סגסוגת אלומיניום 6063 שייכת לסגסוגת האלומיניום בעלת סגסוגת נמוכה מסדרת Al-Mg-Si הניתנת לטיפול בחום. יש לו ביצועי דפוס שחול מצוינים, עמידות בפני קורוזיה טובה ותכונות מכניות מקיפות. הוא נמצא בשימוש נרחב גם בתעשיית הרכב בגלל צבע החמצון הקל שלו. עם האצת המגמה של מכוניות קלות משקל, היישום של חומרי אקסטרוזיה מסגסוגת אלומיניום 6063 בתעשיית הרכב גדל אף הוא עוד יותר.
מבנה המיקרו והמאפיינים של חומרים שחולפים מושפעים מההשפעות המשולבות של מהירות שחול, טמפרטורת האקסטרוזיה ויחס האקסטרוזיה. ביניהם, יחס האקסטרוזיה נקבע בעיקר על ידי לחץ האקסטרוזיה, יעילות הייצור וציוד הייצור. כאשר יחס האקסטרוזיה קטן, עיוות הסגסוגת קטן ועידון המיקרו-מבנה אינו ברור; הגדלת יחס האקסטרוזיה יכולה לעדן משמעותית את הגרגרים, לשבור את השלב השני הגס, להשיג מבנה מיקרו אחיד ולשפר את התכונות המכניות של הסגסוגת.
סגסוגות אלומיניום 6061 ו-6063 עוברות התגבשות דינמית במהלך תהליך האקסטרוזיה. כאשר טמפרטורת האקסטרוזיה קבועה, ככל שיחס האקסטרוזיה עולה, גודל הגרגיר פוחת, שלב החיזוק מתפזר דק וחוזק המתיחה וההתארכות של הסגסוגת גדלים בהתאם; עם זאת, ככל שיחס האקסטרוזיה גדל, כוח האקסטרוזיה הנדרש לתהליך האקסטרוזיה גדל גם הוא, מה שגורם להשפעה תרמית גדולה יותר, הגורם לטמפרטורה הפנימית של הסגסוגת לעלות ולירידה בביצועי המוצר. ניסוי זה בוחן את ההשפעה של יחס שחול, במיוחד יחס שחול גדול, על מבנה המיקרו והתכונות המכניות של סגסוגת אלומיניום 6063.
1 חומרים ושיטות ניסויים
החומר הניסיוני הוא סגסוגת אלומיניום 6063, וההרכב הכימי מוצג בטבלה 1. הגודל המקורי של המטיל הוא Φ55 מ"מ × 165 מ"מ, והוא מעובד לכדי אקסטרוזיה בגודל של Φ50 מ"מ × 150 מ"מ לאחר הומוגניזציה טיפול ב-560 ℃ למשך 6 שעות. הבילט מחומם ל-470 ℃ ונשמר חם. טמפרטורת החימום מראש של חבית האקסטרוזיה היא 420 ℃, וטמפרטורת החימום מראש של התבנית היא 450 ℃. כאשר מהירות האקסטרוזיה (מהירות תנועת מוט האקסטרוזיה) V=5 מ"מ לשנייה נשארת ללא שינוי, מתבצעות 5 קבוצות של בדיקות יחס שחול שונות, ויחסי האקסטרוזיה 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 אל 6063 (משקל/%)
לאחר השחזה של נייר זכוכית וליטוש מכני, הדגימות המטאלוגרפיות נחרטו עם מגיב HF עם חלק נפח של 40% למשך כ-25 שניות, והמבנה המטאלוגרפי של הדגימות נצפה במיקרוסקופ אופטי LEICA-5000. דגימת ניתוח טקסטורה בגודל של 10 מ"מ × 10 מ"מ נחתכה ממרכז החתך האורכי של המוט המחולץ, ובוצעו שחיקה וחריטה מכנית להסרת שכבת הלחץ על פני השטח. דמויות הקוטב הלא שלמות של שלושת מישורי הגביש {111}, {200} ו-{220} של המדגם נמדדו על ידי מנתח העקיפה 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 האקסטרוזיה לאחר האקסטרוזיה. גודל שטח המדיד היה Φ4 מ"מ × 28 מ"מ. בדיקת המתיחה בוצעה באמצעות מכונת בדיקת חומרים אוניברסלית SANS CMT5105 בקצב מתיחה של 2 מ"מ לדקה. הערך הממוצע של שלוש הדגימות הסטנדרטיות חושב כנתוני המאפיינים המכניים. מורפולוגיה של השבר של דגימות המתיחה נצפתה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני סורק בהגדלה נמוכה (Quanta 2000, FEI, ארה"ב).
