Die Aluminiumlegierung 6063 gehört zur niedriglegierten, wärmebehandelbaren Al-Mg-Si-Reihe. Sie zeichnet sich durch hervorragende Strangpresseigenschaften, gute Korrosionsbeständigkeit und umfassende mechanische Eigenschaften aus. Aufgrund ihrer leichten Oxidationsfärbung wird sie auch in der Automobilindustrie häufig eingesetzt. Mit dem zunehmenden Trend zu Leichtbaufahrzeugen hat auch die Anwendung von Strangpressmaterialien aus Aluminiumlegierung 6063 in der Automobilindustrie weiter zugenommen.
Die Mikrostruktur und die Eigenschaften extrudierter Materialien werden durch die kombinierten Effekte von Extrusionsgeschwindigkeit, Extrusionstemperatur und Extrusionsverhältnis beeinflusst. Das Extrusionsverhältnis wird dabei hauptsächlich durch den Extrusionsdruck, die Produktionseffizienz und die Produktionsanlagen bestimmt. Bei einem geringen Extrusionsverhältnis ist die Legierungsverformung gering und die Verfeinerung der Mikrostruktur nicht deutlich erkennbar. Eine Erhöhung des Extrusionsverhältnisses kann die Körner deutlich verfeinern, die grobe zweite Phase aufbrechen, eine gleichmäßige Mikrostruktur erzielen und die mechanischen Eigenschaften der Legierung verbessern.
Aluminiumlegierungen der Klassen 6061 und 6063 unterliegen während des Extrusionsprozesses einer dynamischen Rekristallisation. Bei konstanter Extrusionstemperatur nimmt mit steigendem Extrusionsverhältnis die Korngröße ab, die Verstärkungsphase wird fein verteilt, und Zugfestigkeit und Dehnung der Legierung nehmen entsprechend zu. Mit steigendem Extrusionsverhältnis steigt jedoch auch die für den Extrusionsprozess erforderliche Extrusionskraft, was zu einem stärkeren thermischen Effekt führt, die Innentemperatur der Legierung ansteigen lässt und die Leistung des Produkts verringert. Dieses Experiment untersucht den Einfluss des Extrusionsverhältnisses, insbesondere eines hohen Extrusionsverhältnisses, auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung 6063.
1 Experimentelle Materialien und Methoden
Das Versuchsmaterial ist die Aluminiumlegierung 6063. Die chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 1 aufgeführt. Der Barren hat die Abmessungen Φ55 mm × 165 mm und wird nach einer 6-stündigen Homogenisierungsbehandlung bei 560 °C zu einem Strangpressblock mit den Abmessungen Φ50 mm × 150 mm verarbeitet. Der Block wird auf 470 °C erhitzt und warmgehalten. Die Vorheiztemperatur des Presszylinders beträgt 420 °C, die der Form 450 °C. Bei unveränderter Pressgeschwindigkeit (Bewegungsgeschwindigkeit des Pressstabs) V=5 mm/s werden 5 Gruppen von Tests mit unterschiedlichen Pressverhältnissen durchgeführt. Die Pressverhältnisse R betragen 17 (entsprechend einem Matrizendurchmesser von D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) und 156 (D=4 mm).
Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung der 6063 Al-Legierung (Gew.-%)
Nach dem Schleifen mit Sandpapier und mechanischem Polieren wurden die metallografischen Proben etwa 25 Sekunden lang mit HF-Reagenz (40 % Volumenanteil) geätzt und die metallografische Struktur der Proben mit einem optischen Mikroskop LEICA-5000 untersucht. Eine 10 mm × 10 mm große Texturanalyseprobe wurde aus der Mitte des Längsschnitts des extrudierten Stabs geschnitten und die oberflächliche Spannungsschicht durch mechanisches Schleifen und Ätzen entfernt. Die unvollständigen Polfiguren der drei Kristallebenen {111}, {200} und {220} der Probe wurden mit dem Röntgenbeugungsanalysator X′Pert Pro MRD der Firma PANalytical gemessen, und die Texturdaten wurden mit der Software X′Pert Data View und X′Pert Texture verarbeitet und analysiert.
