Stop aluminium 6063 należy do niskostopowych stopów aluminium z serii Al-Mg-Si, poddawanych obróbce cieplnej. Charakteryzuje się doskonałą odpornością na wytłaczanie, dobrą odpornością na korozję i wszechstronnymi właściwościami mechanicznymi. Jest również szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym ze względu na łatwość utleniania. Wraz z rozwojem lekkich samochodów, zastosowanie materiałów wytłaczanych ze stopu aluminium 6063 w przemyśle motoryzacyjnym również wzrosło.
Na mikrostrukturę i właściwości materiałów wytłaczanych wpływa łączny wpływ prędkości, temperatury i współczynnika wytłaczania. Współczynnik wytłaczania jest determinowany głównie przez ciśnienie wytłaczania, wydajność produkcji i urządzenia produkcyjne. Przy niskim współczynniku wytłaczania odkształcenie stopu jest niewielkie, a rozdrobnienie mikrostruktury nie jest oczywiste; zwiększenie współczynnika wytłaczania może znacząco rozdrobnić ziarna, rozbić drugą fazę, uzyskać jednorodną mikrostrukturę i poprawić właściwości mechaniczne stopu.
Stopy aluminium 6061 i 6063 ulegają dynamicznej rekrystalizacji podczas procesu wytłaczania. Przy stałej temperaturze wytłaczania, wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania, zmniejsza się wielkość ziarna, faza wzmacniająca ulega rozproszeniu, a wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu odpowiednio rosną. Jednakże wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania wzrasta również siła wytłaczania wymagana do procesu wytłaczania, co powoduje większy efekt cieplny, wzrost temperatury wewnętrznej stopu i spadek wydajności produktu. Niniejszy eksperyment bada wpływ współczynnika wytłaczania, a zwłaszcza dużego współczynnika wytłaczania, na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne stopu aluminium 6063.
1 Materiały i metody eksperymentalne
Materiałem doświadczalnym jest stop aluminium 6063, a jego skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. Pierwotny rozmiar wlewka wynosi Φ55 mm x 165 mm, a po homogenizacji w temperaturze 560°C przez 6 godzin jest on przetwarzany na wlewek o wymiarach Φ50 mm x 150 mm. Wlewek jest podgrzewany do 470°C i utrzymywany w cieple. Temperatura nagrzewania wstępnego bębna wytłaczarki wynosi 420°C, a temperatura nagrzewania wstępnego formy 450°C. Gdy prędkość wytłaczania (prędkość przesuwania pręta wytłaczającego) V=5 mm/s pozostaje niezmieniona, 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 udziale objętościowym 40% przez około 25 s, a strukturę metalograficzną próbek obserwowano pod mikroskopem optycznym LEICA-5000. Próbkę do analizy tekstury o wymiarach 10 mm × 10 mm wycięto ze środka przekroju podłużnego wytłoczonego pręta, a następnie przeprowadzono 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 do rozciągania stopu odlewanego pobrano ze środka wlewka, a następnie pocięto wzdłuż kierunku wyciskania. Rozmiar pola pomiarowego wynosił Φ4 mm × 28 mm. Próbę rozciągania przeprowadzono za pomocą uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej SANS CMT5105 z prędkością rozciągania 2 mm/min. Średnią wartość z trzech standardowych próbek obliczono jako dane dotyczące właściwości mechanicznych. Morfologię pęknięć próbek do rozciągania obserwowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego o niskim powiększeniu (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Wyniki i dyskusja
Rysunek 1 przedstawia mikrostrukturę metalograficzną stopu aluminium 6063 w stanie surowym przed i po procesie homogenizacji. Jak pokazano na rysunku 1a, ziarna α-Al w stanie surowym różnią się wielkością, na granicach ziaren gromadzi się duża liczba faz sieciowych β-Al9Fe2Si2, a wewnątrz ziaren występuje duża liczba ziarnistych faz Mg2Si. Po homogenizacji wlewka w temperaturze 560°C przez 6 godzin, nierównowagowa faza eutektyczna między dendrytami stopu stopniowo się rozpuszczała, a pierwiastki stopowe wnikały do matrycy. Mikrostruktura była jednorodna, a średnia wielkość ziarna wynosiła 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 procesie homogenizacji
