Hliníková zliatina 6061T6 s veľkou hrúbkou steny sa musí po horúcej extrúzii kaliť. Vzhľadom na obmedzenia diskontinuálnej extrúzie sa časť profilu dostane do zóny vodného chladenia s oneskorením. Keď sa pokračuje v extrúzii ďalšieho krátkeho ingotu, táto časť profilu prejde oneskoreným kalením. Ako sa vysporiadať s oblasťou oneskoreného kalenia je problém, ktorý musí každá výrobná spoločnosť zvážiť. Keď je odpad na konci procesu extrúzie krátky, odobraté vzorky výkonu sú niekedy kvalifikované a niekedy nekvalifikované. Pri opätovnom odbere vzoriek z boku sa výkon opäť kvalifikuje. Tento článok poskytuje zodpovedajúce vysvetlenie prostredníctvom experimentov.
1. Testovacie materiály a metódy
Materiál použitý v tomto experimente je hliníková zliatina 6061. Jej chemické zloženie merané spektrálnou analýzou je nasledovné: Zodpovedá medzinárodnej norme GB/T 3190-1996 pre zloženie hliníkovej zliatiny 6061.
V tomto experimente bola časť extrudovaného profilu odobratá na úpravu tuhým roztokom. Profil s dĺžkou 400 mm bol rozdelený na dve oblasti. Oblasť 1 bola priamo chladená vodou a kalená. Oblasť 2 bola chladená na vzduchu počas 90 sekúnd a potom chladená vodou. Diagram testu je znázornený na obrázku 1.
Profil z hliníkovej zliatiny 6061 použitý v tomto experimente bol extrudovaný extrudérom 4000UST. Teplota formy je 500 °C, teplota odlievacej tyče je 510 °C, výstupná teplota extrúzie je 525 °C, rýchlosť extrúzie je 2,1 mm/s, počas procesu extrúzie sa používa vysokointenzívne vodné chladenie a zo stredu extrudovaného hotového profilu sa odoberie skúšobný kus s dĺžkou 400 mm. Šírka vzorky je 150 mm a výška 10,00 mm.
Odobraté vzorky boli rozdelené a potom opäť podrobené spracovaniu roztokom. Teplota roztoku bola 530 °C a čas roztoku 4 hodiny. Po vybratí boli vzorky umiestnené do veľkej nádrže na vodu s hĺbkou vody 100 mm. Väčšia nádrž na vodu zabezpečuje, že teplota vody v nádrži sa po ochladení vzorky v zóne 1 vodou zmení len málo, čím sa zabráni tomu, aby zvýšenie teploty vody ovplyvnilo intenzitu chladenia vodou. Počas procesu chladenia vodou sa uistite, že teplota vody je v rozmedzí 20 – 25 °C. Kalené vzorky boli udržiavané na teplote 165 °C počas 8 hodín.
Vezmite časť vzorky s dĺžkou 400 mm, šírkou 30 mm a hrúbkou 10 mm a vykonajte skúšku tvrdosti Brinellom. Vykonajte 5 meraní každých 10 mm. Ako výslednú tvrdosť Brinella v tomto bode vezmite priemernú hodnotu 5 tvrdostí Brinella a pozorujte priebeh zmeny tvrdosti.
Boli testované mechanické vlastnosti profilu a ťahový rovnobežný rez s dĺžkou 60 mm bol kontrolovaný v rôznych polohách vzorky s dĺžkou 400 mm, aby sa pozorovali ťahové vlastnosti a miesto lomu.
Teplotné pole vodou chladeného kalenia vzorky a kalenia po 90-sekundovom oneskorení bolo simulované pomocou softvéru ANSYS a boli analyzované rýchlosti ochladzovania profilov v rôznych polohách.
