Алюмініевы сплаў 6063 адносіцца да нізкалегаванага тэрмаапрацоўчага алюмініевага сплаву серыі Al-Mg-Si. Ён мае выдатныя характарыстыкі экструзійнага ліцця, добрую каразійную ўстойлівасць і шырокі спектр механічных уласцівасцей. Ён таксама шырока выкарыстоўваецца ў аўтамабільнай прамысловасці дзякуючы лёгкаму акісленню і афарбоўванню. З паскарэннем тэндэнцыі лёгкіх аўтамабіляў прымяненне экструзійных матэрыялаў з алюмініевага сплаву 6063 у аўтамабільнай прамысловасці таксама пашырылася.
На мікраструктуру і ўласцівасці экструдаваных матэрыялаў уплывае сукупнае ўздзеянне хуткасці экструзіі, тэмпературы экструзіі і каэфіцыента экструзіі. Сярод іх каэфіцыент экструзіі ў асноўным вызначаецца ціскам экструзіі, эфектыўнасцю вытворчасці і вытворчым абсталяваннем. Пры малым каэфіцыенце экструзіі дэфармацыя сплаву невялікая, і здрабненне мікраструктуры не відавочнае; павелічэнне каэфіцыента экструзіі можа значна здрабніць зярняткі, разбурыць грубую другую фазу, атрымаць аднастайную мікраструктуру і палепшыць механічныя ўласцівасці сплаву.
Алюмініевыя сплавы 6061 і 6063 падвяргаюцца дынамічнай рэкрышталізацыі падчас працэсу экструзіі. Пры пастаяннай тэмпературы экструзіі па меры павелічэння ступені экструзіі памер зерня памяншаецца, фаза ўмацавання дробна дысперсуецца, і адпаведна павялічваюцца трываласць на расцяжэнне і падаўжэнне сплаву; аднак па меры павелічэння ступені экструзіі таксама павялічваецца сіла экструзіі, неабходная для працэсу экструзіі, што выклікае большы цеплавы эфект, у выніку чаго ўнутраная тэмпература сплаву павышаецца, а характарыстыкі прадукту зніжаюцца. У гэтым эксперыменце вывучаецца ўплыў ступені экструзіі, асабліва вялікага ступені экструзіі, на мікраструктуру і механічныя ўласцівасці алюмініевага сплаву 6063.
1 Эксперыментальныя матэрыялы і метады
Эксперыментальным матэрыялам з'яўляецца алюмініевы сплаў 6063, хімічны склад якога паказаны ў Табліцы 1. Першапачатковы памер злітка складаў Φ55 мм × 165 мм, і пасля гамагенізацыі пры тэмпературы 560 ℃ на працягу 6 гадзін ён быў перапрацаваны ў экструзійную нарыхтоўку памерам Φ50 мм × 150 мм. Нарыхтоўку награвалі да 470 ℃ і падтрымлівалі ў цяпле. Тэмпература папярэдняга нагрэву экструзійнага барабана складала 420 ℃, а тэмпература папярэдняга нагрэву формы — 450 ℃. Пры нязменнай хуткасці экструзіі (хуткасці руху экструзійнага стрыжня) V = 5 мм/с праводзілі 5 груп выпрабаванняў з рознымі каэфіцыентамі экструзіі, і каэфіцыенты экструзіі R складалі 17 (што адпавядае дыяметру адтуліны фільеры D = 12 мм), 25 (D = 10 мм), 39 (D = 8 мм), 69 (D = 6 мм) і 156 (D = 4 мм).
Табліца 1 Хімічны склад алюмініевага сплаву 6063 (мас./%)
Пасля шліфоўкі наждачнай паперай і механічнай паліроўкі металаграфічныя ўзоры былі пратраўлены рэагентам HF з аб'ёмнай доляй 40% на працягу каля 25 секунд, і металаграфічная структура ўзораў назіралася на аптычным мікраскопе LEICA-5000. З цэнтра падоўжнага сячэння экструдаванага стрыжня быў выразаны ўзор для аналізу тэкстуры памерам 10 мм × 10 мм, і для выдалення пласта паверхневых напружанняў былі праведзены механічнае шліфаванне і травленне. Няпоўныя полюсныя фігуры трох крышталічных плоскасцей {111}, {200} і {220} узору былі вымераны з дапамогай рэнтгенаструктурнага аналізатара X′Pert Pro MRD кампаніі PANalytical, а тэкстурныя дадзеныя былі апрацаваны і прааналізаваны з дапамогай праграмнага забеспячэння X′Pert Data View і X′Pert Texture.
