סגסוגת אלומיניום 6063 שייכת לסדרת סגסוגות אלומיניום Al-Mg-Si בעלות סגסוגת נמוכה הניתנת לטיפול בחום. יש לה ביצועי יציקה מצוינים בפני שחול, עמידות טובה בפני קורוזיה ותכונות מכניות מקיפות. היא נמצאת בשימוש נרחב גם בתעשיית הרכב בשל צביעתה הקלה בחמצון. עם ההאצה במגמת המכוניות הקלות, השימוש בחומרי שחול מסגסוגת אלומיניום 6063 בתעשיית הרכב גדל עוד יותר.
המיקרו-מבנה והתכונות של חומרים שחול מושפעים מההשפעות המשולבות של מהירות שחול, טמפרטורת שחול ויחס שחול. ביניהם, יחס השחול נקבע בעיקר על ידי לחץ השחול, יעילות הייצור וציוד הייצור. כאשר יחס השחול קטן, עיוות הסגסוגת קטן ועידון המיקרו-מבנה אינו ברור; הגדלת יחס השחול יכולה לעדן משמעותית את הגרגירים, לפרק את השלב השני הגס, להשיג מיקרו-מבנה אחיד ולשפר את התכונות המכניות של הסגסוגת.
סגסוגות אלומיניום 6061 ו-6063 עוברות התגבשות מחדש דינמית במהלך תהליך השיחול. כאשר טמפרטורת השיחול קבועה, ככל שיחס השיחול עולה, גודל הגרעינים יורד, פאזת החיזוק מתפזרת דק, וחוזק המתיחה וההתארכות של הסגסוגת עולים בהתאם; עם זאת, ככל שיחס השיחול עולה, כוח השיחול הנדרש לתהליך השיחול גם הוא עולה, מה שגורם לאפקט תרמי גדול יותר, מה שגורם לעלייה בטמפרטורה הפנימית של הסגסוגת ולירידה בביצועי המוצר. ניסוי זה בוחן את השפעת יחס השיחול, ובמיוחד יחס שיחול גדול, על המיקרו-מבנה והתכונות המכניות של סגסוגת אלומיניום 6063.
1 חומרים ושיטות ניסויים
חומר הניסוי הוא סגסוגת אלומיניום 6063, וההרכב הכימי מוצג בטבלה 1. הגודל המקורי של המטיל הוא Φ55 מ"מ × 165 מ"מ, והוא מעובד לבילט שחול בגודל Φ50 מ"מ × 150 מ"מ לאחר טיפול הומוגניזציה ב-560 מעלות צלזיוס למשך 6 שעות. הבילט מחומם ל-470 מעלות צלזיוס ונשמר חם. טמפרטורת החימום המוקדם של חבית השיחול היא 420 מעלות צלזיוס, וטמפרטורת החימום המוקדם של התבנית היא 450 מעלות צלזיוס. כאשר מהירות השיחול (מהירות תנועת מוט השיחול) V = 5 מ"מ/שנייה נותרת ללא שינוי, מבוצעות 5 קבוצות של בדיקות יחס שחול שונות, ויחסי השיחול R הם 17 (המתאימים לקוטר חור התבנית D = 12 מ"מ), 25 (D = 10 מ"מ), 39 (D = 8 מ"מ), 69 (D = 6 מ"מ) ו-156 (D = 4 מ"מ).
טבלה 1 הרכבים כימיים של סגסוגת אלומיניום 6063 (משקל/אחוז)
לאחר ליטוש בנייר זכוכית וליטוש מכני, הדגימות המטלוגרפיות נחרטו עם ריאגנט HF עם שבר נפחי של 40% למשך כ-25 שניות, והמבנה המטלוגרפי של הדגימות נצפה במיקרוסקופ אופטי LEICA-5000. דגימת ניתוח מרקם בגודל 10 מ"מ × 10 מ"מ נחתכה ממרכז החתך האורכי של המוט החול, ובוצעו ליטוש ותחריט מכניים כדי להסיר את שכבת המאמץ על פני השטח. צורות הקוטב הלא שלמות של שלושת מישורי הגביש {111}, {200} ו-{220} של הדגימה נמדדו על ידי מנתח דיפרקציית קרני רנטגן X′Pert Pro MRD של חברת PANalytical, ונתוני המרקם עובדו ונותחו על ידי X′Pert Data View ותוכנת X′Pert Texture.
