6063 alüminyum alaşımı, düşük alaşımlı Al-Mg-Si serisi ısıl işlemli alüminyum alaşımına aittir. Mükemmel ekstrüzyon kalıplama performansına, iyi korozyon direncine ve kapsamlı mekanik özelliklere sahiptir. Ayrıca kolay oksidasyon renklendirmesi nedeniyle otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılır. Hafif otomobil trendinin hızlanmasıyla birlikte, otomotiv endüstrisinde 6063 alüminyum alaşımlı ekstrüzyon malzemelerinin uygulaması da daha da artmıştır.
Ekstrüde malzemelerin mikro yapısı ve özellikleri, ekstrüzyon hızı, ekstrüzyon sıcaklığı ve ekstrüzyon oranının birleşik etkilerinden etkilenir. Bunlar arasında ekstrüzyon oranı esas olarak ekstrüzyon basıncı, üretim verimliliği ve üretim ekipmanı tarafından belirlenir. Ekstrüzyon oranı küçük olduğunda, alaşım deformasyonu küçüktür ve mikro yapı rafine edilmesi belirgin değildir; ekstrüzyon oranını artırmak, taneleri önemli ölçüde rafine edebilir, kaba ikinci fazı parçalayabilir, düzgün bir mikro yapı elde edebilir ve alaşımın mekanik özelliklerini iyileştirebilir.
6061 ve 6063 alüminyum alaşımları ekstrüzyon işlemi sırasında dinamik yeniden kristalleşmeye uğrar. Ekstrüzyon sıcaklığı sabit olduğunda, ekstrüzyon oranı arttıkça tane boyutu azalır, güçlendirme fazı ince bir şekilde dağılır ve alaşımın çekme mukavemeti ve uzaması buna bağlı olarak artar; ancak ekstrüzyon oranı arttıkça ekstrüzyon işlemi için gereken ekstrüzyon kuvveti de artar, bu da daha büyük bir termal etkiye neden olur, alaşımın iç sıcaklığının artmasına ve ürünün performansının düşmesine neden olur. Bu deney, ekstrüzyon oranının, özellikle büyük ekstrüzyon oranının, 6063 alüminyum alaşımının mikro yapısı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisini inceler.
1 Deneysel materyaller ve yöntemler
Deneysel malzeme 6063 alüminyum alaşımıdır ve kimyasal bileşimi Tablo 1'de gösterilmiştir. Külçenin orijinal boyutu Φ55 mm×165 mm'dir ve 6 saat boyunca 560 ℃'de homojenizasyon işleminden sonra Φ50 mm×150 mm boyutunda bir ekstrüzyon kütüğüne işlenir. Kütük 470 ℃'ye ısıtılır ve sıcak tutulur. Ekstrüzyon namlusunun ön ısıtma sıcaklığı 420 ℃ ve kalıbın ön ısıtma sıcaklığı 450 ℃'dir. Ekstrüzyon hızı (ekstrüzyon çubuğu hareket hızı) V=5 mm/s sabit kaldığında, 5 grup farklı ekstrüzyon oranı deneyi yapılmış ve ekstrüzyon oranları R; 17 (kalıp deliği çapı D=12 mm'ye karşılık gelir), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) ve 156 (D=4 mm) olmuştur.
Tablo 1 6063 Al alaşımının kimyasal bileşimleri (ağırlık/%)
Zımpara taşlama ve mekanik parlatma işlemlerinden sonra metalografik numuneler hacimce %40 oranında HF reaktifi ile yaklaşık 25 saniye boyunca aşındırıldı ve numunelerin metalografik yapısı LEICA-5000 optik mikroskopta incelendi. Ekstrüde çubuğun uzunlamasına kesitinin merkezinden 10 mm×10 mm boyutlarında bir doku analiz numunesi kesildi ve yüzey gerilim tabakasını çıkarmak için mekanik taşlama ve aşındırma işlemi gerçekleştirildi. Numunenin üç kristal düzleminin {111}, {200} ve {220} eksik kutup figürleri PANalytical Şirketi'nin X′Pert Pro MRD X-ışını kırınım analizörü ile ölçüldü ve doku verileri X′Pert Data View ve X′Pert Texture yazılımları ile işlendi ve analiz edildi.
