Stop aluminium 6061T6 o dużej grubości ścianki wymaga hartowania po wytłaczaniu na gorąco. Ze względu na ograniczenie wytłaczania nieciągłego część profilu wchodzi do strefy chłodzenia wodą z opóźnieniem. Kontynuując wytłaczanie kolejnego krótkiego wlewka, ta część profilu będzie ulegać opóźnionemu hartowaniu. Sposób radzenia sobie z obszarem opóźnionego hartowania to kwestia, którą każda firma produkcyjna musi rozważyć. Gdy ilość odpadów końcowych z procesu wytłaczania jest niewielka, pobierane próbki wydajności są czasami kwalifikowane, a czasami niekwalifikowane. Podczas ponownego próbkowania z boku wydajność jest ponownie kwalifikowana. W tym artykule podano odpowiednie wyjaśnienie poprzez eksperymenty.
1. Materiały i metody badawcze
Materiałem użytym w tym eksperymencie jest stop aluminium 6061. Jego skład chemiczny mierzony metodą analizy spektralnej jest następujący: Jest zgodny z międzynarodową normą dotyczącą składu stopu aluminium 6061 GB/T 3190-1996.
W tym doświadczeniu część wytłoczonego profilu została poddana obróbce roztworem stałym. Profil o długości 400mm został podzielony na dwie strefy. Obszar 1 był bezpośrednio chłodzony wodą i hartowany. Obszar 2 chłodzono w powietrzu przez 90 sekund, a następnie chłodzono wodą. Schemat testu pokazano na rysunku 1.
Profil ze stopu aluminium 6061 zastosowany w tym eksperymencie został wytłoczony za pomocą wytłaczarki 4000UST. Temperatura formy wynosi 500°C, temperatura pręta odlewniczego 510°C, temperatura na wylocie wytłaczania wynosi 525°C, prędkość wytłaczania wynosi 2,1 mm/s, w procesie wytłaczania stosuje się chłodzenie wodą o dużej intensywności, a średnica 400 mm Próbkę do badania długości pobiera się ze środka wytłaczanego gotowego profilu. Szerokość próbki wynosi 150 mm, a wysokość 10,00 mm.
Pobrane próbki podzielono i ponownie poddano obróbce roztworem. Temperatura roztworu wynosiła 530°C, a czas rozpuszczania wynosił 4 godziny. Po ich wyjęciu próbki umieszczano w dużym zbiorniku wodnym o głębokości wody 100mm. Większy zbiornik na wodę może zapewnić niewielkie zmiany temperatury wody w zbiorniku po schłodzeniu próbki w strefie 1 wodą, zapobiegając wpływowi wzrostu temperatury wody na intensywność chłodzenia wodą. Podczas procesu chłodzenia wodą należy zadbać o to, aby temperatura wody mieściła się w zakresie 20-25°C. Zahartowane próbki starzono w temperaturze 165°C*8 godzin.
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.
Zbadano właściwości mechaniczne profilu oraz sprawdzono rozciąganie w przekroju równoległym o długości 60 mm w różnych miejscach próbki o średnicy 400 mm, aby obserwować właściwości rozciągające i miejsce pęknięcia.
Za pomocą oprogramowania ANSYS symulowano pole temperatury hartowania próbki chłodzonego wodą i hartowania po opóźnieniu wynoszącym 90 sekund i analizowano szybkości chłodzenia profili w różnych pozycjach.
2. Wyniki i analiza eksperymentów
2.1 Wyniki próby twardości
Rysunek 2 przedstawia krzywą zmiany twardości próbki o długości 400 mm, zmierzoną za pomocą twardościomierza Brinella (jednostkowa długość odciętej oznacza 10 mm, a skala 0 jest linią podziału pomiędzy hartowaniem normalnym i hartowaniem opóźnionym). Można stwierdzić, że twardość na końcu chłodzonym wodą jest stabilna i wynosi około 95HB. Po linii podziału pomiędzy hartowaniem chłodzonym wodą i hartowaniem opóźnionym 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, ale w pewnym stopniu wzrosła. Wzrost był stosunkowo niewielki. Po 130 mm twardość pozostała niezmieniona i wyniosła około 83HB. Można spekulować, że pod wpływem przewodzenia ciepła zmieniła się szybkość chłodzenia części z opóźnionym hartowaniem.
