6063 ალუმინის შენადნობი მიეკუთვნება დაბალი შენადნობის Al-Mg-Si სერიის თერმულად დამუშავებად ალუმინის შენადნობებს. მას აქვს შესანიშნავი ექსტრუზიული ჩამოსხმის მახასიათებლები, კარგი კოროზიისადმი მდგრადობა და ყოვლისმომცველი მექანიკური თვისებები. ის ასევე ფართოდ გამოიყენება საავტომობილო ინდუსტრიაში მისი მარტივი დაჟანგვის შეღებვის გამო. მსუბუქი ავტომობილების ტენდენციის დაჩქარებასთან ერთად, 6063 ალუმინის შენადნობის ექსტრუზიული მასალების გამოყენება საავტომობილო ინდუსტრიაშიც კიდევ უფრო გაიზარდა.
ექსტრუდირებული მასალების მიკროსტრუქტურასა და თვისებებზე გავლენას ახდენს ექსტრუზიის სიჩქარის, ექსტრუზიის ტემპერატურისა და ექსტრუზიის კოეფიციენტის კომბინირებული ეფექტი. მათ შორის, ექსტრუზიის კოეფიციენტი ძირითადად განისაზღვრება ექსტრუზიის წნევით, წარმოების ეფექტურობითა და წარმოების აღჭურვილობით. როდესაც ექსტრუზიის კოეფიციენტი მცირეა, შენადნობის დეფორმაცია მცირეა და მიკროსტრუქტურის დახვეწა აშკარა არ არის; ექსტრუზიის კოეფიციენტის გაზრდამ შეიძლება მნიშვნელოვნად დახვეწოს მარცვლები, დაშალოს უხეში მეორე ფაზა, მიიღოს ერთგვაროვანი მიკროსტრუქტურა და გააუმჯობესოს შენადნობის მექანიკური თვისებები.
6061 და 6063 ალუმინის შენადნობები ექსტრუზიის პროცესში დინამიურ რეკრისტალიზაციას განიცდიან. როდესაც ექსტრუზიის ტემპერატურა მუდმივია, ექსტრუზიის კოეფიციენტის ზრდასთან ერთად, მარცვლის ზომა მცირდება, გამაგრების ფაზა წვრილად იშლება და შენადნობის დაჭიმვის სიმტკიცე და წაგრძელება შესაბამისად იზრდება; თუმცა, ექსტრუზიის კოეფიციენტის ზრდასთან ერთად, ექსტრუზიის პროცესისთვის საჭირო ექსტრუზიის ძალაც იზრდება, რაც იწვევს უფრო დიდ თერმულ ეფექტს, რაც იწვევს შენადნობის შიდა ტემპერატურის მატებას და პროდუქტის მახასიათებლების შემცირებას. ეს ექსპერიმენტი შეისწავლის ექსტრუზიის კოეფიციენტის, განსაკუთრებით ექსტრუზიის დიდი კოეფიციენტის გავლენას 6063 ალუმინის შენადნობის მიკროსტრუქტურასა და მექანიკურ თვისებებზე.
1 ექსპერიმენტული მასალები და მეთოდები
ექსპერიმენტული მასალაა 6063 ალუმინის შენადნობი, ხოლო ქიმიური შემადგენლობა ნაჩვენებია ცხრილში 1. ზოდის საწყისი ზომაა Φ55 მმ×165 მმ და 6 საათის განმავლობაში 560 ℃ ტემპერატურაზე ჰომოგენიზაციის დამუშავების შემდეგ, იგი მუშავდება Φ50 მმ×150 მმ ზომის ექსტრუზიულ ნამზადად. ნამზადი თბება 470 ℃-მდე და ინახება თბილად. ექსტრუზიული ცილინდრის წინასწარი გათბობის ტემპერატურაა 420 ℃, ხოლო ყალიბის წინასწარი გათბობის ტემპერატურაა 450 ℃. როდესაც ექსტრუზიის სიჩქარე (ექსტრუზიის ღეროს გადაადგილების სიჩქარე) V=5 მმ/წმ უცვლელი რჩება, ტარდება ექსტრუზიის სხვადასხვა თანაფარდობის 5 ჯგუფი და ექსტრუზიის თანაფარდობები R არის 17 (შეესაბამება შტამპის ხვრელის დიამეტრს D=12 მმ), 25 (D=10 მმ), 39 (D=8 მმ), 69 (D=6 მმ) და 156 (D=4 მმ).
