Hợp kim nhôm 6063 thuộc nhóm hợp kim nhôm hợp kim thấp Al-Mg-Si, có thể xử lý nhiệt. Nó có hiệu suất ép đùn tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn tốt và các tính chất cơ học toàn diện. Nhờ khả năng tạo màu dễ oxy hóa, nó cũng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. Với xu hướng ô tô trọng lượng nhẹ đang tăng tốc, ứng dụng của vật liệu ép đùn hợp kim nhôm 6063 trong ngành công nghiệp ô tô cũng ngày càng tăng.
Cấu trúc vi mô và tính chất của vật liệu đùn bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng kết hợp của tốc độ đùn, nhiệt độ đùn và tỷ lệ đùn. Trong đó, tỷ lệ đùn chủ yếu được xác định bởi áp suất đùn, hiệu suất sản xuất và thiết bị sản xuất. Khi tỷ lệ đùn nhỏ, biến dạng hợp kim nhỏ và sự tinh chỉnh cấu trúc vi mô không rõ ràng; việc tăng tỷ lệ đùn có thể tinh chỉnh đáng kể các hạt, phá vỡ pha thứ hai thô, đạt được cấu trúc vi mô đồng đều và cải thiện các tính chất cơ học của hợp kim.
Hợp kim nhôm 6061 và 6063 trải qua quá trình kết tinh lại động trong quá trình đùn. Khi nhiệt độ đùn không đổi, khi tỷ lệ đùn tăng, kích thước hạt giảm, pha gia cường được phân tán mịn, độ bền kéo và độ giãn dài của hợp kim cũng tăng theo; tuy nhiên, khi tỷ lệ đùn tăng, lực đùn cần thiết cho quá trình đùn cũng tăng, gây ra hiệu ứng nhiệt lớn hơn, khiến nhiệt độ bên trong hợp kim tăng lên và hiệu suất của sản phẩm giảm. Thí nghiệm này nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ đùn, đặc biệt là tỷ lệ đùn lớn, đến cấu trúc vi mô 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 thỏi là Φ55 mm x 165 mm, sau khi đồng nhất hóa ở 560℃ trong 6 giờ, phôi được gia công thành phôi đùn có kích thước Φ50 mm x 150 mm. Phôi được nung nóng đến 470℃ và giữ ấm. Nhiệt độ nung nóng trước của thùng đùn là 420℃, và nhiệt độ nung nóng trước của khuôn là 450℃. Khi tốc độ đùn (tốc độ di chuyển của thanh đùn) V=5 mm/s không đổi, tiến hành 5 nhóm thử nghiệm tỷ lệ đùn khác nhau 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 học được khắc bằng thuốc thử HF với tỷ lệ thể tích 40% trong khoảng 25 giây, và cấu trúc kim loại học 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 x 10 mm được cắt từ tâm của mặt cắt dọc của thanh đùn, và được mài và khắc cơ học để loại bỏ lớp ứng suất bề mặt. Hình dạng 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 Texture.
Mẫu kéo của hợp kim đúc được lấy từ tâm thỏi, và mẫu kéo được cắt dọc theo hướng đùn sau khi đùn. Kích thước vùng đo là Φ4 mm x 28 mm. Thử nghiệm kéo được thực hiện bằng máy thử vật liệu vạn năng SANS CMT5105 với tốc độ kéo 2 mm/phút. Giá trị trung bình của ba mẫu chuẩn được tính toán làm dữ liệu cơ tính. Hình thái gãy của mẫu kéo được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét độ phóng đại thấp (Quanta 2000, FEI, Hoa Kỳ).
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 hóa. Như thể hiện trong Hình 1a, các hạt α-Al trong cấu trúc vi mô đúc sẵn có kích thước khác nhau, một số lượng lớn pha β-Al9Fe2Si2 dạng lưới tập trung tại ranh giới hạt, và một số lượng lớn pha Mg2Si dạng hạt tồn tại bên trong các hạt. Sau khi thỏi được đồng nhất hóa ở 560℃ trong 6 giờ, pha eutectic không cân bằng giữa các dendrit hợp kim dần dần hòa tan, các nguyên tố hợp kim hòa tan vào nền, cấu trúc vi mô đồng đều và kích thước hạt trung bình khoảng 125 μm (Hình 1b).
