Aluminijeva zlitina 6063 spada v nizko legirano toplotno obdelano aluminijevo zlitino serije Al-Mg-Si. Ima odlične lastnosti ekstruzijskega brizganja, dobro odpornost proti koroziji in celovite mehanske lastnosti. Zaradi enostavnega oksidacijskega barvanja se pogosto uporablja tudi v avtomobilski industriji. Z naraščajočim trendom lahkih avtomobilov se je uporaba ekstruzijskih materialov iz aluminijeve zlitine 6063 v avtomobilski industriji še povečala.
Na mikrostrukturo in lastnosti ekstrudiranih materialov vplivajo kombinirani učinki hitrosti ekstrudiranja, temperature ekstrudiranja in ekstruzijskega razmerja. Med njimi je ekstruzijsko razmerje v glavnem odvisno od ekstruzijskega tlaka, proizvodne učinkovitosti in proizvodne opreme. Ko je ekstruzijsko razmerje majhno, je deformacija zlitine majhna in prečiščevanje mikrostrukture ni očitno; povečanje ekstruzijskega razmerja lahko znatno prečišče zrna, razbije grobo drugo fazo, doseže enakomerno mikrostrukturo in izboljša mehanske lastnosti zlitine.
Aluminijevi zlitini 6061 in 6063 med postopkom ekstrudiranja dinamično rekristalizirata. Ko je temperatura ekstrudiranja konstantna, se z naraščanjem ekstruzijskega razmerja velikost zrn zmanjša, utrjevalna faza se fino dispergira, natezna trdnost in raztezek zlitine pa se ustrezno povečata; vendar se z naraščanjem ekstruzijskega razmerja poveča tudi ekstruzijska sila, potrebna za postopek ekstrudiranja, kar povzroči večji toplotni učinek, zaradi česar se notranja temperatura zlitine dvigne, zmogljivost izdelka pa se zmanjša. Ta poskus preučuje vpliv ekstruzijskega razmerja, zlasti velikega ekstruzijskega razmerja, na mikrostrukturo in mehanske lastnosti aluminijeve zlitine 6063.
1 Eksperimentalni materiali in metode
Eksperimentalni material je aluminijeva zlitina 6063, kemična sestava pa je prikazana v tabeli 1. Prvotna velikost ingota je Φ55 mm × 165 mm in se po homogenizaciji pri 560 ℃ 6 ur predela v ekstruzijski obdelovanec velikosti Φ50 mm × 150 mm. Obdelovanec se segreje na 470 ℃ in ohranja topel. Temperatura predgrevanja ekstruzijske cevi je 420 ℃, temperatura predgrevanja kalupa pa 450 ℃. Ko hitrost ekstrudiranja (hitrost premikanja ekstruzijske palice) V = 5 mm/s ostane nespremenjena, se izvede 5 skupin preskusov z različnimi razmerji ekstrudiranja, pri čemer so razmerja ekstrudiranja R 17 (kar ustreza premeru luknje matrice D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) in 156 (D = 4 mm).
Tabela 1 Kemijska sestava zlitine 6063 Al (mas./%)
Po brušenju z brusnim papirjem in mehanskem poliranju so metalografske vzorce jedkali z reagentom HF z volumskim deležem 40 % približno 25 sekund, metalografsko strukturo vzorcev pa so opazovali na optičnem mikroskopu LEICA-5000. Iz središča vzdolžnega prereza ekstrudirane palice je bil izrezan vzorec za analizo teksture velikosti 10 mm × 10 mm, za odstranitev površinske napetostne plasti pa sta bila izvedena mehansko brušenje in jedkanje. Nepopolne polne figure treh kristalnih ravnin {111}, {200} in {220} vzorca so bile izmerjene z rentgenskim difrakcijskim analizatorjem X′Pert Pro MRD podjetja PANalytical, teksturne podatke pa so obdelali in analizirali s programsko opremo X′Pert Data View in X′Pert Texture.
Natezni vzorec lite zlitine je bil vzet iz središča ingota, natezni vzorec pa je bil po ekstruziji razrezan vzdolž smeri ekstruzije. Velikost merilne površine je bila Φ4 mm × 28 mm. Natezni preskus je bil izveden z univerzalnim preizkuševalnikom materialov SANS CMT5105 z natezno hitrostjo 2 mm/min. Povprečna vrednost treh standardnih vzorcev je bila izračunana kot podatek o mehanskih lastnostih. Morfologija loma nateznih vzorcev je bila opazovana z vrstičnim elektronskim mikroskopom z majhno povečavo (Quanta 2000, FEI, ZDA).
2 Rezultati in razprava
Slika 1 prikazuje metalografsko mikrostrukturo ulite aluminijeve zlitine 6063 pred in po homogenizaciji. Kot je prikazano na sliki 1a, se zrna α-Al v uliti mikrostrukturi razlikujejo po velikosti, na mejah zrn se zbira veliko število retikularnih faz β-Al9Fe2Si2, znotraj zrn pa je veliko število granularnih faz Mg2Si. Po 6-urni homogenizaciji ingota pri 560 ℃ se je neravnovesna evtektična faza med dendriti zlitine postopoma raztopila, elementi zlitine so se raztopili v matrici, mikrostruktura je bila enakomerna, povprečna velikost zrn pa je bila približno 125 μm (slika 1b).
