6063 aluminiumslegering tilhører den lavtlegerede Al-Mg-Si serie varmebehandlebare aluminiumslegeringer. Det har fremragende ekstruderingsstøbningsydelse, god korrosionsbestandighed og omfattende mekaniske egenskaber. Det er også meget brugt i bilindustrien på grund af dets nemme oxidationsfarvning. Med accelerationen af tendensen til letvægtsbiler er anvendelsen af 6063 aluminiumslegeringsekstruderingsmaterialer i bilindustrien også steget yderligere.
Ekstruderede materialers mikrostruktur og egenskaber påvirkes af de kombinerede effekter af ekstruderingshastighed, ekstruderingstemperatur og ekstruderingsforhold. Blandt dem er ekstruderingsforholdet hovedsageligt bestemt af ekstruderingstrykket, produktionseffektiviteten og produktionsudstyret. Når ekstruderingsforholdet er lille, er legeringsdeformationen lille, og mikrostrukturforfinelsen er ikke indlysende; forøgelse af ekstruderingsforholdet kan raffinere kornene betydeligt, bryde den grove anden fase op, opnå en ensartet mikrostruktur og forbedre legeringens mekaniske egenskaber.
6061 og 6063 aluminiumslegeringer gennemgår dynamisk omkrystallisation under ekstruderingsprocessen. Når ekstruderingstemperaturen er konstant, efterhånden som ekstruderingsforholdet stiger, falder kornstørrelsen, forstærkningsfasen er fint spredt, og legeringens trækstyrke og forlængelse øges tilsvarende; men efterhånden som ekstruderingsforholdet stiger, øges den ekstruderingskraft, der kræves til ekstruderingsprocessen, også, hvilket forårsager en større termisk effekt, hvilket får legeringens indre temperatur til at stige, og produktets ydeevne falder. Dette eksperiment studerer effekten af ekstruderingsforhold, især stort ekstruderingsforhold, på mikrostrukturen og mekaniske egenskaber af 6063 aluminiumslegering.
1 Eksperimentelle materialer og metoder
Det eksperimentelle materiale er 6063 aluminiumslegering, og den kemiske sammensætning er vist i tabel 1. Den oprindelige størrelse af barren er Φ55 mm×165 mm, og den forarbejdes til en ekstruderingsbarre med en størrelse på Φ50 mm×150 mm efter homogenisering behandling ved 560 ℃ i 6 timer. Billetten opvarmes til 470 ℃ og holdes varm. Forvarmningstemperaturen på ekstruderingstønden er 420 ℃, og forvarmningstemperaturen for formen er 450 ℃. Når ekstruderingshastigheden (ekstruderingsstangens bevægelseshastighed) V=5 mm/s forbliver uændret, udføres 5 grupper af forskellige ekstruderingsforholdstests, og ekstruderingsforholdene R er 17 (svarende til dysehullets diameter D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) og 156 (D=4 mm).
Tabel 1 Kemiske sammensætninger af 6063 Al-legering (vægt/%)
Efter sandpapirslibning og mekanisk polering blev de metallografiske prøver ætset med HF-reagens med en volumenfraktion på 40% i ca. 25 s, og den metallografiske struktur af prøverne blev observeret på et LEICA-5000 optisk mikroskop. En teksturanalyseprøve med en størrelse på 10 mm × 10 mm blev skåret fra midten af det langsgående snit af den ekstruderede stang, og mekanisk slibning og ætsning blev udført for at fjerne overfladespændingslaget. De ufuldstændige polfigurer af de tre krystalplan {111}, {200} og {220} af prøven blev målt med X'Pert Pro MRD røntgendiffraktionsanalysatoren fra PANalytical Company, og teksturdataene blev behandlet og analyseret af X′Pert Data View og X′Pert Texture software.
Trækprøven af den støbte legering blev taget fra midten af barren, og trækprøven blev skåret langs ekstruderingsretningen efter ekstrudering. Målearealstørrelsen var Φ4 mm × 28 mm. Træktesten blev udført med en SANS CMT5105 universel materialetestmaskine med en trækhastighed på 2 mm/min. Den gennemsnitlige værdi af de tre standardprøver blev beregnet som de mekaniske egenskabsdata. Brudmorfologien af trækprøverne blev observeret ved hjælp af et scanningselektronmikroskop med lav forstørrelse (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Resultater og diskussion
Figur 1 viser den metallografiske mikrostruktur af den støbte 6063 aluminiumslegering før og efter homogeniseringsbehandling. Som vist i figur 1a varierer α-Al-kornene i den støbte mikrostruktur i størrelse, et stort antal retikulære β-Al9Fe2Si2-faser samles ved korngrænserne, og et stort antal granulære Mg2Si-faser findes inde i kornene. Efter at barren var homogeniseret ved 560 ℃ i 6 timer, blev den ikke-ligevægts eutektiske fase mellem legeringsdendritterne gradvist opløst, legeringselementerne opløst i matrixen, mikrostrukturen var ensartet, og den gennemsnitlige kornstørrelse var omkring 125 μm (Figur 1b) ).
