Storvegget aluminiumslegering 6061T6 må bråkjøles etter varmeekstrudering. På grunn av begrensningen ved diskontinuerlig ekstrudering, vil en del av profilen gå inn i vannkjølesonen med forsinkelse. Når den neste korte barren ekstruderes, vil denne delen av profilen gjennomgå forsinket bråkjøling. Hvordan håndtere det forsinkede bråkjølingsområdet er et problem som alle produksjonsselskaper må vurdere. Når avfallet i ekstruderingsprosessen er kort, er ytelsesprøvene som tas noen ganger kvalifiserte og noen ganger ukvalifiserte. Ved ny prøvetaking fra siden kvalifiseres ytelsen på nytt. Denne artikkelen gir den tilsvarende forklaringen gjennom eksperimenter.
1. Testmaterialer og -metoder
Materialet som ble brukt i dette eksperimentet er aluminiumslegering 6061. Den kjemiske sammensetningen målt ved spektralanalyse er som følger: Den er i samsvar med GB/T 3190-1996 internasjonal standard for aluminiumslegering 6061.
I dette eksperimentet ble en del av den ekstruderte profilen tatt for behandling i fast løsning. Den 400 mm lange profilen ble delt inn i to områder. Område 1 ble direkte vannkjølt og bråkjølt. Område 2 ble avkjølt i luften i 90 sekunder og deretter vannkjølt. Testdiagrammet er vist i figur 1.
6061-profilen av aluminiumslegering som ble brukt i dette eksperimentet ble ekstrudert med en 4000UST-ekstruder. Formtemperaturen er 500 °C, støpestangtemperaturen er 510 °C, ekstruderingsutløpstemperaturen er 525 °C, ekstruderingshastigheten er 2,1 mm/s, høyintensiv vannkjøling brukes under ekstruderingsprosessen, og et 400 mm langt teststykke tas fra midten av den ekstruderte ferdige profilen. Prøvebredden er 150 mm og høyden er 10,00 mm.
De uttatte prøvene ble separert og deretter behandlet på nytt med løsningen. Løsningstemperaturen var 530 °C, og løsningstiden var 4 timer. Etter uttak ble prøvene plassert i en stor vanntank med en vanndybde på 100 mm. Den større vanntanken kan sikre at vanntemperaturen i vanntanken endres lite etter at prøven i sone 1 er vannkjølt, noe som forhindrer at økningen i vanntemperatur påvirker vannkjølingsintensiteten. Under vannkjølingsprosessen må det sørges for at vanntemperaturen er innenfor området 20–25 °C. De bråkjølte prøvene ble aldret ved 165 °C * 8 timer.
Ta en del av prøven som er 400 mm lang, 30 mm bred og 10 mm tykk, og utfør en Brinell-hardhetstest. Gjør 5 målinger hver 10 mm. Ta gjennomsnittsverdien av de 5 Brinell-hardhetene som Brinell-hardhetsresultatet på dette punktet, og observer hardhetsendringsmønsteret.
Profilens mekaniske egenskaper ble testet, og den strekkfaste parallelle seksjonen på 60 mm ble kontrollert på forskjellige posisjoner av 400 mm-prøven for å observere strekkegenskapene og bruddplasseringen.
Temperaturfeltet for den vannkjølte bråkjølingen av prøven og bråkjølingen etter en forsinkelse på 90 sekunder ble simulert gjennom ANSYS-programvare, og kjølehastighetene til profilene på forskjellige posisjoner ble analysert.
