A aliaxe de aluminio 6063 pertence á serie de aliaxes de aluminio tratables termicamente Al-Mg-Si de baixa aleación. Ten un excelente rendemento de moldeo por extrusión, boa resistencia á corrosión e propiedades mecánicas completas. Tamén se usa amplamente na industria do automóbil debido á súa fácil coloración por oxidación. Coa aceleración da tendencia dos automóbiles lixeiros, a aplicación de materiais de extrusión de aliaxe de aluminio 6063 na industria do automóbil tamén aumentou aínda máis.
A microestrutura e as propiedades dos materiais extruídos vense afectadas polos efectos combinados da velocidade de extrusión, a temperatura de extrusión e a relación de extrusión. Entre eles, a relación de extrusión está determinada principalmente pola presión de extrusión, a eficiencia da produción e o equipo de produción. Cando a relación de extrusión é pequena, a deformación da aliaxe é pequena e o refinamento da microestrutura non é obvio; aumentar a relación de extrusión pode refinar significativamente os grans, romper a segunda fase grosa, obter unha microestrutura uniforme e mellorar as propiedades mecánicas da aliaxe.
As aliaxes de aluminio 6061 e 6063 sofren unha recristalización dinámica durante o proceso de extrusión. Cando a temperatura de extrusión é constante, a medida que a relación de extrusión aumenta, o tamaño do gran diminúe, a fase de fortalecemento dispérsase finamente e a resistencia á tracción e o alongamento da aliaxe aumentan en consecuencia; non obstante, a medida que a relación de extrusión aumenta, a forza de extrusión necesaria para o proceso de extrusión tamén aumenta, o que provoca un maior efecto térmico, facendo que a temperatura interna da aliaxe aumente e o rendemento do produto diminúa. Este experimento estuda o efecto da relación de extrusión, especialmente unha relación de extrusión grande, na microestrutura e nas propiedades mecánicas da aliaxe de aluminio 6063.
1 Materiais e métodos experimentais
O material experimental é unha aliaxe de aluminio 6063 e a composición química móstrase na Táboa 1. O tamaño orixinal do lingote é de Φ55 mm × 165 mm e, despois dun tratamento de homoxeneización a 560 ℃ durante 6 h, procésase nun lingote de extrusión cun tamaño de Φ50 mm × 150 mm. O lingote quéntase a 470 ℃ e mantense quente. A temperatura de prequecemento do barril de extrusión é de 420 ℃ e a temperatura de prequecemento do molde é de 450 ℃. Cando a velocidade de extrusión (velocidade de movemento da varilla de extrusión) V = 5 mm/s permanece sen cambios, realízanse 5 grupos de probas de diferentes relacións de extrusión e as relacións de extrusión R son 17 (correspondente ao diámetro do orificio da matriz D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) e 156 (D = 4 mm).
Táboa 1 Composicións químicas da aliaxe de aluminio 6063 (peso/%)
Tras a moenda con papel de lixa e o pulido mecánico, as mostras metalográficas foron gravadas con reactivo HF cunha fracción volumétrica do 40 % durante uns 25 s e a estrutura metalográfica das mostras observouse nun microscopio óptico LEICA-5000. Cortouse unha mostra de análise de textura cun tamaño de 10 mm × 10 mm desde o centro da sección lonxitudinal da varilla extruída e realizouse unha moenda e un gravado mecánicos para eliminar a capa de tensión superficial. As figuras dos polos incompletos dos tres planos cristalinos {111}, {200} e {220} da mostra foron medidas polo analizador de difracción de raios X X′Pert Pro MRD de PANalytical Company e os datos de textura foron procesados e analizados polos software X′Pert Data View e X′Pert Texture.
A mostra de tracción da aliaxe fundida tomouse do centro do lingote e cortouse na dirección da extrusión despois da extrusión. O tamaño da área de calibre foi de Φ4 mm × 28 mm. A proba de tracción realizouse cunha máquina universal de ensaios de materiais SANS CMT5105 cunha velocidade de tracción de 2 mm/min. O valor medio das tres mostras estándar calculouse como datos de propiedades mecánicas. A morfoloxía de fractura das mostras de tracción observouse cun microscopio electrónico de varrido de baixa magnificación (Quanta 2000, FEI, EUA).
2 Resultados e debate
A figura 1 mostra a microestrutura metalográfica da aliaxe de aluminio 6063 tal como foi fundida antes e despois do tratamento de homoxeneización. Como se mostra na figura 1a, os grans de α-Al na microestrutura tal como foi fundida varían en tamaño, un gran número de fases reticulares de β-Al9Fe2Si2 agrúpanse nos límites de grans e existe un gran número de fases granulares de Mg2Si dentro dos grans. Despois de homoxeneizar o lingote a 560 ℃ durante 6 h, a fase eutéctica de non equilibrio entre as dendritas da aliaxe disolveuse gradualmente, os elementos da aliaxe disolvéronse na matriz, a microestrutura foi uniforme e o tamaño medio de gran foi duns 125 μm (figura 1b).
