La aleación de aluminio 6061T6 de gran espesor de pared requiere temple después de la extrusión en caliente. Debido a las limitaciones de la extrusión discontinua, una parte del perfil entrará en la zona de enfriamiento por agua con retraso. Al continuar la extrusión del siguiente lingote corto, esta parte del perfil experimentará un temple retardado. El manejo de esta zona de temple retardado es un aspecto que toda empresa de producción debe considerar. Cuando el desperdicio del proceso de extrusión es corto, las muestras de rendimiento tomadas a veces son aptas y otras no. Al volver a muestrear lateralmente, el rendimiento se vuelve a calificar. Este artículo ofrece la explicación correspondiente mediante experimentos.
1. Materiales y métodos de prueba
El material utilizado en este experimento es una aleación de aluminio 6061. Su composición química, medida mediante análisis espectral, es la siguiente: Cumple con la norma internacional GB/T 3190-1996 sobre composición de aleación de aluminio 6061.
En este experimento, se tomó una parte del perfil extruido para su tratamiento con solución sólida. El perfil de 400 mm de longitud se dividió en dos áreas. El área 1 se enfrió directamente con agua y se templó. El área 2 se enfrió al aire durante 90 segundos y luego se enfrió con agua. El diagrama de prueba se muestra en la Figura 1.
El perfil de aleación de aluminio 6061 utilizado en este experimento se extruyó con una extrusora 4000UST. La temperatura del molde es de 500 °C, la temperatura de la varilla de colada es de 510 °C, la temperatura de salida de la extrusión es de 525 °C, la velocidad de extrusión es de 2,1 mm/s. Se utiliza refrigeración por agua de alta intensidad durante el proceso de extrusión y se toma una probeta de 400 mm de longitud del centro del perfil terminado. La muestra mide 150 mm de ancho y 10 mm de alto.
Las muestras tomadas se dividieron y se sometieron a un nuevo tratamiento de solución. La temperatura de la solución fue de 530 °C y el tiempo de disolución fue de 4 horas. Tras extraerlas, las muestras se colocaron en un tanque de agua grande con una profundidad de 100 mm. Este tanque de agua de mayor tamaño garantiza que la temperatura del agua en el tanque cambie poco después de enfriar la muestra en la zona 1, evitando que el aumento de temperatura afecte la intensidad del enfriamiento. Durante el proceso de enfriamiento, asegúrese de que la temperatura del agua se encuentre entre 20 y 25 °C. Las muestras templadas se envejecieron a 165 °C durante 8 h.
Tome una muestra de 400 mm de largo, 30 mm de ancho y 10 mm de espesor y realice una prueba de dureza Brinell. Realice 5 mediciones cada 10 mm. Tome el valor promedio de las 5 durezas Brinell como resultado de dureza Brinell en este punto y observe el patrón de cambio de dureza.
Se probaron las propiedades mecánicas del perfil y se controló la sección paralela de tracción de 60 mm en diferentes posiciones de la muestra de 400 mm para observar las propiedades de tracción y la ubicación de la fractura.
Se simuló el campo de temperatura del enfriamiento por agua de la muestra y el enfriamiento después de un retraso de 90 s a través del software ANSYS, y se analizaron las velocidades de enfriamiento de los perfiles en diferentes posiciones.
2. Resultados experimentales y análisis
2.1 Resultados de la prueba de dureza
La Figura 2 muestra la curva de cambio de dureza de una muestra de 400 mm de largo medida por un probador de dureza Brinell (la unidad de longitud de la abscisa representa 10 mm y la escala 0 es la línea divisoria entre el temple normal y el temple retardado). Se puede encontrar que la dureza en el extremo enfriado por agua es estable alrededor de 95 HB. Después de la línea divisoria entre el temple por enfriamiento por agua y el temple por enfriamiento por agua retardado de 90 s, la dureza comienza a disminuir, pero la tasa de disminución es lenta en la etapa inicial. Después de 40 mm (89 HB), la dureza cae bruscamente y cae al valor más bajo (77 HB) a 80 mm. Después de 80 mm, la dureza no continuó disminuyendo, sino que aumentó hasta cierto punto. El aumento fue relativamente pequeño. Después de 130 mm, la dureza se mantuvo sin cambios alrededor de 83 HB. Se puede especular que debido al efecto de la conducción de calor, la velocidad de enfriamiento de la parte de temple retardado cambió.
