La lega di alluminio 6061T6 di grande spessore della parete deve essere temprata dopo l'estrusione a caldo. A causa della limitazione dell'estrusione discontinua, una parte del profilo entrerà con ritardo nella zona di raffreddamento ad acqua. Quando si continua ad estrudere il successivo lingotto corto, questa parte del profilo subirà un raffreddamento ritardato. Come gestire l'area di tempra ritardata è un problema che ogni azienda produttiva deve considerare. Quando gli scarti del processo di coda dell'estrusione sono brevi, i campioni di prestazioni prelevati sono talvolta qualificati e talvolta non qualificati. Quando si ricampiona lateralmente, la performance viene nuovamente qualificata. Questo articolo fornisce la spiegazione corrispondente attraverso esperimenti.
1. Materiali e metodi di prova
Il materiale utilizzato in questo esperimento è la lega di alluminio 6061. La sua composizione chimica misurata mediante analisi spettrale è la seguente: È conforme allo standard internazionale 6061 sulla composizione della lega di alluminio GB/T 3190-1996.
In questo esperimento una parte del profilo estruso è stata prelevata per il trattamento in soluzione solida. Il profilo lungo 400 mm è stato diviso in due aree. L'area 1 è stata raffreddata e spenta direttamente ad acqua. L'area 2 è stata raffreddata all'aria per 90 secondi e poi raffreddata ad acqua. Il diagramma di prova è mostrato nella Figura 1.
Il profilo in lega di alluminio 6061 utilizzato in questo esperimento è stato estruso da un estrusore 4000UST. La temperatura dello stampo è 500°C, la temperatura dell'asta di colata è 510°C, la temperatura di uscita dell'estrusione è 525°C, la velocità di estrusione è 2,1 mm/s, durante il processo di estrusione viene utilizzato un raffreddamento ad acqua ad alta intensità e un diametro di 400 mm La lunghezza del pezzo di prova viene presa dal centro del profilo finito estruso. La larghezza del campione è 150 mm e l'altezza è 10,00 mm.
I campioni prelevati sono stati partizionati e poi nuovamente sottoposti a trattamento in soluzione. La temperatura della soluzione era di 530°C e il tempo di soluzione era di 4 ore. Dopo averli estratti, i campioni sono stati posti in un grande serbatoio d'acqua con una profondità dell'acqua di 100 mm. Il serbatoio dell'acqua più grande può garantire che la temperatura dell'acqua nel serbatoio dell'acqua cambi poco dopo che il campione nella zona 1 è stato raffreddato ad acqua, evitando che l'aumento della temperatura dell'acqua influisca sull'intensità del raffreddamento dell'acqua. Durante il processo di raffreddamento dell'acqua, assicurarsi che la temperatura dell'acqua sia compresa tra 20 e 25°C. I campioni raffreddati sono stati invecchiati a 165°C*8 ore.
Prendere una parte del campione lunga 400 mm, larga 30 mm e spessa 10 mm ed eseguire un test di durezza Brinell. Effettuare 5 misurazioni ogni 10 mm. Prendere il valore medio delle 5 durezze Brinell come risultato della durezza Brinell a questo punto e osservare lo schema di cambiamento della durezza.
Sono state testate le proprietà meccaniche del profilo e la sezione parallela di trazione da 60 mm è stata controllata in diverse posizioni del campione da 400 mm per osservare le proprietà di trazione e la posizione della frattura.
Il campo di temperatura dell'estinzione con raffreddamento ad acqua del campione e dell'estinzione dopo un ritardo di 90 secondi è stato simulato tramite il software ANSYS e sono state analizzate le velocità di raffreddamento dei profili in diverse posizioni.