Antes da homoxenización
Despois dun tratamento de uniformización a 600 °C durante 6 horas
Fig. 1 Estrutura metalográfica da aliaxe de aluminio 6063 antes e despois do tratamento de homoxeneización
A figura 2 mostra o aspecto das barras de aliaxe de aluminio 6063 con diferentes proporcións de extrusión. Como se mostra na figura 2, a calidade superficial das barras de aliaxe de aluminio 6063 extruídas con diferentes proporcións de extrusión é boa, especialmente cando a proporción de extrusión se aumenta a 156 (correspondente á velocidade de saída de extrusión da barra de 48 m/min), aínda non hai defectos de extrusión como gretas e descamación na superficie da barra, o que indica que a aliaxe de aluminio 6063 tamén ten un bo rendemento de conformado por extrusión en quente a alta velocidade e alta proporción de extrusión.
Fig. 2 Aspecto das varillas de aliaxe de aluminio 6063 con diferentes proporcións de extrusión
A figura 3 mostra a microestrutura metalográfica da sección lonxitudinal da barra de aliaxe de aluminio 6063 con diferentes relacións de extrusión. A estrutura do gran da barra con diferentes relacións de extrusión mostra diferentes graos de alongamento ou refinamento. Cando a relación de extrusión é de 17, os grans orixinais alonganse ao longo da dirección de extrusión, acompañados pola formación dun pequeno número de grans recristalizados, pero os grans seguen sendo relativamente grosos, cun tamaño medio de gran duns 85 μm (Figura 3a); cando a relación de extrusión é de 25, os grans adelgántanse, o número de grans recristalizados aumenta e o tamaño medio de gran diminúe a uns 71 μm (Figura 3b); cando a relación de extrusión é de 39, agás un pequeno número de grans deformados, a microestrutura está composta basicamente por grans recristalizados equiaxiales de tamaño desigual, cun tamaño medio de gran duns 60 μm (Figura 3c); Cando a relación de extrusión é de 69, o proceso de recristalización dinámica está basicamente completado, os grans orixinais grosos transformáronse completamente en grans recristalizados de estrutura uniforme e o tamaño medio de gran refínase a uns 41 μm (Figura 3d); cando a relación de extrusión é de 156, co progreso completo do proceso de recristalización dinámica, a microestrutura é máis uniforme e o tamaño de gran refínase en gran medida a uns 32 μm (Figura 3e). Co aumento da relación de extrusión, o proceso de recristalización dinámica avanza de forma máis completa, a microestrutura da aliaxe faise máis uniforme e o tamaño de gran refínase significativamente (Figura 3f).
Fig. 3 Estrutura metalográfica e tamaño de gran da sección lonxitudinal de varillas de aliaxe de aluminio 6063 con diferentes proporcións de extrusión
A figura 4 mostra as figuras dos polos inversos das barras de aliaxe de aluminio 6063 con diferentes relacións de extrusión ao longo da dirección de extrusión. Pódese observar que as microestruturas das barras de aliaxe con diferentes relacións de extrusión producen unha orientación preferencial obvia. Cando a relación de extrusión é de 17, fórmase unha textura <115> + <100> máis débil (Figura 4a); cando a relación de extrusión é de 39, os compoñentes da textura son principalmente a textura <100> máis forte e unha pequena cantidade de textura <115> débil (Figura 4b); cando a relación de extrusión é de 156, os compoñentes da textura son a textura <100> cunha resistencia significativamente maior, mentres que a textura <115> desaparece (Figura 4c). Os estudos demostraron que os metais cúbicos centrados nas caras forman principalmente texturas de arame <111> e <100> durante a extrusión e o estiramento. Unha vez formada a textura, as propiedades mecánicas da aliaxe a temperatura ambiente mostran unha anisotropía obvia. A resistencia da textura aumenta co aumento da relación de extrusión, o que indica que o número de grans nunha determinada dirección cristalina paralela á dirección de extrusión na aliaxe aumenta gradualmente, e a resistencia á tracción lonxitudinal da aliaxe aumenta. Os mecanismos de reforzo dos materiais de extrusión en quente de aliaxe de aluminio 6063 inclúen o reforzo de grans finos, o reforzo de dislocacións, o reforzo da textura, etc. Dentro do rango de parámetros de proceso empregados neste estudo experimental, o aumento da relación de extrusión ten un efecto promotor sobre os mecanismos de reforzo mencionados anteriormente.
