A nagy falvastagságú 6061T6 alumíniumötvözetet meleg extrudálás után edzeni kell. A szakaszos extrudálás korlátai miatt a profil egy része késleltetve lép be a vízhűtési zónába. Amikor a következő rövid tuskót folytatják az extrudálást, a profilnak ez a része késleltetett edzésen megy keresztül. A késleltetett edzési terület kezelése minden gyártóvállalatnak figyelembe kell vennie. Amikor az extrudálási folyamat végén keletkező selejt rövid, a vett teljesítményminták néha minősítettek, néha nem minősítettek. Az oldalról történő ismételt mintavételezés során a teljesítmény ismét minősíthető. Ez a cikk kísérleteken keresztül adja meg a megfelelő magyarázatot.
1. Vizsgálati anyagok és módszerek
A kísérletben használt anyag 6061 alumíniumötvözet volt. Spektrális analízissel mért kémiai összetétele a következő: Megfelel a GB/T 3190-1996 nemzetközi 6061 alumíniumötvözet-összetételi szabványnak.
Ebben a kísérletben az extrudált profil egy részét szilárd oldatos kezelésnek vetették alá. A 400 mm hosszú profilt két részre osztották. Az 1. területet közvetlenül vízzel hűtötték és edzették. A 2. területet 90 másodpercig levegőn hűtötték, majd vízzel hűtötték. A tesztdiagram az 1. ábrán látható.
A kísérletben használt 6061 alumíniumötvözet profilt egy 4000UST extruderrel extrudálták. A forma hőmérséklete 500 °C, az öntőrúd hőmérséklete 510 °C, az extrudálás kimeneti hőmérséklete 525 °C, az extrudálási sebesség 2,1 mm/s. Az extrudálási folyamat során nagy intenzitású vízhűtést alkalmaztak, és egy 400 mm hosszú próbadarabot vettek az extrudált készprofil közepéből. A minta szélessége 150 mm, magassága 10,00 mm.
A kivett mintákat megosztották, majd ismét oldatkezelésnek vetették alá. Az oldat hőmérséklete 530 °C, az oldatidő pedig 4 óra volt. A kivétel után a mintákat egy 100 mm mély víztartályba helyezték. A nagyobb víztartály biztosítja, hogy a víz hőmérséklete a tartályban keveset változzon az 1. zónában lévő minta vízhűtése után, megakadályozva, hogy a víz hőmérsékletének növekedése befolyásolja a vízhűtés intenzitását. A vízhűtés során ügyelni kell arra, hogy a víz hőmérséklete 20-25 °C között legyen. A lehűtött mintákat 165 °C * 8 órán át öregítették.
Vegyünk egy 400 mm hosszú, 30 mm széles és 10 mm vastag mintát, és végezzünk Brinell-keménységmérést. Végezzünk 5 mérést 10 mm-enként. Az 5 Brinell-keménység átlagértékét vesszük Brinell-keménységként, és figyeljük meg a keménységváltozás mintázatát.
A profil mechanikai tulajdonságait tesztelték, és a 60 mm-es szakítószilárdsági párhuzamos szakaszt a 400 mm-es minta különböző pozícióiban ellenőrizték a szakítószilárdsági tulajdonságok és a törés helyének megfigyelése érdekében.
A minta vízhűtéses kioltásának hőmérsékleti mezőjét és a 90 másodperces késleltetés utáni kioltást az ANSYS szoftverrel szimulálták, és elemezték a profilok hűtési sebességét különböző pozíciókban.
2. Kísérleti eredmények és elemzés
2.1 Keménységvizsgálat eredményei
A 2. ábra egy 400 mm hosszú minta Brinell keménységmérővel mért keménységváltozási görbéjét mutatja (az abszcissza egységnyi hossza 10 mm-t jelent, a 0 skála pedig a normál és a késleltetett kioltás közötti választóvonal). Megállapítható, hogy a vízhűtéses végén a keménység stabil, körülbelül 95 HB. A vízhűtéses kioltás és a 90 másodperces késleltetett vízhűtéses kioltás közötti választóvonal után a keménység csökkenni kezd, de a csökkenés üteme a korai szakaszban lassú. 40 mm (89 HB) után a keménység meredeken csökken, és 80 mm-nél éri el a legalacsonyabb értékét (77 HB). 80 mm után a keménység nem csökkent tovább, hanem bizonyos mértékig növekedett. A növekedés viszonylag kis mértékű volt. 130 mm után a keménység változatlanul 83 HB körül maradt. Feltételezhető, hogy a hővezetés hatása miatt változott a késleltetett kioltású rész hűlési sebessége.