Döküm alaşımının çekme numunesi külçenin merkezinden alındı ve çekme numunesi ekstrüzyondan sonra ekstrüzyon yönü boyunca kesildi. Ölçüm alanı boyutu Φ4 mm×28 mm idi. Çekme testi, 2 mm/dakika çekme hızına sahip bir SANS CMT5105 üniversal malzeme test makinesi kullanılarak gerçekleştirildi. Üç standart numunenin ortalama değeri mekanik özellik verisi olarak hesaplandı. Çekme numunelerinin kırılma morfolojisi düşük büyütmeli taramalı elektron mikroskobu (Quanta 2000, FEI, ABD) kullanılarak gözlendi.
2 Sonuçlar ve tartışma
Şekil 1, homojenizasyon işleminden önce ve sonra döküm halindeki 6063 alüminyum alaşımının metalografik mikro yapısını göstermektedir. Şekil 1a'da gösterildiği gibi, döküm halindeki mikro yapıdaki α-Al tanecikleri boyut olarak değişmektedir, tanecik sınırlarında çok sayıda retiküler β-Al9Fe2Si2 fazı toplanmaktadır ve taneciklerin içinde çok sayıda granüler Mg2Si fazı bulunmaktadır. Külçe 560 ℃'de 6 saat homojenize edildikten sonra, alaşım dendritleri arasındaki denge dışı ötektik faz kademeli olarak çözünmüş, alaşım elementleri matriste çözünmüş, mikro yapı düzgünleşmiş ve ortalama tanecik boyutu yaklaşık 125 μm olmuştur (Şekil 1b).
Homojenizasyondan önce
600°C'de 6 saat boyunca homojenleştirme işleminden sonra
Şekil 1 Homojenizasyon işleminden önce ve sonra 6063 alüminyum alaşımının metalografik yapısı
Şekil 2, farklı ekstrüzyon oranlarına sahip 6063 alüminyum alaşım çubuklarının görünümünü göstermektedir. Şekil 2'de görüldüğü gibi, farklı ekstrüzyon oranlarıyla ekstrüde edilen 6063 alüminyum alaşım çubuklarının yüzey kalitesi iyidir, özellikle ekstrüzyon oranı 156'ya çıkarıldığında (48 m/dak'lık çubuk ekstrüzyon çıkış hızına karşılık gelir), hala çubuğun yüzeyinde çatlak ve soyulma gibi ekstrüzyon kusurları yoktur, bu da 6063 alüminyum alaşımının yüksek hız ve büyük ekstrüzyon oranı altında iyi sıcak ekstrüzyon şekillendirme performansına sahip olduğunu gösterir.
Şekil 2 Farklı ekstrüzyon oranlarına sahip 6063 alüminyum alaşım çubukların görünümü
Şekil 3, farklı ekstrüzyon oranlarına sahip 6063 alüminyum alaşım çubuğunun uzunlamasına kesitinin metalografik mikro yapısını göstermektedir. Farklı ekstrüzyon oranlarına sahip çubuğun tane yapısı farklı uzama veya inceltilme dereceleri göstermektedir. Ekstrüzyon oranı 17 olduğunda, orijinal taneler ekstrüzyon yönü boyunca uzar, buna az sayıda yeniden kristalleşmiş tane oluşumu eşlik eder, ancak taneler hala nispeten kaba olup, yaklaşık 85 μm'lik ortalama tane boyutu vardır (Şekil 3a); ekstrüzyon oranı 25 olduğunda, taneler daha ince çekilir, yeniden kristalleşmiş tane sayısı artar ve ortalama tane boyutu yaklaşık 71 μm'ye düşer (Şekil 3b); Ekstrüzyon oranı 39 olduğunda, az sayıda deforme olmuş tane hariç, mikro yapı temel olarak yaklaşık 60 μm ortalama tane boyutuna sahip, eşit olmayan boyutta eş eksenli yeniden kristalleştirilmiş tanelerden oluşur (Şekil 3c); ekstrüzyon oranı 69 olduğunda, dinamik yeniden kristalleştirme işlemi temel olarak tamamlanır, kaba orijinal taneler tamamen düzgün yapılandırılmış yeniden kristalleştirilmiş tanelere dönüştürülür ve ortalama tane boyutu yaklaşık 41 μm'ye kadar rafine edilir (Şekil 3d); ekstrüzyon oranı 156 olduğunda, dinamik yeniden kristalleştirme işleminin tam ilerlemesiyle mikro yapı daha düzgündür ve tane boyutu yaklaşık 32 μm'ye kadar büyük ölçüde rafine edilir (Şekil 3e). Ekstrüzyon oranının artmasıyla, dinamik yeniden kristalleştirme işlemi daha tam olarak ilerler, alaşım mikro yapısı daha düzgün hale gelir ve tane boyutu önemli ölçüde rafine edilir (Şekil 3f).
