Το κράμα αλουμινίου 6063 ανήκει στην κατηγορία των κραμάτων αλουμινίου χαμηλής περιεκτικότητας σε κράμα Al-Mg-Si, τα οποία μπορούν να υποστούν θερμική επεξεργασία. Έχει εξαιρετική απόδοση χύτευσης με εξώθηση, καλή αντοχή στη διάβρωση και ολοκληρωμένες μηχανικές ιδιότητες. Χρησιμοποιείται επίσης ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία λόγω του εύκολου χρωματισμού της με οξείδωση. Με την επιτάχυνση της τάσης των ελαφρών αυτοκινήτων, η εφαρμογή υλικών εξώθησης από κράμα αλουμινίου 6063 στην αυτοκινητοβιομηχανία έχει επίσης αυξηθεί περαιτέρω.
Η μικροδομή και οι ιδιότητες των εξωθημένων υλικών επηρεάζονται από τις συνδυασμένες επιδράσεις της ταχύτητας εξώθησης, της θερμοκρασίας εξώθησης και του λόγου εξώθησης. Μεταξύ αυτών, ο λόγος εξώθησης καθορίζεται κυρίως από την πίεση εξώθησης, την αποδοτικότητα παραγωγής και τον εξοπλισμό παραγωγής. Όταν ο λόγος εξώθησης είναι μικρός, η παραμόρφωση του κράματος είναι μικρή και η βελτίωση της μικροδομής δεν είναι εμφανής. Η αύξηση του λόγου εξώθησης μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τους κόκκους, να διασπάσει τη χονδροειδή δεύτερη φάση, να επιτύχει μια ομοιόμορφη μικροδομή και να βελτιώσει τις μηχανικές ιδιότητες του κράματος.
Τα κράματα αλουμινίου 6061 και 6063 υφίστανται δυναμική ανακρυστάλλωση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εξώθησης. Όταν η θερμοκρασία εξώθησης είναι σταθερή, καθώς αυξάνεται ο λόγος εξώθησης, το μέγεθος των κόκκων μειώνεται, η φάση ενίσχυσης διασπείρεται λεπτώς και η αντοχή σε εφελκυσμό και η επιμήκυνση του κράματος αυξάνονται ανάλογα. Ωστόσο, καθώς αυξάνεται ο λόγος εξώθησης, αυξάνεται και η δύναμη εξώθησης που απαιτείται για τη διαδικασία εξώθησης, προκαλώντας μεγαλύτερη θερμική επίδραση, προκαλώντας αύξηση της εσωτερικής θερμοκρασίας του κράματος και μείωση της απόδοσης του προϊόντος. Αυτό το πείραμα μελετά την επίδραση του λόγου εξώθησης, ιδιαίτερα του μεγάλου λόγου εξώθησης, στη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητες του κράματος αλουμινίου 6063.
1 Πειραματικά υλικά και μέθοδοι
Το πειραματικό υλικό είναι κράμα αλουμινίου 6063 και η χημική σύνθεση παρουσιάζεται στον Πίνακα 1. Το αρχικό μέγεθος του πλινθώματος είναι Φ55 mm×165 mm και υποβάλλεται σε επεξεργασία σε μπιγιέτα εξώθησης μεγέθους Φ50 mm×150 mm μετά από ομογενοποίηση στους 560 ℃ για 6 ώρες. Το μπιγιέτα θερμαίνεται στους 470 ℃ και διατηρείται ζεστό. Η θερμοκρασία προθέρμανσης του κυλίνδρου εξώθησης είναι 420 ℃ και η θερμοκρασία προθέρμανσης του καλουπιού είναι 450 ℃. Όταν η ταχύτητα εξώθησης (ταχύτητα κίνησης της ράβδου εξώθησης) V=5 mm/s παραμένει αμετάβλητη, διεξάγονται 5 ομάδες διαφορετικών δοκιμών λόγου εξώθησης και οι λόγοι εξώθησης R είναι 17 (που αντιστοιχεί στη διάμετρο της οπής της μήτρας D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) και 156 (D=4 mm).
