Hợp kim nhôm 6063 thuộc loại hợp kim nhôm chịu nhiệt dòng Al-Mg-Si hợp kim thấp. Nó có hiệu suất ép đùn tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn tốt và tính chất cơ học toàn diện. Nó cũng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô vì dễ tạo màu oxy hóa. Với sự tăng tốc của xu hướng ô tô hạng nhẹ, việc ứng dụng vật liệu ép đùn hợp kim nhôm 6063 trong ngành công nghiệp ô tô cũng tăng cao hơn nữa.
Cấu trúc vi mô và tính chất của vật liệu ép đùn bị ảnh hưởng bởi tác động tổng hợp của tốc độ ép đùn, nhiệt độ ép đùn và tỷ lệ ép đùn. Trong số đó, tỷ lệ đùn chủ yếu được xác định bởi áp suất đùn, hiệu quả sản xuất và thiết bị sản xuất. Khi tỷ lệ đùn nhỏ, biến dạng hợp kim nhỏ và việc tinh chỉnh cấu trúc vi mô không rõ ràng; tăng tỷ lệ đùn có thể tinh chế đáng kể các hạt, phá vỡ pha thứ hai thô, thu được cấu trúc vi mô đồng nhất và cải thiện tính chất cơ học của hợp kim.
Hợp kim nhôm 6061 và 6063 trải qua quá trình kết tinh lại động trong quá trình ép đùn. Khi nhiệt độ đùn không đổi, khi tỷ lệ đùn tăng, kích thước hạt giảm, giai đoạn tăng cường được phân tán mịn, độ bền kéo và độ giãn dài của hợp kim tăng theo; tuy nhiên, khi tỷ lệ ép đùn tăng lên, lực ép đùn cần thiết cho quá trình ép đùn cũng tăng lên, gây ra hiệu ứng nhiệt lớn hơn, khiến nhiệt độ bên trong của hợp kim tăng lên và hiệu suất của sản phẩm giảm xuống. Thí nghiệm này nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ đùn, đặc biệt là tỷ lệ đùn lớn, đến vi cấu trúc và tính chất cơ học của hợp kim nhôm 6063.
1 Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
Vật liệu thí nghiệm là hợp kim nhôm 6063, thành phần hóa học được thể hiện trong Bảng 1. Kích thước ban đầu của phôi là Φ55 mm × 165 mm và được xử lý thành phôi đùn có kích thước Φ50 mm × 150 mm sau khi đồng nhất hóa xử lý ở 560oC trong 6 giờ. Phôi được làm nóng đến 470oC và giữ ấm. Nhiệt độ làm nóng trước của thùng đùn là 420oC và nhiệt độ làm nóng trước của khuôn là 450oC. Khi tốc độ đùn (tốc độ di chuyển của thanh đùn) V=5 mm/s không thay đổi, 5 nhóm thử nghiệm tỷ lệ đùn khác nhau được thực hiện và tỷ lệ đùn R là 17 (tương ứng với đường kính lỗ khuôn D=12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) và 156 (D=4 mm).
Bảng 1 Thành phần hóa học của hợp kim 6063 Al (wt/%)
Sau khi mài giấy nhám và đánh bóng cơ học, các mẫu kim loại được khắc bằng thuốc thử HF với phần thể tích 40% trong khoảng 25 giây và cấu trúc kim loại của các mẫu được quan sát trên kính hiển vi quang học LEICA-5000. Một mẫu phân tích kết cấu có kích thước 10 mm × 10 mm được cắt từ giữa mặt cắt dọc của thanh ép đùn, đồng thời thực hiện mài và khắc cơ học để loại bỏ lớp ứng suất bề mặt. Các số liệu cực không hoàn chỉnh của ba mặt phẳng tinh thể {111}, {200} và {220} của mẫu được đo bằng máy phân tích nhiễu xạ tia X X′Pert Pro MRD của Công ty PANalytical và dữ liệu kết cấu được xử lý và phân tích bằng phần mềm X′Pert Data View và X′Pert Text.
