L'aliatge d'alumini 6063 pertany a la sèrie d'aliatges d'alumini tractables tèrmicament de baixa aleació Al-Mg-Si. Té un excel·lent rendiment d'emmotllament per extrusió, una bona resistència a la corrosió i unes propietats mecàniques completes. També s'utilitza àmpliament en la indústria de l'automòbil a causa de la seva fàcil coloració per oxidació. Amb l'acceleració de la tendència dels automòbils lleugers, l'aplicació de materials d'extrusió d'aliatge d'alumini 6063 en la indústria de l'automòbil també ha augmentat encara més.
La microestructura i les propietats dels materials extrudits es veuen afectades pels efectes combinats de la velocitat d'extrusió, la temperatura d'extrusió i la relació d'extrusió. Entre ells, la relació d'extrusió està determinada principalment per la pressió d'extrusió, l'eficiència de producció i l'equip de producció. Quan la relació d'extrusió és petita, la deformació de l'aliatge és petita i el refinament de la microestructura no és evident; augmentar la relació d'extrusió pot refinar significativament els grans, trencar la segona fase gruixuda, obtenir una microestructura uniforme i millorar les propietats mecàniques de l'aliatge.
Els aliatges d'alumini 6061 i 6063 experimenten una recristal·lització dinàmica durant el procés d'extrusió. Quan la temperatura d'extrusió és constant, a mesura que augmenta la relació d'extrusió, la mida del gra disminueix, la fase d'enfortiment es dispersa finament i la resistència a la tracció i l'elongació de l'aliatge augmenten en conseqüència; no obstant això, a mesura que augmenta la relació d'extrusió, la força d'extrusió necessària per al procés d'extrusió també augmenta, provocant un efecte tèrmic més gran, fent que la temperatura interna de l'aliatge augmenti i el rendiment del producte disminueixi. Aquest experiment estudia l'efecte de la relació d'extrusió, especialment una relació d'extrusió gran, sobre la microestructura i les propietats mecàniques de l'aliatge d'alumini 6063.
1 Materials i mètodes experimentals
El material experimental és un aliatge d'alumini 6063, i la composició química es mostra a la Taula 1. La mida original del lingot és de Φ55 mm × 165 mm, i es processa en un lingot d'extrusió amb una mida de Φ50 mm × 150 mm després del tractament d'homogeneïtzació a 560 ℃ durant 6 h. El lingot s'escalfa a 470 ℃ i es manté calent. La temperatura de preescalfament del barril d'extrusió és de 420 ℃ i la temperatura de preescalfament del motlle és de 450 ℃. Quan la velocitat d'extrusió (velocitat de moviment de la vareta d'extrusió) V = 5 mm/s es manté sense canvis, es realitzen 5 grups de proves de relació d'extrusió diferents, i les relacions d'extrusió R són 17 (corresponents al diàmetre del forat de la matriu D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) i 156 (D = 4 mm).
Taula 1 Composicions químiques de l'aliatge d'Al 6063 (pes/%)
Després del poliment amb paper de vidre i el poliment mecànic, les mostres metal·logràfiques es van gravar amb reactiu HF amb una fracció volumètrica del 40% durant uns 25 s, i l'estructura metal·logràfica de les mostres es va observar en un microscopi òptic LEICA-5000. Es va tallar una mostra d'anàlisi de textura amb una mida de 10 mm × 10 mm des del centre de la secció longitudinal de la vareta extruïda, i es va realitzar un poliment mecànic i un gravat per eliminar la capa de tensió superficial. Les figures polars incompletes dels tres plans cristal·lins {111}, {200} i {220} de la mostra es van mesurar mitjançant l'analitzador de difracció de raigs X X′Pert Pro MRD de PANalytical Company, i les dades de textura es van processar i analitzar mitjançant el programari X′Pert Data View i X′Pert Texture.
La mostra de tracció de l'aliatge fos es va prendre del centre del lingot i, després de l'extrusió, es va tallar la mostra de tracció al llarg de la direcció d'extrusió. La mida de l'àrea de calibre era de Φ4 mm × 28 mm. La prova de tracció es va dur a terme mitjançant una màquina d'assaig de materials universal SANS CMT5105 amb una velocitat de tracció de 2 mm/min. El valor mitjà de les tres mostres estàndard es va calcular com a dades de propietats mecàniques. La morfologia de fractura de les mostres de tracció es va observar mitjançant un microscopi electrònic de rastreig de baixa magnificació (Quanta 2000, FEI, EUA).
2 Resultats i discussió
La figura 1 mostra la microestructura metal·logràfica de l'aliatge d'alumini 6063 tal com s'ha fos abans i després del tractament d'homogeneïtzació. Com es mostra a la figura 1a, els grans d'α-Al de la microestructura tal com s'ha fos varien en mida, un gran nombre de fases reticulars de β-Al9Fe2Si2 s'agrupen als límits dels gra i existeix un gran nombre de fases granulars de Mg2Si dins dels grans. Després que el lingot s'homogeneïtzés a 560 ℃ durant 6 h, la fase eutèctica de no equilibri entre les dendrites de l'aliatge es va dissoldre gradualment, els elements de l'aliatge es van dissoldre a la matriu, la microestructura era uniforme i la mida mitjana del gra era d'uns 125 μm (figura 1b).
