Hliníková zliatina 6063 patrí do nízkolegovanej tepelne spracovateľnej hliníkovej zliatiny série Al-Mg-Si. Má vynikajúce vlastnosti pri extrúznom lisovaní, dobrú odolnosť proti korózii a komplexné mechanické vlastnosti. Vďaka ľahkému oxidačnému farbeniu sa tiež široko používa v automobilovom priemysle. S rastúcim trendom ľahkých automobilov sa ďalej rozširuje aj používanie extrúznych materiálov zo zliatiny hliníka 6063 v automobilovom priemysle.
Mikroštruktúra a vlastnosti extrudovaných materiálov sú ovplyvnené kombinovaným účinkom rýchlosti extrúzie, teploty extrúzie a extruzného pomeru. Extruzný pomer je určený najmä extruzným tlakom, výrobnou účinnosťou a výrobným zariadením. Keď je extruzný pomer malý, deformácia zliatiny je malá a zjemnenie mikroštruktúry nie je zrejmé; zvýšenie extruzného pomeru môže výrazne zjemniť zrná, rozbiť hrubú druhú fázu, dosiahnuť jednotnú mikroštruktúru a zlepšiť mechanické vlastnosti zliatiny.
Hliníkové zliatiny 6061 a 6063 podliehajú počas procesu extrúzie dynamickej rekryštalizácii. Pri konštantnej teplote extrúzie sa so zvyšujúcim sa extrúznym pomerom zmenšuje veľkosť zŕn, spevňujúca fáza sa jemne disperguje a pevnosť v ťahu a predĺženie zliatiny sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšujú; so zvyšujúcim sa extrúznym pomerom sa však zvyšuje aj extrúzna sila potrebná na proces extrúzie, čo spôsobuje väčší tepelný efekt, a tým aj zvýšenie vnútornej teploty zliatiny a zníženie výkonu produktu. Tento experiment skúma vplyv extrúzneho pomeru, najmä veľkého extrúzneho pomeru, na mikroštruktúru a mechanické vlastnosti hliníkovej zliatiny 6063.
1 Experimentálne materiály a metódy
Experimentálny materiál je hliníková zliatina 6063 a chemické zloženie je uvedené v tabuľke 1. Pôvodná veľkosť ingotu je Φ55 mm × 165 mm a po homogenizácii pri teplote 560 °C počas 6 hodín sa spracuje na extrúzny polotovar s rozmermi Φ50 mm × 150 mm. Polotovar sa zahreje na 470 °C a udržiava sa v teple. Teplota predhrievania extrúzneho valca je 420 °C a teplota predhrievania formy je 450 °C. Pri nezmenenej rýchlosti extrúzie (rýchlosť pohybu extrúznej tyče) V = 5 mm/s sa vykoná 5 skupín testov s rôznymi extrúznymi pomermi a extrúzne pomery R sú 17 (zodpovedajúce priemeru otvoru matrice D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) a 156 (D = 4 mm).
Tabuľka 1 Chemické zloženie zliatiny Al 6063 (hm./%)
Po brúsení brúsnym papierom a mechanickom leštení boli metalografické vzorky leptané HF činidlom s objemovým podielom 40 % počas približne 25 sekúnd a metalografická štruktúra vzoriek bola pozorovaná na optickom mikroskope LEICA-5000. Vzorka na analýzu textúry s rozmermi 10 mm × 10 mm bola vyrezaná zo stredu pozdĺžneho rezu extrudovanej tyče a bolo vykonané mechanické brúsenie a leptanie na odstránenie vrstvy povrchového napätia. Neúplné pólové obrazce troch kryštálových rovín {111}, {200} a {220} vzorky boli merané pomocou röntgenového difrakčného analyzátora X′Pert Pro MRD od spoločnosti PANalytical a údaje o textúre boli spracované a analyzované softvérom X′Pert Data View a X′Pert Texture.
