Aluminiumlegering 6063 behoort tot de laaggelegeerde Al-Mg-Si-serie, een warmtebehandelbare aluminiumlegering. Het heeft uitstekende extrusie-eigenschappen, een goede corrosiebestendigheid en uitgebreide mechanische eigenschappen. Het wordt ook veel gebruikt in de auto-industrie vanwege de oxidatieve verkleuring. Met de toenemende vraag naar lichtgewicht auto's is de toepassing van extrusiematerialen van aluminiumlegering 6063 in de auto-industrie ook verder toegenomen.
De microstructuur en eigenschappen van geëxtrudeerde materialen worden beïnvloed door de gecombineerde effecten van extrusiesnelheid, extrusietemperatuur en extrusieverhouding. De extrusieverhouding wordt hierbij voornamelijk bepaald door de extrusiedruk, productie-efficiëntie en productieapparatuur. Bij een kleine extrusieverhouding is de vervorming van de legering gering en is de verfijning van de microstructuur niet duidelijk zichtbaar. Door de extrusieverhouding te verhogen, kunnen de korrels aanzienlijk worden verfijnd, de grove tweede fase worden opgebroken, een uniforme microstructuur worden verkregen en de mechanische eigenschappen van de legering worden verbeterd.
Aluminiumlegeringen 6061 en 6063 ondergaan dynamische rekristallisatie tijdens het extrusieproces. Bij een constante extrusietemperatuur neemt de korrelgrootte af naarmate de extrusieverhouding toeneemt, wordt de verstevigingsfase fijn verdeeld en nemen de treksterkte en rek van de legering dienovereenkomstig toe. Echter, naarmate de extrusieverhouding toeneemt, neemt ook de benodigde extrusiekracht voor het extrusieproces toe, wat een groter thermisch effect veroorzaakt, waardoor de interne temperatuur van de legering stijgt en de prestaties van het product afnemen. Dit experiment bestudeert het effect van de extrusieverhouding, met name een grote extrusieverhouding, op de microstructuur en mechanische eigenschappen van aluminiumlegering 6063.
1 Experimentele materialen en methoden
Het experimentele materiaal is aluminiumlegering 6063 en de chemische samenstelling is weergegeven in tabel 1. De oorspronkelijke afmetingen van de staaf zijn Φ55 mm × 165 mm en worden na een homogenisatiebehandeling gedurende 6 uur bij 560 °C verwerkt tot een extrusiestaaf met een afmeting van Φ50 mm × 150 mm. De staaf wordt verwarmd tot 470 °C en warm gehouden. De voorverwarmingstemperatuur van de extrusiecilinder is 420 °C en de voorverwarmingstemperatuur van de matrijs is 450 °C. Wanneer de extrusiesnelheid (bewegingssnelheid van de extrusiestaaf) V = 5 mm/s ongewijzigd blijft, worden er 5 groepen met verschillende extrusieverhoudingstesten uitgevoerd en zijn de extrusieverhoudingen R 17 (overeenkomend met de diameter van het matrijsgat D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) en 156 (D = 4 mm).
Tabel 1 Chemische samenstelling van de 6063 Al-legering (gew./%)
Na het schuren met schuurpapier en mechanisch polijsten werden de metallografische monsters gedurende ongeveer 25 seconden geëtst met HF-reagens met een volumeaandeel van 40%. De metallografische structuur van de monsters werd vervolgens bekeken met een LEICA-5000 optische microscoop. Een textuuranalysemonster met een grootte van 10 mm × 10 mm werd uit het midden van de longitudinale doorsnede van de geëxtrudeerde staaf gesneden. Vervolgens werd mechanisch geslepen en geëtst om de oppervlaktespanning te verwijderen. De onvolledige poolfiguren van de drie kristalvlakken {111}, {200} en {220} van het monster werden gemeten met de X′Pert Pro MRD röntgendiffractieanalysator van PANalytical Company. De textuurgegevens werden verwerkt en geanalyseerd met de X′Pert Data View- en X′Pert Texture-software.
Het trekmonster van de gegoten legering werd uit het midden van de staaf genomen en na extrusie langs de extrusierichting gesneden. Het meetoppervlak was Φ4 mm × 28 mm. De trekproef werd uitgevoerd met een SANS CMT5105 universele materiaaltestmachine met een treksnelheid van 2 mm/min. De gemiddelde waarde van de drie standaardmonsters werd berekend als de mechanische eigenschappen. De breukmorfologie van de trekmonsters werd waargenomen met een scanning elektronenmicroscoop met lage vergroting (Quanta 2000, FEI, VS).
2 Resultaten en discussie
Figuur 1 toont de metallografische microstructuur van de gegoten aluminiumlegering 6063 voor en na homogenisatie. Zoals te zien is in figuur 1a, variëren de α-Al-korrels in de gegoten microstructuur in grootte, verzamelt zich een groot aantal reticulaire β-Al9Fe2Si2-fasen aan de korrelgrenzen en bevindt zich een groot aantal granulaire Mg2Si-fasen in de korrels. Nadat de ingot 6 uur lang bij 560 °C was gehomogeniseerd, loste de niet-evenwicht eutectische fase tussen de dendrieten van de legering geleidelijk op, losten de legeringselementen op in de matrix, was de microstructuur uniform en bedroeg de gemiddelde korrelgrootte ongeveer 125 μm (figuur 1b).