2. Risultati sperimentali e analisi
2.1 Risultati dei test di durezza
La Figura 2 mostra la curva di variazione della durezza di un campione lungo 400 mm misurato da un durometro Brinell (la lunghezza unitaria dell'ascissa rappresenta 10 mm e la scala 0 è la linea di demarcazione tra tempra normale e tempra ritardata). Si può constatare che la durezza all'estremità raffreddata ad acqua è stabile intorno a 95HB. Dopo la linea di demarcazione tra la tempra con raffreddamento ad acqua e la tempra con raffreddamento ad acqua ritardata degli anni '90, la durezza inizia a diminuire, ma il tasso di declino è lento nella fase iniziale. Dopo 40 mm (89HB), la durezza diminuisce drasticamente e scende al valore più basso (77HB) a 80 mm. Dopo 80 mm, la durezza non ha continuato a diminuire, ma è aumentata in una certa misura. L’aumento è stato relativamente piccolo. Dopo 130mm la durezza è rimasta invariata attorno a 83HB. Si può ipotizzare che, a causa dell'effetto della conduzione del calore, la velocità di raffreddamento della parte a tempra ritardata sia cambiata.
2.2 Risultati e analisi dei test delle prestazioni
La tabella 2 mostra i risultati degli esperimenti di trazione condotti su campioni prelevati da diverse posizioni della sezione parallela. Si può constatare che la resistenza alla trazione e la resistenza allo snervamento del n. 1 e del n. 2 non hanno quasi alcun cambiamento. All’aumentare della percentuale di estremità a tempra ritardata, la resistenza alla trazione e la resistenza allo snervamento della lega mostrano una significativa tendenza al ribasso. Tuttavia, la resistenza alla trazione in ciascun punto di campionamento è superiore alla resistenza standard. Solo nell'area con la durezza più bassa, il carico di snervamento è inferiore allo standard del campione, la prestazione del campione non è qualificata.
La Figura 4 mostra i risultati delle proprietà di trazione del campione n. 3. Dalla Figura 4 si può osservare che quanto più lontana è la linea di demarcazione, tanto minore è la durezza dell'estremità a tempra ritardata. La diminuzione della durezza indica che le prestazioni del campione sono ridotte, ma la durezza diminuisce lentamente, diminuendo solo da 95HB a circa 91HB alla fine della sezione parallela. Come si può vedere dai risultati prestazionali nella Tabella 1, la resistenza alla trazione è diminuita da 342 MPa a 320 MPa per il raffreddamento ad acqua. Allo stesso tempo si è constatato che anche il punto di frattura del campione sottoposto a trazione si trova all'estremità della sezione parallela con la durezza più bassa. Questo perché è lontano dal raffreddamento ad acqua, le prestazioni della lega sono ridotte e l'estremità raggiunge prima il limite di resistenza alla trazione per formare un restringimento. Infine, effettua una pausa dal punto di prestazione più basso e la posizione di pausa sarà coerente con i risultati del test delle prestazioni.
La Figura 5 mostra la curva di durezza della sezione parallela del campione n. 4 e la posizione di frattura. Si può constatare che quanto più lontana è la linea di divisione del raffreddamento ad acqua, tanto minore è la durezza dell'estremità di tempra ritardata. Allo stesso tempo, anche la posizione della frattura è all'estremità dove la durezza è più bassa, fratture 86HB. Dalla Tabella 2 si rileva che non vi è quasi alcuna deformazione plastica sull'estremità raffreddata ad acqua. Dalla Tabella 1 si rileva che le prestazioni del campione (resistenza alla trazione 298 MPa, snervamento 266 MPa) sono significativamente ridotte. La resistenza alla trazione è di soli 298 MPa, che non raggiunge il limite di snervamento dell'estremità raffreddata ad acqua (315 MPa). L'estremità ha formato una strozzatura quando è inferiore a 315 MPa. Prima della frattura, nella zona raffreddata ad acqua si verificava solo la deformazione elastica. Quando lo stress scomparve, anche la tensione sull'estremità raffreddata ad acqua scomparve. Di conseguenza, la quantità di deformazione nella zona di raffreddamento ad acqua nella Tabella 2 non subisce quasi alcuna variazione. Il campione si rompe alla fine del rate fire ritardato, l'area deformata è ridotta e la durezza finale è minima, con conseguente riduzione significativa dei risultati prestazionali.
Prelevare campioni dall'area di tempra ritardata al 100% all'estremità del provino da 400 mm. La Figura 6 mostra la curva di durezza. La durezza della sezione parallela è ridotta a circa 83-84HB ed è relativamente stabile. A causa dello stesso processo, le prestazioni sono più o meno le stesse. Non si trova alcun modello evidente nella posizione della frattura. Le prestazioni della lega sono inferiori a quelle del campione raffreddato in acqua.