Før homogenisering
Efter ensartet behandling ved 600°C i 6 timer
Fig.1 Metallografisk struktur af 6063 aluminiumslegering før og efter homogeniseringsbehandling
Figur 2 viser udseendet af 6063 aluminiumslegeringsstænger med forskellige ekstruderingsforhold. Som vist i figur 2 er overfladekvaliteten af 6063 aluminiumslegeringsstænger ekstruderet med forskellige ekstruderingsforhold god, især når ekstruderingsforholdet øges til 156 (svarende til stangekstruderingsudgangshastigheden på 48 m/min), er der stadig ingen ekstruderingsfejl såsom revner og afskalning på overfladen af stangen, hvilket indikerer, at 6063 aluminiumslegering har også god varmekstruderingsformende ydeevne under høj hastighed og stort ekstruderingsforhold.
Fig.2 Udseende af 6063 aluminiumslegeringsstænger med forskellige ekstruderingsforhold
Figur 3 viser den metallografiske mikrostruktur af længdesnittet af 6063 aluminiumslegeringsstangen med forskellige ekstruderingsforhold. Kornstrukturen af stangen med forskellige ekstruderingsforhold viser forskellige grader af forlængelse eller forfining. Når ekstruderingsforholdet er 17, forlænges de oprindelige korn langs ekstruderingsretningen, ledsaget af dannelsen af et lille antal omkrystalliserede korn, men kornene er stadig relativt grove, med en gennemsnitlig kornstørrelse på omkring 85 μm (Figur 3a) ; når ekstruderingsforholdet er 25, trækkes kornene mere slanke, antallet af omkrystalliserede korn stiger, og den gennemsnitlige kornstørrelse falder til omkring 71 μm (figur 3b); når ekstruderingsforholdet er 39, bortset fra et lille antal deformerede korn, er mikrostrukturen grundlæggende sammensat af ligeaksede omkrystalliserede korn af ujævn størrelse med en gennemsnitlig kornstørrelse på ca. 60 μm (figur 3c); når ekstruderingsforholdet er 69, er den dynamiske omkrystallisationsproces stort set afsluttet, de grove oprindelige korn er blevet fuldstændigt omdannet til ensartet strukturerede omkrystalliserede korn, og den gennemsnitlige kornstørrelse raffineres til omkring 41 μm (figur 3d); når ekstruderingsforholdet er 156, med det fulde fremskridt af den dynamiske omkrystallisationsproces, er mikrostrukturen mere ensartet, og kornstørrelsen er meget raffineret til omkring 32 μm (Figur 3e). Med stigningen i ekstruderingsforholdet fortsætter den dynamiske omkrystallisationsproces mere fuldstændigt, legeringsmikrostrukturen bliver mere ensartet, og kornstørrelsen er betydeligt raffineret (figur 3f).
Fig.3 Metallografisk struktur og kornstørrelse af længdesnit af 6063 aluminiumslegeringsstænger med forskellige ekstruderingsforhold
Figur 4 viser de omvendte polfigurer af 6063 aluminiumslegeringsstænger med forskellige ekstruderingsforhold langs ekstruderingsretningen. Det kan ses, at mikrostrukturerne af legeringsstænger med forskellige ekstruderingsforhold alle giver indlysende præferenceorientering. Når ekstruderingsforholdet er 17, dannes en svagere <115>+<100> tekstur (figur 4a); når ekstruderingsforholdet er 39, er teksturkomponenterne hovedsageligt den stærkere <100> tekstur og en lille mængde svag <115> tekstur (figur 4b); når ekstruderingsforholdet er 156, er teksturkomponenterne <100>-teksturen med væsentligt øget styrke, mens <115>-teksturen forsvinder (figur 4c). Undersøgelser har vist, at fladecentrerede kubiske metaller hovedsageligt danner <111> og <100> trådteksturer under ekstrudering og trækning. Når først teksturen er dannet, viser legeringens mekaniske egenskaber ved stuetemperatur tydelig anisotropi. Teksturstyrken stiger med forøgelsen af ekstruderingsforholdet, hvilket indikerer, at antallet af korn i en bestemt krystalretning parallelt med ekstruderingsretningen i legeringen gradvist øges, og legeringens langsgående trækstyrke øges. Forstærkningsmekanismerne i 6063 aluminiumlegerings varmeekstruderingsmaterialer omfatter finkornsforstærkning, dislokationsforstærkning, teksturforstærkning osv. Inden for rækken af procesparametre, der anvendes i denne eksperimentelle undersøgelse, har en forøgelse af ekstruderingsforholdet en fremmende effekt på ovenstående forstærkningsmekanismer.
