Алуминиевата сплав 6061T6 с голяма дебелина на стената трябва да се закали след горещо екструдиране. Поради ограничението на прекъснатото екструдиране, част от профила ще влезе в зоната за водно охлаждане със закъснение. Когато следващият къс слитък продължи да се екструдира, тази част от профила ще претърпи забавено закаляване. Как да се справим със зоната на забавено закаляване е въпрос, който всяка производствена компания трябва да обмисли. Когато отпадъците в края на процеса на екструдиране са къси, взетите проби за производителност понякога са квалифицирани, а понякога не. При повторно вземане на проби отстрани, производителността се квалифицира отново. Тази статия дава съответното обяснение чрез експерименти.
1. Тестови материали и методи
Материалът, използван в този експеримент, е алуминиева сплав 6061. Химичният ѝ състав, измерен чрез спектрален анализ, е следният: Той отговаря на международния стандарт GB/T 3190-1996 за състав на алуминиева сплав 6061.
В този експеримент част от екструдирания профил беше взета за обработка с твърд разтвор. Профилът с дължина 400 мм беше разделен на две зони. Зона 1 беше директно охладена с вода и закалена. Зона 2 беше охладена на въздух в продължение на 90 секунди и след това охладена с вода. Диаграмата на теста е показана на Фигура 1.
Профилът от алуминиева сплав 6061, използван в този експеримент, е екструдиран с екструдер 4000UST. Температурата на формата е 500°C, температурата на леярския прът е 510°C, температурата на изхода на екструдирането е 525°C, скоростта на екструдиране е 2,1 мм/сек, по време на процеса на екструдиране се използва високоинтензивно водно охлаждане, а от средата на екструдирания готов профил е взета проба с дължина 400 мм. Ширината на пробата е 150 мм, а височината е 10,00 мм.
Взетите проби бяха разделени и след това отново подложени на обработка с разтвор. Температурата на разтвора беше 530°C, а времето за разтваряне - 4 часа. След изваждането им, пробите бяха поставени в голям резервоар за вода с дълбочина на водата 100 мм. По-големият резервоар за вода може да гарантира, че температурата на водата в него ще се промени малко след охлаждане на пробата в зона 1 с вода, предотвратявайки повишаването на температурата на водата да повлияе на интензитета на охлаждане с вода. По време на процеса на охлаждане с вода се уверете, че температурата на водата е в диапазона 20-25°C. Закалените проби бяха оставени да отлежават при 165°C * 8 часа.
Вземете част от пробата с дължина 400 мм, ширина 30 мм и дебелина 10 мм и извършете тест за твърдост по Бринел. Направете 5 измервания на всеки 10 мм. Вземете средната стойност на 5-те твърдости по Бринел като резултат от твърдостта по Бринел в този момент и наблюдавайте модела на промяна на твърдостта.
Механичните свойства на профила бяха тествани и успоредното на опън сечение с дължина 60 мм беше контролирано на различни позиции на пробата с дължина 400 мм, за да се наблюдават свойствата на опън и местоположението на счупването.
Температурното поле на закаляването с водно охлаждане на пробата и закаляването след забавяне от 90 s беше симулирано чрез софтуера ANSYS и бяха анализирани скоростите на охлаждане на профилите в различни позиции.
2. Експериментални резултати и анализ
2.1 Резултати от изпитването за твърдост
Фигура 2 показва кривата на промяна на твърдостта на проба с дължина 400 мм, измерена с твърдомер по Бринел (единичната дължина на абсцисата представлява 10 мм, а скалата 0 е разделителната линия между нормалното закаляване и забавеното закаляване). Може да се установи, че твърдостта в края с водно охлаждане е стабилна на около 95HB. След разделителната линия между закаляване с водно охлаждане и забавено закаляване с водно охлаждане от 90 секунди, твърдостта започва да намалява, но скоростта на спад е бавна в ранния етап. След 40 мм (89HB) твърдостта спада рязко и достига най-ниската си стойност (77HB) при 80 мм. След 80 мм твърдостта не продължава да намалява, а се увеличава до известна степен. Увеличението е сравнително малко. След 130 мм твърдостта остава непроменена на около 83HB. Може да се предположи, че поради ефекта на топлопроводимостта, скоростта на охлаждане на частта със забавено закаляване се е променила.
2.2 Резултати от тестовете за производителност и анализ
Таблица 2 показва резултатите от експериментите за опън, проведени върху проби, взети от различни позиции на паралелния участък. Може да се установи, че якостта на опън и границата на провлачване на проби № 1 и № 2 почти не се променят. С увеличаване на дела на забавените закалени краища, якостта на опън и границата на провлачване на сплавта показват значителна тенденция на намаляване. Въпреки това, якостта на опън във всяко място на вземане на проби е над стандартната якост. Само в областта с най-ниска твърдост границата на провлачване е по-ниска от стандартната за пробата, като характеристиките на пробата са неквалифицирани.
Фигура 4 показва резултатите от якостта на опън на проба № 3. От Фигура 4 може да се види, че колкото по-далеч от разделителната линия, толкова по-ниска е твърдостта на края със забавено закаляване. Намаляването на твърдостта показва, че якостта на опън на пробата е намалена, но твърдостта намалява бавно, като намалява само от 95HB до около 91HB в края на паралелния участък. Както може да се види от резултатите от якостта на опън в Таблица 1, якостта на опън е намаляла от 342MPa до 320MPa при водно охлаждане. В същото време е установено, че точката на счупване на пробата за опън също е в края на паралелния участък с най-ниска твърдост. Това е така, тъй като е далеч от водното охлаждане, якостта на сплавта е намалена и краят достига границата на якостта на опън пръв, образувайки стеснение. Накрая, счупването от най-ниската точка на якост на опън е в съответствие с резултатите от теста за якост на опън.