Pred homogenizacijo
Po 6-urni obdelavi z uniformiranjem pri 600 °C
Slika 1 Metalografska struktura aluminijeve zlitine 6063 pred in po homogenizacijski obdelavi
Slika 2 prikazuje videz palic iz aluminijeve zlitine 6063 z različnimi razmerji ekstruzije. Kot je prikazano na sliki 2, je kakovost površine palic iz aluminijeve zlitine 6063, ekstrudiranih z različnimi razmerji ekstruzije, dobra, še posebej, ko se razmerje ekstruzije poveča na 156 (kar ustreza izhodni hitrosti ekstruzije palice 48 m/min), na površini palice pa še vedno ni napak pri ekstruziji, kot so razpoke in luščenje, kar kaže, da ima aluminijeva zlitina 6063 tudi dobro zmogljivost vročega ekstrudiranja pri visoki hitrosti in velikem razmerju ekstruzije.
Slika 2 Videz palic iz aluminijeve zlitine 6063 z različnimi razmerji ekstruzije
Slika 3 prikazuje metalografsko mikrostrukturo vzdolžnega prereza palice iz aluminijeve zlitine 6063 z različnimi razmerji ekstruzije. Zrnata struktura palice z različnimi razmerji ekstruzije kaže različne stopnje raztezanja ali prečiščevanja. Pri razmerju ekstruzije 17 se prvotna zrna podaljšajo vzdolž smeri ekstruzije, kar spremlja nastanek majhnega števila rekristaliziranih zrn, vendar so zrna še vedno relativno groba, s povprečno velikostjo zrn približno 85 μm (slika 3a); pri razmerju ekstruzije 25 se zrna iztegnejo vitkejša, število rekristaliziranih zrn se poveča, povprečna velikost zrn pa se zmanjša na približno 71 μm (slika 3b); pri razmerju ekstruzije 39 je mikrostruktura, razen majhnega števila deformiranih zrn, v osnovi sestavljena iz enakoosnih rekristaliziranih zrn neenakomerne velikosti, s povprečno velikostjo zrn približno 60 μm (slika 3c); Ko je razmerje ekstruzije 69, je proces dinamične rekristalizacije v bistvu zaključen, groba prvotna zrna so se popolnoma pretvorila v enakomerno strukturirana rekristalizirana zrna, povprečna velikost zrn pa je prečiščena na približno 41 μm (slika 3d); ko je razmerje ekstruzije 156, je s polnim potekom procesa dinamične rekristalizacije mikrostruktura bolj enakomerna, velikost zrn pa se močno prečisti na približno 32 μm (slika 3e). Z naraščanjem razmerja ekstruzije proces dinamične rekristalizacije poteka bolj celovito, mikrostruktura zlitine postane bolj enakomerna in velikost zrn se znatno prečisti (slika 3f).
Slika 3 Metalografska struktura in velikost zrn vzdolžnega prereza palic iz aluminijeve zlitine 6063 z različnimi razmerji ekstruzije
Slika 4 prikazuje inverzne polne slike palic iz aluminijeve zlitine 6063 z različnimi razmerji ekstruzije vzdolž smeri ekstruzije. Vidimo lahko, da mikrostrukture palic iz zlitine z različnimi razmerji ekstruzije vse ustvarjajo očitno preferenčno orientacijo. Ko je razmerje ekstruzije 17, se oblikuje šibkejša tekstura <115>+<100> (slika 4a); ko je razmerje ekstruzije 39, so teksturne komponente predvsem močnejša tekstura <100> in majhna količina šibke teksture <115> (slika 4b); ko je razmerje ekstruzije 156, so teksturne komponente tekstura <100> z znatno povečano trdnostjo, medtem ko tekstura <115> izgine (slika 4c). Študije so pokazale, da ploskovno centrirane kubične kovine med ekstruzijo in vlečenjem tvorijo predvsem žične teksture <111> in <100>. Ko je tekstura oblikovana, mehanske lastnosti zlitine pri sobni temperaturi kažejo očitno anizotropijo. Teksturna trdnost se povečuje z naraščanjem ekstruzijske stopnje, kar kaže na to, da se število zrn v določeni kristalni smeri, vzporedni s smerjo ekstruzije v zlitini, postopoma povečuje, vzdolžna natezna trdnost zlitine pa se povečuje. Mehanizmi utrjevanja materialov iz vroče ekstrudirane aluminijeve zlitine 6063 vključujejo utrjevanje z drobnimi zrni, utrjevanje z dislokacijami, utrjevanje teksture itd. V območju procesnih parametrov, uporabljenih v tej eksperimentalni študiji, ima povečanje ekstruzijske stopnje spodbujevalni učinek na zgoraj navedene mehanizme utrjevanja.
