6063 aliuminio lydinys priklauso mažai legiruotų Al-Mg-Si serijos termiškai apdorojamų aliuminio lydinių grupei. Jis pasižymi puikiomis ekstruzinio liejimo savybėmis, geru atsparumu korozijai ir visapusiškomis mechaninėmis savybėmis. Dėl lengvo oksidacinio dažymo jis taip pat plačiai naudojamas automobilių pramonėje. Tobulėjant lengvųjų automobilių tendencijoms, 6063 aliuminio lydinio ekstruzinių medžiagų naudojimas automobilių pramonėje taip pat dar labiau išaugo.
Ekstruzijos būdu pagamintų medžiagų mikrostruktūrai ir savybėms įtakos turi bendras ekstruzijos greičio, ekstruzijos temperatūros ir ekstruzijos santykio poveikis. Iš jų ekstruzijos santykį daugiausia lemia ekstruzijos slėgis, gamybos efektyvumas ir gamybos įranga. Kai ekstruzijos santykis yra mažas, lydinio deformacija yra maža, o mikrostruktūros rafinuotumas nėra akivaizdus; padidinus ekstruzijos santykį, galima žymiai pagerinti grūdelius, suskaidyti šiurkščią antrąją fazę, gauti vienodą mikrostruktūrą ir pagerinti lydinio mechanines savybes.
6061 ir 6063 aliuminio lydiniai ekstruzijos proceso metu patiria dinaminę rekristalizaciją. Kai ekstruzijos temperatūra yra pastovi, didėjant ekstruzijos santykiui, mažėja grūdelių dydis, stiprinanti fazė yra smulkiai disperguojama, todėl atitinkamai didėja lydinio tempiamasis stipris ir pailgėjimas; tačiau didėjant ekstruzijos santykiui, didėja ir ekstruzijos procesui reikalinga ekstruzijos jėga, todėl atsiranda didesnis terminis efektas, dėl kurio kyla lydinio vidinė temperatūra ir mažėja produkto eksploatacinės savybės. Šiame eksperimente nagrinėjamas ekstruzijos santykio, ypač didelio ekstruzijos santykio, poveikis 6063 aliuminio lydinio mikrostruktūrai ir mechaninėms savybėms.
1 Eksperimentinės medžiagos ir metodai
Eksperimentinė medžiaga yra 6063 aliuminio lydinys, o cheminė sudėtis parodyta 1 lentelėje. Pradinis luito dydis yra Φ55 mm × 165 mm, o po 6 valandų homogenizavimo 560 ℃ temperatūroje jis perdirbamas į Φ50 mm × 150 mm dydžio ekstruzijos ruošinį. Ruošinys įkaitinamas iki 470 ℃ ir laikomas šiltai. Ekstruzijos cilindro išankstinio įkaitinimo temperatūra yra 420 ℃, o formos išankstinio įkaitinimo temperatūra – 450 ℃. Kai ekstruzijos greitis (ekstruzijos strypo judėjimo greitis) V = 5 mm/s išlieka nepakitęs, atliekamos 5 skirtingų ekstruzijos santykio bandymų grupės, o ekstruzijos santykiai R yra 17 (atitinka štampo skylės skersmenį D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) ir 156 (D = 4 mm).
1 lentelė. 6063 Al lydinio cheminė sudėtis (masės %).
Po šlifavimo švitriniu popieriumi ir mechaninio poliravimo, metalografiniai mėginiai buvo ėsdinami HF reagentu, kurio tūrio dalis yra 40 %, apie 25 sekundes, o mėginių metalografinė struktūra buvo stebima LEICA-5000 optiniu mikroskopu. Iš ekstruzinio strypo išilginio pjūvio centro buvo išpjautas 10 mm × 10 mm dydžio tekstūros analizės mėginys, kuris buvo mechaniškai šlifuojamas ir ėsdinamas, siekiant pašalinti paviršiaus įtempio sluoksnį. Nepilnos mėginio trijų kristalų plokštumų {111}, {200} ir {220} polių figūros buvo išmatuotos „PANalytical Company“ pagamintu „X′Pert Pro MRD“ rentgeno spindulių difrakcijos analizatoriumi, o tekstūros duomenys buvo apdoroti ir analizuojami naudojant „X′Pert Data View“ ir „X′Pert Texture“ programinę įrangą.
