубите оригинални зърна са напълно трансформирани в равномерно структурирани рекристализирани зърна, а средният размер на зърната е рафиниран до около 41 μm (Фигура 3d); когато коефициентът на екструдиране е 156, с пълното протичане на процеса на динамична рекристализация, микроструктурата е по-равномерна, а размерът на зърната е значително рафиниран до около 32 μm (Фигура 3e). С увеличаването на коефициента на екструдиране, процесът на динамична рекристализация протича по-пълноценно, микроструктурата на сплавта става по-равномерна и размерът на зърната е значително рафиниран (Фигура 3f).
Фиг. 3 Металографска структура и размер на зърната на надлъжното сечение на пръти от алуминиева сплав 6063 с различни съотношения на екструдиране
Фигура 4 показва инверсните полярни фигури на алуминиеви пръти 6063 с различни съотношения на екструдиране по посока на екструдиране. Вижда се, че микроструктурите на сплавните пръти с различни съотношения на екструдиране водят до очевидна преференциална ориентация. Когато съотношението на екструдиране е 17, се образува по-слаба текстура <115>+<100> (Фигура 4а); когато съотношението на екструдиране е 39, компонентите на текстурата са предимно по-силната текстура <100> и малко количество слаба текстура <115> (Фигура 4б); когато съотношението на екструдиране е 156, компонентите на текстурата са текстурата <100> със значително повишена якост, докато текстурата <115> изчезва (Фигура 4в). Проучванията показват, че гранецентрираните кубични метали образуват предимно телени текстури <111> и <100> по време на екструдиране и изтегляне. След като текстурата се формира, механичните свойства на сплавта при стайна температура показват очевидна анизотропия. Текстурната якост се увеличава с увеличаване на коефициента на екструдиране, което показва, че броят на зърната в определена кристална посока, успоредна на посоката на екструдиране в сплавта, постепенно се увеличава, а надлъжната якост на опън на сплавта се увеличава. Механизмите за укрепване на горещо екструдираните материали от алуминиева сплав 6063 включват финозърнесто укрепване, дислокационно укрепване, текстурно укрепване и др. В рамките на диапазона от параметри на процеса, използвани в това експериментално изследване, увеличаването на коефициента на екструдиране има стимулиращ ефект върху гореспоменатите механизми на укрепване.
Фиг.4 Диаграма на обратните полюси на пръти от алуминиева сплав 6063 с различни съотношения на екструдиране по посока на екструдиране
Фигура 5 е хистограма на свойствата на опън на алуминиева сплав 6063 след деформация при различни съотношения на екструдиране. Якостта на опън на лятата сплав е 170 MPa, а удължението е 10,4%. Якостта на опън и удължението на сплавта след екструдиране са значително подобрени, като якостта на опън и удължението постепенно се увеличават с увеличаване на съотношението на екструдиране. Когато съотношението на екструдиране е 156, якостта на опън и удължението на сплавта достигат максималната си стойност, съответно 228 MPa и 26,9%, което е с около 34% по-високо от якостта на опън на лятата сплав и с около 158% по-високо от удължението. Якостта на опън на алуминиева сплав 6063, получена чрез голямо съотношение на екструдиране, е близка до стойността на якостта на опън (240 MPa), получена чрез 4-ходово равноканално ъглово екструдиране (ECAP), която е много по-висока от стойността на якостта на опън (171,1 MPa), получена чрез 1-ходово ECAP екструдиране на алуминиева сплав 6063. Може да се види, че голямото съотношение на екструдиране може да подобри механичните свойства на сплавта до известна степен.
Подобряването на механичните свойства на сплавта чрез коефициент на екструдиране се дължи главно на укрепването чрез рафиниране на зърната. С увеличаване на коефициента на екструдиране, зърната се рафинират и плътността на дислокациите се увеличава. Повече граници на зърната на единица площ могат ефективно да възпрепятстват движението на дислокациите, в комбинация с взаимното им движение и заплитане, като по този начин подобряват якостта 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, камо ли разпространението им. По време на процеса на разрушаване може да се абсорбира повече енергия, като по този начин се подобрява пластичността на сплавта.
Фиг. 5 Якостни свойства на алуминиева сплав 6063 след леене и екструдиране
Морфологията на опънното разрушаване на сплавта след деформация с различни съотношения на екструдиране е показана на Фигура 6. В морфологията на разрушаването на отлятата проба не са открити вдлъбнатини (Фигура 6а), а разрушаването е съставено главно от плоски области и ръбове на разкъсване, което показва, че механизмът на опънно разрушаване на отлятата сплав е предимно крехко разрушаване. Морфологията на разрушаването на сплавта след екструдиране се е променила значително и разрушаването е съставено от голям брой равноосни вдлъбнатини, което показва, че механизмът на разрушаване на сплавта след екструдиране се е променил от крехко разрушаване към пластично разрушаване. Когато съотношението на екструдиране е малко, вдлъбнатините са плитки, размерът на вдлъбнатините е голям, а разпределението им е неравномерно; с увеличаване на съотношението на екструдиране броят на вдлъбнатините се увеличава, размерът на вдлъбнатините е по-малък и разпределението им е равномерно (Фигура 6b~f), което означава, че сплавта има по-добра пластичност, което е в съответствие с резултатите от изпитванията за механични свойства по-горе.
3 Заключение
В този експеримент са анализирани ефектите от различни съотношения на екструдиране върху микроструктурата и свойствата на алуминиевата сплав 6063 при условие, че размерът на заготовката, температурата на нагряване на слитъка и скоростта на екструдиране остават непроменени. Заключенията са следните:
1) Динамична рекристализация протича в алуминиева сплав 6063 по време на горещо екструдиране. С увеличаване на коефициента на екструдиране, зърната непрекъснато се рафинират и зърната, удължени по посока на екструдиране, се трансформират в равноосни рекристализирани зърна, а якостта на текстурата на телта <100> непрекъснато се увеличава.
2) Благодарение на ефекта на финозърнестото укрепване, механичните свойства на сплавта се подобряват с увеличаване на коефициента на екструдиране. В диапазона на тестовите параметри, когато коефициентът на екструдиране е 156, якостта на опън и удължението на сплавта достигат максималните стойности съответно от 228 MPa и 26,9%.
Фиг. 6 Морфология на опънното разрушаване на алуминиева сплав 6063 след леене и екструдиране
3) Морфологията на фрактурата на отливаната проба е съставена от плоски области и ръбове на разкъсване. След екструдиране фрактурата е съставена от голям брой равноосни вдлъбнатини, а механизмът на разрушаване се трансформира от крехко разрушаване в пластично разрушаване.
Време на публикуване: 30 ноември 2024 г.
