Hloubková analýza: Vliv normálního kalení a zpožděného kalení na vlastnosti hliníkové slitiny 6061

Hloubková analýza: Vliv normálního kalení a zpožděného kalení na vlastnosti hliníkové slitiny 6061

1706793819550

Hliníková slitina 6061T6 s velkou tloušťkou stěny musí být po horkém protlačování kalena. Vzhledem k omezením diskontinuálního protlačování vstoupí část profilu do zóny vodního chlazení se zpožděním. Při pokračování protlačování dalšího krátkého ingotu bude tato část profilu podléhat zpožděnému kalení. Jak se vypořádat s oblastí zpožděného kalení je problém, který musí každá výrobní společnost zvážit. Pokud je odpad na konci procesu protlačování krátký, odebrané vzorky výkonu jsou někdy kvalifikované a někdy nekvalifikované. Při opětovném vzorkování ze strany je výkon znovu kvalifikován. Tento článek poskytuje odpovídající vysvětlení pomocí experimentů.

1. Testovací materiály a metody

Materiál použitý v tomto experimentu je hliníková slitina 6061. Její chemické složení měřené spektrální analýzou je následující: Splňuje mezinárodní normu GB/T 3190-1996 pro složení hliníkové slitiny 6061.

1706793046239

V tomto experimentu byla část extrudovaného profilu odebrána pro úpravu pevným roztokem. Profil o délce 400 mm byl rozdělen na dvě oblasti. Oblast 1 byla přímo chlazena vodou a kalena. Oblast 2 byla chlazena na vzduchu po dobu 90 sekund a poté chlazena vodou. Zkušební diagram je znázorněn na obrázku 1.

Profil ze slitiny hliníku 6061 použitý v tomto experimentu byl vytlačován extrudérem 4000UST. Teplota formy je 500 °C, teplota licí tyče je 510 °C, výstupní teplota extruze je 525 °C, rychlost extruze je 2,1 mm/s, během procesu extruze je použito intenzivní vodní chlazení a zkušební vzorek o délce 400 mm je odebrán ze středu vytlačeného hotového profilu. Šířka vzorku je 150 mm a výška 10,00 mm.

 1706793069523

Odebrané vzorky byly rozděleny a poté znovu podrobeny ochlazení roztokem. Teplota roztoku byla 530 °C a doba ochlazení 4 hodiny. Po vyjmutí byly vzorky umístěny do velké vodní nádrže s hloubkou vody 100 mm. Větší vodní nádrž zajišťuje, že se teplota vody v nádrži po ochlazení vzorku v zóně 1 vodou mění jen málo, čímž se zabrání tomu, aby zvýšení teploty vody ovlivnilo intenzitu ochlazování vodou. Během procesu ochlazování vodou je třeba zajistit, aby teplota vody byla v rozmezí 20–25 °C. Kalené vzorky byly zrát při 165 °C po dobu 8 hodin.

Vezměte část vzorku o délce 400 mm, šířce 30 mm a tloušťce 10 mm a proveďte zkoušku tvrdosti dle Brinella. Proveďte 5 měření každých 10 mm. Jako výslednou tvrdost dle Brinella v tomto bodě vezměte průměrnou hodnotu 5 tvrdostí dle Brinella a pozorujte změnu tvrdosti.

Byly testovány mechanické vlastnosti profilu a tahový rovnoběžný úsek o délce 60 mm byl kontrolován v různých polohách vzorku o délce 400 mm za účelem pozorování tahových vlastností a umístění lomu.

Teplotní pole kalení vzorku chlazeného vodou a kalení po 90s zpoždění bylo simulováno pomocí softwaru ANSYS a byly analyzovány rychlosti chlazení profilů v různých polohách.

2. Experimentální výsledky a analýza

2.1 Výsledky testů tvrdosti

Obrázek 2 ukazuje křivku změny tvrdosti vzorku o délce 400 mm měřeného Brinellovim tvrdoměrem (jednotková délka na ose x představuje 10 mm a stupnice 0 je dělicí čára mezi normálním kalením a zpožděným kalením). Je zjištěno, že tvrdost na vodou chlazeném konci je stabilní na hodnotě kolem 95 HB. Za dělicí čárou mezi kalením vodou chlazeným a zpožděným kalením vodou po 90 s začíná tvrdost klesat, ale tempo poklesu je v rané fázi pomalé. Po 40 mm (89 HB) tvrdost prudce klesá a při 80 mm klesá na nejnižší hodnotu (77 HB). Po 80 mm tvrdost již neklesala, ale do určité míry se zvyšovala. Zvýšení bylo relativně malé. Po 130 mm zůstala tvrdost nezměněna na hodnotě kolem 83 HB. Lze spekulovat, že v důsledku vedení tepla se rychlost chlazení zpožděné části změnila.

