Aluminijska legura 6063 pripada niskolegiranoj toplinski obrađivanoj aluminijskoj leguri serije Al-Mg-Si. Ima izvrsne performanse ekstruzijskog oblikovanja, dobru otpornost na koroziju i sveobuhvatna mehanička svojstva. Također se široko koristi u automobilskoj industriji zbog lakog oksidacijskog bojenja. S ubrzanjem trenda lakih automobila, primjena ekstruzijskih materijala od aluminijske legure 6063 u automobilskoj industriji dodatno se povećala.
Na mikrostrukturu i svojstva ekstrudiranih materijala utječu kombinirani učinci brzine ekstruzije, temperature ekstruzije i omjera ekstruzije. Među njima, omjer ekstruzije uglavnom je određen tlakom ekstruzije, učinkovitošću proizvodnje i proizvodnom opremom. Kada je omjer ekstruzije mali, deformacija legure je mala i pročišćavanje mikrostrukture nije očito; povećanje omjera ekstruzije može značajno pročistiti zrna, razbiti grubu drugu fazu, dobiti ujednačenu mikrostrukturu i poboljšati mehanička svojstva legure.
Aluminijske legure 6061 i 6063 podliježu dinamičkoj rekristalizaciji tijekom procesa ekstruzije. Kada je temperatura ekstruzije konstantna, s povećanjem omjera ekstruzije, veličina zrna se smanjuje, faza ojačanja se fino dispergira, a vlačna čvrstoća i istezanje legure se sukladno tome povećavaju; međutim, s povećanjem omjera ekstruzije, povećava se i sila ekstruzije potrebna za proces ekstruzije, što uzrokuje veći toplinski učinak, uzrokujući porast unutarnje temperature legure i smanjenje performansi proizvoda. Ovaj eksperiment proučava utjecaj omjera ekstruzije, posebno velikog omjera ekstruzije, na mikrostrukturu i mehanička svojstva aluminijske legure 6063.
1 Eksperimentalni materijali i metode
Eksperimentalni materijal je aluminijska legura 6063, a kemijski sastav prikazan je u Tablici 1. Izvorna veličina ingota je Φ55 mm × 165 mm, a nakon homogenizacije na 560 ℃ tijekom 6 sati obrađuje se u ekstruzijsku gredicu veličine Φ50 mm × 150 mm. Gredica se zagrijava na 470 ℃ i održava toplom. Temperatura predgrijavanja cijevi za ekstruziju je 420 ℃, a temperatura predgrijavanja kalupa je 450 ℃. Kada brzina ekstruzije (brzina pomicanja ekstruzijske šipke) V = 5 mm/s ostane nepromijenjena, provedeno je 5 grupa ispitivanja različitih omjera ekstruzije, a omjeri ekstruzije R su 17 (što odgovara promjeru otvora matrice D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) i 156 (D = 4 mm).
Tablica 1 Kemijski sastav legure 6063 Al (tež./%)
Nakon brušenja brusnim papirom i mehaničkog poliranja, metalografski uzorci su nagrizeni HF reagensom s volumskim udjelom od 40% tijekom oko 25 sekundi, a metalografska struktura uzoraka promatrana je na optičkom mikroskopu LEICA-5000. Uzorak za analizu teksture veličine 10 mm × 10 mm izrezan je iz središta uzdužnog presjeka ekstrudirane šipke, a mehaničko brušenje i nagrizanje provedeni su kako bi se uklonio sloj površinskog naprezanja. Nepotpune polarne figure triju kristalnih ravnina {111}, {200} i {220} uzorka izmjerene su pomoću X′Pert Pro MRD rendgenskog difrakcijskog analizatora tvrtke PANalytical, a podaci o teksturi obrađeni su i analizirani pomoću softvera X′Pert Data View i X′Pert Texture.
Uzorak za vlačnu čvrstoću lijevane legure uzet je iz središta ingota, a uzorak za vlačnu čvrstoću izrezan je duž smjera ekstruzije nakon ekstruzije. Veličina mjerne površine bila je Φ4 mm × 28 mm. Ispitivanje vlačnom čvrstoćom provedeno je pomoću univerzalnog stroja za ispitivanje materijala SANS CMT5105 s brzinom vlačne čvrstoće od 2 mm/min. Prosječna vrijednost triju standardnih uzorka izračunata je kao podatak o mehaničkim svojstvima. Morfologija loma uzoraka za vlačnu čvrstoću promatrana je pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa s malim povećanjem (Quanta 2000, FEI, SAD).