ცხრილი 1. 6063 Al შენადნობის ქიმიური შემადგენლობა (წონა/%)
ქვიშაქაღალდის დაფქვისა და მექანიკური გაპრიალების შემდეგ, მეტალოგრაფიული ნიმუშები დაახლოებით 25 წამის განმავლობაში დამუშავდა HF რეაგენტით 40%-იანი მოცულობითი ფრაქციით და ნიმუშების მეტალოგრაფიული სტრუქტურა დაფიქსირდა LEICA-5000 ოპტიკურ მიკროსკოპზე. ექსტრუდირებული ღეროს გრძივი მონაკვეთის ცენტრიდან ამოჭრეს 10 მმ×10 მმ ზომის ტექსტურის ანალიზის ნიმუში და ზედაპირული დაძაბულობის ფენის მოსაშორებლად ჩატარდა მექანიკური დაფქვა და გრავირება. ნიმუშის სამი კრისტალური სიბრტყის {111}, {200} და {220} არასრული პოლუსური ფიგურები გაიზომა PANalytical Company-ის X′Pert Pro MRD რენტგენის დიფრაქციული ანალიზატორით, ხოლო ტექსტურის მონაცემები დამუშავდა და გაანალიზდა X′Pert Data View და X′Pert Texture პროგრამული უზრუნველყოფით.
ჩამოსხმული შენადნობის დაჭიმვის ნიმუში აღებული იქნა ზოდის ცენტრიდან და ექსტრუზიის შემდეგ დაჭიმვის ნიმუში დაიჭრა ექსტრუზიის მიმართულებით. საზომი ფართობის ზომა იყო Φ4 მმ×28 მმ. დაჭიმვის ტესტი ჩატარდა SANS CMT5105 უნივერსალური მასალის ტესტირების აპარატის გამოყენებით 2 მმ/წთ დაჭიმვის სიჩქარით. სამი სტანდარტული ნიმუშის საშუალო მნიშვნელობა გამოითვალა, როგორც მექანიკური თვისებების მონაცემები. დაჭიმვის ნიმუშების მოტეხილობის მორფოლოგია დაკვირვებული იქნა დაბალი გადიდების სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის გამოყენებით (Quanta 2000, FEI, აშშ).
2 შედეგები და განხილვა
სურათი 1 გვიჩვენებს ჩამოსხმული 6063 ალუმინის შენადნობის მეტალოგრაფიულ მიკროსტრუქტურას ჰომოგენიზაციის დამუშავებამდე და მის შემდეგ. როგორც ნაჩვენებია სურათი 1ა-ზე, ჩამოსხმული მიკროსტრუქტურის α-Al მარცვლები განსხვავდება ზომით, მარცვლების საზღვრებთან გროვდება ბადისებრი β-Al9Fe2Si2 ფაზების დიდი რაოდენობა და მარცვლების შიგნით არსებობს მარცვლოვანი Mg2Si ფაზების დიდი რაოდენობა. ზოდის 560 ℃ ტემპერატურაზე 6 საათის განმავლობაში ჰომოგენიზაციის შემდეგ, შენადნობის დენდრიტებს შორის არათანაბარი ევტექტიკური ფაზა თანდათან გაიხსნა, შენადნობის ელემენტები გაიხსნა მატრიცაში, მიკროსტრუქტურა ერთგვაროვანი გახდა და მარცვლის საშუალო ზომა დაახლოებით 125 μm იყო (სურათი 1ბ).
ჰომოგენიზაციამდე
600°C-ზე 6 საათის განმავლობაში ერთგვაროვანი დამუშავების შემდეგ
სურ. 1. 6063 ალუმინის შენადნობის მეტალოგრაფიული სტრუქტურა ჰომოგენიზაციის დამუშავებამდე და მის შემდეგ
სურათი 2-ზე ნაჩვენებია 6063 ალუმინის შენადნობის ზოლების გარეგნობა სხვადასხვა ექსტრუზიის თანაფარდობით. როგორც სურათი 2-ზეა ნაჩვენები, სხვადასხვა ექსტრუზიის თანაფარდობით ექსტრუდირებული 6063 ალუმინის შენადნობის ზოლების ზედაპირის ხარისხი კარგია, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ექსტრუზიის თანაფარდობა იზრდება 156-მდე (რაც შეესაბამება ზოლის ექსტრუზიის გამოსასვლელი სიჩქარეს 48 მ/წთ), ზოლის ზედაპირზე არ არის ექსტრუზიის დეფექტები, როგორიცაა ბზარები და აქერცვლა, რაც მიუთითებს, რომ 6063 ალუმინის შენადნობს ასევე აქვს კარგი ცხელი ექსტრუზიის ფორმირების მახასიათებლები მაღალი სიჩქარისა და დიდი ექსტრუზიის თანაფარდობის პირობებში.