2. Eksperimentelle resultater og analyse
2.1 Resultater av hardhetstest
Figur 2 viser hardhetsendringskurven for en 400 mm lang prøve målt med en Brinell-hardhetsmåler (enhetslengden på abscissen representerer 10 mm, og 0-skalaen er skillelinjen mellom normal bråkjøling og forsinket bråkjøling). Det kan finnes at hardheten ved den vannkjølte enden er stabil rundt 95 HB. Etter skillelinjen mellom vannkjølt bråkjøling og forsinket 90-talls vannkjølt bråkjøling, begynner hardheten å synke, men nedgangshastigheten er langsom i den tidlige fasen. Etter 40 mm (89 HB) synker hardheten kraftig, og faller til den laveste verdien (77 HB) ved 80 mm. Etter 80 mm fortsatte ikke hardheten å synke, men økte til en viss grad. Økningen var relativt liten. Etter 130 mm forble hardheten uendret på rundt 83 HB. Det kan spekuleres i at på grunn av effekten av varmeledning, endret kjølehastigheten til den forsinkede bråkjølingsdelen seg.
2.2 Resultater og analyse av ytelsestester
Tabell 2 viser resultatene av strekkforsøk utført på prøver tatt fra forskjellige posisjoner i den parallelle seksjonen. Det kan konstateres at strekkfastheten og flytegrensen for nr. 1 og nr. 2 nesten ikke endrer seg. Etter hvert som andelen av forsinkede bråkjølingsender øker, viser legeringens strekkfasthet og flytegrense en betydelig nedadgående trend. Strekkfastheten på hvert prøvetakingssted er imidlertid over standardstyrken. Bare i området med lavest hardhet er flytegrensen lavere enn prøvestandarden, og prøveytelsen er ukvalifisert.
Figur 4 viser resultatene av strekkegenskapene for prøve nr. 3. Det fremgår av figur 4 at jo lenger unna delelinjen, desto lavere er hardheten til den forsinkede bråkjølingsenden. Nedgangen i hardhet indikerer at prøvens ytelse reduseres, men hardheten avtar sakte, og synker bare fra 95HB til omtrent 91HB på slutten av den parallelle seksjonen. Som det fremgår av ytelsesresultatene i tabell 1, reduserte strekkfastheten fra 342 MPa til 320 MPa for vannkjøling. Samtidig ble det funnet at bruddpunktet til strekkprøven også er på enden av den parallelle seksjonen med lavest hardhet. Dette er fordi den er langt unna vannkjølingen, legeringens ytelse reduseres, og enden når først strekkfasthetsgrensen og danner en innsnevring. Til slutt brytes fra det laveste ytelsespunktet, og bruddposisjonen er i samsvar med ytelsestestresultatene.
Figur 5 viser hardhetskurven for den parallelle seksjonen av prøve nr. 4 og bruddposisjonen. Det kan sees at jo lenger unna vannkjølingsskillelinjen, desto lavere er hardheten til den forsinkede bråkjølingsenden. Samtidig er bruddstedet også i den enden der hardheten er lavest, 86HB-brudd. Fra tabell 2 ser det ut til at det nesten ikke er noen plastisk deformasjon ved den vannkjølte enden. Fra tabell 1 ser det ut til at prøveytelsen (strekkfasthet 298 MPa, flytegrense 266 MPa) er betydelig redusert. Strekkfastheten er bare 298 MPa, som ikke når flytegrensen til den vannkjølte enden (315 MPa). Enden har dannet en innsnevring når den er lavere enn 315 MPa. Før bruddet oppstod det bare elastisk deformasjon i det vannkjølte området. Etter hvert som spenningen forsvant, forsvant tøyningen ved den vannkjølte enden. Som et resultat er deformasjonsmengden i vannkjølingssonen i tabell 2 nesten uendret. Prøven knekker på slutten av den forsinkede brannhastigheten, det deformerte området reduseres, og slutthardheten er lavest, noe som resulterer i en betydelig reduksjon i ytelsesresultatene.
Ta prøver fra området med 100 % forsinket bråkjøling på slutten av 400 mm-prøven. Figur 6 viser hardhetskurven. Hardheten til den parallelle seksjonen er redusert til omtrent 83–84 HB og er relativt stabil. På grunn av den samme prosessen er ytelsen omtrent den samme. Det finnes ikke noe tydelig mønster i bruddposisjonen. Legeringsytelsen er lavere enn for den vannbråkjølte prøven.