Fig.4 Omvendt poldiagram af 6063 aluminiumslegeringsstænger med forskellige ekstruderingsforhold langs ekstruderingsretningen
Figur 5 er et histogram over trækegenskaberne af 6063 aluminiumslegering efter deformation ved forskellige ekstruderingsforhold. Trækstyrken af den støbte legering er 170 MPa, og forlængelsen er 10,4%. Trækstyrken og forlængelsen af legeringen efter ekstrudering er væsentligt forbedret, og trækstyrken og forlængelsen øges gradvist med stigningen i ekstruderingsforholdet. Når ekstruderingsforholdet er 156, når legeringens trækstyrke og forlængelse den maksimale værdi, som er henholdsvis 228 MPa og 26,9 %, hvilket er omkring 34 % højere end trækstyrken af den støbte legering og omkring 158 % højere end forlængelsen. Trækstyrken af 6063 aluminiumslegering opnået ved et stort ekstruderingsforhold er tæt på trækstyrkeværdien (240 MPa) opnået ved 4-pass lige kanal vinkelekstrudering (ECAP), som er meget højere end trækstyrkeværdien (171,1 MPa) opnået ved 1-pass ECAP ekstrudering af 6063 aluminiumslegering. Det kan ses, at et stort ekstruderingsforhold kan forbedre legeringens mekaniske egenskaber til en vis grad.
Forbedringen af legeringens mekaniske egenskaber ved ekstruderingsforhold kommer hovedsageligt fra kornforfiningsforstærkning. Efterhånden som ekstruderingsforholdet stiger, raffineres kornene, og dislokationstætheden øges. Flere korngrænser pr. arealenhed kan effektivt hindre bevægelsen af dislokationer, kombineret med den gensidige bevægelse og sammenfiltring af dislokationer, og derved forbedre styrken af legeringen. Jo finere korn, jo mere snoede korngrænser, og den plastiske deformation kan spredes i flere korn, hvilket ikke er befordrende for dannelsen af revner, endsige sprækkernes udbredelse. Mere energi kan absorberes under brudprocessen og derved forbedre legeringens plasticitet.
Fig.5 Trækegenskaber af 6063 aluminiumslegering efter støbning og ekstrudering
Legeringens trækbrudmorfologi efter deformation med forskellige ekstruderingsforhold er vist i figur 6. Der blev ikke fundet fordybninger i brudmorfologien af den støbte prøve (figur 6a), og bruddet var hovedsageligt sammensat af flade områder og rivende kanter , hvilket indikerer, at trækbrudmekanismen af den støbte legering hovedsagelig var sprød brud. Legeringens brudmorfologi efter ekstrudering har ændret sig væsentligt, og bruddet er sammensat af et stort antal ligeaksede fordybninger, hvilket indikerer, at legeringens brudmekanisme efter ekstrudering er ændret fra skørt brud til duktilt brud. Når ekstruderingsforholdet er lille, er fordybningerne overfladiske, og fordybningens størrelse er stor, og fordelingen er ujævn; efterhånden som ekstruderingsforholdet øges, øges antallet af fordybninger, fordybningens størrelse er mindre og fordelingen er ensartet (figur 6b~f), hvilket betyder, at legeringen har bedre plasticitet, hvilket er i overensstemmelse med testresultaterne for mekaniske egenskaber ovenfor.
3 Konklusion
I dette eksperiment blev virkningerne af forskellige ekstruderingsforhold på mikrostrukturen og egenskaberne af 6063 aluminiumslegering analyseret under den betingelse, at barrestørrelsen, barrens opvarmningstemperatur og ekstruderingshastigheden forblev uændret. Konklusionerne er som følger:
1) Dynamisk omkrystallisation forekommer i 6063 aluminiumslegering under varm ekstrudering. Med stigningen i ekstruderingsforholdet raffineres kornene kontinuerligt, og kornene, der er forlænget langs ekstruderingsretningen, omdannes til ligeaksede omkrystalliserede korn, og styrken af <100> trådtekstur øges kontinuerligt.
2) På grund af effekten af forstærkning af finkornet forbedres legeringens mekaniske egenskaber med forøgelsen af ekstruderingsforholdet. Inden for området af testparametre, når ekstruderingsforholdet er 156, når legeringens trækstyrke og forlængelse de maksimale værdier på henholdsvis 228 MPa og 26,9%.
Fig.6 Trækbrudsmorfologier af 6063 aluminiumslegering efter støbning og ekstrudering
3) Brudmorfologien af den støbte prøve er sammensat af flade områder og rivekanter. Efter ekstrudering er bruddet sammensat af et stort antal ligeaksede fordybninger, og brudmekanismen omdannes fra skørt brud til duktilt brud.
Indlægstid: 30-nov-2024
