A liga de alumínio 6063 pertence à série de ligas de alumínio tratáveis termicamente, de baixa liga, Al-Mg-Si. Possui excelente desempenho em moldagem por extrusão, boa resistência à corrosão e propriedades mecânicas abrangentes. Também é amplamente utilizada na indústria automotiva devido à sua fácil oxidação. Com a aceleração da tendência de automóveis leves, a aplicação de materiais de extrusão de liga de alumínio 6063 na indústria automotiva também aumentou ainda mais.
A microestrutura e as propriedades dos materiais extrudados são afetadas pelos efeitos combinados da velocidade de extrusão, temperatura de extrusão e razão de extrusão. Entre eles, a razão de extrusão é determinada principalmente pela pressão de extrusão, eficiência de produção e equipamento de produção. Quando a razão de extrusão é pequena, a deformação da liga é pequena e o refinamento da microestrutura não é óbvio; aumentar a razão de extrusão pode refinar significativamente os grãos, quebrar a segunda fase grossa, obter uma microestrutura uniforme e melhorar as propriedades mecânicas da liga.
As ligas de alumínio 6061 e 6063 sofrem recristalização dinâmica durante o processo de extrusão. Quando a temperatura de extrusão é constante, à medida que a razão de extrusão aumenta, o tamanho do grão diminui, a fase de reforço é finamente dispersa e a resistência à tração e o alongamento da liga aumentam consequentemente; no entanto, à medida que a razão de extrusão aumenta, a força de extrusão necessária para o processo de extrusão também aumenta, causando um maior efeito térmico, o que faz com que a temperatura interna da liga aumente e o desempenho do produto diminua. Este experimento estuda o efeito da razão de extrusão, especialmente de altas razões de extrusão, na microestrutura e nas propriedades mecânicas da liga de alumínio 6063.
1 Materiais e métodos experimentais
O material experimental é uma liga de alumínio 6063, e a composição química é mostrada na Tabela 1. O tamanho original do lingote é Φ55 mm × 165 mm, e ele é processado em um tarugo de extrusão com tamanho de Φ50 mm × 150 mm após tratamento de homogeneização a 560 °C por 6 h. O tarugo é aquecido a 470 °C e mantido aquecido. A temperatura de pré-aquecimento do cilindro de extrusão é de 420 °C e a temperatura de pré-aquecimento do molde é de 450 °C. Quando a velocidade de extrusão (velocidade de movimento da haste de extrusão) V=5 mm/s permanece inalterada, 5 grupos de diferentes testes de taxa de extrusão são realizados, e as taxas de extrusão R são 17 (correspondente ao diâmetro do furo da matriz D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) e 156 (D=4 mm).
Tabela 1 Composições químicas da liga 6063 Al (p/%)
Após lixamento com lixa e polimento mecânico, as amostras metalográficas foram atacadas com reagente HF com fração volumétrica de 40% por aproximadamente 25 s, e a estrutura metalográfica das amostras foi observada em um microscópio óptico LEICA-5000. Uma amostra para análise de textura com tamanho de 10 mm × 10 mm foi cortada do centro da seção longitudinal da haste extrudada, e lixamento e ataque mecânicos foram realizados para remover a camada de tensão superficial. As figuras polares incompletas dos três planos cristalinos {111}, {200} e {220} da amostra foram medidas pelo analisador de difração de raios X X′Pert Pro MRD da PANalytical Company, e os dados de textura foram processados e analisados pelos softwares X′Pert Data View e X′Pert Texture.
A amostra de tração da liga fundida foi retirada do centro do lingote e cortada ao longo da direção de extrusão após a extrusão. A área de calibração foi de Φ4 mm × 28 mm. O ensaio de tração foi realizado em uma máquina universal de ensaio de materiais SANS CMT5105 com uma taxa de tração de 2 mm/min. O valor médio das três amostras padrão foi calculado como os dados de propriedades mecânicas. A morfologia da fratura das amostras de tração foi observada em um microscópio eletrônico de varredura de baixa ampliação (Quanta 2000, FEI, EUA).
2 Resultados e discussão
A Figura 1 mostra a microestrutura metalográfica da liga de alumínio 6063 fundida antes e após o tratamento de homogeneização. Como mostrado na Figura 1a, os grãos de α-Al na microestrutura fundida variam em tamanho, um grande número de fases reticulares de β-Al9Fe2Si2 se acumulam nos contornos dos grãos e um grande número de fases granulares de Mg2Si existe dentro dos grãos. Após a homogeneização do lingote a 560 °C por 6 h, a fase eutética de desequilíbrio entre as dendritas da liga dissolveu-se gradualmente, os elementos da liga dissolveram-se na matriz, a microestrutura tornou-se uniforme e o tamanho médio dos grãos foi de cerca de 125 μm (Figura 1b).
