Stop aluminium 6063 należy do niskostopowych stopów aluminium z serii Al-Mg-Si, które można obrabiać cieplnie. Posiada doskonałe właściwości formowania ekstruzyjnego, dobrą odporność na korozję i kompleksowe właściwości mechaniczne. Jest również szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym ze względu na łatwe barwienie utleniające. Wraz z przyspieszeniem trendu lekkich samochodów, zastosowanie materiałów wytłaczanych ze stopu aluminium 6063 w przemyśle motoryzacyjnym również wzrosło.
Mikrostruktura i właściwości materiałów wytłaczanych są pod wpływem połączonych efektów prędkości wytłaczania, temperatury wytłaczania i współczynnika wytłaczania. Spośród nich współczynnik wytłaczania jest głównie określany przez ciśnienie wytłaczania, wydajność produkcji i sprzęt produkcyjny. Gdy współczynnik wytłaczania jest mały, odkształcenie stopu jest małe, a udoskonalenie mikrostruktury nie jest oczywiste; zwiększenie współczynnika wytłaczania może znacznie udoskonalić ziarna, rozbić grubą drugą fazę, uzyskać jednorodną mikrostrukturę i poprawić właściwości mechaniczne stopu.
Stopy aluminium 6061 i 6063 przechodzą dynamiczną rekrystalizację podczas procesu wytłaczania. Gdy temperatura wytłaczania jest stała, wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania, wielkość ziarna maleje, faza wzmacniająca jest drobno rozproszona, a wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu odpowiednio wzrastają; jednak wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania, siła wytłaczania wymagana do procesu wytłaczania również wzrasta, powodując większy efekt cieplny, powodując wzrost temperatury wewnętrznej stopu i zmniejszenie wydajności produktu. Ten eksperyment bada wpływ współczynnika wytłaczania, zwłaszcza dużego współczynnika wytłaczania, na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne stopu aluminium 6063.
1 Materiały i metody eksperymentalne
Materiałem doświadczalnym jest stop aluminium 6063, a skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. Oryginalny rozmiar wlewka wynosi Φ55 mm×165 mm i jest przetwarzany na wlewek do wytłaczania o rozmiarze Φ50 mm×150 mm po obróbce homogenizacyjnej w temperaturze 560 ℃ przez 6 godzin. Wlewek jest podgrzewany do 470 ℃ i utrzymywany w cieple. Temperatura wstępnego nagrzewania bębna wytłaczającego wynosi 420 ℃, a temperatura wstępnego nagrzewania formy wynosi 450 ℃. Gdy prędkość wytłaczania (prędkość przesuwania pręta wytłaczającego) V=5 mm/s pozostaje niezmienna, przeprowadza się 5 grup testów różnych współczynników wytłaczania, a współczynniki wytłaczania R wynoszą 17 (co odpowiada średnicy otworu matrycy D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) i 156 (D=4 mm).
Tabela 1 Skład chemiczny stopu Al 6063 (wag./%)
Po szlifowaniu papierem ściernym i polerowaniu mechanicznym próbki metalograficzne wytrawiono odczynnikiem HF o objętościowej frakcji 40% przez około 25 s, a strukturę metalograficzną próbek obserwowano na mikroskopie optycznym LEICA-5000. Próbka do analizy tekstury o rozmiarze 10 mm×10 mm została wycięta ze środka przekroju podłużnego wyciskanego pręta, a następnie wykonano szlifowanie mechaniczne i wytrawianie w celu usunięcia warstwy naprężeń powierzchniowych. Niekompletne figury biegunowe trzech płaszczyzn krystalicznych {111}, {200} i {220} próbki zmierzono za pomocą analizatora dyfrakcji rentgenowskiej X′Pert Pro MRD firmy PANalytical Company, a dane dotyczące tekstury przetworzono i przeanalizowano za pomocą oprogramowania X′Pert Data View i X′Pert Texture.
Próbkę rozciągającą stopu odlewniczego pobrano ze środka wlewka, a próbkę rozciągającą przecięto wzdłuż kierunku wytłaczania po wytłaczaniu. Rozmiar obszaru pomiarowego wynosił Φ4 mm×28 mm. Test rozciągania przeprowadzono przy użyciu uniwersalnej maszyny do badania materiałów SANS CMT5105 o szybkości rozciągania 2 mm/min. Średnia wartość trzech standardowych próbek została obliczona jako dane dotyczące właściwości mechanicznych. Morfologię pęknięć próbek rozciąganych obserwowano przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego o małym powiększeniu (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Wyniki i dyskusja
Rysunek 1 przedstawia mikrostrukturę metalograficzną stopu aluminium 6063 w stanie surowym przed i po obróbce homogenizacyjnej. Jak pokazano na rysunku 1a, ziarna α-Al w mikrostrukturze w stanie surowym różnią się rozmiarem, duża liczba faz sieciowych β-Al9Fe2Si2 zbiera się na granicach ziaren, a duża liczba ziarnistych faz Mg2Si występuje wewnątrz ziaren. Po homogenizacji wlewka w temperaturze 560 ℃ przez 6 h, nierównowagowa faza eutektyczna między dendrytami stopu stopniowo się rozpuściła, elementy stopu rozpuściły się w matrycy, mikrostruktura była jednolita, a średni rozmiar ziarna wynosił około 125 μm (rysunek 1b).
