Stop aluminium 6063 należy do niskostopowego stopu aluminium nadającego się do obróbki cieplnej serii Al-Mg-Si. Ma doskonałą wydajność formowania przez wytłaczanie, dobrą odporność na korozję i wszechstronne właściwości mechaniczne. Jest również szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym ze względu na łatwe zabarwienie utleniające. Wraz z przyspieszeniem trendu lekkich samochodów, zastosowanie materiałów wytłaczanych ze stopu aluminium 6063 w przemyśle motoryzacyjnym również wzrosło.
Na mikrostrukturę i właściwości wytłaczanych materiałów wpływa połączony wpływ prędkości wytłaczania, temperatury wytłaczania i współczynnika wytłaczania. Wśród nich współczynnik wytłaczania zależy głównie od ciśnienia wytłaczania, wydajności produkcji i sprzętu produkcyjnego. Gdy stopień wytłaczania jest mały, odkształcenie stopu jest małe, a rozdrobnienie mikrostruktury nie jest oczywiste; zwiększenie stopnia wytłaczania może znacznie rozdrobnić ziarna, rozbić gruboziarnistą drugą fazę, uzyskać jednolitą mikrostrukturę i poprawić właściwości mechaniczne stopu.
Stopy aluminium 6061 i 6063 ulegają dynamicznej rekrystalizacji podczas procesu wytłaczania. Gdy temperatura wytłaczania jest stała, wraz ze wzrostem stopnia wytłaczania zmniejsza się wielkość ziaren, faza wzmacniająca jest drobno rozproszona, a wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu odpowiednio wzrastają; jednakże wraz ze wzrostem współczynnika wytłaczania wzrasta również siła wytłaczania wymagana w procesie wytłaczania, powodując większy efekt termiczny, powodując wzrost wewnętrznej temperatury stopu i spadek wydajności produktu. W tym doświadczeniu badano wpływ stopnia wytłaczania, zwłaszcza dużego stopnia wytłaczania, na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne stopu aluminium 6063.
1 Materiały i metody doświadczalne
Materiałem doświadczalnym jest stop aluminium 6063, którego skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. Wlewek o pierwotnych wymiarach Φ55 mm×165 mm, który po homogenizacji przerabia się na wlewek wytłaczany o wymiarach Φ50 mm×150 mm obróbka w temperaturze 560℃ przez 6 godz. Kęs jest podgrzewany do 470 ℃ i utrzymywany w cieple. Temperatura wstępnego podgrzewania cylindra wytłaczającego wynosi 420 ℃, a temperatura wstępnego podgrzewania formy wynosi 450 ℃. Gdy prędkość wytłaczania (prędkość ruchu pręta wytłaczającego) V=5 mm/s pozostaje niezmieniona, przeprowadza się 5 grup badań różnych współczynników wyciskania, 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 6063 Al (m/m/%)
Po przeszlifowaniu papierem ściernym i polerowaniu mechanicznym próbki metalograficzne trawiono odczynnikiem HF o udziale objętościowym 40% przez około 25 s, a strukturę metalograficzną próbek obserwowano pod mikroskopem optycznym LEICA-5000. Ze środka przekroju podłużnego wytłaczanego pręta wycięto próbkę do analizy tekstury o wymiarach 10 mm x 10 mm, a następnie przeprowadzono mechaniczne szlifowanie i trawienie w celu usunięcia powierzchniowej warstwy naprężenia. Niekompletne figury biegunowe trzech płaszczyzn kryształu {111}, {200} i {220} próbki zmierzono za pomocą analizatora dyfrakcji rentgenowskiej X′Pert Pro MRD firmy PANalytical Company, a dane dotyczące tekstury zostały przetworzone i przeanalizowane przez oprogramowanie X′Pert Data View i X′Pert Textur.
Próbkę do rozciągania stopu odlewniczego pobierano ze środka wlewka, a po wytłaczaniu próbkę do rozciągania wycinano wzdłuż kierunku wytłaczania. Rozmiar obszaru pomiarowego wynosił Φ4 mm x 28 mm. Próbę rozciągania przeprowadzono przy użyciu uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej SANS CMT5105 o szybkości rozciągania 2 mm/min. Jako dane dotyczące właściwości mechanicznych obliczono średnią wartość trzech standardowych próbek. Morfologię pęknięć próbek rozciąganych obserwowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego o małym powiększeniu (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Wyniki i dyskusja
Rysunek 1 przedstawia mikrostrukturę metalograficzną odlanego stopu aluminium 6063 przed i po obróbce homogenizacyjnej. Jak pokazano na rysunku 1a, ziarna α-Al w mikrostrukturze po odlaniu różnią się wielkością, na granicach ziaren gromadzi się duża liczba siatkowych faz β-Al9Fe2Si2, a wewnątrz ziaren występuje duża liczba ziarnistych faz Mg2Si. Po homogenizacji wlewka w temperaturze 560℃ przez 6 godzin, nierównowagowa faza eutektyczna pomiędzy dendrytami stopu stopniowo się rozpuszczała, pierwiastki stopowe rozpuszczały się w osnowie, mikrostruktura była jednolita, a średnia wielkość ziaren 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 obróbce homogenizacyjnej
Rysunek 2 przedstawia wygląd prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych stopniach wytłaczania. Jak pokazano na rysunku 2, jakość powierzchni prętów ze stopu aluminium 6063 wytłaczanych przy różnych stopniach wytłaczania jest dobra, zwłaszcza gdy współczynnik wytłaczania zwiększa się do 156 (co odpowiada prędkości wylotowej wytłaczania prętów wynoszącej 48 m/min), nadal nie ma wady wytłaczania, takie jak pęknięcia i łuszczenie się na powierzchni pręta, co wskazuje, że stop aluminium 6063 ma również dobrą wydajność formowania przez wytłaczanie na gorąco przy dużej prędkości i dużym współczynniku wytłaczania.