Trước khi đồng nhất hóa
Sau khi xử lý đồng đều 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 dạng bên ngoài của thanh hợp kim nhôm 6063 với các tỷ lệ đùn khác nhau. Như thể hiện trong Hình 2, chất lượng bề mặt của thanh hợp kim nhôm 6063 được đùn với các tỷ lệ đùn khác nhau đều tốt, đặc biệt khi tỷ lệ đùn tăng lên 156 (tương ứng với tốc độ đầu ra đùn thanh là 48 m/phút), bề mặt thanh vẫn không có khuyết tật đùn như nứt và bong tróc, cho thấy hợp kim nhôm 6063 cũng có hiệu suất đùn nóng tốt ở tốc độ cao và tỷ lệ đùn lớn.
Hình 2. Hình dạng của thanh hợp kim nhôm 6063 với 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 các mức độ kéo dài hoặc tinh chế khác nhau. Khi tỷ lệ đùn là 17, các hạt ban đầu được kéo dài theo hướng đùn, kèm theo sự hình thành của một số ít các hạt kết tinh lại, nhưng các hạt vẫn tương đối thô, với kích thước hạt trung bình khoảng 85 μm (Hình 3a); khi tỷ lệ đùn là 25, các hạt được kéo mảnh hơn, số lượng các 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 ít các hạt bị biến dạng, cấu trúc vi mô về cơ bản bao gồm các hạt kết tinh lại đẳng trục có kích thước không đồng đều, với kích thước hạt trung bình khoảng 60 μm (Hình 3c); Khi tỷ lệ đùn đạt 69, quá trình tái kết tinh động về cơ bản đã hoàn tất, các hạt thô ban đầu đã được chuyển hóa hoàn toàn thành các hạt tái 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 đạt 156, cùng với quá trình tái kết tinh động diễn ra hoàn toàn, cấu trúc vi mô đồng đều hơn, kích thước hạt được tinh chế đáng kể đến khoảng 32 μm (Hình 3e). Khi tỷ lệ đùn tăng, quá trình tái kết tinh động diễn ra đầy đủ hơn, cấu trúc vi mô hợp kim trở nên đồng đều hơn, và kích thước hạt được tinh chế 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 tỷ lệ đùn khác nhau
Hình 4 cho thấy các hình cực nghịch đảo của thanh hợp kim nhôm 6063 với các tỷ lệ đùn khác nhau theo hướng đùn. Có thể thấy rằng các cấu trúc vi mô của thanh hợp kim với các tỷ lệ đùn khác nhau đều tạo ra sự định hướng ưu tiên rõ ràng. Khi tỷ lệ đùn là 17, kết cấu <115> + <100> yếu hơn 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 đáng kể, trong khi kết cấu <115> biến mất (Hình 4c). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các kim loại lập phương tâm mặt chủ yếu tạo thành kết cấu dây <111> và <100> trong quá trình 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 theo 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 cũng tăng theo. Các cơ chế gia cường của vật liệu đùn nóng hợp kim nhôm 6063 bao gồm gia cường hạt mịn, gia cường lệch vị trí, gia 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 đùn có tác dụng thúc đẩy các cơ chế gia cường nêu trên.
