La aleación de aluminio 6063 pertenece a la serie Al-Mg-Si de baja aleación, susceptible de tratamiento térmico. Presenta un excelente rendimiento en el moldeo por extrusión, buena resistencia a la corrosión y amplias propiedades mecánicas. Su uso en la industria automotriz se ha extendido gracias a su fácil coloración por oxidación. Con la creciente tendencia de los automóviles ligeros, la aplicación de materiales de extrusión de aleación de aluminio 6063 en la industria automotriz también ha aumentado.
La microestructura y las propiedades de los materiales extruidos se ven afectadas por los efectos combinados de la velocidad, la temperatura y la relación de extrusión. La relación de extrusión se determina principalmente por la presión, la eficiencia y el equipo de producción. Cuando la relación de extrusión es baja, la deformación de la aleación es baja y el refinamiento de la microestructura no es evidente. Aumentar la relación de extrusión puede refinar significativamente los granos, romper la segunda fase gruesa, obtener una microestructura uniforme y mejorar las propiedades mecánicas de la aleación.
Las aleaciones de aluminio 6061 y 6063 experimentan recristalización dinámica durante el proceso de extrusión. A temperatura constante, al aumentar la relación de extrusión, el tamaño de grano disminuye, la fase de refuerzo se dispersa finamente y, en consecuencia, la resistencia a la tracción y el alargamiento de la aleación aumentan. Sin embargo, al aumentar la relación de extrusión, también aumenta la fuerza de extrusión requerida, lo que genera un mayor efecto térmico, lo que a su vez aumenta la temperatura interna de la aleación y reduce el rendimiento del producto. Este experimento estudia el efecto de la relación de extrusión, especialmente una relación de extrusión alta, en la microestructura y las propiedades mecánicas de la aleación de aluminio 6063.
1 Materiales y métodos experimentales
El material experimental es una aleación de aluminio 6063, cuya composición química se muestra en la Tabla 1. El tamaño original del lingote es de Φ55 mm × 165 mm, y se procesa para obtener una palanquilla de extrusión de Φ50 mm × 150 mm tras un tratamiento de homogeneización a 560 °C durante 6 h. La palanquilla se calienta a 470 °C y se mantiene caliente. La temperatura de precalentamiento del barril de extrusión es de 420 °C y la del molde, de 450 °C. Cuando la velocidad de extrusión (velocidad de movimiento de la varilla de extrusión) V = 5 mm/s permanece sin cambios, se llevan a cabo 5 grupos de diferentes pruebas de relación de extrusión y las relaciones de extrusión R son 17 (correspondiente al diámetro del orificio de la matriz D = 12 mm), 25 (D = 10 mm), 39 (D = 8 mm), 69 (D = 6 mm) y 156 (D = 4 mm).
Tabla 1 Composiciones químicas de la aleación 6063 Al (peso/%)
Tras el lijado y el pulido mecánico, las muestras metalográficas se grabaron con reactivo HF con una fracción de volumen del 40 % durante aproximadamente 25 s y se observó su estructura metalográfica con un microscopio óptico LEICA-5000. Se cortó una muestra para análisis de textura de 10 mm × 10 mm del centro de la sección longitudinal de la varilla extruida, y se realizó el lijado y el grabado mecánico para eliminar la capa de tensión superficial. Las figuras polares incompletas de los tres planos cristalinos {111}, {200} y {220} de la muestra se midieron con el analizador de difracción de rayos X X′Pert Pro MRD de PANalytical Company, y los datos de textura se procesaron y analizaron con los software X′Pert Data View y X′Pert Texture.
La probeta de tracción de la aleación fundida se tomó del centro del lingote y se cortó a lo largo de la dirección de extrusión tras la extrusión. El tamaño del área calibrada fue de Φ4 mm × 28 mm. El ensayo de tracción se realizó con una máquina universal de ensayos de materiales SANS CMT5105 a una velocidad de tracción de 2 mm/min. El valor promedio de las tres probetas estándar se calculó como dato de propiedades mecánicas. La morfología de fractura de las probetas se observó con un microscopio electrónico de barrido de bajo aumento (Quanta 2000, FEI, EE. UU.).
2 Resultados y discusión
La Figura 1 muestra la microestructura metalográfica de la aleación de aluminio 6063 en estado bruto de fundición antes y después del tratamiento de homogeneización. Como se muestra en la Figura 1a, los granos de α-Al en la microestructura en estado bruto de fundición varían en tamaño, una gran cantidad de fases reticulares de β-Al₁₂Fe₂Si₂ se concentran en los límites de grano y existe una gran cantidad de fases granulares de Mg₂Si en el interior de los granos. Tras homogeneizar el lingote a 560 °C durante 6 h, la fase eutéctica de desequilibrio entre las dendritas de la aleación se disolvió gradualmente, los elementos de la aleación se disolvieron en la matriz, la microestructura fue uniforme y el tamaño promedio de grano fue de aproximadamente 125 μm (Figura 1b).
