Алюминиевый сплав 6063 относится к низколегированным термообрабатываемым алюминиевым сплавам серии Al-Mg-Si. Он обладает превосходными характеристиками прессования, хорошей коррозионной стойкостью и широким спектром механических свойств. Он также широко используется в автомобильной промышленности благодаря своей способности легко поддаваться окислению. С ростом популярности легковых автомобилей применение прессованных алюминиевых сплавов 6063 в автомобильной промышленности также значительно возросло.
Микроструктура и свойства экструдированных материалов зависят от совокупного влияния скорости, температуры и степени экструзии. Степень экструзии в основном определяется давлением экструзии, эффективностью производства и типом оборудования. При низкой степени экструзии деформация сплава невелика, и измельчение микроструктуры не столь очевидно; увеличение степени экструзии позволяет значительно измельчить зерна, раздробить крупную вторую фазу, получить однородную микроструктуру и улучшить механические свойства сплава.
Алюминиевые сплавы 6061 и 6063 подвергаются динамической рекристаллизации в процессе экструзии. При постоянной температуре экструзии с увеличением степени экструзии размер зерна уменьшается, упрочняющая фаза распределяется мелкодисперсно, а прочность на разрыв и относительное удлинение сплава соответственно увеличиваются. Однако с увеличением степени экструзии увеличивается и усилие экструзии, необходимое для процесса экструзии, что приводит к усилению теплового эффекта, повышению внутренней температуры сплава и снижению эксплуатационных характеристик изделия. В данном эксперименте изучается влияние степени экструзии, особенно большой степени экструзии, на микроструктуру и механические свойства алюминиевого сплава 6063.
1 Экспериментальные материалы и методы
В качестве экспериментального материала использовался алюминиевый сплав 6063, химический состав которого представлен в таблице 1. Исходный размер слитка составлял Φ55 мм × 165 мм, после гомогенизации при температуре 560 ℃ в течение 6 часов из него была получена заготовка для прессования размером Φ50 мм × 150 мм. Заготовку нагревали до 470 ℃ и поддерживали в тепле. Температура предварительного нагрева цилиндра пресса составляла 420 ℃, а температура пресс-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 фильеры 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 травили реагентом HF с объемной долей 40% в течение около 25 с, и металлографическую структуру образцов наблюдали на оптическом микроскопе LEICA-5000. Образец для текстурного анализа размером 10 мм×10 мм был вырезан из центра продольного сечения экструдированного стержня, и были проведены механическая шлифовка и травление для удаления слоя поверхностных напряжений. Неполные полюсные фигуры трех кристаллографических плоскостей {111}, {200} и {220} образца были измерены с помощью рентгеновского дифракционного анализатора X′Pert Pro MRD компании PANalytical, а данные о текстуре были обработаны и проанализированы с помощью программного обеспечения X′Pert Data View и X′Pert Texture.
Образец для испытания на растяжение литого сплава отбирали из центра слитка и разрезали вдоль направления выдавливания после выдавливания. Размер измерительной площадки составлял Φ4 мм × 28 мм. Испытание на растяжение проводили на универсальной испытательной машине SANS CMT5105 со скоростью растяжения 2 мм/мин. Среднее значение для трёх стандартных образцов рассчитывали в качестве показателя механических свойств. Морфологию изломов образцов для испытания на растяжение наблюдали с помощью сканирующего электронного микроскопа с малым увеличением (Quanta 2000, FEI, США).
2 Результаты и обсуждение
На рисунке 1 представлена металлографическая микроструктура литого алюминиевого сплава 6063 до и после гомогенизации. Как показано на рисунке 1а, зерна α-Al в литой микроструктуре различаются по размеру, большое количество ретикулярных фаз β-Al9Fe2Si2 скапливается на границах зерен, а внутри зерен присутствует большое количество зернистых фаз Mg2Si. После гомогенизации слитка при температуре 560 ℃ в течение 6 часов неравновесная эвтектическая фаза между дендритами сплава постепенно растворилась, элементы сплава растворились в матрице, микроструктура стала однородной, а средний размер зерна составил около 125 мкм (рисунок 1б).
До гомогенизации
После унифицирующей 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 степенями прессования. Как показано на рисунке 2, качество поверхности прутков из алюминиевого сплава 6063, экструдированных с различными степенями прессования, хорошее, особенно при увеличении степени прессования до 156 (что соответствует скорости прессования прутка на выходе 48 м/мин). Дефекты прессования, такие как трещины и отслоения, на поверхности прутка отсутствуют, что свидетельствует о хорошей способности алюминиевого сплава 6063 к горячему прессованию при высокой скорости и большой степени прессования.
