Алюмінієвий сплав 6061T6 з великою товщиною стінки потребує гартування після гарячої екструзії. Через обмеження переривчастої екструзії частина профілю потраплятиме в зону водяного охолодження із затримкою. Коли наступний короткий злиток продовжує екструзію, ця частина профілю зазнає затримки гартування. Як боротися із зоною затримки гартування – це питання, яке повинна враховувати кожна виробнича компанія. Коли відходи на кінці процесу екструзії короткі, відібрані зразки для оцінки характеристик іноді кваліфікуються, а іноді ні. Під час повторного відбору зразків збоку характеристики знову кваліфікуються. У цій статті наведено відповідне пояснення за допомогою експериментів.
1. Матеріали та методи випробувань
Матеріалом, використаним у цьому експерименті, є алюмінієвий сплав 6061. Його хімічний склад, виміряний за допомогою спектрального аналізу, є наступним: він відповідає міжнародному стандарту GB/T 3190-1996 щодо складу алюмінієвого сплаву 6061.
У цьому експерименті частину екструдованого профілю було взято для обробки твердим розчином. Профіль довжиною 400 мм було розділено на дві області. Область 1 була безпосередньо охолоджена водою та загартована. Область 2 охолоджували на повітрі протягом 90 секунд, а потім охолоджували водою. Діаграма випробувань показана на рисунку 1.
Профіль з алюмінієвого сплаву 6061, який використовувався в цьому експерименті, був екструдований екструдером 4000UST. Температура форми становила 500°C, температура ливарного стрижня – 510°C, температура на виході з екструзії – 525°C, швидкість екструзії – 2,1 мм/с, під час процесу екструзії використовується високоінтенсивне водяне охолодження, а з середини екструдованого готового профілю взято зразок довжиною 400 мм. Ширина зразка становила 150 мм, а висота – 10,00 мм.
Відібрані зразки розділили на секції та знову піддали обробці розчином. Температура розчину становила 530°C, а час розчинення – 4 години. Після виймання 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 охолодження зразка в зоні 1 водою, запобігаючи впливу підвищення температури води на інтенсивність охолодження водою. Під час процесу охолодження водою слід забезпечити, щоб температура води була в межах 20-25°C. Загартовані зразки витримували при температурі 165°C протягом 8 годин.
Візьміть частину зразка довжиною 400 мм, шириною 30 мм та товщиною 10 мм та проведіть випробування на твердість за Брінеллем. Зробіть 5 вимірювань кожні 10 мм. Візьміть середнє значення 5 твердостей за Брінеллем як результат твердості за Брінеллем у цій точці та спостерігайте за зміною твердості.
Були випробувані механічні властивості профілю, а паралельний переріз на розтяг 60 мм контролювався в різних положеннях зразка 400 мм для спостереження за властивостями на розтяг та місцем розлому.
Температурне поле гартування зразка з водяним охолодженням та гартування після затримки 90 секунд було змодельовано за допомогою програмного забезпечення ANSYS, а також проаналізовано швидкості охолодження профілів у різних положеннях.
2. Результати експерименту та аналіз
2.1 Результати випробувань на твердість
На рисунку 2 показано криву зміни твердості зразка довжиною 400 мм, виміряну твердоміром за Брінеллем (одиниця довжини абсцис відповідає 10 мм, а шкала 0 є межею між нормальним гартуванням та гартуванням із затримкою). Можна побачити, що твердість на кінці, що охолоджується водою, стабільна на рівні близько 95HB. Після межі між гартуванням з охолодженням водою та гартуванням з затримкою охолодження водою протягом 90 секунд твердість починає знижуватися, але на ранній стадії швидкість зниження повільна. Після 40 мм (89HB) твердість різко падає і досягає найнижчого значення (77HB) на 80 мм. Після 80 мм твердість не продовжує знижуватися, а певною мірою збільшується. Збільшення було відносно невеликим. Після 130 мм твердість залишається незмінною на рівні близько 83HB. Можна припустити, що через вплив теплопровідності швидкість охолодження деталі, що охолоджується із затримкою, змінилася.
2.2 Результати та аналіз випробувань продуктивності
У таблиці 2 наведено результати експериментів на розтяг, проведених на зразках, взятих з різних положень паралельного перерізу. Можна виявити, що міцність на розтяг та межа текучості зразків № 1 та № 2 майже не змінюються. Зі збільшенням частки кінців із затримкою гартування міцність на розтяг та межа текучості сплаву демонструють значну тенденцію до зниження. Однак міцність на розтяг у кожному місці відбору зразків перевищує стандартну міцність. Тільки в області з найнижчою твердістю межа текучості нижча за стандартний зразок, характеристики зразка є некваліфікованими.
