6063 aluminiumslegering tilhører den lavlegerte Al-Mg-Si-serien av varmebehandlebare aluminiumslegeringer. Den har utmerket ekstruderingsstøpeevne, god korrosjonsbestandighet og omfattende mekaniske egenskaper. Den er også mye brukt i bilindustrien på grunn av dens enkle oksidasjonsfarging. Med den akselererende trenden med lette biler har også bruken av 6063 aluminiumslegeringsekstruderingsmaterialer i bilindustrien økt ytterligere.
Mikrostrukturen og egenskapene til ekstruderte materialer påvirkes av de kombinerte effektene av ekstruderingshastighet, ekstruderingstemperatur og ekstruderingsforhold. Ekstruderingsforholdet bestemmes hovedsakelig av ekstruderingstrykket, produksjonseffektiviteten og produksjonsutstyret. Når ekstruderingsforholdet er lite, er legeringsdeformasjonen liten, og mikrostrukturforfiningen er ikke åpenbar. Å øke ekstruderingsforholdet kan forfine kornene betydelig, bryte opp den grove andre fasen, oppnå en jevn mikrostruktur og forbedre legeringens mekaniske egenskaper.
6061- og 6063-aluminiumlegeringer gjennomgår dynamisk omkrystallisering under ekstruderingsprosessen. Når ekstruderingstemperaturen er konstant, reduseres kornstørrelsen etter hvert som ekstruderingsforholdet øker, forsterkningfasen dispergeres fint, og strekkfastheten og forlengelsen til legeringen øker tilsvarende. Men etter hvert som ekstruderingsforholdet øker, øker også ekstruderingskraften som kreves for ekstruderingsprosessen, noe som forårsaker en større termisk effekt, noe som fører til at legeringens indre temperatur stiger og produktets ytelse reduseres. Dette eksperimentet studerer effekten av ekstruderingsforhold, spesielt et stort ekstruderingsforhold, på mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til 6063-aluminiumlegering.
1 Eksperimentelle materialer og metoder
Det eksperimentelle materialet er 6063 aluminiumslegering, og den kjemiske sammensetningen er vist i tabell 1. Den opprinnelige størrelsen på barren er Φ55 mm × 165 mm, og den blir bearbeidet til en ekstruderingsbarre med en størrelse på Φ50 mm × 150 mm etter homogeniseringsbehandling ved 560 ℃ i 6 timer. Barren varmes opp til 470 ℃ og holdes varm. Forvarmingstemperaturen til ekstruderingstønnen er 420 ℃, og forvarmingstemperaturen til formen er 450 ℃. Når ekstruderingshastigheten (ekstruderingsstangens bevegelseshastighet) V = 5 mm/s forblir uendret, utføres 5 grupper med forskjellige ekstruderingsforholdstester, og ekstruderingsforholdene R er 17 (tilsvarer dysehulldiameteren D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) og 156 (D = 4 mm).
Tabell 1 Kjemisk sammensetning av 6063 Al-legering (vekt/%)
Etter sliping med sandpapir og mekanisk polering ble de metallografiske prøvene etset med HF-reagens med en volumfraksjon på 40 % i omtrent 25 sekunder, og den metallografiske strukturen til prøvene ble observert på et LEICA-5000 optisk mikroskop. En teksturanalyseprøve med en størrelse på 10 mm × 10 mm ble kuttet fra midten av den langsgående seksjonen av den ekstruderte stangen, og mekanisk sliping og etsing ble utført for å fjerne overflatespenningslaget. De ufullstendige polfigurene til de tre krystallplanene {111}, {200} og {220} av prøven ble målt med X′Pert Pro MRD røntgendiffraksjonsanalysator fra PANalytical Company, og teksturdataene ble behandlet og analysert av X′Pert Data View og X′Pert Texture-programvaren.
Strekkprøven av den støpte legeringen ble tatt fra midten av barren, og strekkprøven ble kuttet langs ekstruderingsretningen etter ekstrudering. Målearealet var Φ4 mm × 28 mm. Strekktesten ble utført ved hjelp av en SANS CMT5105 universal materialtestmaskin med en strekkhastighet på 2 mm/min. Gjennomsnittsverdien av de tre standardprøvene ble beregnet som data for mekaniske egenskaper. Bruddmorfologien til strekkprøvene ble observert ved hjelp av et skanningselektronmikroskop med lav forstørrelse (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Resultater og diskusjon
Figur 1 viser den metallografiske mikrostrukturen til den støpte 6063 aluminiumlegeringen før og etter homogeniseringsbehandling. Som vist i figur 1a, varierer α-Al-kornene i den støpte mikrostrukturen i størrelse, et stort antall retikulære β-Al9Fe2Si2-faser samles ved korngrensene, og et stort antall granulære Mg2Si-faser finnes inne i kornene. Etter at barren ble homogenisert ved 560 ℃ i 6 timer, ble den ikke-likevekts eutektiske fasen mellom legeringsdendrittene gradvis oppløst, legeringselementene ble oppløst i matrisen, mikrostrukturen var jevn, og den gjennomsnittlige kornstørrelsen var omtrent 125 μm (figur 1b).