Фигура 5 показва кривата на твърдостта на паралелния участък на проба № 4 и позицията на счупването. Може да се види, че колкото по-далеч е пробата от разделителната линия на водното охлаждане, толкова по-ниска е твърдостта на края със забавено закаляване. В същото време, мястото на счупването е и в края, където твърдостта е най-ниска - счупвания от 86HB. От Таблица 2 се установява, че почти няма пластична деформация в края с водно охлаждане. От Таблица 1 се установява, че характеристиките на пробата (якост на опън 298MPa, граница на провлачване 266MPa) са значително намалени. Якостта на опън е само 298MPa, което не достига границата на провлачване на края с водно охлаждане (315MPa). Краят е образувал свиване, когато е по-нисък от 315MPa. Преди счупването в зоната с водно охлаждане се наблюдава само еластична деформация. С изчезването на напрежението, деформацията в края с водно охлаждане изчезва. В резултат на това, количеството деформация в зоната с водно охлаждане в Таблица 2 почти не се променя. Пробата се чупи в края на огъня със забавена скорострелност, деформираната площ е намалена, а крайната твърдост е най-ниска, което води до значително намаляване на резултатите от работата.
Вземете проби от зоната със 100% забавено закаляване в края на образеца с дължина 400 мм. Фигура 6 показва кривата на твърдостта. Твърдостта на паралелния участък е намалена до около 83-84HB и е относително стабилна. Поради същия процес, характеристиките са приблизително същите. Не се наблюдава видима закономерност в позицията на счупване. Характеристиките на сплавта са по-ниски от тези на закалена във вода проба.
За да се проучи по-нататък закономерността на поведението и разрушаването, успоредното сечение на образеца за опън беше избрано близо до най-ниската точка на твърдост (77HB). От Таблица 1 беше установено, че поведението е значително намалено и точката на разрушаване се появява в най-ниската точка на твърдост на Фигура 2.
2.3 Резултати от ANSYS анализ
Фигура 7 показва резултатите от ANSYS симулация на криви на охлаждане на различни позиции. Вижда се, че температурата на пробата в зоната за водно охлаждане е спаднала бързо. След 5 секунди температурата е паднала под 100°C, а на 80 мм от разделителната линия температурата е спаднала до около 210°C при 90 s. Средният спад на температурата е 3,5°C/s. След 90 секунди в зоната за окончателно въздушно охлаждане температурата пада до около 360°C, със средна скорост на спад от 1,9°C/s.
Чрез анализ на производителността и резултати от симулации е установено, че производителността на зоната с водно охлаждане и зоната със забавено закаляване е модел на промяна, който първо намалява, а след това леко се увеличава. Под влияние на водното охлаждане близо до разделителната линия, топлопроводимостта кара пробата в определена зона да се охлажда със скорост, по-малка от тази на водното охлаждане (3,5°C/s). В резултат на това Mg2Si, който се втвърдява в матрицата, се утаява в големи количества в тази зона и температурата пада до около 210°C след 90 секунди. Голямото количество утаен Mg2Si води до по-малък ефект от водното охлаждане след 90 секунди. Количеството на укрепващата фаза Mg2Si, утаена след обработката със стареене, е значително намалено и впоследствие производителността на пробата е намалена. Въпреки това, зоната със забавено закаляване, далеч от разделителната линия, е по-малко засегната от топлопроводимостта на водното охлаждане и сплавта се охлажда сравнително бавно при условия на въздушно охлаждане (скорост на охлаждане 1,9°C/s). Само малка част от Mg2Si фазата бавно се утаява, а температурата е 360°C след 90 секунди. След охлаждане с вода, по-голямата част от Mg2Si фазата все още е в матрицата и след стареене се диспергира и утаява, което играе укрепваща роля.
3. Заключение
Експериментално е установено, че забавеното закаляване ще доведе до първоначално намаляване на твърдостта на зоната на забавено закаляване в пресечната точка на нормалното и забавеното закаляване, а след това леко до нейното стабилизиране.
За алуминиева сплав 6061, якостта на опън след нормално закаляване и забавено закаляване за 90 s е съответно 342 MPa и 288 MPa, а границите на провлачване са 315 MPa и 252 MPa, като и двете отговарят на стандартите за експлоатационни характеристики на пробата.
Има област с най-ниска твърдост, която се намалява от 95HB до 77HB след нормално закаляване. Характеристиките тук също са най-ниски, с якост на опън от 271MPa и граница на провлачване от 220MPa.
Чрез ANSYS анализ беше установено, че скоростта на охлаждане в най-ниската точка на производителност в зоната на забавено закаляване през 90-те години е намаляла с приблизително 3,5°C в секунда, което е довело до недостатъчен твърд разтвор на укрепващата фаза Mg2Si. Според тази статия може да се види, че опасната точка на производителност се появява в зоната на забавено закаляване на кръстовището на нормалното закаляване и забавеното закаляване и не е далеч от кръстовището, което има важно насочващо значение за разумното задържане на отпадъците от процеса на екструдиране.
Редактирано от Мей Джианг от MAT Aluminum
Време на публикуване: 28 август 2024 г.