Die Zugprobe der Gusslegierung wurde aus der Mitte des Barrens entnommen und nach dem Extrudieren entlang der Extrusionsrichtung geschnitten. Die Messfläche betrug Φ4 mm × 28 mm. Der Zugversuch wurde mit einer Universalprüfmaschine SANS CMT5105 mit einer Zuggeschwindigkeit von 2 mm/min durchgeführt. Der Durchschnittswert der drei Standardproben wurde als mechanische Eigenschaft berechnet. Die Bruchmorphologie der Zugproben wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (Quanta 2000, FEI, USA) mit geringer Vergrößerung beobachtet.
2 Ergebnisse und Diskussion
Abbildung 1 zeigt die metallografische Mikrostruktur der Aluminiumlegierung 6063 im Gusszustand vor und nach der Homogenisierung. Wie Abbildung 1a zeigt, variieren die α-Al-Körner in der Gussmikrostruktur in ihrer Größe, eine große Anzahl netzartiger β-Al9Fe2Si2-Phasen sammelt sich an den Korngrenzen, und innerhalb der Körner befindet sich eine große Anzahl körniger Mg2Si-Phasen. Nach der Homogenisierung des Barrens bei 560 °C für 6 h löste sich die nicht im Gleichgewicht befindliche eutektische Phase zwischen den Legierungsdendriten allmählich auf, die Legierungselemente lösten sich in der Matrix auf, die Mikrostruktur war gleichmäßig, und die durchschnittliche Korngröße betrug etwa 125 μm (Abbildung 1b).
Vor der Homogenisierung
Nach der gleichmäßigen Behandlung bei 600°C für 6 Stunden
Abb. 1 Metallografische Struktur der Aluminiumlegierung 6063 vor und nach der Homogenisierungsbehandlung
Abbildung 2 zeigt das Aussehen von 6063 Aluminiumlegierungsstäben mit unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen. Wie in Abbildung 2 dargestellt, ist die Oberflächenqualität von 6063 Aluminiumlegierungsstäben, die mit unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen extrudiert wurden, gut. Insbesondere bei einer Erhöhung des Extrusionsverhältnisses auf 156 (entsprechend einer Extrusionsgeschwindigkeit von 48 m/min) treten keine Extrusionsfehler wie Risse oder Ablösungen auf der Oberfläche des Stabes auf. Dies deutet darauf hin, dass die 6063 Aluminiumlegierung auch bei hoher Geschwindigkeit und großem Extrusionsverhältnis eine gute Warmextrusionsformbarkeit aufweist.
Abb. 2 Aussehen von 6063-Aluminiumlegierungsstäben mit unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen
Abbildung 3 zeigt die metallografische Mikrostruktur des Längsschnitts des Aluminiumlegierungsstabs 6063 mit unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen. Die Kornstruktur des Stabs mit unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen weist unterschiedliche Dehnungs- bzw. Verfeinerungsgrade auf. Bei einem Extrusionsverhältnis von 17 verlängern sich die ursprünglichen Körner in Extrusionsrichtung, wobei sich eine geringe Anzahl rekristallisierter Körner bildet. Die Körner sind jedoch immer noch relativ grob und weisen eine durchschnittliche Korngröße von etwa 85 μm auf (Abbildung 3a). Bei einem Extrusionsverhältnis von 25 werden die Körner schlanker, die Anzahl der rekristallisierten Körner nimmt zu und die durchschnittliche Korngröße sinkt auf etwa 71 μm (Abbildung 3b). Bei einem Extrusionsverhältnis von 39 besteht die Mikrostruktur, abgesehen von einer geringen Anzahl deformierter Körner, im Wesentlichen aus gleichachsigen rekristallisierten Körnern ungleicher Größe mit einer durchschnittlichen Korngröße von etwa 60 μm (Abbildung 3c). Bei einem Extrusionsverhältnis von 69 ist die dynamische Rekristallisation im Wesentlichen abgeschlossen. Die groben ursprünglichen Körner haben sich vollständig in gleichmäßig rekristallisierte Körner umgewandelt, und die durchschnittliche Korngröße hat sich auf etwa 41 μm verfeinert (Abbildung 3d). Bei einem Extrusionsverhältnis von 156 ist mit dem vollständigen Fortschreiten der dynamischen Rekristallisation die Mikrostruktur gleichmäßiger, und die Korngröße hat sich deutlich auf etwa 32 μm verfeinert (Abbildung 3e). Mit zunehmendem Extrusionsverhältnis schreitet die dynamische Rekristallisation schneller voran, die Mikrostruktur der Legierung wird gleichmäßiger, und die Korngröße hat sich deutlich verfeinert (Abbildung 3f).
