Aliajul de aluminiu 6061T6 cu grosime mare a pereților trebuie călit după extrudarea la cald. Datorită limitărilor extrudării discontinue, o parte a profilului va intra întârziat în zona de răcire cu apă. Când următorul lingou scurt este extrudat în continuare, această parte a profilului va fi supusă unei căliri întârziate. Modul de gestionare a zonei de călire întârziată este o problemă pe care fiecare companie de producție trebuie să o ia în considerare. Atunci când deșeurile din procesul de extrudare sunt scurte, probele de performanță prelevate sunt uneori calificate, alteori necalificate. La reeșantionarea laterală, performanța este calificată din nou. Acest articol oferă explicația corespunzătoare prin experimente.
1. Materiale și metode de testare
Materialul utilizat în acest experiment este aliajul de aluminiu 6061. Compoziția sa chimică, măsurată prin analiză spectrală, este următoarea: Respectă standardul internațional GB/T 3190-1996 privind compoziția aliajului de aluminiu 6061.
În acest experiment, o parte din profilul extrudat a fost prelevată pentru tratament în soluție solidă. Profilul lung de 400 mm a fost împărțit în două zone. Zona 1 a fost răcită direct cu apă și călită. Zona 2 a fost răcită în aer timp de 90 de secunde și apoi răcită cu apă. Diagrama testului este prezentată în Figura 1.
Profilul din aliaj de aluminiu 6061 utilizat în acest experiment a fost extrudat cu un extruder 4000UST. Temperatura matriței este de 500°C, temperatura tijei de turnare este de 510°C, temperatura de ieșire a extrudării este de 525°C, viteza de extrudare este de 2,1 mm/s, în timpul procesului de extrudare se utilizează răcire cu apă de mare intensitate, iar o piesă de testare cu lungimea de 400 mm este prelevată din mijlocul profilului finit extrudat. Lățimea probei este de 150 mm, iar înălțimea este de 10,00 mm.
Probele prelevate au fost separate și apoi supuse din nou unui tratament în soluție. Temperatura soluției a fost de 530°C, iar timpul de soluționare a fost de 4 ore. După extragere, probele au fost plasate într-un rezervor mare de apă cu o adâncime a apei de 100 mm. Rezervorul de apă mai mare poate asigura că temperatura apei din rezervor se modifică puțin după ce proba din zona 1 este răcită cu apă, împiedicând creșterea temperaturii apei să afecteze intensitatea răcirii cu apă. În timpul procesului de răcire cu apă, asigurați-vă că temperatura apei este în intervalul 20-25°C. Probele răcite au fost maturate la 165°C x 8 ore.
Luați o parte din probă cu lungimea de 400 mm, lățimea de 30 mm și grosimea de 10 mm și efectuați un test de duritate Brinell. Efectuați 5 măsurători la fiecare 10 mm. Luați valoarea medie a celor 5 durități Brinell ca rezultat al durității Brinell în acest moment și observați modelul de modificare a durității.
Proprietățile mecanice ale profilului au fost testate, iar secțiunea paralelă la tracțiune de 60 mm a fost controlată în diferite poziții ale eșantionului de 400 mm pentru a observa proprietățile de tracțiune și locația fracturii.
Câmpul de temperatură al călirii probei răcite cu apă și al călirii după o întârziere de 90 de secunde a fost simulat cu ajutorul software-ului ANSYS, iar vitezele de răcire ale profilelor în diferite poziții au fost analizate.
2. Rezultate experimentale și analiză
2.1 Rezultatele testului de duritate
Figura 2 prezintă curba de modificare a durității unei probe cu lungimea de 400 mm, măsurată cu un duritor Brinell (unitatea de lungime a abscisei reprezintă 10 mm, iar scala 0 este linia de demarcație dintre călirea normală și călirea întârziată). Se poate observa că duritatea la capătul răcit cu apă este stabilă la aproximativ 95 HB. După linia de demarcație dintre călirea cu răcire cu apă și călirea cu răcire cu apă întârziată la 90 de secunde, duritatea începe să scadă, dar rata de scădere este lentă în stadiul inițial. După 40 mm (89 HB), duritatea scade brusc și ajunge la cea mai mică valoare (77 HB) la 80 mm. După 80 mm, duritatea nu a continuat să scadă, ci a crescut într-o anumită măsură. Creșterea a fost relativ mică. După 130 mm, duritatea a rămas neschimbată la aproximativ 83 HB. Se poate specula că, datorită efectului conducerii termice, rata de răcire a părții cu călire întârziată s-a modificat.