Рис.2 Внешний вид прутков из алюминиевого сплава 6063 с различными степенями прессования
На рисунке 3 показана металлографическая микроструктура продольного сечения прутка из алюминиевого сплава 6063 с различными степенями вытяжки. Зерновая структура прутка с различными степенями вытяжки показывает различную степень удлинения или измельчения. При степенях вытяжки 17 исходные зерна удлиняются 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 степенях вытяжки 25 зерна вытягиваются более тонкими, количество рекристаллизованных зерен увеличивается, а средний размер зерна уменьшается до около 71 мкм (рисунок 3б); при степени вытяжки 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 степени вытяжки 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 степени вытяжки 156, с полным ходом процесса динамической рекристаллизации, микроструктура становится более однородной, а размер зерна значительно измельчается до примерно 32 мкм (рисунок 3e). С увеличением степени вытяжки процесс динамической рекристаллизации протекает полнее, 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 прессования
На рисунке 4 показаны обратные полюсные фигуры прутков алюминиевого сплава 6063 с различными степенями вытяжки вдоль направления экструзии. Видно, что микроструктуры прутков сплава с различными степенями вытяжки все дают очевидную преимущественную ориентацию. Когда степень вытяжки равна 17, образуется более слабая текстура <115>+<100> (рисунок 4а); когда степень вытяжки равна 39, компонентами текстуры в основном являются более сильная текстура <100> и небольшое количество слабой текстуры <115> (рисунок 4б); когда степень вытяжки равна 156, компонентами текстуры является текстура <100> со значительно повышенной прочностью, в то время как текстура <115> исчезает (рисунок 4с). Исследования показали, что гранецентрированные кубические металлы в основном образуют проволочные текстуры <111> и <100> во время экструзии и волочения. После формирования текстуры механические свойства сплава при комнатной температуре демонстрируют очевидную анизотропию. Прочность текстуры возрастает с увеличением степени выдавливания, что свидетельствует о постепенном увеличении числа зерен в определённом направлении кристаллографии, параллельном направлению выдавливания, и повышении прочности сплава на продольное растяжение. Механизмы упрочнения алюминиевого сплава 6063, полученные горячей экструзией, включают упрочнение мелкозернистой структуры, дислокационное упрочнение, текстурное упрочнение и т. д. В диапазоне технологических параметров, использованных в данном экспериментальном исследовании, увеличение степени выдавливания оказывает стимулирующее действие на вышеуказанные механизмы упрочнения.
Рис.4 Диаграмма обратных полюсов прутков из алюминиевого сплава 6063 с различными коэффициентами экструзии вдоль направления экструзии
На рисунке 5 представлена гистограмма механических свойств алюминиевого сплава 6063 после деформации при различных степенях выдавливания. Прочность на разрыв литого сплава составляет 170 МПа, а относительное удлинение – 10,4%. Прочность на разрыв и относительное удлинение сплава после выдавливания значительно улучшаются, причем прочность на разрыв и относительное удлинение постепенно увеличиваются с увеличением степени выдавливания. При степени выдавливания 156 прочность на разрыв и относительное удлинение сплава достигают максимальных значений, которые составляют 228 МПа и 26,9% соответственно, что примерно на 34% выше прочности на разрыв литого сплава и примерно на 158% выше относительного удлинения. Прочность алюминиевого сплава 6063 на растяжение, полученная при большой степени экструзии, близка к значению прочности на растяжение (240 МПа), полученному при четырёхпроходной равноканальной угловой экструзии (РКУП), что значительно выше значения прочности на растяжение (171,1 МПа), полученного при однопроходной РКУП для алюминиевого сплава 6063. Видно, что большая степень экструзии может в определённой степени улучшить механические свойства сплава.
Улучшение механических свойств сплава за счет степени выдавливания в основном достигается за счет упрочнения измельчением зерна. С увеличением степени выдавливания зерна измельчаются, а плотность дислокаций увеличивается. Большее количество границ зерен на единицу площади может эффективно препятствовать движению дислокаций, а также их взаимному перемещению и запутыванию, тем самым повышая прочность сплава. Чем мельче зерна, тем более извилистыми могут быть границы зерен, и пластическая деформация может быть распределена по большему количеству зерен, что не способствует образованию трещин, не говоря уже об их распространении. Больше энергии может быть поглощено в процессе разрушения, тем самым повышая пластичность сплава.
Рис.5 Свойства при растяжении алюминиевого сплава 6063 после литья и прессования
Морфология разрушения сплава при растяжении после деформации с различными степенями выдавливания показана на рисунке 6. В морфологии разрушения литого образца (рисунок 6а) не было обнаружено ямок, а излом в основном состоял из плоских участков и отрывных кромок, что указывает на то, что механизм разрушения литого сплава при растяжении был в основном хрупким. Морфология разрушения сплава после выдавливания значительно изменилась, и излом состоит из большого количества равноосных ямок, что указывает на то, что механизм разрушения сплава после выдавливания изменился с хрупкого разрушения на вязкое. При малой степени выдавливания ямки неглубокие, а размер ямок большой, а распределение неравномерное; с увеличением степени выдавливания количество ямок увеличивается, размер ямок становится меньше, а распределение становится равномерным (рисунок 6b–f), что означает, что сплав имеет лучшую пластичность, что согласуется с результатами испытаний механических свойств, приведенными выше.
3 Заключение
В данном эксперименте было проанализировано влияние различных коэффициентов прессования на микроструктуру и свойства алюминиевого сплава 6063 при условии, что размер заготовки, температура нагрева слитка и скорость прессования оставались неизменными. Сделаны следующие выводы:
1) В процессе горячего прессования алюминиевого сплава 6063 происходит динамическая рекристаллизация. С увеличением степени прессования зерна непрерывно измельчаются, а вытянутые вдоль направления прессования зерна преобразуются в равноосные рекристаллизованные зерна, что приводит к повышению прочности текстуры проволоки <100>.
2) Благодаря эффекту мелкозернистого упрочнения механические свойства сплава улучшаются с увеличением степени вытяжки. В диапазоне параметров испытания 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 прессования
3) Морфология излома литого образца состоит из плоских участков и кромок разрыва. После экструзии излом формируется из большого количества равноосных ямок, а механизм разрушения меняется с хрупкого на вязкий.
Время публикации: 30 ноября 2024 г.
