A 6063 alumíniumötvözet az alacsony ötvözetű Al-Mg-Si sorozatú hőkezelhető alumíniumötvözetek közé tartozik. Kiváló extrudálási teljesítménnyel, jó korrózióállósággal és átfogó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Könnyen oxidálódó színeződése miatt széles körben használják az autóiparban is. A könnyű autók trendjének felgyorsulásával a 6063 alumíniumötvözet extrudált anyagok alkalmazása az autóiparban is tovább nőtt.
Az extrudált anyagok mikroszerkezetét és tulajdonságait az extrudálási sebesség, az extrudálási hőmérséklet és az extrudálási arány együttes hatása befolyásolja. Ezek közül az extrudálási arányt főként az extrudálási nyomás, a termelési hatékonyság és a gyártóberendezés határozza meg. Ha az extrudálási arány kicsi, az ötvözet deformációja kicsi, és a mikroszerkezet finomodása nem egyértelmű; az extrudálási arány növelése jelentősen finomíthatja a szemcséket, feltörheti a durva második fázist, egyenletes mikroszerkezetet kaphat, és javíthatja az ötvözet mechanikai tulajdonságait.
A 6061 és 6063 alumíniumötvözetek dinamikus átkristályosodáson mennek keresztül az extrudálási folyamat során. Amikor az extrudálási hőmérséklet állandó, az extrudálási arány növekedésével a szemcseméret csökken, az erősítő fázis finoman diszpergálódik, és az ötvözet szakítószilárdsága és nyúlása ennek megfelelően növekszik; azonban az extrudálási arány növekedésével az extrudálási folyamathoz szükséges extrudálási erő is növekszik, ami nagyobb hőhatást okoz, az ötvözet belső hőmérsékletének emelkedését és a termék teljesítményének csökkenését okozza. Ez a kísérlet az extrudálási arány, különösen a nagy extrudálási arány hatását vizsgálja a 6063 alumíniumötvözet mikroszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira.
1 Kísérleti anyagok és módszerek
A kísérleti anyag 6063 alumíniumötvözet, amelynek kémiai összetételét az 1. táblázat mutatja. A tuskó eredeti mérete Φ55 mm × 165 mm, és 6 órán át 560 °C-on végzett homogenizációs kezelés után Φ50 mm × 150 mm méretű extrudáló tuskóvá dolgozzák fel. A tuskót 470 °C-ra melegítik és melegen tartják. Az extrudáló henger előmelegítési hőmérséklete 420 °C, a forma előmelegítési hőmérséklete pedig 450 °C. Amikor az extrudálási sebesség (az extrudáló rúd mozgási sebessége) V=5 mm/s változatlan marad, 5 különböző extrudálási arányú vizsgálatot végeznek, és az extrudálási arányok R: 17 (a szerszámfurat átmérőjének D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) és 156 (D=4 mm).
1. táblázat A 6063 Al ötvözet kémiai összetétele (tömeg/%)
Csiszolópapíros csiszolás és mechanikus polírozás után a metallográfiai mintákat 40 térfogatszázalékos HF reagenssel marattuk körülbelül 25 másodpercig, majd a minták metallográfiai szerkezetét LEICA-5000 optikai mikroszkópon vizsgáltuk. Az extrudált rúd hosszmetszetének közepéből 10 mm × 10 mm méretű textúraelemző mintát vágtunk ki, majd mechanikai csiszolással és maratással eltávolítottuk a felületi feszültségréteget. A minta három kristálysíkjának ({111}, {200} és {220}) hiányos pólusalakjait a PANalytical Company X′Pert Pro MRD röntgendiffrakciós analizátorával mértük, a textúraadatokat pedig az X′Pert Data View és az X′Pert Texture szoftverekkel dolgoztuk fel és elemeztük.
Az öntött ötvözet szakítómintáját a buga közepéből vettük, majd a szakítómintát az extrudálás után az extrudálási irány mentén elvágtuk. A mérőfelület mérete Φ4 mm × 28 mm volt. A szakítóvizsgálatot SANS CMT5105 univerzális anyagvizsgáló géppel végeztük, 2 mm/perc szakítósebességgel. A három standard minta átlagértékét számítottuk ki mechanikai tulajdonságadatként. A szakítóminták törési morfológiáját alacsony nagyítású pásztázó elektronmikroszkóppal (Quanta 2000, FEI, USA) figyeltük meg.
2 Eredmények és megbeszélés
Az 1. ábra az öntött 6063 alumíniumötvözet metallográfiai mikroszerkezetét mutatja a homogenizálás előtt és után. Amint az 1a. ábrán látható, az öntött mikroszerkezetben az α-Al szemcsék mérete változó, nagyszámú retikuláris β-Al9Fe2Si2 fázis gyűlik össze a szemcsehatárokon, és nagyszámú szemcsés Mg2Si fázis létezik a szemcsék belsejében. Miután a tömböt 560 °C-on 6 órán át homogenizálták, az ötvözet dendritjei közötti nemegyensúlyi eutektikus fázis fokozatosan feloldódott, az ötvözet elemei feloldódtak a mátrixba, a mikroszerkezet egyenletessé vált, az átlagos szemcseméret pedig körülbelül 125 μm volt (1b. ábra).
