Hliníková slitina 6063 patří do nízkolegované tepelně zpracovatelné hliníkové slitiny řady Al-Mg-Si. Má vynikající vlastnosti při extruzi, dobrou odolnost proti korozi a komplexní mechanické vlastnosti. Díky snadnému oxidačnímu barvení se také široce používá v automobilovém průmyslu. S urychlujícím se trendem lehkých automobilů se dále zvýšilo i použití extrudovaných hliníkových slitin 6063 v automobilovém průmyslu.
Mikrostruktura a vlastnosti extrudovaných materiálů jsou ovlivněny kombinovanými účinky rychlosti extruze, teploty extruze a extruzního poměru. Extruzní poměr je mimo jiné určen hlavně extruzním tlakem, efektivitou výroby a výrobním zařízením. Pokud je extruzní poměr malý, deformace slitiny je malá a zjemnění mikrostruktury není zřejmé; zvýšení extruzního poměru může výrazně zjemnit zrna, rozbít hrubou druhou fázi, dosáhnout jednotné mikrostruktury a zlepšit mechanické vlastnosti slitiny.
Hliníkové slitiny 6061 a 6063 podléhají během procesu extruze dynamické rekrystalizaci. Pokud je teplota extruze konstantní, s rostoucím extruzním poměrem se velikost zrna zmenšuje, zpevňující fáze se jemně disperguje a pevnost v tahu a prodloužení slitiny se odpovídajícím způsobem zvyšují. S rostoucím extruzním poměrem se však zvyšuje i extruzní síla potřebná pro proces extruze, což způsobuje větší tepelný efekt a následně zvyšuje vnitřní teplotu slitiny a snižuje výkonnost výrobku. Tento experiment zkoumá vliv extruzního poměru, zejména velkého extruzního poměru, na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti hliníkové slitiny 6063.
1 Experimentální materiály a metody
Experimentálním materiálem je hliníková slitina 6063, jejíž chemické složení je uvedeno v tabulce 1. Původní velikost ingotu je Φ55 mm × 165 mm a po homogenizaci při 560 °C po dobu 6 hodin je zpracován na extruzní polotovar o rozměrech Φ50 mm × 150 mm. Polotovar se zahřeje na 470 °C a udržuje se v teple. Teplota předehřevu extruzního válce je 420 °C a teplota předehřevu formy je 450 °C. Při nezměněné rychlosti extruze (rychlost pohybu extruzní tyče) V = 5 mm/s se provede 5 skupin testů s různými poměry extruze, přičemž poměry extruze R jsou 17 (odpovídající průměru otvoru matrice D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) a 156 (D = 4 mm).
Tabulka 1 Chemické složení slitiny Al 6063 (hm./%)
Po broušení brusným papírem a mechanickém leštění byly metalografické vzorky leptány HF činidlem s objemovým podílem 40 % po dobu přibližně 25 s a metalografická struktura vzorků byla pozorována na optickém mikroskopu LEICA-5000. Vzorek pro analýzu textury o rozměrech 10 mm × 10 mm byl vyříznut ze středu podélného řezu extrudované tyče a bylo provedeno mechanické broušení a leptání za účelem odstranění povrchové napěťové vrstvy. Neúplné pólové obrazce tří krystalových rovin {111}, {200} a {220} vzorku byly změřeny pomocí rentgenového difrakčního analyzátoru X′Pert Pro MRD od společnosti PANalytical a texturní data byla zpracována a analyzována pomocí softwaru X′Pert Data View a X′Pert Texture.
Vzorek pro tahovou zkoušku odlévané slitiny byl odebrán ze středu ingotu a po vytlačení byl rozřezán ve směru protlačování. Velikost měřené plochy byla Φ4 mm × 28 mm. Zkouška tahem byla provedena pomocí univerzálního zkušebního stroje SANS CMT5105 s tahovou rychlostí 2 mm/min. Jako údaj o mechanických vlastnostech byla vypočtena průměrná hodnota tří standardních vzorků. Lomová morfologie vzorků pro tahovou zkoušku byla pozorována pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu s malým zvětšením (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Výsledky a diskuse
Obrázek 1 ukazuje metalografickou mikrostrukturu odlité hliníkové slitiny 6063 před a po homogenizaci. Jak je znázorněno na obrázku 1a, zrna α-Al v odlité mikrostruktuře se liší velikostí, na hranicích zrn se shromažďuje velké množství retikulárních fází β-Al9Fe2Si2 a uvnitř zrn se nachází velké množství granulárních fází Mg2Si. Po 6hodinové homogenizaci ingotu při 560 °C se nerovnovážná eutektická fáze mezi dendrity slitiny postupně rozpustila, prvky slitiny se rozpustily v matrici, mikrostruktura byla jednotná a průměrná velikost zrna byla přibližně 125 μm (obrázek 1b).
