6063 aluminiumlegering tillhör den låglegerade Al-Mg-Si-serien av värmebehandlingsbara aluminiumlegeringar. Den har utmärkta extruderingsprestanda, god korrosionsbeständighet och omfattande mekaniska egenskaper. Den används också ofta inom bilindustrin på grund av dess enkla oxidationsfärgning. Med den accelererande trenden med lätta bilar har användningen av 6063 aluminiumlegeringsextruderingsmaterial inom bilindustrin också ökat ytterligare.
Mikrostrukturen och egenskaperna hos extruderade material påverkas av de kombinerade effekterna av extruderingshastighet, extruderingstemperatur och extruderingsförhållande. Bland dessa bestäms extruderingsförhållandet huvudsakligen av extruderingstrycket, produktionseffektiviteten och produktionsutrustningen. När extruderingsförhållandet är litet är legeringsdeformationen liten och mikrostrukturförfiningen är inte uppenbar; att öka extruderingsförhållandet kan avsevärt förfina kornen, bryta upp den grova andra fasen, erhålla en enhetlig mikrostruktur och förbättra legeringens mekaniska egenskaper.
6061- och 6063-aluminiumlegeringar genomgår dynamisk omkristallisation under extruderingsprocessen. När extruderingstemperaturen är konstant, minskar kornstorleken, förstärkningsfasen finfördelas allt eftersom extruderingsförhållandet ökar, och legeringens draghållfasthet och töjning ökar i motsvarande grad. Men när extruderingsförhållandet ökar ökar även den extruderingskraft som krävs för extruderingsprocessen, vilket orsakar en större termisk effekt, vilket gör att legeringens innertemperatur stiger och produktens prestanda minskar. Detta experiment studerar effekten av extruderingsförhållandet, särskilt ett stort extruderingsförhållande, på mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna hos 6063-aluminiumlegering.
1 Experimentella material och metoder
Det experimentella materialet är aluminiumlegering 6063, och den kemiska sammansättningen visas i tabell 1. Götets ursprungliga storlek är Φ55 mm × 165 mm, och det bearbetas till en extruderingstacka med en storlek på Φ50 mm × 150 mm efter homogeniseringsbehandling vid 560 ℃ i 6 timmar. Tackan värms upp till 470 ℃ och hålls varm. Förvärmningstemperaturen för extruderingstrumman är 420 ℃, och formens förvärmningstemperatur är 450 ℃. När extruderingshastigheten (extruderingsstångens rörelsehastighet) V = 5 mm/s förblir oförändrad, utförs 5 grupper av olika extruderingsförhållandetester, och extruderingsförhållandena R är 17 (motsvarande formhålets diameter D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) och 156 (D = 4 mm).
Tabell 1 Kemisk sammansättning av 6063 Al-legering (vikt/%)
Efter slipning med sandpapper och mekanisk polering etsades de metallografiska proverna med HF-reagens med en volymfraktion på 40 % i cirka 25 sekunder, och provernas metallografiska struktur observerades i ett optiskt mikroskop LEICA-5000. Ett texturanalysprov med en storlek på 10 mm × 10 mm skars ut från mitten av den längsgående sektionen av den extruderade stången, och mekanisk slipning och etsning utfördes för att avlägsna ytspänningslagret. De ofullständiga polfigurerna för de tre kristallplanen {111}, {200} och {220} i provet mättes med X′Pert Pro MRD röntgendiffraktionsanalysator från PANalytical Company, och texturdata bearbetades och analyserades med X′Pert Data View och X′Pert Texture-programvaran.
Dragprovet av den gjutna legeringen togs från mitten av götet, och dragprovet skars längs extruderingsriktningen efter extrudering. Mätareans storlek var Φ4 mm × 28 mm. Dragprovet utfördes med en SANS CMT5105 universalmaterialprovningsmaskin med en draghållfasthet på 2 mm/min. Medelvärdet för de tre standardproverna beräknades som data för mekaniska egenskaper. Brottmorfologin hos dragproverna observerades med ett svepelektronmikroskop med låg förstoring (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Resultat och diskussion
Figur 1 visar den metallografiska mikrostrukturen hos den gjutna aluminiumlegeringen 6063 före och efter homogeniseringsbehandling. Som visas i figur 1a varierar α-Al-kornen i den gjutna mikrostrukturen i storlek, ett stort antal retikulära β-Al9Fe2Si2-faser samlas vid korngränserna, och ett stort antal granulära Mg2Si-faser finns inuti kornen. Efter att götet homogeniserats vid 560 ℃ i 6 timmar, upplöstes den icke-jämviktseutektiska fasen mellan legeringsdendriterna gradvis, legeringselementen upplöstes i matrisen, mikrostrukturen var enhetlig och den genomsnittliga kornstorleken var cirka 125 μm (figur 1b).