דגימת המתיחה של הסגסוגת היצוקה נלקחה ממרכז המטיל, ודגימת המתיחה נחתכה לאורך כיוון השיחול לאחר השיחול. גודל שטח המדידה היה Φ4 מ"מ × 28 מ"מ. בדיקת המתיחה בוצעה באמצעות מכונת בדיקת חומרים אוניברסלית SANS CMT5105 עם קצב מתיחה של 2 מ"מ/דקה. הערך הממוצע של שלושת הדגימות הסטנדרטיות חושב כנתוני התכונות המכניות. מורפולוגיית השבר של דגימות המתיחה נצפתה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק בהגדלה נמוכה (Quanta 2000, FEI, ארה"ב).
2 תוצאות ודיון
איור 1 מציג את המיקרו-מבנה המטלוגרפי של סגסוגת אלומיניום 6063 יצוקה לפני ואחרי טיפול הומוגניזציה. כפי שמוצג באיור 1א', גרגירי ה-α-Al במיקרו-מבנה יצוקה משתנים בגודלם, מספר רב של פאזות רשתיות β-Al9Fe2Si2 מתאספות בגבולות הגרעינים, ומספר רב של פאזות גרגיריות Mg2Si קיימות בתוך הגרגירים. לאחר שהמטיל עבר הומוגניזציה ב-560 מעלות צלזיוס למשך 6 שעות, הפאזה האוטקטית הלא-שיווי משקל בין הדנדריטים של הסגסוגת התמוססה בהדרגה, יסודות הסגסוגת התמוססו לתוך המטריצה, המיקרו-מבנה היה אחיד, וגודל הגרעין הממוצע היה כ-125 מיקרומטר (איור 1ב').
לפני הומוגניזציה
לאחר טיפול אחיד ב-600 מעלות צלזיוס למשך 6 שעות
איור 1. מבנה מטלוגרפי של סגסוגת אלומיניום 6063 לפני ואחרי טיפול הומוגניזציה
איור 2 מציג את מראה מוטות סגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שחול שונים. כפי שמוצג באיור 2, איכות פני השטח של מוטות סגסוגת אלומיניום 6063 שחולצו עם יחסי שחול שונים טובה, במיוחד כאשר יחס השיחול עולה ל-156 (המתאים למהירות יציאת שחול של המוט של 48 מטר/דקה), עדיין אין פגמי שחול כגון סדקים וקילוף על פני השטח של המוט, דבר המצביע על כך שלסגסוגת אלומיניום 6063 יש גם ביצועי יצירת שחול חמים טובים במהירות גבוהה ויחס שחול גדול.
איור 2. מראה של מוטות מסגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שחול שונים
איור 3 מציג את המיקרו-מבנה המטלוגרפי של החתך האורכי של מוט סגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שיחול שונים. מבנה הגרעינים של המוט עם יחסי שיחול שונים מראה דרגות שונות של התארכות או עידון. כאשר יחס השיחול הוא 17, הגרגירים המקוריים מתארכים לאורך כיוון השיחול, מלווה ביצירת מספר קטן של גרגירים שהתגבשו מחדש, אך הגרגירים עדיין גסים יחסית, עם גודל גרגירים ממוצע של כ-85 מיקרומטר (איור 3א); כאשר יחס השיחול הוא 25, הגרגירים נמשכים דקים יותר, מספר הגרגירים שהתגבשו מחדש עולה, וגודל הגרגירים הממוצע יורד לכ-71 מיקרומטר (איור 3ב); כאשר יחס השיחול הוא 39, למעט מספר קטן של גרגירים מעוותים, המיקרו-מבנה מורכב בעיקרו מגרגירים שהתגבשו מחדש בעלי צירים שווים בגודל לא אחיד, עם גודל גרגירים ממוצע של כ-60 מיקרומטר (איור 3ג); כאשר יחס האקסטרוזיה הוא 69, תהליך ההתגבשות הדינמית הושלם למעשה, הגרגירים המקוריים הגסים הופכים לחלוטין לגרגירים שהתגבשו מחדש בעלי מבנה אחיד, וגודל הגרגירים הממוצע מעודן לכ-41 מיקרומטר (איור 3ד); כאשר יחס האקסטרוזיה הוא 156, עם התקדמות מלאה של תהליך ההתגבשות הדינמית, המיקרו-מבנה אחיד יותר, וגודל הגרגירים מעודן מאוד לכ-32 מיקרומטר (איור 3ה). עם העלייה ביחס האקסטרוזיה, תהליך ההתגבשות הדינמית מתקדם בצורה מלאה יותר, המיקרו-מבנה של הסגסוגת הופך אחיד יותר, וגודל הגרגירים מעודן משמעותית (איור 3ו).