For å undersøke regelmessigheten i ytelse og brudd ytterligere, ble den parallelle seksjonen av strekkprøven valgt nær det laveste hardhetspunktet (77HB). Fra tabell 1 ble det funnet at ytelsen var betydelig redusert, og bruddpunktet dukket opp på det laveste hardhetspunktet i figur 2.
2.3 ANSYS-analyseresultater
Figur 7 viser resultatene av ANSYS-simulering av kjølekurver på forskjellige posisjoner. Det kan sees at temperaturen på prøven i vannkjølingsområdet falt raskt. Etter 5 sekunder falt temperaturen til under 100 °C, og 80 mm fra delelinjen falt temperaturen til omtrent 210 °C ved 90 sekunder. Gjennomsnittlig temperaturfall er 3,5 °C/s. Etter 90 sekunder i det terminale luftkjølingsområdet faller temperaturen til omtrent 360 °C, med en gjennomsnittlig fallhastighet på 1,9 °C/s.
Gjennom ytelsesanalyse og simuleringsresultater har man funnet at ytelsen til vannkjølingsområdet og området med forsinket bråkjøling har et endringsmønster som først avtar og deretter øker litt. Påvirket av vannkjøling nær delelinjen, fører varmeledning til at prøven i et bestemt område faller med en avkjølingshastighet som er lavere enn vannkjølingen (3,5 °C/s). Som et resultat falt Mg2Si, som størknet i matrisen, ut i store mengder i dette området, og temperaturen falt til omtrent 210 °C etter 90 sekunder. Den store mengden Mg2Si som ble utfelt, førte til en mindre effekt av vannkjøling etter 90 sekunder. Mengden Mg2Si-forsterkende fase som ble utfelt etter aldringsbehandling ble kraftig redusert, og prøveytelsen ble deretter redusert. Imidlertid er sonen med forsinket bråkjøling langt unna delelinjen mindre påvirket av vannkjølingens varmeledning, og legeringen avkjøles relativt sakte under luftkjølingsforhold (kjølehastighet 1,9 °C/s). Bare en liten del av Mg2Si-fasen utfelles sakte, og temperaturen er 360 °C etter 90 sekunder. Etter vannkjøling er mesteparten av Mg2Si-fasen fortsatt i matrisen, og den dispergeres og utfelles etter aldring, noe som spiller en styrkende rolle.
3. Konklusjon
Det ble funnet gjennom eksperimenter at forsinket bråkjøling vil føre til at hardheten i den forsinkede bråkjølingssonen i skjæringspunktet mellom normal bråkjøling og forsinket bråkjøling først avtar og deretter øker litt inntil den endelig stabiliserer seg.
For 6061 aluminiumslegering er strekkfasthetene etter normal bråkjøling og forsinket bråkjøling i 90 sekunder henholdsvis 342 MPa og 288 MPa, og flytegrensene er 315 MPa og 252 MPa, som begge oppfyller ytelsesstandardene for prøven.
Det finnes et område med lavest hardhet, som reduseres fra 95HB til 77HB etter normal bråkjøling. Ytelsen her er også lavest, med en strekkfasthet på 271 MPa og en flytegrense på 220 MPa.
Gjennom ANSYS-analyse ble det funnet at kjølehastigheten ved det laveste ytelsespunktet i 90-tallssonen med forsinket bråkjøling minket med omtrent 3,5 °C per sekund, noe som resulterte i utilstrekkelig fast løsning av Mg2Si-fasen i forsterkningfasen. I følge denne artikkelen kan man se at ytelsesfarepunktet opptrer i området med forsinket bråkjøling ved krysset mellom normal bråkjøling og forsinket bråkjøling, og ikke langt fra krysset, noe som har viktig styrende betydning for rimelig oppbevaring av avfall fra ekstruderingsprosessens sluttpunkt.
Redigert av May Jiang fra MAT Aluminum
Publisert: 28. august 2024
