Алюмініевы сплаў 6061T6 з вялікай таўшчынёй сценкі патрабуе загартоўкі пасля гарачай экструзіі. З-за абмежаванняў перарывістай экструзіі частка профілю будзе трапляць у зону вадзянога астуджэння з затрымкай. Калі працягваецца экструзія наступнага кароткага злітка, гэтая частка профілю будзе падвяргацца запаволенай загартоўцы. Як змагацца з зонай запаволенай загартоўкі - гэта пытанне, якое павінна ўлічваць кожная вытворчая кампанія. Калі адходы ў задняй частцы працэсу экструзіі кароткія, адабраныя ўзоры прадукцыйнасці часам кваліфікуюцца, а часам не. Пры паўторным адборы проб збоку прадукцыйнасць зноў кваліфікуецца. У гэтым артыкуле даецца адпаведнае тлумачэнне з дапамогай эксперыментаў.
1. Тэставыя матэрыялы і метады
Матэрыял, які выкарыстоўваўся ў гэтым эксперыменце, — гэта алюмініевы сплаў 6061. Яго хімічны склад, вымераны з дапамогай спектральнага аналізу, наступны: ён адпавядае міжнароднаму стандарту GB/T 3190-1996 на склад алюмініевага сплаву 6061.
У гэтым эксперыменце частка экструдаванага профілю была ўзята для апрацоўкі цвёрдым растворам. Профіль даўжынёй 400 мм быў падзелены на дзве зоны. Зона 1 была непасрэдна астуджана вадой і загартавана. Зона 2 астуджалася на паветры на працягу 90 секунд, а затым астуджалася вадой. Дыяграма выпрабаванняў паказана на малюнку 1.
Профіль з алюмініевага сплаву 6061, які выкарыстоўваўся ў гэтым эксперыменце, быў экструдаваны з дапамогай экструдара 4000UST. Тэмпература формы складала 500°C, тэмпература ліцейнага стрыжня — 510°C, тэмпература на выхадзе з экструзіі — 525°C, хуткасць экструзіі — 2,1 мм/с, падчас працэсу экструзіі выкарыстоўвалася высокаінтэнсіўнае вадзяное астуджэнне, а з сярэдзіны экструдаванага гатовага профілю браўся ўзор даўжынёй 400 мм. Шырыня ўзору складала 150 мм, а вышыня — 10,00 мм.
Адабраныя ўзоры былі раздзелены на часткі і зноў падвергнуты апрацоўцы растворам. Тэмпература раствора складала 530°C, а час вытрымкі — 4 гадзіны. Пасля вымання ўзоры змяшчалі ў вялікі рэзервуар для вады з глыбінёй вады 100 мм. Большы рэзервуар для вады дазваляе нязначна змяняцца тэмпературы вады ў ім пасля астуджэння ўзору ў зоне 1 вадой, што прадухіляе ўплыў павышэння тэмпературы вады на інтэнсіўнасць астуджэння вадой. Падчас працэсу астуджэння вадой неабходна сачыць за тым, каб тэмпература вады знаходзілася ў дыяпазоне 20-25°C. Загартаваныя ўзоры вытрымлівалі пры тэмпературы 165°C на працягу 8 гадзін.
Вазьміце частку ўзору даўжынёй 400 мм, шырынёй 30 мм і таўшчынёй 10 мм і правядзіце вымярэнне цвёрдасці па Брынэлю. Зрабіце 5 вымярэнняў кожныя 10 мм. Прыміце сярэдняе значэнне 5 цвёрдасцяў па Брынэлю ў якасці атрыманай цвёрдасці па Брынэлю ў гэты момант і назірайце за зменай цвёрдасці.
Былі правераны механічныя ўласцівасці профілю, і расцяжны паралельны ўчастак 60 мм кантраляваўся ў розных месцах узору 400 мм для назірання за ўласцівасцямі расцяжэння і месцазнаходжаннем разлому.
Тэмпературнае поле загартоўкі ўзору з вадзяным астуджэннем і загартоўкі пасля затрымкі 90 секунд было мадэлявана з дапамогай праграмнага забеспячэння ANSYS, і былі прааналізаваны хуткасці астуджэння профіляў у розных пазіцыях.