Przed homogenizacją
Po ujednoliceniu obróbki w temperaturze 600°C przez 6 godzin
Rys.1 Struktura metalograficzna stopu aluminium 6063 przed i po obróbce homogenizacyjnej
Rysunek 2 przedstawia wygląd prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych współczynnikach wytłaczania. Jak pokazano na rysunku 2, jakość powierzchni prętów ze stopu aluminium 6063 wytłaczanych przy różnych współczynnikach wytłaczania jest dobra, zwłaszcza gdy współczynnik wytłaczania zostanie zwiększony do 156 (co odpowiada prędkości wyjściowej wytłaczania pręta wynoszącej 48 m/min), nadal nie ma żadnych wad wytłaczania, takich jak pęknięcia i łuszczenie na powierzchni pręta, co wskazuje, że stop aluminium 6063 ma również dobrą wydajność formowania na gorąco przy dużej prędkości i dużym współczynniku wytłaczania.
Rys.2 Wygląd prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych współczynnikach wytłaczania
Rysunek 3 przedstawia mikrostrukturę metalograficzną przekroju podłużnego pręta ze stopu aluminium 6063 o różnych współczynnikach wytłaczania. Struktura ziarna pręta o różnych współczynnikach wytłaczania wykazuje różne stopnie wydłużenia lub rafinacji. Gdy współczynnik wytłaczania wynosi 17, oryginalne ziarna są wydłużane wzdłuż kierunku wytłaczania, czemu towarzyszy tworzenie się niewielkiej liczby zrekrystalizowanych ziaren, ale ziarna są nadal stosunkowo grube, ze średnią wielkością ziarna około 85 μm (rysunek 3a); gdy współczynnik wytłaczania wynosi 25, ziarna są wyciągane, liczba zrekrystalizowanych ziaren wzrasta, a średnia wielkość ziarna zmniejsza się do około 71 μm (rysunek 3b); gdy współczynnik wytłaczania wynosi 39, z wyjątkiem niewielkiej liczby zdeformowanych ziaren, mikrostruktura składa się zasadniczo z równoosiowych zrekrystalizowanych ziaren o nierównej wielkości, ze średnią wielkością ziarna około 60 μm (rysunek 3c); gdy współczynnik wytłaczania wynosi 69, proces dynamicznej rekrystalizacji jest zasadniczo ukończony, grube oryginalne ziarna zostały całkowicie przekształcone w jednolicie ustrukturyzowane zrekrystalizowane ziarna, a średnia wielkość ziarna jest rafinowana do około 41 μm (rysunek 3d); gdy współczynnik wytłaczania wynosi 156, przy pełnym postępie procesu dynamicznej rekrystalizacji, mikrostruktura jest bardziej jednolita, a wielkość ziarna jest znacznie rafinowana do około 32 μm (rysunek 3e). Wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania, proces dynamicznej rekrystalizacji przebiega pełniej, mikrostruktura stopu staje się bardziej jednolita, a wielkość ziarna jest znacznie rafinowana (rysunek 3f).
Rys.3 Struktura metalograficzna i wielkość ziarna przekroju podłużnego prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych współczynnikach wytłaczania
Rysunek 4 przedstawia odwrotne figury biegunowe prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych współczynnikach wytłaczania wzdłuż kierunku wytłaczania. Można zauważyć, że mikrostruktury prętów ze stopu o różnych współczynnikach wytłaczania wszystkie wytwarzają oczywiste preferencyjne orientacje. Gdy współczynnik wytłaczania wynosi 17, powstaje słabsza tekstura <115>+<100> (rysunek 4a); gdy współczynnik wytłaczania wynosi 39, składniki tekstury to głównie silniejsza tekstura <100> i niewielka ilość słabej tekstury <115> (rysunek 4b); gdy współczynnik wytłaczania wynosi 156, składniki tekstury to tekstura <100> o znacznie zwiększonej wytrzymałości, podczas gdy tekstura <115> zanika (rysunek 4c). Badania wykazały, że metale sześcienne centrowane na ścianie tworzą głównie tekstury drutu <111> i <100> podczas wytłaczania i ciągnienia. Po utworzeniu tekstury właściwości mechaniczne stopu w temperaturze pokojowej wykazują oczywistą anizotropię. Wytrzymałość tekstury wzrasta wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania, co wskazuje, że liczba ziaren w określonym kierunku krystalicznym równoległym do kierunku wytłaczania w stopie stopniowo wzrasta, a wytrzymałość na rozciąganie wzdłużne stopu wzrasta. Mechanizmy wzmacniające materiały wytłaczane na gorąco ze stopu aluminium 6063 obejmują wzmacnianie drobnoziarniste, wzmacnianie dyslokacyjne, wzmacnianie teksturowe itp. W zakresie parametrów procesu stosowanych w tym badaniu eksperymentalnym zwiększanie współczynnika wytłaczania ma wpływ promujący na powyższe mechanizmy wzmacniania.