Hình 4 Sơ đồ cực ngược của thanh hợp kim nhôm 6063 với tỷ lệ đùn khác nhau dọc theo hướng đùn
Hình 5 là biểu đồ tần suất các đặc tính 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 đùn được cải thiện đáng kể, và độ bền kéo và độ giãn dài tăng dần theo tỷ lệ đùn. Khi tỷ lệ đùn là 156, độ bền kéo và độ giãn dài của hợp kim đạt giá trị cực đại, 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 độ giãn dài. Độ bền kéo của hợp kim nhôm 6063 đạt được bằng tỷ lệ đùn lớn gần bằng giá trị độ bền kéo (240 MPa) đạt được bằng phương pháp đùn góc kênh bằng nhau 4 lần (ECAP), cao hơn nhiều so với giá trị độ bền kéo (171,1 MPa) đạt được bằng phương pháp đùn ECAP 1 lần của hợp kim nhôm 6063. Có thể thấy rằng tỷ lệ đùn lớn có thể cải thiện một số tính chất cơ học của hợp kim.
Việc tăng cường tính chất cơ học của hợp kim thông qua tỷ lệ đùn chủ yếu đến từ việc gia cường tinh luyện hạt. Khi tỷ lệ đùn tăng, các hạt được tinh luyện và mật độ sai lệch cũng tăng. Nhiều ranh giới hạt trên một đơn vị diện tích có thể cản trở hiệu quả sự di chuyển của sai lệch, kết hợp với sự di chuyển và vướng víu lẫn nhau của các sai lệch, do đó cải thiện độ bền của hợp kim. Hạt càng mịn, ranh giới hạt càng quanh co, và biến dạng dẻo có thể phân tán trong nhiều hạt hơn, điều này không có lợi cho việc hình thành vết nứt, chứ đừng nói đến việc lan truyền vết nứt. Có thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn trong quá trình gãy, do đó cải thiện tính dẻo của hợp kim.
Hình 5. Tính chất kéo của hợp kim nhôm 6063 sau khi đúc và đùn
Hình thái gãy 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 gãy của mẫu đúc sẵn (Hình 6a) và vết gãy chủ yếu bao gồm các vùng phẳng và các cạnh rách, cho thấy cơ chế gãy kéo của hợp kim đúc sẵn chủ yếu là gãy giòn. Hình thái gãy của hợp kim sau khi đùn đã thay đổi đáng kể và vết gãy bao gồm một số lượng lớn các vết lõm có trục bằng nhau, cho thấy cơ chế gãy của hợp kim sau khi đùn đã thay đổi từ gãy giòn thành gãy dẻo. Khi tỷ lệ đùn nhỏ, các vết lõm nông và kích thước vết lõm lớn và phân bố không đều; khi tỷ lệ đùn tăng, số lượng vết lõm tăng, kích thước vết lõm nhỏ hơn và phân bố đồng đều (Hình 6b~f), điều này có nghĩa là hợp kim có tính dẻo tốt hơn, phù hợp với kết quả thử nghiệm tính chất cơ học ở trên.
3 Kết luận
Trong thí nghiệm này, ảnh hưởng của các tỷ lệ 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 nung phôi và tốc độ đùn không đổi. Kết luận như sau:
1) Hợp kim nhôm 6063 trong quá trình đùn nóng xảy ra quá trình kết tinh lại động. Khi tỷ lệ đùn tăng lên, các hạt liên tục được tinh chế, các hạt kéo dài theo hướng đùn được chuyển thành các hạt kết tinh lại đẳng trục, và độ bền của kết cấu sợi <100> liên tục được tăng lên.
2) Nhờ hiệu ứng gia cường hạt mịn, tính chất cơ học của hợp kim được cải thiện khi tỷ lệ đùn tăng lên. Trong phạm vi thông số thử nghiệm, khi tỷ lệ đùn đạt 156, độ bền kéo và độ giãn dài của hợp kim đạt giá trị cực đại lần lượt là 228 MPa và 26,9%.
Hình 6. Hình thái gãy kéo của hợp kim nhôm 6063 sau khi đúc và đùn
3) Hình thái gãy của mẫu đúc bao gồm các vùng phẳng và mép rách. Sau khi đùn, vết gãy bao gồm một số lượng lớn các vết lõm đồng trục, và cơ chế gãy chuyển từ gãy giòn sang gãy dẻo.
Thời gian đăng: 30-11-2024
