6063-alumiiniseos kuuluu niukkaseosteisten Al-Mg-Si-sarjan lämpökäsiteltävien alumiiniseosten joukkoon. Sillä on erinomaiset suulakepuristusominaisuudet, hyvä korroosionkestävyys ja kattavat mekaaniset ominaisuudet. Sitä käytetään laajalti myös autoteollisuudessa sen helpon hapettumisvärjäytymisen ansiosta. Kevyiden autojen trendin kiihtyessä 6063-alumiiniseosten suulakepuristusmateriaalien käyttö autoteollisuudessa on lisääntynyt entisestään.
Suulakepuristettujen materiaalien mikrorakenteeseen ja ominaisuuksiin vaikuttavat suulakepuristusnopeus, suulakepuristuslämpötila ja suulakepuristussuhde. Näistä suulakepuristussuhde määräytyy pääasiassa suulakepuristuspaineen, tuotantotehokkuuden ja tuotantolaitteiden perusteella. Kun suulakepuristussuhde on pieni, seoksen muodonmuutos on pieni ja mikrorakenteen hienojako ei ole ilmeinen; suulakepuristussuhteen lisääminen voi hienontaa rakeita merkittävästi, rikkoa karkean toisen faasin, saada tasaisen mikrorakenteen ja parantaa seoksen mekaanisia ominaisuuksia.
6061- ja 6063-alumiiniseokset läpikäyvät dynaamisen uudelleenkiteytymisen ekstruusioprosessin aikana. Kun ekstruusiolämpötila on vakio, ekstruusiosuhteen kasvaessa raekoko pienenee, lujittava faasi jakautuu hienoksi ja seoksen vetolujuus ja venymä kasvavat vastaavasti. Ekstruusiosuhteen kasvaessa ekstruusioprosessiin tarvittava ekstruusiovoima kuitenkin kasvaa, mikä aiheuttaa suuremman lämpövaikutuksen ja siten seoksen sisälämpötilan nousun sekä tuotteen suorituskyvyn heikkenemisen. Tässä kokeessa tutkitaan ekstruusiosuhteen, erityisesti suuren ekstruusiosuhteen, vaikutusta 6063-alumiiniseoksen mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin.
1 Kokeelliset materiaalit ja menetelmät
Koemateriaali on 6063 alumiiniseos, ja sen kemiallinen koostumus on esitetty taulukossa 1. Harkon alkuperäinen koko on Φ55 mm × 165 mm, ja se työstetään Φ50 mm × 150 mm kokoiseksi ekstruusioaihioksi 560 ℃:ssa 6 tunnin homogenisointikäsittelyn jälkeen. Aihio lämmitetään 470 ℃:seen ja pidetään lämpimänä. Ekstruusiosäiliön esilämmityslämpötila on 420 ℃ ja muotin esilämmityslämpötila 450 ℃. Kun ekstruusionopeus (ekstruusiotasangon liikkumisnopeus) V = 5 mm/s pysyy muuttumattomana, suoritetaan viisi ryhmää erilaisia ekstruusiosuhdetestejä, ja ekstruusiosuhteet R ovat 17 (vastaa muotin reiän halkaisijaa D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) ja 156 (D = 4 mm).
Taulukko 1 6063 Al -seoksen kemiallinen koostumus (painoprosentti)
Hiekkapaperilla hiomisen ja mekaanisen kiillotuksen jälkeen metallografiset näytteet etsattiin 40 %:n tilavuusosuudella olevalla HF-reagenssilla noin 25 sekunnin ajan, ja näytteiden metallografista rakennetta tarkasteltiin LEICA-5000-optisella mikroskoopilla. Suulakepuristetun tangon pituussuuntaisesta leikkauksesta leikattiin keskeltä 10 mm × 10 mm:n kokoinen tekstuurianalyysinäyte, ja pintajännityskerros poistettiin mekaanisella hionnalla ja etsauksella. Näytteen kolmen kidetason {111}, {200} ja {220} epätäydelliset napakuviot mitattiin PANalytical Companyn X′Pert Pro MRD -röntgendiffraktioanalysaattorilla, ja tekstuuritiedot käsiteltiin ja analysoitiin X′Pert Data View- ja X′Pert Texture -ohjelmistoilla.