 1706793092069

2.2 Výsledky a analýza výkonnostních testů

Tabulka 2 ukazuje výsledky tahových experimentů provedených na vzorcích odebraných z různých poloh rovnoběžného řezu. Je zjištěno, že pevnost v tahu a mez kluzu vzorků č. 1 a č. 2 se téměř nemění. S rostoucím podílem zpožděných kalených konců vykazuje pevnost v tahu a mez kluzu slitiny výrazný klesající trend. Pevnost v tahu v každém místě odběru vzorku je však nad standardní pevností. Pouze v oblasti s nejnižší tvrdostí je mez kluzu nižší než standardní vzorek, takže výkon vzorku je nekvalifikovaný.

1706793108938

1706793351215

Obrázek 3 ukazuje křivku rozložení tvrdosti 60cm rovnoběžného úseku vzorku. Je zřejmé, že oblast lomu vzorku se nachází v bodě zpožděného kalení po 90 s. Ačkoli tvrdost má klesající trend, pokles není kvůli krátké vzdálenosti významný. Tabulka 3 ukazuje změny délky vzorků s vodou chlazeným a zpožděným kalením na konci před a po natažení. Když vzorek č. 2 dosáhne maximální meze pevnosti v tahu, je deformace 8,69 %. Odpovídající posunutí deformace 60mm rovnoběžného úseku je 5,2 mm. Po dosažení meze pevnosti v tahu se zpožděné kalení zlomí. To ukazuje, že zpožděné kalení začíná po dosažení meze pevnosti v tahu vzorku podléhat nerovnoměrné plastické deformaci a vytváří zúžení. Druhý konec vodou chlazeného konce se již nemění v posunu, takže ke změně posunu vodou chlazeného konce dochází pouze před dosažením meze pevnosti v tahu. Podle změny velikosti vodou chlazeného 80% vzorku před a po natažení, která je 4,17 mm v tabulce 2, lze vypočítat, že velikost změny konce zpožděného kalení, když vzorek dosáhne meze pevnosti v tahu, je 1,03 mm, poměr změny je přibližně 4:1, což je v podstatě v souladu s odpovídajícím poměrem stavů. To ukazuje, že před dosažením meze pevnosti v tahu vzorek prochází jak vodou chlazená část, tak i část zpožděného kalení rovnoměrnou plastickou deformací a velikost deformace je konzistentní. Lze usoudit, že úsek s 20% zpožděným kalením je ovlivněn vedením tepla a intenzita chlazení je v podstatě stejná jako u chlazení vodou, což v konečném důsledku vede k tomu, že výkon vzorku č. 2 je zhruba stejný jako u vzorku č. 1.
1706793369674

Obrázek 4 ukazuje výsledky tahových vlastností vzorku č. 3. Z obrázku 4 je patrné, že čím dále od dělicí čáry, tím nižší je tvrdost na konci s opožděným kalením. Pokles tvrdosti naznačuje, že se výkon vzorku snižuje, ale tvrdost klesá pomalu, a to pouze z 95HB na přibližně 91HB na konci rovnoběžné sekce. Jak je patrné z výsledků výkonových vlastností v tabulce 1, pevnost v tahu se při chlazení vodou snížila z 342 MPa na 320 MPa. Zároveň bylo zjištěno, že bod lomu tahového vzorku se nachází také na konci rovnoběžné sekce s nejnižší tvrdostí. Je to proto, že je daleko od chlazení vodou, výkon slitiny se snižuje a konec dosáhne meze pevnosti v tahu jako první, čímž se vytvoří zúžení. Nakonec se lom od nejnižšího bodu výkonových vlastností odpovídá výsledkům testu výkonových vlastností.

Obrázek 5 ukazuje křivku tvrdosti rovnoběžného řezu vzorku č. 4 a polohu lomu. Je zřejmé, že čím dále od dělicí linie vodou chlazeného konce, tím nižší je tvrdost konce s opožděným kalením. Zároveň se místo lomu nachází na konci s nejnižší tvrdostí, lomy 86HB. Z tabulky 2 vyplývá, že na vodou chlazeném konci nedochází téměř k žádné plastické deformaci. Z tabulky 1 vyplývá, že výkon vzorku (pevnost v tahu 298 MPa, mez kluzu 266 MPa) je výrazně snížen. Pevnost v tahu je pouze 298 MPa, což nedosahuje meze kluzu vodou chlazeného konce (315 MPa). Konec se zúžil, když je jeho mez nižší než 315 MPa. Před lomem docházelo ve vodou chlazené oblasti pouze k elastické deformaci. S úbytkem napětí zmizelo i deformace na vodou chlazeném konci. V důsledku toho se velikost deformace v zóně vodou chlazené v tabulce 2 téměř nezměnila. Vzorek se na konci střelby s opožděnou rychlostí zlomí, deformovaná plocha se zmenší a koncová tvrdost je nejnižší, což má za následek výrazné snížení výkonnostních výsledků.

