La lega di alluminio 6063 appartiene alla lega di alluminio trattabile termicamente della serie Al-Mg-Si a bassa lega. Ha eccellenti prestazioni di stampaggio per estrusione, buona resistenza alla corrosione e proprietà meccaniche complete. Trova largo impiego anche nel settore automobilistico per la sua facile colorazione ad ossidazione. Con l'accelerazione della tendenza delle automobili leggere, anche l'applicazione dei materiali di estrusione in lega di alluminio 6063 nell'industria automobilistica è aumentata ulteriormente.
La microstruttura e le proprietà dei materiali estrusi sono influenzate dagli effetti combinati 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 apparecchiature di produzione. Quando il rapporto di estrusione è piccolo, la deformazione della lega è piccola e il raffinamento della microstruttura non è evidente; aumentando il rapporto di estrusione è possibile affinare significativamente i grani, rompere 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. Quando la temperatura di estrusione è costante, all'aumentare del rapporto di estrusione, la dimensione del grano diminuisce, la fase di rinforzo è finemente dispersa e di conseguenza aumentano la resistenza a trazione e l'allungamento della lega; tuttavia, all'aumentare del rapporto di estrusione, aumenta anche la forza di estrusione richiesta per il processo di estrusione, provocando un maggiore effetto termico, provocando un aumento della temperatura interna della lega e una diminuzione delle prestazioni del prodotto. Questo esperimento studia l'effetto del rapporto di estrusione, in particolare del 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 e la composizione chimica è mostrata nella Tabella 1. La dimensione originale del lingotto è Φ55 mm×165 mm e viene trasformata in una billetta per estrusione con una dimensione di Φ50 mm×150 mm dopo l'omogeneizzazione trattamento a 560 ℃ per 6 ore. La billetta viene riscaldata a 470 ℃ e mantenuta calda. La temperatura di preriscaldamento del cilindro di estrusione è di 420 ℃ e la temperatura di preriscaldamento dello stampo è di 450 ℃. Quando la velocità di estrusione (velocità di movimento dell'asta di estrusione) V=5 mm/s rimane invariata, vengono eseguiti 5 gruppi di test diversi sui rapporti di estrusione 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 molatura con carta vetrata e la lucidatura meccanica, i campioni metallografici sono stati attaccati con reagente HF con una frazione in volume del 40% per circa 25 secondi e la struttura metallografica dei campioni è stata osservata su un microscopio ottico LEICA-5000. Un campione di analisi della struttura con una dimensione di 10 mm×10 mm è stato tagliato dal centro della sezione longitudinale dell'asta estrusa e sono state eseguite molatura e incisione meccanica 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 della PANalytical Company e i dati della struttura sono stati elaborati e analizzati dal software X′Pert Data View e X′Pert Texture.
Il provino di trazione della lega fusa è stato prelevato dal centro del lingotto e il provino di trazione è stato tagliato lungo la direzione di estrusione dopo l'estrusione. La dimensione dell'area del misuratore 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 provini standard è stato calcolato come dati sulle 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 as-cast prima e dopo il trattamento di omogeneizzazione. Come mostrato nella Figura 1a, i grani di α-Al nella microstruttura as-cast variano di dimensioni, un gran numero di fasi reticolari β-Al9Fe2Si2 si riuniscono ai bordi dei grani e all'interno dei grani è presente un gran numero di fasi Mg2Si granulari. Dopo che il lingotto è stato omogeneizzato a 560 ℃ per 6 ore, la fase eutettica di non equilibrio tra i dendriti della lega si è gradualmente dissolta, gli elementi di lega si sono disciolti nella matrice, la microstruttura era uniforme e la dimensione media del grano era di circa 125 μm (Figura 1b ).
Prima dell'omogeneizzazione
Dopo trattamento uniformante 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 della lega di alluminio 6063 con diversi rapporti di estrusione. Come mostrato in Figura 2, la qualità superficiale delle barre di lega di alluminio 6063 estruse con diversi rapporti di estrusione è buona, soprattutto quando il rapporto di estrusione viene aumentato a 156 (corrispondente alla velocità di uscita dell'estrusione della barra di 48 m/min), non ci sono ancora difetti di estrusione come crepe e desquamazione sulla superficie della barra, che indicano che la lega di alluminio 6063 ha anche buone prestazioni di formatura per estrusione a caldo ad alta velocità e con un rapporto di estrusione elevato.
Fig.2 Aspetto delle aste 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 dei grani della barra con diversi rapporti di estrusione mostra diversi gradi di allungamento o affinamento. Quando il rapporto di estrusione è 17, i grani originali sono allungati 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, ad eccezione di un piccolo numero di grani deformati, la microstruttura è fondamentalmente composta da grani ricristallizzati equiassici di dimensione irregolare, 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 strutturati in modo uniforme e la dimensione media dei grani viene 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 dimensione del grano è notevolmente raffinata fino 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 dimensione del grano viene 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 delle barre di lega di alluminio 6063 con diversi rapporti di estrusione lungo la direzione di estrusione. Si può vedere che le microstrutture delle barre di lega con diversi rapporti di estrusione producono tutte un evidente orientamento preferenziale. Quando il rapporto di estrusione è 17, si forma una trama <115>+<100> più debole (Figura 4a); quando il rapporto di estrusione è 39, i componenti della trama sono principalmente la trama <100> più forte e una piccola quantità di trama debole <115> (Figura 4b); quando il rapporto di estrusione è 156, i componenti della trama sono la trama <100> con una resistenza significativamente aumentata, mentre la trama <115> scompare (Figura 4c). Gli studi hanno dimostrato che i metalli cubici a facce centrate formano principalmente strutture di fili <111> e <100> durante l'estrusione e la trafilatura. Una volta formata la struttura, le proprietà meccaniche della lega a temperatura ambiente mostrano un'evidente anisotropia. La resistenza della struttura aumenta con l'aumento del rapporto di estrusione, indicando che il numero di grani in una certa direzione del cristallo parallela alla direzione di estrusione nella lega aumenta gradualmente e aumenta la resistenza alla trazione longitudinale della lega. I meccanismi di rafforzamento dei materiali di estrusione a caldo della lega di alluminio 6063 comprendono il rafforzamento della grana fine, il rafforzamento della dislocazione, il rafforzamento della struttura, ecc. All'interno della gamma di parametri di processo utilizzati in questo studio sperimentale, l'aumento del rapporto di estrusione ha un effetto promotore sui meccanismi di rafforzamento di cui sopra.
