Hợp kim nhôm có độ dày thành lớn 6061T6 cần được làm nguội sau khi ép đùn nóng. Do hạn chế của việc đùn không liên tục, một phần của biên dạng sẽ đi vào vùng làm mát bằng nước với độ trễ. Khi phôi ngắn tiếp theo được tiếp tục ép đùn, phần này của biên dạng sẽ trải qua quá trình làm nguội chậm. Làm thế nào để giải quyết khu vực dập tắt chậm là vấn đề mà mọi công ty sản xuất cần quan tâm. Khi chất thải cuối quá trình ép đùn ở đuôi quá ngắn, các mẫu hiệu suất được lấy đôi khi đạt tiêu chuẩn và đôi khi không đạt tiêu chuẩn. Khi lấy mẫu lại từ bên cạnh, hiệu suất lại đạt tiêu chuẩn. 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 được 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 profile ép đùn được lấy để xử lý dung dịch rắn. Chiều dài 400mm được chia thành hai khu vực. Khu vực 1 được làm mát và làm nguội trực tiếp bằng nước. Khu vực 2 được làm mát bằng không khí trong 90 giây rồi làm mát bằng nước. Sơ đồ thử nghiệm được thể hiện trong Hình 1.
Cấu hình hợp kim nhôm 6061 được sử dụng trong thí nghiệm này được ép 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/s, làm mát bằng nước cường độ cao được sử dụng trong quá trình ép đùn và 400mm mẫu thử chiều dài được lấy từ giữa biên dạng ép đùn đã hoàn thiện. Chiều rộng mẫu là 150mm và chiều cao là 10,00mm.
Các mẫu đã lấy được phân chia và sau đó được xử lý lại bằng dung dịch. Nhiệt độ dung dịch là 530°C và thời gian dung dịch là 4 giờ. Sau khi lấy ra, mẫu được đặt vào bể chứa nước lớn có độ sâu 100 mm. Bể nước lớn hơn có thể đảm bảo nhiệt độ nước trong bể nước thay đổi ít sau khi mẫu ở vùng 1 được làm mát bằng nước, tránh việc tăng nhiệt độ nước ảnh hưởng đến cường độ làm mát nước. Trong quá trình làm mát bằng nước, đảm bảo nhiệt độ nước nằm trong khoảng 20-25°C. Các mẫu đã được làm nguội được ủ ở nhiệt độ 165°C*8 giờ.
Lấy một phần mẫu dài 400 mm, rộng 30 mm, dày 10 mm và thực hiện kiểm tra độ cứng Brinell. Thực hiện 5 phép đo cứ sau 10 mm. 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 biên dạng đã được kiểm tra và phần song song kéo 60mm được kiểm soát ở các vị trí khác nhau của mẫu 400mm để quan sát các đặc tính kéo và vị trí vết nứt.
Trường nhiệt độ của quá trình làm nguội mẫu bằng nước và làm nguội sau độ trễ 90 giây được mô phỏng thông qua phần mềm ANSYS và tốc độ làm mát 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 một mẫu dài 400mm được đo bằng máy đo độ cứng Brinell (độ dài đơn vị của trục hoành biểu thị 10 mm và thang đo 0 là đường phân chia giữa quá trình làm nguội thông thường và làm nguội chậm). Có thể thấy độ cứng ở đầu làm mát bằng nước ổn định ở mức khoảng 95HB. Sau khi phân chia ranh giới giữa quá trình làm nguội bằng nước và quá trình làm nguội bằng nước bị trì hoãn ở thập niên 90, độ cứng bắt đầu giảm, nhưng tốc độ giảm ở giai đoạn đầu là chậm. Sau 40mm (89HB), độ cứng giảm mạnh và giảm xuống giá trị thấp nhất (77HB) là 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 không thay đổi ở mức khoảng 83HB. Có thể suy đoán rằng do ảnh hưởng của dẫn nhiệt, tốc độ làm nguội của bộ phận làm nguội chậm đã thay đổi.
2.2 Kết quả kiểm tra và phân tích hiệu năng
Bảng 2 thể hiện kết quả thí nghiệm kéo được thực hiện trên các mẫu được lấy từ các vị trí khác nhau của mặt cắt song song. Có thể nhận thấy độ bền kéo và giới hạn chảy của số 1 và số 2 hầu như không có sự thay đổi. Khi tỷ lệ các đầu tôi bị trì hoãn tăng lên, độ bền kéo và cường độ năng suất của hợp kim cho thấy xu hướng giảm đáng kể. Tuy nhiên, độ bền kéo tại mỗi vị trí lấy mẫu đều cao hơn cường độ tiêu chuẩn. Chỉ ở khu vực có độ cứng thấp nhất, cường độ năng suất thấp hơn tiêu chuẩn mẫu, hiệu suất mẫu không đủ tiêu chuẩn.
Hình 4 thể hiện kết quả đặc tính kéo của mẫu số 3. Có thể thấy từ Hình 4 càng xa đường phân chia thì độ cứng của đầu tôi trễ càng thấp. Độ cứng giảm chứng tỏ tính năng của mẫu giảm nhưng độ cứng giảm chậm, chỉ giảm từ 95HB xuống còn 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 nhận thấy điểm gãy của mẫu kéo cũng nằm ở điểm cuối của phần song song có độ cứng thấp nhất. Điều này là do nó ở xa quá trình làm mát bằng nước, hiệu suất của hợp kim bị giảm và phần cuối đạt đến giới hạn độ bền kéo trước tiên để tạo thành cổ xuống. Cuối cùng, thoát khỏi điểm hiệu suất thấp nhất và vị trí ngắt phù hợp với kết quả kiểm tra hiệu suất.
