6063 alumīnija sakausējums pieder pie mazleģētā Al-Mg-Si sērijas termiski apstrādājamā alumīnija sakausējuma. Tam ir lieliska ekstrūzijas formēšanas veiktspēja, laba izturība pret koroziju un visaptverošas mehāniskās īpašības. To plaši izmanto arī autobūves nozarē, pateicoties tā vieglajai oksidēšanās krāsojumam. Līdz ar vieglo automobiļu tendences paātrināšanos, 6063 alumīnija sakausējuma ekstrūzijas materiālu pielietojums autobūves nozarē ir vēl vairāk palielinājies.
Ekstrudēto materiālu mikrostruktūru un īpašības ietekmē ekstrūzijas ātruma, ekstrūzijas temperatūras un ekstrūzijas attiecības kombinētā ietekme. Ekstrūzijas attiecību galvenokārt nosaka ekstrūzijas spiediens, ražošanas efektivitāte un ražošanas iekārtas. Ja ekstrūzijas attiecība ir maza, sakausējuma deformācija ir neliela un mikrostruktūras smalkums nav acīmredzams; palielinot ekstrūzijas attiecību, var ievērojami smalkināt graudus, sadalīt rupjo otro fāzi, iegūt vienmērīgu mikrostruktūru un uzlabot sakausējuma mehāniskās īpašības.
6061 un 6063 alumīnija sakausējumi ekstrūzijas procesā dinamiski pārkristalizējas. Kad ekstrūzijas temperatūra ir nemainīga, palielinoties ekstrūzijas koeficientam, graudu izmērs samazinās, stiprināšanas fāze ir smalki izkliedēta, un attiecīgi palielinās sakausējuma stiepes izturība un pagarinājums; tomēr, palielinoties ekstrūzijas koeficientam, palielinās arī ekstrūzijas procesam nepieciešamais ekstrūzijas spēks, izraisot lielāku termisko efektu, kā rezultātā sakausējuma iekšējā temperatūra paaugstinās un produkta veiktspēja samazinās. Šajā eksperimentā tiek pētīta ekstrūzijas koeficienta, īpaši liela ekstrūzijas koeficienta, ietekme uz 6063 alumīnija sakausējuma mikrostruktūru un mehāniskajām īpašībām.
1 Eksperimentālie materiāli un metodes
Eksperimentālais materiāls ir 6063 alumīnija sakausējums, un tā ķīmiskais sastāvs ir parādīts 1. tabulā. Sākotnējais lietņa izmērs ir Φ55 mm × 165 mm, un pēc homogenizācijas apstrādes 560 ℃ temperatūrā 6 stundas tas tiek apstrādāts ekstrūzijas sagatavē ar izmēru Φ50 mm × 150 mm. Sagatavi uzkarsē līdz 470 ℃ un tur siltumā. Ekstrūzijas mucas uzsildīšanas temperatūra ir 420 ℃, un veidnes uzsildīšanas temperatūra ir 450 ℃. Kad ekstrūzijas ātrums (ekstrūzijas stieņa kustības ātrums) V = 5 mm/s paliek nemainīgs, tiek veiktas 5 dažādu ekstrūzijas attiecību testu grupas, un ekstrūzijas attiecības R ir 17 (atbilst veidnes cauruma diametram D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) un 156 (D = 4 mm).
1. tabula. 6063 Al sakausējuma ķīmiskais sastāvs (svara procentos).
Pēc slīpēšanas ar smilšpapīru un mehāniskās pulēšanas metalogrāfiskie paraugi tika kodināti ar HF reaģentu ar 40% tilpuma daļu aptuveni 25 sekundes, un paraugu metalogrāfiskā struktūra tika novērota ar LEICA-5000 optisko mikroskopu. No ekstrudētā stieņa garengriezuma centra tika izgriezts tekstūras analīzes paraugs ar izmēru 10 mm × 10 mm, un tika veikta mehāniska slīpēšana un kodināšana, lai noņemtu virsmas sprieguma slāni. Parauga trīs kristāla plakņu {111}, {200} un {220} nepilnīgās polu figūras tika mērītas ar PANalytical Company X′Pert Pro MRD rentgenstaru difrakcijas analizatoru, un tekstūras dati tika apstrādāti un analizēti ar X′Pert Data View un X′Pert Texture programmatūru.