2.2 Teljesítményteszt eredményei és elemzése
A 2. táblázat a párhuzamos szakasz különböző pozícióiból vett mintákon végzett szakítókísérletek eredményeit mutatja. Megállapítható, hogy az 1. és 2. számú ötvözet szakítószilárdsága és folyáshatára szinte nem változott. A késleltetett edzésű végek arányának növekedésével az ötvözet szakítószilárdsága és folyáshatára jelentősen csökkenő tendenciát mutat. Azonban minden mintavételi helyen a szakítószilárdság meghaladja a standard szilárdságot. Csak a legalacsonyabb keménységű területen alacsonyabb a folyáshatár a minta standardjához képest, így a minta teljesítménye minősíthetetlen.
A 4. ábra a 3. minta szakítószilárdsági eredményeit mutatja. A 4. ábrából látható, hogy minél távolabb van az elválasztó vonaltól, annál kisebb a késleltetett edzésű vég keménysége. A keménység csökkenése a minta teljesítményének csökkenését jelzi, de a keménység lassan csökken, csak a párhuzamos szakasz végén csökken 95HB-ról körülbelül 91HB-ra. Amint az az 1. táblázat teljesítményeredményeiből látható, a szakítószilárdság vízhűtés esetén 342 MPa-ról 320 MPa-ra csökkent. Ugyanakkor azt is megállapították, hogy a szakítószilárdságú minta törési pontja is a párhuzamos szakasz legalacsonyabb keménységű végén található. Ez azért van, mert messze van a vízhűtéstől, az ötvözet teljesítménye csökken, és a vége éri el először a szakítószilárdsági határt, ahol szűkület alakul ki. Végül a legalacsonyabb teljesítménypontról történő törés esetén a törési pozíció összhangban van a teljesítményteszt eredményeivel.
Az 5. ábra a 4. számú minta párhuzamos metszetének keménységi görbéjét és a törés pozícióját mutatja. Megállapítható, hogy minél távolabb van a vízhűtéses választóvonaltól, annál kisebb a késleltetett kioltású vég keménysége. Ugyanakkor a törés helye is a legalacsonyabb keménységű végén található, 86HB töréseknél. A 2. táblázatból látható, hogy a vízhűtéses végén szinte nincs képlékeny alakváltozás. Az 1. táblázatból látható, hogy a minta teljesítménye (szakítószilárdság 298 MPa, folyáshatár 266 MPa) jelentősen csökkent. A szakítószilárdság mindössze 298 MPa, ami nem éri el a vízhűtéses vég folyáshatárát (315 MPa). A vége akkor szűkületet képez, amikor 315 MPa alatt van. Törés előtt csak rugalmas alakváltozás történt a vízhűtéses területen. Ahogy a feszültség eltűnt, a vízhűtéses végén a feszültség is eltűnt. Ennek eredményeként a 2. táblázatban látható vízhűtéses zónában a deformáció mértéke szinte változatlan. A késleltetett tűz végén a minta eltörik, a deformált terület csökken, és a végső keménység a legalacsonyabb, ami a teljesítményeredmények jelentős romlását eredményezi.
Vegyünk mintákat a 400 mm-es minta végén található 100%-ban késleltetett kioltási területről. A 6. ábra a keménységgörbét mutatja. A párhuzamos szakasz keménysége körülbelül 83-84 HB-ra csökken, és viszonylag stabil. Ugyanezen folyamatnak köszönhetően a teljesítmény nagyjából megegyezik. A törési helyzetben nem található egyértelmű minta. Az ötvözet teljesítménye gyengébb, mint a vízzel edzett mintáé.