Antes da homogeneização
Após tratamento de uniformização a 600°C por 6 horas
Fig.1 Estrutura metalográfica da liga de alumínio 6063 antes e depois do tratamento de homogeneização
A Figura 2 mostra a aparência das barras de liga de alumínio 6063 com diferentes taxas de extrusão. Conforme mostrado na Figura 2, a qualidade da superfície das barras de liga de alumínio 6063 extrudadas com diferentes taxas de extrusão é boa, especialmente quando a taxa de extrusão é aumentada para 156 (correspondente à velocidade de saída da barra de 48 m/min). Ainda não há defeitos de extrusão, como rachaduras e descascamento na superfície da barra, indicando que a liga de alumínio 6063 também apresenta bom desempenho na conformação por extrusão a quente em altas velocidades e altas taxas de extrusão.
Fig.2 Aspecto de barras de liga de alumínio 6063 com diferentes relações de extrusão
A Figura 3 mostra a microestrutura metalográfica da seção longitudinal da barra de liga de alumínio 6063 com diferentes taxas de extrusão. A estrutura de grãos da barra com diferentes taxas de extrusão mostra diferentes graus de alongamento ou refinamento. Quando a taxa de extrusão é 17, os grãos originais são alongados ao longo da direção da extrusão, acompanhados pela formação de um pequeno número de grãos recristalizados, mas os grãos ainda são relativamente grossos, com um tamanho médio de grão de cerca de 85 μm (Figura 3a); quando a taxa de extrusão é 25, os grãos são puxados para um estado mais fino, o número de grãos recristalizados aumenta e o tamanho médio de grão diminui para cerca de 71 μm (Figura 3b); Quando a taxa de extrusão é de 39, com exceção de um pequeno número de grãos deformados, a microestrutura é basicamente composta por grãos recristalizados equiaxiais de tamanho irregular, com um tamanho médio de grão de cerca de 60 μm (Figura 3c); quando a taxa de extrusão é de 69, o processo de recristalização dinâmica é basicamente concluído, os grãos originais grosseiros foram completamente transformados em grãos recristalizados uniformemente estruturados, e o tamanho médio de grão é refinado para cerca de 41 μm (Figura 3d); quando a taxa de extrusão é de 156, com o progresso completo do processo de recristalização dinâmica, a microestrutura é mais uniforme, e o tamanho de grão é bastante refinado para cerca de 32 μm (Figura 3e). Com o aumento da taxa de extrusão, o processo de recristalização dinâmica prossegue mais completamente, a microestrutura da liga torna-se mais uniforme, e o tamanho de grão é significativamente refinado (Figura 3f).
Fig.3 Estrutura metalográfica e tamanho de grão da seção longitudinal de barras de liga de alumínio 6063 com diferentes taxas de extrusão
A Figura 4 mostra as figuras de polos inversos de barras de liga de alumínio 6063 com diferentes razões de extrusão ao longo da direção de extrusão. Pode-se observar que as microestruturas de barras de liga com diferentes razões de extrusão produzem todas uma orientação preferencial óbvia. Quando a razão de extrusão é 17, uma textura mais fraca <115> + <100> é formada (Figura 4a); quando a razão de extrusão é 39, os componentes da textura são principalmente a textura mais forte <100> e uma pequena quantidade de textura fraca <115> (Figura 4b); quando a razão de extrusão é 156, os componentes da textura são a textura <100> com resistência significativamente aumentada, enquanto a textura <115> desaparece (Figura 4c). Estudos demonstraram que metais cúbicos de face centrada formam principalmente texturas de fio <111> e <100> durante a extrusão e trefilação. Uma vez formada a textura, as propriedades mecânicas da liga à temperatura ambiente mostram anisotropia óbvia. A resistência da textura aumenta com o aumento da razão de extrusão, indicando que o número de grãos em uma determinada direção cristalina paralela à direção de extrusão na liga aumenta gradualmente, e a resistência à tração longitudinal da liga aumenta. Os mecanismos de reforço dos materiais de extrusão a quente da liga de alumínio 6063 incluem reforço de grãos finos, reforço por discordância, reforço de textura, etc. Dentro da gama de parâmetros de processo utilizados neste estudo experimental, o aumento da razão de extrusão tem um efeito promotor nos mecanismos de reforço acima mencionados.
