La lega di alluminio 6061T6 a parete spessa deve essere temprata dopo l'estrusione a caldo. A causa dei limiti dell'estrusione discontinua, una parte del profilo entrerà nella zona di raffreddamento ad acqua con un certo ritardo. Quando si continua a estrudere il successivo lingotto corto, questa parte del profilo subirà una tempra ritardata. Come gestire l'area di tempra ritardata è un problema che ogni azienda di produzione deve considerare. Quando lo scarto del processo di estrusione finale è scarso, i campioni di prestazioni prelevati a volte sono qualificati e a volte non qualificati. Quando si esegue un nuovo campionamento laterale, le prestazioni vengono nuovamente qualificate. 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: conforme allo standard internazionale GB/T 3190-1996 sulla composizione della lega di alluminio 6061.
In questo esperimento, una parte del profilo estruso è stata sottoposta a trattamento di soluzione solida. Il profilo, lungo 400 mm, è stato suddiviso in due aree. L'area 1 è stata raffreddata direttamente ad acqua e sottoposta a tempra. L'area 2 è stata raffreddata in aria per 90 secondi e successivamente raffreddata ad acqua. Il diagramma del test è mostrato in Figura 1.
Il profilo in lega di alluminio 6061 utilizzato in questo esperimento è stato estruso con un estrusore 4000UST. La temperatura dello stampo è di 500 °C, la temperatura della barra di colata è di 510 °C, la temperatura di uscita dell'estrusione è di 525 °C, la velocità di estrusione è di 2,1 mm/s, il processo di estrusione è raffreddato ad acqua ad alta intensità e un provino lungo 400 mm viene prelevato dal centro del profilo finito estruso. La larghezza del campione è di 150 mm e l'altezza di 10,00 mm.
I campioni prelevati sono stati suddivisi e quindi sottoposti nuovamente al trattamento di soluzione. La temperatura della soluzione era di 530 °C e il tempo di soluzione di 4 ore. Dopo il prelievo, i campioni sono stati immersi in un ampio serbatoio d'acqua con una profondità di 100 mm. Un serbatoio più ampio garantisce che la temperatura dell'acqua al suo interno vari di poco dopo il raffreddamento ad acqua del campione nella zona 1, evitando che l'aumento di temperatura dell'acqua influisca sull'intensità del raffreddamento ad acqua. Durante il processo di raffreddamento ad acqua, assicurarsi che la temperatura dell'acqua sia compresa tra 20 e 25 °C. I campioni temprati sono stati invecchiati a 165 °C per 8 ore.
Prelevare una porzione del campione lunga 400 mm, larga 30 mm e spessa 10 mm ed eseguire una prova di durezza Brinell. Eseguire 5 misurazioni ogni 10 mm. Prendere il valore medio delle 5 durezze Brinell come risultato della durezza Brinell a questo punto e osservare l'andamento 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 del quenching con raffreddamento ad acqua del campione e del quenching 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 del test di durezza
La Figura 2 mostra la curva di variazione della durezza di un campione lungo 400 mm misurata con 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 osservare che la durezza all'estremità raffreddata ad acqua è stabile a circa 95 HB. Dopo la linea di demarcazione tra tempra con raffreddamento ad acqua e tempra ritardata a 90 s con raffreddamento ad acqua, la durezza inizia a diminuire, ma la velocità di diminuzione è lenta nella fase iniziale. Dopo 40 mm (89 HB), la durezza diminuisce bruscamente, raggiungendo il valore più basso (77 HB) 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 modesto. Dopo 130 mm, la durezza è rimasta invariata a circa 83 HB. Si può supporre che a causa dell'effetto della conduzione del calore, la velocità di raffreddamento della parte sottoposta 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 osservare che la resistenza a trazione e lo snervamento dei campioni n. 1 e n. 2 non subiscono praticamente alcuna variazione. All'aumentare della percentuale di estremità con tempra ritardata, la resistenza a trazione e lo snervamento della lega mostrano una significativa tendenza al ribasso. Tuttavia, la resistenza a trazione in ciascun punto di campionamento è superiore alla resistenza standard. Solo nell'area con la durezza più bassa, dove la resistenza allo snervamento è inferiore allo standard del campione, le prestazioni del campione non sono qualificate.
La Figura 4 mostra i risultati delle proprietà di trazione del campione n. 3. Dalla Figura 4 si può osservare che più ci si allontana dalla linea di demarcazione, minore è la durezza dell'estremità sottoposta a tempra ritardata. La diminuzione della durezza indica una riduzione delle prestazioni del campione, ma la durezza diminuisce lentamente, passando da 95 HB a circa 91 HB solo all'estremità della sezione parallela. Come si può osservare dai risultati delle prestazioni nella Tabella 1, la resistenza a trazione è diminuita da 342 MPa a 320 MPa con il raffreddamento ad acqua. Allo stesso tempo, si è riscontrato che il punto di frattura del campione sottoposto a trazione si trova anch'esso all'estremità della sezione parallela con la durezza più bassa. Questo perché, essendo lontano dal raffreddamento ad acqua, le prestazioni della lega si riducono e l'estremità raggiunge per prima il limite di resistenza a trazione, formando una strozzatura. Infine, la rottura avviene a partire dal punto con le prestazioni più basse e la posizione della rottura è coerente con i risultati del test di prestazione.