Före homogenisering
Efter en jämnare behandling vid 600 °C i 6 timmar
Fig. 1 Metallografisk struktur av 6063 aluminiumlegering före och efter homogeniseringsbehandling
Figur 2 visar utseendet på stänger av 6063-aluminiumlegering med olika extruderingsförhållanden. Som visas i figur 2 är ytkvaliteten hos stänger av 6063-aluminiumlegering som extruderats med olika extruderingsförhållanden god, särskilt när extruderingsförhållandet ökas till 156 (motsvarande en stångens extruderingshastighet på 48 m/min). Det finns fortfarande inga extruderingsdefekter såsom sprickor och flagning på stångens yta, vilket indikerar att 6063-aluminiumlegering också har god varm extruderingsformningsprestanda under hög hastighet och stort extruderingsförhållande.
Fig. 2 Utseende hos stänger av aluminiumlegering 6063 med olika extruderingsförhållanden
Figur 3 visar den metallografiska mikrostrukturen av den längsgående sektionen av en stång av aluminiumlegering 6063 med olika extruderingsförhållanden. Stångens kornstruktur med olika extruderingsförhållanden uppvisar olika grader av förlängning eller förfining. När extruderingsförhållandet är 17, förlängs de ursprungliga kornen längs extruderingsriktningen, vilket åtföljs av bildandet av ett litet antal omkristalliserade korn, men kornen är fortfarande relativt grova, med en genomsnittlig kornstorlek på cirka 85 μm (Figur 3a); när extruderingsförhållandet är 25, dras kornen smalare, antalet omkristalliserade korn ökar och den genomsnittliga kornstorleken minskar till cirka 71 μm (Figur 3b); när extruderingsförhållandet är 39, förutom ett litet antal deformerade korn, består mikrostrukturen i grunden av likaxliga omkristalliserade korn av ojämn storlek, med en genomsnittlig kornstorlek på cirka 60 μm (Figur 3c); När extruderingsförhållandet är 69 är den dynamiska omkristallisationsprocessen i princip avslutad, de grova ursprungliga kornen har fullständigt omvandlats till enhetligt strukturerade omkristalliserade korn, och den genomsnittliga kornstorleken är förfinad till cirka 41 μm (Figur 3d); när extruderingsförhållandet är 156, med full fortskridande av den dynamiska omkristallisationsprocessen, är mikrostrukturen mer enhetlig och kornstorleken är kraftigt förfinad till cirka 32 μm (Figur 3e). Med ökningen av extruderingsförhållandet fortskrider den dynamiska omkristallisationsprocessen mer fullständigt, legeringens mikrostruktur blir mer enhetlig och kornstorleken är avsevärt förfinad (Figur 3f).
Fig. 3 Metallografisk struktur och kornstorlek för längsgående sektion av stänger av aluminiumlegering 6063 med olika extruderingsförhållanden
Figur 4 visar de inversa polfigurerna för stänger av aluminiumlegering 6063 med olika extruderingsförhållanden längs extruderingsriktningen. Det framgår att mikrostrukturerna hos legeringsstängerna med olika extruderingsförhållanden alla producerar en tydlig preferensorientering. När extruderingsförhållandet är 17 bildas en svagare <115>+<100> textur (Figur 4a); när extruderingsförhållandet är 39 är texturkomponenterna huvudsakligen den starkare <100> texturen och en liten mängd svag <115> textur (Figur 4b); när extruderingsförhållandet är 156 är texturkomponenterna <100> texturen med signifikant ökad hållfasthet, medan <115> texturen försvinner (Figur 4c). Studier har visat att ytcentrerade kubiska metaller huvudsakligen bildar <111> och <100> trådtexturer under extrudering och dragning. När texturen väl har bildats uppvisar legeringens mekaniska egenskaper vid rumstemperatur tydlig anisotropi. Texturstyrkan ökar med ökande extruderingsförhållande, vilket indikerar att antalet korn i en viss kristallriktning parallellt med extruderingsriktningen i legeringen gradvis ökar, och legeringens longitudinella draghållfasthet ökar. Förstärkningsmekanismerna för varmextruderingsmaterial av aluminiumlegering 6063 inkluderar finkornsförstärkning, dislokationsförstärkning, texturförstärkning, etc. Inom de processparametrar som används i denna experimentella studie har en ökning av extruderingsförhållandet en främjande effekt på ovanstående förstärkningsmekanismer.