Před homogenizací
Po uniformizačním zpracování při 600 °C po dobu 6 hodin
Obr. 1 Metalografická struktura hliníkové slitiny 6063 před a po homogenizaci
Obrázek 2 ukazuje vzhled tyčí z hliníkové slitiny 6063 s různými poměry vytlačování. Jak je znázorněno na obrázku 2, kvalita povrchu tyčí z hliníkové slitiny 6063 extrudovaných s různými poměry vytlačování je dobrá, zejména když se poměr vytlačování zvýší na 156 (odpovídá výstupní rychlosti vytlačování tyče 48 m/min), na povrchu tyče se stále nevyskytují žádné vady vytlačování, jako jsou praskliny a odlupování, což naznačuje, že hliníková slitina 6063 má také dobrý výkon při tváření za tepla extruzí při vysoké rychlosti a velkém poměru vytlačování.
Obr. 2 Vzhled tyčí ze slitiny hliníku 6063 s různými poměry protlačování
Obrázek 3 ukazuje metalografickou mikrostrukturu podélného řezu tyče ze slitiny hliníku 6063 s různými poměry vytlačování. Zrnná struktura tyče s různými poměry vytlačování vykazuje různé stupně prodloužení nebo zjemnění. Při poměru vytlačování 17 jsou původní zrna protažena podél směru vytlačování, což je doprovázeno tvorbou malého počtu rekrystalizovaných zrn, ale zrna jsou stále relativně hrubá, s průměrnou velikostí zrna asi 85 μm (obrázek 3a); při poměru vytlačování 25 jsou zrna štíhlejší, počet rekrystalizovaných zrn se zvyšuje a průměrná velikost zrna se snižuje na asi 71 μm (obrázek 3b); při poměru vytlačování 39 je mikrostruktura, s výjimkou malého počtu deformovaných zrn, v podstatě složena z rovnoosých rekrystalizovaných zrn nestejné velikosti s průměrnou velikostí zrna asi 60 μm (obrázek 3c); Pokud je poměr vytlačování 69, proces dynamické rekrystalizace je v podstatě dokončen, hrubá původní zrna jsou kompletně transformována na rovnoměrně strukturovaná rekrystalizovaná zrna a průměrná velikost zrna je zjemněna na přibližně 41 μm (obrázek 3d); pokud je poměr vytlačování 156, s plným postupem procesu dynamické rekrystalizace je mikrostruktura rovnoměrnější a velikost zrna je výrazně zjemněna na přibližně 32 μm (obrázek 3e). Se zvyšujícím se poměrem vytlačování probíhá proces dynamické rekrystalizace plněji, mikrostruktura slitiny se stává rovnoměrnější a velikost zrna se výrazně zjemňuje (obrázek 3f).
Obr. 3 Metalografická struktura a velikost zrna podélného řezu tyčí ze slitiny hliníku 6063 s různými poměry protlačování
Obrázek 4 ukazuje inverzní pólové obrazce tyčí ze slitiny hliníku 6063 s různými poměry vytlačování ve směru vytlačování. Je vidět, že mikrostruktury tyčí ze slitiny s různými poměry vytlačování vytvářejí zjevnou preferenční orientaci. Při poměru vytlačování 17 se vytváří slabší textura <115>+<100> (obrázek 4a); při poměru vytlačování 39 se složkami textury stává převážně silnější textura <100> a malé množství slabé textury <115> (obrázek 4b); při poměru vytlačování 156 se složkami textury stává textura <100> s výrazně zvýšenou pevností, zatímco textura <115> mizí (obrázek 4c). Studie ukázaly, že plošně centrované kubické kovy tvoří během vytlačování a tažení převážně drátěné textury <111> a <100>. Jakmile se textura vytvoří, mechanické vlastnosti slitiny při pokojové teplotě vykazují zjevnou anizotropii. Texturní pevnost se zvyšuje se zvyšujícím se poměrem extruze, což naznačuje, že počet zrn v určitém krystalovém směru rovnoběžném se směrem extruze ve slitině se postupně zvyšuje a zvyšuje se i podélná pevnost slitiny v tahu. Mezi mechanismy zpevňování materiálů z hliníkové slitiny 6063 získaných extruzí za tepla patří jemnozrnné zpevnění, dislokační zpevnění, texturní zpevnění atd. V rozsahu procesních parametrů použitých v této experimentální studii má zvýšení poměru extruze podpůrný vliv na výše uvedené mechanismy zpevňování.
