Grubość ścianki stopu aluminium 6061T6 musi zostać zahartowana po gorącym wytłaczaniu. Ze względu na ograniczenia nieciągłego wytłaczania, część profilu wejdzie do strefy chłodzenia wodnego z opóźnieniem. Gdy następny krótki wlewek będzie kontynuowany, ta część profilu zostanie poddana opóźnionemu hartowaniu. Jak sobie poradzić z obszarem opóźnionego hartowania, to kwestia, którą każda firma produkcyjna musi rozważyć. Gdy odpady z końcowego etapu wytłaczania są krótkie, pobrane próbki wydajności są czasami kwalifikowane, a czasami niekwalifikowane. Podczas ponownego pobierania próbek z boku wydajność jest ponownie kwalifikowana. Niniejszy artykuł przedstawia odpowiednie wyjaśnienie za pomocą eksperymentów.
1. Materiały i metody badawcze
Materiał użyty w tym eksperymencie to stop aluminium 6061. Jego skład chemiczny mierzony analizą widmową jest następujący: Jest zgodny z międzynarodową normą składu stopu aluminium 6061 GB/T 3190-1996.
W tym eksperymencie część wytłoczonego profilu została pobrana do obróbki roztworem stałym. Profil o długości 400 mm został podzielony na dwa obszary. Obszar 1 został bezpośrednio chłodzony wodą i hartowany. Obszar 2 został chłodzony powietrzem przez 90 sekund, a następnie chłodzony wodą. Diagram testowy pokazano na rysunku 1.
Profil ze stopu aluminium 6061 użyty w tym eksperymencie został wytłoczony przez wytłaczarkę 4000UST. Temperatura formy wynosi 500°C, temperatura pręta odlewniczego wynosi 510°C, temperatura wylotu wytłaczarki wynosi 525°C, prędkość wytłaczania wynosi 2,1 mm/s, podczas procesu wytłaczania stosuje się chłodzenie wodne o wysokiej intensywności, a próbka o długości 400 mm jest pobierana ze środka wytłoczonego gotowego profilu. Szerokość próbki wynosi 150 mm, a wysokość 10,00 mm.
Pobrane próbki podzielono, a następnie ponownie poddano obróbce roztworem. Temperatura roztworu wynosiła 530°C, a czas rozpuszczania 4 godziny. Po wyjęciu próbki umieszczono w dużym zbiorniku na wodę o głębokości 100 mm. Większy zbiornik na wodę może zapewnić, że temperatura wody w zbiorniku zmieni się nieznacznie po schłodzeniu wodą próbki w strefie 1, zapobiegając wpływowi wzrostu temperatury wody na intensywność chłodzenia wodą. Podczas procesu chłodzenia wodą należy upewnić się, że temperatura wody mieści się w zakresie 20–25°C. Wystudzone próbki poddano starzeniu w temperaturze 165°C*8h.
Weź część próbki o długości 400 mm, szerokości 30 mm i grubości 10 mm i wykonaj test twardości Brinella. Wykonaj 5 pomiarów co 10 mm. Weź średnią wartość 5 twardości Brinella jako wynik twardości Brinella w tym momencie i obserwuj wzór zmiany twardości.
Przeprowadzono badania właściwości mechanicznych profilu, a rozciągany odcinek równoległy o długości 60 mm kontrolowano w różnych pozycjach próbki o długości 400 mm, aby zaobserwować właściwości rozciągające i lokalizację pęknięć.
Pole temperaturowe chłodzenia próbki wodą oraz chłodzenia po opóźnieniu 90 s symulowano za pomocą oprogramowania ANSYS, a także analizowano szybkości chłodzenia profili w różnych pozycjach.
2. Wyniki eksperymentów i analiza
2.1 Wyniki badania twardości
Rysunek 2 przedstawia krzywą zmiany twardości próbki o długości 400 mm zmierzoną twardościomierzem Brinella (jednostka długości odciętej przedstawia 10 mm, a skala 0 jest linią podziału między normalnym hartowaniem a opóźnionym hartowaniem). Można stwierdzić, że twardość na końcu chłodzonym wodą jest stabilna na poziomie około 95HB. Po linii podziału między hartowaniem z chłodzeniem wodnym a opóźnionym hartowaniem z chłodzeniem wodnym w latach 90. twardość zaczyna spadać, ale tempo spadku jest powolne na wczesnym etapie. Po 40 mm (89HB) twardość gwałtownie spada i spada do najniższej wartości (77HB) przy 80 mm. Po 80 mm twardość nie spadała dalej, ale wzrosła do pewnego stopnia. Wzrost był stosunkowo niewielki. Po 130 mm twardość pozostała niezmieniona na poziomie około 83HB. Można przypuszczać, że na skutek przewodzenia ciepła zmieniła się szybkość chłodzenia części poddanej opóźnionemu hartowaniu.
