A liga de alumínio 6063 pertence à liga de alumínio tratável termicamente da série Al-Mg-Si de baixa liga. Possui excelente desempenho de moldagem por extrusão, boa resistência à corrosão e propriedades mecânicas abrangentes. Também é amplamente utilizado na indústria automotiva devido à sua coloração de 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 taxa de extrusão. Entre eles, a taxa de extrusão é determinada principalmente pela pressão de extrusão, eficiência de produção e equipamento de produção. Quando a taxa de extrusão é pequena, a deformação da liga é pequena e o refinamento da microestrutura não é óbvio; aumentar a taxa 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 taxa 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 de acordo; porém, à medida que a taxa de extrusão aumenta, a força de extrusão necessária para o processo de extrusão também aumenta, causando um maior efeito térmico, fazendo com que a temperatura interna da liga aumente e o desempenho do produto diminua. Este experimento estuda o efeito da taxa de extrusão, especialmente a grande taxa de extrusão, na microestrutura e nas propriedades mecânicas da liga de alumínio 6063.
1 Materiais e métodos experimentais
O material experimental é a liga de alumínio 6063 e a composição química é mostrada na Tabela 1. O tamanho original do lingote é Φ55 mm×165 mm e é processado em um tarugo de extrusão com tamanho de Φ50 mm×150 mm após homogeneização tratamento a 560 ℃ por 6 h. O tarugo é aquecido a 470 ℃ e mantido aquecido. A temperatura de pré-aquecimento do cilindro de extrusão é de 420 ℃ e a temperatura de pré-aquecimento do molde é de 450 ℃. Quando a velocidade de extrusão (velocidade de movimento da haste de extrusão) V=5 mm/s permanece inalterada, 5 grupos de diferentes testes de razão de extrusão são realizados, e as relações de extrusão R são 17 (correspondendo 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 (peso/%)
Após lixamento e polimento mecânico, as amostras metalográficas foram atacadas com reagente HF com fração volumétrica de 40% por cerca de 25 s, e a estrutura metalográfica das amostras foi observada em microscópio óptico LEICA-5000. Uma amostra de análise de textura com tamanho de 10 mm x 10 mm foi cortada do centro da seção longitudinal da haste extrudada, e moagem mecânica e ataque químico 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 a amostra de tração foi cortada ao longo da direção de extrusão após a extrusão. O tamanho da área de medição foi de Φ4 mm×28 mm. O teste de tração foi realizado utilizando uma máquina universal de teste 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 dos espécimes de tração foi observada utilizando 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 depois do 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 β-Al9Fe2Si2 se reúnem nos limites dos grãos e um grande número de fases granulares de Mg2Si existe dentro dos grãos. Depois que o lingote foi homogeneizado a 560 ℃ por 6 h, a fase eutética de desequilíbrio entre os dendritos da liga se dissolveu gradualmente, os elementos da liga se dissolveram na matriz, a microestrutura era uniforme e o tamanho médio do grão era 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 de 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 (correspondendo à velocidade de saída de extrusão 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 tem bom desempenho de formação de extrusão a quente sob alta velocidade e grande taxa de extrusão.
Fig.2 Aparência de hastes de liga de alumínio 6063 com diferentes taxas 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 granular da barra com diferentes taxas de extrusão apresenta diferentes graus de alongamento ou refinamento. Quando a razão de extrusão é 17, os grãos originais são alongados ao longo da direção de extrusão, acompanhados pela formação de um pequeno número de grãos recristalizados, mas os grãos ainda são relativamente grossos, com tamanho médio de grão de cerca de 85 μm (Figura 3a) ; quando a razão de extrusão é 25, os grãos são puxados mais delgados, o número de grãos recristalizados aumenta e o tamanho médio do grão diminui para cerca de 71 μm (Figura 3b); quando a razão de extrusão é 39, exceto por um pequeno número de grãos deformados, a microestrutura é composta basicamente por grãos recristalizados equiaxiais de tamanho irregular, com tamanho médio de grão de cerca de 60 μm (Figura 3c); quando a razão de extrusão é 69, o processo de recristalização dinâmica está basicamente concluído, os grãos originais grossos foram completamente transformados em grãos recristalizados uniformemente estruturados e o tamanho médio do grão é refinado para cerca de 41 μm (Figura 3d); quando a razão de extrusão é 156, com o progresso completo do processo de recristalização dinâmica, a microestrutura é mais uniforme e o tamanho do grão é bastante refinado para cerca de 32 μm (Figura 3e). Com o aumento da taxa de extrusão, o processo de recristalização dinâmica prossegue de forma mais completa, a microestrutura da liga torna-se mais uniforme e o tamanho do grão é significativamente refinado (Figura 3f).