Ryc.2 Wygląd prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych stopniach wytłaczania
Rysunek 3 przedstawia mikrostrukturę metalograficzną przekroju podłużnego pręta ze stopu aluminium 6063 przy różnych stopniach wytłaczania. Struktura ziaren pręta przy różnych stopniach wytłaczania wykazuje różne stopnie wydłużenia lub rozdrobnienia. Gdy stopień wytłaczania wynosi 17, pierwotne ziarna wydłużają się wzdłuż kierunku wytłaczania, czemu towarzyszy tworzenie niewielkiej liczby ziaren zrekrystalizowanych, ale ziarna są nadal stosunkowo grube, a średnia wielkość ziarna wynosi około 85 μm (rysunek 3a). ; gdy stopień wytłaczania wynosi 25, ziarna są bardziej smukłe, liczba ziaren zrekrystalizowanych wzrasta, a średnia wielkość ziaren spada do około 71 μm (ryc. 3b); gdy stopień wytłaczania wynosi 39, z wyjątkiem niewielkiej liczby zdeformowanych ziaren, mikrostruktura składa się zasadniczo z równoosiowych, rekrystalizowanych ziaren o nierównomiernej wielkości, o średniej wielkości ziaren około 60 µm (rysunek 3c); gdy stopień wytłaczania wynosi 69, proces dynamicznej rekrystalizacji jest w zasadzie zakończony, pierwotne gruboziarniste ziarna zostały całkowicie przekształcone w jednorodnie ustrukturyzowane ziarna rekrystalizowane, a średni rozmiar ziaren zostaje rozdrobniony do około 41 µm (rysunek 3d); gdy stopień wytłaczania wynosi 156, przy pełnym postępie procesu rekrystalizacji dynamicznej mikrostruktura jest bardziej jednolita, a wielkość ziaren znacznie rozdrobniona do około 32 μm (rysunek 3e). Wraz ze wzrostem stopnia wyciskania proces rekrystalizacji dynamicznej przebiega pełniej, mikrostruktura stopu staje się bardziej jednolita, a wielkość ziaren ulega znacznemu rozdrobnieniu (rysunek 3f).
Rys.3 Struktura metalograficzna i wielkość ziaren przekroju podłużnego prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych stopniach wytłaczania
Rysunek 4 przedstawia liczby odwrotnych biegunów prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych stopniach wytłaczania wzdłuż kierunku wytłaczania. Można zauważyć, że wszystkie mikrostruktury prętów stopowych o różnych stopniach wytłaczania dają oczywistą preferowaną orientację. Gdy stopień wytłaczania wynosi 17, powstaje słabsza tekstura <115>+<100> (rysunek 4a); gdy współczynnik wytłaczania wynosi 39, składnikami tekstury są głównie tekstura mocniejsza <100> i niewielka ilość tekstury słabej <115> (rysunek 4b); gdy stopień wytłoczenia wynosi 156, składnikami tekstury jest tekstura <100> o znacznie zwiększonej wytrzymałości, natomiast tekstura <115> zanika (rysunek 4c). Badania wykazały, że metale sześcienne skupione na powierzchni tworzą głównie tekstury drutu <111> i <100> podczas wytłaczania i ciągnienia. Po utworzeniu tekstury właściwości mechaniczne stopu w temperaturze pokojowej wykazują wyraźną anizotropię. Wytrzymałość tekstury wzrasta wraz ze wzrostem stopnia wytłaczania, co wskazuje, że liczba ziaren w pewnym kierunku kryształu równoległym do kierunku wytłaczania w stopie stopniowo wzrasta, a wytrzymałość na rozciąganie wzdłużne stopu wzrasta. Mechanizmy wzmacniające materiałów do wytłaczania na gorąco ze stopu aluminium 6063 obejmują wzmocnienie drobnoziarniste, wzmocnienie dyslokacyjne, wzmocnienie tekstury itp. W zakresie parametrów procesu zastosowanych w tym badaniu eksperymentalnym zwiększenie współczynnika wytłaczania ma pozytywny wpływ na powyższe mechanizmy wzmacniające.