Antes de la homogeneización
Después del tratamiento de uniformización a 600°C durante 6 horas
Fig.1 Estructura metalográfica de la aleación de aluminio 6063 antes y después del tratamiento de homogeneización.
La Figura 2 muestra la apariencia de barras de aleación de aluminio 6063 con diferentes relaciones de extrusión. Como se muestra en la Figura 2, la calidad superficial de las barras de aleación de aluminio 6063 extruidas con diferentes relaciones de extrusión es buena, especialmente cuando la relación de extrusión se incrementa a 156 (correspondiente a una velocidad de salida de extrusión de 48 m/min). No se observan defectos de extrusión como grietas ni desprendimientos en la superficie de la barra, lo que indica que la aleación de aluminio 6063 también tiene un buen rendimiento de conformado por extrusión en caliente a alta velocidad y con una alta relación de extrusión.
Fig.2 Aspecto de varillas de aleación de aluminio 6063 con diferentes relaciones de extrusión
La Figura 3 muestra la microestructura metalográfica de la sección longitudinal de la barra de aleación de aluminio 6063 con diferentes relaciones de extrusión. La estructura de grano de la barra con diferentes relaciones de extrusión muestra distintos grados de elongación o refinamiento. Con una relación de extrusión de 17, los granos originales se elongan a lo largo de la dirección de extrusión, lo que conlleva la formación de una pequeña cantidad de granos recristalizados, pero estos granos siguen siendo relativamente gruesos, con un tamaño promedio de grano de aproximadamente 85 μm (Figura 3a); con una relación de extrusión de 25, los granos se afinan, aumenta la cantidad de granos recristalizados y el tamaño promedio de grano disminuye a aproximadamente 71 μm (Figura 3b). Cuando la relación de extrusión es de 39, salvo por una pequeña cantidad de granos deformados, la microestructura se compone básicamente de granos recristalizados equiaxiales de tamaño desigual, con un tamaño de grano promedio de aproximadamente 60 μm (Figura 3c); cuando la relación de extrusión es de 69, el proceso de recristalización dinámica está prácticamente completo, los granos originales gruesos se han transformado completamente en granos recristalizados de estructura uniforme, y el tamaño de grano promedio se refina a aproximadamente 41 μm (Figura 3d); cuando la relación de extrusión es de 156, con el progreso completo del proceso de recristalización dinámica, la microestructura es más uniforme y el tamaño de grano se refina considerablemente a aproximadamente 32 μm (Figura 3e). Con el aumento de la relación de extrusión, el proceso de recristalización dinámica avanza más plenamente, la microestructura de la aleación se vuelve más uniforme y el tamaño de grano se refina significativamente (Figura 3f).
Fig.3 Estructura metalográfica y tamaño de grano de la sección longitudinal de varillas de aleación de aluminio 6063 con diferentes relaciones de extrusión
La Figura 4 muestra las figuras de polo inverso de barras de aleación de aluminio 6063 con diferentes relaciones de extrusión a lo largo de la dirección de extrusión. Se puede ver que las microestructuras de las barras de aleación con diferentes relaciones de extrusión producen una orientación preferencial obvia. Cuando la relación de extrusión es 17, se forma una textura <115> + <100> más débil (Figura 4a); cuando la relación de extrusión es 39, los componentes de la textura son principalmente la textura <100> más fuerte y una pequeña cantidad de textura <115> débil (Figura 4b); cuando la relación de extrusión es 156, los componentes de la textura son la textura <100> con una resistencia significativamente mayor, mientras que la textura <115> desaparece (Figura 4c). Los estudios han demostrado que los metales cúbicos centrados en las caras forman principalmente texturas de alambre <111> y <100> durante la extrusión y el trefilado. Una vez formada la textura, las propiedades mecánicas de la aleación a temperatura ambiente muestran una anisotropía obvia. La resistencia de la textura aumenta con el aumento de la relación de extrusión, lo que indica que el número de granos en una dirección cristalina paralela a la dirección de extrusión en la aleación aumenta gradualmente, y la resistencia a la tracción longitudinal de la aleación aumenta. Los mecanismos de refuerzo de los materiales de extrusión en caliente de aleación de aluminio 6063 incluyen el refuerzo de grano fino, el refuerzo por dislocación y el refuerzo de la textura, entre otros. Dentro del rango de parámetros de proceso utilizados en este estudio experimental, el aumento de la relación de extrusión tiene un efecto promotor sobre los mecanismos de refuerzo mencionados.