Узор для расцяжэння літога сплаву быў узяты з цэнтра злітка, і пасля экструзіі ўзор для расцяжэння быў разрэзаны ўздоўж кірунку экструзіі. Памер калібравальнай плошчы складаў Φ4 мм × 28 мм. Выпрабаванне на расцяжэнне праводзілася з выкарыстаннем універсальнай выпрабавальнай машыны SANS CMT5105 са хуткасцю расцяжэння 2 мм/мін. Сярэдняе значэнне трох стандартных узораў было разлічана ў якасці дадзеных механічных уласцівасцей. Марфалогія разбурэння ўзораў для расцяжэння назіралася з дапамогай сканавальнага электроннага мікраскопа з малым павелічэннем (Quanta 2000, FEI, ЗША).
2 Вынікі і абмеркаванне
На малюнку 1 паказана металаграфічная мікраструктура адлітага алюмініевага сплаву 6063 да і пасля гамагенізацыйнай апрацоўкі. Як паказана на малюнку 1a, памеры зерняў α-Al у адлітай мікраструктуры адрозніваюцца, на межах зерняў збіраецца вялікая колькасць сеткаватых фаз β-Al9Fe2Si2, а ўнутры зерняў знаходзіцца вялікая колькасць грануляваных фаз Mg2Si. Пасля гамагенізацыі злітка пры тэмпературы 560 ℃ на працягу 6 гадзін нераўнаважная эўтэктычная фаза паміж дендрытамі сплаву паступова растварылася, элементы сплаву растварыліся ў матрыцы, мікраструктура стала аднастайнай, а сярэдні памер зерняў склаў каля 125 мкм (малюнак 1b).
Перад гамагенізацыяй
Пасля ўніфікацыйнай апрацоўкі пры тэмпературы 600°C на працягу 6 гадзін
Мал. 1 Металаграфічная структура алюмініевага сплаву 6063 да і пасля гамагенізацыйнай апрацоўкі
На малюнку 2 паказаны знешні выгляд пруткоў з алюмініевага сплаву 6063 з рознымі каэфіцыентамі экструзіі. Як паказана на малюнку 2, якасць паверхні пруткоў з алюмініевага сплаву 6063, экструдаваных з рознымі каэфіцыентамі экструзіі, добрая, асабліва пры павелічэнні каэфіцыента экструзіі да 156 (што адпавядае хуткасці выхаду экструзіі пруткоў 48 м/мін), пры гэтым на паверхні пруткоў усё яшчэ няма дэфектаў экструзіі, такіх як расколіны і адслойванне, што сведчыць аб тым, што алюмініевы сплаў 6063 таксама мае добрыя характарыстыкі гарачага экструзійнага фармавання пры высокай хуткасці і вялікім каэфіцыенце экструзіі.
Мал.2 Знешні выгляд стрыжняў з алюмініевага сплаву 6063 з рознымі каэфіцыентамі экструзіі
На малюнку 3 паказана металаграфічная мікраструктура падоўжнага сячэння прутка з алюмініевага сплаву 6063 з рознымі каэфіцыентамі экструзіі. Зярністая структура прутка з рознымі каэфіцыентамі экструзіі дэманструе розную ступень падаўжэння або здрабнення. Пры каэфіцыенце экструзіі 17 зыходныя зярняты выцягваюцца ўздоўж кірунку экструзіі, што суправаджаецца ўтварэннем невялікай колькасці перакрышталізаваных зярнят, але зярняты ўсё яшчэ адносна буйныя, з сярэднім памерам зярнят каля 85 мкм (малюнак 3a); пры каэфіцыенце экструзіі 25 зярняты становяцца больш тонкімі, колькасць перакрышталізаваных зярнят павялічваецца, а сярэдні памер зярнят памяншаецца да прыкладна 71 мкм (малюнак 3b); пры каэфіцыенце экструзіі 39, за выключэннем невялікай колькасці дэфармаваных зярнят, мікраструктура ў асноўным складаецца з роўнавосевых перакрышталізаваных зярнят неаднастайнага памеру, з сярэднім памерам зярнят каля 60 мкм (малюнак 3c); Калі каэфіцыент экструзіі роўны 69, працэс дынамічнай рэкрышталізацыі ў асноўным завершаны, буйныя зыходныя зерні цалкам пераўтвораны ў аднастайна структураваныя рэкрышталізаваныя зерні, а сярэдні памер зерня здрабняецца прыкладна да 41 мкм (малюнак 3d); калі каэфіцыент экструзіі роўны 156, пры поўным прагрэсе працэсу дынамічнай рэкрышталізацыі мікраструктура становіцца больш аднастайнай, а памер зерня значна здрабняецца прыкладна да 32 мкм (малюнак 3e). З павелічэннем каэфіцыента экструзіі працэс дынамічнай рэкрышталізацыі працякае больш поўна, мікраструктура сплаву становіцца больш аднастайнай, а памер зерня значна здрабняецца (малюнак 3f).