2 תוצאות ודיון
איור 1 מציג את המיקרו-מבנה המטאלוגרפי של סגסוגת האלומיניום 6063 כפי שנוצקה לפני ואחרי טיפול הומוגניזציה. כפי שמוצג באיור 1a, גרגרי α-Al במבנה המיקרו-יצוק משתנים בגודלם, מספר רב של שלבי β-Al9Fe2Si2 רשתיים מתאספים בגבולות התבואה, ומספר רב של שלבי Mg2Si גרגירים קיימים בתוך הגרגרים. לאחר הומוגנית המטיל ב-560 ℃ למשך 6 שעות, השלב האאוטקטי ללא שיווי המשקל בין הדנדריטים הסגסוגת התמוסס בהדרגה, יסודות הסגסוגת התמוססו לתוך המטריצה, המיקרו-מבנה היה אחיד וגודל הגרגיר הממוצע היה כ-125 מיקרומטר (איור 1b ).
לפני הומוגיזציה
לאחר טיפול אחיד ב-600 מעלות צלזיוס למשך 6 שעות
איור 1 מבנה מטאלוגרפי של סגסוגת אלומיניום 6063 לפני ואחרי טיפול הומוגניזציה
איור 2 מציג את המראה של 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 האקסטרוזיה גדל ל-156 (המקביל למהירות יציאת שחול המוט של 48 מ' לדקה), עדיין אין פגמי אקסטרוזיה כגון סדקים וקילופים על פני המוט, המעידים על סגסוגת אלומיניום 6063 יש גם ביצועים טובים ליצירת שחול חם במהירות גבוהה ויחס שחול גדול.
איור 2 מראה של מוטות סגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שחול שונים
איור 3 מציג את המיקרו-מבנה המטאלוגרפי של החתך האורכי של מוט סגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שחול שונים. מבנה הגרגירים של המוט עם יחסי שחול שונים מראה דרגות שונות של התארכות או עידון. כאשר יחס האקסטרוזיה הוא 17, הגרגרים המקוריים מתארכים לאורך כיוון האקסטרוזיה, מלווים ביצירת מספר קטן של גרגרים מגובשים מחדש, אך הגרגרים עדיין גסים יחסית, עם גודל גרגר ממוצע של כ-85 מיקרומטר (איור 3א). ; כאשר יחס האקסטרוזיה הוא 25, הגרגרים נמשכים דקים יותר, מספר הגרגרים המחודשים גדל וגודל הגרגיר הממוצע יורד לכ-71 מיקרומטר (איור 3b); כאשר יחס האקסטרוזיה הוא 39, למעט מספר קטן של גרגרים מעוותים, המיקרו-מבנה מורכב בעיקרו מגרגרים מגובשים שווים בגודל לא אחיד, עם גודל גרגר ממוצע של כ-60 מיקרומטר (איור 3c); כאשר יחס ההשחול הוא 69, תהליך ההתגבשות הדינמי הושלם בעצם, הגרגירים המקוריים הגסים עברו טרנספורמציה מוחלטת לגרגרים מחודשים בעלי מבנה אחיד, וגודל הגרגיר הממוצע מתעדן 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 הגדלת יחס האקסטרוזיה, תהליך ההתגבשות הדינמי ממשיך בצורה מלאה יותר, מבנה המיקרו של הסגסוגת הופך לאחיד יותר, וגודל הגרגרים מעודן באופן משמעותי (איור 3ו).
איור 3 מבנה מטאלוגרפי וגודל גרגר של חתך אורך של מוטות סגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שחול שונים
איור 4 מציג את דמויות הקוטב ההפוכות של מוטות סגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שחול שונים לאורך כיוון האקסטרוזיה. ניתן לראות שהמיקרו-מבנים של מוטות סגסוגת עם יחסי שחול שונים מייצרים כיוון מועדף ברור. כאשר יחס האקסטרוזיה הוא 17, נוצר מרקם <115>+<100> חלש יותר (איור 4א); כאשר יחס האקסטרוזיה הוא 39, מרכיבי המרקם הם בעיקר מרקם <100> החזק יותר וכמות קטנה של מרקם <115> חלש (איור 4ב); כאשר יחס האקסטרוזיה הוא 156, מרכיבי המרקם הם המרקם <100> עם חוזק מוגבר משמעותית, בעוד המרקם <115> נעלם (איור 4c). מחקרים הראו שמתכות מעוקבות במרכז הפנים יוצרות בעיקר <111> ו<100> טקסטורות תיל במהלך שחול וציור. ברגע שהמרקם נוצר, המאפיינים המכניים של הסגסוגת בטמפרטורת החדר מראים אניזוטרופיה ברורה. חוזק המרקם גדל עם עליית יחס האקסטרוזיה, מה שמעיד על כך שמספר הגרגרים בכיוון גבישי מסוים במקביל לכיוון האקסטרוזיה בסגסוגת עולה בהדרגה וחוזק המתיחה האורכי של הסגסוגת עולה. מנגנוני החיזוק של חומרי שחול חמים מסגסוגת אלומיניום 6063 כוללים חיזוק גרגר עדין, חיזוק נקע, חיזוק מרקם וכו'. בטווח הפרמטרים של התהליך המשמשים במחקר ניסיוני זה, להגדלת יחס האקסטרוזיה יש השפעה מקדמת על מנגנוני החיזוק לעיל.