Før homogenisering
Etter en jevn behandling ved 600 °C i 6 timer
Fig. 1 Metallografisk struktur av 6063 aluminiumlegering før og etter homogeniseringsbehandling
Figur 2 viser utseendet til stenger av 6063 aluminiumslegering med forskjellige ekstruderingsforhold. Som vist i figur 2, er overflatekvaliteten til stenger av 6063 aluminiumslegering ekstrudert med forskjellige ekstruderingsforhold god, spesielt når ekstruderingsforholdet økes til 156 (tilsvarende en ekstruderingshastighet på 48 m/min). Det er fortsatt ingen ekstruderingsdefekter som sprekker og avskalling på overflaten av stangen, noe som indikerer at 6063 aluminiumslegering også har god ytelse ved varm ekstrudering under høy hastighet og stort ekstruderingsforhold.
Fig. 2 Utseende til stenger av 6063 aluminiumslegering med forskjellige ekstruderingsforhold
Figur 3 viser den metallografiske mikrostrukturen til lengdesnittet av 6063-aluminiumslegeringsstangen med forskjellige ekstruderingsforhold. Kornstrukturen til stangen med forskjellige ekstruderingsforhold viser forskjellige grader av forlengelse eller raffinering. Når ekstruderingsforholdet er 17, forlenges de opprinnelige kornene langs ekstruderingsretningen, ledsaget av dannelsen av et lite antall omkrystalliserte korn, men kornene er fortsatt relativt grove, med en gjennomsnittlig kornstørrelse på omtrent 85 μm (figur 3a); når ekstruderingsforholdet er 25, trekkes kornene slankere, antallet omkrystalliserte korn øker, og den gjennomsnittlige kornstørrelsen synker til omtrent 71 μm (figur 3b); når ekstruderingsforholdet er 39, med unntak av et lite antall deformerte korn, består mikrostrukturen i utgangspunktet av likeaksede omkrystalliserte korn av ujevn størrelse, med en gjennomsnittlig kornstørrelse på omtrent 60 μm (figur 3c); Når ekstruderingsforholdet er 69, er den dynamiske omkrystalliseringsprosessen i hovedsak fullført, de grove, opprinnelige kornene er fullstendig omdannet til jevnt strukturerte omkrystalliserte korn, og den gjennomsnittlige kornstørrelsen er raffinert til omtrent 41 μm (figur 3d). Når ekstruderingsforholdet er 156, og den dynamiske omkrystalliseringsprosessen er fullført, er mikrostrukturen mer jevn, og kornstørrelsen er kraftig raffinert til omtrent 32 μm (figur 3e). Med økningen av ekstruderingsforholdet fortsetter den dynamiske omkrystalliseringsprosessen mer fullstendig, legeringens mikrostruktur blir mer jevn, og kornstørrelsen er betydelig raffinert (figur 3f).
Fig. 3 Metallografisk struktur og kornstørrelse for lengdesnitt av stenger av 6063 aluminiumslegering med forskjellige ekstruderingsforhold
Figur 4 viser de inverse polfigurene til 6063 aluminiumslegeringsstenger med forskjellige ekstruderingsforhold langs ekstruderingsretningen. Det kan sees at mikrostrukturene til legeringsstenger med forskjellige ekstruderingsforhold alle produserer tydelig preferensiell orientering. Når ekstruderingsforholdet er 17, dannes en svakere <115>+<100> tekstur (figur 4a); når ekstruderingsforholdet er 39, er teksturkomponentene hovedsakelig den sterkere <100> teksturen og en liten mengde svak <115> tekstur (figur 4b); når ekstruderingsforholdet er 156, er teksturkomponentene <100> teksturen med betydelig økt styrke, mens <115> teksturen forsvinner (figur 4c). Studier har vist at flatesentrerte kubiske metaller hovedsakelig danner <111> og <100> trådteksturer under ekstrudering og trekking. Når teksturen er dannet, viser legeringens mekaniske egenskaper ved romtemperatur tydelig anisotropi. Teksturstyrken øker med økningen av ekstruderingsforholdet, noe som indikerer at antallet korn i en viss krystallretning parallelt med ekstruderingsretningen i legeringen gradvis øker, og den langsgående strekkfastheten til legeringen øker. Forsterkningsmekanismene til 6063 aluminiumlegeringsmaterialer med varm ekstrudering inkluderer finkornforsterkning, dislokasjonsforsterkning, teksturforsterkning, etc. Innenfor rekkevidden av prosessparametere som brukes i denne eksperimentelle studien, har økning av ekstruderingsforholdet en fremmende effekt på de ovennevnte forsterkningsmekanismene.