Mẫu kéo của hợp kim đúc được lấy từ tâm phôi và mẫu kéo được cắt dọc theo hướng đùn sau khi ép đùn. Kích thước vùng đo là Φ4 mm × 28 mm. Thử nghiệm độ bền kéo được thực hiện bằng máy thử vật liệu đa năng SANS CMT5105 với tốc độ kéo là 2 mm/phút. Giá trị trung bình của ba mẫu tiêu chuẩn được tính toán dưới dạng dữ liệu đặc tính cơ học. Hình thái đứt gãy của mẫu kéo được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét có độ phóng đại thấp (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Kết quả và thảo luận
Hình 1 cho thấy cấu trúc vi mô kim loại của hợp kim nhôm 6063 đúc sẵn trước và sau khi xử lý đồng nhất. Như được hiển thị trong Hình 1a, các hạt α-Al trong cấu trúc vi mô đúc sẵn có kích thước khác nhau, một số lượng lớn các pha β-Al9Fe2Si2 dạng lưới tập trung tại các ranh giới hạt và một số lượng lớn các pha Mg2Si dạng hạt tồn tại bên trong các hạt. Sau khi phôi được đồng nhất hóa ở 560oC trong 6 giờ, pha eutectic không cân bằng giữa các đuôi gai hợp kim hòa tan dần, các nguyên tố hợp kim hòa tan vào ma trận, cấu trúc vi mô đồng nhất và kích thước hạt trung bình khoảng 125 μm (Hình 1b ).
Trước khi đồng nhất
Sau khi xử lý thống nhất ở 600°C trong 6 giờ
Hình 1 Cấu trúc kim loại của hợp kim nhôm 6063 trước và sau khi xử lý đồng nhất
Hình 2 cho thấy hình dáng bên ngoài của 6063 thanh hợp kim nhôm với các tỷ lệ đùn khác nhau. Như trong Hình 2, chất lượng bề mặt của thanh hợp kim nhôm 6063 được ép đùn với các tỷ lệ đùn khác nhau là tốt, đặc biệt khi tỷ lệ đùn được tăng lên 156 (tương ứng với tốc độ đầu ra của thanh đùn là 48 m/phút), vẫn không có Các khuyết tật đùn như vết nứt và bong tróc trên bề mặt thanh, cho thấy hợp kim nhôm 6063 cũng có hiệu suất tạo hình đùn nóng tốt dưới tốc độ cao và tỷ lệ đùn lớn.
Hình 2 Hình dáng của thanh hợp kim nhôm 6063 với các tỷ lệ đùn khác nhau
Hình 3 cho thấy cấu trúc vi mô kim loại của mặt cắt dọc của thanh hợp kim nhôm 6063 với các tỷ lệ đùn khác nhau. Cấu trúc hạt của thanh với các tỷ lệ đùn khác nhau cho thấy mức độ giãn dài hoặc sàng lọc khác nhau. Khi tỷ lệ đùn là 17, các hạt ban đầu bị kéo dài theo hướng đùn, kèm theo sự hình thành một số lượng nhỏ hạt kết tinh lại, nhưng hạt vẫn còn tương đối thô, kích thước hạt trung bình khoảng 85 μm (Hình 3a) ; khi tỷ lệ ép đùn là 25 thì hạt được kéo mảnh hơn, số lượng hạt kết tinh lại tăng lên và kích thước hạt trung bình giảm xuống còn khoảng 71 μm (Hình 3b); khi tỷ lệ đùn là 39, ngoại trừ một số lượng nhỏ hạt bị biến dạng, cấu trúc vi mô về cơ bản bao gồm các hạt kết tinh lại cân bằng có kích thước không đồng đều, kích thước hạt trung bình khoảng 60 μm (Hình 3c); khi tỷ lệ đùn là 69, quá trình kết tinh lại động cơ bản đã hoàn thành, các hạt thô ban đầu đã được chuyển đổi hoàn toàn thành các hạt kết tinh có cấu trúc đồng nhất và kích thước hạt trung bình được tinh chế đến khoảng 41 μm (Hình 3d); khi tỷ lệ đùn là 156, với toàn bộ quá trình kết tinh lại động, cấu trúc vi mô đồng đều hơn và kích thước hạt được tinh chế rất nhiều đến khoảng 32 μm (Hình 3e). Với sự gia tăng tỷ lệ đùn, quá trình kết tinh lại động diễn ra hoàn thiện hơn, cấu trúc vi mô hợp kim trở nên đồng nhất hơn và kích thước hạt được tinh chỉnh đáng kể (Hình 3f).