2. Experimentálne výsledky a analýza
2.1 Výsledky skúšky tvrdosti
Obrázok 2 znázorňuje krivku zmeny tvrdosti vzorky s dĺžkou 400 mm meranej Brinellom tvrdomerom (jednotková dĺžka osi x predstavuje 10 mm a stupnica 0 je deliaca čiara medzi normálnym kalením a oneskoreným kalením). Je zrejmé, že tvrdosť na vodou chladenom konci je stabilná na hodnote okolo 95 HB. Po deliacej čiare medzi kalením vodou chladeným a oneskoreným kalením vodou chladeným po 90 s začína tvrdosť klesať, ale v počiatočnom štádiu je pokles pomalý. Po 40 mm (89 HB) tvrdosť prudko klesá a pri 80 mm klesá na najnižšiu hodnotu (77 HB). Po 80 mm tvrdosť už neklesala, ale do určitej miery sa zvýšila. Zvýšenie bolo relatívne malé. Po 130 mm zostala tvrdosť nezmenená na hodnote okolo 83 HB. Dá sa predpokladať, že v dôsledku vedenia tepla sa rýchlosť ochladzovania oneskoreného kalenia zmenila.
2.2 Výsledky a analýza výkonnostných testov
Tabuľka 2 zobrazuje výsledky experimentov s ťahom vykonaných na vzorkách odobratých z rôznych polôh rovnobežnej sekcie. Zistilo sa, že pevnosť v ťahu a medza klzu vzoriek č. 1 a č. 2 sa takmer nemenia. S rastúcim podielom oneskorených kalených koncov vykazuje pevnosť v ťahu a medza klzu zliatiny výrazný klesajúci trend. Pevnosť v ťahu v každom mieste odberu vzoriek je však nad štandardnou pevnosťou. Iba v oblasti s najnižšou tvrdosťou je medza klzu nižšia ako štandardná vzorka, čo zodpovedá nekvalifikovaným vlastnostiam vzorky.
Obrázok 4 zobrazuje výsledky pevnosti v ťahu vzorky č. 3. Z obrázku 4 je zrejmé, že čím ďalej od deliacej čiary, tým nižšia je tvrdosť na konci s oneskoreným kalením. Pokles tvrdosti naznačuje, že výkon vzorky sa znižuje, ale tvrdosť klesá pomaly, z 95HB na približne 91HB na konci rovnobežnej sekcie. Ako je vidieť z výsledkov výkonu v tabuľke 1, pevnosť v ťahu sa pri chladení vodou znížila z 342 MPa na 320 MPa. Zároveň sa zistilo, že bod lomu vzorky s pevnosťou v ťahu sa nachádza aj na konci rovnobežnej sekcie s najnižšou tvrdosťou. Je to preto, že je ďaleko od chladenia vodou, výkon zliatiny sa znižuje a koniec dosiahne hranicu pevnosti v ťahu ako prvý, čím sa vytvorí zúženie. Nakoniec sa lom od bodu najnižšieho výkonu zhoduje s výsledkami testu výkonu.
Obrázok 5 znázorňuje krivku tvrdosti rovnobežnej časti vzorky č. 4 a polohu lomu. Je zrejmé, že čím ďalej od deliacej čiary vodou chladeného konca, tým nižšia je tvrdosť konca s oneskoreným kalením. Zároveň sa miesto lomu nachádza na konci, kde je tvrdosť najnižšia, lomy 86HB. Z tabuľky 2 vyplýva, že na vodou chladenom konci nedochádza takmer k žiadnej plastickej deformácii. Z tabuľky 1 vyplýva, že výkon vzorky (pevnosť v ťahu 298 MPa, medza klzu 266 MPa) je výrazne znížený. Pevnosť v ťahu je iba 298 MPa, čo nedosahuje medzu klzu vodou chladeného konca (315 MPa). Koniec má zúženie, keď je nižšie ako 315 MPa. Pred lomom sa vo vodou chladenej oblasti vyskytovala iba elastická deformácia. S úbytkom napätia zmizlo aj napätie na vodou chladenom konci. V dôsledku toho sa veľkosť deformácie v zóne vodou chladenej v tabuľke 2 takmer nemení. Vzorka sa na konci streľby s oneskorenou rýchlosťou zlomí, deformovaná plocha sa zmenší a koncová tvrdosť je najnižšia, čo vedie k výraznému zníženiu výkonnostných výsledkov.
Odoberte vzorky zo 100 % oblasti oneskoreného kalenia na konci 400 mm vzorky. Obrázok 6 znázorňuje krivku tvrdosti. Tvrdosť rovnobežnej časti sa znížila na približne 83 – 84 HB a je relatívne stabilná. Vďaka rovnakému procesu je výkon približne rovnaký. V polohe lomu sa nenachádza žiadny zjavný vzorec. Výkon zliatiny je nižší ako u vzorky kalené vo vode.