Slika 4 Diagram obratnih polov palic iz aluminijeve zlitine 6063 z različnimi razmerji ekstruzije vzdolž smeri ekstruzije
Slika 5 je histogram nateznih lastnosti aluminijeve zlitine 6063 po deformaciji pri različnih razmerjih ekstrudiranja. Natezna trdnost lite zlitine je 170 MPa, raztezek pa 10,4 %. Natezna trdnost in raztezek zlitine po ekstrudiranju se znatno izboljšata, natezna trdnost in raztezek pa se postopoma povečujeta z naraščanjem razmerja ekstrudiranja. Ko je razmerje ekstrudiranja 156, natezna trdnost in raztezek zlitine dosežeta največjo vrednost, ki znaša 228 MPa oziroma 26,9 %, kar je približno 34 % več od natezne trdnosti lite zlitine in približno 158 % več od raztezka. Natezna trdnost aluminijeve zlitine 6063, pridobljena z velikim razmerjem ekstrudiranja, je blizu vrednosti natezne trdnosti (240 MPa), pridobljene s 4-prehodnim enakokanalnim kotnim ekstrudiranjem (ECAP), ki je veliko večja od vrednosti natezne trdnosti (171,1 MPa), pridobljene z 1-prehodnim ECAP ekstrudiranjem aluminijeve zlitine 6063. Vidimo lahko, da lahko veliko razmerje ekstrudiranja do določene mere izboljša mehanske lastnosti zlitine.
Izboljšanje mehanskih lastnosti zlitine z razmerjem ekstruzije izhaja predvsem iz utrjevanja z zglajevanjem zrn. Z naraščanjem razmerja ekstruzije se zrna zgladijo in gostota dislokacij se poveča. Več meja zrn na enoto površine lahko učinkovito ovira gibanje dislokacij, kar v kombinaciji z medsebojnim gibanjem in prepletanjem dislokacij izboljša trdnost zlitine. Drobnejša kot so zrna, bolj so meje zrn vijugaste in plastična deformacija se lahko razprši v več zrn, kar ne spodbuja nastanka razpok, kaj šele širjenja razpok. Med procesom loma se lahko absorbira več energije, kar izboljša plastičnost zlitine.
Slika 5 Natezne lastnosti aluminijeve zlitine 6063 po litju in ekstrudiranju
Natezna morfologija loma zlitine po deformaciji z različnimi razmerji ekstruzije je prikazana na sliki 6. V morfologiji loma ulitega vzorca (slika 6a) ni bilo vdolbin, lom pa je bil sestavljen predvsem iz ravnih območij in robov za trganje, kar kaže na to, da je bil mehanizem nateznega loma ulite zlitine predvsem krhek lom. Morfologija loma zlitine po ekstruziji se je bistveno spremenila, lom pa je sestavljen iz velikega števila enakoosnih vdolbin, kar kaže na to, da se je mehanizem loma zlitine po ekstruziji spremenil iz krhkega loma v duktilen lom. Ko je razmerje ekstruzije majhno, so vdolbine plitve, velikost vdolbin je velika, porazdelitev pa neenakomerna; ko se razmerje ekstruzije povečuje, se število vdolbin povečuje, velikost vdolbin je manjša in porazdelitev je enakomerna (slika 6b~f), kar pomeni, da ima zlitina boljšo plastičnost, kar je skladno z zgornjimi rezultati preskusov mehanskih lastnosti.
3 Zaključek
V tem poskusu so bili analizirani učinki različnih razmerij ekstrudiranja na mikrostrukturo in lastnosti aluminijeve zlitine 6063 pod pogojem, da velikost gredice, temperatura segrevanja ingota in hitrost ekstrudiranja ostanejo nespremenjene. Zaključki so naslednji:
1) Dinamična rekristalizacija se pojavi v aluminijevi zlitini 6063 med vročim ekstrudiranjem. Z naraščanjem ekstruzijskega razmerja se zrna nenehno prečiščujejo, zrna, podolgovata vzdolž smeri ekstrudiranja, pa se pretvorijo v enakoosna rekristalizirana zrna, trdnost teksture žice <100> pa se nenehno povečuje.
2) Zaradi učinka drobnozrnatega utrjevanja se mehanske lastnosti zlitine izboljšajo z naraščajočim razmerjem ekstruzije. V območju preskusnih parametrov, ko je razmerje ekstruzije 156, natezna trdnost in raztezek zlitine dosežeta najvišji vrednosti 228 MPa oziroma 26,9 %.
Slika 6 Morfologija nateznega loma aluminijeve zlitine 6063 po litju in ekstruziji
3) Morfologija loma ulitega vzorca je sestavljena iz ravnih območij in robov odtrganja. Po ekstruziji je lom sestavljen iz velikega števila enakoosnih vdolbin, mehanizem loma pa se spremeni iz krhkega loma v duktilen lom.
Čas objave: 30. november 2024