2.2 Wyniki i analiza testów wydajnościowych
W tabeli 2 przedstawiono wyniki doświadczeń rozciągania przeprowadzonych na próbkach pobranych w różnych miejscach przekroju równoległego. Można stwierdzić, że wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności nr 1 i nr 2 prawie się nie zmieniły. W miarę wzrostu udziału końcówek opóźnionych w hartowaniu wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności stopu wykazują znaczną tendencję spadkową. Jednakże wytrzymałość na rozciąganie w każdym miejscu pobierania próbek przekracza wytrzymałość standardową. Tylko w obszarze o najniższej twardości granica plastyczności jest niższa niż standard próbki, wydajność próbki jest bez zastrzeżeń.
Na rysunku 4 przedstawiono wyniki właściwości rozciągających próbki nr 3. Z rysunku 4 można stwierdzić, że im dalej od linii podziału, tym mniejsza twardość końca z opóźnionym hartowaniem. Spadek twardości wskazuje, że wydajność próbki jest zmniejszona, ale twardość spada powoli, zmniejszając się jedynie z 95HB do około 91HB na końcu odcinka równoległego. Jak można zobaczyć na podstawie wyników wydajności przedstawionych w Tabeli 1, wytrzymałość na rozciąganie spadła z 342 MPa do 320 MPa w przypadku chłodzenia wodą. Jednocześnie stwierdzono, że miejsce pęknięcia próbki rozciąganej znajduje się także na końcu odcinka równoległego o najmniejszej twardości. Dzieje się tak, ponieważ jest on oddalony od chłodzenia wodą, wydajność stopu jest zmniejszona, a koniec osiąga najpierw granicę wytrzymałości na rozciąganie, tworząc przewężenie. Na koniec oderwij się od najniższego punktu wydajności, a pozycja przerwy jest zgodna z wynikami testu wydajności.
Na rysunku 5 przedstawiono krzywą twardości przekroju równoległego próbki nr 4 oraz 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, gdzie twardość jest najniższa, czyli pęknięć 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, plastyczność 266 MPa) jest znacznie zmniejszona. Wytrzymałość na rozciąganie wynosi tylko 298 MPa, co nie osiąga granicy plastyczności końcówki chłodzonej wodą (315 MPa). Koniec utworzył przewężenie, gdy jest niższe niż 315 MPa. Przed pęknięciem w obszarze chłodzonym wodą występowało jedynie odkształcenie sprężyste. Gdy naprężenie zniknęło, odkształcenie na końcu chłodzonym wodą zniknęło. W rezultacie wielkość odkształcenia w strefie chłodzenia wodą przedstawiona w Tabeli 2 prawie się nie zmienia. Próbka pęka na końcu pożaru o opóźnionej szybkości, obszar zdeformowanego ulega zmniejszeniu, a twardość końcowa jest najniższa, co powoduje znaczne pogorszenie wyników użytkowych.
Pobrać próbki ze 100% opóźnionego obszaru hartowania na końcu próbki o średnicy 400 mm. Rysunek 6 przedstawia krzywą twardości. Twardość przekroju równoległego zmniejsza się do około 83-84HB i jest stosunkowo stabilna. Dzięki temu samemu procesowi wydajność jest mniej więcej taka sama. Nie widać wyraźnego wzorca w miejscu złamania. Wydajność stopu jest niższa niż w przypadku próbki hartowanej w wodzie.