2.2 Wyniki testów wydajnościowych i analiza
Tabela 2 przedstawia wyniki eksperymentów rozciągania przeprowadzonych na próbkach pobranych z różnych pozycji przekroju równoległego. Można stwierdzić, że wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności nr 1 i nr 2 nie ulegają prawie żadnym zmianom. Wraz ze wzrostem proporcji końcówek z opóźnionym hartowaniem, wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności stopu wykazują znaczną tendencję spadkową. Jednak wytrzymałość na rozciąganie w każdym miejscu poboru próbek jest wyższa od wytrzymałości standardowej. Tylko w obszarze o najniższej twardości granica plastyczności jest niższa od standardowej próbki, wydajność próbki jest niekwalifikowana.
Rysunek 4 przedstawia wyniki właściwości rozciągających próbki nr 3. Z rysunku 4 wynika, że im dalej od linii podziału, tym niższa twardość końca z opóźnionym hartowaniem. Spadek twardości wskazuje, że wydajność próbki jest zmniejszona, ale twardość spada powoli, zmniejszając się tylko z 95HB do około 91HB na końcu sekcji równoległej. Jak widać z wyników wydajności w tabeli 1, wytrzymałość na rozciąganie spadła z 342 MPa do 320 MPa w przypadku chłodzenia wodnego. Jednocześnie stwierdzono, że punkt pęknięcia próbki rozciąganej znajduje się również na końcu sekcji równoległej o najniższej twardości. Dzieje się tak, ponieważ jest on daleko od chłodzenia wodnego, wydajność stopu jest zmniejszona, a koniec osiąga granicę wytrzymałości na rozciąganie jako pierwszy, tworząc zwężenie. Na koniec pęknięcie od najniższego punktu wydajności, a pozycja pęknięcia jest zgodna z wynikami testu wydajności.
Rysunek 5 przedstawia krzywą twardości równoległego przekroju próbki nr 4 i miejsce pęknięcia. Można stwierdzić, że im dalej od linii podziału chłodzenia wodnego, tym niższa twardość końca z opóźnionym hartowaniem. Jednocześnie miejsce pęknięcia znajduje się również na końcu, na którym twardość jest najniższa, pęknięcia 86HB. Z tabeli 2 wynika, że na końcu chłodzonym wodą nie występuje prawie żadne odkształcenie plastyczne. Z tabeli 1 wynika, że wydajność próbki (wytrzymałość na rozciąganie 298 MPa, granica plastyczności 266 MPa) jest znacznie zmniejszona. Wytrzymałość na rozciąganie wynosi tylko 298 MPa, co nie osiąga granicy plastyczności końca chłodzonego wodą (315 MPa). Koniec utworzył zwężenie, gdy jest niższy niż 315 MPa. Przed pęknięciem w obszarze chłodzonym wodą wystąpiło tylko odkształcenie sprężyste. Wraz ze zniknięciem naprężenia zniknęło odkształcenie na końcu chłodzonym wodą. W rezultacie ilość odkształceń w strefie chłodzenia wodnego w Tabeli 2 prawie się nie zmienia. Próbka pęka pod koniec opóźnionego ognia, obszar odkształcony jest zmniejszony, a twardość końcowa jest najniższa, co powoduje znaczne obniżenie wyników wydajności.
Pobierz próbki z obszaru 100% opóźnionego hartowania na końcu próbki 400 mm. Rysunek 6 przedstawia krzywą twardości. Twardość sekcji równoległej jest zmniejszona do około 83-84HB i jest stosunkowo stabilna. Ze względu na ten sam proces, wydajność jest mniej więcej taka sama. Nie znaleziono żadnego wyraźnego wzoru w miejscu pęknięcia. Wydajność stopu jest niższa niż w przypadku próbki hartowanej wodą.
