Hợp kim nhôm 6061T6 có độ dày thành lớn cần được tôi sau khi đùn nóng. Do hạn chế của quá trình đùn không liên tục, một phần của cấu hình sẽ đi vào vùng làm mát bằng nước với độ trễ. Khi thỏi ngắn tiếp theo được tiếp tục đùn, phần cấu hình này sẽ trải qua quá trình tôi chậm. Cách xử lý khu vực tôi chậm là vấn đề mà mọi công ty sản xuất cần cân nhắc. Khi chất thải của quá trình đùn đuôi ngắn, các mẫu hiệu suất được lấy đôi khi có chất lượng và đôi khi không đủ tiêu chuẩn. Khi lấy mẫu lại từ bên cạnh, hiệu suất được xác nhận lại. Bài viết này đưa ra lời giải thích tương ứng thông qua các thí nghiệm.
1. Vật liệu và phương pháp thử nghiệm
Vật liệu sử dụng trong thí nghiệm này là hợp kim nhôm 6061. Thành phần hóa học của nó được đo bằng phân tích quang phổ như sau: Nó tuân thủ tiêu chuẩn thành phần hợp kim nhôm 6061 quốc tế GB/T 3190-1996.
Trong thí nghiệm này, một phần của thanh đùn được lấy để xử lý dung dịch rắn. Thanh dài 400mm được chia thành hai vùng. Vùng 1 được làm mát trực tiếp bằng nước và làm nguội. Vùng 2 được làm mát trong không khí trong 90 giây rồi làm mát bằng nước. Sơ đồ thử nghiệm được thể hiện trong Hình 1.
Hồ sơ hợp kim nhôm 6061 được sử dụng trong thí nghiệm này được đùn bằng máy đùn 4000UST. Nhiệt độ khuôn là 500°C, nhiệt độ thanh đúc là 510°C, nhiệt độ đầu ra đùn là 525°C, tốc độ đùn là 2,1mm/giây, sử dụng làm mát nước cường độ cao trong quá trình đùn và lấy mẫu thử dài 400mm từ giữa hồ sơ thành phẩm đùn. Chiều rộng mẫu là 150mm và chiều cao là 10,00mm.
Các mẫu đã lấy được phân chia và sau đó lại được xử lý bằng dung dịch. Nhiệt độ dung dịch là 530°C và thời gian xử lý là 4 giờ. Sau khi lấy ra, các mẫu được đặt trong một bể nước lớn có độ sâu nước là 100mm. Bể nước lớn hơn có thể đảm bảo rằng nhiệt độ nước trong bể nước thay đổi ít sau khi mẫu ở vùng 1 được làm mát bằng nước, ngăn không cho nhiệt độ nước tăng ảnh hưởng đến cường độ làm mát bằng nước. Trong quá trình làm mát bằng nước, đảm bảo rằng nhiệt độ nước nằm trong khoảng 20-25°C. Các mẫu đã làm nguội được ủ ở 165°C*8h.
Lấy một phần mẫu dài 400mm rộng 30mm dày 10mm và thực hiện thử nghiệm độ cứng Brinell. Thực hiện 5 phép đo sau mỗi 10mm. Lấy giá trị trung bình của 5 độ cứng Brinell làm kết quả độ cứng Brinell tại thời điểm này và quan sát mô hình thay đổi độ cứng.
Các tính chất cơ học của cấu hình đã được thử nghiệm và phần song song chịu kéo 60mm được kiểm soát ở các vị trí khác nhau của mẫu 400mm để quan sát các tính chất chịu kéo và vị trí gãy.
Trường nhiệt độ của quá trình làm nguội mẫu bằng nước và quá trình làm nguội sau thời gian trễ 90 giây đã được mô phỏng thông qua phần mềm ANSYS và tốc độ làm nguội của các cấu hình ở các vị trí khác nhau đã được phân tích.