איור 3. מבנה מטלוגרפי וגודל גרגירים של חתך אורכי של מוטות סגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שיחול שונים
איור 4 מציג את צירי הקוטב ההפוכים של מוטות סגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שיחול שונים לאורך כיוון השיחול. ניתן לראות כי המיקרו-מבנים של מוטות סגסוגת עם יחסי שיחול שונים מייצרים כולם כיוון מועדף ברור. כאשר יחס השיחול הוא 17, נוצר מרקם חלש יותר של <115>+<100> (איור 4א); כאשר יחס השיחול הוא 39, רכיבי המרקם הם בעיקר המרקם החזק יותר של <100> וכמות קטנה של מרקם חלש של <115> (איור 4ב); כאשר יחס השיחול הוא 156, רכיבי המרקם הם המרקם של <100> עם חוזק מוגבר משמעותית, בעוד שהמרקם של <115> נעלם (איור 4ג). מחקרים הראו כי מתכות קוביות ממורכזות פנים יוצרות בעיקר מרקמי חוטים של <111> ו-<100> במהלך שיחול ומשיכה. לאחר יצירת המרקם, התכונות המכניות של הסגסוגת בטמפרטורת החדר מראות אניזוטרופיה ברורה. חוזק המרקם עולה עם העלייה ביחס השיחול, דבר המצביע על כך שמספר הגרגירים בכיוון גביש מסוים במקביל לכיוון השיחול בסגסוגת עולה בהדרגה, וחוזק המתיחה האורכי של הסגסוגת עולה. מנגנוני החיזוק של חומרי שיחול חמים מסגסוגת אלומיניום 6063 כוללים חיזוק גרגירים עדינים, חיזוק תזוזה, חיזוק מרקם וכו'. במסגרת טווח פרמטרי התהליך ששימשו במחקר ניסיוני זה, להגדלת יחס השיחול יש השפעה מקדמת על מנגנוני החיזוק הנ"ל.
איור 4. דיאגרמת קוטב הפוך של מוטות מסגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שחול שונים לאורך כיוון השיחול
איור 5 הוא היסטוגרמה של תכונות המתיחה של סגסוגת אלומיניום 6063 לאחר עיוות ביחסי שיחול שונים. חוזק המתיחה של סגסוגת היצוק הוא 170 מגה פסקל וההתארכות היא 10.4%. חוזק המתיחה וההתארכות של הסגסוגת לאחר השיחול משתפרים משמעותית, וחוזק המתיחה וההתארכות עולים בהדרגה עם העלייה ביחס השיחול. כאשר יחס השיחול הוא 156, חוזק המתיחה וההתארכות של הסגסוגת מגיעים לערך המקסימלי, שהם 228 מגה פסקל ו-26.9%, בהתאמה, גבוה בכ-34% מחוזק המתיחה של סגסוגת היצוק וגבוה בכ-158% מההתארכות. חוזק המתיחה של סגסוגת אלומיניום 6063 המתקבל ביחס שיחול גדול קרוב לערך חוזק המתיחה (240 מגה פסקל) המתקבל בשיחול זוויתי שווה ערוצים (ECAP) ב-4 מעברים, שהוא גבוה בהרבה מערך חוזק המתיחה (171.1 מגה פסקל) המתקבל בשיחול ECAP במעבר אחד של סגסוגת אלומיניום 6063. ניתן לראות כי יחס שחול גדול יכול לשפר את התכונות המכניות של הסגסוגת במידה מסוימת.
