Алюминиевый сплав 6063 относится к низколегированному термообрабатываемому алюминиевому сплаву 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 легкого окисления. С ускорением тенденции к производству легких автомобилей применение экструзионных материалов из алюминиевого сплава 6063 в автомобильной промышленности также возросло.
На микроструктуру и свойства экструдированных материалов влияет совокупное влияние скорости экструзии, температуры экструзии и коэффициента экструзии. Среди них коэффициент экструзии в основном определяется давлением экструзии, эффективностью производства и производственным оборудованием. Когда коэффициент экструзии мал, деформация сплава невелика, а измельчение микроструктуры неочевидно; Увеличение степени экструзии позволяет значительно измельчить зерна, разбить крупную 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 коэффициента экструзии размер зерна уменьшается, упрочняющая фаза мелкодисперсна, и соответственно увеличиваются прочность на разрыв и удлинение сплава; однако по мере увеличения степени экструзии сила экструзии, необходимая для процесса экструзии, также увеличивается, вызывая больший тепловой эффект, вызывая повышение внутренней температуры сплава и снижение характеристик продукта. 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 представляет собой алюминиевый сплав 6063, химический состав показан в таблице 1. Исходный размер слитка составляет 55 мм × 165 мм, после гомогенизации он перерабатывается в экструзионную заготовку размером 50 мм × 150 мм. обработка при 560 ℃ в течение 6 часов. Заготовка нагревается до 470 ℃ и сохраняется в тепле. Температура предварительного нагрева экструзионного цилиндра составляет 420 ℃, а температура предварительного нагрева формы — 450 ℃. Когда скорость экструзии (скорость перемещения экструзионного стержня) V=5 мм/с остается неизменной, проводят 5 групп испытаний с различной степенью экструзии, а степени экструзии R составляют 17 (что соответствует диаметру отверстия матрицы D=12 мм), 25 (Д=10 мм), 39 (Д=8 мм), 69 (Д=6 мм) и 156 (Д=4 мм).
Таблица 1. Химический состав сплава Al 6063 (мас.%)
После шлифовки наждачной бумагой и механической полировки металлографические образцы травили реагентом HF с объемной долей 40% в течение около 25 с и наблюдали металлографическую структуру образцов на оптическом микроскопе LEICA-5000. Образец для текстурного анализа размером 10×10 мм вырезали из центра продольного сечения экструдированного стержня и проводили механическое шлифование и травление для снятия слоя поверхностных напряжений. 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 обработаны и проанализированы. с помощью программного обеспечения X'Pert Data View и X'Pert Texture.
Образец для растяжения литого сплава отбирали из центра слитка, а после экструзии образец разрезали в направлении экструзии. Размер измерительной зоны составлял 4×28 мм. Испытание на растяжение проводилось на универсальной машине для испытания материалов SANS CMT5105 со скоростью растяжения 2 мм/мин. Среднее значение трех стандартных образцов рассчитывали как данные механических свойств. Морфологию изломов растянутых образцов наблюдали с помощью 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 обработки гомогенизацией. Как показано на рисунке 1а, зерна α-Al в литой микроструктуре различаются по размеру, большое количество сетчатых фаз β-Al9Fe2Si2 собирается на границах зерен, а внутри зерен существует большое количество гранулированных фаз Mg2Si. После гомогенизации слитка при температуре 560 ℃ в течение 6 ч неравновесная эвтектическая фаза между дендритами сплава постепенно растворялась, элементы сплава растворялись в матрице, микроструктура была однородной, средний размер зерна составлял около 125 мкм (рис. 1б). ).
До гомогенизации
После униформизирующей 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 разными коэффициентами экструзии. Как показано на рисунке 2, качество поверхности прутков из алюминиевого сплава 6063, экструдированных с различными коэффициентами экструзии, является хорошим, особенно когда коэффициент экструзии увеличивается до 156 (что соответствует скорости выхода экструзии прутка 48 м/мин), все еще не возникает проблем. Дефекты экструзии, такие как трещины и шелушение на поверхности прутка, указывают на то, что алюминиевый сплав 6063 также имеет хорошие характеристики формования при горячей экструзии при высокой скорости и большом коэффициенте экструзии.
Рис.2 Внешний вид прутков из алюминиевого сплава 6063 с разными коэффициентами выдавливания
На рис. 3 представлена металлографическая микроструктура продольного сечения прутка из алюминиевого сплава 6063 с различными коэффициентами экструзии. Зернистая структура бруска с разными коэффициентами экструзии имеет разную степень удлинения или измельчения. При коэффициенте экструзии 17 исходные зерна вытягиваются в направлении экструзии, что сопровождается образованием небольшого количества рекристаллизованных зерен, но зерна все еще относительно крупные, со средним размером зерен около 85 мкм (рисунок 3а). ; когда коэффициент экструзии равен 25, зерна становятся более тонкими, количество рекристаллизованных зерен увеличивается, а средний размер зерен уменьшается примерно до 71 мкм (рис. 3b); когда коэффициент экструзии равен 39, за исключением небольшого количества деформированных зерен, микроструктура в основном состоит из равноосных рекристаллизованных зерен неравномерного размера со средним размером зерен около 60 мкм (рис. 3в); когда коэффициент экструзии равен 69, процесс динамической рекристаллизации в основном завершается, крупные исходные зерна полностью превращаются в рекристаллизованные зерна с однородной структурой, а средний размер зерна увеличивается примерно до 41 мкм (рис. 3d); когда коэффициент экструзии равен 156, при полном ходе процесса динамической рекристаллизации микроструктура становится более однородной, а размер зерна значительно измельчается примерно до 32 мкм (рис. 3e). С увеличением степени экструзии процесс динамической рекристаллизации протекает более полно, микроструктура сплава становится более однородной, а размер зерен значительно измельчается (рис. 3е).
