6063 aluminiumlegering tilhører den lavlegerede Al-Mg-Si-serie af varmebehandlede aluminiumlegeringer. Den har fremragende ekstruderingsstøbningsegenskaber, god korrosionsbestandighed og omfattende mekaniske egenskaber. Den anvendes også i vid udstrækning i bilindustrien på grund af dens lette oxidationsfarvning. Med den accelererende tendens til letvægtsbiler er anvendelsen af 6063 aluminiumlegeringsekstruderingsmaterialer i bilindustrien også steget yderligere.
Mikrostrukturen og egenskaberne af ekstruderede materialer påvirkes af de kombinerede effekter af ekstruderingshastighed, ekstruderingstemperatur og ekstruderingsforhold. Blandt disse bestemmes ekstruderingsforholdet primært af ekstruderingstrykket, produktionseffektiviteten og produktionsudstyret. Når ekstruderingsforholdet er lille, er legeringsdeformationen lille, og mikrostrukturforfiningen er ikke tydelig; en forøgelse af ekstruderingsforholdet kan forfine kornene betydeligt, opløse den grove anden fase, opnå en ensartet mikrostruktur og forbedre legeringens mekaniske egenskaber.
6061 og 6063 aluminiumlegeringer undergår dynamisk omkrystallisation under ekstruderingsprocessen. Når ekstruderingstemperaturen er konstant, falder kornstørrelsen, når ekstruderingsforholdet stiger, forstærkningsfasen fordeles fint, og legeringens trækstyrke og forlængelse øges tilsvarende. Men når 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 til at falde. Dette eksperiment undersøger effekten af ekstruderingsforholdet, især et stort ekstruderingsforhold, på mikrostrukturen og de mekaniske egenskaber af 6063 aluminiumlegering.
1 Eksperimentelle materialer og metoder
Det eksperimentelle materiale er 6063 aluminiumlegering, 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 homogeniseringsbehandling ved 560 ℃ i 6 timer. Barren opvarmes til 470 ℃ og holdes varm. Forvarmningstemperaturen for ekstruderingscylinderen er 420 ℃, og formens forvarmningstemperatur 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 matricehullets diameter D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) og 156 (D = 4 mm).
Tabel 1 Kemisk sammensætning af 6063 Al-legering (vægt/%)
Efter slibning med sandpapir og mekanisk polering blev de metallografiske prøver ætset med HF-reagens med en volumenfraktion på 40 % i ca. 25 sekunder, og prøvernes metallografiske struktur blev observeret på et LEICA-5000 optisk mikroskop. En teksturanalyseprøve med en størrelse på 10 mm × 10 mm blev skåret fra midten af den ekstruderede stangs længdesnit, og mekanisk slibning og ætsning blev udført for at fjerne overfladespændingslaget. De ufuldstændige polfigurer for de tre krystalplaner {111}, {200} og {220} i 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-softwaren.
Trækprøven af den støbte legering blev taget fra midten af barren, og trækprøven blev skåret langs ekstruderingsretningen efter ekstrudering. Målearealets størrelse var Φ4 mm × 28 mm. Trækprøvningen blev udført ved hjælp af en SANS CMT5105 universalmaterialetestmaskine med en trækhastighed på 2 mm/min. Gennemsnitsværdien af de tre standardprøver blev beregnet som data for mekaniske egenskaber. Brætmorfologien 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 aluminiumlegering 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 blevet homogeniseret ved 560 ℃ i 6 timer, opløstes den ikke-ligevægtige eutektiske fase mellem legeringsdendritterne gradvist, legeringselementerne opløstes 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 aluminiumlegering 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 en stangens ekstruderingsudløbshastighed på 48 m/min). Der er stadig ingen ekstruderingsdefekter såsom revner og afskalning på stangens overflade, hvilket indikerer, at 6063 aluminiumslegering også har god varme ekstruderingsformningsevne under høj hastighed og stort ekstruderingsforhold.
Fig. 2 Udseende af stænger af 6063 aluminiumlegering med forskellige ekstruderingsforhold
Figur 3 viser den metallografiske mikrostruktur af det langsgående tværsnit af 6063-aluminiumlegeringsstangen med forskellige ekstruderingsforhold. Stangens kornstruktur med forskellige ekstruderingsforhold viser forskellige grader af forlængelse eller raffinering. 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 ca. 85 μm (figur 3a); når ekstruderingsforholdet er 25, trækkes kornene slankere, antallet af omkrystalliserede korn stiger, og den gennemsnitlige kornstørrelse falder til ca. 71 μm (figur 3b); når ekstruderingsforholdet er 39, er mikrostrukturen, bortset fra et lille antal deformerede korn, 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 er raffineret til ca. 41 μm (figur 3d); når ekstruderingsforholdet er 156, er mikrostrukturen mere ensartet med den dynamiske omkrystallisationsprocess fulde fremskridt, og kornstørrelsen er kraftigt raffineret til ca. 32 μm (figur 3e). Med stigende ekstruderingsforhold forløber den dynamiske omkrystallisationsproces mere fuldstændigt, legeringens mikrostruktur 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 inverse polfigurer for 6063 aluminiumslegeringsstænger med forskellige ekstruderingsforhold langs ekstruderingsretningen. Det kan ses, at mikrostrukturerne af legeringsstænger med forskellige ekstruderingsforhold alle producerer en tydelig præferentiel orientering. 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> tekstur med betydeligt 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 teksturen er dannet, viser legeringens mekaniske egenskaber ved stuetemperatur tydelig anisotropi. Teksturstyrken stiger med stigende ekstruderingsforhold, hvilket indikerer, at antallet af korn i en bestemt krystalretning parallelt med ekstruderingsretningen i legeringen gradvist stiger, og legeringens længdetrækstyrke stiger. Forstærkningsmekanismerne for 6063 aluminiumlegerings-varme ekstruderingsmaterialer omfatter finkornsforstærkning, dislokationsforstærkning, teksturforstærkning osv. Inden for de procesparametre, der anvendes i denne eksperimentelle undersøgelse, har en forøgelse af ekstruderingsforholdet en fremmende effekt på ovenstående forstærkningsmekanismer.