Fig. 4 Omvendt poldiagram for stenger av aluminiumslegering i 6063 med forskjellige ekstruderingsforhold langs ekstruderingsretningen
Figur 5 er et histogram av strekkegenskapene til 6063 aluminiumslegering etter deformasjon ved forskjellige ekstruderingsforhold. Strekkfastheten til den støpte legeringen er 170 MPa og forlengelsen er 10,4 %. Strekkfastheten og forlengelsen til legeringen etter ekstrudering forbedres betydelig, og strekkfastheten og forlengelsen øker gradvis med økningen av ekstruderingsforholdet. Når ekstruderingsforholdet er 156, når strekkfastheten og forlengelsen til legeringen maksimalverdi, som er henholdsvis 228 MPa og 26,9 %, som er omtrent 34 % høyere enn strekkfastheten til den støpte legeringen og omtrent 158 % høyere enn forlengelsen. Strekkfastheten til 6063 aluminiumslegering oppnådd ved et stort ekstruderingsforhold er nær strekkfasthetsverdien (240 MPa) oppnådd ved 4-passasjers likekanalvinkelekstrudering (ECAP), som er mye høyere enn strekkfasthetsverdien (171,1 MPa) oppnådd ved 1-passasjers ECAP-ekstrudering av 6063 aluminiumslegering. Det kan sees at et stort ekstruderingsforhold kan forbedre legeringens mekaniske egenskaper til en viss grad.
Forbedringen av legeringens mekaniske egenskaper gjennom ekstruderingsforholdet kommer hovedsakelig fra styrking av kornforfining. Etter hvert som ekstruderingsforholdet øker, forfines kornene og dislokasjonstettheten øker. Flere korngrenser per arealenhet kan effektivt hindre bevegelsen av dislokasjoner, kombinert med gjensidig bevegelse og sammenfiltring av dislokasjoner, og dermed forbedre legeringens styrke. Jo finere kornene er, desto mer buede er korngrensene, og den plastiske deformasjonen kan spres i flere korn, noe som ikke bidrar til dannelse av sprekker, enn si forplantning av sprekker. Mer energi kan absorberes under bruddprosessen, og dermed forbedre legeringens plastisitet.
Fig. 5 Strekkegenskaper til 6063 aluminiumlegering etter støping og ekstrudering
Legeringens strekkbruddmorfologi etter deformasjon med forskjellige ekstruderingsforhold er vist i figur 6. Ingen groper ble funnet i bruddmorfologien til den støpte prøven (figur 6a), og bruddet besto hovedsakelig av flate områder og rivekanter, noe som indikerer at strekkbruddmekanismen til den støpte legeringen hovedsakelig var sprøbrudd. Legeringens bruddmorfologi etter ekstrudering har endret seg betydelig, og bruddet består av et stort antall likeaksede groper, noe som indikerer at legeringens bruddmekanisme etter ekstrudering har endret seg fra sprøbrudd til duktilt brudd. Når ekstruderingsforholdet er lite, er gropene grunne og gropens størrelse er stor, og fordelingen er ujevn; når ekstruderingsforholdet øker, øker antallet groper, gropens størrelse er mindre og fordelingen er jevn (figur 6b~f), noe som betyr at legeringen har bedre plastisitet, noe som er i samsvar med resultatene av de mekaniske egenskapstestene ovenfor.
3 Konklusjon
I dette eksperimentet ble effektene av forskjellige ekstruderingsforhold på mikrostrukturen og egenskapene til 6063 aluminiumslegering analysert under forutsetning av at barrestørrelsen, oppvarmingstemperaturen for barren og ekstruderingshastigheten forble uendret. Konklusjonene er som følger:
1) Dynamisk omkrystallisering skjer i 6063 aluminiumslegering under varmeekstrudering. Med økningen av ekstruderingsforholdet raffineres kornene kontinuerlig, og kornene som forlenges langs ekstruderingsretningen omdannes til likeaksede omkrystalliserte korn, og styrken til <100> trådteksturen økes kontinuerlig.
2) På grunn av effekten av finkornsforsterkning forbedres legeringens mekaniske egenskaper med økende ekstruderingsforhold. Innenfor testparameterområdet, når ekstruderingsforholdet er 156, når legeringens strekkfasthet og forlengelse maksimalverdier på henholdsvis 228 MPa og 26,9 %.
Fig. 6 Strekkbruddmorfologier av 6063 aluminiumlegering etter støping og ekstrudering
3) Bruddmorfologien til den støpte prøven består av flate områder og rivekanter. Etter ekstrudering består bruddet av et stort antall likeaksede groper, og bruddmekanismen transformeres fra sprøbrudd til duktilt brudd.
Publisert: 30. november 2024