Fig. 4 Diagrama de polos inversos de varillas de aliaxe de aluminio 6063 con diferentes relacións de extrusión ao longo da dirección de extrusión
A figura 5 é un histograma das propiedades de tracción da aliaxe de aluminio 6063 despois da deformación a diferentes proporcións de extrusión. A resistencia á tracción da aliaxe fundida é de 170 MPa e o alongamento é do 10,4 %. A resistencia á tracción e o alongamento da aliaxe despois da extrusión melloran significativamente, e a resistencia á tracción e o alongamento aumentan gradualmente co aumento da proporción de extrusión. Cando a proporción de extrusión é de 156, a resistencia á tracción e o alongamento da aliaxe alcanzan o valor máximo, que son de 228 MPa e 26,9 %, respectivamente, o que é aproximadamente un 34 % maior que a resistencia á tracción da aliaxe fundida e aproximadamente un 158 % maior que o alongamento. A resistencia á tracción da aliaxe de aluminio 6063 obtida mediante unha proporción de extrusión grande é próxima ao valor de resistencia á tracción (240 MPa) obtido mediante a extrusión angular de canles iguais (ECAP) de 4 pasadas, que é moito maior que o valor de resistencia á tracción (171,1 MPa) obtido mediante a extrusión ECAP dunha pasada da aliaxe de aluminio 6063. Pódese observar que unha gran proporción de extrusión pode mellorar as propiedades mecánicas da aliaxe ata certo punto.
A mellora das propiedades mecánicas da aliaxe mediante a proporción de extrusión provén principalmente do fortalecemento do refinamento do gran. A medida que aumenta a proporción de extrusión, os grans refínanse e a densidade de dislocacións aumenta. Un maior número de límites de gran por unidade de área pode dificultar eficazmente o movemento das dislocacións, combinado co movemento mutuo e o entrelazado das dislocacións, mellorando así a resistencia da aliaxe. Canto máis finos sexan os grans, máis tortuosos serán os límites de gran e a deformación plástica pode dispersarse en máis grans, o que non favorece a formación de gretas, e moito menos a súa propagación. Pódese absorber máis enerxía durante o proceso de fractura, mellorando así a plasticidade da aliaxe.
Fig. 5 Propiedades de tracción da aliaxe de aluminio 6063 despois da fundición e extrusión
A morfoloxía da fractura por tracción da aliaxe despois da deformación con diferentes proporcións de extrusión móstrase na Figura 6. Non se atoparon coviñas na morfoloxía da fractura da mostra tal como foi fundida (Figura 6a), e a fractura estaba composta principalmente por áreas planas e bordos de desgarro, o que indica que o mecanismo de fractura por tracción da aliaxe tal como foi fundida era principalmente unha fractura fráxil. A morfoloxía da fractura da aliaxe despois da extrusión cambiou significativamente, e a fractura está composta por un gran número de coviñas equiaxiales, o que indica que o mecanismo de fractura da aliaxe despois da extrusión cambiou de fractura fráxil a fractura dúctil. Cando a proporción de extrusión é pequena, as coviñas son superficiais e o tamaño da coviña é grande, e a distribución é desigual; a medida que a proporción de extrusión aumenta, o número de coviñas aumenta, o tamaño da coviña é menor e a distribución é uniforme (Figura 6b~f), o que significa que a aliaxe ten unha mellor plasticidade, o que é consistente cos resultados das probas de propiedades mecánicas anteriores.
3 Conclusión
Neste experimento, analizáronse os efectos de diferentes proporcións de extrusión na microestrutura e as propiedades da aliaxe de aluminio 6063 coa condición de que o tamaño do tocho, a temperatura de quecemento do lingote e a velocidade de extrusión permanecesen sen cambios. As conclusións son as seguintes:
1) A recristalización dinámica ocorre na aliaxe de aluminio 6063 durante a extrusión en quente. Co aumento da relación de extrusión, os grans refínanse continuamente e os grans alongados ao longo da dirección de extrusión transfórmanse en grans recristalizados equiaxiales, e a resistencia da textura do arame <100> aumenta continuamente.
2) Debido ao efecto do fortalecemento de gran fino, as propiedades mecánicas da aliaxe melloran co aumento da relación de extrusión. Dentro do rango de parámetros de ensaio, cando a relación de extrusión é de 156, a resistencia á tracción e o alongamento da aliaxe alcanzan valores máximos de 228 MPa e 26,9 %, respectivamente.
Fig. 6 Morfoloxías de fractura por tracción da aliaxe de aluminio 6063 despois da fundición e extrusión
3) A morfoloxía de fractura da probeta tal como foi fundida está composta por zonas planas e bordos de rotura. Despois da extrusión, a fractura está composta por un gran número de coviñas equiaxiales e o mecanismo de fractura transfórmase dunha fractura fráxil a unha fractura dúctil.
Data de publicación: 30 de novembro de 2024