Lietā sakausējuma stiepes paraugs tika ņemts no lietņa centra, un pēc ekstrūzijas stiepes paraugs tika sagriezts ekstrūzijas virzienā. Mērlaukuma izmērs bija Φ4 mm × 28 mm. Stiepes pārbaude tika veikta, izmantojot universālu materiālu pārbaudes iekārtu SANS CMT5105 ar stiepes ātrumu 2 mm/min. Trīs standarta paraugu vidējā vērtība tika aprēķināta kā mehānisko īpašību dati. Stiepes paraugu lūzuma morfoloģija tika novērota, izmantojot zema palielinājuma skenējošo elektronu mikroskopu (Quanta 2000, FEI, ASV).
2 Rezultāti un diskusija
1. attēlā redzama lietotā 6063 alumīnija sakausējuma metalogrāfiskā mikrostruktūra pirms un pēc homogenizācijas apstrādes. Kā parādīts 1.a attēlā, lietotā mikrostruktūras α-Al graudi atšķiras pēc izmēra, graudu robežās ir sakrājies liels skaits retikulāru β-Al9Fe2Si2 fāžu, un graudu iekšpusē ir liels skaits granulētu Mg2Si fāžu. Pēc tam, kad lietnis tika homogenizēts 560 ℃ temperatūrā 6 stundas, nevienlīdzīgā eitektiskā fāze starp sakausējuma dendrītiem pakāpeniski izšķīda, sakausējuma elementi izšķīda matricā, mikrostruktūra bija vienmērīga, un vidējais graudu izmērs bija aptuveni 125 μm (1.b attēls).
Pirms homogenizācijas
Pēc vienveidīgas apstrādes 600°C temperatūrā 6 stundas
1. attēls. 6063 alumīnija sakausējuma metalogrāfiskā struktūra pirms un pēc homogenizācijas apstrādes.
2. attēlā parādīts 6063 alumīnija sakausējuma stieņu izskats ar dažādām ekstrūzijas attiecībām. Kā parādīts 2. attēlā, 6063 alumīnija sakausējuma stieņu, kas ekstrudēti ar dažādām ekstrūzijas attiecībām, virsmas kvalitāte ir laba, īpaši, ja ekstrūzijas attiecība tiek palielināta līdz 156 (atbilst stieņa ekstrūzijas izejas ātrumam 48 m/min), stieņa virsmā joprojām nav ekstrūzijas defektu, piemēram, plaisu un lobīšanās, kas norāda, ka 6063 alumīnija sakausējumam ir arī labas karstās ekstrūzijas formēšanas īpašības lielā ātrumā un lielā ekstrūzijas attiecībā.
2. attēls. 6063 alumīnija sakausējuma stieņu izskats ar dažādiem ekstrūzijas koeficientiem.
3. attēlā redzama 6063 alumīnija sakausējuma stieņa garengriezuma metalogrāfiskā mikrostruktūra ar dažādām ekstrūzijas attiecībām. Stieņa graudu struktūra ar dažādām ekstrūzijas attiecībām uzrāda dažādas pagarinājuma vai izsmalcinātības pakāpes. Ja ekstrūzijas attiecība ir 17, sākotnējie graudi tiek pagarināti ekstrūzijas virzienā, veidojoties nelielam skaitam rekristalizētu graudu, taču graudi joprojām ir relatīvi rupji, ar vidējo graudu izmēru aptuveni 85 μm (3.a attēls); ja ekstrūzijas attiecība ir 25, graudi tiek izstiepti tievāki, rekristalizēto graudu skaits palielinās, un vidējais graudu izmērs samazinās līdz aptuveni 71 μm (3.b attēls); ja ekstrūzijas attiecība ir 39, izņemot nelielu skaitu deformētu graudu, mikrostruktūra pamatā sastāv no vienāda izmēra rekristalizētiem graudiem ar vidējo graudu izmēru aptuveni 60 μm (3.c attēls). Kad ekstrūzijas koeficients ir 69, dinamiskā pārkristalizācijas process būtībā ir pabeigts, rupjie sākotnējie graudi ir pilnībā pārveidoti vienmērīgi strukturētos pārkristalizētos graudos, un vidējais graudu izmērs ir precizēts līdz aptuveni 41 μm (3.d attēls); kad ekstrūzijas koeficients ir 156, dinamiskās pārkristalizācijas procesam pilnībā progresējot, mikrostruktūra ir vienmērīgāka, un graudu izmērs ir ievērojami precizēts līdz aptuveni 32 μm (3.e attēls). Palielinoties ekstrūzijas koeficientam, dinamiskās pārkristalizācijas process norit pilnīgāk, sakausējuma mikrostruktūra kļūst vienmērīgāka, un graudu izmērs ir ievērojami precizēts (3.f attēls).