Lietinio lydinio tempiamasis bandinys buvo paimtas iš luito centro, o po ekstruzijos tempiamasis bandinys buvo perpjautas ekstruzijos kryptimi. Matavimo ploto dydis buvo Φ4 mm × 28 mm. Tempimo bandymas buvo atliktas naudojant universalų medžiagų bandymo įrenginį SANS CMT5105, kurio tempimo greitis buvo 2 mm/min. Trijų standartinių bandinių vidutinė vertė buvo apskaičiuota kaip mechaninių savybių duomenys. Tempiamųjų bandinių lūžio morfologija buvo stebima naudojant mažo didinimo skenuojantį elektroninį mikroskopą („Quanta 2000“, FEI, JAV).
2 Rezultatai ir aptarimas
1 paveiksle parodyta nebaigto lieto 6063 aliuminio lydinio metalografinė mikrostruktūra prieš ir po homogenizavimo. Kaip parodyta 1a paveiksle, nebaigto lieto mikrostruktūros α-Al grūdeliai yra skirtingo dydžio, grūdelių ribose susikaupia daug tinklinių β-Al9Fe2Si2 fazių, o grūdelių viduje yra daug granuliuotų Mg2Si fazių. Po to, kai luitas buvo homogenizuotas 560 ℃ temperatūroje 6 valandas, nepusiausvyrinė eutektinė fazė tarp lydinio dendritų palaipsniui ištirpo, lydinio elementai ištirpo matricoje, mikrostruktūra tapo vienoda, o vidutinis grūdelių dydis buvo apie 125 μm (1b paveikslas).
Prieš homogenizavimą
Po 6 valandų vienodo apdorojimo 600 °C temperatūroje
1 pav. 6063 aliuminio lydinio metalografinė struktūra prieš ir po homogenizavimo apdorojimo
2 paveiksle parodyta 6063 aliuminio lydinio strypų, ekstruduotų naudojant skirtingus ekstruzijos santykius, išvaizda. Kaip parodyta 2 paveiksle, 6063 aliuminio lydinio strypų, ekstruduotų naudojant skirtingus ekstruzijos santykius, paviršiaus kokybė yra gera, ypač padidinus ekstruzijos santykį iki 156 (atitinka 48 m/min strypo ekstruzijos išleidimo greitį), strypo paviršiuje vis tiek nėra ekstruzijos defektų, tokių kaip įtrūkimai ir lupimasis, o tai rodo, kad 6063 aliuminio lydinys taip pat pasižymi geromis karštojo ekstruzijos formavimo savybėmis esant dideliam greičiui ir dideliam ekstruzijos santykiui.
2 pav. 6063 aliuminio lydinio strypų su skirtingais ekstruzijos santykiais išvaizda
3 paveiksle parodyta 6063 aliuminio lydinio strypo išilginio pjūvio metalografinė mikrostruktūra su skirtingais ekstruzijos santykiais. Strypo grūdelių struktūra su skirtingais ekstruzijos santykiais pasižymi skirtingu pailgėjimo arba rafinuotumo laipsniu. Kai ekstruzijos santykis yra 17, pradiniai grūdeliai pailgėja ekstruzijos kryptimi, kartu susidaro nedidelis skaičius rekristalizuotų grūdelių, tačiau grūdeliai vis dar yra gana stambūs, vidutinis grūdelių dydis yra apie 85 μm (3a pav.); kai ekstruzijos santykis yra 25, grūdeliai ištraukiami plonesni, rekristalizuotų grūdelių skaičius padidėja, o vidutinis grūdelių dydis sumažėja iki maždaug 71 μm (3b pav.); kai ekstruzijos santykis yra 39, išskyrus nedidelį skaičių deformuotų grūdelių, mikrostruktūra iš esmės sudaryta iš lygiaašių rekristalizuotų nevienodo dydžio grūdelių, kurių vidutinis grūdelių dydis yra apie 60 μm (3c pav.); Kai ekstruzijos santykis yra 69, dinaminio rekristalizacijos procesas iš esmės yra baigtas, stambūs pradiniai grūdai yra visiškai transformuoti į vienodos struktūros rekristalizuotus grūdus, o vidutinis grūdelių dydis yra sumažėjęs iki maždaug 41 μm (3d pav.); kai ekstruzijos santykis yra 156, dinaminio rekristalizacijos procesui vykstant iki galo, mikrostruktūra yra vienodesnė, o grūdelių dydis yra gerokai sumažėjęs iki maždaug 32 μm (3e pav.). Didėjant ekstruzijos santykiui, dinaminio rekristalizacijos procesas vyksta pilniau, lydinio mikrostruktūra tampa vienodesnė, o grūdelių dydis yra gerokai sumažėjęs (3f pav.).
