Алюмінієвий сплав 6061T6 з великою товщиною стінки потрібно загартувати після гарячої екструзії. Через обмеження переривчастої екструзії частина профілю потраплятиме в зону охолодження водою із затримкою. При продовженні екструдування наступного короткого злитка ця частина профілю зазнає відстроченого гарту. Питання, яке має розглядати кожна виробнича компанія, – як впоратися із зоною затримки гасіння. Коли відходи кінцевого процесу екструзії невеликі, взяті зразки продуктивності іноді є кваліфікованими, а іноді некваліфікованими. При повторному відборі збоку продуктивність перевіряється знову. Ця стаття дає відповідне пояснення через експерименти.
1. Матеріали та методи дослідження
Матеріалом, використаним у цьому експерименті, є алюмінієвий сплав 6061. Його хімічний склад, виміряний за допомогою спектрального аналізу, такий: Він відповідає міжнародному стандарту складу алюмінієвого сплаву GB/T 3190-1996 6061.
У цьому експерименті для обробки твердого розчину була взята частина екструдованого профілю. Профіль довжиною 400 мм був розділений на дві зони. Зона 1 була безпосередньо охолоджена водою та загартована. Зону 2 охолоджували на повітрі протягом 90 секунд, а потім охолоджували водою. Тестова діаграма показана на малюнку 1.
Профіль з алюмінієвого сплаву 6061, який використовувався в цьому експерименті, був екструдований екструдером 4000UST. Температура прес-форми становить 500 °C, температура ливарного стержня становить 510 °C, температура на виході екструзії становить 525 °C, швидкість екструзії становить 2,1 мм/с, під час процесу екструзії використовується високоінтенсивне водяне охолодження, а 400 мм Зразок для перевірки довжини береться з середини екструдованого готового профілю. Ширина зразка 150 мм, а висота 10,00 мм.
Відібрані зразки розділяли, а потім знову піддавали обробці розчином. Температура розчину становила 530°C, а час розчинення становив 4 години. Після вилучення зразки помістили у великий резервуар для води з глибиною води 100 мм. Більший резервуар для води може забезпечити незначну зміну температури води в резервуарі після водяного охолодження зразка в зоні 1, запобігаючи впливу підвищення температури води на інтенсивність охолодження води. Під час процесу охолодження води стежте, щоб температура води була в межах 20-25°C. Загартовані зразки витримували при 165°C*8 год.
Візьміть частину зразка довжиною 400 мм, шириною 30 мм і товщиною 10 мм і виконайте тест на твердість за Брінеллем. Зробіть 5 вимірювань через кожні 10 мм. Візьміть середнє значення 5 твердостей за Брінеллем як результат твердості за Брінеллем на даний момент і спостерігайте за закономірністю зміни твердості.
Було перевірено механічні властивості профілю, і паралельну секцію 60 мм на розтяг контролювали в різних положеннях зразка 400 мм, щоб спостерігати за властивостями розтягування та місцем розлому.
Температурне поле водяного охолодження загарту зразка та загартування після затримки в 90 с було змодельовано за допомогою програмного забезпечення ANSYS, і були проаналізовані швидкості охолодження профілів у різних положеннях.
2. Експериментальні результати та аналіз
2.1 Результати випробувань на твердість
На рисунку 2 показана крива зміни твердості зразка довжиною 400 мм, виміряна твердоміром за Брінеллем (одиниця довжини по осі абсцис відповідає 10 мм, а шкала 0 є лінією, що розділяє нормальне гартування та відкладене гартування). Можна виявити, що твердість на кінці з водяним охолодженням стабільна на рівні близько 95HB. Після межі між загартовуванням водяним охолодженням і відкладеним загартовуванням водяним охолодженням 90-х років твердість починає знижуватися, але на ранній стадії це зниження повільне. Після 40 мм (89HB) твердість різко падає і падає до найнижчого значення (77HB) на 80 мм. Після 80 мм твердість не продовжувала знижуватися, а певною мірою зросла. Зростання було відносно невеликим. Після 130 мм твердість залишилася без змін і становить близько 83HB. Можна припустити, що через ефект теплопровідності швидкість охолодження частини із затримкою гарту змінилася.
2.2 Результати тестування продуктивності та аналіз
У таблиці 2 наведено результати дослідів на розтяг, проведених на зразках, взятих з різних позицій паралельної ділянки. Можна виявити, що міцність на розрив і межа текучості № 1 і № 2 майже не змінюються. Зі збільшенням частки відкладеного загартування міцність на розрив і межа текучості сплаву демонструють значну тенденцію до зниження. Однак міцність на розрив у кожному місці відбору зразка перевищує стандартну міцність. Лише в області з найнижчою твердістю межа плинності нижча, ніж стандарт зразка, продуктивність зразка є некваліфікованою.
На рисунку 4 показані результати випробувань на розрив зразка № 3. З рисунка 4 видно, що чим далі від лінії поділу, тим нижча твердість кінця затримки гарту. Зменшення твердості вказує на те, що продуктивність зразка знижена, але твердість зменшується повільно, лише зменшуючись від 95HB до приблизно 91HB наприкінці паралельної ділянки. Як видно з результатів продуктивності в таблиці 1, міцність на розрив зменшилася з 342 МПа до 320 МПа для водяного охолодження. У той же час було виявлено, що точка руйнування зразка на розтяг також знаходиться в кінці паралельної ділянки з найменшою твердістю. Це пов’язано з тим, що він знаходиться далеко від водяного охолодження, продуктивність сплаву знижується, а кінець досягає межі міцності на розрив першим, щоб утворити переріз. Нарешті, розрив від найнижчої точки продуктивності, і положення розриву відповідає результатам тесту продуктивності.