3. attēls. 6063 alumīnija sakausējuma stieņu garengriezuma metalogrāfiskā struktūra un graudu izmērs ar dažādiem ekstrūzijas koeficientiem.
4. attēlā parādīti 6063 alumīnija sakausējuma stieņu apgriezto polu attēli ar dažādām ekstrūzijas attiecībām ekstrūzijas virzienā. Var redzēt, ka sakausējuma stieņu mikrostruktūras ar dažādām ekstrūzijas attiecībām rada acīmredzamu preferenciālu orientāciju. Kad ekstrūzijas attiecība ir 17, veidojas vājāka <115>+<100> tekstūra (4.a attēls); kad ekstrūzijas attiecība ir 39, tekstūras komponenti galvenokārt ir spēcīgāka <100> tekstūra un neliels daudzums vājas <115> tekstūras (4.b attēls); kad ekstrūzijas attiecība ir 156, tekstūras komponenti ir <100> tekstūra ar ievērojami palielinātu izturību, savukārt <115> tekstūra izzūd (4.c attēls). Pētījumi ir parādījuši, ka uz virsmas centrēti kubiskie metāli ekstrūzijas un stiepšanas laikā galvenokārt veido <111> un <100> stiepļu tekstūras. Kad tekstūra ir izveidojusies, sakausējuma mehāniskās īpašības istabas temperatūrā uzrāda acīmredzamu anizotropiju. Tekstūras izturība palielinās, palielinoties ekstrūzijas koeficientam, kas norāda, ka sakausējumā pakāpeniski palielinās graudu skaits noteiktā kristāla virzienā, kas ir paralēls ekstrūzijas virzienam, un palielinās sakausējuma gareniskā stiepes izturība. 6063 alumīnija sakausējuma karstās ekstrūzijas materiālu stiprināšanas mehānismi ietver smalkgraudu stiprināšanu, dislokācijas stiprināšanu, tekstūras stiprināšanu utt. Šajā eksperimentālajā pētījumā izmantoto procesa parametru diapazonā ekstrūzijas attiecības palielināšanai ir veicinoša ietekme uz iepriekš minētajiem stiprināšanas mehānismiem.
4. attēls. 6063 alumīnija sakausējuma stieņu apgrieztā pola diagramma ar dažādiem ekstrūzijas koeficientiem ekstrūzijas virzienā.
5. attēlā redzama 6063 alumīnija sakausējuma stiepes īpašību histogramma pēc deformācijas dažādos ekstrūzijas koeficientos. Lietā sakausējuma stiepes izturība ir 170 MPa, un pagarinājums ir 10,4%. Sakausējuma stiepes izturība un pagarinājums pēc ekstrūzijas ir ievērojami uzlabojušies, un stiepes izturība un pagarinājums pakāpeniski palielinās, palielinoties ekstrūzijas koeficientam. Kad ekstrūzijas koeficients ir 156, sakausējuma stiepes izturība un pagarinājums sasniedz maksimālo vērtību, kas ir attiecīgi 228 MPa un 26,9%, kas ir aptuveni par 34% augstāka nekā lietā sakausējuma stiepes izturība un aptuveni par 158% augstāka nekā pagarinājums. 6063 alumīnija sakausējuma stiepes izturība, kas iegūta ar lielu ekstrūzijas koeficientu, ir tuvu stiepes izturības vērtībai (240 MPa), kas iegūta ar 4 caurlaides vienāda kanāla leņķisko ekstrūziju (ECAP), kas ir daudz augstāka nekā stiepes izturības vērtība (171,1 MPa), kas iegūta ar 6063 alumīnija sakausējuma 1 caurlaides ECAP ekstrūziju. Var redzēt, ka liels ekstrūzijas koeficients zināmā mērā var uzlabot sakausējuma mehāniskās īpašības.
