Aluminijska legura 6063 pripada niskolegiranoj Al-Mg-Si seriji termički obrađenih aluminijskih legura. Ima odlične 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 utiču kombinovani efekti brzine ekstruzije, temperature ekstruzije i stepena ekstruzije. Među njima, stepen ekstruzije uglavnom određuje pritisak ekstruzije, efikasnost proizvodnje i proizvodna oprema. Kada je stepen ekstruzije mali, deformacija legure je mala i pročišćavanje mikrostrukture nije očigledno; povećanje stepena ekstruzije može značajno pročistiti zrna, razbiti grubu drugu fazu, dobiti ujednačenu mikrostrukturu i poboljšati mehanička svojstva legure.
Aluminijumske legure 6061 i 6063 podliježu dinamičkoj rekristalizaciji tokom procesa ekstruzije. Kada je temperatura ekstruzije konstantna, kako se omjer ekstruzije povećava, veličina zrna se smanjuje, faza ojačanja se fino disperguje, a zatezna čvrstoća i izduženje legure se shodno tome povećavaju; međutim, kako se omjer ekstruzije povećava, povećava se i sila ekstruzije potrebna za proces ekstruzije, što uzrokuje veći termički efekat, što dovodi do porasta unutrašnje temperature legure i smanjenja performansi proizvoda. Ovaj eksperiment proučava uticaj omjera ekstruzije, posebno velikog omjera ekstruzije, na mikrostrukturu i mehanička svojstva aluminijumske legure 6063.
1 Eksperimentalni materijali i metode
Eksperimentalni materijal je legura aluminija 6063, a hemijski sastav je prikazan u Tabeli 1. Originalna veličina ingota je Φ55 mm × 165 mm, i prerađuje se u ekstruzijsku gredicu veličine Φ50 mm × 150 mm nakon homogenizacije na 560 ℃ tokom 6 sati. 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 kretanja ekstruzijske šipke) V=5 mm/s ostane nepromijenjena, provedeno je 5 grupa testova različitih omjera ekstruzije, a omjeri ekstruzije R su 17 (što odgovara prečniku otvora matrice D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) i 156 (D=4 mm).
Tabela 1 Hemijski sastav legure 6063 Al (tež./%)
Nakon brušenja brusnim papirom i mehaničkog poliranja, metalografski uzorci su nagrizeni HF reagensom sa volumskim udjelom od 40% tokom oko 25 sekundi, a metalografska struktura uzoraka je posmatrana na optičkom mikroskopu LEICA-5000. Uzorak za analizu teksture veličine 10 mm × 10 mm je izrezan iz središta uzdužnog presjeka ekstrudirane šipke, a mehaničko brušenje i nagrizanje su izvršeni kako bi se uklonio sloj površinskog napona. Nepotpune polarne figure tri kristalne ravni {111}, {200} i {220} uzorka su izmjerene pomoću X′Pert Pro MRD rendgenskog difrakcijskog analizatora kompanije PANalytical, a podaci o teksturi su obrađeni i analizirani pomoću softvera X′Pert Data View i X′Pert Texture.
Uzorak za zatezanje lijevane legure uzet je iz središta ingota, a uzorak za zatezanje je nakon ekstruzije izrezan duž smjera ekstruzije. Veličina mjerne površine bila je Φ4 mm × 28 mm. Ispitivanje zatezanjem provedeno je korištenjem univerzalne mašine za ispitivanje materijala SANS CMT5105 s brzinom zatezanja od 2 mm/min. Prosječna vrijednost tri standardna uzorka izračunata je kao podatak o mehaničkim svojstvima. Morfologija loma uzoraka za zatezanje promatrana je pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa s malim uvećanjem (Quanta 2000, FEI, SAD).