На рис. 5 показана крива твердості паралельного перерізу зразка № 4 і положення зламу. Можна виявити, що чим далі від розділової лінії водяного охолодження, тим нижча твердість кінця затримки загартування. У той же час місце перелому також знаходиться на кінці, де твердість найнижча, переломи 86HB. З таблиці 2 видно, що пластична деформація на кінці, що охолоджується водою, майже відсутня. З таблиці 1 виявлено, що характеристики зразка (межа міцності 298 МПа, текучість 266 МПа) значно знижуються. Міцність на розрив становить лише 298 МПа, що не досягає межі текучості охолоджуваного водою кінця (315 МПа). Кінець утворив переріз, коли він нижчий за 315 МПа. Перед руйнуванням у зоні водоохолодження відбувалася лише пружна деформація. Коли напруга зникла, напруга на охолоджуваному водою кінці зникла. В результаті величина деформації в зоні водоохолодження в таблиці 2 майже не змінилася. Зразок ламається в кінці уповільненого стрільби, деформована площа зменшується, а кінцева твердість є найнижчою, що призводить до значного зниження продуктивності.
Візьміть зразки із зони 100% відкладеного гарту на кінці зразка 400 мм. На малюнку 6 показана крива твердості. Твердість паралельного перерізу знижується приблизно до 83-84HB і є відносно стабільною. Завдяки такому ж процесу продуктивність приблизно однакова. Жодної очевидної закономірності в положенні перелому не виявлено. Характеристики сплаву нижчі, ніж у зразка, загартованого водою.
Для подальшого дослідження закономірності характеристик і руйнування, паралельний переріз зразка на розтяг був обраний поблизу найнижчої точки твердості (77HB). З таблиці 1 було виявлено, що продуктивність була значно знижена, а точка руйнування виявилася в найнижчій точці твердості на малюнку 2.
2.3 Результати аналізу ANSYS
На малюнку 7 показано результати моделювання ANSYS кривих охолодження в різних положеннях. Видно, що температура зразка в зоні водяного охолодження швидко падала. Через 5 секунд температура впала нижче 100°C, а на відстані 80 мм від лінії поділу температура впала приблизно до 210°C через 90 секунд. Середній перепад температури становить 3,5°С/с. Через 90 секунд у зоні кінцевого повітряного охолодження температура падає приблизно до 360°C із середньою швидкістю падіння 1,9°C/с.
Завдяки аналізу продуктивності та результатам моделювання було виявлено, що продуктивність зони водяного охолодження та зони затримки гасіння є закономірністю змін, яка спочатку зменшується, а потім трохи збільшується. Під впливом водяного охолодження поблизу розділової лінії теплопровідність призводить до того, що зразок у певній зоні падає зі швидкістю охолодження, меншою за швидкість охолодження водою (3,5°C/с). У результаті Mg2Si, який затвердів у матриці, випав у великих кількостях у цій області, і температура впала приблизно до 210°C через 90 секунд. Велика кількість осадженого Mg2Si призвела до меншого ефекту охолодження води через 90 с. Кількість зміцнюючої фази Mg2Si, що виділяється після обробки старінням, значно зменшилася, а продуктивність зразка згодом знизилася. Однак на зону затримки гартування, розташовану далеко від лінії поділу, менше впливає теплопровідність водяного охолодження, і сплав охолоджується відносно повільно в умовах повітряного охолодження (швидкість охолодження 1,9°C/с). Лише невелика частина фази Mg2Si повільно випадає в осад, і температура становить 360C після 90 секунд. Після водяного охолодження більша частина фази Mg2Si все ще знаходиться в матриці, і вона розсіюється та випадає в осад після старіння, що відіграє роль зміцнення.
3. Висновок
Експериментами було встановлено, що відстрочена загартування призведе до того, що твердість зони відстроченої загартування на перетині нормального загартування та відстроченої загартування спочатку зменшиться, а потім трохи збільшиться, поки остаточно не стабілізується.
Для алюмінієвого сплаву 6061 міцність на розрив після нормального гартування та відкладеного гартування протягом 90 с становить 342 МПа та 288 МПа відповідно, а межі текучості становлять 315 МПа та 252 МПа, обидва з яких відповідають стандартам продуктивності зразка.
Існує область з найменшою твердістю, яка знижується з 95HB до 77HB після нормального гарту. Продуктивність тут також найнижча, з міцністю на розрив 271 МПа та межею текучості 220 МПа.
За допомогою аналізу ANSYS було виявлено, що швидкість охолодження в найнижчій точці продуктивності в зоні затримки гарту 90-х зменшилася приблизно на 3,5 °C на секунду, що призвело до недостатнього твердого розчину фази зміцнення Mg2Si. Згідно з цією статтею можна побачити, що небезпечна точка продуктивності з’являється в зоні затримки гасіння на стику нормального гасіння та затримки гасіння, і знаходиться недалеко від стику, який має важливе керівне значення для розумного утримання хвоста екструзії кінцеві відходи процесу.
Під редакцією May Jiang з MAT Aluminium
Час публікації: 28 серпня 2024 р