Şekil 3 Farklı ekstrüzyon oranlarına sahip 6063 alüminyum alaşımlı çubukların uzunlamasına kesitinin metalografik yapısı ve tane boyutu
Şekil 4, farklı ekstrüzyon oranlarına sahip 6063 alüminyum alaşım çubuklarının ekstrüzyon yönü boyunca ters kutup şekillerini göstermektedir. Farklı ekstrüzyon oranlarına sahip alaşım çubuklarının mikro yapılarının hepsinin belirgin tercihli yönelim ürettiği görülebilir. Ekstrüzyon oranı 17 olduğunda, daha zayıf bir <115>+<100> doku oluşur (Şekil 4a); ekstrüzyon oranı 39 olduğunda, doku bileşenleri esas olarak daha güçlü <100> doku ve az miktarda zayıf <115> dokudur (Şekil 4b); ekstrüzyon oranı 156 olduğunda, doku bileşenleri önemli ölçüde artan mukavemete sahip <100> dokudur, <115> doku kaybolur (Şekil 4c). Çalışmalar, yüzey merkezli kübik metallerin ekstrüzyon ve çekme sırasında esas olarak <111> ve <100> tel dokuları oluşturduğunu göstermiştir. Doku oluştuktan sonra, alaşımın oda sıcaklığındaki mekanik özellikleri belirgin anizotropi gösterir. Dokusal mukavemet, ekstrüzyon oranının artmasıyla artar, bu da alaşımdaki ekstrüzyon yönüne paralel belirli bir kristal yönündeki tane sayısının kademeli olarak arttığını ve alaşımın uzunlamasına çekme mukavemetinin arttığını gösterir. 6063 alüminyum alaşımlı sıcak ekstrüzyon malzemelerinin güçlendirme mekanizmaları arasında ince tane güçlendirme, çıkık güçlendirme, doku güçlendirme vb. bulunur. Bu deneysel çalışmada kullanılan işlem parametreleri aralığında, ekstrüzyon oranını artırmanın yukarıdaki güçlendirme mekanizmaları üzerinde destekleyici bir etkisi vardır.
Şekil 4 Ekstrüzyon yönü boyunca farklı ekstrüzyon oranlarına sahip 6063 alüminyum alaşım çubuklarının ters kutup diyagramı
Şekil 5, farklı ekstrüzyon oranlarında deformasyondan sonra 6063 alüminyum alaşımının çekme özelliklerinin bir histogramıdır. Döküm alaşımının çekme dayanımı 170 MPa ve uzaması %10,4'tür. Ekstrüzyondan sonra alaşımın çekme dayanımı ve uzaması önemli ölçüde iyileşir ve çekme dayanımı ve uzaması ekstrüzyon oranının artmasıyla kademeli olarak artar. Ekstrüzyon oranı 156 olduğunda, alaşımın çekme dayanımı ve uzaması sırasıyla 228 MPa ve %26,9 olan maksimum değere ulaşır, bu da döküm alaşımının çekme dayanımından yaklaşık %34 ve uzamasından yaklaşık %158 daha yüksektir. Büyük ekstrüzyon oranıyla elde edilen 6063 alüminyum alaşımının çekme dayanımı, 4 geçişli eşit kanal açısal ekstrüzyon (ECAP) ile elde edilen çekme dayanımı değerine (240 MPa) yakındır; bu değer, 6063 alüminyum alaşımının 1 geçişli ECAP ekstrüzyonuyla elde edilen çekme dayanımı değerinden (171,1 MPa) çok daha yüksektir. Büyük ekstrüzyon oranının alaşımın mekanik özelliklerini belirli bir ölçüde iyileştirebildiği görülebilir.