1706793411153

Odeberte vzorky ze 100% oblasti zpožděného kalení na konci vzorku o délce 400 mm. Obrázek 6 ukazuje křivku tvrdosti. Tvrdost paralelní části se snížila na přibližně 83-84HB a je relativně stabilní. Díky stejnému procesu je výkon zhruba stejný. V poloze lomu není patrný žádný zjevný vzorec. Výkon slitiny je nižší než u vzorku kalené ve vodě.

1706793453573

Pro další zkoumání pravidelnosti chování a lomu byl vybrán rovnoběžný řez tahovým vzorkem poblíž nejnižšího bodu tvrdosti (77HB). Z tabulky 1 bylo zjištěno, že chování bylo výrazně sníženo a bod lomu se na obrázku 2 objevil v nejnižším bodě tvrdosti.

2.3 Výsledky analýzy ANSYS

Obrázek 7 ukazuje výsledky simulace křivek ochlazování v různých polohách pomocí ANSYS. Je vidět, že teplota vzorku v oblasti chlazení vodou prudce klesla. Po 5 s klesla teplota pod 100 °C a ve vzdálenosti 80 mm od dělicí čáry klesla teplota po 90 s na přibližně 210 °C. Průměrný pokles teploty je 3,5 °C/s. Po 90 sekundách v oblasti koncového chlazení vzduchem klesla teplota na přibližně 360 °C s průměrnou rychlostí poklesu 1,9 °C/s.

1706793472746

Prostřednictvím analýzy výkonu a výsledků simulace bylo zjištěno, že výkon oblasti chlazení vodou a oblasti zpožděného kalení se nejprve snižuje a poté mírně zvyšuje. Vlivem chlazení vodou v blízkosti dělicí linie způsobuje vedení tepla, že vzorek v určité oblasti klesá rychlostí chlazení nižší než při chlazení vodou (3,5 °C/s). V důsledku toho se Mg2Si, který ztuhl v matrici, v této oblasti vysrážel ve velkém množství a teplota po 90 sekundách klesla na přibližně 210 °C. Velké množství vysráženého Mg2Si vedlo k menšímu účinku chlazení vodou po 90 s. Množství zpevňující fáze Mg2Si vysrážené po stárnutí se výrazně snížilo a následně se snížil i výkon vzorku. Zóna zpožděného kalení daleko od dělicí linie je však méně ovlivněna vedením tepla chlazení vodou a slitina se za podmínek chlazení vzduchem ochlazuje relativně pomalu (rychlost chlazení 1,9 °C/s). Pouze malá část fáze Mg2Si se pomalu vysráží a teplota je po 90 s 360 °C. Po ochlazení vodou je většina fáze Mg2Si stále v matrici a po stárnutí se disperguje a vysráží, což hraje zpevňující roli.

3. Závěr

Experimenty ukázaly, že opožděné kalení způsobí, že tvrdost zóny opožděného kalení na průsečíku normálního a opožděného kalení nejprve klesne a poté se mírně zvýší, až se nakonec stabilizuje.

Pro hliníkovou slitinu 6061 jsou pevnosti v tahu po normálním kalení a zpožděném kalení po dobu 90 s 342 MPa a 288 MPa a mez kluzu jsou 315 MPa a 252 MPa, což obě hodnoty splňuje normy pro výkon vzorku.

Existuje oblast s nejnižší tvrdostí, která se po normálním kalení sníží z 95HB na 77HB. Výkonnost je zde také nejnižší, s pevností v tahu 271 MPa a mezí kluzu 220 MPa.

Analýzou ANSYS bylo zjištěno, že rychlost ochlazování v nejnižším bodě výkonu v zóně zpožděného kalení v 90. letech se snížila přibližně o 3,5 °C za sekundu, což vedlo k nedostatečnému množství pevného roztoku zpevňující fáze Mg2Si. Z tohoto článku vyplývá, že nebezpečný bod výkonu se objevuje v oblasti zpožděného kalení na rozhraní normálního a zpožděného kalení a není daleko od tohoto rozhraní, což má důležitý směrodatný význam pro rozumné zadržování odpadu z procesu extruze.

Upraveno May Jiang z MAT Aluminum


Čas zveřejnění: 28. srpna 2024