Vzorka na skúšku ťahom z liatej zliatiny bola odobratá zo stredu ingotu a po extrúzii bola rozrezaná pozdĺž smeru extrúzie. Veľkosť meranej plochy bola Φ4 mm × 28 mm. Skúška ťahom sa vykonala pomocou univerzálneho skúšobného stroja SANS CMT5105 s rýchlosťou ťahu 2 mm/min. Ako údaj o mechanických vlastnostiach sa vypočítala priemerná hodnota troch štandardných vzoriek. Morfológia lomu vzoriek na skúšku ťahom sa pozorovala pomocou rastrovacieho elektrónového mikroskopu s malým zväčšením (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Výsledky a diskusia
Obrázok 1 znázorňuje metalografickú mikroštruktúru odliatej hliníkovej zliatiny 6063 pred a po homogenizácii. Ako je znázornené na obrázku 1a, zrná α-Al v odliatej mikroštruktúre sa líšia veľkosťou, na hraniciach zŕn sa zhromažďuje veľké množstvo retikulárnych fáz β-Al9Fe2Si2 a vo vnútri zŕn sa nachádza veľké množstvo granulovaných fáz Mg2Si. Po homogenizácii ingotu pri teplote 560 ℃ počas 6 hodín sa nerovnovážna eutektická fáza medzi dendritmi zliatiny postupne rozpustila, prvky zliatiny sa rozpustili v matrici, mikroštruktúra bola rovnomerná a priemerná veľkosť zŕn bola približne 125 μm (obrázok 1b).
Pred homogenizáciou
Po uniformizačnom spracovaní pri teplote 600 °C počas 6 hodín
Obr. 1 Metalografická štruktúra hliníkovej zliatiny 6063 pred a po homogenizačnej úprave
Obrázok 2 znázorňuje vzhľad tyčí z hliníkovej zliatiny 6063 s rôznymi extrúznymi pomermi. Ako je znázornené na obrázku 2, kvalita povrchu tyčí z hliníkovej zliatiny 6063 extrúdovaných s rôznymi extrúznymi pomermi je dobrá, najmä keď sa extrúzny pomer zvýši na 156 (čo zodpovedá výstupnej rýchlosti extrúzie tyče 48 m/min), na povrchu tyče sa stále nevyskytujú žiadne extrúzne chyby, ako sú praskliny a odlupovanie, čo naznačuje, že hliníková zliatina 6063 má tiež dobrý výkon pri tvárnení za tepla pri vysokej rýchlosti a veľkom extrúznom pomere.
Obr. 2 Vzhľad tyčí zo zliatiny hliníka 6063 s rôznymi pomermi extrúzie
Obrázok 3 znázorňuje metalografickú mikroštruktúru pozdĺžneho rezu tyče zo zliatiny hliníka 6063 s rôznymi extrúznymi pomermi. Zrnná štruktúra tyče s rôznymi extrúznymi pomermi vykazuje rôzne stupne predĺženia alebo zjemnenia. Pri extrúznom pomere 17 sú pôvodné zrná predĺžené pozdĺž smeru extrúzie, čo je sprevádzané tvorbou malého počtu rekryštalizovaných zŕn, ale zrná sú stále relatívne hrubé, s priemernou veľkosťou zŕn približne 85 μm (obrázok 3a); pri extrúznom pomere 25 sú zrná štíhlejšie, počet rekryštalizovaných zŕn sa zvyšuje a priemerná veľkosť zŕn sa znižuje na približne 71 μm (obrázok 3b); pri extrúznom pomere 39, s výnimkou malého počtu deformovaných zŕn, je mikroštruktúra v podstate zložená z rovnoosých rekryštalizovaných zŕn nerovnakej veľkosti s priemernou veľkosťou zŕn približne 60 μm (obrázok 3c); Keď je extrúzny pomer 69, proces dynamickej rekryštalizácie je v podstate ukončený, hrubé pôvodné zrná sa úplne transformovali na rovnomerne štruktúrované rekryštalizované zrná a priemerná veľkosť zŕn sa zjemnila na približne 41 μm (obrázok 3d); keď je extrúzny pomer 156, s plným postupom procesu dynamickej rekryštalizácie je mikroštruktúra rovnomernejšia a veľkosť zŕn sa výrazne zjemní na približne 32 μm (obrázok 3e). So zvyšujúcim sa extrúznym pomerom prebieha proces dynamickej rekryštalizácie plnšie, mikroštruktúra zliatiny sa stáva rovnomernejšou a veľkosť zŕn sa výrazne zjemní (obrázok 3f).