Fig.4 Diagramma dei poli inversi di 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 la deformazione a diversi rapporti di estrusione. La resistenza alla trazione della lega fusa è di 170 MPa e l'allungamento è del 10,4%. La resistenza alla trazione e l'allungamento della lega dopo l'estrusione sono notevolmente migliorati e la resistenza alla trazione e l'allungamento aumentano gradualmente con l'aumento del rapporto di estrusione. Quando il rapporto di estrusione è 156, la resistenza alla trazione e l'allungamento della lega raggiungono il valore massimo, che sono rispettivamente 228 MPa e 26,9%, che è circa il 34% superiore alla resistenza alla trazione della lega fusa e circa il 158% superiore a quella della lega fusa. l'allungamento. La resistenza alla trazione della lega di alluminio 6063 ottenuta con un ampio rapporto di estrusione è vicina al valore di resistenza alla trazione (240 MPa) ottenuto mediante estrusione angolare a canale uguale (ECAP) a 4 passaggi, che è molto superiore al valore di resistenza alla trazione (171,1 MPa) ottenuto per estrusione ECAP a 1 passaggio di lega di alluminio 6063. Si può vedere che un rapporto di estrusione elevato può migliorare in una certa misura le proprietà meccaniche della lega.
L'incremento delle proprietà meccaniche della lega mediante il rapporto di estrusione deriva principalmente dal rafforzamento dell'affinamento del grano. All'aumentare del rapporto di estrusione, i grani vengono raffinati e la densità delle dislocazioni aumenta. Un numero maggiore di bordi dei grani per unità di area può ostacolare efficacemente il movimento delle dislocazioni, combinato con il movimento reciproco e l'intreccio delle dislocazioni, migliorando così la resistenza della lega. Più fini sono i grani, più tortuosi sono i bordi dei grani e la deformazione plastica può essere dispersa in più grani, il che non favorisce la formazione di fessure e tanto meno la loro propagazione. Durante il processo di frattura può essere assorbita più energia, migliorando così la plasticità della lega.
Fig.5 Proprietà tensili della lega di alluminio 6063 dopo fusione ed estrusione
La morfologia della frattura da trazione della lega dopo la deformazione con diversi rapporti di estrusione è mostrata nella Figura 6. Non sono state trovate fossette nella morfologia della frattura del campione grezzo (Figura 6a) e la frattura era composta principalmente da aree piatte e bordi di lacerazione , indicando che il meccanismo di frattura da trazione della lega as-cast era principalmente una frattura fragile. La morfologia della frattura della lega dopo l'estrusione è cambiata in modo significativo e la frattura è composta da un gran numero di fossette equiassiche, indicando che il meccanismo di frattura della lega dopo l'estrusione è cambiato da frattura fragile a frattura duttile. Quando il rapporto di estrusione è piccolo, le fossette sono poco profonde e la dimensione delle fossette è grande e la distribuzione non è uniforme; all'aumentare del rapporto di estrusione, aumenta il numero di fossette, la dimensione delle fossette è più piccola e la distribuzione è uniforme (Figura 6b~f), il che significa che la lega ha una migliore plasticità, che è coerente con i risultati dei test sulle proprietà meccaniche di cui sopra.
3 Conclusione
In questo esperimento, sono stati analizzati gli effetti di diversi rapporti di estrusione sulla microstruttura e sulle proprietà della lega di alluminio 6063 a condizione che la dimensione della billetta, la temperatura di riscaldamento del lingotto e la velocità di estrusione rimanessero invariate. Le conclusioni sono le seguenti:
1) La ricristallizzazione dinamica avviene 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 vengono trasformati in grani ricristallizzati equiassici e la resistenza della struttura del filo <100> viene continuamente aumentata.
2) Per effetto del rafforzamento del grano fine, le proprietà meccaniche della lega migliorano con l'aumento del rapporto di estrusione. Nell'intervallo dei parametri di prova, quando il rapporto di estrusione è 156, la resistenza alla trazione e l'allungamento della lega raggiungono i valori massimi di 228 MPa e 26,9%, rispettivamente.
Fig.6 Morfologie di frattura da trazione della lega di alluminio 6063 dopo fusione ed estrusione
3) La morfologia della frattura del provino grezzo è composta da aree piatte e bordi di strappo. Dopo l'estrusione, la frattura è composta da un gran numero di fossette equiassiche e il meccanismo di frattura si trasforma da frattura fragile a frattura duttile.
Orario di pubblicazione: 30 novembre 2024