2. Вынікі эксперыментаў і аналіз
2.1 Вынікі выпрабаванняў на цвёрдасць
На малюнку 2 паказана крывая змены цвёрдасці ўзору даўжынёй 400 мм, вымеранай цвёрдамерам па Брынэлю (адзінка абсцысы складае 10 мм, а шкала 0 — гэта мяжа паміж нармальнай і запаволенай загартоўкай). Можна ўбачыць, што цвёрдасць на канцы з вадзяным астуджэннем стабільная на ўзроўні каля 95HB. Пасля мяжы паміж загартоўкай з вадзяным астуджэннем і загартоўкай з запаволеным астуджэннем на працягу 90 секунд цвёрдасць пачынае зніжацца, але на ранняй стадыі гэта зніжэнне павольнае. Пасля 40 мм (89HB) цвёрдасць рэзка зніжаецца і дасягае найніжэйшага значэння (77HB) пры 80 мм. Пасля 80 мм цвёрдасць не працягвае зніжацца, а да пэўнай ступені павялічваецца. Павелічэнне было адносна невялікім. Пасля 130 мм цвёрдасць заставалася нязменнай на ўзроўні каля 83HB. Можна выказаць здагадку, што з-за эфекту цеплаправоднасці хуткасць астуджэння дэталі з запаволенай загартоўкай змянілася.
2.2 Вынікі тэстаў прадукцыйнасці і аналіз
У табліцы 2 паказаны вынікі эксперыментаў на расцяжэнне, праведзеных на ўзорах, узятых з розных месцаў паралельнага сячэння. Можна выявіць, што трываласць на расцяжэнне і мяжа цякучасці ўзораў № 1 і № 2 практычна не змяніліся. Па меры павелічэння долі запаволеных загартовак канцах трываласць на расцяжэнне і мяжа цякучасці сплаву дэманструюць значную тэндэнцыю да зніжэння. Аднак трываласць на расцяжэнне ў кожным месцы адбору проб перавышае стандартную трываласць. Толькі ў зоне з найменшай цвёрдасцю мяжа цякучасці ніжэйшая за стандартную ўзорную, таму характарыстыкі ўзору не адпавядаюць патрабаванням.
На малюнку 4 паказаны вынікі вымярэння трываласці на расцяжэнне ўзору № 3. З малюнка 4 відаць, што чым далей ад лініі падзелу, тым ніжэйшая цвёрдасць канца з запаволенай загартоўкай. Зніжэнне цвёрдасці сведчыць аб зніжэнні характарыстык узору, але цвёрдасць змяншаецца павольна, змяншаючыся толькі з 95HB да прыблізна 91HB у канцы паралельнага ўчастка. Як відаць з вынікаў вымярэнняў у табліцы 1, трываласць на расцяжэнне знізілася з 342 МПа да 320 МПа пры вадзяным астуджэнні. У той жа час было выяўлена, што кропка разлому ўзору пры расцяжэнні таксама знаходзіцца ў канцы паралельнага ўчастка з найменшай цвёрдасцю. Гэта звязана з тым, што ён знаходзіцца далёка ад вадзянога астуджэння, характарыстыкі сплаву зніжаюцца, і канец першым дасягае мяжы трываласці на расцяжэнне, утвараючы сцісканне. Нарэшце, разлом адбываецца ў кропцы найменшай трываласці, і становішча разлому адпавядае вынікам выпрабаванняў на трываласць.
На малюнку 5 паказана крывая цвёрдасці паралельнага сячэння ўзору № 4 і месца разлому. Можна заўважыць, што чым далей ад лініі падзелу вадзянога астуджэння, тым ніжэйшая цвёрдасць канца з запаволенай загартоўкай. У той жа час месца разлому таксама знаходзіцца на канцы з найменшай цвёрдасцю, разломы складаюць 86HB. З табліцы 2 відаць, што на канцы з вадзяным астуджэннем практычна адсутнічае пластычная дэфармацыя. З табліцы 1 відаць, што характарыстыкі ўзору (трываласць на расцяжэнне 298 МПа, мяжа цякучасці 266 МПа) значна зніжаюцца. Трываласць на расцяжэнне складае ўсяго 298 МПа, што не дасягае мяжы цякучасці канца з вадзяным астуджэннем (315 МПа). Пры мяжы цякучасці канца ўтвараецца сцісканне, калі яно ніжэйшае за 315 МПа. Да разлому ў зоне вадзянога астуджэння адбывалася толькі пругкая дэфармацыя. Па меры знікнення напружання знікала і дэфармацыя на канцы з вадзяным астуджэннем. У выніку велічыня дэфармацыі ў зоне вадзянога астуджэння ў табліцы 2 практычна не змяняецца. У канцы стральбы з запаволенай хуткасцю ўзор ламаецца, дэфармаваная плошча памяншаецца, а цвёрдасць канца мінімальная, што прыводзіць да значнага зніжэння вынікаў прадукцыйнасці.
Вазьміце ўзоры з зоны 100% запаволенай загартоўкі ў канцы ўзору даўжынёй 400 мм. Крывая цвёрдасці паказана на малюнку 6. Цвёрдасць паралельнага ўчастка зніжаецца прыкладна да 83-84HB і застаецца адносна стабільнай. Дзякуючы таму ж працэсу, характарыстыкі прыкладна аднолькавыя. У месцы разлому відавочнай заканамернасці не выяўлена. Характарыстыкі сплаву ніжэйшыя, чым у ўзору, загартаванага ў вадзе.