Hình 5 thể hiện đường cong độ cứng của mặt cắt song song của mẫu số 4 và vị trí đứt 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 vết nứt cũng ở cuối nơi có độ cứng thấp nhất, vết nứt 86HB. Từ Bảng 2, người ta thấy hầu như không có biến dạng dẻo ở đầu được làm mát bằng nước. Từ Bảng 1, người ta thấy rằng hiệu suất của mẫu (độ bền kéo 298MPa, hiệu suất 266MPa) giảm đáng kể. Độ bền kéo chỉ 298MPa, không đạt đến cường độ chảy của đầu làm mát bằng nước (315MPa). Phần cuối đã hình thành vòng cổ xuống khi nó thấp hơn 315MPa. Trước khi gãy, chỉ xảy ra biến dạng đàn hồi ở vùng làm mát bằng nước. Khi ứng suất biến mất, ứng suất ở đầu làm mát bằng nước cũng biến mất. Kết quả là lượng biến dạng trong vùng làm mát bằng nước ở Bảng 2 hầu như không thay đổi. Mẫu bị vỡ khi kết thúc quá trình cháy tốc độ chậm, diện tích bị biến dạng giảm và độ cứng cuối thấp nhất, dẫn đến kết quả hiệu suất giảm đáng kể.
Lấy mẫu từ khu vực làm nguội trễ 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 mô hình rõ ràng nào ở vị trí gãy xương. Hiệu suất hợp kim thấp hơn so với mẫu được làm nguội bằng nước.
Để khám phá thêm tính đều đặn của hiệu suất và vết nứt, mặt cắt song song của mẫu kéo được chọn gần điểm có độ cứng thấp nhất (77HB). Từ Bảng 1, người ta thấy rằng hiệu suất giảm đáng kể và điểm gãy xuất hiện ở điểm có độ cứng thấp nhất trong Hình 2.
2.3 Kết quả phân tích ANSYS
Hình 7 thể hiện kết quả mô phỏng ANSYS các đường cong làm mát tại các vị trí khác nhau. Có thể thấy nhiệt độ của mẫu tại khu vực làm mát bằng nước giảm xuống nhanh chóng. Sau 5s, nhiệt độ giảm xuống dưới 100°C, cách vạch chia 80mm, nhiệt độ giảm xuống khoảng 210°C ở 90s. Nhiệt độ trung bình giảm là 3,5°C/s. Sau 90 giây ở khu vực làm mát không khí đầu cuối, nhiệt độ giảm xuống khoảng 360°C, với tốc độ giảm trung bình là 1,9°C/s.
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, lúc đầu giảm dần, sau đó tăng nhẹ. Bị ảnh hưởng bởi việc làm mát bằng nước gần đường phân chia, sự dẫn nhiệt làm cho 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/s). Kết quả là Mg2Si đông cứng lại thành chất nền, 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 quả làm mát bằng nước nhỏ hơn sau 90 giây. Lượng pha tăng cường Mg2Si kết tủa sau khi xử lý lão hóa đã giảm đáng kể và hiệu suất của mẫu sau đó cũng giảm. Tuy nhiên, vùng làm nguội chậm ở xa đường phân chia ít bị ảnh hưởng bởi sự dẫn nhiệt làm mát bằng nước và hợp kim nguội đi tương đối chậm trong điều kiện làm mát bằng không khí (tốc độ làm mát 1,9°C/s). Chỉ một phần nhỏ pha Mg2Si kết tủa chậm và nhiệt độ đạt 360C sau 90s. Sau khi làm mát bằng nước, phần lớn pha Mg2Si vẫn còn trong ma trận, nó phân tán và kết tủa sau khi lão hóa, đóng vai trò tăng cường.
3. Kết luận
Qua các thí nghiệm, người ta đã phát hiện ra rằng quá trình làm nguội chậm sẽ làm cho độ cứng của vùng làm nguội chậm ở điểm giao nhau giữa quá trình làm nguội thông thường và quá trình làm nguội chậm để giảm đầu tiên và sau đó tăng nhẹ cho đến khi cuối cùng ổn định.
Đối với hợp kim nhôm 6061, độ bền kéo sau khi làm nguội thông thường và làm nguội chậm trong 90 giây lần lượt là 342MPa và 288MPa, và cường độ năng suất lần lượt là 315MPa và 252MPa, cả hai đều đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu suất mẫu.
Có vùng có độ cứng thấp nhất, giảm từ 95HB xuống 77HB sau khi tôi thông thường. Hiệu suất ở đây cũng thấp nhất, với độ bền kéo là 271MPa và cường độ năng suất là 220MPa.
Thông qua phân tích ANSYS, người ta nhận thấy rằng tốc độ làm mát ở điểm hiệu suất thấp nhất trong vùng làm nguội chậm những năm 90 đã giảm khoảng 3,5°C mỗi giây, dẫn đến dung dịch rắn của pha Mg2Si pha tăng cường không đủ. Theo bài báo này, có thể thấy rằng điểm nguy hiểm về hiệu suất xuất hiện ở khu vực làm nguội chậm ở điểm nối giữa quá trình làm nguội thông thường và làm nguội chậm, và cách điểm nối không xa, điều này có ý nghĩa hướng dẫn quan trọng đối với việc giữ lại đuôi đùn hợp lý chất thải cuối quá trình.
Được chỉnh sửa bởi May Jiang từ MAT Aluminium
Thời gian đăng: 28-08-2024