Πίνακας 1 Χημικές συνθέσεις κράματος Al 6063 (β/%)
Μετά την λείανση με γυαλόχαρτο και τη μηχανική στίλβωση, τα μεταλλογραφικά δείγματα χαράχτηκαν με αντιδραστήριο HF με κλάσμα όγκου 40% για περίπου 25 δευτερόλεπτα και η μεταλλογραφική δομή των δειγμάτων παρατηρήθηκε σε οπτικό μικροσκόπιο LEICA-5000. Ένα δείγμα ανάλυσης υφής μεγέθους 10 mm×10 mm κόπηκε από το κέντρο της διαμήκους τομής της εξωθημένης ράβδου και πραγματοποιήθηκε μηχανική λείανση και χάραξη για την αφαίρεση του επιφανειακού στρώματος τάσης. Τα ατελή σχήματα πόλων των τριών κρυσταλλικών επιπέδων {111}, {200} και {220} του δείγματος μετρήθηκαν από τον αναλυτή περίθλασης ακτίνων Χ X′Pert Pro MRD της PANalytical Company και τα δεδομένα υφής υποβλήθηκαν σε επεξεργασία και αναλύθηκαν από τα λογισμικά X′Pert Data View και X′Pert Texture.
Το δείγμα εφελκυσμού του χυτού κράματος ελήφθη από το κέντρο του πλινθώματος και το δείγμα εφελκυσμού κόπηκε κατά μήκος της κατεύθυνσης εξώθησης μετά την εξώθηση. Το μέγεθος της επιφάνειας μέτρησης ήταν Φ4 mm×28 mm. Η δοκιμή εφελκυσμού πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μια μηχανή δοκιμής υλικών γενικής χρήσης SANS CMT5105 με ρυθμό εφελκυσμού 2 mm/min. Η μέση τιμή των τριών τυποποιημένων δειγμάτων υπολογίστηκε ως δεδομένα μηχανικών ιδιοτήτων. Η μορφολογία θραύσης των δειγμάτων εφελκυσμού παρατηρήθηκε χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης χαμηλής μεγέθυνσης (Quanta 2000, FEI, ΗΠΑ).
2 Αποτελέσματα και συζήτηση
Το Σχήμα 1 δείχνει τη μεταλλογραφική μικροδομή του χυτού κράματος αλουμινίου 6063 πριν και μετά την επεξεργασία ομογενοποίησης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1α, οι κόκκοι α-Al στη χυτή μικροδομή ποικίλλουν σε μέγεθος, ένας μεγάλος αριθμός δικτυωτών φάσεων β-Al9Fe2Si2 συγκεντρώνεται στα όρια των κόκκων και ένας μεγάλος αριθμός κοκκωδών φάσεων Mg2Si υπάρχει μέσα στους κόκκους. Μετά την ομογενοποίηση του πλινθώματος στους 560 ℃ για 6 ώρες, η μη ισορροπίας ευτηκτική φάση μεταξύ των δενδριτών του κράματος διαλύθηκε σταδιακά, τα στοιχεία του κράματος διαλύθηκαν στη μήτρα, η μικροδομή ήταν ομοιόμορφη και το μέσο μέγεθος κόκκων ήταν περίπου 125 μm (Σχήμα 1β).
Πριν από την ομογενοποίηση
Μετά από ομοιογενή επεξεργασία στους 600°C για 6 ώρες
Σχήμα 1 Μεταλλογραφική δομή κράματος αλουμινίου 6063 πριν και μετά την επεξεργασία ομογενοποίησης
Το Σχήμα 2 δείχνει την εμφάνιση ράβδων από κράμα αλουμινίου 6063 με διαφορετικές αναλογίες εξώθησης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, η ποιότητα της επιφάνειας των ράβδων από κράμα αλουμινίου 6063 που εξωθούνται με διαφορετικές αναλογίες εξώθησης είναι καλή, ειδικά όταν η αναλογία εξώθησης αυξάνεται σε 156 (που αντιστοιχεί σε ταχύτητα εξόδου εξώθησης ράβδου 48 m/min), εξακολουθούν να μην υπάρχουν ελαττώματα εξώθησης όπως ρωγμές και ξεφλούδισμα στην επιφάνεια της ράβδου, γεγονός που υποδηλώνει ότι το κράμα αλουμινίου 6063 έχει επίσης καλή απόδοση διαμόρφωσης θερμής εξώθησης υπό υψηλή ταχύτητα και μεγάλη αναλογία εξώθησης.