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 z różnymi współczynnikami wytłaczania jest dobra, zwłaszcza po zwiększeniu współczynnika wytłaczania do 156 (co odpowiada prędkości wyjściowej wytłaczania pręta wynoszącej 48 m/min). Na powierzchni pręta nadal nie występują wady wytłaczania, takie jak pęknięcia i łuszczenie, co wskazuje, że stop aluminium 6063 charakteryzuje się również dobrą wydajnością wytłaczania 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 wyciskania. Struktura ziaren pręta o różnych współczynnikach wyciskania wykazuje różny stopień wydłużenia lub rozdrobnienia. Przy współczynniku wyciskania równym 17 pierwotne ziarna ulegają wydłużeniu wzdłuż kierunku wyciskania, czemu towarzyszy powstawanie niewielkiej liczby ziaren rekrystalizowanych, ale ziarna te są nadal stosunkowo grube, ze średnią wielkością ziarna około 85 μm (rysunek 3a); przy współczynniku wyciskania równym 25 ziarna ulegają smuklejeniu, liczba ziaren rekrystalizowanych wzrasta, a średnia wielkość ziarna zmniejsza się do około 71 μm (rysunek 3b). Przy współczynniku wytłaczania 39, z wyjątkiem niewielkiej liczby odkształconych ziaren, mikrostruktura składa się zasadniczo z równoosiowych, rekrystalizowanych ziaren o nierównomiernej wielkości, o średniej wielkości ziarna około 60 μm (rysunek 3c); przy współczynniku wytłaczania 69, proces rekrystalizacji dynamicznej jest zasadniczo zakończony, grube, pierwotne ziarna zostały całkowicie przekształcone w ziarna rekrystalizowane o jednorodnej strukturze, a średni rozmiar ziarna został rozdrobniony do około 41 μm (rysunek 3d); przy współczynniku wytłaczania 156, wraz z pełnym postępem procesu rekrystalizacji dynamicznej, mikrostruktura jest bardziej jednolita, a rozmiar ziarna znacznie rozdrobniony do około 32 μm (rysunek 3e). Wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania, proces rekrystalizacji dynamicznej przebiega pełniej, mikrostruktura stopu staje się bardziej jednolita, a rozmiar ziarna ulega znacznemu rozdrobnieniu (rysunek 3f).
Rys.3 Struktura metalograficzna i wielkość ziarna przekroju podłużnego prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych współczynnikach wyciskania
Rysunek 4 przedstawia odwrotne figury biegunowe prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych współczynnikach wytłaczania wzdłuż kierunku wytłaczania. Widać, że mikrostruktury prętów ze stopu o różnych współczynnikach wytłaczania wykazują wyraźną preferencję orientacji. Przy współczynniku wytłaczania 17 powstaje słabsza tekstura <115>+<100> (rysunek 4a); przy współczynniku wytłaczania 39 składowe tekstury to głównie silniejsza tekstura <100> i niewielka ilość słabej tekstury <115> (rysunek 4b); przy współczynniku wytłaczania 156 składowe tekstury to tekstura <100> o znacznie zwiększonej wytrzymałości, podczas gdy tekstura <115> zanika (rysunek 4c). Badania wykazały, że metale sześcienne o strukturze sześciennej centrowanej na ścianie tworzą głównie tekstury drutu <111> i <100> podczas wytłaczania i ciągnienia. Po uformowaniu tekstury, właściwości mechaniczne stopu w temperaturze pokojowej wykazują wyraźną 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 stopu na rozciąganie wzdłużne wzrasta. Mechanizmy wzmacniania materiałów wytłaczanych na gorąco ze stopu aluminium 6063 obejmują wzmocnienie drobnoziarniste, wzmocnienie dyslokacyjne, wzmocnienie tekstury itp. W zakresie