Abb. 3 Metallografische Struktur und Korngröße des Längsschnitts von Stäben aus Aluminiumlegierung 6063 mit unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen
Abbildung 4 zeigt die inversen Polfiguren von Stäben aus Aluminiumlegierung 6063 mit unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen entlang der Extrusionsrichtung. Es ist ersichtlich, dass die Mikrostrukturen von Legierungsstäben mit unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen alle eine deutliche Vorzugsorientierung aufweisen. Bei einem Extrusionsverhältnis von 17 bildet sich eine schwächere <115>+<100>-Textur (Abbildung 4a); bei einem Extrusionsverhältnis von 39 bestehen die Texturkomponenten hauptsächlich aus der stärkeren <100>-Textur und einem kleinen Anteil einer schwachen <115>-Textur (Abbildung 4b); bei einem Extrusionsverhältnis von 156 bestehen die Texturkomponenten aus der <100>-Textur mit deutlich erhöhter Festigkeit, während die <115>-Textur verschwindet (Abbildung 4c). Studien haben gezeigt, dass kubisch-flächenzentrierte Metalle beim Extrudieren und Ziehen hauptsächlich <111>- und <100>-Drahttexturen bilden. Sobald die Textur ausgebildet ist, zeigen die mechanischen Eigenschaften der Legierung bei Raumtemperatur eine deutliche Anisotropie. Die Texturfestigkeit nimmt mit zunehmendem Extrusionsverhältnis zu. Dies deutet darauf hin, dass die Anzahl der Körner in einer bestimmten Kristallrichtung parallel zur Extrusionsrichtung in der Legierung allmählich zunimmt und die Längszugfestigkeit der Legierung zunimmt. Zu den Verstärkungsmechanismen von Warmextrusionsmaterialien aus Aluminiumlegierung 6063 gehören Feinkornverstärkung, Versetzungsverstärkung und Texturverstärkung. Innerhalb der in dieser experimentellen Studie verwendeten Prozessparameter wirkt sich eine Erhöhung des Extrusionsverhältnisses positiv auf diese Verstärkungsmechanismen aus.
Abb. 4 Umkehrpoldiagramm von 6063-Aluminiumlegierungsstäben mit unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen entlang der Extrusionsrichtung
Abbildung 5 zeigt ein Histogramm der Zugfestigkeitseigenschaften der Aluminiumlegierung 6063 nach Verformung bei unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen. Die Zugfestigkeit der Gusslegierung beträgt 170 MPa und die Dehnung 10,4 %. Zugfestigkeit und Dehnung der Legierung verbessern sich nach dem Extrudieren deutlich, wobei Zugfestigkeit und Dehnung mit zunehmendem Extrusionsverhältnis allmählich ansteigen. Bei einem Extrusionsverhältnis von 156 erreichen Zugfestigkeit und Dehnung der Legierung Maximalwerte von 228 MPa bzw. 26,9 %, was etwa 34 % mehr als die Zugfestigkeit der Gusslegierung und etwa 158 % mehr als die Dehnung ist. Die durch ein hohes Extrusionsverhältnis erzielte Zugfestigkeit der Aluminiumlegierung 6063 liegt nahe an der Zugfestigkeit (240 MPa) der vierstufigen ECAP-Extrusion und ist damit deutlich höher als die Zugfestigkeit (171,1 MPa) der einstufigen ECAP-Extrusion der Aluminiumlegierung 6063. Ein hohes Extrusionsverhältnis kann die mechanischen Eigenschaften der Legierung bis zu einem gewissen Grad verbessern.
Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften einer Legierung durch das Extrusionsverhältnis beruht hauptsächlich auf der Kornfeinung und der damit verbundenen Verstärkung. Mit zunehmendem Extrusionsverhältnis verfeinern sich die Körner und die Versetzungsdichte nimmt zu. Mehr Korngrenzen pro Flächeneinheit können die Bewegung von Versetzungen wirksam behindern, was die gegenseitige Bewegung und Verschränkung der Versetzungen verstärkt und so die Festigkeit der Legierung verbessert. Je feiner die Körner, desto gewundener sind die Korngrenzen, und die plastische Verformung kann sich auf mehr Körner verteilen, was die Rissbildung und erst recht die Rissausbreitung hemmt. Während des Bruchprozesses kann mehr Energie absorbiert werden, was die Plastizität der Legierung verbessert.
Abb. 5 Zugfestigkeit der Aluminiumlegierung 6063 nach dem Gießen und Extrudieren
Die Zugbruchmorphologie der Legierung nach Deformation mit unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen ist in Abbildung 6 dargestellt. Die Bruchmorphologie der Gussprobe wies keine Dellen auf (Abbildung 6a). Der Bruch bestand hauptsächlich aus flachen Bereichen und Risskanten, was darauf hindeutet, dass der Zugbruchmechanismus der Gusslegierung hauptsächlich ein Sprödbruch war. Die Bruchmorphologie der Legierung nach der Extrusion hat sich deutlich verändert. Der Bruch besteht aus einer großen Anzahl gleichachsiger Dellen. Dies deutet darauf hin, dass sich der Bruchmechanismus der Legierung nach der Extrusion von Sprödbruch zu duktilem Bruch geändert hat. Bei geringem Extrusionsverhältnis sind die Dellen flach und groß, und die Verteilung ist ungleichmäßig. Mit zunehmendem Extrusionsverhältnis nimmt die Anzahl der Dellen zu, die Größe der Dellen wird kleiner und die Verteilung ist gleichmäßiger (Abbildung 6b–f). Dies bedeutet eine bessere Plastizität der Legierung, was mit den oben genannten Ergebnissen der mechanischen Eigenschaften übereinstimmt.
3 Fazit
In diesem Experiment wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Extrusionsverhältnisse auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften der Aluminiumlegierung 6063 unter der Bedingung analysiert, dass Knüppelgröße, Barrenerwärmungstemperatur und Extrusionsgeschwindigkeit unverändert blieben. Die Schlussfolgerungen lauten wie folgt:
1) Bei der Warmextrusion tritt in der Aluminiumlegierung 6063 eine dynamische Rekristallisation auf. Mit zunehmendem Extrusionsverhältnis verfeinern sich die Körner kontinuierlich, und die in Extrusionsrichtung verlängerten Körner wandeln sich in gleichachsige rekristallisierte Körner um. Die Festigkeit der <100>-Drahttextur nimmt kontinuierlich zu.
2) Durch die Feinkornverfestigung verbessern sich die mechanischen Eigenschaften der Legierung mit zunehmendem Extrusionsverhältnis. Im Bereich der Prüfparameter erreichen die Zugfestigkeit und die Dehnung der Legierung bei einem Extrusionsverhältnis von 156 Maximalwerte von 228 MPa bzw. 26,9 %.
Abb. 6 Zugbruchmorphologien der Aluminiumlegierung 6063 nach dem Gießen und Extrudieren
3) Die Bruchmorphologie der gegossenen Probe besteht aus flachen Bereichen und Risskanten. Nach der Extrusion besteht der Bruch aus einer großen Anzahl gleichachsiger Grübchen, und der Bruchmechanismus wandelt sich von einem spröden Bruch zu einem duktilen Bruch.
Veröffentlichungszeit: 30. November 2024