Alaşımın mekanik özelliklerinin ekstrüzyon oranı ile iyileştirilmesi esas olarak tane inceltme güçlendirmesinden kaynaklanır. Ekstrüzyon oranı arttıkça taneler incelmekte ve dislokasyon yoğunluğu artmaktadır. Birim alan başına daha fazla tane sınırı, dislokasyonların karşılıklı hareketi ve dolanmasıyla birleşerek dislokasyonların hareketini etkili bir şekilde engelleyebilir ve böylece alaşımın mukavemetini artırabilir. Taneler ne kadar ince olursa, tane sınırları o kadar kıvrımlı olur ve plastik deformasyon daha fazla taneye dağılabilir, bu da çatlakların oluşumuna ve çatlakların yayılmasına elverişli değildir. Kırılma işlemi sırasında daha fazla enerji emilebilir, böylece alaşımın plastisitesi iyileştirilebilir.
Şekil 5 Döküm ve ekstrüzyondan sonra 6063 alüminyum alaşımının çekme özellikleri
Alaşımın farklı ekstrüzyon oranlarıyla deformasyondan sonraki çekme kırılma morfolojisi Şekil 6'da gösterilmiştir. Döküm numunesinin kırılma morfolojisinde çukurcuk bulunmamıştır (Şekil 6a) ve kırık esas olarak düz alanlardan ve yırtılma kenarlarından oluşmuştur, bu da döküm alaşımının çekme kırılma mekanizmasının esas olarak gevrek kırılma olduğunu göstermektedir. Ekstrüzyondan sonra alaşımın kırılma morfolojisi önemli ölçüde değişmiştir ve kırık çok sayıda eş eksenli çukurcuklardan oluşmuştur, bu da alaşımın ekstrüzyondan sonraki kırılma mekanizmasının gevrek kırılmadan sünek kırığa değiştiğini göstermektedir. Ekstrüzyon oranı küçük olduğunda çukurcuklar sığ ve çukurcuk boyutu büyüktür ve dağılım eşit değildir; ekstrüzyon oranı arttıkça çukurcuk sayısı artar, çukurcuk boyutu küçülür ve dağılım düzgündür (Şekil 6b~f), bu da alaşımın daha iyi plastisiteye sahip olduğu anlamına gelir, bu da yukarıdaki mekanik özellik test sonuçlarıyla tutarlıdır.
3 Sonuç
Bu deneyde, farklı ekstrüzyon oranlarının 6063 alüminyum alaşımının mikro yapısı ve özellikleri üzerindeki etkileri, kütük boyutu, külçe ısıtma sıcaklığı ve ekstrüzyon hızının değişmeden kalması koşuluyla analiz edildi. Sonuçlar aşağıdaki gibidir:
1) Sıcak ekstrüzyon sırasında 6063 alüminyum alaşımında dinamik yeniden kristalleşme meydana gelir. Ekstrüzyon oranının artmasıyla taneler sürekli olarak rafine edilir ve ekstrüzyon yönü boyunca uzayan taneler eş eksenli yeniden kristalleşmiş tanelere dönüşür ve <100> tel dokusunun mukavemeti sürekli olarak artar.
2) İnce tane güçlendirmesinin etkisi nedeniyle, ekstrüzyon oranının artmasıyla alaşımın mekanik özellikleri iyileşir. Test parametreleri aralığında, ekstrüzyon oranı 156 olduğunda, alaşımın çekme mukavemeti ve uzaması sırasıyla 228 MPa ve %26,9'luk maksimum değerlere ulaşır.
Şekil 6. Döküm ve ekstrüzyondan sonra 6063 alüminyum alaşımının çekme kırılma morfolojileri
3) Döküm numunesinin kırılma morfolojisi düz alanlardan ve yırtılma kenarlarından oluşur. Ekstrüzyondan sonra, kırılma çok sayıda eş eksenli çukurdan oluşur ve kırılma mekanizması gevrek kırılmadan sünek kırılmaya dönüşür.
Gönderi zamanı: 30-Kas-2024