3 pav. 6063 aliuminio lydinio strypų su skirtingais ekstruzijos santykiais išilginio pjūvio metalografinė struktūra ir grūdelių dydis
4 paveiksle parodytos 6063 aliuminio lydinio strypų su skirtingais ekstruzijos santykiais išilgai ekstruzijos krypties atvirkštinės polių figūros. Matyti, kad skirtingų ekstruzijos santykių lydinių strypų mikrostruktūros sukuria akivaizdžią pageidaujamą orientaciją. Kai ekstruzijos santykis yra 17, susidaro silpnesnė <115> + <100> tekstūra (4a pav.); kai ekstruzijos santykis yra 39, tekstūros komponentai daugiausia yra stipresnė <100> tekstūra ir nedidelis kiekis silpnos <115> tekstūros (4b pav.); kai ekstruzijos santykis yra 156, tekstūros komponentai yra <100> tekstūra su žymiai padidėjusiu stiprumu, o <115> tekstūra išnyksta (4c pav.). Tyrimai parodė, kad centruoto paviršiaus kubiniai metalai ekstruzijos ir tempimo metu daugiausia sudaro <111> ir <100> vielos tekstūras. Susiformavus tekstūrai, lydinio mechaninės savybės kambario temperatūroje rodo akivaizdžią anizotropiją. Tekstūros stiprumas didėja didėjant ekstruzijos santykiui, o tai rodo, kad lydinio grūdelių skaičius tam tikra kristalo kryptimi, lygiagrečia ekstruzijos krypčiai, palaipsniui didėja, o lydinio išilginis tempiamasis stipris didėja. 6063 aliuminio lydinio karšto ekstruzijos medžiagų stiprinimo mechanizmai apima smulkiagrūdžių stiprinimą, dislokacijos stiprinimą, tekstūros stiprinimą ir kt. Šiame eksperimentiniame tyrime naudojamų proceso parametrų diapazone ekstruzijos santykio didinimas turi skatinamąjį poveikį minėtiems stiprinimo mechanizmams.
4 pav. 6063 aliuminio lydinio strypų atvirkštinio poliaus diagrama su skirtingais ekstruzijos santykiais ekstruzijos kryptimi
5 paveiksle pateikta 6063 aliuminio lydinio tempiamųjų savybių histograma po deformacijos, esant skirtingiems ekstruzijos santykiams. Lietinio lydinio tempiamasis stipris yra 170 MPa, o pailgėjimas – 10,4 %. Lydinio tempiamasis stipris ir pailgėjimas po ekstruzijos žymiai pagerėja, o tempiamasis stipris ir pailgėjimas palaipsniui didėja didėjant ekstruzijos santykiui. Kai ekstruzijos santykis yra 156, lydinio tempiamasis stipris ir pailgėjimas pasiekia maksimalią vertę, kuri yra atitinkamai 228 MPa ir 26,9 %, tai yra apie 34 % daugiau nei lietinio lydinio tempiamasis stipris ir apie 158 % daugiau nei pailgėjimas. 6063 aliuminio lydinio tempiamasis stipris, gautas naudojant didelį ekstruzijos santykį, yra artimas tempiamojo stiprio vertei (240 MPa), gautai naudojant 4 praėjimų lygiagretaus kanalo kampinį ekstruziją (ECAP), kuri yra daug didesnė nei tempiamojo stiprio vertė (171,1 MPa), gauta atliekant 6063 aliuminio lydinio 1 praėjimo ECAP ekstruziją. Galima pastebėti, kad didelis ekstruzijos santykis gali tam tikru mastu pagerinti lydinio mechanines savybes.