Valetun seoksen vetonäyte otettiin harkon keskeltä, ja vetonäyte leikattiin suulakepuristuksen suuntaisesti suulakepuristuksen jälkeen. Mitta-alueen koko oli Φ4 mm × 28 mm. Vetolujuuskoe suoritettiin käyttämällä SANS CMT5105 -yleiskoestuskonetta vetonopeudella 2 mm/min. Kolmen standardinäytteen keskiarvo laskettiin mekaanisina ominaisuustietoina. Vetonäytteiden murtumismorfologiaa tarkasteltiin käyttämällä pienikokoista pyyhkäisyelektronimikroskooppia (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Tulokset ja keskustelu
Kuva 1 esittää valetun 6063-alumiiniseoksen metallografisen mikrorakenteen ennen homogenisointikäsittelyä ja sen jälkeen. Kuten kuvassa 1a on esitetty, valetun mikrorakenteen α-Al-rakeet vaihtelevat kooltaan, suuri määrä retikulaarisia β-Al9Fe2Si2-faaseja kerääntyy raerajoille ja rakeiden sisällä on suuri määrä rakeista Mg2Si-faaseja. Kun harkkoa oli homogenisoitu 560 °C:ssa 6 tunnin ajan, seoksen dendriittien välinen epätasapainoinen eutektinen faasi liukeni vähitellen, seoselementit liukenivat matriisiin, mikrorakenne oli tasainen ja keskimääräinen raekoko oli noin 125 μm (kuva 1b).
Ennen homogenisointia
6 tunnin tasoituskäsittelyn jälkeen 600 °C:ssa
Kuva 1. 6063-alumiiniseoksen metallografinen rakenne ennen homogenisointikäsittelyä ja sen jälkeen
Kuvassa 2 on esitetty 6063-alumiiniseoksesta valmistettujen tankojen ulkonäkö eri suulakepuristussuhteilla. Kuten kuvassa 2 on esitetty, eri suulakepuristussuhteilla suulakepuristettujen 6063-alumiiniseoksesta valmistettujen tankojen pinnanlaatu on hyvä, varsinkin kun suulakepuristussuhdetta nostetaan 156:een (vastaa tangon suulakepuristusnopeutta 48 m/min), tangon pinnalla ei vieläkään ole suulakepuristusvirheitä, kuten halkeamia ja hilseilyä. Tämä osoittaa, että 6063-alumiiniseoksella on myös hyvä kuumapursotusmuovauskyky suurilla nopeuksilla ja suurilla suulakepuristussuhteilla.
Kuva 2. Eri puristussuhteilla varustettujen 6063-alumiiniseostankojen ulkonäkö
Kuva 3 esittää 6063-alumiiniseoksesta valmistetun tangon pitkittäisleikkauksen metallografista mikrorakennetta eri puristussuhteilla. Tangon raerakenne eri puristussuhteilla osoittaa erilaisia venymä- tai hienojakoisuusasteita. Kun puristussuhde on 17, alkuperäiset rakeet pidentyvät puristussuunnassa, jolloin muodostuu pieni määrä uudelleenkiteytyneitä rakeita, mutta rakeet ovat edelleen suhteellisen karkeita, keskimääräisen raekoon ollessa noin 85 μm (kuva 3a); kun puristussuhde on 25, rakeet venyvät hoikemmiksi, uudelleenkiteytyneiden rakeiden määrä kasvaa ja keskimääräinen raekoko pienenee noin 71 μm:iin (kuva 3b); kun puristussuhde on 39, pientä määrää epämuodostuneita rakeita lukuun ottamatta mikrorakenne koostuu pohjimmiltaan tasa-akselisista, epätasaisen kokoisista uudelleenkiteytyneistä rakeista, joiden keskimääräinen raekoko on noin 60 μm (kuva 3c). Kun ekstruusiosuhde on 69, dynaaminen uudelleenkiteytymisprosessi on käytännössä valmis, karkeat alkuperäiset rakeet ovat täysin muuttuneet tasaisesti rakenteellisiksi uudelleenkiteytyneiksi rakeiksi ja keskimääräinen raekoko on hienostunut noin 41 μm:iin (kuva 3d); kun ekstruusiosuhde on 156, dynaamisen uudelleenkiteytymisprosessin edetessä täysin mikrorakenne on tasaisempi ja raekoko on hienostunut huomattavasti noin 32 μm:iin (kuva 3e). Ekstruusiosuhteen kasvaessa dynaaminen uudelleenkiteytymisprosessi etenee täydellisemmin, seoksen mikrorakenteesta tulee tasaisempi ja raekoko on merkittävästi hienostunut (kuva 3f).