Мал.3 Металаграфічная структура і памер зерня падоўжнага сячэння пруткоў з алюмініевага сплаву 6063 з рознымі каэфіцыентамі экструзіі
На малюнку 4 паказаны адваротныя полюсныя фігуры алюмініевых сплаваў 6063 з рознымі каэфіцыентамі экструзіі ўздоўж кірунку экструзіі. Відаць, што мікраструктуры сплаваў з рознымі каэфіцыентамі экструзіі маюць відавочную пераважную арыентацыю. Пры каэфіцыенце экструзіі 17 утвараецца больш слабая тэкстура <115>+<100> (малюнак 4a); пры каэфіцыенце экструзіі 39 кампаненты тэкстуры ў асноўным складаюцца з больш моцнай тэкстуры <100> і невялікай колькасці слабай тэкстуры <115> (малюнак 4b); пры каэфіцыенце экструзіі 156 кампаненты тэкстуры ўяўляюць сабой тэкстуру <100> са значна павышанай трываласцю, у той час як тэкстура <115> знікае (малюнак 4c). Даследаванні паказалі, што гранецэнтраваныя кубічныя металы ў асноўным утвараюць тэкстуры дроту <111> і <100> падчас экструзіі і валачэння. Пасля фарміравання тэкстуры механічныя ўласцівасці сплаву пры пакаёвай тэмпературы дэманструюць відавочную анізатрапію. Тэктурная трываласць павялічваецца са павелічэннем каэфіцыента экструзіі, што сведчыць аб паступовым павелічэнні колькасці зерняў у пэўным крышталічным кірунку, паралельным кірунку экструзіі ў сплаве, і павелічэнні падоўжнай трываласці сплаву на расцяжэнне. Механізмы ўмацавання матэрыялаў з алюмініевага сплаву 6063, атрыманых метадам гарачай экструзіі, уключаюць дробназярністае ўмацаванне, дыслакацыйнае ўмацаванне, тэкстурнае ўмацаванне і г.д. У межах дыяпазону параметраў працэсу, якія выкарыстоўваліся ў гэтым эксперыментальным даследаванні, павелічэнне каэфіцыента экструзіі аказвае стымулюючы ўплыў на вышэйзгаданыя механізмы ўмацавання.
Мал. 4. Дыяграма адваротных полюсаў для стрыжняў з алюмініевага сплаву 6063 з рознымі каэфіцыентамі экструзіі ўздоўж кірунку экструзіі.
На малюнку 5 прадстаўлена гістаграма ўласцівасцей расцяжэння алюмініевага сплаву 6063 пасля дэфармацыі пры розных каэфіцыентах экструзіі. Трываласць на расцяжэнне літога сплаву складае 170 МПа, а падаўжэнне — 10,4%. Трываласць на расцяжэнне і падаўжэнне сплаву пасля экструзіі значна паляпшаюцца, і трываласць на расцяжэнне і падаўжэнне паступова павялічваюцца са павелічэннем каэфіцыента экструзіі. Пры каэфіцыенце экструзіі 156 трываласць на расцяжэнне і падаўжэнне сплаву дасягаюць максімальнага значэння, якое складае 228 МПа і 26,9% адпаведна, што прыкладна на 34% вышэй за трываласць на расцяжэнне літога сплаву і прыкладна на 158% вышэй за падаўжэнне. Трываласць на расцяжэнне алюмініевага сплаву 6063, атрыманая пры вялікім каэфіцыенце экструзіі, блізкая да значэння трываласці на расцяжэнне (240 МПа), атрыманага метадам 4-праходнай роўнаканальнай вуглавой экструзіі (ECAP), якое значна вышэй за значэнне трываласці на расцяжэнне (171,1 МПа), атрыманае метадам 1-праходнай ECAP-экструзіі алюмініевага сплаву 6063. Можна заўважыць, што вялікі каэфіцыент экструзіі можа ў пэўнай ступені палепшыць механічныя ўласцівасці сплаву.