Fig.4 Diagrama de pólo reverso de barras de liga de alumínio 6063 com diferentes relações de extrusão ao longo da direção de extrusão
A Figura 5 apresenta um histograma das propriedades de tração da liga de alumínio 6063 após deformação em diferentes taxas de extrusão. A resistência à tração da liga fundida é de 170 MPa e o alongamento é de 10,4%. A resistência à tração e o alongamento da liga após a extrusão são significativamente aprimorados, e a resistência à tração e o alongamento aumentam gradualmente com o aumento da taxa de extrusão. Quando a taxa de extrusão é de 156, a resistência à tração e o alongamento da liga atingem seus valores máximos, que são 228 MPa e 26,9%, respectivamente, o que representa cerca de 34% a mais que a resistência à tração da liga fundida e cerca de 158% a mais que o alongamento. A resistência à tração da liga de alumínio 6063 obtida por uma alta taxa de extrusão é próxima à resistência à tração (240 MPa) obtida por extrusão angular de canal igual (ECAP) em 4 passagens, que é muito superior à resistência à tração (171,1 MPa) obtida por extrusão ECAP em 1 passagem da liga de alumínio 6063. Pode-se observar que uma alta taxa de extrusão pode melhorar as propriedades mecânicas da liga até certo ponto.
O aprimoramento das propriedades mecânicas da liga pela taxa de extrusão advém principalmente do reforço por refinamento de grãos. À medida que a taxa de extrusão aumenta, os grãos são refinados e a densidade de discordâncias aumenta. Mais contornos de grãos por unidade de área podem efetivamente impedir o movimento das discordâncias, combinados com o movimento mútuo e o emaranhamento das discordâncias, melhorando assim a resistência da liga. Quanto mais finos os grãos, mais tortuosos os contornos de grãos, e a deformação plástica pode ser dispersa em mais grãos, o que não é propício à formação de trincas, muito menos à propagação de trincas. Mais energia pode ser absorvida durante o processo de fratura, melhorando assim a plasticidade da liga.
Fig.5 Propriedades de tração da liga de alumínio 6063 após fundição e extrusão
A morfologia da fratura por tração da liga após a deformação com diferentes taxas de extrusão é mostrada na Figura 6. Não foram encontradas covinhas na morfologia da fratura da amostra fundida (Figura 6a), e a fratura era composta principalmente por áreas planas e bordas de rasgo, indicando que o mecanismo de fratura por tração da liga fundida era principalmente fratura frágil. A morfologia da fratura da liga após a extrusão mudou significativamente, e a fratura é composta por um grande número de covinhas equiaxiais, indicando que o mecanismo de fratura da liga após a extrusão mudou de fratura frágil para fratura dúctil. Quando a taxa de extrusão é pequena, as covinhas são rasas e o tamanho da covinha é grande, e a distribuição é desigual; à medida que a taxa de extrusão aumenta, o número de covinhas aumenta, o tamanho da covinha é menor e a distribuição é uniforme (Figura 6b~f), o que significa que a liga tem melhor plasticidade, o que é consistente com os resultados dos testes de propriedades mecânicas acima.
3 Conclusão
Neste experimento, os efeitos de diferentes taxas de extrusão na microestrutura e nas propriedades da liga de alumínio 6063 foram analisados sob a condição de que o tamanho do tarugo, a temperatura de aquecimento do lingote e a velocidade de extrusão permanecessem inalterados. As conclusões são as seguintes:
1) A recristalização dinâmica ocorre na liga de alumínio 6063 durante a extrusão a quente. Com o aumento da taxa de extrusão, os grãos são continuamente refinados, e os grãos alongados ao longo da direção da extrusão são transformados em grãos recristalizados equiaxiais, e a resistência da textura do fio <100> é continuamente aumentada.
2) Devido ao efeito de reforço de grãos finos, as propriedades mecânicas da liga são aprimoradas com o aumento da taxa de extrusão. Dentro da faixa de parâmetros de teste, quando a taxa de extrusão é de 156, a resistência à tração e o alongamento da liga atingem os valores máximos de 228 MPa e 26,9%, respectivamente.
Fig.6 Morfologias de fratura por tração da liga de alumínio 6063 após fundição e extrusão
3) A morfologia da fratura do corpo de prova fundido é composta por áreas planas e bordas de ruptura. Após a extrusão, a fratura é composta por um grande número de covinhas equiaxiais, e o mecanismo de fratura se transforma de fratura frágil em fratura dúctil.
Horário de publicação: 30/11/2024