Vóór homogenisatie
Na uniforme behandeling bij 600°C gedurende 6 uur
Figuur 1 Metallografische structuur van aluminiumlegering 6063 voor en na homogenisatiebehandeling
Figuur 2 toont het uiterlijk van staven van aluminiumlegering 6063 met verschillende extrusieverhoudingen. Zoals te zien is in figuur 2, is de oppervlaktekwaliteit van staven van aluminiumlegering 6063 die geëxtrudeerd zijn met verschillende extrusieverhoudingen goed, vooral wanneer de extrusieverhouding wordt verhoogd tot 156 (overeenkomend met een extrusiesnelheid van de staaf van 48 m/min). Er zijn nog steeds geen extrusiedefecten zoals scheuren en afbladdering op het oppervlak van de staaf. Dit geeft aan dat aluminiumlegering 6063 ook goede prestaties levert bij het vormen van warm extruderen bij hoge snelheid en een grote extrusieverhouding.
Figuur 2 Uiterlijk van 6063 aluminiumlegeringsstaven met verschillende extrusieverhoudingen
Figuur 3 toont de metallografische microstructuur van de longitudinale doorsnede van de 6063 aluminiumlegeringsstaaf met verschillende extrusieverhoudingen. De korrelstructuur van de staaf met verschillende extrusieverhoudingen vertoont verschillende mate van verlenging of verfijning. Bij een extrusieverhouding van 17 worden de oorspronkelijke korrels verlengd langs de extrusierichting, wat gepaard gaat met de vorming van een klein aantal gerekristalliseerde korrels, maar deze korrels zijn nog steeds relatief grof, met een gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 85 μm (figuur 3a); bij een extrusieverhouding van 25 worden de korrels slanker getrokken, neemt het aantal gerekristalliseerde korrels toe en neemt de gemiddelde korrelgrootte af tot ongeveer 71 μm (figuur 3b). Wanneer de extrusieverhouding 39 is, bestaat de microstructuur, afgezien van een klein aantal vervormde korrels, in principe uit gelijkassige gerekristalliseerde korrels van ongelijke grootte, met een gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 60 μm (Figuur 3c); wanneer de extrusieverhouding 69 is, is het dynamische rekristallisatieproces in principe voltooid, zijn de grove oorspronkelijke korrels volledig getransformeerd tot uniform gestructureerde gerekristalliseerde korrels en is de gemiddelde korrelgrootte verfijnd tot ongeveer 41 μm (Figuur 3d); wanneer de extrusieverhouding 156 is, met de volledige voortgang van het dynamische rekristallisatieproces, is de microstructuur uniformer en is de korrelgrootte aanzienlijk verfijnd tot ongeveer 32 μm (Figuur 3e). Met de toename van de extrusieverhouding verloopt het dynamische rekristallisatieproces vollediger, wordt de microstructuur van de legering uniformer en wordt de korrelgrootte aanzienlijk verfijnd (Figuur 3f).
Figuur 3 Metallografische structuur en korrelgrootte van de longitudinale doorsnede van staven van aluminiumlegering 6063 met verschillende extrusieverhoudingen
Figuur 4 toont de omgekeerde poolfiguren van staven van aluminiumlegering 6063 met verschillende extrusieverhoudingen langs de extrusierichting. Te zien is dat de microstructuren van staven met verschillende extrusieverhoudingen allemaal een duidelijke voorkeursoriëntatie opleveren. Bij een extrusieverhouding van 17 wordt een zwakkere <115>+<100> textuur gevormd (Figuur 4a); bij een extrusieverhouding van 39 bestaan de textuurcomponenten voornamelijk uit de sterkere <100> textuur en een kleine hoeveelheid zwakke <115> textuur (Figuur 4b); bij een extrusieverhouding van 156 bestaan de textuurcomponenten uit de <100> textuur met een aanzienlijk hogere sterkte, terwijl de <115> textuur verdwijnt (Figuur 4c). Studies hebben aangetoond dat kubische metalen met een gecentreerd vlak voornamelijk <111> en <100> draadtexturen vormen tijdens extrusie en trekken. Zodra de textuur is gevormd, vertonen de mechanische eigenschappen van de legering bij kamertemperatuur een duidelijke anisotropie. De textuursterkte neemt toe met de toename van de extrusieverhouding, wat aangeeft dat het aantal korrels in een bepaalde kristalrichting parallel aan de extrusierichting in de legering geleidelijk toeneemt, en de longitudinale treksterkte van de legering toeneemt. De versterkingsmechanismen van 6063 aluminiumlegeringen voor warme extrusie omvatten versteviging van de fijne korrel, versteviging van dislocaties, versteviging van de textuur, enz. Binnen het bereik van de procesparameters die in deze experimentele studie zijn gebruikt, heeft het verhogen van de extrusieverhouding een bevorderend effect op de bovengenoemde versterkingsmechanismen.