Rys.4 Schemat biegunów odwrotnych prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych współczynnikach wytłaczania wzdłuż kierunku wytłaczania
Rysunek 5 przedstawia histogram właściwości rozciągających stopu aluminium 6063 po odkształceniu przy różnych współczynnikach wytłaczania. Wytrzymałość na rozciąganie stopu odlewanego wynosi 170 MPa, a wydłużenie 10,4%. Wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu po wytłaczaniu ulegają znacznej poprawie, a wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopniowo rosną wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania. Gdy współczynnik wytłaczania wynosi 156, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu osiągają maksymalną wartość, która wynosi odpowiednio 228 MPa i 26,9%, co jest wartością o około 34% wyższą od wytrzymałości na rozciąganie stopu odlewanego i o około 158% wyższą od wydłużenia. Wytrzymałość na rozciąganie stopu aluminium 6063 uzyskanego przy dużym współczynniku wytłaczania jest zbliżona do wartości wytrzymałości na rozciąganie (240 MPa) uzyskanej przez 4-przejściowe wytłaczanie kątowe o równych kanałach (ECAP), która jest znacznie wyższa od wartości wytrzymałości na rozciąganie (171,1 MPa) uzyskanej przez 1-przejściowe wytłaczanie ECAP stopu aluminium 6063. Można zauważyć, że duży współczynnik wytłaczania może w pewnym stopniu poprawić właściwości mechaniczne stopu.
Poprawa właściwości mechanicznych stopu poprzez współczynnik wytłaczania wynika głównie ze wzmocnienia przez rafinację ziarna. Wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania, ziarna są rafinowane, a gęstość dyslokacji wzrasta. Więcej granic ziaren na jednostkę powierzchni może skutecznie utrudniać ruch dyslokacji, w połączeniu ze wzajemnym ruchem i splątaniem dyslokacji, poprawiając w ten sposób wytrzymałość stopu. Im drobniejsze ziarna, tym bardziej kręte granice ziaren, a odkształcenie plastyczne może być rozproszone w większej liczbie ziaren, co nie sprzyja tworzeniu się pęknięć, nie mówiąc już o rozprzestrzenianiu się pęknięć. Więcej energii może zostać pochłonięte podczas procesu pękania, poprawiając w ten sposób plastyczność stopu.
Rys.5 Właściwości rozciągające stopu aluminium 6063 po odlaniu i wytłaczaniu
Morfologia pęknięć rozciąganych stopu po odkształceniu przy różnych współczynnikach wytłaczania jest pokazana na Rysunku 6. Nie znaleziono żadnych wgłębień w morfologii pęknięć próbki w stanie surowym (Rysunek 6a), a pęknięcie składało się głównie z płaskich obszarów i krawędzi rozdarć, co wskazuje, że mechanizm pękania rozciąganego stopu w stanie surowym był głównie pęknięciem kruchym. Morfologia pęknięć stopu po wytłaczaniu uległa znacznej zmianie, a pęknięcie składa się z dużej liczby wgłębień równoosiowych, co wskazuje, że mechanizm pękania stopu po wytłaczaniu zmienił się z kruchego pękania na pęknięcie ciągliwe. Gdy współczynnik wytłaczania jest mały, wgłębienia są płytkie, a ich rozmiar jest duży, a rozkład jest nierównomierny; wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania liczba wgłębień wzrasta, rozmiar wgłębienia jest mniejszy, a rozkład jest równomierny (Rysunek 6b~f), co oznacza, że stop ma lepszą plastyczność, co jest zgodne z wynikami testów właściwości mechanicznych powyżej.
3. Wnioski
W tym eksperymencie analizowano wpływ różnych współczynników wytłaczania na mikrostrukturę i właściwości stopu aluminium 6063 pod warunkiem, że rozmiar wlewka, temperatura nagrzewania wlewka i prędkość wytłaczania pozostały niezmienione. Wnioski są następujące:
1) Dynamiczna rekrystalizacja zachodzi w stopie aluminium 6063 podczas wytłaczania na gorąco. Wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania ziarna są stale rafinowane, a ziarna wydłużone wzdłuż kierunku wytłaczania są przekształcane w ziarna rekrystalizowane równoosiowo, a wytrzymałość tekstury drutu <100> jest stale zwiększana.
2) Ze względu na efekt wzmocnienia drobnoziarnistego, właściwości mechaniczne stopu ulegają poprawie wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania. W zakresie parametrów testu, gdy współczynnik wytłaczania wynosi 156, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu osiągają maksymalne wartości odpowiednio 228 MPa i 26,9%.
Rys.6 Morfologia pęknięć rozciągających stopu aluminium 6063 po odlewaniu i wyciskaniu
3) Morfologia pęknięć próbki w stanie odlanym składa się z płaskich obszarów i krawędzi rozdarcia. Po wytłaczaniu pęknięcie składa się z dużej liczby równoosiowych wgłębień, a mechanizm pękania przekształca się z kruchego pękania w ciągliwe pękanie.
Czas publikacji: 30-11-2024