Per esplorare ulteriormente la regolarità delle prestazioni e della frattura, la sezione parallela del provino di trazione è stata selezionata vicino al punto di durezza più basso (77HB). Dalla Tabella 1 si è riscontrato che le prestazioni erano significativamente ridotte e il punto di frattura appariva nel punto di durezza più basso nella Figura 2.
2.3 Risultati dell'analisi ANSYS
La Figura 7 mostra i risultati della simulazione ANSYS delle curve di raffreddamento in diverse posizioni. Si può vedere che la temperatura del campione nell'area di raffreddamento ad acqua è scesa rapidamente. Dopo 5 s, la temperatura è scesa sotto i 100°C e, a 80 mm dalla linea di demarcazione, la temperatura è scesa a circa 210°C a 90 s. Il calo medio della temperatura è di 3,5°C/s. Dopo 90 secondi nell'area di raffreddamento dell'aria del terminal, la temperatura scende a circa 360°C, con una velocità di caduta media di 1,9°C/s.
Attraverso l'analisi delle prestazioni e i risultati della simulazione, si è riscontrato che le prestazioni dell'area di raffreddamento ad acqua e dell'area di spegnimento ritardato sono un modello di cambiamento che prima diminuisce e poi aumenta leggermente. Influenzata dal raffreddamento ad acqua vicino alla linea di divisione, la conduzione del calore fa sì che il campione in una determinata area cada ad una velocità di raffreddamento inferiore a quella del raffreddamento ad acqua (3,5°C/s). Di conseguenza, Mg2Si, che si è solidificato nella matrice, è precipitato in grandi quantità in questa zona e la temperatura è scesa a circa 210°C dopo 90 secondi. La grande quantità di Mg2Si precipitato ha portato ad un effetto minore del raffreddamento dell'acqua dopo 90 s. La quantità di fase di rinforzo Mg2Si precipitata dopo il trattamento di invecchiamento è stata notevolmente ridotta e la prestazione del campione è stata successivamente ridotta. Tuttavia, la zona di tempra ritardata lontana dalla linea di divisione è meno influenzata dalla conduzione del calore del raffreddamento ad acqua e la lega si raffredda relativamente lentamente in condizioni di raffreddamento ad aria (velocità di raffreddamento 1,9°C/s). Solo una piccola parte della fase Mg2Si precipita lentamente e la temperatura è di 360°C dopo gli anni '90. Dopo il raffreddamento ad acqua, la maggior parte della fase Mg2Si è ancora nella matrice e si disperde e precipita dopo l'invecchiamento, svolgendo un ruolo di rafforzamento.
3. Conclusione
Attraverso esperimenti è stato scoperto che la tempra ritardata farà sì che la durezza della zona di tempra ritardata all'intersezione tra la tempra normale e la tempra ritardata diminuisca prima e poi aumenti leggermente fino alla stabilizzazione definitiva.
Per la lega di alluminio 6061, le resistenze a trazione dopo tempra normale e tempra ritardata per 90 s sono rispettivamente 342 MPa e 288 MPa, e le resistenze allo snervamento sono 315 MPa e 252 MPa, entrambe conformi agli standard prestazionali del campione.
Esiste una regione con la durezza più bassa, che si riduce da 95HB a 77HB dopo la normale tempra. Anche qui le prestazioni sono le più basse, con una resistenza alla trazione di 271 MPa e una resistenza allo snervamento di 220 MPa.
Attraverso l'analisi ANSYS, si è scoperto che la velocità di raffreddamento nel punto di prestazione più basso nella zona di raffreddamento ritardato degli anni '90 è diminuita di circa 3,5°C al secondo, con conseguente soluzione solida insufficiente della fase di rafforzamento Mg2Si. Secondo questo articolo, si può vedere che il punto di pericolo prestazionale appare nell'area di tempra ritardata all'incrocio tra tempra normale e tempra ritardata, e non è lontano dalla giunzione, che ha un importante significato guida per la ragionevole ritenzione della coda di estrusione scarti del processo finale.
A cura di May Jiang di MAT Aluminium
Orario di pubblicazione: 28 agosto 2024