Σχήμα 2 Εμφάνιση ράβδων κράματος αλουμινίου 6063 με διαφορετικές αναλογίες εξώθησης
Το Σχήμα 3 δείχνει τη μεταλλογραφική μικροδομή της διαμήκους τομής της ράβδου από κράμα αλουμινίου 6063 με διαφορετικούς λόγους εξώθησης. Η δομή των κόκκων της ράβδου με διαφορετικούς λόγους εξώθησης παρουσιάζει διαφορετικούς βαθμούς επιμήκυνσης ή βελτίωσης. Όταν ο λόγος εξώθησης είναι 17, οι αρχικοί κόκκοι επιμηκύνονται κατά μήκος της κατεύθυνσης εξώθησης, συνοδευόμενοι από το σχηματισμό ενός μικρού αριθμού ανακρυσταλλωμένων κόκκων, αλλά οι κόκκοι εξακολουθούν να είναι σχετικά χονδροειδείς, με μέσο μέγεθος κόκκων περίπου 85 μm (Σχήμα 3α). όταν ο λόγος εξώθησης είναι 25, οι κόκκοι γίνονται πιο λεπτοί, ο αριθμός των ανακρυσταλλωμένων κόκκων αυξάνεται και το μέσο μέγεθος κόκκων μειώνεται σε περίπου 71 μm (Σχήμα 3β). όταν ο λόγος εξώθησης είναι 39, εκτός από έναν μικρό αριθμό παραμορφωμένων κόκκων, η μικροδομή αποτελείται βασικά από ισοαξονικούς ανακρυσταλλωμένους κόκκους ανομοιόμορφου μεγέθους, με μέσο μέγεθος κόκκων περίπου 60 μm (Σχήμα 3γ). Όταν ο λόγος εξώθησης είναι 69, η διαδικασία δυναμικής ανακρυστάλλωσης έχει ουσιαστικά ολοκληρωθεί, οι χονδροειδείς αρχικοί κόκκοι έχουν μετατραπεί πλήρως σε ομοιόμορφα δομημένους ανακρυσταλλωμένους κόκκους και το μέσο μέγεθος κόκκων έχει βελτιωθεί σε περίπου 41 μm (Σχήμα 3δ). Όταν ο λόγος εξώθησης είναι 156, με την πλήρη πρόοδο της δυναμικής διαδικασίας ανακρυστάλλωσης, η μικροδομή είναι πιο ομοιόμορφη και το μέγεθος κόκκων έχει βελτιωθεί σημαντικά σε περίπου 32 μm (Σχήμα 3ε). Με την αύξηση του λόγου εξώθησης, η διαδικασία δυναμικής ανακρυστάλλωσης προχωρά πληρέστερα, η μικροδομή του κράματος γίνεται πιο ομοιόμορφη και το μέγεθος κόκκων έχει βελτιωθεί σημαντικά (Σχήμα 3στ).
Σχήμα 3 Μεταλλογραφική δομή και μέγεθος κόκκων διαμήκους διατομής ράβδων κράματος αλουμινίου 6063 με διαφορετικούς λόγους εξώθησης
Το Σχήμα 4 δείχνει τα αντίστροφα σχήματα πόλων ράβδων κράματος αλουμινίου 6063 με διαφορετικούς λόγους εξώθησης κατά μήκος της κατεύθυνσης εξώθησης. Μπορεί να φανεί ότι οι μικροδομές των ράβδων κράματος με διαφορετικούς λόγους εξώθησης παράγουν όλες εμφανή προτιμησιακό προσανατολισμό. Όταν ο λόγος εξώθησης είναι 17, σχηματίζεται μια ασθενέστερη υφή <115>+<100> (Σχήμα 4α). όταν ο λόγος εξώθησης είναι 39, τα συστατικά υφής είναι κυρίως η ισχυρότερη υφή <100> και μια μικρή ποσότητα αδύναμης υφής <115> (Σχήμα 4β). όταν ο λόγος εξώθησης είναι 156, τα συστατικά υφής είναι η υφή <100> με σημαντικά αυξημένη αντοχή, ενώ η υφή <115> εξαφανίζεται (Σχήμα 4γ). Μελέτες έχουν δείξει ότι τα κυβικά μέταλλα με επίκεντρο την επιφάνεια σχηματίζουν κυρίως υφές σύρματος <111> και <100> κατά την εξώθηση και την έλξη. Μόλις σχηματιστεί η υφή, οι μηχανικές ιδιότητες του κράματος σε θερμοκρασία δωματίου εμφανίζουν εμφανή ανισοτροπία. Η αντοχή της υφής αυξάνεται με την αύξηση του λόγου εξώθησης, υποδεικνύοντας ότι ο αριθμός των κόκκων σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση κρυστάλλου παράλληλα με την κατεύθυνση εξώθησης στο κράμα αυξάνεται σταδιακά και η διαμήκης αντοχή εφελκυσμού του κράματος αυξάνεται. Οι μηχανισμοί ενίσχυσης των υλικών θερμής εξώθησης από κράμα αλουμινίου 6063 περιλαμβάνουν ενίσχυση λεπτών κόκκων, ενίσχυση εξάρθρωσης, ενίσχυση υφής κ.λπ. Εντός του εύρους των παραμέτρων διεργασίας που χρησιμοποιούνται σε αυτήν την πειραματική μελέτη, η αύξηση του λόγου εξώθησης έχει προωθητική επίδραση στους παραπάνω μηχανισμούς ενίσχυσης.
