Алюминиевый сплав 6063 относится к низколегированным термообрабатываемым алюминиевым сплавам серии Al-Mg-Si. Он обладает превосходными характеристиками экструзионного формования, хорошей коррозионной стойкостью и комплексными механическими свойствами. Он также широко используется в автомобильной промышленности из-за его легкой окислительной окраски. С ускорением тенденции легких автомобилей применение экструзионных материалов из алюминиевого сплава 6063 в автомобильной промышленности также еще больше возросло.
Микроструктура и свойства экструдированных материалов зависят от комбинированного воздействия скорости экструзии, температуры экструзии и степени экструзии. Среди них степень экструзии в основном определяется давлением экструзии, эффективностью производства и производственным оборудованием. Когда степень экструзии мала, деформация сплава мала и измельчение микроструктуры не очевидно; увеличение степени экструзии может значительно измельчить зерна, разбить грубую вторую фазу, получить однородную микроструктуру и улучшить механические свойства сплава.
Алюминиевые сплавы 6061 и 6063 подвергаются динамической рекристаллизации в процессе экструзии. Когда температура экструзии постоянна, по мере увеличения степени экструзии размер зерна уменьшается, упрочняющая фаза мелкодисперсная, а прочность на растяжение и удлинение сплава соответственно увеличиваются; однако, по мере увеличения степени экструзии, усилие экструзии, необходимое для процесса экструзии, также увеличивается, вызывая больший тепловой эффект, в результате чего внутренняя температура сплава повышается, а эксплуатационные характеристики продукта снижаются. В этом эксперименте изучается влияние степени экструзии, особенно большой степени экструзии, на микроструктуру и механические свойства алюминиевого сплава 6063.
1 Экспериментальные материалы и методы
Экспериментальный материал - алюминиевый сплав 6063, химический состав которого показан в таблице 1. Исходный размер слитка составляет Φ55 мм × 165 мм, и он перерабатывается в экструзионную заготовку размером Φ50 мм × 150 мм после гомогенизационной обработки при 560 ℃ в течение 6 ч. Заготовку нагревают до 470 ℃ и поддерживают в тепле. Температура предварительного нагрева экструзионного цилиндра составляет 420 ℃, а температура предварительного нагрева формы - 450 ℃. При неизменной скорости экструзии (скорости перемещения экструзионного стержня) V=5 мм/с проводят 5 групп испытаний с различными коэффициентами экструзии, при этом коэффициенты экструзии R составляют 17 (соответствует диаметру отверстия матрицы D=12 мм), 25 (D=10 мм), 39 (D=8 мм), 69 (D=6 мм) и 156 (D=4 мм).
Таблица 1 Химический состав сплава 6063 Al (мас./%)
После шлифования наждачной бумагой и механической полировки металлографические образцы травились реагентом HF с объемной долей 40% в течение примерно 25 с, и металлографическая структура образцов наблюдалась на оптическом микроскопе LEICA-5000. Образец для текстурного анализа размером 10 мм×10 мм был вырезан из центра продольного сечения экструдированного стержня, и были выполнены механическая шлифовка и травление для удаления слоя поверхностного напряжения. Неполные полюсные фигуры трех кристаллических плоскостей {111}, {200} и {220} образца были измерены с помощью рентгеновского дифракционного анализатора X′Pert Pro MRD компании PANalytical, а данные текстуры были обработаны и проанализированы с помощью программного обеспечения X′Pert Data View и X′Pert Texture.
Образец для испытания на растяжение литого сплава был взят из центра слитка, и образец для испытания на растяжение был вырезан вдоль направления экструзии после экструзии. Размер измерительной области составлял Φ4 мм × 28 мм. Испытание на растяжение проводилось с использованием универсальной испытательной машины для материалов SANS CMT5105 со скоростью растяжения 2 мм/мин. Среднее значение трех стандартных образцов рассчитывалось как данные о механических свойствах. Морфология разрушения образцов для испытания на растяжение наблюдалась с использованием сканирующего электронного микроскопа с малым увеличением (Quanta 2000, FEI, США).