Figuur 4 Omgekeerd pooldiagram van 6063 aluminiumlegeringsstaven met verschillende extrusieverhoudingen langs de extrusierichting
Figuur 5 toont een histogram van de treksterkte van aluminiumlegering 6063 na vervorming bij verschillende extrusieverhoudingen. De treksterkte van de gegoten legering is 170 MPa en de rek is 10,4%. De treksterkte en rek van de legering na extrusie zijn aanzienlijk verbeterd, en de treksterkte en rek nemen geleidelijk toe met de toename van de extrusieverhouding. Bij een extrusieverhouding van 156 bereiken de treksterkte en rek van de legering de maximale waarde, respectievelijk 228 MPa en 26,9%. Dit is ongeveer 34% hoger dan de treksterkte van de gegoten legering en ongeveer 158% hoger dan de rek. De treksterkte van aluminiumlegering 6063, verkregen door een hoge extrusieverhouding, ligt dicht bij de treksterkte (240 MPa) verkregen door 4-pass equal channel angular extrusion (ECAP), wat aanzienlijk hoger is dan de treksterkte (171,1 MPa) verkregen door 1-pass ECAP-extrusie van aluminiumlegering 6063. Een hoge extrusieverhouding kan de mechanische eigenschappen van de legering tot op zekere hoogte verbeteren.
De verbetering van de mechanische eigenschappen van de legering door middel van extrusieverhouding komt voornamelijk voort uit de versterking van de korrelverfijning. Naarmate de extrusieverhouding toeneemt, worden de korrels verfijnd en neemt de dislocatiedichtheid toe. Meer korrelgrenzen per oppervlakte-eenheid kunnen de beweging van dislocaties effectief belemmeren, in combinatie met de onderlinge beweging en verstrengeling van dislocaties, waardoor de sterkte van de legering wordt verbeterd. Hoe fijner de korrels, hoe kronkeliger de korrelgrenzen, en de plastische vervorming kan zich over meer korrels verspreiden, wat niet bevorderlijk is voor de vorming van scheuren, laat staan voor de voortplanting ervan. Er kan meer energie worden geabsorbeerd tijdens het breukproces, waardoor de plasticiteit van de legering wordt verbeterd.
Figuur 5 Treksterkte-eigenschappen van aluminiumlegering 6063 na gieten en extruderen
De trekbreukmorfologie van de legering na vervorming met verschillende extrusieverhoudingen wordt weergegeven in figuur 6. Er werden geen kuiltjes gevonden in de breukmorfologie van het gegoten monster (figuur 6a) en de breuk bestond voornamelijk uit vlakke gebieden en scheurranden, wat aangeeft dat het trekbreukmechanisme van de gegoten legering voornamelijk brosse breuk was. De breukmorfologie van de legering na extrusie is aanzienlijk veranderd en de breuk bestaat uit een groot aantal gelijkassige kuiltjes, wat aangeeft dat het breukmechanisme van de legering na extrusie is veranderd van brosse breuk naar ductiele breuk. Wanneer de extrusieverhouding klein is, zijn de kuiltjes ondiep en de kuiltjes groot, en is de verdeling ongelijkmatig; naarmate de extrusieverhouding toeneemt, neemt het aantal kuiltjes toe, wordt de kuiltjes kleiner en is de verdeling uniform (figuur 6b~f), wat betekent dat de legering een betere plasticiteit heeft, wat consistent is met de bovenstaande resultaten van de mechanische eigenschappentest.
3 Conclusie
In dit experiment werden de effecten van verschillende extrusieverhoudingen op de microstructuur en eigenschappen van aluminiumlegering 6063 geanalyseerd, onder de voorwaarde dat de grootte van de staaf, de verwarmingstemperatuur van de staaf en de extrusiesnelheid onveranderd bleven. De conclusies zijn als volgt:
1) Dynamische rekristallisatie vindt plaats in aluminiumlegering 6063 tijdens warme extrusie. Naarmate de extrusieverhouding toeneemt, worden de korrels continu verfijnd en worden de langs de extrusierichting verlengde korrels omgezet in equiaxiale gerekristalliseerde korrels. De sterkte van de <100> draadtextuur neemt continu toe.
2) Dankzij de fijne korrelversterking verbeteren de mechanische eigenschappen van de legering met een hogere extrusieverhouding. Binnen het testparameterscala bereiken de treksterkte en rek van de legering bij een extrusieverhouding van 156 respectievelijk maximale waarden van 228 MPa en 26,9%.
Figuur 6 Trekbreukmorfologieën van aluminiumlegering 6063 na gieten en extruderen
3) De breukmorfologie van het gegoten exemplaar bestaat uit vlakke delen en scheurranden. Na extrusie bestaat de breuk uit een groot aantal gelijkassige kuiltjes en verandert het breukmechanisme van brosse breuk in ductiele breuk.
Plaatsingstijd: 30-11-2024