Obr. 3 Metalografická štruktúra a veľkosť zŕn pozdĺžneho rezu tyčí zo zliatiny hliníka 6063 s rôznymi extrúznymi pomermi
Obrázok 4 zobrazuje inverzné pólové obrazce hliníkových zliatin 6063 s rôznymi extrúznymi pomermi pozdĺž smeru extrúzie. Je vidieť, že mikroštruktúry zliatinových tyčí s rôznymi extrúznymi pomermi vytvárajú zjavnú preferenčnú orientáciu. Pri extrúznom pomere 17 sa vytvorí slabšia textúra <115>+<100> (obrázok 4a); pri extrúznom pomere 39 sú textúrne zložky prevažne silnejšia textúra <100> a malé množstvo slabej textúry <115> (obrázok 4b); pri extrúznom pomere 156 sú textúrne zložky textúry <100> s výrazne zvýšenou pevnosťou, zatiaľ čo textúra <115> mizne (obrázok 4c). Štúdie ukázali, že plošne centrované kubické kovy tvoria počas extrúzie a ťahania prevažne drôtené textúry <111> a <100>. Po vytvorení textúry vykazujú mechanické vlastnosti zliatiny pri izbovej teplote zjavnú anizotropiu. Textúrna pevnosť sa zvyšuje so zvyšujúcim sa extrúznym pomerom, čo naznačuje, že počet zŕn v určitom kryštalickom smere rovnobežnom so smerom extrúzie v zliatine sa postupne zvyšuje a zvyšuje sa aj pozdĺžna pevnosť v ťahu zliatiny. Medzi mechanizmy spevňovania materiálov z hliníkovej zliatiny 6063 vyrobených extrúziou za tepla patrí jemnozrnné spevňovanie, dislokačné spevňovanie, textúrne spevňovanie atď. V rámci rozsahu procesných parametrov použitých v tejto experimentálnej štúdii má zvýšenie extrúzneho pomeru podporný účinok na vyššie uvedené mechanizmy spevňovania.
Obr. 4 Schéma obrátených pólov tyčí zo zliatiny hliníka 6063 s rôznymi pomermi extrúzie pozdĺž smeru extrúzie
Obrázok 5 je histogram pevnostných vlastností hliníkovej zliatiny 6063 po deformácii pri rôznych extrúznych pomeroch. Pevnosť v ťahu liatej zliatiny je 170 MPa a predĺženie je 10,4 %. Pevnosť v ťahu a predĺženie zliatiny po extrúzii sa výrazne zlepšujú a pevnosť v ťahu a predĺženie sa postupne zvyšujú so zvyšujúcim sa extrúznym pomerom. Keď je extrúzny pomer 156, pevnosť v ťahu a predĺženie zliatiny dosahujú maximálnu hodnotu, ktorá je 228 MPa a 26,9 %, čo je približne o 34 % viac ako pevnosť v ťahu liatej zliatiny a približne o 158 % viac ako predĺženie. Pevnosť v ťahu hliníkovej zliatiny 6063 získaná veľkým extrúznym pomerom sa blíži k hodnote pevnosti v ťahu (240 MPa) získanej 4-prechodovou rovnokanálovou uhlovou extrúziou (ECAP), ktorá je oveľa vyššia ako hodnota pevnosti v ťahu (171,1 MPa) získaná 1-prechodovou ECAP extrúziou hliníkovej zliatiny 6063. Je zrejmé, že veľký pomer extrúzie môže do určitej miery zlepšiť mechanické vlastnosti zliatiny.