שיפור התכונות המכניות של הסגסוגת על ידי יחס האקסטרוזיה נובע בעיקר מחיזוק עידון הגרעינים. ככל שיחס האקסטרוזיה עולה, הגרעינים מתעדנים וצפיפות העקירה עולה. גבולות גרגירים רבים יותר ליחידת שטח יכולים למעשה לעכב את תנועת העקירה, בשילוב עם התנועה ההדדית והסתבכות העקירה, ובכך לשפר את חוזק הסגסוגת. ככל שהגרעינים דקים יותר, כך גבולות הגרעינים מפותלים יותר, והעיוות הפלסטי יכול להתפזר ביותר גרגירים, דבר שאינו תורם להיווצרות סדקים, שלא לדבר על התפשטות סדקים. ניתן לספוג יותר אנרגיה במהלך תהליך השבר, ובכך לשפר את הפלסטיות של הסגסוגת.
איור 5 תכונות מתיחה של סגסוגת אלומיניום 6063 לאחר יציקה וייחול
מורפולוגיית שבר המתיחה של הסגסוגת לאחר עיוות עם יחסי שיחול שונים מוצגת באיור 6. לא נמצאו גומות במורפולוגיית השבר של הדגימה כפי שיצוקה (איור 6א), והשבר הורכב בעיקר מאזורים שטוחים וקצוות קרעים, דבר המצביע על כך שמנגנון שבר המתיחה של הסגסוגת כפי שיצוקה היה בעיקר שבר שביר. מורפולוגיית השבר של הסגסוגת לאחר שיחול השתנתה באופן משמעותי, והשבר מורכב ממספר רב של גומות שוות ציר, דבר המצביע על כך שמנגנון השבר של הסגסוגת לאחר שיחול השתנה משבר שביר לשבר רקיע. כאשר יחס שיחול קטן, הגומות רדודות וגודל הגומות גדול, וההתפלגות אינה אחידה; ככל שיחס שיחול עולה, מספר הגומות גדל, גודל הגומות קטן יותר וההתפלגות אחידה (איור 6ב~ו), מה שאומר שלסגסוגת יש פלסטיות טובה יותר, דבר התואם את תוצאות בדיקת התכונות המכניות לעיל.
3 סיכום
בניסוי זה, נותחו ההשפעות של יחסי שיחול שונים על המיקרו-מבנה והתכונות של סגסוגת אלומיניום 6063 בתנאי שגודל הבילט, טמפרטורת חימום המטיל ומהירות השחול נותרו ללא שינוי. המסקנות הן כדלקמן:
1) התגבשות מחדש דינמית מתרחשת בסגסוגת אלומיניום 6063 במהלך שיחול חם. עם העלייה ביחס השיחול, הגרגירים עוברים זיקוק מתמיד, והגרגירים המתארכים לאורך כיוון השיחול הופכים לגרגירים שהתגבשו מחדש בעלי צירים שווים, וחוזק מרקם החוט <100> עולה בהתמדה.
2) עקב השפעת חיזוק הגרגירים העדינים, התכונות המכניות של הסגסוגת משתפרות עם העלייה ביחס השיחול. בטווח פרמטרי הבדיקה, כאשר יחס השיחול הוא 156, חוזק המתיחה וההתארכות של הסגסוגת מגיעים לערכים מקסימליים של 228 מגה פסקל ו-26.9%, בהתאמה.
איור 6. מורפולוגיות של שבר מתיחה של סגסוגת אלומיניום 6063 לאחר יציקה וייחול
3) מורפולוגיית השבר של הדגימה כפי שיוצקה מורכבת מאזורים שטוחים וקצוות קרעים. לאחר האקסטרוזיה, השבר מורכב ממספר רב של גומות שוות צירים, ומנגנון השבר משתנה משבר שביר לשבר גמיש.
זמן פרסום: 30 בנובמבר 2024