Fig. 4 Omvendt poldiagram for stænger af aluminiumlegering i 6063 med forskellige ekstruderingsforhold langs ekstruderingsretningen
Figur 5 er et histogram over trækstyrkeegenskaberne for 6063 aluminiumlegering efter deformation ved forskellige ekstruderingsforhold. Trækstyrken for den støbte legering er 170 MPa, og forlængelsen er 10,4%. Legeringens trækstyrke og forlængelse efter ekstrudering forbedres betydeligt, og trækstyrken og forlængelsen stiger gradvist med stigende ekstruderingsforhold. Når ekstruderingsforholdet er 156, når legeringens trækstyrke og forlængelse den maksimale værdi, som er henholdsvis 228 MPa og 26,9%, hvilket er ca. 34% højere end trækstyrken for den støbte legering og ca. 158% højere end forlængelsen. Trækstyrken for 6063 aluminiumlegering opnået ved et stort ekstruderingsforhold er tæt på trækstyrkeværdien (240 MPa) opnået ved 4-passage ligekanalvinkelekstrudering (ECAP), hvilket er meget højere end trækstyrkeværdien (171,1 MPa) opnået ved 1-passage ECAP-ekstrudering af 6063 aluminiumlegering. Det kan ses, at et stort ekstruderingsforhold kan forbedre legeringens mekaniske egenskaber i et vist omfang.
Forbedringen af legeringens mekaniske egenskaber ved ekstruderingsforholdet kommer hovedsageligt fra styrkelse af kornforfining. Når ekstruderingsforholdet stiger, forfines kornene, og dislokationstætheden øges. Flere korngrænser pr. arealenhed kan effektivt hindre dislokationernes bevægelse kombineret med den gensidige bevægelse og sammenfiltring af dislokationer, hvorved legeringens styrke forbedres. Jo finere kornene er, desto mere snoede er korngrænserne, og den plastiske deformation kan spredes i flere korn, hvilket ikke er befordrende for dannelsen af revner, endsige spredningen af revner. Mere energi kan absorberes under brudprocessen, hvorved legeringens plasticitet forbedres.
Fig. 5 Trækfasthedsegenskaber for 6063 aluminiumlegering efter støbning og ekstrudering
Legeringens trækbrudmorfologi efter deformation med forskellige ekstruderingsforhold er vist i figur 6. Der blev ikke fundet nogen fordybninger i brudmorfologien af den støbte prøve (figur 6a), og bruddet bestod hovedsageligt af flade områder og rivekanter, hvilket indikerer, at trækbrudmekanismen for den støbte legering hovedsageligt var sprødbrud. Legeringens brudmorfologi efter ekstrudering har ændret sig betydeligt, og bruddet består af et stort antal ligeaksede fordybninger, hvilket indikerer, at legeringens brudmekanisme efter ekstrudering har ændret sig fra sprødbrud til duktilt brud. Når ekstruderingsforholdet er lille, er fordybningerne overfladiske, og fordybningsstørrelsen er stor, og fordelingen er ujævn; når ekstruderingsforholdet stiger, øges antallet af fordybninger, fordybningsstørrelsen er mindre, og fordelingen er ensartet (figur 6b~f), hvilket betyder, at legeringen har bedre plasticitet, hvilket er i overensstemmelse med ovenstående resultater af de mekaniske egenskaber.
3 Konklusion
I dette eksperiment blev virkningerne af forskellige ekstruderingsforhold på mikrostrukturen og egenskaberne af 6063 aluminiumlegering analyseret under den betingelse, at barrens størrelse, opvarmningstemperaturen for barren og ekstruderingshastigheden forblev uændrede. Konklusionerne er som følger:
1) Dynamisk omkrystallisation forekommer i 6063 aluminiumlegering under varme ekstrudering. Med stigende ekstruderingsforhold raffineres kornene kontinuerligt, og kornene, der forlænges langs ekstruderingsretningen, omdannes til ligeaksede omkrystalliserede korn, og styrken af <100> trådteksturen øges kontinuerligt.
2) På grund af effekten af finkornsforstærkning forbedres legeringens mekaniske egenskaber med stigende ekstruderingsforhold. Inden for testparametrenes område, når ekstruderingsforholdet er 156, når legeringens trækstyrke og forlængelse maksimale værdier på henholdsvis 228 MPa og 26,9%.
Fig. 6 Trækbrudmorfologier af 6063 aluminiumlegering efter støbning og ekstrudering
3) Brudmorfologien af den støbte prøve består af flade områder og revnekanter. Efter ekstrudering består bruddet af et stort antal ligeaksede fordybninger, og brudmekanismen transformeres fra sprødbrud til duktilt brud.
Opslagstidspunkt: 30. november 2024