Zlepšenie mechanických vlastností zliatiny pomocou extrúzneho pomeru pochádza najmä zo zjemňovania zŕn. So zvyšujúcim sa extrúznym pomerom sa zrná zjemňujú a zvyšuje sa hustota dislokácií. Viac hraníc zŕn na jednotku plochy môže účinne brániť pohybu dislokácií v kombinácii so vzájomným pohybom a prepletením dislokácií, čím sa zlepšuje pevnosť zliatiny. Čím jemnejšie sú zrná, tým sú hranice zŕn kľukatejšie a plastická deformácia sa môže rozptýliť vo väčšom počte zŕn, čo neprispieva k tvorbe trhlín, nieto ešte k ich šíreniu. Počas procesu lomu sa môže absorbovať viac energie, čím sa zlepšuje plasticita zliatiny.
Obr. 5 Ťahové vlastnosti hliníkovej zliatiny 6063 po odliatí a extrúzii
Morfológia lomu v ťahu zliatiny po deformácii s rôznymi extrúznymi pomermi je znázornená na obrázku 6. V morfológii lomu odliatej vzorky (obrázok 6a) sa nenašli žiadne jamky a lom pozostával prevažne z plochých oblastí a trhacích hrán, čo naznačuje, že mechanizmus lomu v ťahu odliatej zliatiny bol prevažne krehký lom. Morfológia lomu zliatiny po extrúzii sa výrazne zmenila a lom sa skladá z veľkého počtu rovnoosých jamiek, čo naznačuje, že mechanizmus lomu zliatiny po extrúzii sa zmenil z krehkého lomu na tvárny lom. Keď je extrúzny pomer malý, jamky sú plytké a veľkosť jamiek je veľká a ich rozloženie je nerovnomerné; so zvyšujúcim sa extrúznym pomerom sa počet jamiek zvyšuje, veľkosť jamiek je menšia a rozloženie je rovnomerné (obrázok 6b~f), čo znamená, že zliatina má lepšiu plasticitu, čo je v súlade s vyššie uvedenými výsledkami testov mechanických vlastností.
3 Záver
V tomto experimente sa analyzovali vplyvy rôznych extrúznych pomerov na mikroštruktúru a vlastnosti hliníkovej zliatiny 6063 za podmienky, že veľkosť predvalka, teplota ohrevu ingotu a rýchlosť extrúzie zostali nezmenené. Závery sú nasledovné:
1) V hliníkovej zliatine 6063 dochádza počas extrúzie za tepla k dynamickej rekryštalizácii. So zvyšujúcim sa extrúznym pomerom sa zrná kontinuálne zjemňujú a zrná predĺžené pozdĺž smeru extrúzie sa transformujú na rovnoosé rekryštalizované zrná a pevnosť textúry drôtu <100> sa kontinuálne zvyšuje.
2) V dôsledku jemnozrnného spevnenia sa mechanické vlastnosti zliatiny zlepšujú so zvyšujúcim sa extrúznym pomerom. V rozsahu testovacích parametrov, keď je extrúzny pomer 156, pevnosť v ťahu a predĺženie zliatiny dosahujú maximálne hodnoty 228 MPa a 26,9 %.
Obr. 6 Morfológia lomu v ťahu hliníkovej zliatiny 6063 po odliatí a extrúzii
3) Morfológia lomu odliatej vzorky sa skladá z plochých oblastí a trhacích hrán. Po extrúzii sa lom skladá z veľkého počtu rovnoosých jamiek a mechanizmus lomu sa mení z krehkého lomu na tvárny lom.
Čas uverejnenia: 30. novembra 2024
