A liga de alumínio 6061T6 com grande espessura de parede precisa ser temperada após a extrusão a quente. Devido à limitação da extrusão descontínua, uma parte do perfil entrará na zona de resfriamento a água com atraso. Quando o próximo lingote curto continua a ser extrudado, essa parte do perfil sofrerá têmpera retardada. Como lidar com a área de têmpera retardada é uma questão que toda empresa de produção precisa considerar. Quando o desperdício no processo de extrusão é pequeno, as amostras de desempenho coletadas às vezes são qualificadas e às vezes não qualificadas. Ao reamostrar lateralmente, o desempenho é qualificado novamente. Este artigo fornece a explicação correspondente por meio de experimentos.
1. Materiais e métodos de teste
O material utilizado neste experimento é a liga de alumínio 6061. Sua composição química, medida por análise espectral, é a seguinte: está em conformidade com o padrão internacional de composição de liga de alumínio 6061 GB/T 3190-1996.
Neste experimento, uma parte do perfil extrudado foi submetida a tratamento com solução sólida. O perfil de 400 mm de comprimento foi dividido em duas áreas. A área 1 foi resfriada diretamente com água e temperada. A área 2 foi resfriada ao ar por 90 segundos e, em seguida, resfriada com água. O diagrama de teste é mostrado na Figura 1.
O perfil de liga de alumínio 6061 utilizado neste experimento foi extrudado por uma extrusora 4000UST. A temperatura do molde é de 500 °C, a temperatura da haste de fundição é de 510 °C, a temperatura de saída da extrusão é de 525 °C, a velocidade de extrusão é de 2,1 mm/s, o resfriamento a água de alta intensidade é utilizado durante o processo de extrusão e um corpo de prova de 400 mm de comprimento é retirado do centro do perfil acabado extrudado. A largura da amostra é de 150 mm e a altura é de 10,00 mm.
As amostras coletadas foram particionadas e, em seguida, submetidas novamente ao tratamento de solução. A temperatura da solução era de 530 °C e o tempo de dissolução era de 4 horas. Após a retirada, as amostras foram colocadas em um grande tanque de água com profundidade de 100 mm. O tanque de água maior garante que a temperatura da água no tanque de água mude pouco após a amostra na zona 1 ser resfriada com água, evitando que o aumento da temperatura da água afete a intensidade do resfriamento. Durante o processo de resfriamento com água, certifique-se de que a temperatura da água esteja na faixa de 20 a 25 °C. As amostras temperadas foram envelhecidas a 165 °C por 8 h.
Pegue uma parte da amostra com 400 mm de comprimento, 30 mm de largura e 10 mm de espessura e realize um teste de dureza Brinell. Faça 5 medições a cada 10 mm. Tome a média das 5 durezas Brinell como o resultado da dureza Brinell neste ponto e observe o padrão de variação da dureza.
As propriedades mecânicas do perfil foram testadas, e a seção paralela de tração de 60 mm foi controlada em diferentes posições da amostra de 400 mm para observar as propriedades de tração e a localização da fratura.
O campo de temperatura do resfriamento a água da amostra e o resfriamento após um atraso de 90 s foi simulado através do software ANSYS, e as taxas de resfriamento dos perfis em diferentes posições foram analisadas.
2. Resultados experimentais e análises
2.1 Resultados do teste de dureza
A Figura 2 mostra a curva de variação da dureza de uma amostra de 400 mm de comprimento medida por um durômetro Brinell (o comprimento unitário da abscissa representa 10 mm, e a escala 0 é a linha divisória entre a têmpera normal e a têmpera retardada). Pode-se constatar que a dureza na extremidade resfriada a água é estável em torno de 95 HB. Após a linha divisória entre a têmpera por resfriamento a água e a têmpera por resfriamento a água retardada de 90 s, a dureza começa a declinar, mas a taxa de declínio é lenta no estágio inicial. Após 40 mm (89 HB), a dureza cai acentuadamente e atinge o valor mais baixo (77 HB) em 80 mm. Após 80 mm, a dureza não continuou a diminuir, mas aumentou até certo ponto. O aumento foi relativamente pequeno. Após 130 mm, a dureza permaneceu inalterada em torno de 83 HB. Pode-se especular que, devido ao efeito da condução de calor, a taxa de resfriamento da parte de têmpera retardada mudou.
2.2 Resultados e análise dos testes de desempenho
A Tabela 2 mostra os resultados dos experimentos de tração realizados em amostras retiradas de diferentes posições da seção paralela. Pode-se verificar que a resistência à tração e o limite de escoamento dos Nº 1 e Nº 2 praticamente não se alteraram. À medida que a proporção de extremidades com têmpera retardada aumenta, a resistência à tração e o limite de escoamento da liga apresentam uma tendência significativamente decrescente. No entanto, a resistência à tração em cada local de amostragem está acima da resistência padrão. Somente na área com a menor dureza, o limite de escoamento é inferior ao padrão da amostra, o que demonstra um desempenho insatisfatório.
A Figura 4 mostra os resultados das propriedades de tração da amostra nº 3. Pode-se observar na Figura 4 que quanto mais distante da linha divisória, menor a dureza da extremidade de têmpera retardada. A diminuição da dureza indica que o desempenho da amostra é reduzido, mas a dureza diminui lentamente, diminuindo apenas de 95HB para cerca de 91HB no final da seção paralela. Como pode ser visto nos resultados de desempenho na Tabela 1, a resistência à tração diminuiu de 342MPa para 320MPa para o resfriamento a água. Ao mesmo tempo, verificou-se que o ponto de fratura da amostra de tração também está no final da seção paralela com a menor dureza. Isso ocorre porque está longe do resfriamento a água, o desempenho da liga é reduzido e a extremidade atinge o limite de resistência à tração primeiro para formar um estreitamento. Finalmente, rompe a partir do ponto de desempenho mais baixo, e a posição de ruptura é consistente com os resultados do teste de desempenho.
