6063 alumiiniumisulam kuulub madala legeersisaldusega Al-Mg-Si seeria kuumtöödeldavate alumiiniumisulamite hulka. Sellel on suurepärased ekstrusioonvormimise omadused, hea korrosioonikindlus ja ulatuslikud mehaanilised omadused. Seda kasutatakse laialdaselt ka autotööstuses tänu kergele oksüdeerumisvärvimisele. Kergete autode trendi kiirenemisega on 6063 alumiiniumisulamite ekstrusioonmaterjalide kasutamine autotööstuses veelgi suurenenud.
Ekstrudeeritud materjalide mikrostruktuuri ja omadusi mõjutavad ekstrusioonikiiruse, ekstrusioonitemperatuuri ja ekstrusioonisuhte koosmõju. Nende hulgas määravad ekstrusioonisuhte peamiselt ekstrusioonirõhk, tootmise efektiivsus ja tootmisseadmed. Kui ekstrusioonisuhe on väike, on sulami deformatsioon väike ja mikrostruktuuri peenhäälestus pole ilmne; ekstrusioonisuhte suurendamine võib terasid oluliselt peenendada, jämeda teise faasi purustada, saada ühtlase mikrostruktuuri ja parandada sulami mehaanilisi omadusi.
6061 ja 6063 alumiiniumisulamid läbivad ekstrusiooniprotsessi käigus dünaamilise rekristalliseerumise. Kui ekstrusioonitemperatuur on konstantne, siis ekstrusioonisuhte suurenedes väheneb tera suurus, tugevdusfaas on peenelt hajutatud ning sulami tõmbetugevus ja venivus suurenevad vastavalt; ekstrusioonisuhte suurenedes aga suureneb ka ekstrusiooniprotsessiks vajalik ekstrusioonijõud, mis põhjustab suurema termilise efekti, mis omakorda tõstab sulami sisetemperatuuri ja vähendab toote jõudlust. See katse uurib ekstrusioonisuhte, eriti suure ekstrusioonisuhte mõju 6063 alumiiniumsulami mikrostruktuurile ja mehaanilistele omadustele.
1 Eksperimentaalsed materjalid ja meetodid
Katsematerjal on 6063 alumiiniumisulam ja selle keemiline koostis on esitatud tabelis 1. Valuploki algne suurus on Φ55 mm × 165 mm ning see töödeldakse pärast homogeniseerimist temperatuuril 560 ℃ 6 tunni jooksul ekstrusioonitoorikuks suurusega Φ50 mm × 150 mm. Toorik kuumutatakse temperatuurini 470 ℃ ja hoitakse soojas. Ekstrusioonitünni eelsoojendustemperatuur on 420 ℃ ja vormi eelsoojendustemperatuur on 450 ℃. Kui ekstrusioonikiirus (ekstrusioonvarda liikumiskiirus) V = 5 mm/s jääb samaks, viiakse läbi 5 erineva ekstrusioonisuhtega katsete rühma ning ekstrusioonisuhted R on 17 (vastab vormi ava läbimõõdule D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) ja 156 (D = 4 mm).
Tabel 1. 6063 Al sulami keemiline koostis (massiprotsent)
Pärast liivapaberiga lihvimist ja mehaanilist poleerimist söövitati metallograafilisi proove umbes 25 sekundi jooksul HF reagendiga, mille mahufraktsioon oli 40%, ning proovide metallograafilist struktuuri vaadeldi LEICA-5000 optilise mikroskoobi abil. Ekstrudeeritud varda pikilõike keskelt lõigati tekstuurianalüüsi proov mõõtudega 10 mm × 10 mm ning pinna pingekihi eemaldamiseks teostati mehaaniline lihvimine ja söövitamine. Proovi kolme kristalltasandi {111}, {200} ja {220} mittetäielikud pooluskujud mõõdeti PANalytical Company X′Pert Pro MRD röntgendifraktsioonianalüsaatoriga ning tekstuuriandmeid töödeldi ja analüüsiti X′Pert Data View ja X′Pert Texture tarkvara abil.
Valatud sulami tõmbeproov võeti valuploki keskelt ja tõmbeproov lõigati pärast ekstrusiooni ekstrusiooni suunas. Mõõteala suurus oli Φ4 mm × 28 mm. Tõmbekatse viidi läbi universaalse materjalikatsetusmasinaga SANS CMT5105, tõmbekiirusega 2 mm/min. Kolme standardproovi keskmine väärtus arvutati mehaaniliste omaduste andmetena. Tõmbeproovide murdumismorfoloogiat jälgiti väikese suurendusega skaneeriva elektronmikroskoobi (Quanta 2000, FEI, USA) abil.
2 Tulemused ja arutelu
Joonis 1 näitab valatud 6063 alumiiniumisulami metallograafilist mikrostruktuuri enne ja pärast homogeniseerimist. Nagu joonisel 1a näidatud, on valatud mikrostruktuuri α-Al terade suurus erinev, terade piiridele koguneb suur hulk retikulaarseid β-Al9Fe2Si2 faase ja terade sees on suur hulk granuleeritud Mg2Si faase. Pärast valuploki homogeniseerimist temperatuuril 560 ℃ 6 tunni jooksul lahustus sulami dendriitide vaheline mittetasakaaluline eutektiline faas järk-järgult, sulami elemendid lahustusid maatriksisse, mikrostruktuur oli ühtlane ja keskmine tera suurus oli umbes 125 μm (joonis 1b).