Abans de l'homogeneïtzació
Després del tractament d'uniformització a 600 °C durant 6 hores
Fig.1 Estructura metal·logràfica de l'aliatge d'alumini 6063 abans i després del tractament d'homogeneïtzació
La figura 2 mostra l'aspecte de barres d'aliatge d'alumini 6063 amb diferents relacions d'extrusió. Com es mostra a la figura 2, la qualitat superficial de les barres d'aliatge d'alumini 6063 extruïdes amb diferents relacions d'extrusió és bona, especialment quan la relació d'extrusió s'augmenta a 156 (corresponent a la velocitat de sortida d'extrusió de la barra de 48 m/min), encara no hi ha defectes d'extrusió com ara esquerdes i descamació a la superfície de la barra, cosa que indica que l'aliatge d'alumini 6063 també té un bon rendiment de conformació per extrusió en calent a alta velocitat i gran relació d'extrusió.
Fig.2 Aspecte de les varetes d'aliatge d'alumini 6063 amb diferents relacions d'extrusió
La figura 3 mostra la microestructura metal·logràfica de la secció longitudinal de la barra d'aliatge d'alumini 6063 amb diferents relacions d'extrusió. L'estructura del gra de la barra amb diferents relacions d'extrusió mostra diferents graus d'elongació o refinament. Quan la relació d'extrusió és de 17, els grans originals s'allarguen al llarg de la direcció d'extrusió, acompanyats de la formació d'un petit nombre de grans recristal·litzats, però els grans encara són relativament gruixuts, amb una mida de gra mitjana d'uns 85 μm (Figura 3a); quan la relació d'extrusió és de 25, els grans s'estiren més prims, el nombre de grans recristal·litzats augmenta i la mida mitjana de gra disminueix a uns 71 μm (Figura 3b); quan la relació d'extrusió és de 39, excepte per un petit nombre de grans deformats, la microestructura està bàsicament composta per grans recristal·litzats equiaxials de mida desigual, amb una mida de gra mitjana d'uns 60 μm (Figura 3c); Quan la relació d'extrusió és de 69, el procés de recristal·lització dinàmica està bàsicament completat, els grans originals gruixuts s'han transformat completament en grans recristal·litzats uniformement estructurats i la mida mitjana del gra es refina a uns 41 μm (Figura 3d); quan la relació d'extrusió és de 156, amb el progrés complet del procés de recristal·lització dinàmica, la microestructura és més uniforme i la mida del gra es refina considerablement a uns 32 μm (Figura 3e). Amb l'augment de la relació d'extrusió, el procés de recristal·lització dinàmica avança més completament, la microestructura de l'aliatge es torna més uniforme i la mida del gra es refina significativament (Figura 3f).
Fig.3 Estructura metal·logràfica i mida de gra de la secció longitudinal de barres d'aliatge d'alumini 6063 amb diferents relacions d'extrusió
La figura 4 mostra les figures inverses dels pols de barres d'aliatge d'alumini 6063 amb diferents relacions d'extrusió al llarg de la direcció d'extrusió. Es pot veure que les microestructures de les barres d'aliatge amb diferents relacions d'extrusió produeixen una orientació preferencial òbvia. Quan la relació d'extrusió és de 17, es forma una textura <115> + <100> més feble (Figura 4a); quan la relació d'extrusió és de 39, els components de la textura són principalment la textura <100> més forta i una petita quantitat de textura <115> feble (Figura 4b); quan la relació d'extrusió és de 156, els components de la textura són la textura <100> amb una resistència significativament augmentada, mentre que la textura <115> desapareix (Figura 4c). Els estudis han demostrat que els metalls cúbics centrats en les cares formen principalment textures de filferro <111> i <100> durant l'extrusió i l'estirament. Un cop formada la textura, les propietats mecàniques de l'aliatge a temperatura ambient mostren una anisotropia òbvia. La resistència de la textura augmenta amb l'augment de la relació d'extrusió, cosa que indica que el nombre de grans en una determinada direcció cristal·lina paral·lela a la direcció d'extrusió de l'aliatge augmenta gradualment, i la resistència a la tracció longitudinal de l'aliatge augmenta. Els mecanismes d'enfortiment dels materials d'extrusió en calent d'aliatge d'alumini 6063 inclouen l'enfortiment del gra fi, l'enfortiment de les dislocacions, l'enfortiment de la textura, etc. Dins del rang de paràmetres de procés utilitzats en aquest estudi experimental, l'augment de la relació d'extrusió té un efecte promotor sobre els mecanismes d'enfortiment esmentats.