Fig. 4 Diagrama de polo inverso de varillas de aleación de aluminio 6063 con diferentes relaciones de extrusión a lo largo de la dirección de extrusión
La Figura 5 muestra un histograma de las propiedades de tracción de la aleación de aluminio 6063 tras la deformación a diferentes relaciones de extrusión. La resistencia a la tracción de la aleación fundida es de 170 MPa y el alargamiento es del 10,4 %. Tras la extrusión, la resistencia a la tracción y el alargamiento de la aleación mejoran significativamente, y ambos aumentan gradualmente con el aumento de la relación de extrusión. Cuando la relación de extrusión es de 156, la resistencia a la tracción y el alargamiento de la aleación alcanzan sus valores máximos, de 228 MPa y 26,9 %, respectivamente, lo que representa aproximadamente un 34 % más que la resistencia a la tracción de la aleación fundida y aproximadamente un 158 % más que el alargamiento. La resistencia a la tracción de la aleación de aluminio 6063, obtenida mediante una alta relación de extrusión, es cercana a la obtenida mediante la extrusión angular de canal igual de 4 pasadas (ECAP) (240 MPa), que es mucho mayor que la obtenida mediante la extrusión ECAP de una sola pasada (171,1 MPa). Se puede observar que una alta relación de extrusión puede mejorar las propiedades mecánicas de la aleación en cierta medida.
La mejora de las propiedades mecánicas de la aleación mediante la relación de extrusión se debe principalmente al reforzamiento por afinamiento de grano. A medida que aumenta la relación de extrusión, los granos se refinan y la densidad de dislocaciones aumenta. Un mayor número de límites de grano por unidad de área puede inhibir eficazmente el movimiento de las dislocaciones, junto con el movimiento mutuo y el entrelazamiento de las dislocaciones, mejorando así la resistencia de la aleación. Cuanto más finos sean los granos, más tortuosos serán los límites de grano, y la deformación plástica puede dispersarse en más granos, lo que no favorece la formación de grietas, y mucho menos su propagación. Se puede absorber más energía durante el proceso de fractura, mejorando así la plasticidad de la aleación.
Fig.5 Propiedades de tracción de la aleación de aluminio 6063 después de la fundición y la extrusión.
La morfología de fractura por tracción de la aleación tras la deformación con diferentes relaciones de extrusión se muestra en la Figura 6. No se encontraron hoyuelos en la morfología de fractura de la muestra en estado bruto de fundición (Figura 6a), y la fractura se componía principalmente de áreas planas y bordes desgarrados, lo que indica que el mecanismo de fractura por tracción de la aleación en estado bruto de fundición era principalmente fractura frágil. La morfología de fractura de la aleación tras la extrusión ha cambiado significativamente, y la fractura se compone de un gran número de hoyuelos equiaxiales, lo que indica que el mecanismo de fractura de la aleación tras la extrusión ha cambiado de fractura frágil a fractura dúctil. Cuando la relación de extrusión es pequeña, los hoyuelos son superficiales y de gran tamaño, y su distribución es desigual; a medida que aumenta la relación de extrusión, aumenta el número de hoyuelos, su tamaño es menor y su distribución es uniforme (Figuras 6b~f), lo que significa que la aleación presenta una mejor plasticidad, lo cual concuerda con los resultados de las pruebas de propiedades mecánicas anteriores.
3 Conclusión
En este experimento, se analizaron los efectos de diferentes relaciones de extrusión en la microestructura y las propiedades de la aleación de aluminio 6063, manteniendo inalterado el tamaño de la palanquilla, la temperatura de calentamiento del lingote y la velocidad de extrusión. Las conclusiones son las siguientes:
1) La recristalización dinámica se produce en la aleación de aluminio 6063 durante la extrusión en caliente. Al aumentar la relación de extrusión, los granos se refinan continuamente y los granos alargados a lo largo de la dirección de extrusión se transforman en granos recristalizados equiaxiales, lo que aumenta continuamente la resistencia de la textura del alambre <100>.
2) Gracias al efecto del refuerzo de grano fino, las propiedades mecánicas de la aleación mejoran al aumentar la relación de extrusión. Dentro del rango de parámetros de prueba, con una relación de extrusión de 156, la resistencia a la tracción y el alargamiento de la aleación alcanzan valores máximos de 228 MPa y 26,9 %, respectivamente.
Fig.6 Morfologías de fractura por tracción de la aleación de aluminio 6063 después de la fundición y la extrusión.
3) La morfología de la fractura de la probeta en estado bruto de colada se compone de áreas planas y bordes desgarrados. Tras la extrusión, la fractura se compone de un gran número de hoyuelos equiaxiales, y el mecanismo de fractura se transforma de fractura frágil a fractura dúctil.
Hora de publicación: 30 de noviembre de 2024