Enne homogeniseerimist
Pärast 6-tunnist ühtlaseks töötlemist temperatuuril 600 °C
Joonis 1. 6063 alumiiniumisulami metallograafiline struktuur enne ja pärast homogeniseerimist
Joonis 2 näitab erineva ekstrusioonisuhtega 6063 alumiiniumisulamist varraste välimust. Nagu joonisel 2 näidatud, on erineva ekstrusioonisuhtega ekstrudeeritud 6063 alumiiniumisulamist varraste pinnakvaliteet hea, eriti kui ekstrusioonisuhet suurendatakse 156-ni (mis vastab varda ekstrusiooni väljundkiirusele 48 m/min), ei esine varda pinnal ekstrusioonidefekte, nagu praod ja koorumine, mis näitab, et 6063 alumiiniumisulamil on ka hea kuumekstrusiooni vormimise jõudlus suurel kiirusel ja suure ekstrusioonisuhte korral.
Joonis 2. Erineva ekstrusioonisuhtega 6063 alumiiniumisulamist varraste välimus
Joonis 3 näitab 6063 alumiiniumisulamist varda pikilõike metallograafilist mikrostruktuuri erinevate ekstrusioonisuhete korral. Erinevate ekstrusioonisuhete korral varda terastruktuuril on erinev venivuse või peenuse aste. Kui ekstrusioonisuhe on 17, siis algsed terad pikenevad ekstrusiooni suunas, millega kaasneb väikese arvu rekristalliseerunud terade moodustumine, kuid terad on siiski suhteliselt jämedad, keskmise terasuurusega umbes 85 μm (joonis 3a); kui ekstrusioonisuhe on 25, siis terad venivad peenemaks, rekristalliseerunud terade arv suureneb ja keskmine terasuurus väheneb umbes 71 μm-ni (joonis 3b); kui ekstrusioonisuhe on 39, siis peale väikese arvu deformeerunud teri koosneb mikrostruktuur põhimõtteliselt võrdselt paiknevatest rekristalliseerunud ebaühtlase suurusega teradest, mille keskmine terasuurus on umbes 60 μm (joonis 3c). Kui ekstrusioonisuhe on 69, on dünaamiline rekristalliseerumisprotsess põhimõtteliselt lõppenud, jämedad algterad on täielikult muutunud ühtlase struktuuriga rekristalliseerunud teradeks ja keskmine terasuurus on peenestatud umbes 41 μm-ni (joonis 3d); kui ekstrusioonisuhe on 156, on dünaamilise rekristalliseerumisprotsessi täielikul kulgemisel mikrostruktuur ühtlasem ja terasuurus on oluliselt peenestatud umbes 32 μm-ni (joonis 3e). Ekstrusioonisuhe suurenemisega kulgeb dünaamiline rekristalliseerumisprotsess täielikumalt, sulami mikrostruktuur muutub ühtlasemaks ja terasuurus on oluliselt peenestatud (joonis 3f).
Joonis 3. Erineva ekstrusioonisuhtega 6063 alumiiniumisulamist varraste pikilõike metallograafiline struktuur ja terasuurus.
Joonis 4 näitab 6063 alumiiniumsulamist varraste pöördpooluskujusid erinevate ekstrusioonisuhetega piki ekstrusiooni suunda. On näha, et erinevate ekstrusioonisuhetega sulamvarraste mikrostruktuurid annavad kõik ilmse eelistusorientatsiooni. Kui ekstrusioonisuhe on 17, moodustub nõrgem <115>+<100> tekstuur (joonis 4a); kui ekstrusioonisuhe on 39, on tekstuurikomponentideks peamiselt tugevam <100> tekstuur ja väike kogus nõrka <115> tekstuuri (joonis 4b); kui ekstrusioonisuhe on 156, on tekstuurikomponentideks oluliselt suurenenud tugevusega <100> tekstuur, samas kui <115> tekstuur kaob (joonis 4c). Uuringud on näidanud, et pinnatsentreeritud kuubilised metallid moodustavad ekstrusiooni ja tõmbamise ajal peamiselt <111> ja <100> traattekstuure. Kui tekstuur on moodustunud, näitavad sulami mehaanilised omadused toatemperatuuril ilmset anisotroopiat. Tekstuuri tugevus suureneb ekstrusioonisuhte suurenemisega, mis näitab, et sulami ekstrusioonisuunaga paralleelselt teatud kristalli suunas olevate terade arv suureneb järk-järgult ja sulami pikisuunaline tõmbetugevus suureneb. 6063 alumiiniumisulamist kuumpressitud materjalide tugevdusmehhanismide hulka kuuluvad peeneteraline tugevdamine, dislokatsiooni tugevdamine, tekstuuri tugevdamine jne. Selles eksperimentaalses uuringus kasutatud protsessiparameetrite vahemikus on ekstrusioonisuhte suurendamisel eespool nimetatud tugevdusmehhanismidele soodustav mõju.
