Алюминиевый сплав 6061T6 с большой толщиной стенки необходимо закаливать после горячей экструзии. Из-за ограничений прерывистой экструзии часть профиля попадет в зону водяного охлаждения с задержкой. Когда следующий короткий слиток продолжает экструдироваться, эта часть профиля будет подвергаться закалке с задержкой. Как справиться с зоной задержек при закалке — это вопрос, который должна рассмотреть каждая производственная компания. Когда отходы процесса экструзии короткие, взятые образцы производительности иногда квалифицированы, а иногда неквалифицированы. При повторном отборе проб сбоку производительность снова квалифицирована. В этой статье дается соответствующее объяснение с помощью экспериментов.
1. Материалы и методы испытаний
Материал, используемый в этом эксперименте, — алюминиевый сплав 6061. Его химический состав, измеренный с помощью спектрального анализа, следующий: он соответствует международному стандарту состава алюминиевого сплава 6061 GB/T 3190-1996.
В этом эксперименте часть экструдированного профиля была взята для обработки твердого раствора. Профиль длиной 400 мм был разделен на две области. Область 1 была непосредственно охлаждена водой и закалена. Область 2 была охлаждена на воздухе в течение 90 секунд, а затем охлаждена водой. Схема испытаний показана на рисунке 1.
Профиль из алюминиевого сплава 6061, используемый в этом эксперименте, был экструдирован экструдером 4000UST. Температура формы составляет 500°C, температура литейного стержня составляет 510°C, температура на выходе экструзии составляет 525°C, скорость экструзии составляет 2,1 мм/с, в процессе экструзии используется высокоинтенсивное водяное охлаждение, а испытательный образец длиной 400 мм взят из середины экструдированного готового профиля. Ширина образца составляет 150 мм, а высота — 10,00 мм.
Взятые образцы были разделены и затем снова подвергнуты обработке раствором. Температура раствора составляла 530 °C, а время раствора составляло 4 часа. После извлечения образцы были помещены в большой резервуар для воды с глубиной воды 100 мм. Больший резервуар для воды может гарантировать, что температура воды в резервуаре для воды мало изменится после того, как образец в зоне 1 будет охлажден водой, предотвращая влияние повышения температуры воды на интенсивность охлаждения водой. Во время процесса охлаждения водой убедитесь, что температура воды находится в диапазоне 20-25 °C. Закаленные образцы были состарены при 165 °C*8 ч.
Возьмите часть образца длиной 400 мм, шириной 30 мм и толщиной 10 мм и проведите испытание на твердость по Бринеллю. Сделайте 5 измерений через каждые 10 мм. Возьмите среднее значение 5 твердостей по Бринеллю в качестве результата твердости по Бринеллю на данный момент и наблюдайте за характером изменения твердости.
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 смоделировано температурное поле закалки образца с водяным охлаждением и закалки с задержкой 90 с, а также проанализированы скорости 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 твердомером по Бринеллю (единица длины абсциссы представляет собой 10 мм, а шкала 0 является разделительной линией между нормальной закалкой и отложенной закалкой). Можно обнаружить, что твердость на водоохлаждаемом конце стабильна и составляет около 95HB. После разделительной линии между закалкой с водяным охлаждением и отложенной закалкой с водяным охлаждением 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 определенной степени. Увеличение было относительно небольшим. После 130 мм твердость остается неизменной и составляет около 83HB. Можно предположить, что из-за эффекта теплопроводности скорость охлаждения детали с замедленной закалкой изменилась.
2.2 Результаты и анализ испытаний производительности
В таблице 2 приведены результаты испытаний на растяжение, проведенных на образцах, взятых из разных положений параллельного сечения. Можно обнаружить, что предел прочности на растяжение и предел текучести № 1 и № 2 практически не изменились. По мере увеличения доли концов отложенной закалки предел прочности на растяжение и предел текучести сплава демонстрируют значительную тенденцию к снижению. Однако предел прочности на растяжение в каждом месте отбора проб превышает стандартную прочность. Только в области с самой низкой твердостью предел текучести ниже стандарта образца, эксплуатационные характеристики образца неквалифицированные.
На рисунке 4 показаны результаты свойств растяжения 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 производительности 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 на растяжение также находится в конце параллельного участка с самой низкой твердостью. Это связано с тем, что он находится далеко от охлаждения водой, производительность сплава снижается, и конец первым достигает предела прочности на растяжение, образуя сужение. Наконец, разрыв с самой низкой точки производительности, и положение разрыва соответствует результатам испытания производительности.
