Stop aluminium 6061T6 o dużej grubości ścianek wymaga hartowania po wytłaczaniu na gorąco. Ze względu na ograniczenia wytłaczania nieciągłego, część profilu wejdzie do strefy chłodzenia wodnego z opóźnieniem. Podczas dalszego wytłaczania kolejnego krótkiego wlewka, ta część profilu ulegnie opóźnionemu hartowaniu. Sposób postępowania z obszarem opóźnionego hartowania to kwestia, którą musi rozważyć każda firma produkcyjna. Gdy odpady z końcowego etapu wytłaczania są niewielkie, pobrane próbki wydajnościowe są czasami kwalifikowane, a czasami niekwalifikowane. Podczas ponownego pobierania próbek z boku, wydajność jest ponownie kwalifikowana. Niniejszy artykuł przedstawia odpowiednie wyjaśnienie eksperymentalne.
1. Materiały i metody badawcze
Materiałem użytym w tym eksperymencie jest stop aluminium 6061. Jego skład chemiczny, zmierzony metodą analizy spektralnej, przedstawia się następująco: Jest on zgodny z międzynarodową normą GB/T 3190-1996 dotyczącą składu stopu aluminium 6061.
W tym eksperymencie część wytłoczonego profilu została poddana obróbce w roztworze stałym. Profil o długości 400 mm podzielono na dwie części. Część 1 poddano bezpośredniemu chłodzeniu wodnemu i hartowaniu. Część 2 chłodzono powietrzem przez 90 sekund, a następnie chłodzono wodą. Schemat testu przedstawiono na rysunku 1.
Profil ze stopu aluminium 6061 użyty w tym eksperymencie został wytłoczony za pomocą wytłaczarki 4000UST. Temperatura formy wynosi 500°C, temperatura pręta odlewniczego 510°C, temperatura wylotu wytłaczarki 525°C, prędkość wytłaczania 2,1 mm/s. Podczas wytłaczania stosuje się intensywne chłodzenie wodne. Próbka o długości 400 mm jest pobierana ze środka wytłoczonego profilu. Szerokość próbki wynosi 150 mm, a wysokość 10,00 mm.
Pobrane próbki podzielono, a następnie ponownie poddano obróbce w roztworze. Temperatura roztworu wynosiła 530°C, a czas rozpuszczania 4 godziny. Po wyjęciu próbki umieszczono w dużym zbiorniku z wodą o głębokości 100 mm. Większy zbiornik zapewnia minimalne zmiany temperatury wody w zbiorniku po schłodzeniu próbki w strefie 1, zapobiegając wpływowi wzrostu temperatury wody na intensywność chłodzenia. Podczas procesu schładzania należy upewnić się, że temperatura wody mieści się w zakresie 20–25°C. Wystudzone próbki poddano starzeniu w temperaturze 165°C przez 8 godzin.
Weź próbkę o długości 400 mm, szerokości 30 mm i grubości 10 mm i wykonaj pomiar twardości Brinella. Wykonaj 5 pomiarów co 10 mm. Uśrednij wartość 5 twardości Brinella jako wynik pomiaru twardości Brinella w tym punkcie i obserwuj przebieg zmian twardości.
Przeprowadzono badania właściwości mechanicznych profilu, a rozciągany odcinek równoległy o długości 60 mm kontrolowano w różnych miejscach próbki o długości 400 mm, aby zaobserwować właściwości rozciągające i lokalizację pęknięć.
Pole temperaturowe hartowania próbki w chłodzonej wodzie oraz hartowania 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 zmierzonej twardościomierzem Brinella (jednostka długości odciętych reprezentuje 10 mm, a skala 0 jest linią podziału między normalnym hartowaniem a opóźnionym hartowaniem). Można stwierdzić, że twardość po stronie chłodzonej wodą jest stabilna na poziomie około 95 HB. 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 (89 HB) twardość gwałtownie spada i osiąga najniższą wartość (77 HB) przy 80 mm. Po 80 mm twardość nie spada dalej, ale do pewnego stopnia wzrasta. Wzrost jest stosunkowo niewielki. Po 130 mm twardość pozostaje niezmieniona na poziomie około 83 HB. Można przypuszczać, że na skutek przewodzenia ciepła zmieniła się szybkość chłodzenia części poddanej opóźnionemu hartowaniu.
2.2 Wyniki testów wydajności i analiza
Tabela 2 przedstawia wyniki badań rozciągania przeprowadzonych na próbkach pobranych z różnych pozycji przekroju równoległego. Stwierdzono, że wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności stopów nr 1 i nr 2 praktycznie się nie zmieniają. Wraz ze wzrostem udziału końcówek z opóźnionym hartowaniem, wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności stopu wykazują wyraźny trend spadkowy. Jednakże, wytrzymałość na rozciąganie w każdym miejscu poboru próbki jest wyższa od wytrzymałości standardowej. Jedynie w obszarze o najniższej twardości granica plastyczności jest niższa od wzorca próbki, co oznacza, że właściwości próbki są nie do zakwalifikowania.
Rysunek 4 przedstawia wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie próbki nr 3. Z rysunku 4 wynika, że im dalej od linii podziału, tym niższa twardość końca z opóźnionym hartowaniem. Spadek twardości wskazuje na pogorszenie właściwości użytkowych próbki, ale twardość maleje powoli, zmniejszając się jedynie z 95HB do około 91HB na końcu odcinka równoległego. Jak widać z wyników badań wytrzymałościowych w tabeli 1, wytrzymałość na rozciąganie spadła z 342 MPa do 320 MPa po schłodzeniu wodą. Jednocześnie stwierdzono, że punkt pęknięcia próbki rozciąganej znajduje się również na końcu odcinka równoległego o najniższej twardości. Dzieje się tak, ponieważ jest on oddalony od miejsca schłodzenia wodą, co powoduje pogorszenie właściwości użytkowych stopu, a koniec osiąga granicę wytrzymałości na rozciąganie jako pierwszy, tworząc przewężenie. Ostatecznie pęknięcie następuje od punktu o najniższej wytrzymałości, a położenie pęknięcia jest zgodne z wynikami badań wytrzymałościowych.