2. Kết quả thực nghiệm và phân tích
2.1 Kết quả kiểm tra độ cứng
Hình 2 cho thấy đường cong thay đổi độ cứng của mẫu dài 400mm được đo bằng máy kiểm tra độ cứng Brinell (chiều dài đơn vị của trục hoành biểu thị 10mm và thang số 0 là đường phân chia giữa làm nguội thông thường và làm nguội chậm). Có thể thấy rằng độ cứng ở đầu làm mát bằng nước ổn định ở mức khoảng 95HB. Sau đường phân chia giữa làm nguội bằng nước và làm nguội chậm 90s, độ cứng bắt đầu giảm, nhưng tốc độ giảm chậm trong giai đoạn đầu. Sau 40mm (89HB), độ cứng giảm mạnh và xuống giá trị thấp nhất (77HB) ở 80mm. Sau 80mm, độ cứng không tiếp tục giảm mà tăng lên ở một mức độ nhất định. Mức tăng tương đối nhỏ. Sau 130mm, độ cứng vẫn không đổi ở mức khoảng 83HB. Có thể suy đoán rằng do tác động của dẫn nhiệt, tốc độ làm mát của phần làm nguội chậm đã thay đổi.
2.2 Kết quả thử nghiệm hiệu suất và phân tích
Bảng 2 cho thấy kết quả thí nghiệm kéo được tiến hành trên các mẫu lấy từ các vị trí khác nhau của phần song song. Có thể thấy rằng độ bền kéo và giới hạn chảy của số 1 và số 2 hầu như không thay đổi. Khi tỷ lệ các đầu làm nguội chậm tăng lên, độ bền kéo và giới hạn chảy của hợp kim cho thấy xu hướng giảm đáng kể. Tuy nhiên, độ bền kéo tại mỗi vị trí lấy mẫu đều cao hơn độ bền tiêu chuẩn. Chỉ ở khu vực có độ cứng thấp nhất, độ bền chảy thấp hơn tiêu chuẩn mẫu, hiệu suất mẫu không đạt yêu cầu.
Hình 4 cho thấy kết quả tính chất kéo của mẫu số 3. Có thể thấy từ Hình 4, càng xa đường phân chia, độ cứng của đầu làm nguội chậm càng thấp. Độ cứng giảm cho thấy hiệu suất của mẫu giảm, nhưng độ cứng giảm chậm, chỉ giảm từ 95HB xuống khoảng 91HB ở cuối phần song song. Như có thể thấy từ kết quả hiệu suất trong Bảng 1, độ bền kéo giảm từ 342MPa xuống 320MPa khi làm mát bằng nước. Đồng thời, người ta thấy rằng điểm gãy của mẫu kéo cũng nằm ở cuối phần song song có độ cứng thấp nhất. Điều này là do ở xa nơi làm mát bằng nước, hiệu suất hợp kim bị giảm và đầu đạt đến giới hạn độ bền kéo trước tiên để tạo thành một cổ chai. Cuối cùng, đứt từ điểm hiệu suất thấp nhất và vị trí đứt phù hợp với kết quả thử nghiệm hiệu suất.
Hình 5 cho thấy đường cong độ cứng của phần song song của mẫu số 4 và vị trí gãy. Có thể thấy rằng càng xa đường phân chia làm mát bằng nước thì độ cứng của đầu làm nguội chậm càng thấp. Đồng thời, vị trí gãy cũng nằm ở đầu có độ cứng thấp nhất, gãy 86HB. Từ Bảng 2, thấy rằng hầu như không có biến dạng dẻo ở đầu làm mát bằng nước. Từ Bảng 1, thấy rằng hiệu suất mẫu (độ bền kéo 298MPa, giới hạn chảy 266MPa) giảm đáng kể. Độ bền kéo chỉ là 298MPa, không đạt đến giới hạn chảy của đầu làm mát bằng nước (315MPa). Đầu đã hình thành một cổ chai khi thấp hơn 315MPa. Trước khi gãy, chỉ xảy ra biến dạng đàn hồi ở vùng làm mát bằng nước. Khi ứng suất biến mất, biến dạng ở đầu làm mát bằng nước cũng biến mất. Do đó, lượng biến dạng trong vùng làm mát bằng nước trong Bảng 2 hầu như không thay đổi. Mẫu bị vỡ vào cuối tốc độ bắn chậm, diện tích biến dạng giảm và độ cứng ở đầu thấp nhất, dẫn đến kết quả hiệu suất giảm đáng kể.
Lấy mẫu từ khu vực làm nguội chậm 100% ở cuối mẫu 400mm. Hình 6 cho thấy đường cong độ cứng. Độ cứng của phần song song giảm xuống còn khoảng 83-84HB và tương đối ổn định. Do cùng một quy trình nên hiệu suất gần như giống nhau. Không tìm thấy mẫu rõ ràng nào ở vị trí gãy. Hiệu suất hợp kim thấp hơn so với mẫu làm nguội bằng nước.