איור 4 תרשים קוטב הפוך של מוטות סגסוגת אלומיניום 6063 עם יחסי שחול שונים לאורך כיוון האקסטרוזיה
איור 5 הוא היסטוגרמה של תכונות המתיחה של סגסוגת אלומיניום 6063 לאחר עיוות ביחסי אקסטרוזיה שונים. חוזק המתיחה של הסגסוגת היצוקה הוא 170 MPa וההתארכות היא 10.4%. חוזק המתיחה וההתארכות של הסגסוגת לאחר האקסטרוזיה משתפרים באופן משמעותי, וחוזק המתיחה וההתארכות גדלים בהדרגה עם עליית יחס האקסטרוזיה. כאשר יחס האקסטרוזיה הוא 156, חוזק המתיחה וההתארכות של הסגסוגת מגיעים לערך המקסימלי שהם 228 MPa ו-26.9%, בהתאמה, שהוא גבוה בכ-34% מחוזק המתיחה של הסגסוגת היצוקה וכ-158% יותר מאשר את ההתארכות. חוזק המתיחה של סגסוגת אלומיניום 6063 המתקבלת על ידי יחס שחול גדול קרוב לערך חוזק המתיחה (240 MPa) המתקבל על ידי שחול זוויתי של 4 מעברים (ECAP), שהוא גבוה בהרבה מערך חוזק המתיחה (171.1 MPa) מתקבל על ידי שחול 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 שחול נובע בעיקר מחיזוק חידוד התבואה. ככל שיחס האקסטרוזיה עולה, הגרגרים מתעדנים וצפיפות הנקע עולה. יותר גבולות גרגרים ליחידת שטח יכולים למעשה לעכב את התנועה של נקעים, בשילוב עם תנועה הדדית והסתבכות של נקעים, ובכך לשפר את חוזק הסגסוגת. ככל שהגרגרים עדינים יותר, כך גבולות התבואה מתפתלים יותר, והדפורמציה הפלסטית יכולה להתפזר בעוד גרגרים, מה שלא מקדם היווצרות סדקים, שלא לדבר על התפשטות סדקים. יותר אנרגיה יכולה להיספג במהלך תהליך השבר, ובכך לשפר את הפלסטיות של הסגסוגת.
איור 5 תכונות מתיחה של סגסוגת אלומיניום 6063 לאחר יציקה ושחול
מורפולוגיה של שבר מתיחה של הסגסוגת לאחר דפורמציה עם יחסי שחול שונים מוצגת באיור 6. לא נמצאו גומות במורפולוגיה של השבר של המדגם כפי שנוצק (איור 6א), והשבר היה מורכב בעיקר מאזורים שטוחים וקצוות קורעים , מה שמצביע על כך שמנגנון שבר המתיחה של הסגסוגת כפי שיוצקה היה בעיקר שבר שביר. מורפולוגיית השבר של הסגסוגת לאחר האקסטרוזיה השתנתה באופן משמעותי, והשבר מורכב ממספר רב של גומות שוות-צירים, מה שמעיד על כך שמנגנון השבר של הסגסוגת לאחר האקסטרוזיה השתנה משבר שביר לשבר רקיע. כאשר יחס האקסטרוזיה קטן, הגומות רדודות וגודל הגומה גדול, והחלוקה לא אחידה; ככל שיחס השחול גדל, מספר הגומות גדל, גודל הגומות קטן יותר וההתפלגות אחידה (איור 6b~f), מה שאומר שלסגסוגת יש פלסטיות טובה יותר, מה שעולה בקנה אחד עם תוצאות בדיקת המאפיינים המכאניים לעיל.
3 מסקנה
בניסוי זה, נותחו ההשפעות של יחסי שחול שונים על מבנה המיקרו והמאפיינים של סגסוגת אלומיניום 6063 בתנאי שגודל הבילט, טמפרטורת חימום המטיל ומהירות האקסטרוזיה נותרו ללא שינוי. המסקנות הן כדלקמן:
1) גיבוש מחדש דינמי מתרחש בסגסוגת אלומיניום 6063 במהלך שחול חם. עם העלייה של יחס האקסטרוזיה, הגרגרים מתעדנים באופן רציף, והגרגרים המוארכים לאורך כיוון האקסטרוזיה הופכים לגרגירים מגובשים שווים, וחוזק מרקם החוט <100> גדל ללא הרף.
2) בשל ההשפעה של חיזוק גרגירים עדינים, התכונות המכניות של הסגסוגת משתפרות עם עליית יחס האקסטרוזיה. בטווח של פרמטרי הבדיקה, כאשר יחס האקסטרוזיה הוא 156, חוזק המתיחה וההתארכות של הסגסוגת מגיעים לערכים המרביים של 228 MPa ו-26.9%, בהתאמה.
איור 6 מורפולוגיות שבר מתיחה של סגסוגת אלומיניום 6063 לאחר יציקה ושחול
3) מורפולוגיה של השבר של הדגימה כפי שהייתה יצוקה מורכבת מאזורים שטוחים וקצוות קרעים. לאחר האקסטרוזיה, השבר מורכב ממספר רב של גומות שוות-צירים, ומנגנון השבר הופך משבר שביר לשבר רקיע.
זמן פרסום: 30 בנובמבר 2024