2.2 Resultados y análisis de pruebas de rendimiento
La Tabla 2 muestra los resultados de los experimentos de tracción realizados en muestras tomadas en diferentes posiciones de la sección paralela. Se observa que la resistencia a la tracción y el límite elástico de las muestras n.° 1 y n.° 2 prácticamente no varían. A medida que aumenta la proporción de extremos de temple retardado, la resistencia a la tracción y el límite elástico de la aleación muestran una tendencia descendente significativa. Sin embargo, la resistencia a la tracción en cada punto de muestreo es superior a la resistencia estándar. Solo en la zona de menor dureza, el límite elástico es inferior al estándar de la muestra; el rendimiento de la muestra es incuestionable.
La Figura 4 muestra los resultados de las propiedades de tracción de la muestra n.º 3. Se puede observar en la Figura 4 que cuanto más lejos de la línea divisoria, menor es la dureza del extremo de temple retardado. La disminución de la dureza indica que el rendimiento de la muestra se reduce, pero la dureza disminuye lentamente, disminuyendo solo de 95 HB a aproximadamente 91 HB en el extremo de la sección paralela. Como se puede ver en los resultados de rendimiento en la Tabla 1, la resistencia a la tracción disminuyó de 342 MPa a 320 MPa para el enfriamiento por agua. Al mismo tiempo, se encontró que el punto de fractura de la muestra de tracción también se encuentra en el extremo de la sección paralela con la dureza más baja. Esto se debe a que está lejos del enfriamiento por agua, el rendimiento de la aleación se reduce y el extremo alcanza primero el límite de resistencia a la tracción para formar un estrechamiento. Finalmente, se rompe desde el punto de rendimiento más bajo, y la posición de rotura es consistente con los resultados de la prueba de rendimiento.
La Figura 5 muestra la curva de dureza de la sección paralela de la muestra n.º 4 y la posición de la fractura. Se puede encontrar que cuanto más lejos de la línea divisoria de enfriamiento por agua, menor es la dureza del extremo de temple retardado. Al mismo tiempo, la ubicación de la fractura también está en el extremo donde la dureza es más baja, fracturas 86HB. De la Tabla 2, se encuentra que casi no hay deformación plástica en el extremo enfriado por agua. De la Tabla 1, se encuentra que el rendimiento de la muestra (resistencia a la tracción 298 MPa, límite elástico 266 MPa) se reduce significativamente. La resistencia a la tracción es de solo 298 MPa, que no alcanza el límite elástico del extremo enfriado por agua (315 MPa). El extremo ha formado un estrechamiento hacia abajo cuando es inferior a 315 MPa. Antes de la fractura, solo se produjo deformación elástica en el área enfriada por agua. A medida que desapareció la tensión, desapareció la deformación en el extremo enfriado por agua. Como resultado, la deformación en la zona de enfriamiento por agua (Tabla 2) prácticamente no varía. La muestra se rompe al final del disparo retardado, el área deformada se reduce y la dureza final es mínima, lo que resulta en una reducción significativa del rendimiento.
Tome muestras del área de temple retardado al 100 % al final de la muestra de 400 mm. La Figura 6 muestra la curva de dureza. La dureza de la sección paralela se reduce a aproximadamente 83-84 HB y se mantiene relativamente estable. Debido al mismo proceso, el rendimiento es prácticamente el mismo. No se observa un patrón evidente en la posición de fractura. El rendimiento de la aleación es inferior al de la muestra templada en agua.