2 Rezultati i diskusija
Slika 1 prikazuje metalografsku mikrostrukturu lijevane aluminijske legure 6063 prije i nakon homogenizacije. Kao što je prikazano na slici 1a, α-Al zrna 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 ℃ tokom 6 sati, neravnotežna eutektička faza između dendrita legure se postepeno otopila, elementi legure su se otopili 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 tokom 6 sati
Sl.1 Metalografska struktura aluminijske legure 6063 prije i poslije homogenizacije
Slika 2 prikazuje izgled šipki od aluminijske legure 6063 s različitim omjerima ekstruzije. Kao što je prikazano na slici 2, kvalitet površine šipki od aluminijske legure 6063 ekstrudiranih s različitim omjerima ekstruzije je dobar, 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 oblikovanja vrućom ekstruzijom 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, originalna zrna su izdužena duž smjera ekstruzije, uz formiranje malog broja rekristaliziranih zrna, ali su zrna 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 originalna 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 se odvija 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 očiglednu 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 teksture žice <111> i <100> tokom ekstruzije i izvlačenja. Nakon što se tekstura formira, mehanička svojstva legure na sobnoj temperaturi pokazuju očiglednu anizotropiju. Teksturna čvrstoća se povećava s povećanjem omjera ekstruzije, što ukazuje na to da se broj zrna u određenom kristalnom smjeru paralelnom smjeru ekstruzije u leguri postepeno povećava, a uzdužna zatezna čvrstoća legure se povećava. Mehanizmi ojačavanja 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 promotivni učinak na gore navedene mehanizme ojačavanja.
Sl.4 Dijagram obrnutog pola šipki od aluminijske legure 6063 s različitim omjerima ekstruzije duž smjera ekstruzije
Slika 5 je histogram zateznih svojstava aluminijske legure 6063 nakon deformacije pri različitim omjerima ekstruzije. Zatezna čvrstoća lijevane legure iznosi 170 MPa, a izduženje 10,4%. Zatezna čvrstoća i izduženje legure nakon ekstruzije značajno su poboljšani, a zatezna čvrstoća i izduženje postepeno se povećavaju s povećanjem omjera ekstruzije. Kada je omjer ekstruzije 156, zatezna čvrstoća i izduženje legure dostižu maksimalnu vrijednost, koja iznosi 228 MPa odnosno 26,9%, što je oko 34% više od zatezne čvrstoće lijevane legure i oko 158% više od izduženja. Zatezna čvrstoća aluminijske legure 6063 dobivena velikim omjerom ekstruzije blizu je vrijednosti zatezne čvrstoće (240 MPa) dobivene četveroprolaznom kutnom ekstruzijom s jednakim kanalima (ECAP), koja je znatno veća od vrijednosti zatezne 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 putem omjera 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 efikasno ometati kretanje dislokacija, u kombinaciji s međusobnim kretanjem i ispreplitanjem dislokacija, čime se poboljšava čvrstoća legure. Što su zrna finija, granice zrna su vijugavije, a plastična deformacija se može raspršiti u više zrna, što ne pogoduje stvaranju pukotina, a kamoli širenju pukotina. Tokom procesa loma može se apsorbirati više energije, čime se poboljšava plastičnost legure.
Sl. 5 Zatezna svojstva aluminijske legure 6063 nakon lijevanja i ekstruzije
Morfologija zateznog 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 zateznog 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, veličina udubljenja velika, a raspodjela neravnomjerna; kako se omjer ekstruzije povećava, broj udubljenja se povećava, veličina udubljenja je manja, a raspodjela je ujednačena (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 efekti različitih omjera ekstruzije na mikrostrukturu i svojstva aluminijske legure 6063 pod uslovom da veličina trupca, temperatura zagrijavanja ingota i brzina ekstruzije ostanu nepromijenjeni. Zaključci su sljedeći:
1) Dinamička rekristalizacija se javlja u leguri aluminija 6063 tokom 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> se kontinuirano povećava.
2) Zbog efekta ojačavanja finim zrnima, mehanička svojstva legure se poboljšavaju s povećanjem omjera ekstruzije. Unutar raspona parametara ispitivanja, kada je omjer ekstruzije 156, zatezna čvrstoća i izduženje legure dostižu maksimalne vrijednosti od 228 MPa i 26,9%, respektivno.
Sl.6 Morfologija zateznog 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. novembar 2024.