Σχήμα 4 Διάγραμμα αντίστροφων πόλων ράβδων κράματος αλουμινίου 6063 με διαφορετικές αναλογίες εξώθησης κατά μήκος της κατεύθυνσης εξώθησης
Το Σχήμα 5 είναι ένα ιστόγραμμα των ιδιοτήτων εφελκυσμού του κράματος αλουμινίου 6063 μετά από παραμόρφωση σε διαφορετικές αναλογίες εξώθησης. Η αντοχή εφελκυσμού του χυτού κράματος είναι 170 MPa και η επιμήκυνση είναι 10,4%. Η αντοχή εφελκυσμού και η επιμήκυνση του κράματος μετά την εξώθηση βελτιώνονται σημαντικά, και η αντοχή εφελκυσμού και η επιμήκυνση αυξάνονται σταδιακά με την αύξηση του λόγου εξώθησης. Όταν ο λόγος εξώθησης είναι 156, η αντοχή εφελκυσμού και η επιμήκυνση του κράματος φτάνουν στη μέγιστη τιμή, η οποία είναι 228 MPa και 26,9% αντίστοιχα, η οποία είναι περίπου 34% υψηλότερη από την αντοχή εφελκυσμού του χυτού κράματος και περίπου 158% υψηλότερη από την επιμήκυνση. Η αντοχή εφελκυσμού του κράματος αλουμινίου 6063 που λαμβάνεται με μεγάλο λόγο εξώθησης είναι κοντά στην τιμή αντοχής εφελκυσμού (240 MPa) που λαμβάνεται με γωνιακή εξώθηση ίσου καναλιού 4 περασμάτων (ECAP), η οποία είναι πολύ υψηλότερη από την τιμή αντοχής εφελκυσμού (171,1 MPa) που λαμβάνεται με εξώθηση ECAP 1 περάσματος κράματος αλουμινίου 6063. Μπορεί να φανεί ότι ένας μεγάλος λόγος εξώθησης μπορεί να βελτιώσει τις μηχανικές ιδιότητες του κράματος σε κάποιο βαθμό.
Η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων του κράματος μέσω του λόγου εξώθησης προέρχεται κυρίως από την ενίσχυση της βελτίωσης των κόκκων. Καθώς αυξάνεται ο λόγος εξώθησης, οι κόκκοι βελτιώνονται και η πυκνότητα των εξάρσεων αυξάνεται. Περισσότερα όρια κόκκων ανά μονάδα επιφάνειας μπορούν να εμποδίσουν αποτελεσματικά την κίνηση των εξάρσεων, σε συνδυασμό με την αμοιβαία κίνηση και εμπλοκή των εξάρσεων, βελτιώνοντας έτσι την αντοχή του κράματος. Όσο λεπτότεροι είναι οι κόκκοι, τόσο πιο ελικοειδή είναι τα όρια των κόκκων και η πλαστική παραμόρφωση μπορεί να διασκορπιστεί σε περισσότερους κόκκους, κάτι που δεν ευνοεί τον σχηματισμό ρωγμών, πόσο μάλλον την εξάπλωση των ρωγμών. Περισσότερη ενέργεια μπορεί να απορροφηθεί κατά τη διάρκεια της διαδικασίας θραύσης, βελτιώνοντας έτσι την πλαστικότητα του κράματος.