2.2 Rezultatele testelor de performanță și analiza acestora
Tabelul 2 prezintă rezultatele experimentelor de tracțiune efectuate pe probe prelevate din diferite poziții ale secțiunii paralele. Se poate observa că rezistența la tracțiune și limita de curgere a probelor nr. 1 și nr. 2 nu au prezentat aproape nicio modificare. Pe măsură ce proporția capetelor de călire întârziată crește, rezistența la tracțiune și limita de curgere a aliajului prezintă o tendință descendentă semnificativă. Cu toate acestea, rezistența la tracțiune în fiecare locație de prelevare este peste rezistența standard. Doar în zona cu cea mai mică duritate, limita de curgere este mai mică decât standardul probei, performanța probei fiind necalificată.
Figura 4 prezintă rezultatele proprietăților de tracțiune ale probei nr. 3. Din Figura 4 se poate observa că, cu cât se depărtează mai mult de linia de divizare, cu atât duritatea capătului de călire întârziată este mai mică. Scăderea durității indică faptul că performanța probei este redusă, dar duritatea scade lent, scăzând doar de la 95HB la aproximativ 91HB la capătul secțiunii paralele. După cum se poate observa din rezultatele de performanță din Tabelul 1, rezistența la tracțiune a scăzut de la 342MPa la 320MPa pentru răcirea cu apă. În același timp, s-a constatat că punctul de fractură al probei de tracțiune se află și la capătul secțiunii paralele cu cea mai mică duritate. Acest lucru se datorează faptului că este departe de răcirea cu apă, performanța aliajului este redusă, iar capătul atinge mai întâi limita de rezistență la tracțiune pentru a forma o gâtuire. În cele din urmă, ruperea se face din cel mai scăzut punct de performanță, iar poziția de rupere este în concordanță cu rezultatele testelor de performanță.
Figura 5 prezintă curba de duritate a secțiunii paralele a probei nr. 4 și poziția fracturii. Se poate observa că, cu cât este mai departe de linia de divizare a răcirii cu apă, cu atât duritatea capătului de călire întârziată este mai mică. În același timp, locația fracturii se află și la capătul unde duritatea este cea mai mică, fracturi 86HB. Din Tabelul 2, se constată că nu există aproape nicio deformare plastică la capătul răcit cu apă. Din Tabelul 1, se constată că performanța probei (rezistență la tracțiune 298MPa, randament 266MPa) este redusă semnificativ. Rezistența la tracțiune este de numai 298MPa, ceea ce nu atinge rezistența la curgere a capătului răcit cu apă (315MPa). Capătul a format o gâtuire atunci când este mai mic de 315MPa. Înainte de fractură, a avut loc doar deformare elastică în zona răcită cu apă. Pe măsură ce tensiunea a dispărut, deformarea la capătul răcit cu apă a dispărut. Drept urmare, valoarea deformării în zona de răcire cu apă din Tabelul 2 nu a suferit aproape nicio modificare. Proba se rupe la sfârșitul arderii cu rată întârziată, zona deformată este redusă, iar duritatea finală este cea mai mică, rezultând o reducere semnificativă a rezultatelor de performanță.
Se prelevează probe din zona de călire întârziată 100% de la capătul eșantionului de 400 mm. Figura 6 prezintă curba de duritate. Duritatea secțiunii paralele este redusă la aproximativ 83-84HB și este relativ stabilă. Datorită aceluiași proces, performanța este aproximativ aceeași. Nu se observă niciun model evident în poziția de fractură. Performanța aliajului este mai mică decât cea a eșantionului călit în apă.