Kuva 3. Eri pursotussuhteilla valmistettujen 6063-alumiiniseostankojen pitkittäisleikkauksen metallografinen rakenne ja raekoko
Kuva 4 esittää 6063-alumiiniseostankojen käänteisiä napakuvioita, joissa on eri suulakepuristussuhteet suulakepuristussuunnassa. Voidaan nähdä, että eri suulakepuristussuhteilla varustettujen seostankojen mikrorakenteet tuottavat kaikki selvän ensisijaisen orientaation. Kun suulakepuristussuhde on 17, muodostuu heikompi <115>+<100>-tekstuuri (kuva 4a); kun suulakepuristussuhde on 39, tekstuurikomponentit ovat pääasiassa vahvempi <100>-tekstuuri ja pieni määrä heikkoa <115>-tekstuuria (kuva 4b); kun suulakepuristussuhde on 156, tekstuurikomponentit ovat <100>-tekstuuri, jonka lujuus on merkittävästi lisääntynyt, kun taas <115>-tekstuuri katoaa (kuva 4c). Tutkimukset ovat osoittaneet, että pintakeskeiset kuutiolliset metallit muodostavat pääasiassa <111>- ja <100>-lankatekstuuria suulakepuristuksen ja vedon aikana. Kun tekstuuri on muodostunut, seoksen mekaaniset ominaisuudet huoneenlämmössä osoittavat selvää anisotropiaa. Tekstuurin lujuus kasvaa ekstruusiosuhteen kasvaessa, mikä osoittaa, että seoksen ekstruusiosuunnan suuntaisten jyvien lukumäärä tietyssä kidesuunnassa kasvaa vähitellen ja seoksen pitkittäinen vetolujuus kasvaa. 6063-alumiiniseoksesta valmistettujen kuumaekstruusiomateriaalien lujitusmekanismeihin kuuluvat hienorakeinen lujitus, dislokaatiolujitus ja tekstuurin lujitus. Tässä kokeellisessa tutkimuksessa käytettyjen prosessiparametrien rajoissa ekstruusiosuhteen lisäämisellä on edistävä vaikutus edellä mainittuihin lujitusmekanismeihin.
Kuva 4. 6063-alumiiniseoksesta valmistettujen tankojen käänteisnapakaavio, jossa on eri pursotussuhteet pursotussuunnassa
Kuva 5 on histogrammi 6063-alumiiniseoksen vetolujuuksista muodonmuutoksen jälkeen eri suulakepuristussuhteilla. Valetun seoksen vetolujuus on 170 MPa ja venymä 10,4 %. Seoksen vetolujuus ja venymä suulakepuristuksen jälkeen paranevat merkittävästi, ja vetolujuus ja venymä kasvavat vähitellen suulakepuristussuhteen kasvaessa. Kun suulakepuristussuhde on 156, seoksen vetolujuus ja venymä saavuttavat maksimiarvonsa, jotka ovat 228 MPa ja 26,9 %, mikä on noin 34 % korkeampi kuin valetun seoksen vetolujuus ja noin 158 % korkeampi kuin venymä. Suurella suulakepuristussuhteella saatu 6063-alumiiniseoksen vetolujuus on lähellä 4-kertaisella tasakanavaisella kulmaekstruusiolla (ECAP) saatua vetolujuutta (240 MPa), joka on paljon korkeampi kuin 6063-alumiiniseoksen 1-kertaisella ECAP-ekstruusiolla saatu vetolujuus (171,1 MPa). Voidaan nähdä, että suuri suulakepuristussuhde voi parantaa seoksen mekaanisia ominaisuuksia tietyssä määrin.
