Hợp kim nhôm 6061T6 có thành dày lớn cần được làm nguội sau khi đùn nóng. Do hạn chế của đùn gián đoạn, một phần của thanh định hình sẽ đi vào vùng làm mát bằng nước với độ trễ nhất định. Khi tiếp tục đùn thỏi ngắn tiếp theo, phần thanh định hình này sẽ trải qua quá trình làm nguội chậm. Cách xử lý khu vực làm nguội chậm là một vấn đề mà mọi công ty sản xuất cần cân nhắc. Khi phế liệu đầu cuối đùn ngắn, các mẫu hiệu suất được lấy đôi khi có chất lượng, đôi khi không đạt chất lượng. 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 được sử dụng trong thí nghiệm này là hợp kim nhôm 6061. Thành phần hóa học của nó được đo bằng phương pháp phân tích quang phổ như sau: Phù hợp với 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 bằng dung dịch rắn. Thanh đùn dài 400mm được chia thành hai vùng. Vùng 1 được làm nguội trực tiếp bằng nước và tôi. Vùng 2 được làm nguội trong không khí trong 90 giây rồi làm nguội bằng nước. Sơ đồ thử nghiệm được thể hiện trong Hình 1.
Thanh nhôm định hình 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 hệ thống làm mát bằng nước cường độ cao trong quá trình đùn, và một mẫu thử dài 400mm được lấy từ giữa thanh nhôm định hình đã đùn. Chiều rộng mẫu là 150mm và chiều cao là 10,00mm.
Các mẫu đã lấy được phân chia và sau đó được xử lý dung dịch một lần nữa. Nhiệt độ dung dịch là 530°C và thời gian xử lý là 4 giờ. Sau khi lấy mẫu ra, các mẫu được đặt vào một bể chứa nước lớn có độ sâu 100mm. Bể chứa nước lớn hơn có thể đảm bảo nhiệt độ nước trong bể ít thay đổi sau khi mẫu ở vùng 1 được làm mát bằng nước, ngăn ngừa sự gia tăng nhiệt độ nước ảnh hưởng đến cường độ làm mát bằng 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 lão hóa ở 165°C*8 giờ.
Lấy một phần mẫu dài 400mm, rộng 30mm, dày 10mm và thực hiện phép thử 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 bằng nước của mẫu và quá trình làm nguội sau độ 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 bộ phận làm nguội chậm đã thay đổi.
2.2 Kết quả kiểm tra hiệu suất và phân tích
Bảng 2 thể hiện kết quả thí nghiệm kéo được thực hiện trên các mẫu lấy từ các vị trí khác nhau của mặt cắt song song. Có thể thấy rằng cường độ kéo và giới hạn chảy của mẫu số 1 và số 2 hầu như không thay đổi. Khi tỷ lệ đầu dập nguội chậm tăng lên, cường độ kéo và giới hạn chảy của hợp kim có xu hướng giảm đáng kể. Tuy nhiên, cường độ kéo tại mỗi vị trí lấy mẫu đều cao hơn cường độ tiêu chuẩn. Chỉ ở khu vực có độ cứng thấp nhất, giới hạn chảy mới thấp hơn tiêu chuẩn mẫu, do đó 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 rằng càng xa đường phân chia thì độ cứng của đầu làm nguội chậm càng thấp. Độ cứng giảm cho thấy hiệu suất của mẫu bị 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 bộ 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 gãy 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. Kết quả là, lượng biến dạng trong vùng làm mát bằng nước trong Bảng 2 hầu như không thay đổi. Mẫu bị vỡ ở 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 vùng 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, hiệu suất gần như tương đương. Không tìm thấy hình dạng 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 độ gãy, mặt cắt song song của mẫu kéo được chọn gần điểm độ cứng thấp nhất (77HB). Từ Bảng 1, 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 đường cong làm mát bằng ANSYS tại các vị trí khác nhau. Có thể thấy 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 sau 90 giây. Tốc độ giảm nhiệt độ trung bình là 3,5°C/giây. Sau 90 giây ở 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 ban đầu 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 ở tốc độ làm nguội thấp hơn tốc độ làm nguội 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 nguội 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 nguội bằng nước và hợp kim nguội tương đối chậm trong điều kiện làm nguội bằng không khí (tốc độ làm nguội 1,9°C/giây). Chỉ một phần nhỏ pha Mg2Si kết tủa chậm, nhiệt độ đạt 360°C sau 90 giây. 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 độ bền.
3. Kết luận
Các thí nghiệm cho thấy rằng 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 thông thường. Hiệu suất ở đây cũng thấp nhất, với độ bền kéo là 271MPa và giới hạn chảy là 220MPa.
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 gia 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 giao điểm của quá trình làm nguội thông thường và làm nguội chậm, và không xa giao điểm này, có ý nghĩa chỉ đạo quan trọng đối với việc giữ lại phế thải cuối quá trình đùn một cách hợp lý.
Biên tập bởi May Jiang từ MAT Aluminum
Thời gian đăng: 28-08-2024