Pentru a explora în continuare regularitatea performanței și a fracturii, secțiunea paralelă a epruvetei de tracțiune a fost selectată în apropierea celui mai scăzut punct de duritate (77HB). Din Tabelul 1, s-a constatat că performanța a fost semnificativ redusă, iar punctul de fractură a apărut în punctul de duritate cel mai scăzut din Figura 2.
2.3 Rezultatele analizei ANSYS
Figura 7 prezintă rezultatele simulării ANSYS a curbelor de răcire în diferite poziții. Se poate observa că temperatura probei în zona de răcire cu apă a scăzut rapid. După 5 secunde, temperatura a scăzut sub 100°C, iar la 80 mm de linia de divizare, temperatura a scăzut la aproximativ 210°C la 90 de secunde. Scăderea medie a temperaturii este de 3,5°C/s. După 90 de secunde în zona de răcire cu aer terminal, temperatura scade la aproximativ 360°C, cu o rată medie de scădere de 1,9°C/s.
Prin analiza performanței și rezultatele simulării, s-a constatat că performanța zonei de răcire cu apă și a zonei de călire întârziată prezintă un model de modificare care mai întâi scade și apoi crește ușor. Sub influența răcirii cu apă în apropierea liniei de divizare, conductivitatea termică face ca proba dintr-o anumită zonă să scadă la o viteză de răcire mai mică decât cea a răcirii cu apă (3,5°C/s). Drept urmare, Mg2Si, care s-a solidificat în matrice, a precipitat în cantități mari în această zonă, iar temperatura a scăzut la aproximativ 210°C după 90 de secunde. Cantitatea mare de Mg2Si precipitată a dus la un efect mai mic al răcirii cu apă după 90 de secunde. Cantitatea de fază de întărire Mg2Si precipitată după tratamentul de îmbătrânire a fost redusă considerabil, iar performanța probei a fost ulterior redusă. Cu toate acestea, zona de călire întârziată, departe de linia de divizare, este mai puțin afectată de conductivitatea termică a aliajului în condiții de răcire cu apă (viteză de răcire 1,9°C/s). Doar o mică parte din faza Mg2Si precipită lent, iar temperatura este de 360°C după 90 de secunde. După răcirea cu apă, cea mai mare parte a fazei Mg2Si este încă în matrice și se dispersează și precipită după îmbătrânire, ceea ce joacă un rol de întărire.
3. Concluzie
Prin experimente s-a constatat că o călire întârziată va determina ca duritatea zonei de călire întârziată de la intersecția dintre călirea normală și călirea întârziată să scadă mai întâi și apoi să crească ușor până când se stabilizează în final.
Pentru aliajul de aluminiu 6061, rezistențele la tracțiune după călire normală și călire întârziată timp de 90 s sunt de 342 MPa și respectiv 288 MPa, iar rezistențele la curgere sunt de 315 MPa și 252 MPa, ambele îndeplinind standardele de performanță ale eșantionului.
Există o regiune cu cea mai mică duritate, care se reduce de la 95HB la 77HB după o călire normală. Performanța este, de asemenea, cea mai scăzută, cu o rezistență la tracțiune de 271MPa și o limită de curgere de 220MPa.
Prin analiza ANSYS, s-a constatat că viteza de răcire la cel mai scăzut punct de performanță din zona de călire întârziată din anii '90 a scăzut cu aproximativ 3,5°C pe secundă, rezultând o soluție solidă insuficientă a fazei Mg2Si din faza de întărire. Conform acestui articol, se poate observa că punctul de pericol de performanță apare în zona de călire întârziată la joncțiunea dintre călirea normală și călirea întârziată și nu este departe de joncțiune, ceea ce are o semnificație importantă pentru ghidarea reținerii rezonabile a deșeurilor din procesul de extrudare finală.
Editat de May Jiang de la MAT Aluminum
Data publicării: 28 august 2024