Σχήμα 5 Ιδιότητες εφελκυσμού κράματος αλουμινίου 6063 μετά από χύτευση και εξώθηση
Η μορφολογία εφελκυστικής θραύσης του κράματος μετά από παραμόρφωση με διαφορετικές αναλογίες εξώθησης φαίνεται στο Σχήμα 6. Δεν βρέθηκαν λακκάκια στη μορφολογία θραύσης του δείγματος χυτευμένου μετάλλου (Σχήμα 6α) και το κάταγμα αποτελούνταν κυρίως από επίπεδες περιοχές και ακμές σχισίματος, υποδεικνύοντας ότι ο μηχανισμός εφελκυστικής θραύσης του χυτευμένου μετάλλου ήταν κυρίως εύθραυστο κάταγμα. Η μορφολογία θραύσης του κράματος μετά την εξώθηση έχει αλλάξει σημαντικά και το κάταγμα αποτελείται από μεγάλο αριθμό ισοαξονικών λακκακιών, υποδεικνύοντας ότι ο μηχανισμός θραύσης του κράματος μετά την εξώθηση έχει αλλάξει από εύθραυστο κάταγμα σε όλκιμο κάταγμα. Όταν ο λόγος εξώθησης είναι μικρός, τα λακκάκια είναι ρηχά και το μέγεθος του λακκακιού είναι μεγάλο, και η κατανομή είναι ανομοιόμορφη. Καθώς ο λόγος εξώθησης αυξάνεται, ο αριθμός των λακκακιών αυξάνεται, το μέγεθος του λακκακιού είναι μικρότερο και η κατανομή είναι ομοιόμορφη (Σχήμα 6β~στ), πράγμα που σημαίνει ότι το κράμα έχει καλύτερη πλαστικότητα, η οποία είναι σύμφωνη με τα αποτελέσματα των δοκιμών μηχανικών ιδιοτήτων παραπάνω.
3 Συμπέρασμα
Σε αυτό το πείραμα, αναλύθηκαν οι επιδράσεις διαφορετικών αναλογιών εξώθησης στη μικροδομή και τις ιδιότητες του κράματος αλουμινίου 6063 υπό την προϋπόθεση ότι το μέγεθος του μπιγιέτ, η θερμοκρασία θέρμανσης του πλινθώματος και η ταχύτητα εξώθησης παρέμειναν αμετάβλητα. Τα συμπεράσματα είναι τα εξής:
1) Δυναμική ανακρυστάλλωση λαμβάνει χώρα σε κράμα αλουμινίου 6063 κατά την θερμή εξώθηση. Με την αύξηση του λόγου εξώθησης, οι κόκκοι βελτιώνονται συνεχώς και οι κόκκοι που επιμηκύνονται κατά μήκος της κατεύθυνσης εξώθησης μετατρέπονται σε ισοαξονικά ανακρυσταλλωμένους κόκκους και η αντοχή της υφής του σύρματος <100> αυξάνεται συνεχώς.
2) Λόγω της επίδρασης της ενίσχυσης των λεπτών κόκκων, οι μηχανικές ιδιότητες του κράματος βελτιώνονται με την αύξηση του λόγου εξώθησης. Εντός του εύρους των παραμέτρων δοκιμής, όταν ο λόγος εξώθησης είναι 156, η αντοχή σε εφελκυσμό και η επιμήκυνση του κράματος φτάνουν τις μέγιστες τιμές των 228 MPa και 26,9%, αντίστοιχα.
Σχήμα 6. Μορφολογίες θραύσης εφελκυσμού κράματος αλουμινίου 6063 μετά από χύτευση και εξώθηση
3) Η μορφολογία θραύσης του δείγματος ως χυτού αποτελείται από επίπεδες περιοχές και ακμές σχισίματος. Μετά την εξώθηση, το κάταγμα αποτελείται από μεγάλο αριθμό ισοαξονικών κοιλοτήτων και ο μηχανισμός θραύσης μετασχηματίζεται από ψαθυρό κάταγμα σε όλκιμο κάταγμα.
Ώρα δημοσίευσης: 30 Νοεμβρίου 2024