Ryc. 4 Schemat odwrotnych biegunów prętów ze stopu aluminium 6063 o różnych stopniach wytłaczania wzdłuż kierunku wytłaczania
Figura 5 to histogram właściwości rozciągających stopu aluminium 6063 po odkształceniu przy różnych stopniach wytłaczania. Wytrzymałość stopu odlewniczego na rozciąganie 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 stopnia wytłaczania. Przy stopniu wytłaczania wynoszącym 156 wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu osiągają wartości maksymalne, które wynoszą odpowiednio 228 MPa i 26,9%, czyli o około 34% więcej niż wytrzymałość na rozciąganie stopu odlewniczego i o około 158% więcej niż wydłużenie. Wytrzymałość na rozciąganie stopu aluminium 6063 uzyskana przy dużym stopniu wytłaczania jest zbliżona do wartości wytrzymałości na rozciąganie (240 MPa) uzyskanej przy 4-stopniowym równokanałowym wytłaczaniu kątowym (ECAP), która jest znacznie wyższa niż wartość wytrzymałości na rozciąganie (171,1 MPa). otrzymywany w wyniku jednoprzebiegowego wytłaczania ECAP stopu aluminium 6063. Można zauważyć, że duży stopień wytłaczania może w pewnym stopniu poprawić właściwości mechaniczne stopu.
Poprawa właściwości mechanicznych stopu poprzez stopień wytłaczania wynika głównie ze wzmocnienia rozdrobnienia ziarna. Wraz ze wzrostem stopnia wytłaczania ziarna ulegają rozdrobnieniu, a gęstość dyslokacji wzrasta. Większe granice ziaren na jednostkę powierzchni mogą skutecznie utrudniać ruch dyslokacji, w połączeniu z wzajemnym ruchem i splątaniem dyslokacji, poprawiając w ten sposób 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, nie mówiąc już o propagacji pęknięć. Podczas procesu pękania można pochłonąć więcej energii, poprawiając w ten sposób plastyczność stopu.
Rys.5 Właściwości rozciągające stopu aluminium 6063 po odlaniu i wytłaczaniu
Morfologię pękania przy rozciąganiu stopu po odkształceniu przy różnych stopniach wyciskania przedstawiono na rysunku 6. W morfologii pęknięcia próbki po odlaniu nie stwierdzono wgłębień (rysunek 6a), a pęknięcie składało się głównie z obszarów płaskich i krawędzi rozrywania , co wskazuje, że mechanizm pękania przy rozciąganiu stopu w stanie odlanym polegał głównie na pękaniu kruchym. Morfologia pękania stopu po wytłaczaniu uległa istotnym zmianom, a pęknięcie składa się z dużej liczby równoosiowych wgłębień, co wskazuje, że mechanizm pękania stopu po wytłaczaniu zmienił się z pękania kruchego na pękanie plastyczne. Gdy stopień wytłaczania jest mały, wgłębienia są płytkie, a rozmiar wgłębień jest duży, a rozkład jest nierówny; wraz ze wzrostem stopnia wytłaczania wzrasta liczba wgłębień, rozmiar wgłębień jest mniejszy, a rozkład jest równomierny (rysunek 6b~f), co oznacza, że stop ma lepszą plastyczność, co jest zgodne z powyższymi wynikami badań właściwości mechanicznych.
3 Wniosek
W tym doświadczeniu analizowano wpływ różnych stopni wytłaczania na mikrostrukturę i właściwości stopu aluminium 6063 pod warunkiem, że wielkość kęsa, temperatura nagrzewania wlewka i prędkość wytłaczania pozostały niezmienione. Wnioski są następujące:
1) Rekrystalizacja dynamiczna zachodzi w stopie aluminium 6063 podczas wytłaczania na gorąco. Wraz ze wzrostem stopnia wytłaczania ziarna ulegają ciągłemu rozdrobnieniu, a ziarna wydłużone wzdłuż kierunku wytłaczania przekształcają się w równoosiowe ziarna rekrystalizowane, a wytrzymałość tekstury drutu <100> stale wzrasta.
2) Dzięki efektowi wzmocnienia drobnoziarnistego właściwości mechaniczne stopu poprawiają się wraz ze wzrostem stopnia wytłaczania. W zakresie parametrów badania, gdy stopień wytłaczania wynosi 156, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu osiągają maksymalne wartości odpowiednio 228 MPa i 26,9%.
Rys.6 Morfologia pękania przy rozciąganiu stopu aluminium 6063 po odlewaniu i wytłaczaniu
3) Morfologia pęknięć próbki po odlaniu składa się z płaskich obszarów i krawędzi rozdarć. Po wytłoczeniu pęknięcie składa się z dużej liczby równoosiowych wgłębień, a mechanizm pękania przekształca się z pęknięcia kruchego w pękanie plastyczne.
Czas publikacji: 30 listopada 2024 r