Homogenizálás előtt
6 órán át 600°C-on történő egyenletes kezelés után
1. ábra A 6063 alumíniumötvözet metallográfiai szerkezete a homogenizációs kezelés előtt és után
A 2. ábra a különböző extrudálási arányú 6063 alumíniumötvözet rudak megjelenését mutatja. Amint a 2. ábrán látható, a különböző extrudálási arányokkal extrudált 6063 alumíniumötvözet rudak felületi minősége jó, különösen akkor, ha az extrudálási arányt 156-ra növelik (ami a rúd extrudálásának kimeneti sebessége 48 m/perc), továbbra sem jelennek meg extrudálási hibák, például repedések és hámlás a rúd felületén, ami azt jelzi, hogy a 6063 alumíniumötvözet nagy sebesség és nagy extrudálási arány mellett is jó meleg extrudálási teljesítményt nyújt.
2. ábra Különböző extrudálási arányú 6063 alumíniumötvözet rudak megjelenése
A 3. ábra a 6063 alumíniumötvözetből készült rúd hosszmetszetének metallográfiai mikroszerkezetét mutatja különböző extrudálási arányok esetén. A különböző extrudálási arányú rúd szemcseszerkezete eltérő nyúlást vagy finomodást mutat. Amikor az extrudálási arány 17, az eredeti szemcsék megnyúlnak az extrudálás irányában, kis számú átkristályosodott szemcse képződésével együtt, de a szemcsék még mindig viszonylag durvák, átlagos szemcseméretük körülbelül 85 μm (3a. ábra); amikor az extrudálási arány 25, a szemcsék karcsúbbá válnak, az átkristályosodott szemcsék száma növekszik, és az átlagos szemcseméret körülbelül 71 μm-re csökken (3b. ábra); amikor az extrudálási arány 39, a kis számú deformált szemcsét leszámítva a mikroszerkezet alapvetően egyenlő tengelyű, egyenetlen méretű átkristályosodott szemcsékből áll, átlagos szemcseméretük körülbelül 60 μm (3c. ábra). Amikor az extrudálási arány 69, a dinamikus átkristályosodási folyamat lényegében befejeződött, a durva eredeti szemcsék teljesen átalakultak egyenletes szerkezetű átkristályosodott szemcsékké, és az átlagos szemcseméret körülbelül 41 μm-re finomodott (3d. ábra); amikor az extrudálási arány 156, a dinamikus átkristályosodási folyamat teljes előrehaladtával a mikroszerkezet egyenletesebbé válik, és a szemcseméret jelentősen, körülbelül 32 μm-re finomodik (3e. ábra). Az extrudálási arány növekedésével a dinamikus átkristályosodási folyamat teljesebben zajlik le, az ötvözet mikroszerkezete egyenletesebbé válik, és a szemcseméret jelentősen finomodik (3f. ábra).
3. ábra Különböző extrudálási arányú 6063 alumíniumötvözetből készült rudak hosszmetszetének metallográfiai szerkezete és szemcsemérete
A 4. ábra a 6063-as alumíniumötvözet rudak inverz pólusábráit mutatja különböző extrudálási arányok esetén az extrudálás irányában. Látható, hogy a különböző extrudálási arányú ötvözetrudak mikroszerkezetei mind egyértelműen preferenciális orientációt eredményeznek. Amikor az extrudálási arány 17, gyengébb <115>+<100> textúra alakul ki (4a. ábra); amikor az extrudálási arány 39, a textúrakomponensek főként az erősebb <100> textúra és kis mennyiségű gyenge <115> textúra (4b. ábra); amikor az extrudálási arány 156, a textúrakomponensek a jelentősen megnövekedett szilárdságú <100> textúra, míg a <115> textúra eltűnik (4c. ábra). Tanulmányok kimutatták, hogy a lapcentrált köbös fémek főként <111> és <100> huzaltextúrákat képeznek az extrudálás és a húzás során. A textúra kialakulása után az ötvözet szobahőmérsékletű mechanikai tulajdonságai egyértelmű anizotrópiát mutatnak. A textúra szilárdsága az extrudálási arány növekedésével növekszik, ami azt jelzi, hogy az ötvözetben az extrudálási iránnyal párhuzamosan egy bizonyos kristályirányban lévő szemcsék száma fokozatosan növekszik, és az ötvözet hosszirányú szakítószilárdsága is növekszik. A 6063 alumíniumötvözet melegen extrudált anyagainak erősítő mechanizmusai közé tartozik a finomszemcsés erősítés, a diszlokációerősítés, a textúraerősítés stb. A kísérleti vizsgálatban alkalmazott folyamatparaméterek tartományán belül az extrudálási arány növelése elősegíti a fenti erősítő mechanizmusokat.