W celu dalszego zbadania regularności działania i pękania wybrano równoległy przekrój próbki do rozciągania w pobliżu najniższego punktu twardości (77HB). Z tabeli 1 wynika, że wydajność uległa znacznemu pogorszeniu, 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 wodą gwałtownie spadła. Po 5 s temperatura spadła poniżej 100°C, a w odległości 80 mm od linii podziału temperatura spadła do około 210°C w 90 s. Średni spadek temperatury wynosi 3,5°C/s. Po 90 sekundach w obszarze końcowego chłodzenia powietrzem temperatura spada do około 360°C, ze średnią szybkością spadku wynoszącą 1,9°C/s.
Na podstawie analizy wydajności i wyników symulacji stwierdzono, że wydajność obszaru chłodzenia wodą i obszaru opóźnionego hartowania to wzorzec zmian, który najpierw maleje, a następnie nieznacznie wzrasta. Pod wpływem chłodzenia wodą w pobliżu linii podziału, przewodzenie ciepła powoduje, że próbka w pewnym obszarze spada z szybkością chłodzenia mniejszą niż w przypadku chłodzenia wodą (3,5°C/s). W rezultacie Mg2Si, który zastygł w osnowie, wytrącił się w tym obszarze w dużych ilościach, a temperatura po 90 sekundach spadła do około 210°C. Duża ilość wytrąconego Mg2Si spowodowała mniejszy efekt chłodzenia wodą po 90 s. Ilość fazy wzmacniającej Mg2Si wytrąconej po obróbce starzenia uległa znacznemu zmniejszeniu, co w efekcie doprowadziło do zmniejszenia wydajności próbki. Jednakże strefa opóźnionego hartowania oddalona od linii podziału jest w mniejszym stopniu podatna na przewodzenie ciepła podczas chłodzenia wodą, a stop stygnie stosunkowo wolno w warunkach chłodzenia powietrzem (szybkość chłodzenia 1,9°C/s). Tylko niewielka część fazy Mg2Si powoli wytrąca się, a po 90 sekundach temperatura wynosi 360°C. Po schłodzeniu wodą większość fazy Mg2Si pozostaje w osnowie, która po starzeniu ulega dyspersji i wytrąceniu, co pełni rolę wzmacniającą.
3. Wniosek
W wyniku eksperymentów stwierdzono, że opóźnione hartowanie spowoduje, że twardość strefy opóźnionego hartowania na przecięciu normalnego hartowania i opóźnionego hartowania najpierw spadnie, a następnie nieznacznie wzrośnie, aż w końcu się ustabilizuje.
W przypadku stopu aluminium 6061 wytrzymałość na rozciąganie po hartowaniu normalnym i hartowaniu opóźnionym przez 90 s wynosi odpowiednio 342 MPa i 288 MPa, a granica plastyczności wynosi 315 MPa i 252 MPa, przy czym obie spełniają standardy wydajności próbki.
Istnieje obszar o najniższej twardości, która po normalnym hartowaniu zmniejsza się z 95HB do 77HB. Wydajność tutaj jest również najniższa, przy wytrzymałości na rozciąganie 271 MPa i granicy plastyczności 220 MPa.
Analiza ANSYS wykazała, że szybkość chłodzenia w najniższym punkcie wydajności w strefie opóźnionego hartowania w latach 90. spadała o około 3,5°C na sekundę, co skutkowało niewystarczającą ilością stałego roztworu fazy wzmacniającej, fazy Mg2Si. Zgodnie z tym artykułem można zauważyć, że punkt zagrożenia wydajności pojawia się w obszarze opóźnionego hartowania, na skrzyżowaniu normalnego hartowania i opóźnionego hartowania, i nie jest daleko od tego skrzyżowania, co ma ważne znaczenie przewodnie dla rozsądnego zatrzymania końca wytłaczanego zakończyć odpady procesowe.
Pod redakcją May Jiang z MAT Aluminium
Czas publikacji: 28 sierpnia 2024 r
