Алюминиевый сплав 6061T6 с большой толщиной стенки необходимо закаливать после горячей экструзии. Из-за ограничений прерывистого прессования часть профиля попадает в зону водяного охлаждения с задержкой. При продолжении прессования следующего короткого слитка эта часть профиля будет подвергаться закалке с задержкой. Вопрос о том, как справиться с зоной задержек при закалке, является актуальным для каждой производственной компании. При коротком отходе в конце процесса экструзии отбираемые образцы для измерения характеристик иногда бывают аттестованными, а иногда – нет. При повторном отборе проб сбоку характеристики снова аттестуются. В данной статье дается соответствующее экспериментальное объяснение.
1. Материалы и методы испытаний
Материал, использованный в данном эксперименте, – алюминиевый сплав 6061. Его химический состав, измеренный методом спектрального анализа, следующий: он соответствует международному стандарту GB/T 3190-1996 на состав алюминиевого сплава 6061.
В данном эксперименте часть экструдированного профиля была взята для обработки на твердый раствор. Профиль длиной 400 мм был разделен на две зоны. Зона 1 охлаждалась непосредственно водой и подвергалась закалке. Зона 2 охлаждалась на воздухе в течение 90 секунд, а затем охлаждалась водой. Схема испытания представлена на рисунке 1.
Профиль из алюминиевого сплава 6061, использованный в данном эксперименте, был экструдирован на экструдере 4000UST. Температура пресс-формы составляла 500 °C, температура стержня – 510 °C, температура на выходе пресс-формы – 525 °C, скорость экструзии – 2,1 мм/с. В процессе экструзии использовалось интенсивное водяное охлаждение. Из середины экструдированного готового профиля был взят образец длиной 400 мм. Ширина образца составляла 150 мм, а высота – 10,00 мм.
Отобранные образцы были разделены на части и повторно подвергнуты обработке раствором. Температура раствора составляла 530 °C, а время выдержки – 4 часа. После извлечения образцы помещали в большой резервуар с водой глубиной 100 мм. Больший объем резервуара обеспечивает незначительное изменение температуры воды в резервуаре после охлаждения образца в зоне 1, предотвращая влияние повышения температуры воды на интенсивность охлаждения. В процессе охлаждения водой температура воды должна находиться в диапазоне 20–25 °C. Закаленные образцы подвергались старению при температуре 165 °C в течение 8 часов.
Возьмите часть образца длиной 400 мм, шириной 30 мм и толщиной 10 мм и проведите испытание на твёрдость по Бринеллю. Выполните 5 измерений с интервалом 10 мм. Возьмите среднее значение пяти значений твёрдости по Бринеллю в качестве результата и наблюдайте за изменением твёрдости.
Были испытаны механические свойства профиля, а также проведен контроль растяжения параллельного сечения 60 мм в различных положениях образца 400 мм для наблюдения за свойствами растяжения и местом разрушения.
С помощью программного обеспечения ANSYS было проведено моделирование температурного поля закалки образца с водяным охлаждением и закалки с выдержкой 90 с, а также проведен анализ скоростей охлаждения профилей в различных положениях.
2. Экспериментальные результаты и анализ
2.1 Результаты испытаний на твердость
На рисунке 2 показана кривая изменения твердости образца длиной 400 мм, измеренная с помощью твердомера по Бринеллю (единица длины абсциссы представляет 10 мм, а шкала 0 является разделительной линией между нормальной закалкой и задержанной закалкой). Можно обнаружить, что твердость на водоохлаждаемом конце стабильна на уровне около 95HB. После разделительной линии между закалкой в воде и задержанной закалкой в воде в течение 90 с твердость начинает снижаться, но скорость снижения медленная на ранней стадии. После 40 мм (89HB) твердость резко падает и достигает самого низкого значения (77HB) на 80 мм. После 80 мм твердость не продолжает снижаться, а увеличивается в некоторой степени. Увеличение было относительно небольшим. После 130 мм твердость остается неизменной на уровне около 83HB. Можно предположить, что из-за эффекта теплопроводности изменилась скорость охлаждения детали с замедленной закалкой.
2.2 Результаты и анализ испытаний производительности
В таблице 2 представлены результаты испытаний на растяжение образцов, взятых из различных положений параллельного сечения. Видно, что предел прочности и предел текучести образцов № 1 и № 2 практически не изменяются. С увеличением доли концов образцов с отсроченной закалкой предел прочности и предел текучести сплава демонстрируют значительную тенденцию к снижению. Однако предел прочности на растяжение в каждой точке отбора проб превышает стандартный предел прочности. Только в области с наименьшей твёрдостью предел текучести ниже стандартного значения образца, поэтому образец не соответствует требованиям.
На рисунке 4 показаны результаты испытаний на растяжение образца № 3. Из рисунка 4 можно увидеть, что чем дальше от разделительной линии, тем ниже твердость конца отложенной закалки. Уменьшение твердости указывает на то, что производительность образца снижается, но твердость снижается медленно, уменьшаясь только с 95HB до примерно 91HB в конце параллельного участка. Как видно из результатов испытаний на растяжение в таблице 1, предел прочности на растяжение снизился с 342 МПа до 320 МПа при охлаждении водой. В то же время было обнаружено, что точка разрушения образца для испытания на растяжение также находится в конце параллельного участка с самой низкой твердостью. Это связано с тем, что он находится далеко от охлаждения водой, характеристики сплава снижаются, и конец первым достигает предела прочности на растяжение, образуя сужение. Наконец, разрыв с самой низкой точки производительности, и положение разрыва согласуется с результатами испытаний на производительность.