2 Результаты и обсуждение
На рисунке 1 показана металлографическая микроструктура литого алюминиевого сплава 6063 до и после гомогенизационной обработки. Как показано на рисунке 1а, зерна α-Al в литой микроструктуре различаются по размеру, большое количество ретикулярных фаз β-Al9Fe2Si2 собирается на границах зерен, а большое количество зернистых фаз Mg2Si существует внутри зерен. После гомогенизации слитка при 560 ℃ в течение 6 часов неравновесная эвтектическая фаза между дендритами сплава постепенно растворилась, элементы сплава растворились в матрице, микроструктура была однородной, а средний размер зерна составил около 125 мкм (рисунок 1б).
До гомогенизации
После унифицированной обработки при 600°С в течение 6 часов
Рис.1 Металлографическая структура алюминиевого сплава 6063 до и после гомогенизационной обработки
На рисунке 2 показан внешний вид прутков из алюминиевого сплава 6063 с различными коэффициентами экструзии. Как показано на рисунке 2, качество поверхности прутков из алюминиевого сплава 6063, экструдированных с различными коэффициентами экструзии, хорошее, особенно при увеличении коэффициента экструзии до 156 (что соответствует скорости выхода прутка из экструзии 48 м/мин), на поверхности прутка по-прежнему нет дефектов экструзии, таких как трещины и отслаивание, что указывает на то, что алюминиевый сплав 6063 также имеет хорошие характеристики формования горячей экструзией при высокой скорости и большом коэффициенте экструзии.
Рис.2 Внешний вид прутков из алюминиевого сплава 6063 с различными коэффициентами экструзии
На рисунке 3 показана металлографическая микроструктура продольного сечения прутка из алюминиевого сплава 6063 с различными степенями вытяжки. Зернистая структура прутка с различными степенями вытяжки показывает различную степень удлинения или измельчения. При степени вытяжки 17 исходные зерна вытягиваются вдоль направления вытяжки, что сопровождается образованием небольшого количества рекристаллизованных зерен, но зерна все еще относительно крупные, со средним размером зерна около 85 мкм (рисунок 3а); при степени вытяжки 25 зерна вытягиваются более тонкими, количество рекристаллизованных зерен увеличивается, а средний размер зерна уменьшается до около 71 мкм (рисунок 3б); при коэффициенте экструзии 39, за исключением небольшого количества деформированных зерен, микроструктура в основном состоит из равноосных рекристаллизованных зерен неравномерного размера, со средним размером зерна около 60 мкм (рисунок 3c); при коэффициенте экструзии 69, процесс динамической рекристаллизации в основном завершен, крупные исходные зерна полностью преобразованы в однородно структурированные рекристаллизованные зерна, а средний размер зерна измельчается до примерно 41 мкм (рисунок 3d); при коэффициенте экструзии 156, при полном ходе процесса динамической рекристаллизации, микроструктура становится более однородной, а размер зерна значительно измельчается до примерно 32 мкм (рисунок 3e). С увеличением коэффициента экструзии процесс динамической рекристаллизации протекает более полно, микроструктура сплава становится более однородной, а размер зерна значительно измельчается (рисунок 3f).
Рис.3 Металлографическая структура и размер зерна продольного сечения прутков из алюминиевого сплава 6063 с различными степенями вытяжки
На рисунке 4 показаны инверсные полюсные фигуры прутков алюминиевого сплава 6063 с различными коэффициентами экструзии вдоль направления экструзии. Видно, что микроструктуры прутков сплава с различными коэффициентами экструзии все производят очевидную преимущественную ориентацию. Когда коэффициент экструзии равен 17, образуется более слабая текстура <115>+<100> (рисунок 4a); когда коэффициент экструзии равен 39, компонентами текстуры в основном являются более сильная текстура <100> и небольшое количество слабой текстуры <115> (рисунок 4b); когда коэффициент экструзии равен 156, компонентами текстуры является текстура <100> со значительно увеличенной прочностью, в то время как текстура <115> исчезает (рисунок 4c). Исследования показали, что гранецентрированные кубические металлы в основном образуют текстуры проволоки <111> и <100> во время экструзии и волочения. После формирования текстуры механические свойства сплава при комнатной температуре демонстрируют очевидную анизотропию. Прочность текстуры увеличивается с увеличением степени экструзии, что указывает на то, что количество зерен в определенном направлении кристалла, параллельном направлению экструзии в сплаве, постепенно увеличивается, а продольная прочность сплава на растяжение увеличивается. Механизмы упрочнения материалов горячей экструзии из алюминиевого сплава 6063 включают упрочнение мелкозернистой структуры, упрочнение дислокаций, упрочнение текстуры и т. д. В диапазоне параметров процесса, используемых в этом экспериментальном исследовании, увеличение степени экструзии оказывает стимулирующее воздействие на вышеуказанные механизмы упрочнения.