Para explorar más a fondo la regularidad del rendimiento y la fractura, se seleccionó la sección paralela de la probeta de tracción cerca del punto más bajo de dureza (77HB). Según la Tabla 1, se observó una reducción significativa del rendimiento y el punto de fractura se situó en el punto más bajo de dureza (Figura 2).
2.3 Resultados del análisis de ANSYS
La Figura 7 muestra los resultados de la simulación ANSYS de las curvas de enfriamiento en diferentes posiciones. Se observa que la temperatura de la muestra en el área de enfriamiento por agua descendió rápidamente. Tras 5 s, la temperatura descendió por debajo de los 100 °C, y a 80 mm de la línea divisoria, la temperatura descendió a aproximadamente 210 °C a los 90 s. La caída de temperatura promedio es de 3,5 °C/s. Tras 90 segundos en el área de enfriamiento por aire terminal, la temperatura descendió a aproximadamente 360 °C, con una velocidad de caída promedio de 1,9 °C/s.
Mediante análisis de rendimiento y resultados de simulación, se encontró que el rendimiento del área de enfriamiento por agua y el área de temple retardado presenta un patrón de cambio que primero disminuye y luego aumenta ligeramente. Afectada por el enfriamiento por agua cerca de la línea divisoria, la conducción de calor hace que la muestra en cierta área caiga a una velocidad de enfriamiento menor que la del enfriamiento por agua (3,5 °C/s). Como resultado, el Mg₂Si, que se solidificó en la matriz, precipitó en grandes cantidades en esta área, y la temperatura descendió a aproximadamente 210 °C después de 90 segundos. La gran cantidad de Mg₂Si precipitado condujo a un menor efecto del enfriamiento por agua después de 90 s. La cantidad de fase de refuerzo de Mg₂Si precipitada después del tratamiento de envejecimiento se redujo considerablemente, y posteriormente el rendimiento de la muestra se redujo. Sin embargo, la zona de temple retardado alejada de la línea divisoria se ve menos afectada por la conducción de calor del enfriamiento por agua, y la aleación se enfría relativamente lentamente en condiciones de enfriamiento por aire (velocidad de enfriamiento de 1,9 °C/s). Solo una pequeña parte de la fase Mg2Si precipita lentamente y la temperatura es de 360 °C después de 90 segundos. Después del enfriamiento con agua, la mayor parte de la fase Mg2Si aún está en la matriz y se dispersa y precipita después del envejecimiento, lo que desempeña un papel de fortalecimiento.
3. Conclusión
Se descubrió mediante experimentos que el enfriamiento retardado hará que la dureza de la zona de enfriamiento retardado en la intersección del enfriamiento normal y el enfriamiento retardado primero disminuya y luego aumente ligeramente hasta que finalmente se estabilice.
Para la aleación de aluminio 6061, las resistencias a la tracción después del temple normal y el temple retardado durante 90 s son 342 MPa y 288 MPa respectivamente, y las resistencias al rendimiento son 315 MPa y 252 MPa, ambos cumplen con los estándares de rendimiento de la muestra.
Existe una región con la dureza más baja, que se reduce de 95 HB a 77 HB tras el temple normal. El rendimiento en esta zona también es el más bajo, con una resistencia a la tracción de 271 MPa y un límite elástico de 220 MPa.
Mediante análisis ANSYS, se observó que la velocidad de enfriamiento en el punto de rendimiento más bajo de la zona de temple retardado de 90 s disminuyó aproximadamente 3,5 °C por segundo, lo que resultó en una solución sólida insuficiente de la fase de refuerzo Mg₂Si. Según este artículo, se observa que el punto crítico para el rendimiento se encuentra en la zona de temple retardado, en la unión entre el temple normal y el temple retardado, y no está lejos de la unión, lo cual es crucial para la retención adecuada de los residuos del proceso de cola de extrusión.
Editado por May Jiang de MAT Aluminum
Hora de publicación: 28 de agosto de 2024