Để khám phá sâu hơn tính đều đặn của hiệu suất và gãy, phần song song của mẫu kéo được chọn gần điểm độ cứng thấp nhất (77HB). Từ Bảng 1, người ta thấy rằng hiệu suất giảm đáng kể và điểm gãy xuất hiện tại điểm độ cứng thấp nhất trong Hình 2.
2.3 Kết quả phân tích ANSYS
Hình 7 cho thấy kết quả mô phỏng ANSYS của các đường cong làm mát ở các vị trí khác nhau. Có thể thấy rằng nhiệt độ của mẫu trong khu vực làm mát bằng nước giảm nhanh chóng. Sau 5 giây, nhiệt độ giảm xuống dưới 100°C và ở khoảng cách 80mm từ đường phân chia, nhiệt độ giảm xuống khoảng 210°C ở 90 giây. Nhiệt độ giảm trung bình là 3,5°C/giây. Sau 90 giây trong khu vực làm mát bằng không khí đầu cuối, nhiệt độ giảm xuống khoảng 360°C, với tốc độ giảm trung bình là 1,9°C/giây.
Thông qua kết quả phân tích hiệu suất và mô phỏng, người ta thấy rằng hiệu suất của khu vực làm mát bằng nước và khu vực làm nguội chậm là một mô hình thay đổi đầu tiên giảm và sau đó tăng nhẹ. Bị ảnh hưởng bởi làm mát bằng nước gần đường phân chia, dẫn nhiệt khiến mẫu ở một khu vực nhất định giảm xuống với tốc độ làm mát thấp hơn tốc độ làm mát bằng nước (3,5°C/giây). Kết quả là, Mg2Si, đông đặc thành ma trận, kết tủa với số lượng lớn ở khu vực này và nhiệt độ giảm xuống khoảng 210°C sau 90 giây. Lượng lớn Mg2Si kết tủa dẫn đến hiệu ứng làm mát bằng nước nhỏ hơn sau 90 giây. Lượng pha gia cường Mg2Si kết tủa sau khi xử lý lão hóa giảm đáng kể và hiệu suất mẫu sau đó cũng giảm. Tuy nhiên, vùng làm nguội chậm ở xa đường phân chia ít bị ảnh hưởng bởi dẫn nhiệt làm mát bằng nước và hợp kim nguội tương đối chậm trong điều kiện làm mát bằng không khí (tốc độ làm mát 1,9°C/giây). Chỉ có một phần nhỏ pha Mg2Si kết tủa chậm, nhiệt độ đạt 360C sau 90s. Sau khi làm mát bằng nước, phần lớn pha Mg2Si vẫn còn trong ma trận, sau khi lão hóa sẽ phân tán và kết tủa, có tác dụng tăng cường.
3. Kết luận
Các thí nghiệm cho thấy quá trình làm nguội chậm sẽ khiến độ cứng của vùng làm nguội chậm tại giao điểm của quá trình làm nguội bình thường và quá trình làm nguội chậm giảm dần rồi tăng nhẹ cho đến khi cuối cùng ổn định.
Đối với hợp kim nhôm 6061, độ bền kéo sau khi tôi bình thường và tôi chậm trong 90 giây lần lượt là 342MPa và 288MPa, độ bền kéo là 315MPa và 252MPa, cả hai đều đáp ứng tiêu chuẩn hiệu suất mẫu.
Có một vùng có độ cứng thấp nhất, giảm từ 95HB xuống 77HB sau khi tôi bình thường. Hiệu suất ở đây cũng thấp nhất, với độ bền kéo là 271MPa và độ bền chảy là 220MPa.
Thông qua phân tích ANSYS, người ta thấy rằng tốc độ làm mát tại điểm hiệu suất thấp nhất trong vùng làm nguội chậm 90s giảm khoảng 3,5°C mỗi giây, dẫn đến dung dịch rắn của pha tăng cường Mg2Si không đủ. Theo bài báo này, có thể thấy rằng điểm nguy hiểm về hiệu suất xuất hiện ở vùng làm nguội chậm tại điểm giao nhau của quá trình làm nguội bình thường và làm nguội chậm, và không xa điểm giao nhau, có ý nghĩa chỉ đạo quan trọng đối với việc giữ lại hợp lý chất thải của quy trình đầu cuối đùn.
Biên tập bởi May Jiang từ MAT Aluminum
Thời gian đăng: 28-08-2024