სურ. 2. 6063 ალუმინის შენადნობის ღეროების გარეგნობა სხვადასხვა ექსტრუზიის კოეფიციენტებით
სურათი 3 გვიჩვენებს 6063 ალუმინის შენადნობის ზოლის გრძივი მონაკვეთის მეტალოგრაფიულ მიკროსტრუქტურას სხვადასხვა ექსტრუზიის თანაფარდობით. სხვადასხვა ექსტრუზიის თანაფარდობით ზოლის მარცვლის სტრუქტურა აჩვენებს წაგრძელების ან დახვეწილობის სხვადასხვა ხარისხს. როდესაც ექსტრუზიის თანაფარდობა 17-ის ტოლია, საწყისი მარცვლები წაგრძელებულია ექსტრუზიის მიმართულებით, რასაც თან ახლავს მცირე რაოდენობით გადაკრისტალებული მარცვლების წარმოქმნა, მაგრამ მარცვლები კვლავ შედარებით უხეშია, საშუალო მარცვლის ზომით დაახლოებით 85 მკმ (სურათი 3ა); როდესაც ექსტრუზიის თანაფარდობა 25-ის ტოლია, მარცვლები უფრო თხელი ხდება, გადაკრისტალებული მარცვლების რაოდენობა იზრდება და საშუალო მარცვლის ზომა მცირდება დაახლოებით 71 მკმ-მდე (სურათი 3ბ); როდესაც ექსტრუზიის თანაფარდობა 39-ის ტოლია, დეფორმირებული მარცვლების მცირე რაოდენობის გარდა, მიკროსტრუქტურა ძირითადად შედგება არათანაბარი ზომის თანაბარი ღერძიანი გადაკრისტალებული მარცვლებისგან, საშუალო მარცვლის ზომით დაახლოებით 60 მკმ (სურათი 3გ); როდესაც ექსტრუზიის კოეფიციენტი 69-ის ტოლია, დინამიური რეკრისტალიზაციის პროცესი ძირითადად დასრულებულია, უხეშად დაფქული საწყისი მარცვლები მთლიანად გარდაიქმნება ერთგვაროვან სტრუქტურირებულ რეკრისტალირებულ მარცვლებად და მარცვლის საშუალო ზომა დახვეწილია დაახლოებით 41 μm-მდე (სურათი 3d); როდესაც ექსტრუზიის კოეფიციენტი 156-ის ტოლია, დინამიური რეკრისტალიზაციის პროცესის სრული პროგრესით, მიკროსტრუქტურა უფრო ერთგვაროვანია და მარცვლის ზომა მნიშვნელოვნად დახვეწილია დაახლოებით 32 μm-მდე (სურათი 3e). ექსტრუზიის კოეფიციენტის ზრდასთან ერთად, დინამიური რეკრისტალიზაციის პროცესი უფრო სრულად მიმდინარეობს, შენადნობის მიკროსტრუქტურა უფრო ერთგვაროვანი ხდება და მარცვლის ზომა მნიშვნელოვნად დახვეწილია (სურათი 3f).
ნახ. 3. 6063 ალუმინის შენადნობის ღეროების გრძივი კვეთის მეტალოგრაფიული სტრუქტურა და მარცვლის ზომა სხვადასხვა ექსტრუზიის კოეფიციენტებით.