Fig.4 Diagrama de pols inversos de barres d'aliatge d'alumini 6063 amb diferents relacions d'extrusió al llarg de la direcció d'extrusió
La figura 5 és un histograma de les propietats de tracció de l'aliatge d'alumini 6063 després de la deformació a diferents relacions d'extrusió. La resistència a la tracció de l'aliatge fos és de 170 MPa i l'allargament és del 10,4%. La resistència a la tracció i l'allargament de l'aliatge després de l'extrusió milloren significativament, i la resistència a la tracció i l'allargament augmenten gradualment amb l'augment de la relació d'extrusió. Quan la relació d'extrusió és de 156, la resistència a la tracció i l'allargament de l'aliatge assoleixen el valor màxim, que són de 228 MPa i el 26,9%, respectivament, cosa que és aproximadament un 34% superior a la resistència a la tracció de l'aliatge fos i aproximadament un 158% superior a l'allargament. La resistència a la tracció de l'aliatge d'alumini 6063 obtinguda mitjançant una relació d'extrusió gran és propera al valor de resistència a la tracció (240 MPa) obtingut mitjançant l'extrusió angular de canal igual de 4 passos (ECAP), que és molt superior al valor de resistència a la tracció (171,1 MPa) obtingut mitjançant l'extrusió ECAP d'1 pas de l'aliatge d'alumini 6063. Es pot veure que una gran relació d'extrusió pot millorar les propietats mecàniques de l'aliatge fins a cert punt.
La millora de les propietats mecàniques de l'aliatge mitjançant la relació d'extrusió prové principalment de l'enfortiment del refinament del gra. A mesura que augmenta la relació d'extrusió, els grans es refinen i augmenta la densitat de dislocacions. Més límits de gra per unitat de superfície poden dificultar eficaçment el moviment de les dislocacions, combinat amb el moviment mutu i l'enredament de les dislocacions, millorant així la resistència de l'aliatge. Com més fins siguin els grans, més tortuosos seran els límits de gra i la deformació plàstica es pot dispersar en més grans, cosa que no afavoreix la formació d'esquerdes, i molt menys la propagació d'esquerdes. Es pot absorbir més energia durant el procés de fractura, millorant així la plasticitat de l'aliatge.
Fig.5 Propietats de tracció de l'aliatge d'alumini 6063 després de la fosa i l'extrusió
La morfologia de la fractura per tracció de l'aliatge després de la deformació amb diferents relacions d'extrusió es mostra a la Figura 6. No es van trobar clotets a la morfologia de la fractura de la mostra tal com es va colar (Figura 6a), i la fractura estava composta principalment per zones planes i vores d'esquinçament, cosa que indica que el mecanisme de fractura per tracció de l'aliatge tal com es va colar era principalment una fractura fràgil. La morfologia de la fractura de l'aliatge després de l'extrusió ha canviat significativament, i la fractura està composta per un gran nombre de clotets equiaxials, cosa que indica que el mecanisme de fractura de l'aliatge després de l'extrusió ha canviat de fractura fràgil a fractura dúctil. Quan la relació d'extrusió és petita, els clotets són poc profunds i la mida dels clotets és gran, i la distribució és desigual; a mesura que augmenta la relació d'extrusió, augmenta el nombre de clotets, la mida dels clotets és més petita i la distribució és uniforme (Figura 6b~f), cosa que significa que l'aliatge té una millor plasticitat, cosa que és coherent amb els resultats de les proves de propietats mecàniques anteriors.
3 Conclusió
En aquest experiment, es van analitzar els efectes de diferents relacions d'extrusió sobre la microestructura i les propietats de l'aliatge d'alumini 6063 sota la condició que la mida del lingot, la temperatura d'escalfament del lingot i la velocitat d'extrusió es mantinguessin sense canvis. Les conclusions són les següents:
1) La recristal·lització dinàmica es produeix en l'aliatge d'alumini 6063 durant l'extrusió en calent. Amb l'augment de la relació d'extrusió, els grans es refinen contínuament i els grans allargats al llarg de la direcció d'extrusió es transformen en grans recristal·litzats equiaxials, i la resistència de la textura del filferro <100> augmenta contínuament.
2) A causa de l'efecte de l'enfortiment del gra fi, les propietats mecàniques de l'aliatge milloren amb l'augment de la relació d'extrusió. Dins del rang de paràmetres de prova, quan la relació d'extrusió és de 156, la resistència a la tracció i l'allargament de l'aliatge arriben a valors màxims de 228 MPa i 26,9%, respectivament.
Fig.6 Morfologies de fractura per tracció de l'aliatge d'alumini 6063 després de la fosa i l'extrusió
3) La morfologia de fractura de la mostra tal com s'ha fos està composta per zones planes i vores de ruptura. Després de l'extrusió, la fractura està composta per un gran nombre de clotets equiaxials, i el mecanisme de fractura es transforma de fractura fràgil a fractura dúctil.
Data de publicació: 30 de novembre de 2024