Rysunek 5 przedstawia krzywą twardości równoległego przekroju próbki nr 4 i miejsce pęknięcia. Można zauważyć, że im dalej od linii podziału chłodzenia wodnego, tym niższa twardość końca z opóźnionym hartowaniem. Jednocześnie pęknięcie znajduje się również na końcu, gdzie twardość jest najniższa, czyli pęknięcia 86HB. Z tabeli 2 wynika, że na końcu chłodzonym wodą prawie nie występuje odkształcenie plastyczne. Z tabeli 1 wynika, że wydajność próbki (wytrzymałość na rozciąganie 298 MPa, granica plastyczności 266 MPa) jest znacznie gorsza. Wytrzymałość na rozciąganie wynosi tylko 298 MPa, co nie osiąga granicy plastyczności końca chłodzonego wodą (315 MPa). Koniec tworzy przewężenie, gdy jest ono niższe niż 315 MPa. Przed pęknięciem w obszarze chłodzonym wodą wystąpiło jedynie odkształcenie sprężyste. Wraz ze zanikiem naprężeń zanikło odkształcenie na końcu chłodzonym wodą. W rezultacie wielkość odkształcenia w strefie chłodzenia wodnego w tabeli 2 praktycznie się nie zmienia. Próbka pęka pod koniec próby z opóźnionym odrzutem, obszar odkształcenia ulega zmniejszeniu, a twardość końcowa jest najniższa, co skutkuje znacznym pogorszeniem wyników wydajności.
Pobierz próbki z obszaru 100% opóźnionego hartowania na końcu próbki o długości 400 mm. Rysunek 6 przedstawia krzywą twardości. Twardość w części równoległej jest zredukowana do około 83-84 HB i jest stosunkowo stabilna. Dzięki temu samemu procesowi, parametry są mniej więcej takie same. W miejscu pęknięcia nie stwierdzono wyraźnego wzoru. Parametry stopu są niższe niż w przypadku próbki hartowanej w wodzie.
Aby dokładniej zbadać regularność przebiegu i pękania, równoległy odcinek próbki do rozciągania wybrano w pobliżu punktu najniższej twardości (77HB). Z tabeli 1 wynika, że przebieg był znacznie gorszy, a punkt pęknięcia znajdował się w punkcie najniższej twardości na rysunku 2.
2.3 Wyniki analizy ANSYS
Rysunek 7 przedstawia wyniki symulacji ANSYS krzywych chłodzenia w różnych pozycjach. Widać, że temperatura próbki w obszarze chłodzenia wodnego gwałtownie spadła. Po 5 sekundach temperatura spadła poniżej 100°C, a w odległości 80 mm od linii podziału temperatura spadła do około 210°C po 90 sekundach. 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 1,9°C/s.
Analiza wydajności i wyniki symulacji wskazują, że wydajność obszaru chłodzenia wodnego i obszaru opóźnionego hartowania zmienia się stopniowo, najpierw malejąc, a następnie nieznacznie rosnąc. Pod wpływem chłodzenia wodnego w pobliżu linii podziału, przewodzenie ciepła powoduje, że próbka w pewnym obszarze opada z szybkością chłodzenia niższą niż w przypadku chłodzenia wodnego (3,5°C/s). W rezultacie, Mg₂Si, który zestalił się w matrycy, wytrącił się w tym obszarze w dużych ilościach, a temperatura spadła do około 210°C po 90 sekundach. Duża ilość wytrąconego Mg₂Si spowodowała mniejszy wpływ chłodzenia wodnego po 90 sekundach. Ilość fazy wzmacniającej Mg₂Si wytrąconej po starzeniu uległa znacznemu zmniejszeniu, co w konsekwencji doprowadziło do pogorszenia wydajności próbki. Jednakże strefa opóźnionego hartowania, znajdująca się daleko od linii podziału, jest mniej podatna na przewodzenie ciepła chłodzenia wodnego, a stop stygnie 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 w wodzie większość fazy Mg2Si pozostaje nadal w matrycy, a po starzeniu ulega rozproszeniu i wytrąceniu, co odgrywa rolę wzmacniającą.
3. Wnioski
Eksperymentalnie ustalono, że opóźnione hartowanie powoduje, że twardość strefy opóźnionego hartowania na przecięciu normalnego hartowania i opóźnionego hartowania najpierw maleje, a następnie nieznacznie wzrasta, aż do momentu jej ostatecznej stabilizacji.
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 zmniejsza się z 95HB do 77HB. Wydajność w tym obszarze jest również najniższa, z wytrzymałością na rozciąganie 271 MPa i granicą plastyczności 220 MPa.
Analiza ANSYS wykazała, że szybkość chłodzenia w najniższym punkcie wydajności w strefie opóźnionego hartowania w temperaturze 90°C spadła o około 3,5°C na sekundę, co skutkowało niewystarczającą ilością stałego roztworu fazy wzmacniającej Mg2Si. Zgodnie z tym artykułem, punkt zagrożenia wydajności pojawia się w obszarze opóźnionego hartowania na styku normalnego i opóźnionego hartowania i znajduje się niedaleko tego styku, co ma istotne znaczenie dla racjonalnego zatrzymywania odpadów z końcowego etapu wytłaczania.
Edytowane przez May Jiang z MAT Aluminum
Czas publikacji: 28-08-2024