A Figura 5 mostra a curva de dureza da seção paralela da amostra nº 4 e a posição da fratura. Pode-se verificar que quanto mais distante da linha divisória do resfriamento a água, menor a dureza da extremidade de têmpera retardada. Ao mesmo tempo, a localização da fratura também está na extremidade onde a dureza é mais baixa, fraturas 86HB. A Tabela 2 mostra que quase não há deformação plástica na extremidade resfriada a água. A Tabela 1 mostra que o desempenho da amostra (resistência à tração de 298 MPa, escoamento de 266 MPa) é significativamente reduzido. A resistência à tração é de apenas 298 MPa, o que não atinge a resistência ao escoamento da extremidade resfriada a água (315 MPa). A extremidade formou um estreitamento quando está abaixo de 315 MPa. Antes da fratura, apenas deformação elástica ocorria na área resfriada a água. À medida que a tensão desaparecia, a deformação na extremidade resfriada a água desaparecia. Como resultado, a quantidade de deformação na zona de resfriamento a água na Tabela 2 praticamente não se altera. A amostra rompe ao final do disparo com taxa retardada, a área deformada é reduzida e a dureza final é a mais baixa, resultando em uma redução significativa nos resultados de desempenho.
Colete amostras da área de têmpera retardada de 100% na extremidade da amostra de 400 mm. A Figura 6 mostra a curva de dureza. A dureza da seção paralela é reduzida para cerca de 83-84HB e é relativamente estável. Devido ao mesmo processo, o desempenho é praticamente o mesmo. Nenhum padrão óbvio é encontrado na posição da fratura. O desempenho da liga é inferior ao da amostra temperada em água.
Para explorar melhor a regularidade do desempenho e da fratura, a seção paralela do corpo de prova de tração foi selecionada próxima ao ponto mais baixo de dureza (77HB). A Tabela 1 constatou que o desempenho foi significativamente reduzido, e o ponto de fratura apareceu no ponto mais baixo de dureza na Figura 2.
2.3 Resultados da análise ANSYS
A Figura 7 mostra os resultados da simulação ANSYS das curvas de resfriamento em diferentes posições. Pode-se observar que a temperatura da amostra na área de resfriamento a água caiu rapidamente. Após 5 s, a temperatura caiu para menos de 100 °C e, a 80 mm da linha divisória, a temperatura caiu para cerca de 210 °C em 90 s. A queda média de temperatura é de 3,5 °C/s. Após 90 s na área de resfriamento a ar terminal, a temperatura cai para cerca de 360 °C, com uma taxa média de queda de 1,9 °C/s.
Por meio da análise de desempenho e dos resultados da simulação, constatou-se que o desempenho da área de resfriamento a água e da área de têmpera retardada apresenta um padrão de mudança que inicialmente diminui e, em seguida, aumenta ligeiramente. Afetada pelo resfriamento a água próximo à linha divisória, a condução de calor faz com que a amostra em uma determinada área caia a uma taxa de resfriamento menor do que a do resfriamento a água (3,5 °C/s). Como resultado, o Mg2Si, que se solidificou na matriz, precipitou em grandes quantidades nessa área, e a temperatura caiu para cerca de 210 °C após 90 segundos. A grande quantidade de Mg2Si precipitado levou a um menor efeito do resfriamento a água após 90 segundos. A quantidade de fase de reforço de Mg2Si precipitada após o tratamento de envelhecimento foi bastante reduzida, e o desempenho da amostra foi subsequentemente reduzido. No entanto, a zona de têmpera retardada, distante da linha divisória, é menos afetada pela condução de calor do resfriamento a água, e a liga esfria relativamente lentamente sob condições de resfriamento a ar (taxa de resfriamento de 1,9 °C/s). Apenas uma pequena parte da fase Mg2Si precipita lentamente, e a temperatura é de 360°C após 90 segundos. Após o resfriamento em água, a maior parte da fase Mg2Si ainda está na matriz e se dispersa e precipita após o envelhecimento, o que desempenha um papel fortalecedor.
3. Conclusão
Foi descoberto por meio de experimentos que a têmpera retardada fará com que a dureza da zona de têmpera retardada na interseção da têmpera normal e da têmpera retardada primeiro diminua e depois aumente ligeiramente até finalmente se estabilizar.
Para a liga de alumínio 6061, as resistências à tração após têmpera normal e têmpera retardada por 90 s são 342 MPa e 288 MPa, respectivamente, e as resistências ao escoamento são 315 MPa e 252 MPa, ambas atendendo aos padrões de desempenho da amostra.
Há uma região com a menor dureza, que é reduzida de 95HB para 77HB após a têmpera normal. O desempenho aqui também é o mais baixo, com uma resistência à tração de 271MPa e um limite de escoamento de 220MPa.
Por meio da análise ANSYS, constatou-se que a taxa de resfriamento no ponto de menor desempenho na zona de têmpera retardada de 90s diminuiu em aproximadamente 3,5 °C por segundo, resultando em solução sólida insuficiente da fase de reforço Mg₂Si. De acordo com este artigo, pode-se observar que o ponto de risco de desempenho surge na área de têmpera retardada, na junção da têmpera normal e da têmpera retardada, não estando distante da junção, o que tem importante importância para a retenção adequada de resíduos do processo de extrusão.
Editado por May Jiang da MAT Aluminum
Horário da publicação: 28/08/2024