Aby zbadać prawidłowość wydajności i pękania, wybrano równoległy odcinek próbki rozciąganej w pobliżu najniższego punktu twardości (77HB). Z Tabeli 1 wynika, że wydajność była znacznie zmniejszona, a punkt pęknięcia pojawił się w najniższym punkcie twardości na Rysunku 2.
2.3 Wyniki analizy ANSYS
Rysunek 7 przedstawia wyniki symulacji ANSYS krzywych chłodzenia w różnych pozycjach. Można zauważyć, że temperatura próbki w obszarze chłodzenia wodnego spadała gwałtownie. Po 5 sekundach temperatura spadła poniżej 100°C, a w odległości 80 mm od linii podziału temperatura spadła do około 210°C w ciągu 90 sekund. Średni spadek temperatury wynosi 3,5°C/s. Po 90 sekundach w obszarze chłodzenia powietrzem końcowym temperatura spada do około 360°C, ze średnią szybkością spadku wynoszącą 1,9°C/s.
Analiza wydajności i wyniki symulacji wykazały, że wydajność obszaru chłodzenia wodnego i obszaru opóźnionego hartowania to wzór zmian, który najpierw maleje, a następnie nieznacznie wzrasta. Pod wpływem chłodzenia wodnego w pobliżu linii podziału przewodzenie ciepła powoduje, że próbka w pewnym obszarze spada z szybkością chłodzenia mniejszą niż chłodzenie wodne (3,5°C/s). W rezultacie Mg2Si, który zestalił się w matrycy, wytrącił się w dużych ilościach w tym obszarze, a temperatura spadła do około 210°C po 90 sekundach. Duża ilość wytrąconego Mg2Si doprowadziła do mniejszego efektu chłodzenia wodnego po 90 sekundach. Ilość fazy wzmacniającej Mg2Si wytrąconej po obróbce starzeniowej została znacznie zmniejszona, a wydajność próbki została następnie zmniejszona. Jednak strefa opóźnionego hartowania daleko od linii podziału jest mniej dotknięta przewodzeniem ciepła chłodzenia wodnego, a stop chłodzi się stosunkowo wolno w warunkach chłodzenia powietrzem (szybkość chłodzenia 1,9°C/s). Tylko niewielka część fazy Mg2Si powoli wytrąca się, a temperatura po 90 sekundach wynosi 360°C. Po schłodzeniu wodą większość fazy Mg2Si nadal znajduje się w matrycy, rozprasza się i wytrąca po starzeniu, co odgrywa rolę wzmacniającą.
3. Wnioski
Eksperymentalnie stwierdzono, że opóźnione hartowanie powoduje, że twardość strefy opóźnionego hartowania na przecięciu normalnego hartowania i opóźnionego hartowania najpierw spada, a następnie nieznacznie wzrasta, aż do momentu jej ustabilizowania.
W przypadku stopu aluminium 6061 wytrzymałość na rozciąganie po normalnym hartowaniu i opóźnionym hartowaniu przez 90 s wynosi odpowiednio 342 MPa i 288 MPa, a granica plastyczności wynosi 315 MPa i 252 MPa, przy czym obie wartości spełniają normy wydajności próbek.
Istnieje obszar o najniższej twardości, który po normalnym hartowaniu ulega redukcji z 95HB do 77HB. Wydajność jest tutaj również najniższa, z wytrzymałością na rozciąganie 271MPa i granicą plastyczności 220MPa.
Analiza ANSYS wykazała, że szybkość chłodzenia w najniższym punkcie wydajności w strefie opóźnionego hartowania w latach 90. zmniejszyła się o około 3,5°C na sekundę, co spowodowało niewystarczający stały roztwór fazy wzmacniającej Mg2Si. Zgodnie z tym artykułem można zauważyć, że punkt zagrożenia wydajności pojawia się w obszarze opóźnionego hartowania na styku normalnego hartowania i opóźnionego hartowania i nie jest daleko od styku, co ma ważne znaczenie przewodnie dla rozsądnego zatrzymania odpadów z końcowego etapu wytłaczania.
Edytowane przez May Jiang z MAT Aluminium
Czas publikacji: 28-08-2024