Hình 3 Cấu trúc kim loại và kích thước hạt của mặt cắt dọc của thanh hợp kim nhôm 6063 với các tỷ lệ đùn khác nhau
Hình 4 thể hiện số liệu cực nghịch đảo của 6063 thanh hợp kim nhôm với các tỷ lệ đùn khác nhau dọc theo hướng đùn. Có thể thấy rằng các cấu trúc vi mô của thanh hợp kim với tỷ lệ đùn khác nhau đều tạo ra sự định hướng ưu tiên rõ ràng. Khi tỷ lệ ép đùn là 17, kết cấu <115>+<100> yếu hơn sẽ được hình thành (Hình 4a); khi tỷ lệ đùn là 39, các thành phần kết cấu chủ yếu là kết cấu <100> mạnh hơn và một lượng nhỏ kết cấu <115> yếu (Hình 4b); khi tỷ lệ đùn là 156, các thành phần kết cấu là kết cấu <100> có độ bền tăng lên đáng kể, trong khi kết cấu <115> biến mất (Hình 4c). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng kim loại hình khối đặt chính giữa mặt chủ yếu tạo thành kết cấu dây <111> và <100> trong quá trình ép đùn và kéo. Sau khi kết cấu được hình thành, các tính chất cơ học ở nhiệt độ phòng của hợp kim cho thấy tính dị hướng rõ ràng. Độ bền kết cấu tăng khi tăng tỷ lệ đùn, cho thấy số lượng hạt theo một hướng tinh thể nhất định song song với hướng đùn trong hợp kim tăng dần và độ bền kéo dọc của hợp kim tăng lên. Các cơ chế tăng cường của vật liệu ép đùn nóng hợp kim nhôm 6063 bao gồm tăng cường hạt mịn, tăng cường độ lệch, tăng cường kết cấu, v.v. Trong phạm vi các thông số quy trình được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm này, việc tăng tỷ lệ ép đùn có tác dụng thúc đẩy các cơ chế tăng cường trên.
Hình 4 Sơ đồ cực ngược của thanh hợp kim nhôm 6063 với các tỷ lệ đùn khác nhau dọc theo hướng đùn
Hình 5 là biểu đồ đặc tính chịu kéo của hợp kim nhôm 6063 sau khi biến dạng ở các tỷ lệ đùn khác nhau. Độ bền kéo của hợp kim đúc là 170 MPa và độ giãn dài là 10,4%. Độ bền kéo và độ giãn dài của hợp kim sau khi ép đùn được cải thiện đáng kể, độ bền kéo và độ giãn dài tăng dần khi tăng tỷ lệ ép đùn. Khi tỷ lệ đùn là 156, độ bền kéo và độ giãn dài của hợp kim đạt giá trị tối đa, lần lượt là 228 MPa và 26,9%, cao hơn khoảng 34% so với độ bền kéo của hợp kim đúc và cao hơn khoảng 158% so với sự kéo dài. Độ bền kéo của hợp kim nhôm 6063 thu được bằng tỷ lệ ép đùn lớn gần với giá trị độ bền kéo (240 MPa) thu được bằng phương pháp ép đùn góc kênh bằng nhau 4 bước (ECAP), cao hơn nhiều so với giá trị độ bền kéo (171,1 MPa) thu được bằng cách ép đùn ECAP 1 lần bằng hợp kim nhôm 6063. Có thể thấy rằng tỷ lệ đùn lớn có thể cải thiện tính chất cơ học của hợp kim ở một mức độ nhất định.