2 Rezultati i rasprava
Slika 1 prikazuje metalografsku mikrostrukturu lijevane aluminijske legure 6063 prije i nakon homogenizacije. Kao što je prikazano na slici 1a, zrna α-Al u lijevanoj mikrostrukturi variraju u veličini, veliki broj retikularnih β-Al9Fe2Si2 faza okuplja se na granicama zrna, a unutar zrna postoji veliki broj granularnih Mg2Si faza. Nakon što je ingot homogeniziran na 560 ℃ tijekom 6 sati, neravnotežna eutektička faza između dendrita legure postupno se otopila, elementi legure otopili su se u matrici, mikrostruktura je bila ujednačena, a prosječna veličina zrna bila je oko 125 μm (slika 1b).
Prije homogenizacije
Nakon tretmana uniformiranja na 600°C tijekom 6 sati
Sl.1 Metalografska struktura aluminijske legure 6063 prije i nakon homogenizacije
Slika 2 prikazuje izgled šipki od aluminijske legure 6063 s različitim omjerima ekstruzije. Kao što je prikazano na slici 2, kvaliteta površine šipki od aluminijske legure 6063 ekstrudiranih s različitim omjerima ekstruzije je dobra, posebno kada se omjer ekstruzije poveća na 156 (što odgovara izlaznoj brzini ekstruzije šipke od 48 m/min), i dalje nema nedostataka ekstruzije poput pukotina i ljuštenja na površini šipke, što ukazuje da aluminijska legura 6063 također ima dobre performanse vrućeg ekstruzijskog oblikovanja pri velikoj brzini i velikom omjeru ekstruzije.
Sl. 2 Izgled šipki od aluminijske legure 6063 s različitim omjerima ekstruzije
Slika 3 prikazuje metalografsku mikrostrukturu uzdužnog presjeka šipke od aluminijske legure 6063 s različitim omjerima ekstruzije. Zrnasta struktura šipke s različitim omjerima ekstruzije pokazuje različite stupnjeve izduženja ili profinjenosti. Kada je omjer ekstruzije 17, izvorna zrna su izdužena duž smjera ekstruzije, uz stvaranje malog broja rekristaliziranih zrna, ali zrna su i dalje relativno gruba, s prosječnom veličinom zrna od oko 85 μm (slika 3a); kada je omjer ekstruzije 25, zrna su tanja, broj rekristaliziranih zrna se povećava, a prosječna veličina zrna se smanjuje na oko 71 μm (slika 3b); kada je omjer ekstruzije 39, osim malog broja deformiranih zrna, mikrostruktura je u osnovi sastavljena od jednakoosnih rekristaliziranih zrna nejednake veličine, s prosječnom veličinom zrna od oko 60 μm (slika 3c); Kada je omjer ekstruzije 69, proces dinamičke rekristalizacije je u osnovi završen, gruba izvorna zrna su potpuno transformirana u jednoliko strukturirana rekristalizirana zrna, a prosječna veličina zrna je profinjena na oko 41 μm (slika 3d); kada je omjer ekstruzije 156, s punim napretkom procesa dinamičke rekristalizacije, mikrostruktura je ujednačenija, a veličina zrna je znatno profinjena na oko 32 μm (slika 3e). S povećanjem omjera ekstruzije, proces dinamičke rekristalizacije odvija se potpunije, mikrostruktura legure postaje ujednačenija, a veličina zrna je značajno profinjena (slika 3f).
Sl.3 Metalografska struktura i veličina zrna uzdužnog presjeka šipki od aluminijske legure 6063 s različitim omjerima ekstruzije
Slika 4 prikazuje inverzne polarne figure šipki aluminijske legure 6063 s različitim omjerima ekstruzije duž smjera ekstruzije. Može se vidjeti da mikrostrukture šipki legure s različitim omjerima ekstruzije proizvode očitu preferencijalnu orijentaciju. Kada je omjer ekstruzije 17, formira se slabija tekstura <115>+<100> (slika 4a); kada je omjer ekstruzije 39, komponente teksture su uglavnom jača tekstura <100> i mala količina slabe teksture <115> (slika 4b); kada je omjer ekstruzije 156, komponente teksture su tekstura <100> sa značajno povećanom čvrstoćom, dok tekstura <115> nestaje (slika 4c). Studije su pokazale da plošno centrirani kubni metali uglavnom formiraju žičane teksture <111> i <100> tijekom ekstruzije i izvlačenja. Nakon što se tekstura formira, mehanička svojstva legure na sobnoj temperaturi pokazuju očitu anizotropiju. Teksturna čvrstoća raste s povećanjem omjera ekstruzije, što ukazuje na to da se broj zrna u određenom kristalnom smjeru paralelnom sa smjerom ekstruzije u leguri postupno povećava, a uzdužna vlačna čvrstoća legure raste. Mehanizmi ojačanja materijala od aluminijske legure 6063 dobivenih vrućom ekstruzijom uključuju ojačanje finih zrna, ojačanje dislokacijama, ojačanje teksture itd. Unutar raspona procesnih parametara korištenih u ovoj eksperimentalnoj studiji, povećanje omjera ekstruzije ima poticajni učinak na gore navedene mehanizme ojačanja.
