La lega di alluminio 6063 appartiene alla serie di leghe di alluminio Al-Mg-Si debolmente legate, trattabili termicamente. Presenta eccellenti prestazioni di estrusione, buona resistenza alla corrosione e ottime proprietà meccaniche. È inoltre ampiamente utilizzata nell'industria automobilistica grazie alla sua facile colorazione per ossidazione. Con l'accelerazione della tendenza verso automobili leggere, anche l'applicazione di materiali estrusi in lega di alluminio 6063 nell'industria automobilistica è ulteriormente aumentata.
La microstruttura e le proprietà dei materiali estrusi sono influenzate dall'effetto combinato di velocità di estrusione, temperatura di estrusione e rapporto di estrusione. Tra questi, il rapporto di estrusione è determinato principalmente dalla pressione di estrusione, dall'efficienza produttiva e dalle attrezzature di produzione. Quando il rapporto di estrusione è basso, la deformazione della lega è limitata e il raffinamento della microstruttura non è evidente; aumentando il rapporto di estrusione è possibile raffinare significativamente i grani, scomporre la seconda fase grossolana, ottenere una microstruttura uniforme e migliorare le proprietà meccaniche della lega.
Le leghe di alluminio 6061 e 6063 subiscono una ricristallizzazione dinamica durante il processo di estrusione. A temperatura di estrusione costante, all'aumentare del rapporto di estrusione, la granulometria diminuisce, la fase di rinforzo viene finemente dispersa e la resistenza a trazione e l'allungamento della lega aumentano di conseguenza; tuttavia, all'aumentare del rapporto di estrusione, aumenta anche la forza di estrusione richiesta per il processo di estrusione, causando un maggiore effetto termico, con conseguente aumento della temperatura interna della lega e riduzione delle prestazioni del prodotto. Questo esperimento studia l'effetto del rapporto di estrusione, in particolare di un rapporto di estrusione elevato, sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche della lega di alluminio 6063.
1 Materiali e metodi sperimentali
Il materiale sperimentale è la lega di alluminio 6063, la cui composizione chimica è riportata nella Tabella 1. Le dimensioni originali del lingotto sono Φ55 mm × 165 mm e, dopo un trattamento di omogeneizzazione a 560 °C per 6 ore, viene trasformato in una billetta estrusa di dimensioni Φ50 mm × 150 mm. La billetta viene riscaldata a 470 °C e mantenuta calda. La temperatura di preriscaldamento del cilindro di estrusione è di 420 °C e quella dello stampo di 450 °C. Quando la velocità di estrusione (velocità di movimento dell'asta di estrusione) V=5 mm/s rimane invariata, vengono eseguiti 5 gruppi di test di rapporto di estrusione diversi e i rapporti di estrusione R sono 17 (corrispondenti al diametro del foro della filiera D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) e 156 (D=4 mm).
Tabella 1 Composizioni chimiche della lega di Al 6063 (peso/%)
Dopo la levigatura con carta vetrata e la lucidatura meccanica, i campioni metallografici sono stati incisi con reagente HF con una frazione in volume del 40% per circa 25 secondi e la struttura metallografica dei campioni è stata osservata al microscopio ottico LEICA-5000. Un campione per l'analisi della tessitura di dimensioni 10 mm × 10 mm è stato prelevato dal centro della sezione longitudinale della barra estrusa e sono state eseguite la levigatura meccanica e l'incisione per rimuovere lo strato di stress superficiale. Le figure polari incomplete dei tre piani cristallini {111}, {200} e {220} del campione sono state misurate dall'analizzatore di diffrazione a raggi X X′Pert Pro MRD di PANalytical Company e i dati della tessitura sono stati elaborati e analizzati dai software X′Pert Data View e X′Pert Texture.
Il campione di trazione della lega fusa è stato prelevato dal centro del lingotto e tagliato lungo la direzione di estrusione dopo l'estrusione. La dimensione dell'area di riferimento era Φ4 mm × 28 mm. La prova di trazione è stata eseguita utilizzando una macchina universale per prove sui materiali SANS CMT5105 con una velocità di trazione di 2 mm/min. Il valore medio dei tre campioni standard è stato calcolato come dato delle proprietà meccaniche. La morfologia della frattura dei campioni di trazione è stata osservata utilizzando un microscopio elettronico a scansione a basso ingrandimento (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Risultati e discussione
La Figura 1 mostra la microstruttura metallografica della lega di alluminio 6063 grezza prima e dopo il trattamento di omogeneizzazione. Come mostrato in Figura 1a, i grani di α-Al nella microstruttura grezza variano di dimensione, un gran numero di fasi reticolari β-Al9Fe2Si2 si raccolgono ai bordi dei grani e un gran numero di fasi granulari di Mg2Si sono presenti all'interno dei grani. Dopo l'omogeneizzazione del lingotto a 560 °C per 6 ore, la fase eutettica di non equilibrio tra i dendriti della lega si è gradualmente dissolta, gli elementi della lega si sono dissolti nella matrice, la microstruttura era uniforme e la dimensione media dei grani era di circa 125 μm (Figura 1b).