Joonis 4. 6063 alumiiniumisulamist varraste pöördpooluse diagramm erinevate ekstrusioonisuhetega piki ekstrusiooni suunda.
Joonis 5 on histogramm 6063 alumiiniumsulami tõmbetugevusest pärast deformatsiooni erinevate ekstrusioonisuhete juures. Valusulami tõmbetugevus on 170 MPa ja pikenemine 10,4%. Sulami tõmbetugevus ja pikenemine pärast ekstrusiooni on märkimisväärselt paranenud ning tõmbetugevus ja pikenemine suurenevad järk-järgult ekstrusioonisuhte suurenemisega. Kui ekstrusioonisuhe on 156, saavutavad sulami tõmbetugevus ja pikenemine maksimaalse väärtuse, mis on vastavalt 228 MPa ja 26,9%, mis on umbes 34% kõrgem kui valatud sulami tõmbetugevus ja umbes 158% kõrgem kui pikenemine. Suure ekstrusioonisuhtega saadud 6063 alumiiniumsulami tõmbetugevus on lähedane 4-käigulise võrdkanalilise nurkekstrusiooni (ECAP) abil saadud tõmbetugevuse väärtusele (240 MPa), mis on palju kõrgem kui 6063 alumiiniumsulami 1-käigulise ECAP-ekstrusiooni abil saadud tõmbetugevuse väärtus (171,1 MPa). On näha, et suur ekstrusioonisuhe võib teatud määral parandada sulami mehaanilisi omadusi.
Sulami mehaaniliste omaduste paranemine ekstrusioonisuhte abil tuleneb peamiselt terade peenendamise tugevdamisest. Ekstrusioonisuhte suurenedes peenestuvad terad ja dislokatsioonide tihedus suureneb. Rohkem terade piire pindalaühiku kohta saab tõhusalt takistada dislokatsioonide liikumist koos dislokatsioonide vastastikuse liikumise ja takerdumisega, parandades seeläbi sulami tugevust. Mida peenemad on terad, seda keerulisemad on terade piirid ja plastiline deformatsioon saab hajutada rohkematesse teradesse, mis ei soodusta pragude teket, rääkimata pragude levikust. Purunemisprotsessi käigus saab neelata rohkem energiat, parandades seeläbi sulami plastilisust.
Joonis 5. 6063 alumiiniumisulami tõmbetugevus pärast valamist ja ekstrusiooni
Sulami tõmbemurru morfoloogia pärast deformatsiooni erinevate ekstrusioonisuhete korral on näidatud joonisel 6. Valatud proovi murru morfoloogias ei leitud lohke (joonis 6a) ning murd koosnes peamiselt lamedatest aladest ja rebenemisservadest, mis näitab, et valatud sulami tõmbemurru mehhanism oli peamiselt habras murd. Sulami murru morfoloogia pärast ekstrusiooni on oluliselt muutunud ja murd koosneb suurest hulgast võrdteljelistest lohkudest, mis näitab, et sulami purunemismehhanism pärast ekstrusiooni on muutunud hapra murru asemel plastseks murruks. Kui ekstrusioonisuhe on väike, on lohud madalad ja lohkude suurus suur ning jaotus ebaühtlane; ekstrusioonisuhe suurenedes suureneb lohkude arv, lohkude suurus väheneb ja jaotus on ühtlane (joonis 6b-f), mis tähendab, et sulamil on parem plastilisus, mis on kooskõlas ülaltoodud mehaaniliste omaduste testi tulemustega.
3 Kokkuvõte
Selles katses analüüsiti erinevate ekstrusioonisuhete mõju 6063 alumiiniumsulami mikrostruktuurile ja omadustele tingimusel, et tooriku suurus, valuploki kuumutamistemperatuur ja ekstrusioonikiirus jäid samaks. Järeldused on järgmised:
1) 6063 alumiiniumsulamist kuumpressimise ajal toimub dünaamiline rekristalliseerumine. Ekstrusioonisuhte suurenemisega terad pidevalt peenenevad ja ekstrusiooni suunas pikenenud terad muutuvad võrdtelgedeks rekristalliseerunud teradeks ning traadi tekstuuri tugevus suureneb pidevalt.
2) Peeneteralise tugevdamise mõju tõttu paranevad sulami mehaanilised omadused ekstrusioonisuhte suurenemisega. Katseparameetrite vahemikus, kui ekstrusioonisuhe on 156, saavutavad sulami tõmbetugevus ja venivus maksimaalsed väärtused vastavalt 228 MPa ja 26,9%.
Joonis 6. 6063 alumiiniumisulami tõmbemurru morfoloogia pärast valamist ja ekstrusiooni.
3) Valatud proovi murru morfoloogia koosneb lamedatest aladest ja rebenemisservadest. Pärast ekstrusiooni koosneb murd suurest hulgast võrdtelgelistest lohkudest ning purunemismehhanism muutub hapra murru asemel plastseks murruks.
Postituse aeg: 30. november 2024