На рисунку 4 показано результати випробувань на міцність на розрив зразка № 3. З рисунка 4 видно, що чим далі від лінії розділу, тим нижча твердість кінця з уповільненим гартуванням. Зниження твердості вказує на зниження міцності зразка, але твердість зменшується повільно, зменшуючи лише з 95HB приблизно до 91HB на кінці паралельної ділянки. Як видно з результатів випробувань у таблиці 1, міцність на розрив знизилася з 342 МПа до 320 МПа при водяному охолодженні. Водночас було виявлено, що точка розриву зразка на розрив також знаходиться на кінці паралельної ділянки з найнижчою твердістю. Це пояснюється тим, що вона знаходиться далеко від водяного охолодження, міцність сплаву знижується, і кінець першим досягає межі міцності на розрив, утворюючи звуження. Зрештою, розрив відбувається з точки найнижчої міцності, і положення розриву відповідає результатам випробувань на міцність.
На рисунку 5 показано криву твердості паралельного перерізу зразка № 4 та положення зламу. Можна побачити, що чим далі від лінії розділу водяного охолодження, тим нижча твердість кінця з уповільненим гартуванням. Водночас місце зламу також знаходиться на кінці, де твердість найнижча, злами 86HB. З таблиці 2 видно, що на кінці, охолоджуваному водою, пластичної деформації майже немає. З таблиці 1 видно, що характеристики зразка (міцність на розрив 298 МПа, межа текучості 266 МПа) значно знижуються. Міцність на розрив становить лише 298 МПа, що не досягає межі текучості кінця, охолоджуваного водою (315 МПа). При міцності на розрив на кінці, що нижче 315 МПа, утворюється звуження. До руйнування в зоні водяного охолодження відбувалася лише пружна деформація. Коли напруга зникала, деформація на кінці, охолоджуваному водою, зникала. В результаті величина деформації в зоні водяного охолодження в таблиці 2 майже не змінюється. Зразок ламається в кінці стрільби із затримкою скорострільності, деформована площа зменшується, а кінцева твердість є найнижчою, що призводить до значного зниження результатів.
Відібрати зразки з області 100% уповільненого гартування на кінці зразка довжиною 400 мм. На рисунку 6 показано криву твердості. Твердість паралельної ділянки зменшується приблизно до 83-84HB і залишається відносно стабільною. Завдяки тому ж процесу характеристики приблизно однакові. У положенні зламу не виявлено жодної очевидної закономірності. Характеристики сплаву нижчі, ніж у зразка, загартованого у воді.
Для подальшого дослідження закономірності характеристик та руйнування, паралельний переріз зразка для розтягування було обрано поблизу найнижчої точки твердості (77HB). З таблиці 1 було виявлено, що характеристики значно знизилися, а точка руйнування з'явилася в найнижчій точці твердості на рисунку 2.
2.3 Результати аналізу ANSYS
На рисунку 7 показано результати моделювання кривих охолодження за допомогою ANSYS у різних положеннях. Видно, що температура зразка в зоні водяного охолодження швидко знизилася. Через 5 секунд температура впала нижче 100°C, а на відстані 80 мм від лінії розділу температура знизилася приблизно до 210°C через 90 секунд. Середнє падіння температури становить 3,5°C/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 уповільненого гартування має тенденцію до зміни, яка спочатку зменшується, а потім дещо зростає. Під впливом водяного охолодження поблизу лінії розділу теплопровідність призводить до того, що зразок у певній зоні охолоджується зі швидкістю охолодження, меншою, ніж при водяному охолодженні (3,5°C/с). В результаті Mg2Si, який затвердів у матриці, виділився у великій кількості в цій зоні, і температура знизилася приблизно до 210°C через 90 секунд. Велика кількість виділився Mg2Si призвела до меншого ефекту водяного охолодження через 90 секунд. Кількість зміцнювальної фази Mg2Si, що виділилась після старіння, значно зменшилася, і згодом знизилися продуктивність зразка. Однак зона уповільненого гартування, далеко від лінії розділу, менше зазнає впливу теплопровідності водяного охолодження, і сплав охолоджується відносно повільно в умовах охолодження на повітрі (швидкість охолодження 1,9°C/с). Лише невелика частина фази Mg2Si повільно осідає, а температура через 90 с становить 360°C. Після охолодження водою більша частина фази Mg2Si все ще знаходиться в матриці, і вона диспергується та осідає після старіння, що відіграє зміцнювальну роль.
3. Висновок
Експериментально було виявлено, що затримка гартування призводить до того, що твердість зони затримки гартування на перетині нормального та затримки гартування спочатку зменшується, а потім незначно збільшується, поки остаточно не стабілізується.
Для алюмінієвого сплаву 6061 міцність на розрив після нормального гартування та уповільненого гартування протягом 90 с становить 342 МПа та 288 МПа відповідно, а межі текучості – 315 МПа та 252 МПа, що відповідає стандартам експлуатаційних характеристик зразка.
Існує область з найнижчою твердістю, яка після нормального гартування знижується з 95HB до 77HB. Характеристики тут також найнижчі, 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 уповільненого гартування 90-х років зменшилася приблизно на 3,5°C за секунду, що призвело до недостатнього твердого розчину фази зміцнення Mg2Si. Згідно з цією статтею, можна побачити, що точка небезпеки продуктивності з'являється в області уповільненого гартування на стику нормального гартування та уповільненого гартування, і знаходиться недалеко від стику, що має важливе керівне значення для розумного утримання відходів процесу екструзії.
Під редакцією Мей Цзян з MAT Aluminum
Час публікації: 28 серпня 2024 р.