Рис.4 Диаграмма обратных полюсов стержней из алюминиевого сплава 6063 с различными коэффициентами экструзии вдоль направления экструзии
Рисунок 5 представляет собой гистограмму свойств при растяжении алюминиевого сплава 6063 после деформации при различных степенях выдавливания. Прочность на растяжение литого сплава составляет 170 МПа, а относительное удлинение — 10,4%. Прочность на растяжение и относительное удлинение сплава после выдавливания значительно улучшаются, а прочность на растяжение и относительное удлинение постепенно увеличиваются с увеличением степени выдавливания. Когда степень выдавливания составляет 156, прочность на растяжение и относительное удлинение сплава достигают максимального значения, которое составляет 228 МПа и 26,9% соответственно, что примерно на 34% выше прочности на растяжение литого сплава и примерно на 158% выше относительного удлинения. Прочность на растяжение алюминиевого сплава 6063, полученного при большой степени экструзии, близка к значению прочности на растяжение (240 МПа), полученному при 4-проходной равноканальной угловой экструзии (РКУП), что значительно выше значения прочности на растяжение (171,1 МПа), полученного при 1-проходной РКУП экструзии алюминиевого сплава 6063. Видно, что большая степень экструзии может в определенной степени улучшить механические свойства сплава.
Улучшение механических свойств сплава за счет степени экструзии в основном происходит за счет упрочнения измельчением зерна. По мере увеличения степени экструзии зерна измельчаются, а плотность дислокаций увеличивается. Больше границ зерен на единицу площади может эффективно препятствовать движению дислокаций в сочетании с взаимным движением и запутыванием дислокаций, тем самым повышая прочность сплава. Чем мельче зерна, тем извилистее границы зерен, и пластическая деформация может быть рассеяна в большем количестве зерен, что не способствует образованию трещин, не говоря уже о распространении трещин. Больше энергии может быть поглощено в процессе разрушения, тем самым улучшая пластичность сплава.
Рис.5 Свойства при растяжении алюминиевого сплава 6063 после литья и экструзии
Морфология разрушения при растяжении сплава после деформации с различными коэффициентами экструзии показана на рисунке 6. В морфологии разрушения литого образца (рисунок 6а) не было обнаружено ямок, а излом в основном состоял из плоских участков и разрывных кромок, что указывает на то, что механизм разрушения при растяжении литого сплава был в основном хрупким. Морфология разрушения сплава после экструзии значительно изменилась, и излом состоит из большого количества равноосных ямок, что указывает на то, что механизм разрушения сплава после экструзии изменился с хрупкого разрушения на пластичное разрушение. Когда коэффициент экструзии небольшой, ямки неглубокие, а размер ямок большой, а распределение неравномерное; по мере увеличения коэффициента экструзии количество ямок увеличивается, размер ямок меньше, а распределение равномерное (рисунок 6b~f), что означает, что сплав имеет лучшую пластичность, что согласуется с результатами испытаний механических свойств, приведенными выше.
3 Заключение
В этом эксперименте анализировалось влияние различных соотношений экструзии на микроструктуру и свойства алюминиевого сплава 6063 при условии, что размер заготовки, температура нагрева слитка и скорость экструзии оставались неизменными. Выводы следующие:
1) Динамическая рекристаллизация происходит в алюминиевом сплаве 6063 во время горячей экструзии. С увеличением степени экструзии зерна непрерывно измельчаются, а вытянутые вдоль направления экструзии зерна трансформируются в равноосные рекристаллизованные зерна, а прочность текстуры проволоки <100> непрерывно увеличивается.
2) Благодаря эффекту упрочнения мелкозернистой структурой механические свойства сплава улучшаются с увеличением степени вытяжки. В диапазоне параметров испытаний при степени вытяжки 156 предел прочности и относительное удлинение сплава достигают максимальных значений 228 МПа и 26,9% соответственно.
Рис.6 Морфология разрушения при растяжении алюминиевого сплава 6063 после литья и экструзии
3) Морфология разрушения литого образца состоит из плоских участков и краев разрыва. После экструзии разрушение состоит из большого количества равноосных ямок, а механизм разрушения трансформируется из хрупкого разрушения в вязкое разрушение.
Время публикации: 30 ноября 2024 г.