Seoksen mekaanisten ominaisuuksien paraneminen ekstruusiosuhteen avulla johtuu pääasiassa raekoon hienontamisesta. Ekstruusiosuhteen kasvaessa rakeet hienonevat ja dislokaatiotiheys kasvaa. Useammat raerajat pinta-alayksikköä kohden voivat tehokkaasti estää dislokaatioiden liikkumista yhdistettynä dislokaatioiden keskinäiseen liikkumiseen ja kietoutumiseen, mikä parantaa seoksen lujuutta. Mitä hienompia rakeet ovat, sitä mutkikkaammat ovat raerajat, ja plastinen muodonmuutos voi jakautua useampiin rakeihin, mikä ei edistä halkeamien muodostumista, puhumattakaan halkeamien etenemisestä. Murtumisprosessin aikana voidaan absorboida enemmän energiaa, mikä parantaa seoksen plastisuutta.
Kuva 5. 6063-alumiiniseoksen vetolujuusominaisuudet valamisen ja suulakepuristuksen jälkeen
Seoksen vetomurtumamorfologia eri pursotussuhteilla tehdyn muodonmuutoksen jälkeen on esitetty kuvassa 6. Valetun näytteen murtumamorfologiassa ei havaittu kuoppia (kuva 6a), ja murtuma koostui pääasiassa tasaisista alueista ja repeämisreunoista, mikä osoittaa, että valetun seoksen vetomurtumamekanismi oli pääasiassa haurasmurtuma. Seoksen murtumamorfologia pursotuksen jälkeen on muuttunut merkittävästi, ja murtuma koostuu suuresta määrästä tasa-akselisia kuoppia, mikä osoittaa, että seoksen murtumamekanismi pursotuksen jälkeen on muuttunut haurasmurtumasta sitkeäksi murtumaksi. Kun pursotussuhde on pieni, kuopat ovat matalia ja kuoppien koko on suuri, ja jakauma on epätasainen; kun pursotussuhde kasvaa, kuoppien määrä kasvaa, kuoppien koko pienenee ja jakauma on tasainen (kuva 6b-f), mikä tarkoittaa, että seoksella on parempi plastisuus, mikä on yhdenmukaista edellä mainittujen mekaanisten ominaisuuksien testitulosten kanssa.
3 Johtopäätös
Tässä kokeessa analysoitiin eri suulakepuristussuhteiden vaikutuksia 6063-alumiiniseoksen mikrorakenteeseen ja ominaisuuksiin edellyttäen, että aihion koko, harkon lämmityslämpötila ja suulakepuristusnopeus pysyivät muuttumattomina. Johtopäätökset ovat seuraavat:
1) 6063-alumiiniseoksessa tapahtuu kuumapursotuksen aikana dynaamista uudelleenkiteytymistä. Pursotussuhteen kasvaessa rakeet puhdistuvat jatkuvasti ja pursotussuunnassa venyneet rakeet muuttuvat tasa-akselisiksi uudelleenkiteytyneiksi rakeiksi, jolloin <100>-lankarakenteen lujuus kasvaa jatkuvasti.
2) Hienorakeisen lujituksen vaikutuksesta seoksen mekaaniset ominaisuudet paranevat pursotussuhteen kasvaessa. Testiparametrien alueella, kun pursotussuhde on 156, seoksen vetolujuus ja venymä saavuttavat maksimiarvot 228 MPa ja 26,9 %.
Kuva 6. 6063-alumiiniseoksen vetomurtumamorfologiat valamisen ja suulakepuristuksen jälkeen
3) Valetun näytteen murtumamorfologia koostuu tasaisista alueista ja repeämäreunoista. Pursotuksen jälkeen murtuma koostuu suuresta määrästä tasa-akselisia kuoppia, ja murtumismekanismi muuttuu haurasmurtumasta sitkeäksi murtumaksi.
Julkaisun aika: 30.11.2024