parametrów procesu wykorzystanych w niniejszym badaniu eksperymentalnym, zwiększenie współczynnika wytłaczania ma korzystny wpływ 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. Przy współczynniku wytłaczania 156 wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu osiągają wartości maksymalne, odpowiednio 228 MPa i 26,9%, co jest wartością o około 34% wyższą niż wytrzymałość na rozciąganie stopu odlewanego i o około 158% wyższą niż wydłużenie. Wytrzymałość na rozciąganie stopu aluminium 6063 uzyskanego przy dużym współczynniku wytłaczania jest zbliżona do wartości wytrzymałości na rozciąganie (240 MPa) uzyskanej w czteroprzejściowym wytłaczaniu kątowym z równymi kanałami (ECAP), która jest znacznie wyższa od wartości wytrzymałości na rozciąganie (171,1 MPa) uzyskanej w jednoprzejściowym wytłaczaniu 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 rozdrobnienie ziarna. Wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania, ziarna ulegają rozdrobnieniu, a gęstość dyslokacji wzrasta. Większa liczba granic ziaren na jednostkę powierzchni może skutecznie hamować ruch dyslokacji, w połączeniu z ich wzajemnym przemieszczaniem i splątywaniem, poprawiając tym samym wytrzymałość stopu. Im drobniejsze ziarna, tym bardziej kręte są granice ziaren, a odkształcenie plastyczne może być rozproszone w większej liczbie ziaren, co nie sprzyja powstawaniu pęknięć, a tym bardziej ich rozprzestrzenianiu się. Podczas procesu pękania może zostać pochłonięta większa energia, co poprawia plastyczność stopu.
Rys.5 Właściwości rozciągające stopu aluminium 6063 po odlaniu i wytłoczeniu
Morfologię pęknięć rozciągających stopu po odkształceniu przy różnych współczynnikach wyciskania przedstawiono na rysunku 6. W morfologii pęknięć próbki w stanie surowym nie stwierdzono wgłębień (rysunek 6a), a pęknięcie składało się głównie z płaskich obszarów i krawędzi rozrywających, co wskazuje, że mechanizm pękania rozciągającego stopu w stanie surowym był głównie kruchy. Morfologię pęknięć stopu po wyciskaniu znacząco zmieniono, a pęknięcie składa się z dużej liczby równoosiowych wgłębień, co wskazuje, że mechanizm pękania stopu po wyciskaniu zmienił się z kruchego pękania na ciągliwe. Gdy współczynnik wyciskania jest mały, wgłębienia są płytkie, a ich rozmiar duży, a rozkład nierównomierny; wraz ze wzrostem współczynnika wyciskania liczba wgłębień rośnie, rozmiar wgłębień jest mniejszy, a rozkład równomierny (rysunek 6b-f), co oznacza, że stop ma lepszą plastyczność, co jest zgodne z powyższymi wynikami badań właściwości mechanicznych.
3. Wnioski
W niniejszym eksperymencie przeanalizowano wpływ różnych współczynników wyciskania na mikrostrukturę i właściwości stopu aluminium 6063, przy założeniu, że rozmiar wlewka, temperatura nagrzewania wlewka i prędkość wyciskania 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 rozdrabniane, a ziarna wydłużone wzdłuż kierunku wytłaczania przekształcają się w ziarna rekrystalizowane równoosiowo, a wytrzymałość tekstury drutu <100> ulega ciągłemu wzrostowi.
2) Dzięki wzmocnieniu drobnoziarnistemu, wraz ze wzrostem współczynnika wyciskania, poprawiają się właściwości mechaniczne stopu. W zakresie parametrów testowych, przy współczynniku wyciskania 156, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu osiągają wartości maksymalne odpowiednio 228 MPa i 26,9%.
Rys.6 Morfologia pęknięć rozciągających stopu aluminium 6063 po odlaniu i wyciskaniu
3) Morfologia pęknięć próbki odlewanej w stanie surowym składa się z płaskich obszarów i krawędzi rozdarcia. Po wyciskaniu pęknięcie składa się z dużej liczby równoosiowych wgłębień, a mechanizm pękania przekształca się z kruchego w ciągliwe.
Czas publikacji: 30 listopada 2024 r.
