Jeśli właściwości mechaniczne wytłoczek nie są zgodne z oczekiwaniami, uwaga skupia się zazwyczaj na początkowym składzie wlewka lub warunkach wytłaczania/starzenia. Mało kto kwestionuje, czy sama homogenizacja może stanowić problem. W rzeczywistości etap homogenizacji jest kluczowy dla produkcji wysokiej jakości wytłoczek. Brak odpowiedniej kontroli nad etapem homogenizacji może prowadzić do:
●Zwiększone ciśnienie przebicia
●Więcej wad
●Tekstura smug po anodowaniu
●Niższa prędkość wytłaczania
●Słabe właściwości mechaniczne
Etap homogenizacji ma dwa główne cele: rafinację związków międzymetalicznych zawierających żelazo oraz redystrybucję magnezu (Mg) i krzemu (Si). Badając mikrostrukturę wlewka przed i po homogenizacji, można przewidzieć, czy wlewek będzie dobrze zachowywał się podczas wytłaczania.
Wpływ homogenizacji wlewka na utwardzanie
W wytłaczanych materiałach 6XXX wytrzymałość wynika z faz bogatych w magnez i krzem, które powstają podczas starzenia. Zdolność do tworzenia tych faz zależy od umieszczenia pierwiastków w roztworze stałym przed rozpoczęciem starzenia. Aby Mg i krzem ostatecznie stały się częścią roztworu stałego, metal musi zostać szybko schłodzony z temperatury powyżej 530°C. W temperaturach powyżej tej temperatury Mg i krzem naturalnie rozpuszczają się w aluminium. Jednak podczas wytłaczania metal pozostaje w tej temperaturze tylko przez krótki czas. Aby zapewnić całkowite rozpuszczenie Mg i krzemu, cząstki Mg i krzemu muszą być stosunkowo małe. Niestety, podczas odlewania Mg i krzem wytrącają się w postaci stosunkowo dużych bloków Mg₂Si (rys. 1a).
Typowy cykl homogenizacji wlewków 6060 wynosi 560°C przez 2 godziny. Podczas tego procesu, ponieważ wlewek utrzymuje temperaturę powyżej 530°C przez długi czas, Mg₂Si rozpuszcza się. Po ochłodzeniu ponownie wytrąca się w znacznie drobniejszych proporcjach (rys. 1c). Jeśli temperatura homogenizacji jest zbyt niska lub czas jest zbyt krótki, pozostają duże cząstki Mg₂Si. W takim przypadku roztwór stały po wytłaczaniu zawiera mniej Mg i Si, co uniemożliwia tworzenie się dużej gęstości osadów utwardzających, co prowadzi do obniżenia właściwości mechanicznych.
Rys. 1. Mikrofotografie optyczne polerowanych i trawionych 2% HF wlewków 6060: (a) w stanie jak odlany, (b) częściowo zhomogenizowanych, (c) całkowicie zhomogenizowanych.
Rola homogenizacji w związkach międzymetalicznych zawierających żelazo
Żelazo (Fe) ma większy wpływ na odporność na pękanie niż na wytrzymałość. W stopach 6XXX fazy żelaza mają tendencję do tworzenia fazy β (Al₅(FeMn)Si lub Al₈.₉(FeMn)₂Si₂) podczas odlewania. Fazy te są duże, kanciaste i zakłócają wytłaczanie (zaznaczone na rys. 2a). Podczas homogenizacji pierwiastki ciężkie (Fe, Mn itp.) dyfundują, a duże fazy kanciaste stają się mniejsze i bardziej okrągłe (rys. 2b).
Na podstawie samych obrazów optycznych trudno jest rozróżnić poszczególne fazy, a ich wiarygodna ocena ilościowa jest niemożliwa. W Innoval kwantyfikujemy homogenizację kęsów za pomocą naszej wewnętrznej metody wykrywania i klasyfikacji cech (FDC), która oblicza wartość %α dla kęsów. Pozwala nam to ocenić jakość homogenizacji.
Rys. 2. Mikrofotografie optyczne półfabrykatów (a) przed i (b) po homogenizacji.
Metoda wykrywania i klasyfikacji cech (FDC)
Rys. 3a przedstawia wypolerowaną próbkę analizowaną za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Następnie zastosowano technikę progowania skali szarości w celu oddzielenia i identyfikacji związków międzymetalicznych, które na rys. 3b mają kolor biały. Technika ta umożliwia analizę obszarów o powierzchni do 1 mm², co oznacza, że można przeanalizować ponad 1000 pojedynczych cech jednocześnie.
Rys. 3. (a) Obraz elektronów wstecznie rozproszonych homogenizowanego wlewka 6060, (b) zidentyfikowane pojedyncze cechy z (a).
Skład cząstek
System Innoval jest wyposażony w detektor promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii (EDX) Xplore 30 firmy Oxford Instruments. Umożliwia to szybkie, automatyczne zbieranie widm EDX z każdego zidentyfikowanego punktu. Na podstawie tych widm można określić skład cząstek i wywnioskować względny stosunek Fe:Si.
W zależności od zawartości Mn lub Cr w stopie, mogą występować również inne pierwiastki ciężkie. W przypadku niektórych stopów 6XXX (czasami ze znaczną zawartością Mn) jako odniesienie stosuje się stosunek (Fe+Mn):Si. Następnie można porównać te stosunki ze znanymi stopami międzymetalicznymi zawierającymi Fe.
Faza β (Al₅(FeMn)Si lub Al₈.₉(FeMn)₂Si₂): stosunek (Fe+Mn):Si ≈ 2. Faza α (Al₁₂(FeMn)₃Si lub Al₈.₃(FeMn)₂Si): stosunek ≈ 4–6, w zależności od składu. Nasze oprogramowanie pozwala nam ustawić próg i sklasyfikować każdą cząstkę jako α lub β, a następnie zmapować ich położenie w mikrostrukturze (rys. 4). Daje to przybliżony procentowy udział przetworzonej α w zhomogenizowanym wkładzie.
Rys. 4. (a) Mapa przedstawiająca cząstki klasyfikowane jako α i β, (b) wykres punktowy stosunków (Fe+Mn):Si.
Co mogą nam powiedzieć dane
Rys. 5 przedstawia przykład wykorzystania tych informacji. W tym przypadku wyniki wskazują na nierównomierne nagrzewanie w danym piecu lub na to, że temperatura zadana nie została osiągnięta. Aby prawidłowo ocenić takie przypadki, wymagane są zarówno wlewki testowe, jak i wlewki referencyjne o znanej jakości. Bez nich nie można ustalić oczekiwanego zakresu %α dla tego składu stopu.
Rys. 5. Porównanie %α w różnych sekcjach pieca homogenizacyjnego o słabej wydajności.
Czas publikacji: 30 sierpnia 2025 r.