4. ábra 6063 alumíniumötvözetből készült rudak fordított pólusdiagramja különböző extrudálási arányokkal az extrudálás irányában
Az 5. ábra a 6063-as alumíniumötvözet szakítószilárdságának hisztogramja különböző extrudálási arányok melletti deformáció után. Az öntött ötvözet szakítószilárdsága 170 MPa, a nyúlás pedig 10,4%. Az ötvözet szakítószilárdsága és nyúlása az extrudálás után jelentősen javul, és a szakítószilárdság és a nyúlás fokozatosan növekszik az extrudálási arány növekedésével. Amikor az extrudálási arány 156, az ötvözet szakítószilárdsága és nyúlása eléri a maximális értéket, ami 228 MPa, illetve 26,9%, ami körülbelül 34%-kal magasabb az öntött ötvözet szakítószilárdságánál, és körülbelül 158%-kal magasabb a nyúlásnál. A 6063-as alumíniumötvözet nagy extrudálási arányú szakítószilárdsága közel van a 4 menetes egyenlőcsatornás szögletes extrudálással (ECAP) kapott szakítószilárdsági értékhez (240 MPa), ami jóval magasabb, mint a 6063-as alumíniumötvözet 1 menetes ECAP extrudálásával kapott szakítószilárdsági érték (171,1 MPa). Látható, hogy a nagy extrudálási arány bizonyos mértékig javíthatja az ötvözet mechanikai tulajdonságait.
Az ötvözet mechanikai tulajdonságainak javulása az extrudálási arány révén főként a szemcsefinomítás erősítéséből származik. Az extrudálási arány növekedésével a szemcsék finomodnak, és a diszlokációsűrűség is növekszik. A több szemcsehatár egységnyi területen hatékonyan gátolhatja a diszlokációk mozgását, kombinálva a diszlokációk kölcsönös mozgásával és összefonódásával, ezáltal javítva az ötvözet szilárdságát. Minél finomabbak a szemcsék, annál kanyargósabbak a szemcsehatárok, és a képlékeny deformáció több szemcsében oszlik el, ami nem kedvez a repedések kialakulásának, nemhogy a repedések terjedésének. A törési folyamat során több energia nyelhető el, ezáltal javítva az ötvözet képlékenységét.
5. ábra A 6063 alumíniumötvözet szakítószilárdsági tulajdonságai öntés és extrudálás után
Az ötvözet szakítószilárdsági törési morfológiáját különböző extrudálási arányok melletti deformáció után a 6. ábra mutatja. Az öntött minta törési morfológiájában nem találtak bemélyedéseket (6a. ábra), és a törés főként lapos területekből és szakadt élekből állt, ami arra utal, hogy az öntött ötvözet szakítószilárdsági törési mechanizmusa főként rideg törés volt. Az ötvözet törési morfológiája az extrudálás után jelentősen megváltozott, és a törés nagyszámú egyenlő tengelyű bemélyedésből áll, ami arra utal, hogy az ötvözet törési mechanizmusa az extrudálás után rideg törésről képlékeny törésre változott. Amikor az extrudálási arány kicsi, a bemélyedések sekélyek, a bemélyedés mérete nagy, és az eloszlás egyenetlen; az extrudálási arány növekedésével a bemélyedések száma növekszik, a bemélyedés mérete kisebb, és az eloszlás egyenletesebb (6b-f. ábra), ami azt jelenti, hogy az ötvözet jobb képlékenységgel rendelkezik, ami összhangban van a fenti mechanikai tulajdonságok vizsgálati eredményeivel.
3 Következtetés
Ebben a kísérletben a különböző extrudálási arányok hatását elemezték a 6063 alumíniumötvözet mikroszerkezetére és tulajdonságaira, változatlan feltétel mellett, a buga mérete, a buga melegítési hőmérséklete és az extrudálási sebesség mellett. A következtetések a következők:
1) A 6063 alumíniumötvözetben dinamikus átkristályosodás megy végbe a meleg extrudálás során. Az extrudálási arány növekedésével a szemcsék folyamatosan finomodnak, és az extrudálás irányában megnyúlt szemcsék egyenlő tengelyű átkristályosodott szemcsékké alakulnak, és a <100> huzaltextúra szilárdsága folyamatosan növekszik.
2) A finomszemcsés erősítés hatására az ötvözet mechanikai tulajdonságai javulnak az extrudálási arány növekedésével. A vizsgálati paraméterek tartományán belül, 156-os extrudálási arány esetén az ötvözet szakítószilárdsága és nyúlása eléri a 228 MPa, illetve a 26,9%-os maximális értéket.
6. ábra A 6063 alumíniumötvözet szakítószilárdsági törési morfológiája öntés és extrudálás után
3) Az öntött minta törési morfológiája sík területekből és szakadt élekből áll. Extrudálás után a törés nagyszámú egyenlő tengelyű bemélyedésből áll, és a törési mechanizmus rideg törésből képlékeny töréssé alakul át.
Közzététel ideje: 2024. november 30.