სურათი 4 გვიჩვენებს 6063 ალუმინის შენადნობის ზოლების ინვერსიულ პოლუსურ ფიგურებს ექსტრუზიის მიმართულებით სხვადასხვა ექსტრუზიის კოეფიციენტებით. ჩანს, რომ სხვადასხვა ექსტრუზიის კოეფიციენტების მქონე შენადნობის ზოლების მიკროსტრუქტურები აშკარა პრეფერენციულ ორიენტაციას წარმოქმნის. როდესაც ექსტრუზიის კოეფიციენტი 17-ია, წარმოიქმნება უფრო სუსტი <115>+<100> ტექსტურა (სურათი 4ა); როდესაც ექსტრუზიის კოეფიციენტი 39-ია, ტექსტურის კომპონენტები ძირითადად უფრო ძლიერი <100> ტექსტურაა და მცირე რაოდენობით სუსტი <115> ტექსტურა (სურათი 4ბ); როდესაც ექსტრუზიის კოეფიციენტი 156-ია, ტექსტურის კომპონენტებია <100> ტექსტურა მნიშვნელოვნად გაზრდილი სიმტკიცით, ხოლო <115> ტექსტურა ქრება (სურათი 4გ). კვლევებმა აჩვენა, რომ წინა პლანზე ორიენტირებული კუბური ლითონები ძირითადად ქმნიან <111> და <100> მავთულის ტექსტურებს ექსტრუზიისა და დაჭიმვის დროს. ტექსტურის ფორმირების შემდეგ, შენადნობის ოთახის ტემპერატურის მექანიკური თვისებები აშკარა ანიზოტროპიას ავლენს. ტექსტურის სიმტკიცე იზრდება ექსტრუზიის კოეფიციენტის ზრდასთან ერთად, რაც მიუთითებს, რომ შენადნობში ექსტრუზიის მიმართულების პარალელურად გარკვეული კრისტალური მიმართულებით მარცვლების რაოდენობა თანდათან იზრდება და შენადნობის გრძივი დაჭიმვის სიმტკიცე იზრდება. 6063 ალუმინის შენადნობის ცხელი ექსტრუზიის მასალების გამაგრების მექანიზმები მოიცავს წვრილმარცვლოვან გამაგრებას, დისლოკაციის გამაგრებას, ტექსტურის გამაგრებას და ა.შ. ამ ექსპერიმენტულ კვლევაში გამოყენებული პროცესის პარამეტრების ფარგლებში, ექსტრუზიის კოეფიციენტის გაზრდას აქვს ზემოთ ჩამოთვლილი გამაგრების მექანიზმების ხელშემწყობი ეფექტი.
ნახ. 4. 6063 ალუმინის შენადნობის ღეროების შებრუნებული პოლუსის დიაგრამა ექსტრუზიის მიმართულებით სხვადასხვა ექსტრუზიის თანაფარდობით.
სურათი 5 წარმოადგენს 6063 ალუმინის შენადნობის დაჭიმვის თვისებების ჰისტოგრამას დეფორმაციის შემდეგ სხვადასხვა ექსტრუზიის თანაფარდობით. ჩამოსხმული შენადნობის დაჭიმვის სიმტკიცეა 170 მპა, ხოლო წაგრძელება - 10.4%. ექსტრუზიის შემდეგ შენადნობის დაჭიმვის სიმტკიცე და წაგრძელება მნიშვნელოვნად უმჯობესდება, ხოლო დაჭიმვის სიმტკიცე და წაგრძელება თანდათან იზრდება ექსტრუზიის კოეფიციენტის ზრდასთან ერთად. როდესაც ექსტრუზიის კოეფიციენტია 156, შენადნობის დაჭიმვის სიმტკიცე და წაგრძელება აღწევს მაქსიმალურ მნიშვნელობას, რომელიც შესაბამისად 228 მპა და 26.9%-ია, რაც დაახლოებით 34%-ით მეტია ჩამოსხმული შენადნობის დაჭიმვის სიმტკიცეზე და დაახლოებით 158%-ით მეტია წაგრძელებაზე. დიდი ექსტრუზიის თანაფარდობით მიღებული 6063 ალუმინის შენადნობის დაჭიმვის სიმტკიცე ახლოსაა 4-გამტარიანი თანაბარი არხის კუთხოვანი ექსტრუზიით (ECAP) მიღებულ დაჭიმვის სიმტკიცის მნიშვნელობასთან (240 მპა), რაც გაცილებით მაღალია 6063 ალუმინის შენადნობის 1-გამტარიანი ECAP ექსტრუზიით მიღებულ დაჭიმვის სიმტკიცის მნიშვნელობაზე (171.1 მპა). ჩანს, რომ დიდი ექსტრუზიის კოეფიციენტი გარკვეულწილად აუმჯობესებს შენადნობის მექანიკურ თვისებებს.
შენადნობის მექანიკური თვისებების გაუმჯობესება ექსტრუზიის კოეფიციენტით ძირითადად განპირობებულია მარცვლების დახვეწის გამაგრებით. ექსტრუზიის კოეფიციენტის ზრდასთან ერთად, მარცვლები იხვეწება და დისლოკაციის სიმკვრივე იზრდება. ერთეულ ფართობზე მარცვლების საზღვრების ზრდამ შეიძლება ეფექტურად შეაფერხოს დისლოკაციების მოძრაობა, დისლოკაციების ურთიერთმოძრაობასთან და ჩახლართვასთან ერთად, რითაც გაუმჯობესდება შენადნობის სიმტკიცე. რაც უფრო წვრილია მარცვლები, მით უფრო დაკლაკნილია მარცვლების საზღვრები და პლასტიკური დეფორმაცია შეიძლება გაიფანტოს მეტ მარცვლად, რაც ხელს არ უწყობს ბზარების წარმოქმნას, რომ აღარაფერი ვთქვათ ბზარების გავრცელებაზე. მოტეხილობის პროცესში შეიძლება მეტი ენერგიის შთანთქმა, რითაც გაუმჯობესდება შენადნობის პლასტიურობა.