Prima dell'omogeneizzazione
Dopo il trattamento uniformizzante a 600°C per 6 ore
Fig.1 Struttura metallografica della lega di alluminio 6063 prima e dopo il trattamento di omogeneizzazione
La Figura 2 mostra l'aspetto delle barre in lega di alluminio 6063 con diversi rapporti di estrusione. Come mostrato in Figura 2, la qualità superficiale delle barre in lega di alluminio 6063 estruse con diversi rapporti di estrusione è buona, soprattutto quando il rapporto di estrusione viene aumentato a 156 (corrispondente a una velocità di uscita di estrusione della barra di 48 m/min), non si riscontrano ancora difetti di estrusione come crepe e sfaldamenti sulla superficie della barra, a indicare che la lega di alluminio 6063 offre anche buone prestazioni di formatura per estrusione a caldo ad alta velocità e con un elevato rapporto di estrusione.
Fig.2 Aspetto delle barre in lega di alluminio 6063 con diversi rapporti di estrusione
La Figura 3 mostra la microstruttura metallografica della sezione longitudinale della barra in lega di alluminio 6063 con diversi rapporti di estrusione. La struttura granulare della barra con diversi rapporti di estrusione mostra diversi gradi di allungamento o raffinamento. Quando il rapporto di estrusione è 17, i grani originali si allungano lungo la direzione di estrusione, accompagnati dalla formazione di un piccolo numero di grani ricristallizzati, ma i grani sono ancora relativamente grossolani, con una dimensione media dei grani di circa 85 μm (Figura 3a); quando il rapporto di estrusione è 25, i grani vengono tirati più sottili, il numero di grani ricristallizzati aumenta e la dimensione media dei grani diminuisce a circa 71 μm (Figura 3b); quando il rapporto di estrusione è 39, fatta eccezione per un piccolo numero di grani deformati, la microstruttura è essenzialmente composta da grani ricristallizzati equiassici di dimensioni irregolari, con una dimensione media dei grani di circa 60 μm (Figura 3c); Quando il rapporto di estrusione è 69, il processo di ricristallizzazione dinamica è sostanzialmente completato, i grani originali grossolani sono stati completamente trasformati in grani ricristallizzati dalla struttura uniforme e la granulometria media è raffinata a circa 41 μm (Figura 3d); quando il rapporto di estrusione è 156, con il pieno avanzamento del processo di ricristallizzazione dinamica, la microstruttura è più uniforme e la granulometria è notevolmente raffinata a circa 32 μm (Figura 3e). Con l'aumento del rapporto di estrusione, il processo di ricristallizzazione dinamica procede in modo più completo, la microstruttura della lega diventa più uniforme e la granulometria è notevolmente raffinata (Figura 3f).
Fig.3 Struttura metallografica e granulometria della sezione longitudinale di barre in lega di alluminio 6063 con diversi rapporti di estrusione
La Figura 4 mostra le figure polari inverse di barre in lega di alluminio 6063 con diversi rapporti di estrusione lungo la direzione di estrusione. Si può osservare che le microstrutture delle barre in lega con diversi rapporti di estrusione producono tutte un evidente orientamento preferenziale. Quando il rapporto di estrusione è 17, si forma una tessitura più debole <115>+<100> (Figura 4a); quando il rapporto di estrusione è 39, le componenti della tessitura sono principalmente la tessitura più forte <100> e una piccola quantità di tessitura debole <115> (Figura 4b); quando il rapporto di estrusione è 156, le componenti della tessitura sono la tessitura <100> con resistenza significativamente aumentata, mentre la tessitura <115> scompare (Figura 4c). Studi hanno dimostrato che i metalli cubici a facce centrate formano principalmente tessiture a filo <111> e <100> durante l'estrusione e la trafilatura. Una volta formata la tessitura, le proprietà meccaniche della lega a temperatura ambiente mostrano un'evidente anisotropia. La resistenza della tessitura aumenta con l'aumentare del rapporto di estrusione, a indicare che il numero di grani in una determinata direzione cristallina parallela alla direzione di estrusione nella lega aumenta gradualmente, con conseguente aumento della resistenza a trazione longitudinale della lega. I meccanismi di rinforzo dei materiali estrusi a caldo in lega di alluminio 6063 includono il rinforzo a grano fine, il rinforzo per dislocazione, il rinforzo della tessitura, ecc. Nell'intervallo dei parametri di processo utilizzati in questo studio sperimentale, l'aumento del rapporto di estrusione ha un effetto positivo sui meccanismi di rinforzo sopra descritti.