Паляпшэнне механічных уласцівасцей сплаву за кошт павелічэння ступені экструзіі ў асноўным адбываецца за кошт умацавання здрабнення зерня. Па меры павелічэння ступені экструзіі зерні здрабняюцца, а шчыльнасць дыслакацый павялічваецца. Большая колькасць межаў зерняў на адзінку плошчы можа эфектыўна перашкаджаць руху дыслакацый, у спалучэнні з узаемным рухам і заблытанасцю дыслакацый, тым самым паляпшаючы трываласць сплаву. Чым драбнейшыя зерні, тым больш звілістыя межы зерняў, і пластычная дэфармацыя можа размеркавацца па большай колькасці зерняў, што не спрыяе ўтварэнню расколін, не кажучы ўжо пра іх распаўсюджванне. Падчас працэсу разбурэння можа паглынацца больш энергіі, тым самым паляпшаючы пластычнасць сплаву.
Мал. 5. Уласцівасці алюмініевага сплаву 6063 пры расцяжэнні пасля ліцця і экструзіі
Марфалогія разбурэння сплаву пры расцяжэнні пасля дэфармацыі з рознымі каэфіцыентамі экструзіі паказана на малюнку 6. У марфалогіі разбурэння адлітага ўзору не выяўлена паглыбленняў (малюнак 6а), і разбурэнне ў асноўным складалася з плоскіх участкаў і краёў адрыву, што сведчыць аб тым, што механізм разбурэння пры расцяжэнні адлітага сплаву быў у асноўным далікатным. Марфалогія разбурэння сплаву пасля экструзіі значна змянілася, і разбурэнне складаецца з вялікай колькасці роўнавосевых паглыбленняў, што сведчыць аб тым, што механізм разбурэння сплаву пасля экструзіі змяніўся з далікатнага на пластычнае разбурэнне. Пры малым каэфіцыенце экструзіі паглыбленні неглыбокія, памер паглыбленняў вялікі, а размеркаванне нераўнамернае; пры павелічэнні каэфіцыента экструзіі колькасць паглыбленняў павялічваецца, памер паглыбленняў памяншаецца, а размеркаванне раўнамернае (малюнкі 6b~f), што азначае, што сплаў мае лепшую пластычнасць, што адпавядае вынікам выпрабаванняў на механічныя ўласцівасці, прыведзеным вышэй.
3 Выснова
У гэтым эксперыменце быў прааналізаваны ўплыў розных каэфіцыентаў экструзіі на мікраструктуру і ўласцівасці алюмініевага сплаву 6063 пры ўмове, што памер загатоўкі, тэмпература нагрэву злітка і хуткасць экструзіі заставаліся нязменнымі. Высновы наступныя:
1) Дынамічная рэкрышталізацыя адбываецца ў алюмініевым сплаве 6063 падчас гарачай экструзіі. З павелічэннем ступені экструзіі зярняты бесперапынна рафінуюцца, а зярняты, выцягнутыя ўздоўж кірунку экструзіі, ператвараюцца ў роўнавосевыя рэкрышталізаваныя зярняты, і трываласць тэкстуры дроту <100> бесперапынна павялічваецца.
2) Дзякуючы эфекту дробназярністага ўмацавання, механічныя ўласцівасці сплаву паляпшаюцца са павелічэннем каэфіцыента экструзіі. У дыяпазоне параметраў выпрабаванняў, калі каэфіцыент экструзіі роўны 156, трываласць на расцяжэнне і адноснае падаўжэнне сплаву дасягаюць максімальных значэнняў 228 МПа і 26,9% адпаведна.
Мал. 6. Марфалогія расцяжэння алюмініевага сплаву 6063 пасля ліцця і экструзіі.
3) Марфалогія разлому адлітага ўзору складаецца з плоскіх участкаў і краёў адрыву. Пасля экструзіі разлом складаецца з вялікай колькасці роўнавосевых паглыбленняў, і механізм разлому трансфармуецца з далікатнага разлому ў пластычны.
Час публікацыі: 30 лістапада 2024 г.