Sl.4 Dijagram obrnutog pola šipki od aluminijske legure 6063 s različitim omjerima ekstruzije duž smjera ekstruzije
Slika 5 je histogram vlačnih svojstava aluminijske legure 6063 nakon deformacije pri različitim omjerima ekstruzije. Vlačna čvrstoća lijevane legure iznosi 170 MPa, a istezanje je 10,4%. Vlačna čvrstoća i istezanje legure nakon ekstruzije značajno su poboljšani, a vlačna čvrstoća i istezanje postupno se povećavaju s povećanjem omjera ekstruzije. Kada je omjer ekstruzije 156, vlačna čvrstoća i istezanje legure dosežu maksimalnu vrijednost, koja iznosi 228 MPa odnosno 26,9%, što je oko 34% više od vlačne čvrstoće lijevane legure i oko 158% više od istezanja. Vlačna čvrstoća aluminijske legure 6063 dobivena velikim omjerom ekstruzije blizu je vrijednosti vlačne čvrstoće (240 MPa) dobivene četveroprolaznom kutnom ekstruzijom s jednakim kanalom (ECAP), koja je znatno veća od vrijednosti vlačne čvrstoće (171,1 MPa) dobivene jednoprolaznom ECAP ekstruzijom aluminijske legure 6063. Može se vidjeti da veliki omjer ekstruzije može do određene mjere poboljšati mehanička svojstva legure.
Poboljšanje mehaničkih svojstava legure omjerom ekstruzije uglavnom dolazi od ojačanja profinjenošću zrna. Kako se omjer ekstruzije povećava, zrna se profinjuju, a gustoća dislokacija se povećava. Više granica zrna po jedinici površine može učinkovito ometati kretanje dislokacija, u kombinaciji s međusobnim kretanjem i ispreplitanjem dislokacija, čime se poboljšava čvrstoća legure. Što su zrna finija, to su granice zrna vijugavije, a plastična deformacija se može raspršiti u više zrna, što ne pogoduje stvaranju pukotina, a kamoli širenju pukotina. Tijekom procesa loma može se apsorbirati više energije, čime se poboljšava plastičnost legure.
Sl. 5 Vlačna svojstva aluminijske legure 6063 nakon lijevanja i ekstruzije
Morfologija vlačnog loma legure nakon deformacije s različitim omjerima ekstruzije prikazana je na slici 6. U morfologiji loma lijevanog uzorka nisu pronađene udubine (slika 6a), a lom se uglavnom sastojao od ravnih područja i rubova kidanja, što ukazuje na to da je mehanizam vlačnog loma lijevane legure uglavnom bio krhki lom. Morfologija loma legure nakon ekstruzije značajno se promijenila, a lom se sastoji od velikog broja jednakoosnih udubljenja, što ukazuje na to da se mehanizam loma legure nakon ekstruzije promijenio od krhkog loma do duktilnog loma. Kada je omjer ekstruzije mali, udubljenja su plitka, a veličina udubljenja velika, a raspodjela neravnomjerna; kako se omjer ekstruzije povećava, broj udubljenja se povećava, veličina udubljenja je manja, a raspodjela jednolika (slika 6b~f), što znači da legura ima bolju plastičnost, što je u skladu s gore navedenim rezultatima ispitivanja mehaničkih svojstava.
3 Zaključak
U ovom eksperimentu analizirani su učinci različitih omjera ekstruzije na mikrostrukturu i svojstva aluminijske legure 6063 pod uvjetom da veličina gredice, temperatura zagrijavanja ingota i brzina ekstruzije ostanu nepromijenjeni. Zaključci su sljedeći:
1) Dinamička rekristalizacija događa se u aluminijskoj leguri 6063 tijekom vruće ekstruzije. S povećanjem omjera ekstruzije, zrna se kontinuirano pročišćavaju, a zrna izdužena duž smjera ekstruzije transformiraju se u jednakoosna rekristalizirana zrna, a čvrstoća teksture žice <100> kontinuirano se povećava.
2) Zbog učinka ojačanja finim zrnima, mehanička svojstva legure se poboljšavaju s povećanjem omjera ekstruzije. Unutar raspona parametara ispitivanja, kada je omjer ekstruzije 156, vlačna čvrstoća i istezanje legure dosežu maksimalne vrijednosti od 228 MPa odnosno 26,9%.
Sl.6 Morfologija vlačnog loma aluminijske legure 6063 nakon lijevanja i ekstruzije
3) Morfologija loma lijevanog uzorka sastoji se od ravnih područja i rubova kidanja. Nakon ekstruzije, lom se sastoji od velikog broja jednakoosnih udubljenja, a mehanizam loma se transformira iz krhkog loma u duktilni lom.
Vrijeme objave: 30. studenog 2024.