La Figura 5 mostra la curva di durezza della sezione parallela del campione n. 4 e la posizione della frattura. Si può osservare che più ci si allontana dalla linea di demarcazione del raffreddamento ad acqua, minore è la durezza dell'estremità sottoposta a tempra ritardata. Allo stesso tempo, la frattura si trova anche all'estremità con la durezza più bassa, ovvero con fratture pari a 86HB. Dalla Tabella 2, si osserva che non vi è quasi alcuna deformazione plastica all'estremità raffreddata ad acqua. Dalla Tabella 1, si osserva 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 la resistenza allo snervamento dell'estremità raffreddata ad acqua (315 MPa). L'estremità presenta una strozzatura quando la resistenza è inferiore a 315 MPa. Prima della frattura, si verificava solo una deformazione elastica nell'area raffreddata ad acqua. Con la scomparsa dello stress, anche la deformazione all'estremità raffreddata ad acqua è scomparsa. Di conseguenza, l'entità della deformazione nella zona di raffreddamento ad acqua riportata nella Tabella 2 non subisce praticamente alcuna variazione. Il campione si rompe al termine della fase di fuoco ritardata, l'area deformata si riduce e la durezza finale è minima, con conseguente significativa riduzione delle prestazioni.
Prelevare campioni dall'area di tempra ritardata al 100% all'estremità del campione da 400 mm. La Figura 6 mostra la curva di durezza. La durezza della sezione parallela si riduce a circa 83-84 HB ed è relativamente stabile. Grazie allo stesso processo, le prestazioni sono pressoché identiche. Non si osserva alcun andamento evidente nella posizione di frattura. Le prestazioni della lega sono inferiori a quelle del campione temprato in acqua.
Per approfondire ulteriormente la regolarità delle prestazioni e della frattura, la sezione parallela del provino di trazione è stata selezionata in prossimità del punto di durezza più basso (77HB). Dalla Tabella 1, si è riscontrato che le prestazioni erano significativamente ridotte e che il punto di frattura si trovava nel punto di durezza più basso in 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 osservare che la temperatura del campione nell'area di raffreddamento ad acqua è scesa rapidamente. Dopo 5 secondi, la temperatura è scesa sotto i 100 °C e, a 80 mm dalla linea di demarcazione, è scesa a circa 210 °C in 90 secondi. La caduta di temperatura media è di 3,5 °C/s. Dopo 90 secondi nell'area di raffreddamento ad aria terminale, 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 delle simulazioni, si è scoperto che le prestazioni dell'area di raffreddamento ad acqua e dell'area di tempra ritardata seguono un modello di variazione che prima diminuisce e poi aumenta leggermente. Influenzata dal raffreddamento ad acqua in prossimità della linea di demarcazione, la conduzione termica fa sì che il campione in una determinata area si abbassi a 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 quest'area e la temperatura è scesa a circa 210 °C dopo 90 secondi. L'elevata quantità di Mg₂Si precipitata ha portato a un minore effetto del raffreddamento ad acqua dopo 90 secondi. La quantità di fase di rafforzamento Mg₂Si precipitata dopo il trattamento di invecchiamento è stata notevolmente ridotta e le prestazioni del campione sono state di conseguenza ridotte. Tuttavia, la zona di tempra ritardata lontana dalla linea di demarcazione è meno influenzata dalla conduzione termica 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 raggiunge i 360 °C dopo 90 secondi. Dopo il raffreddamento ad acqua, la maggior parte della fase Mg2Si è ancora presente nella matrice e si disperde e precipita dopo l'invecchiamento, svolgendo un ruolo di rafforzamento.
3. Conclusion
Attraverso esperimenti è stato scoperto che la tempra ritardata provoca una prima diminuzione della durezza della zona di tempra ritardata all'intersezione tra tempra normale e tempra ritardata, per poi aumentarla leggermente fino a stabilizzarsi.
Per la lega di alluminio 6061, la resistenza alla trazione dopo tempra normale e tempra ritardata per 90 s è rispettivamente di 342 MPa e 288 MPa, mentre la resistenza allo snervamento è di 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 tempra normale. Anche in questo caso, le prestazioni sono le più basse, con una resistenza alla trazione di 271 MPa e uno snervamento di 220 MPa.
Attraverso l'analisi ANSYS, è stato riscontrato che la velocità di raffreddamento nel punto di prestazioni più basse nella zona di tempra ritardata a 90°C è diminuita di circa 3,5 °C al secondo, con conseguente insufficiente soluzione solida della fase di rinforzo Mg2Si. Secondo questo articolo, si può osservare che il punto di pericolo per le prestazioni si verifica nell'area di tempra ritardata, in corrispondenza della giunzione tra tempra normale e tempra ritardata, e non è lontano dalla giunzione, il che ha un'importante importanza guida per la ragionevole conservazione degli scarti di processo del terminale di estrusione.
A cura di May Jiang di MAT Aluminum
Data di pubblicazione: 28 agosto 2024