Obr. 4 Diagram reverzních pólů tyčí z hliníkové slitiny 6063 s různými poměry vytlačování ve směru vytlačování
Obrázek 5 je histogram tahových vlastností hliníkové slitiny 6063 po deformaci při různých poměrech protlačování. Pevnost v tahu lité slitiny je 170 MPa a prodloužení je 10,4 %. Pevnost v tahu a prodloužení slitiny po protlačování se výrazně zlepšují a pevnost v tahu a prodloužení se postupně zvyšují se zvyšujícím se poměrem protlačování. Při poměru protlačování 156 dosahuje pevnost v tahu a prodloužení slitiny maximální hodnoty, která je 228 MPa, respektive 26,9 %, což je asi o 34 % více než pevnost v tahu lité slitiny a asi o 158 % více než prodloužení. Pevnost v tahu hliníkové slitiny 6063 získaná velkým poměrem protlačování se blíží hodnotě pevnosti v tahu (240 MPa) získané čtyřprůchodovou úhlovou extruzí s rovnoměrným kanálem (ECAP), která je mnohem vyšší než hodnota pevnosti v tahu (171,1 MPa) získaná jednoprůchodovou ECAP extruzí hliníkové slitiny 6063. Je vidět, že velký poměr vytlačování může do určité míry zlepšit mechanické vlastnosti slitiny.
Zlepšení mechanických vlastností slitiny pomocí poměru extruze pochází především ze zjemnění zrna. S rostoucím poměrem extruze se zrna zjemňují a zvyšuje se hustota dislokací. Více hranic zrn na jednotku plochy může účinně bránit pohybu dislokací v kombinaci se vzájemným pohybem a propletením dislokací, čímž se zlepšuje pevnost slitiny. Čím jemnější zrna, tím klikatější jsou hranice zrn a plastická deformace se může rozptýlit ve více zrnech, což nevede k tvorbě trhlin, natož k jejich šíření. Během procesu lomu se může absorbovat více energie, čímž se zlepšuje plasticita slitiny.
Obr. 5 Tahové vlastnosti hliníkové slitiny 6063 po odlití a protlačování
Morfologie lomu v tahu slitiny po deformaci s různými poměry vytlačování je znázorněna na obrázku 6. V morfologii lomu odlitého vzorku (obrázek 6a) nebyly nalezeny žádné důlky a lom se skládal převážně z plochých oblastí a trhacích hran, což naznačuje, že mechanismus lomu v tahu odlitého vzorku byl převážně křehký lom. Morfologie lomu slitiny po vytlačování se významně změnila a lom se skládá z velkého počtu rovnoosých důlků, což naznačuje, že mechanismus lomu slitiny po vytlačování se změnil z křehkého lomu na tvárný lom. Při malém poměru vytlačování jsou důlky mělké, velikost důlků velká a jejich rozložení nerovnoměrné; s rostoucím poměrem vytlačování se počet důlků zvyšuje, velikost důlků je menší a rozložení rovnoměrné (obrázek 6b~f), což znamená, že slitina má lepší plasticitu, což je v souladu s výše uvedenými výsledky testů mechanických vlastností.
3 Závěr
V tomto experimentu byly analyzovány vlivy různých poměrů protlačování na mikrostrukturu a vlastnosti hliníkové slitiny 6063 za podmínky, že velikost ingotu, teplota ohřevu ingotu a rychlost protlačování zůstaly nezměněny. Závěry jsou následující:
1) V hliníkové slitině 6063 dochází během horkého protlačování k dynamické rekrystalizaci. Se zvyšujícím se poměrem protlačování se zrna neustále zjemňují a zrna protáhlá podél směru protlačování se transformují na rovnoměrně rekrystalizovaná zrna a pevnost textury drátu <100> se neustále zvyšuje.
2) V důsledku zpevnění jemnými zrny se mechanické vlastnosti slitiny zlepšují se zvyšujícím se poměrem vytlačování. V rozsahu zkušebních parametrů, při poměru vytlačování 156, dosahuje pevnost v tahu a prodloužení slitiny maximálních hodnot 228 MPa, respektive 26,9 %.
Obr. 6 Morfologie lomu v tahu hliníkové slitiny 6063 po odlití a extruzi
3) Morfologie lomu odlitého vzorku se skládá z plochých oblastí a trhacích hran. Po extruzi se lom skládá z velkého počtu rovnoosých důlků a mechanismus lomu se transformuje z křehkého lomu na tvárný lom.
Čas zveřejnění: 30. listopadu 2024