Рис.3 Металлографическая структура и зернистость продольного сечения прутков из алюминиевого сплава 6063 с различными коэффициентами выдавливания
На рисунке 4 показаны обратные полюсные фигуры прутков из алюминиевого сплава 6063 с различными коэффициентами экструзии в направлении экструзии. Можно видеть, что микроструктуры прутков из сплава с различными коэффициентами экструзии имеют очевидную преимущественную ориентацию. Когда коэффициент экструзии равен 17, формируется более слабая текстура <115>+<100> (рис. 4а); когда коэффициент экструзии равен 39, компоненты текстуры представляют собой в основном более сильную текстуру <100> и небольшое количество слабой текстуры <115> (рис. 4b); когда коэффициент экструзии равен 156, компонентами текстуры являются текстура <100> со значительно повышенной прочностью, а текстура <115> исчезает (рис. 4c). 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 увеличивается с увеличением коэффициента экструзии, что указывает на то, что количество зерен в определенном направлении кристаллов, параллельном направлению экструзии, в сплаве постепенно увеличивается, и прочность сплава на растяжение в продольном направлении увеличивается. Механизмы упрочнения материалов горячей экструзии из алюминиевого сплава 6063 включают мелкозернистое упрочнение, дислокационное упрочнение, текстурное упрочнение и т. д. В диапазоне параметров процесса, использованных в этом экспериментальном исследовании, увеличение степени экструзии оказывает стимулирующее влияние на вышеупомянутые механизмы упрочнения.
Рис.4 Обратная полюсная диаграмма прутков из алюминиевого сплава 6063 с разными коэффициентами выдавливания по направлению выдавливания
На рис. 5 представлена гистограмма свойств растяжения алюминиевого сплава 6063 после деформации при различных коэффициентах экструзии. Предел прочности литого сплава составляет 170 МПа, удлинение — 10,4%. Предел прочности и удлинение сплава после экструзии значительно улучшаются, а предел прочности и удлинение постепенно увеличиваются с увеличением степени экструзии. При коэффициенте экструзии 156 предел прочности и удлинение сплава достигают максимальных значений, которые составляют 228 МПа и 26,9 % соответственно, что примерно на 34 % выше предела прочности литого сплава и примерно на 158 % выше, чем удлинение. Предел прочности алюминиевого сплава 6063, полученного при большом коэффициенте экструзии, близок к значению предела прочности (240 МПа), полученного методом 4-проходной равноканальной угловой экструзии (РКУП), что значительно превышает значение предела прочности (171,1 МПа). получен методом РКУП-экструзии за 1 проход из алюминиевого сплава 6063. Видно, что большой коэффициент экструзии может в определенной степени улучшить механические свойства сплава.
Улучшение механических свойств сплава за счет степени экструзии в основном происходит за счет упрочнения измельчения зерна. По мере увеличения степени экструзии зерна измельчаются, а плотность дислокаций увеличивается. Большее количество границ зерен на единицу площади может эффективно препятствовать движению дислокаций в сочетании с взаимным перемещением и перепутыванием дислокаций, тем самым улучшая прочность сплава. Чем мельче зерна, тем более извилистыми являются границы зерен, и пластическая деформация может рассредоточиться по большему количеству зерен, что не способствует образованию трещин и тем более их распространению. В процессе разрушения может быть поглощено больше энергии, тем самым улучшая пластичность сплава.
Рис.5 Свойства растяжения алюминиевого сплава 6063 после литья и экструзии
Морфология излома сплава при растяжении после деформации с различными коэффициентами экструзии показана на рисунке 6. В морфологии излома литого образца не было обнаружено никаких ямок (рисунок 6а), а излом в основном состоял из плоских участков и отрывных кромок. , что указывает на то, что механизм разрушения литого сплава при растяжении в основном представляет собой хрупкое разрушение. 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. Когда коэффициент экструзии мал, ямочки неглубокие, размер ямочек большой, а распределение неравномерное; по мере увеличения степени экструзии количество ямок увеличивается, размер ямок уменьшается, а распределение становится равномерным (рис. 6b~f), что означает, что сплав имеет лучшую пластичность, что согласуется с результатами испытаний механических свойств, приведенными выше.
3 Заключение
В этом эксперименте было проанализировано влияние различных коэффициентов 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 при горячей экструзии. С увеличением степени экструзии зерна непрерывно измельчаются, а зерна, вытянутые в направлении экструзии, превращаются в равноосные рекристаллизованные зерна, а прочность текстуры проволоки <100> постоянно увеличивается.
2) За счет эффекта мелкозернистого упрочнения механические свойства сплава улучшаются с увеличением степени экструзии. В диапазоне параметров испытаний, когда коэффициент экструзии равен 156, предел прочности и относительное удлинение сплава достигают максимальных значений 228 МПа и 26,9% соответственно.
Рис.6 Морфология разрушения алюминиевого сплава 6063 после литья и экструзии при растяжении.
3) Морфология излома отлитого образца состоит из плоских участков и краев разрыва. После экструзии излом состоит из большого количества равноосных ямок, а механизм разрушения трансформируется из хрупкого в пластичный.
Время публикации: 30 ноября 2024 г.