На рисунке 5 показана кривая твердости параллельного сечения образца № 4 и положение излома. Можно обнаружить, что чем дальше от линии раздела водоохлаждающего конца, тем ниже твердость конца с замедленной закалкой. В то же время место излома также находится на конце, где твердость самая низкая, излом 86HB. Из таблицы 2 видно, что на водоохлаждаемом конце практически нет пластической деформации. Из таблицы 1 видно, что эксплуатационные характеристики образца (прочность на растяжение 298 МПа, предел текучести 266 МПа) значительно снижаются. Прочность на растяжение составляет всего 298 МПа, что не достигает предела текучести водоохлаждаемого конца (315 МПа). Конец образует сужение, когда он ниже 315 МПа. Перед разрушением в водоохлаждаемой области имела место только упругая деформация. По мере исчезновения напряжения исчезла и деформация на водоохлаждаемом конце. В результате величина деформации в зоне охлаждения водой, представленная в таблице 2, практически не изменилась. Образец разрушается в конце испытания на замедленном огне, площадь деформации уменьшается, а конечная твёрдость оказывается минимальной, что приводит к значительному снижению эксплуатационных характеристик.
Отберите образцы из зоны 100% отсроченной закалки на конце образца диаметром 400 мм. На рисунке 6 представлена кривая твёрдости. Твёрдость параллельного сечения снижается примерно до 83–84 НВ и остаётся относительно стабильной. Благодаря тому же процессу, характеристики практически одинаковы. В положении излома не наблюдается никакой закономерности. Характеристики сплава ниже, чем у образца, закалённого в воде.
Для дальнейшего изучения закономерностей характеристик прочности и разрушения был выбран параллельный участок образца для растяжения вблизи точки наименьшей твёрдости (77HB). Из таблицы 1 следует, что характеристики прочности значительно снижаются, а точка разрушения приходится на точку наименьшей твёрдости, как показано на рисунке 2.
2.3 Результаты анализа ANSYS
На рисунке 7 представлены результаты моделирования кривых охлаждения в различных точках в программе ANSYS. Видно, что температура образца в зоне водяного охлаждения быстро падала. Через 5 с температура упала ниже 100 °C, а на расстоянии 80 мм от разделительной линии температура упала примерно до 210 °C за 90 с. Средняя скорость падения температуры составляет 3,5 °C/с. Через 90 с в зоне конечного воздушного охлаждения температура падает примерно до 360 °C со средней скоростью падения 1,9 °C/с.
Благодаря анализу характеристик и результатам моделирования было установлено, что характеристики зоны водяного охлаждения и зоны отложенной закалки изменяются по закономерности: сначала они снижаются, а затем немного увеличиваются. Под воздействием водяного охлаждения вблизи разделительной линии теплопроводность приводит к тому, что образец в определённой области охлаждается медленнее, чем при водяном охлаждении (3,5 °C/с). В результате в этой области в больших количествах выделяется Mg2Si, затвердевший в матрице, и температура через 90 секунд снижается примерно до 210 °C. Большое количество выделившегося Mg2Si приводит к меньшему эффекту водяного охлаждения через 90 секунд. Количество упрочняющей фазы Mg2Si, выделяющейся после старения, значительно уменьшается, что приводит к ухудшению характеристик образца. Однако зона отложенной закалки вдали от разделительной линии меньше подвержена влиянию теплопроводности водяного охлаждения, и сплав охлаждается относительно медленно при воздушном охлаждении (скорость охлаждения 1,9 °C/с). Лишь небольшая часть фазы Mg2Si медленно выделяется, и температура достигает 360 °C после 90 с. После охлаждения водой большая часть фазы Mg2Si остаётся в матрице, а после старения она диспергируется и выпадает в осадок, что играет упрочняющую роль.
3. Заключение
Экспериментально было установлено, что замедленная закалка приводит к тому, что твердость зоны замедленной закалки на пересечении нормальной закалки и замедленной закалки сначала уменьшается, а затем немного увеличивается, пока окончательно не стабилизируется.
Для алюминиевого сплава 6061 предел прочности на растяжение после нормальной закалки и замедленной закалки в течение 90 с составляет 342 МПа и 288 МПа соответственно, а предел текучести — 315 МПа и 252 МПа, оба значения соответствуют стандартам эксплуатационных характеристик образца.
Существует область с самой низкой твёрдостью, которая после обычной закалки снижается с 95HB до 77HB. Здесь же и самые низкие эксплуатационные характеристики: предел прочности на растяжение составляет 271 МПа, а предел текучести — 220 МПа.
Анализ в ANSYS показал, что скорость охлаждения в зоне замедленной закалки 90°C в точке с наименьшей производительностью снизилась примерно на 3,5 °C в секунду, что привело к недостаточному образованию твёрдого раствора упрочняющей фазы Mg2Si. Согласно данной статье, опасная для производительности точка возникает в зоне замедленной закалки на стыке нормальной и замедленной закалки, и находится недалеко от стыка, что имеет важное значение для разумного удержания отходов на конце процесса экструзии.
Под редакцией Мэй Цзян из MAT Aluminum
Время публикации: 28 августа 2024 г.