На рисунке 5 показана кривая твердости параллельного сечения образца № 4 и положение излома. Можно обнаружить, что чем дальше от разделительной линии водяного охлаждения, тем ниже твердость конца с отложенной закалкой. В то же время место излома также находится на конце, где твердость самая низкая, изломы 86HB. Из таблицы 2 следует, что на конце, охлаждаемом водой, практически нет пластической деформации. Из таблицы 1 следует, что эксплуатационные характеристики образца (предел прочности на разрыв 298 МПа, предел текучести 266 МПа) значительно снижаются. Предел прочности на разрыв составляет всего 298 МПа, что не достигает предела текучести конца, охлаждаемого водой (315 МПа). Конец образовал сужение, когда он ниже 315 МПа. Перед разрушением в области водяного охлаждения произошла только упругая деформация. По мере исчезновения напряжения исчезла и деформация на конце, охлаждаемом водой. В результате величина деформации в зоне охлаждения водой в Таблице 2 практически не изменилась. Образец разрушается в конце замедленного огневого воздействия, деформированная область уменьшается, а конечная твердость самая низкая, что приводит к значительному снижению результатов производительности.
Возьмите образцы из области 100% отсроченной закалки в конце образца 400 мм. На рисунке 6 показана кривая твердости. Твердость параллельного сечения снижается примерно до 83-84HB и является относительно стабильной. Благодаря тому же процессу, характеристики примерно такие же. В положении излома не обнаружено никакой очевидной закономерности. Характеристики сплава ниже, чем у образца, закаленного в воде.
Для дальнейшего изучения закономерности характеристик и разрушения параллельное сечение образца для растяжения было выбрано вблизи самой низкой точки твердости (77HB). Из Таблицы 1 было обнаружено, что характеристики значительно снизились, а точка разрушения появилась в самой низкой точке твердости на Рисунке 2.
2.3 Результаты анализа ANSYS
На рисунке 7 показаны результаты моделирования кривых охлаждения в ANSYS в разных положениях. Видно, что температура образца в области 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 на 90 с. Среднее падение температуры составляет 3,5°C/с. Через 90 секунд в области конечного воздушного охлаждения температура падает примерно до 360°C со средней скоростью падения 1,9°C/с.
Благодаря анализу производительности и результатам моделирования было обнаружено, что производительность области водяного охлаждения и области отложенной закалки представляет собой схему изменения, которая сначала уменьшается, а затем немного увеличивается. Под воздействием водяного охлаждения вблизи разделительной линии теплопроводность заставляет образец в определенной области падать со скоростью охлаждения, меньшей, чем при водяном охлаждении (3,5 °C/с). В результате Mg2Si, который затвердел в матрице, выделился в больших количествах в этой области, и температура упала примерно до 210 °C через 90 секунд. Большое количество выделившегося Mg2Si привело к меньшему эффекту водяного охлаждения через 90 секунд. Количество упрочняющей фазы Mg2Si, выделившейся после обработки старением, значительно уменьшилось, и производительность образца впоследствии снизилась. Однако зона отложенной закалки вдали от разделительной линии меньше подвержена влиянию теплопроводности водяного охлаждения, и сплав относительно медленно охлаждается в условиях воздушного охлаждения (скорость охлаждения 1,9 °C/с). Только небольшая часть фазы Mg2Si медленно осаждается, и температура составляет 360 ° C после 90 с. После охлаждения водой большая часть фазы Mg2Si все еще находится в матрице, и она рассеивается и осаждается после старения, что играет упрочняющую роль.
3. Заключение
Экспериментально установлено, что отсроченная закалка приводит к тому, что твердость зоны отсроченной закалки на пересечении нормальной закалки и отсроченной 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 составляет 315 МПа и 252 МПа, оба значения соответствуют стандартам эксплуатационных характеристик образца.
Существует область с самой низкой твердостью, которая снижается с 95HB до 77HB после обычной закалки. Производительность здесь также самая низкая, с пределом прочности на растяжение 271 МПа и пределом текучести 220 МПа.
С помощью анализа ANSYS было установлено, что скорость охлаждения в самой низкой точке производительности в зоне замедленной закалки 90s снизилась примерно на 3,5°C в секунду, что привело к недостаточному твердому растворению упрочняющей фазы Mg2Si. Согласно этой статье, можно увидеть, что точка опасности производительности появляется в области замедленной закалки на стыке нормальной закалки и замедленной закалки и находится недалеко от стыка, что имеет важное направляющее значение для разумного удержания отходов процесса экструзии.
Под редакцией Мэй Цзян из MAT Aluminum
Время публикации: 28-авг-2024