A teljesítmény és a törés szabályosságának további vizsgálata érdekében a szakítóminta párhuzamos metszetét a keménység legalacsonyabb pontjához (77HB) közelítették meg. Az 1. táblázatból kiderült, hogy a teljesítmény jelentősen csökkent, és a törési pont a keménység legalacsonyabb pontján jelent meg a 2. ábrán.
2.3 ANSYS elemzési eredmények
A 7. ábra a hűtési görbék ANSYS szimulációjának eredményeit mutatja különböző pozíciókban. Látható, hogy a minta hőmérséklete a vízhűtéses területen gyorsan csökkent. 5 másodperc elteltével a hőmérséklet 100 °C alá esett, és az elválasztó vonaltól 80 mm-re 90 másodperc elteltével a hőmérséklet körülbelül 210 °C-ra esett vissza. Az átlagos hőmérséklet-csökkenés 3,5 °C/s. 90 másodperc elteltével a terminál levegőhűtéses területen a hőmérséklet körülbelül 360 °C-ra csökken, átlagosan 1,9 °C/s csökkenési sebességgel.
A teljesítményelemzés és a szimulációs eredmények alapján megállapították, hogy a vízhűtéses terület és a késleltetett kioltási terület teljesítménye egy változási mintázatot követ, amely először csökken, majd enyhén növekszik. A vízhűtés hatására az osztóvonal közelében a hővezetés miatt a minta egy bizonyos területen kisebb hűtési sebességgel csökken, mint a vízhűtés esetén (3,5 °C/s). Ennek eredményeként a mátrixba megszilárdult Mg2Si nagy mennyiségben csapódott ki ezen a területen, és a hőmérséklet 90 másodperc elteltével körülbelül 210 °C-ra csökkent. A nagy mennyiségű Mg2Si kicsapódása a vízhűtés kisebb hatását eredményezte 90 másodperc elteltével. Az öregítési kezelés után kicsapódott Mg2Si erősítő fázis mennyisége jelentősen csökkent, és ennek következtében a minta teljesítménye is romlott. Az osztóvonaltól távol eső késleltetett kioltási zónát azonban kevésbé befolyásolja a vízhűtés hővezetése, és az ötvözet viszonylag lassan hűl levegőhűtéses körülmények között (hűtési sebesség 1,9 °C/s). Az Mg2Si fázisnak csak kis része csapódik ki lassan, és a hőmérséklet 90 másodperc elteltével 360 °C. Vízhűtés után az Mg2Si fázis nagy része még mindig a mátrixban van, és az öregedés után diszpergálódik és kicsapódik, ami erősítő szerepet játszik.
3. Következtetés
Kísérletek során megállapították, hogy a késleltetett kioltás a normál és a késleltetett kioltás metszéspontjában lévő késleltetett kioltási zóna keménységét először csökkenti, majd kissé növeli, amíg végül stabilizálódik.
A 6061-es alumíniumötvözet esetében a normál kioltás és a 90 másodperces késleltetett kioltás utáni szakítószilárdság 342 MPa, illetve 288 MPa, a folyáshatár pedig 315 MPa és 252 MPa, amelyek mindkettő megfelelnek a minta teljesítményszabványainak.
Van egy legalacsonyabb keménységű régió, amely normál edzés után 95 HB-ról 77 HB-ra csökken. A teljesítmény itt is a legalacsonyabb, 271 MPa szakítószilárdsággal és 220 MPa folyáshatárral.
Az ANSYS elemzés során megállapították, hogy a 90-es késleltetett kioltási zóna legalacsonyabb teljesítménypontján a hűtési sebesség körülbelül 3,5 °C-kal csökkent másodpercenként, ami az erősítő fázis, az Mg2Si fázis elégtelen szilárd oldatához vezetett. E cikk szerint látható, hogy a teljesítményveszélyes pont a késleltetett kioltási területen, a normál kioltás és a késleltetett kioltás metszéspontján jelenik meg, és nem messze van a metszésponttól, ami fontos iránymutató jelentőséggel bír az extrudálási folyamat során keletkező hulladék ésszerű visszatartása szempontjából.
Szerkesztette: May Jiang, a MAT Aluminum oldaláról
Közzététel ideje: 2024. augusztus 28.