Для далейшага вывучэння заканамернасцей характарыстык і разлому паралельны ўчастак узору для расцяжэння быў абраны паблізу самай нізкай кропкі цвёрдасці (77HB). З табліцы 1 вынікае, што характарыстыкі значна знізіліся, і кропка разлому з'явілася ў самай нізкай кропцы цвёрдасці на малюнку 2.
2.3 Вынікі аналізу ANSYS
На малюнку 7 паказаны вынікі мадэлявання крывых астуджэння з дапамогай ANSYS у розных пазіцыях. Відаць, што тэмпература ўзору ў зоне вадзянога астуджэння хутка зніжалася. Праз 5 секунд тэмпература ўпала ніжэй за 100°C, а на адлегласці 80 мм ад лініі падзелу тэмпература ўпала прыкладна да 210°C пры 90 секундах. Сярэдняе падзенне тэмпературы складае 3,5°C/с. Праз 90 секунд у зоне астуджэння паветрам на канцавым участку тэмпература знізілася прыкладна да 360°C, з сярэдняй хуткасцю падзення 1,9°C/с.
У выніку аналізу прадукцыйнасці і вынікаў мадэлявання было ўстаноўлена, што прадукцыйнасць зоны вадзянога астуджэння і зоны запаволенай загартоўкі спачатку змяншаецца, а потым нязначна павялічваецца. Пад уздзеяннем вадзянога астуджэння паблізу лініі падзелу цеплаправоднасць прыводзіць да таго, што ўзор у пэўнай зоне апускаецца з хуткасцю астуджэння меншай, чым пры вадзяным астуджэнні (3,5°C/с). У выніку Mg2Si, які зацвярдзеў у матрыцы, выпаў у гэтай зоне ў вялікай колькасці, і тэмпература праз 90 секунд знізілася прыкладна да 210°C. Вялікая колькасць выпалага Mg2Si прывяла да меншага эфекту вадзянога астуджэння праз 90 секунд. Колькасць фазы ўмацавання Mg2Si, якая выпала пасля апрацоўкі старэннем, значна знізілася, і ў выніку прадукцыйнасць узору знізілася. Аднак зона запаволенай загартоўкі, далёка ад лініі падзелу, менш залежыць ад цеплаправоднасці вадзянога астуджэння, і сплаў астывае адносна павольна ва ўмовах паветранага астуджэння (хуткасць астуджэння 1,9°C/с). Толькі невялікая частка фазы Mg2Si павольна выпадае ў асадак, і тэмпература праз 90 секунд складае 360°C. Пасля астуджэння вадой большая частка фазы Mg2Si ўсё яшчэ знаходзіцца ў матрыцы, і пасля старэння яна рассейваецца і выпадае ў асадак, што адыгрывае ролю ўмацавання.
3. Заключэнне
Эксперыментальна было ўстаноўлена, што запаволеная загартоўка спачатку прывядзе да зніжэння цвёрдасці зоны запаволенай загартоўкі на скрыжаванні нармальнай і запаволенай загартоўкі, а затым да нязначнага павелічэння, пакуль яна канчаткова не стабілізуецца.
Для алюмініевага сплаву 6061 трываласць на расцяжэнне пасля нармальнай загартоўкі і запаволенай загартоўкі на працягу 90 секунд складае 342 МПа і 288 МПа адпаведна, а мяжа цякучасці — 315 МПа і 252 МПа, што адпавядае стандартам эксплуатацыйных характарыстык узору.
Існуе вобласць з найменшай цвёрдасцю, якая пасля звычайнай загартоўкі зніжаецца з 95HB да 77HB. Характарыстыкі тут таксама самыя нізкія: трываласць на расцяжэнне 271 МПа і мяжа цякучасці 220 МПа.
З дапамогай аналізу ANSYS было выяўлена, што хуткасць астуджэння ў найніжэйшай кропцы прадукцыйнасці ў зоне запаволенай загартоўкі 90-х гадоў знізілася прыблізна на 3,5°C у секунду, што прывяло да недастатковага цвёрдага раствора фазы ўмацоўвальнай фазы Mg2Si. Згодна з гэтым артыкулам, можна бачыць, што кропка небяспекі прадукцыйнасці з'яўляецца ў зоне запаволенай загартоўкі на стыку нармальнай загартоўкі і запаволенай загартоўкі і знаходзіцца недалёка ад стыку, што мае важнае кіруючае значэнне для разумнага ўтрымання адходаў экструзійнага працэсу.
Пад рэдакцыяй Мэй Цзян з MAT Aluminum
Час публікацыі: 28 жніўня 2024 г.