Aby sa ďalej preskúmala pravidelnosť výkonu a lomu, bola zvolená rovnobežná časť ťahovej vzorky v blízkosti najnižšieho bodu tvrdosti (77HB). Z tabuľky 1 vyplýva, že výkon sa výrazne znížil a bod lomu sa na obrázku 2 objavil v najnižšom bode tvrdosti.
2.3 Výsledky analýzy ANSYS
Obrázok 7 zobrazuje výsledky ANSYS simulácie chladiacich kriviek v rôznych polohách. Je vidieť, že teplota vzorky v oblasti chladenia vodou rýchlo klesla. Po 5 sekundách teplota klesla pod 100 °C a vo vzdialenosti 80 mm od deliacej čiary klesla teplota po 90 sekundách na približne 210 °C. Priemerný pokles teploty je 3,5 °C/s. Po 90 sekundách v oblasti koncového chladenia vzduchom teplota klesla na približne 360 °C s priemernou rýchlosťou poklesu 1,9 °C/s.
Prostredníctvom analýzy výkonu a výsledkov simulácie sa zistilo, že výkon oblasti chladenia vodou a oblasti oneskoreného kalenia sa mení tak, že najprv klesá a potom sa mierne zvyšuje. V dôsledku chladenia vodou v blízkosti deliacej čiary spôsobuje vedenie tepla, že vzorka v určitej oblasti klesá rýchlosťou ochladzovania nižšou ako pri chladení vodou (3,5 °C/s). V dôsledku toho sa Mg2Si, ktorý stuhol v matrici, v tejto oblasti vyzrážal vo veľkom množstve a teplota po 90 sekundách klesla na približne 210 °C. Veľké množstvo vyzrážaného Mg2Si viedlo k menšiemu účinku chladenia vodou po 90 sekundách. Množstvo spevňujúcej fázy Mg2Si vyzrážanej po starnutí sa výrazne znížilo a následne sa znížil aj výkon vzorky. Zóna oneskoreného kalenia ďaleko od deliacej čiary je však menej ovplyvnená vedením tepla chladenia vodou a zliatina sa pri chladení vzduchom ochladzuje relatívne pomaly (rýchlosť ochladzovania 1,9 °C/s). Len malá časť fázy Mg2Si sa pomaly vyzráža a teplota po 90 sekundách dosiahne 360 °C. Po ochladení vodou je väčšina fázy Mg2Si stále v matrici a po starnutí sa disperguje a vyzráža, čo zohráva spevňujúcu úlohu.
3. Záver
Experimentálne sa zistilo, že oneskorené kalenie spôsobí, že tvrdosť zóny oneskoreného kalenia na priesečníku normálneho kalenia a oneskoreného kalenia sa najprv zníži a potom mierne zvýši, až kým sa nakoniec nestabilizuje.
Pre hliníkovú zliatinu 6061 sú pevnosti v ťahu po normálnom kalení a oneskorenom kalení počas 90 s 342 MPa a 288 MPa a medze klzu sú 315 MPa a 252 MPa, pričom obe hodnoty spĺňajú výkonnostné normy vzorky.
Existuje oblasť s najnižšou tvrdosťou, ktorá sa po normálnom kalení zníži z 95HB na 77HB. Výkonnosť je tu tiež najnižšia, s pevnosťou v ťahu 271 MPa a medzou klzu 220 MPa.
Analýzou ANSYS sa zistilo, že rýchlosť ochladzovania v najnižšom bode výkonu v zóne oneskoreného kalenia v 90. rokoch sa znížila približne o 3,5 °C za sekundu, čo viedlo k nedostatočnému tuhému roztoku fázy spevňujúcej fázy Mg2Si. Podľa tohto článku je zrejmé, že nebezpečný bod výkonu sa objavuje v oblasti oneskoreného kalenia na rozhraní normálneho kalenia a oneskoreného kalenia a nie je ďaleko od tohto rozhrania, čo má dôležitý usmerňujúci význam pre primerané zadržiavanie odpadu z procesu extrúzie.
Upravené May Jiang z MAT Aluminum
Čas uverejnenia: 28. augusta 2024