Fig.3 Estrutura metalográfica e granulometria da seção longitudinal de hastes de liga de alumínio 6063 com diferentes taxas de extrusão
A Figura 4 mostra as figuras do pólo inverso de barras de liga de alumínio 6063 com diferentes taxas de extrusão ao longo da direção de extrusão. Pode-se observar que todas as microestruturas de barras de liga com diferentes taxas de extrusão produzem orientação preferencial óbvia. Quando a razão de extrusão é 17, uma textura <115>+<100> mais fraca é formada (Figura 4a); quando a taxa de extrusão é 39, os componentes da textura são principalmente a textura mais forte <100> e uma pequena quantidade de textura <115> fraca (Figura 4b); quando a taxa de extrusão é 156, os componentes da textura são a textura <100> com resistência significativamente aumentada, enquanto a textura <115> desaparece (Figura 4c). Estudos mostraram que metais cúbicos de face centrada formam principalmente texturas de fio <111> e <100> durante 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 taxa de extrusão, indicando que o número de grãos em uma determinada direção do cristal 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 de deslocamento, reforço de textura, etc. Dentro da gama de parâmetros de processo utilizados neste estudo experimental, o aumento da taxa de extrusão tem um efeito promotor nos mecanismos de reforço acima.
Fig.4 Diagrama de pólo reverso de hastes de liga de alumínio 6063 com diferentes taxas de extrusão ao longo da direção de extrusão
A Figura 5 é 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 melhorados, e a resistência à tração e o alongamento aumentam gradualmente com o aumento da taxa de extrusão. Quando a relação de extrusão é 156, a resistência à tração e o alongamento da liga atingem o valor máximo, que é 228 MPa e 26,9%, respectivamente, que é cerca de 34% maior que a resistência à tração da liga fundida e cerca de 158% maior que o alongamento. A resistência à tração da liga de alumínio 6063 obtida por uma grande taxa de extrusão é próxima do valor de resistência à tração (240 MPa) obtido pela extrusão angular de canal igual de 4 passagens (ECAP), que é muito superior ao valor de resistência à tração (171,1 MPa) obtido por extrusão ECAP de 1 passagem da liga de alumínio 6063. Pode-se observar que uma grande taxa de extrusão pode melhorar até certo ponto as propriedades mecânicas da liga.
O aprimoramento das propriedades mecânicas da liga pela taxa de extrusão vem principalmente do fortalecimento do refinamento do grão. À medida que a taxa de extrusão aumenta, os grãos são refinados e a densidade de discordância aumenta. Mais limites de grão por unidade de área podem efetivamente impedir o movimento das discordâncias, combinado com o movimento mútuo e o emaranhamento das discordâncias, melhorando assim a resistência da liga. Quanto mais finos os grãos, mais tortuosos são os limites dos grãos, e a deformação plástica pode ser dispersa em mais grãos, o que não favorece a formação de fissuras, muito menos a propagação de fissuras. 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 deformação com diferentes taxas de extrusão é mostrada na Figura 6. Nenhuma covinha foi encontrada na morfologia da fratura da amostra fundida (Figura 6a), e a fratura foi composta principalmente por áreas planas e bordas rasgadas , 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 das covinhas 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 de extrusão são transformados em grãos recristalizados equiaxiais, e a resistência da textura do fio <100> é continuamente aumentada.
2) Devido ao efeito do fortalecimento dos grãos finos, as propriedades mecânicas da liga são melhoradas com o aumento da taxa de extrusão. Dentro da faixa de parâmetros de teste, quando a razão de extrusão é 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 da amostra fundida é composta por áreas planas e bordas rasgadas. Após a extrusão, a fratura é composta por um grande número de covinhas equiaxiais, e o mecanismo de fratura é transformado de fratura frágil em fratura dúctil.
Horário da postagem: 30 de novembro de 2024