ნახ. 5. 6063 ალუმინის შენადნობის დაჭიმვის თვისებები ჩამოსხმის და ექსტრუზიის შემდეგ
შენადნობის დაჭიმვის მოტეხილობის მორფოლოგია დეფორმაციის შემდეგ სხვადასხვა ექსტრუზიის თანაფარდობით ნაჩვენებია ნახაზ 6-ში. ჩამოსხმული ნიმუშის მოტეხილობის მორფოლოგიაში (სურათი 6ა) ჩაღრმავებები არ აღმოჩნდა და მოტეხილობა ძირითადად ბრტყელი უბნებისა და რღვევის კიდეებისგან შედგებოდა, რაც მიუთითებს, რომ ჩამოსხმული შენადნობის დაჭიმვის მოტეხილობის მექანიზმი ძირითადად მყიფე მოტეხილობა იყო. ექსტრუზიის შემდეგ შენადნობის მოტეხილობის მორფოლოგია მნიშვნელოვნად შეიცვალა და მოტეხილობა შედგება დიდი რაოდენობით თანაბარი ღერძიანი ჩაღრმავებებისგან, რაც მიუთითებს, რომ ექსტრუზიის შემდეგ შენადნობის მოტეხილობის მექანიზმი მყიფე მოტეხილობიდან დრეკად მოტეხილობამდე შეიცვალა. როდესაც ექსტრუზიის თანაფარდობა მცირეა, ჩაღრმავებები არაღრმაა და ჩაღრმავების ზომა დიდია და განაწილება არათანაბარია; ექსტრუზიის თანაფარდობის ზრდასთან ერთად, ჩაღრმავებების რაოდენობა იზრდება, ჩაღრმავების ზომა პატარავდება და განაწილება ერთგვაროვანია (სურათი 6ბ~ვ), რაც ნიშნავს, რომ შენადნობს უკეთესი პლასტიურობა აქვს, რაც შეესაბამება ზემოთ მოცემულ მექანიკური თვისებების ტესტის შედეგებს.
3 დასკვნა
ამ ექსპერიმენტში, გაანალიზდა სხვადასხვა ექსტრუზიის კოეფიციენტების გავლენა 6063 ალუმინის შენადნობის მიკროსტრუქტურასა და თვისებებზე იმ პირობით, რომ ნაჭუჭის ზომა, ზოდის გაცხელების ტემპერატურა და ექსტრუზიის სიჩქარე უცვლელი დარჩებოდა. დასკვნები შემდეგია:
1) 6063 ალუმინის შენადნობში ცხელი ექსტრუზიის დროს ხდება დინამიური რეკრისტალიზაცია. ექსტრუზიის კოეფიციენტის ზრდასთან ერთად, მარცვლები განუწყვეტლივ იხვეწება და ექსტრუზიის მიმართულებით წაგრძელებული მარცვლები გარდაიქმნება თანაბარღერძიან რეკრისტალირებულ მარცვლებად, ხოლო <100> მავთულის ტექსტურის სიმტკიცე განუწყვეტლივ იზრდება.
2) წვრილმარცვლოვანი გამაგრების ეფექტის გამო, შენადნობის მექანიკური თვისებები უმჯობესდება ექსტრუზიის კოეფიციენტის ზრდასთან ერთად. ტესტის პარამეტრების დიაპაზონში, როდესაც ექსტრუზიის კოეფიციენტია 156, შენადნობის დაჭიმვის სიმტკიცე და წაგრძელება აღწევს მაქსიმალურ მნიშვნელობებს, შესაბამისად, 228 მპა და 26.9%.
ნახ. 6. 6063 ალუმინის შენადნობის დაჭიმვის მოტეხილობის მორფოლოგია ჩამოსხმის და ექსტრუზიის შემდეგ
3) ჩამოსხმული ნიმუშის მოტეხილობის მორფოლოგია შედგება ბრტყელი უბნებისა და რღვევის კიდეებისგან. ექსტრუზიის შემდეგ, მოტეხილობა შედგება დიდი რაოდენობით თანაბარი ღერძიანი ჩაღრმავებებისგან და მოტეხილობის მექანიზმი გარდაიქმნება მყიფე მოტეხილობიდან დრეკად მოტეხილობად.
გამოქვეყნების დრო: 2024 წლის 30 ნოემბერი