Fig. 4 Omvänd poldiagram för stänger av aluminiumlegering 6063 med olika extruderingsförhållanden längs extruderingsriktningen
Figur 5 är ett histogram över draghållfastheten hos 6063-aluminiumlegering efter deformation vid olika extruderingsförhållanden. Draghållfastheten hos den gjutna legeringen är 170 MPa och förlängningen är 10,4 %. Legeringens draghållfasthet och förlängning efter extrudering förbättras avsevärt, och draghållfastheten och förlängningen ökar gradvis med ökande extruderingsförhållande. När extruderingsförhållandet är 156 når legeringens draghållfasthet och förlängning sitt maximala värde, som är 228 MPa respektive 26,9 %, vilket är cirka 34 % högre än draghållfastheten hos den gjutna legeringen och cirka 158 % högre än förlängningen. Draghållfastheten hos 6063-aluminiumlegering som erhålls genom ett stort extruderingsförhållande ligger nära draghållfasthetsvärdet (240 MPa) som erhålls genom 4-passagers likakanalig vinkelextrudering (ECAP), vilket är mycket högre än draghållfasthetsvärdet (171,1 MPa) som erhålls genom 1-passagers ECAP-extrudering av 6063-aluminiumlegering. Det kan ses att ett stort extruderingsförhållande kan förbättra legeringens mekaniska egenskaper i viss mån.
Förbättringen av legeringens mekaniska egenskaper genom extruderingsförhållandet kommer huvudsakligen från förstärkning av kornförfining. När extruderingsförhållandet ökar, förfinas kornen och dislokationstätheten ökar. Fler korngränser per ytenhet kan effektivt hindra dislokationernas rörelse, i kombination med den ömsesidiga rörelsen och intrasslingen av dislokationer, vilket förbättrar legeringens hållfasthet. Ju finare kornen är, desto mer slingrande blir korngränserna, och den plastiska deformationen kan spridas i fler korn, vilket inte bidrar till sprickbildning, än mindre spridning av sprickor. Mer energi kan absorberas under brottprocessen, vilket förbättrar legeringens plasticitet.
Fig. 5 Draghållfasthetsegenskaper hos aluminiumlegering 6063 efter gjutning och extrudering
Legeringens dragbrottmorfologi efter deformation med olika extruderingsförhållanden visas i figur 6. Inga gropar hittades i brottmorfologin hos det gjutna provet (figur 6a), och brottet bestod huvudsakligen av plana ytor och rivkanter, vilket indikerar att dragbrottmekanismen hos den gjutna legeringen huvudsakligen var sprödbrott. Legeringens brottmorfologi efter extrudering har förändrats avsevärt, och brottet består av ett stort antal likaxliga gropar, vilket indikerar att legeringens brottmekanism efter extrudering har förändrats från sprödbrott till duktilbrott. När extruderingsförhållandet är litet är groparna grunda och groparnas storlek stor, och fördelningen är ojämn; när extruderingsförhållandet ökar ökar antalet gropar, groparnas storlek är mindre och fördelningen är enhetlig (figur 6b~f), vilket innebär att legeringen har bättre plasticitet, vilket överensstämmer med resultaten av de mekaniska egenskaperna ovan.
3 Slutsats
I detta experiment analyserades effekterna av olika extruderingsförhållanden på mikrostrukturen och egenskaperna hos aluminiumlegeringen 6063 under förutsättning att ämnesstorleken, götets uppvärmningstemperatur och extruderingshastigheten förblev oförändrade. Slutsatserna är följande:
1) Dynamisk omkristallisation sker i aluminiumlegering 6063 under varm extrudering. Med ökande extruderingsförhållande förfinas kornen kontinuerligt, och kornen som förlängs längs extruderingsriktningen omvandlas till likaxlade omkristalliserade korn, och styrkan hos <100>-trådens textur ökar kontinuerligt.
2) På grund av effekten av finkornsförstärkning förbättras legeringens mekaniska egenskaper med ökande extruderingsförhållande. Inom testparametrarnas intervall, när extruderingsförhållandet är 156, når legeringens draghållfasthet och töjning maximala värden på 228 MPa respektive 26,9 %.
Fig. 6 Dragbrottsmorfologier för aluminiumlegering 6063 efter gjutning och extrudering
3) Brottmorfologin hos det gjutna provet består av plana ytor och rivkanter. Efter extrudering består brottet av ett stort antal likaxliga gropar, och brottmekanismen omvandlas från sprött brott till duktilt brott.
Publiceringstid: 30 november 2024