Sakausējuma mehānisko īpašību uzlabošana, pateicoties ekstrūzijas koeficientam, galvenokārt rodas, pastiprinot graudu smalkošanu. Palielinoties ekstrūzijas koeficientam, graudi tiek smalki un palielinās dislokāciju blīvums. Vairāk graudu robežu uz laukuma vienību var efektīvi kavēt dislokāciju kustību, apvienojumā ar dislokāciju savstarpējo kustību un sapīšanos, tādējādi uzlabojot sakausējuma izturību. Jo smalkāki graudi, jo līkumotākas ir graudu robežas, un plastiskā deformācija var tikt izkliedēta vairākos graudos, kas neveicina plaisu veidošanos, nemaz nerunājot par plaisu izplatīšanos. Lūzuma procesā var absorbēt vairāk enerģijas, tādējādi uzlabojot sakausējuma plastiskumu.
5. attēls. 6063 alumīnija sakausējuma stiepes īpašības pēc liešanas un ekstrūzijas.
Sakausējuma stiepes lūzuma morfoloģija pēc deformācijas ar dažādiem ekstrūzijas koeficientiem ir parādīta 6. attēlā. Lietā parauga lūzuma morfoloģijā netika konstatētas iedobes (6.a attēls), un lūzums galvenokārt sastāvēja no plakanām zonām un plīsušām malām, kas norāda, ka lietā sakausējuma stiepes lūzuma mehānisms galvenokārt bija trausls lūzums. Sakausējuma lūzuma morfoloģija pēc ekstrūzijas ir ievērojami mainījusies, un lūzums sastāv no liela skaita vienāda veida bedrīšu, kas norāda, ka sakausējuma lūzuma mehānisms pēc ekstrūzijas ir mainījies no trausla lūzuma uz elastīgu lūzumu. Ja ekstrūzijas koeficients ir mazs, bedrītes ir seklas, bedrīšu izmērs ir liels un to sadalījums ir nevienmērīgs; palielinoties ekstrūzijas koeficientam, bedrīšu skaits palielinās, bedrīšu izmērs ir mazāks un sadalījums ir vienmērīgs (6.b–f attēls), kas nozīmē, ka sakausējumam ir labāka plastiskums, kas atbilst iepriekš minētajiem mehānisko īpašību testa rezultātiem.
3 Secinājums
Šajā eksperimentā tika analizēta dažādu ekstrūzijas attiecību ietekme uz 6063 alumīnija sakausējuma mikrostruktūru un īpašībām, ja sagataves izmērs, lietņa sildīšanas temperatūra un ekstrūzijas ātrums nemainās. Secinājumi ir šādi:
1) Karstās ekstrūzijas laikā 6063 alumīnija sakausējumā notiek dinamiska pārkristalizācija. Palielinoties ekstrūzijas koeficientam, graudi tiek nepārtraukti attīrīti, un graudi, kas izstiepti ekstrūzijas virzienā, tiek pārveidoti par vienāda veida pārkristalizētiem graudiem, un <100> stieples tekstūras izturība nepārtraukti palielinās.
2) Sīkgraudainas stiprināšanas efekta dēļ sakausējuma mehāniskās īpašības uzlabojas, palielinoties ekstrūzijas koeficientam. Testa parametru diapazonā, kad ekstrūzijas koeficients ir 156, sakausējuma stiepes izturība un pagarinājums sasniedz maksimālās vērtības attiecīgi 228 MPa un 26,9%.
6. attēls. 6063 alumīnija sakausējuma stiepes lūzuma morfoloģija pēc liešanas un ekstrūzijas.
3) Lietā parauga lūzuma morfoloģiju veido plakani laukumi un plīsuma malas. Pēc ekstrūzijas lūzums sastāv no liela skaita vienāda veida bedrīšu, un lūzuma mehānisms mainās no trausla lūzuma uz elastīgu lūzumu.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 30. novembris