Fig.4 Diagramma dei poli inversi delle barre in lega di alluminio 6063 con diversi rapporti di estrusione lungo la direzione di estrusione
La Figura 5 è un istogramma delle proprietà di trazione della lega di alluminio 6063 dopo deformazione a diversi rapporti di estrusione. La resistenza a trazione della lega fusa è di 170 MPa e l'allungamento è del 10,4%. La resistenza a trazione e l'allungamento della lega dopo l'estrusione migliorano significativamente, e resistenza a trazione e allungamento aumentano gradualmente con l'aumentare del rapporto di estrusione. Quando il rapporto di estrusione è 156, la resistenza a trazione e l'allungamento della lega raggiungono i valori massimi, rispettivamente di 228 MPa e del 26,9%, che sono circa il 34% superiori alla resistenza a trazione della lega fusa e circa il 158% superiori all'allungamento. La resistenza alla trazione della lega di alluminio 6063 ottenuta con un elevato rapporto di estrusione è prossima al valore di resistenza alla trazione (240 MPa) ottenuto con l'estrusione angolare a canale uguale a 4 passate (ECAP), che è molto superiore al valore di resistenza alla trazione (171,1 MPa) ottenuto con l'estrusione ECAP a 1 passata della lega di alluminio 6063. Si può osservare che un elevato rapporto di estrusione può migliorare in una certa misura le proprietà meccaniche della lega.
Il miglioramento delle proprietà meccaniche della lega dovuto al rapporto di estrusione deriva principalmente dal rafforzamento dovuto all'affinamento dei grani. All'aumentare del rapporto di estrusione, i grani vengono affinati e la densità delle dislocazioni aumenta. Un maggior numero di bordi di grano per unità di superficie può ostacolare efficacemente il movimento delle dislocazioni, combinandosi con il movimento reciproco e l'aggrovigliamento delle dislocazioni, migliorando così la resistenza della lega. Più fini sono i grani, più tortuosi sono i bordi di grano e la deformazione plastica può essere dispersa in più grani, il che non favorisce la formazione di cricche, né tantomeno la loro propagazione. Una maggiore energia può essere assorbita durante il processo di frattura, migliorando così la plasticità della lega.
Fig.5 Proprietà di trazione della lega di alluminio 6063 dopo fusione ed estrusione
La morfologia della frattura a trazione della lega dopo deformazione con diversi rapporti di estrusione è mostrata in Figura 6. Non sono state rilevate fossette nella morfologia della frattura del campione grezzo di fusione (Figura 6a) e la frattura era composta principalmente da aree piatte e bordi di lacerazione, a indicare che il meccanismo di frattura a trazione della lega grezzo di fusione era principalmente di tipo fragile. La morfologia della frattura della lega dopo l'estrusione è cambiata significativamente e la frattura è composta da un gran numero di fossette equiassiali, a indicare che il meccanismo di frattura della lega dopo l'estrusione è passato da frattura fragile a frattura duttile. Quando il rapporto di estrusione è piccolo, le fossette sono poco profonde e le dimensioni delle fossette sono grandi, con una distribuzione non uniforme; all'aumentare del rapporto di estrusione, il numero di fossette aumenta, le dimensioni delle fossette si riducono e la distribuzione è uniforme (Figure 6b~f), il che significa che la lega ha una migliore plasticità, coerente con i risultati dei test sulle proprietà meccaniche sopra riportati.
3 Conclusion
In questo esperimento, sono stati analizzati gli effetti di diversi rapporti di estrusione sulla microstruttura e sulle proprietà della lega di alluminio 6063, mantenendo invariate le dimensioni della billetta, la temperatura di riscaldamento del lingotto e la velocità di estrusione. Le conclusioni sono le seguenti:
1) La ricristallizzazione dinamica si verifica nella lega di alluminio 6063 durante l'estrusione a caldo. Con l'aumento del rapporto di estrusione, i grani vengono continuamente raffinati e i grani allungati lungo la direzione di estrusione si trasformano in grani ricristallizzati equiassici, aumentando costantemente la resistenza della tessitura del filo <100>.
2) Grazie all'effetto di rinforzo a grano fine, le proprietà meccaniche della lega migliorano con l'aumento del rapporto di estrusione. Nell'intervallo dei parametri di prova, con un rapporto di estrusione di 156, la resistenza alla trazione e l'allungamento della lega raggiungono rispettivamente i valori massimi di 228 MPa e 26,9%.
Fig.6 Morfologie di frattura da trazione della lega di alluminio 6063 dopo fusione ed estrusione
3) La morfologia della frattura del provino grezzo di fusione è composta da aree piatte e bordi di rottura. Dopo l'estrusione, la frattura è composta da un gran numero di fossette equiassiali e il meccanismo di frattura si trasforma da frattura fragile a frattura duttile.
Data di pubblicazione: 30-11-2024