Việc nâng cao tính chất cơ học của hợp kim bằng tỷ lệ đùn chủ yếu đến từ việc tăng cường tinh chế hạt. Khi tỷ lệ ép đùn tăng lên, các hạt được tinh chế và mật độ trật khớp tăng lên. Nhiều ranh giới hạt hơn trên một đơn vị diện tích có thể cản trở hiệu quả sự chuyển động của các sai lệch, kết hợp với sự chuyển động lẫn nhau và sự vướng víu của các sai lệch, từ đó cải thiện độ bền của hợp kim. Hạt càng mịn thì ranh giới hạt càng quanh co và biến dạng dẻo có thể phân tán ở nhiều hạt hơn, điều này không có lợi cho việc hình thành các vết nứt chứ đừng nói đến sự lan truyền của vết nứt. Nhiều năng lượng hơn có thể được hấp thụ trong quá trình gãy, từ đó cải thiện độ dẻo của hợp kim.
Hình 5 Đặc tính kéo của hợp kim nhôm 6063 sau khi đúc và ép đùn
Hình thái vết nứt kéo của hợp kim sau khi biến dạng với các tỷ lệ đùn khác nhau được thể hiện trong Hình 6. Không tìm thấy vết lõm nào trong hình thái vết nứt của mẫu đúc (Hình 6a), và vết nứt chủ yếu bao gồm các vùng phẳng và các cạnh rách , chỉ ra rằng cơ chế đứt gãy do kéo của hợp kim đúc chủ yếu là gãy giòn. Hình thái đứt gãy của hợp kim sau khi ép đùn đã thay đổi đáng kể và vết nứt bao gồm một số lượng lớn các vết lõm cân bằng, cho thấy cơ chế gãy của hợp kim sau khi ép đùn đã thay đổi từ gãy giòn sang gãy dẻo. Khi tỷ lệ đùn nhỏ, các vết lõm nông và kích thước vết lõm lớn và sự phân bố không đồng đều; khi tỷ lệ đùn tăng lên, số lượng vết lõm tăng lên, kích thước vết lõm nhỏ hơn và phân bố đồng đều (Hình 6b ~ f), có nghĩa là hợp kim có độ dẻo tốt hơn, phù hợp với kết quả kiểm tra tính chất cơ học ở trên.
3 Kết luận
Trong thí nghiệm này, ảnh hưởng của các tỷ lệ ép đùn khác nhau đến cấu trúc vi mô và tính chất của hợp kim nhôm 6063 được phân tích trong điều kiện kích thước phôi, nhiệt độ gia nhiệt phôi và tốc độ ép đùn không thay đổi. Các kết luận như sau:
1) Quá trình kết tinh lại động xảy ra ở hợp kim nhôm 6063 trong quá trình ép đùn nóng. Với sự gia tăng của tỷ lệ đùn, các hạt được tinh chế liên tục và các hạt kéo dài theo hướng đùn được chuyển thành các hạt kết tinh cân bằng và độ bền của kết cấu dây <100> liên tục tăng lên.
2) Do tác dụng tăng cường hạt mịn, tính chất cơ học của hợp kim được cải thiện khi tăng tỷ lệ đùn. Trong phạm vi các thông số thử nghiệm, khi tỷ lệ đùn là 156, độ bền kéo và độ giãn dài của hợp kim đạt giá trị tối đa lần lượt là 228 MPa và 26,9%.
Hình 6 Hình thái đứt gãy do kéo của hợp kim nhôm 6063 sau khi đúc và ép đùn
3) Hình thái vết nứt của mẫu vật đúc bao gồm các vùng phẳng và các cạnh rách. Sau khi ép đùn, vết nứt bao gồm một số lượng lớn các vết lõm cân bằng, và cơ chế gãy được chuyển từ gãy giòn sang gãy dẻo.
Thời gian đăng: 30/11/2024