Lydinio mechaninių savybių gerinimas dėl ekstruzijos santykio daugiausia susijęs su grūdelių smulkinimo stiprinimu. Didėjant ekstruzijos santykiui, grūdeliai smulkėja ir didėja dislokacijų tankis. Didesnis grūdelių ribų skaičius ploto vienete gali veiksmingai trukdyti dislokacijų judėjimui, kartu su abipusiu dislokacijų judėjimu ir susipynimu, taip pagerinant lydinio stiprumą. Kuo smulkesni grūdeliai, tuo vingiuotesnės grūdelių ribos, o plastinė deformacija gali būti paskirstyta didesniame grūdelių skaičiuje, o tai nepadeda įtrūkimų susidarymui, jau nekalbant apie jų plitimą. Lūžio procese gali būti sugeriama daugiau energijos, taip pagerinant lydinio plastiškumą.
5 pav. 6063 aliuminio lydinio tempiamosios savybės po liejimo ir ekstruzijos.
Lydinio tempiamojo lūžio morfologija po deformacijos esant skirtingiems ekstruzijos santykiams parodyta 6 paveiksle. Lieto pavyzdžio lūžio morfologijoje nerasta įdubimų (6a pav.), o lūžis daugiausia sudarytas iš plokščių plotų ir plyšimo briaunų, o tai rodo, kad liejamo lydinio tempiamojo lūžio mechanizmas daugiausia buvo trapusis lūžis. Lydinio lūžio morfologija po ekstruzijos labai pasikeitė, o lūžis sudarytas iš daugybės lygiaašių įdubimų, o tai rodo, kad lydinio lūžio mechanizmas po ekstruzijos pasikeitė iš trapaus lūžio į kalųjį. Kai ekstruzijos santykis mažas, įdubimai yra negilūs, o įdubimų dydis didelis ir pasiskirstymas netolygus; didėjant ekstruzijos santykiui, įdubimų skaičius didėja, įdubimų dydis mažėja, o pasiskirstymas tolygus (6b–6f pav.), o tai reiškia, kad lydinys pasižymi geresniu plastiškumu, o tai atitinka aukščiau pateiktus mechaninių savybių bandymo rezultatus.
3 Išvada
Šiame eksperimente buvo analizuojamas skirtingų ekstruzijos santykių poveikis 6063 aliuminio lydinio mikrostruktūrai ir savybėms, esant sąlygai, kad ruošinio dydis, luito kaitinimo temperatūra ir ekstruzijos greitis nepakito. Išvados yra tokios:
1) Karštojo ekstruzijos metu 6063 aliuminio lydinyje vyksta dinaminis rekristalizacijos procesas. Didėjant ekstruzijos santykiui, grūdeliai nuolat smulkinami, o ekstruzijos kryptimi pailgėję grūdeliai virsta lygiaašiais rekristalizuotais grūdeliais, o <100> vielos tekstūros stiprumas nuolat didėja.
2) Dėl smulkiagrūdžio sustiprinimo poveikio, didėjant ekstruzijos santykiui, pagerėja lydinio mechaninės savybės. Bandymo parametrų diapazone, kai ekstruzijos santykis yra 156, lydinio tempiamasis stipris ir pailgėjimas pasiekia atitinkamai 228 MPa ir 26,9 % maksimalias vertes.
6 pav. 6063 aliuminio lydinio tempiamojo lūžio morfologija po liejimo ir ekstruzijos.
3) Išlieto bandinio lūžio morfologiją sudaro plokščios sritys ir įplyšimo briaunos. Po ekstruzijos lūžis susidaro iš daugybės lygiaašių įdubimų, o lūžio mechanizmas pasikeičia iš trapaus lūžio į kalųjį lūži.
Įrašo laikas: 2024 m. lapkričio 30 d.
