Aluminiumlegeringen van 6061T6 met een grote wanddikte moeten na hete extrusie worden afgeschrikt. Door de beperkingen van discontinue extrusie komt een deel van het profiel met vertraging in de waterkoelingszone terecht. Wanneer de volgende korte staaf verder wordt geëxtrudeerd, ondergaat dit deel van het profiel een vertraagde afschrikking. Hoe om te gaan met de vertraagde afschrikzone is een kwestie waar elk productiebedrijf rekening mee moet houden. Wanneer er weinig afval is in het extrusie-eindproces, worden de genomen prestatiemonsters soms gekwalificeerd en soms niet. Bij het opnieuw nemen van monsters vanaf de zijkant wordt de prestatie opnieuw gekwalificeerd. Dit artikel geeft de bijbehorende uitleg aan de hand van experimenten.
1. Testmaterialen en -methoden
Het in dit experiment gebruikte materiaal is aluminiumlegering 6061. De chemische samenstelling, gemeten met behulp van spectrale analyse, is als volgt: het voldoet aan GB/T 3190-1996, de internationale norm voor de samenstelling van aluminiumlegeringen 6061.
In dit experiment werd een deel van het geëxtrudeerde profiel behandeld met een vaste oplossing. Het 400 mm lange profiel werd in twee delen verdeeld. Gebied 1 werd direct met water gekoeld en afgekoeld. Gebied 2 werd 90 seconden aan de lucht gekoeld en vervolgens met water gekoeld. Het testdiagram is weergegeven in figuur 1.
Het 6061 aluminiumlegeringsprofiel dat in dit experiment werd gebruikt, werd geëxtrudeerd met een 4000UST-extruder. De matrijstemperatuur is 500 °C, de gietstaaftemperatuur is 510 °C, de extrusie-uitlaattemperatuur is 525 °C, de extrusiesnelheid is 2,1 mm/s, er wordt hogedrukwaterkoeling gebruikt tijdens het extrusieproces en er wordt een teststuk van 400 mm lang uit het midden van het geëxtrudeerde, afgewerkte profiel genomen. De breedte van het monster is 150 mm en de hoogte is 10,00 mm.
De genomen monsters werden verdeeld en vervolgens opnieuw aan een oplossingsbehandeling onderworpen. De oplossingstemperatuur was 530 °C en de oplossingstijd was 4 uur. Nadat ze eruit waren gehaald, werden de monsters in een grote watertank met een waterdiepte van 100 mm geplaatst. De grotere watertank zorgt ervoor dat de watertemperatuur in de tank nauwelijks verandert nadat het monster in zone 1 is gekoeld, waardoor een temperatuurstijging de intensiteit van de waterkoeling niet beïnvloedt. Zorg er tijdens het waterkoelproces voor dat de watertemperatuur binnen het bereik van 20-25 °C ligt. De gebluste monsters werden 8 uur bewaard bij 165 °C.
Neem een deel van het monster van 400 mm lang, 30 mm breed en 10 mm dik en voer een Brinell-hardheidstest uit. Voer 5 metingen uit per 10 mm. Neem de gemiddelde waarde van de 5 Brinell-hardheden als het Brinell-hardheidsresultaat op dit punt en observeer het patroon van de hardheidsverandering.
De mechanische eigenschappen van het profiel werden getest en de trekparallelle sectie van 60 mm werd op verschillende posities van het monster van 400 mm gecontroleerd om de treksterkte en de breuklocatie te observeren.
Het temperatuurveld van het watergekoelde afschrikken van het monster en het afschrikken na een vertraging van 90 s werden gesimuleerd met behulp van ANSYS-software en de afkoelsnelheden van de profielen op verschillende posities werden geanalyseerd.
2. Experimentele resultaten en analyse
2.1 Resultaten van de hardheidstest
Figuur 2 toont de curve van de hardheidsverandering van een 400 mm lang monster, gemeten met een Brinell-hardheidsmeter (de lengte van de abscis is 10 mm en de nullijn is de scheidingslijn tussen normaal blussen en vertraagd blussen). De hardheid aan de watergekoelde kant is stabiel rond de 95 HB. Na de scheidingslijn tussen blussen met waterkoeling en vertraagd blussen met waterkoeling (90 s) begint de hardheid af te nemen, maar de afnamesnelheid is in het beginstadium traag. Na 40 mm (89 HB) neemt de hardheid sterk af en daalt tot de laagste waarde (77 HB) bij 80 mm. Na 80 mm nam de hardheid niet verder af, maar nam deze tot op zekere hoogte toe. De toename was relatief klein. Na 130 mm bleef de hardheid ongewijzigd rond de 83 HB. Er kan worden gespeculeerd dat de koelsnelheid van het vertraagde blusgedeelte verandert door het effect van warmtegeleiding.
2.2 Resultaten en analyse van prestatietests
Tabel 2 toont de resultaten van trekproeven uitgevoerd op monsters genomen uit verschillende posities van de parallelle sectie. Hieruit blijkt dat de treksterkte en vloeigrens van nr. 1 en nr. 2 vrijwel niet veranderen. Naarmate het aandeel vertraagde afschrikuiteinden toeneemt, vertonen de treksterkte en vloeigrens van de legering een significant dalende trend. De treksterkte op elke bemonsteringslocatie ligt echter boven de standaardsterkte. Alleen in het gebied met de laagste hardheid is de vloeigrens lager dan de monsterstandaard, wat de prestaties van het monster als niet-gekwalificeerd beschouwt.
Figuur 4 toont de resultaten van de treksterkte-eigenschappen van monster nr. 3. Uit figuur 4 blijkt dat hoe verder weg van de scheidingslijn, hoe lager de hardheid van het vertraagde afschrikuiteinde. De afname in hardheid geeft aan dat de prestaties van het monster afnemen, maar de hardheid neemt langzaam af, en neemt slechts af van 95 HB tot ongeveer 91 HB aan het einde van de parallelle sectie. Zoals te zien is uit de prestatieresultaten in tabel 1, nam de treksterkte af van 342 MPa tot 320 MPa voor waterkoeling. Tegelijkertijd werd vastgesteld dat het breukpunt van het trekmonster zich ook aan het einde van de parallelle sectie met de laagste hardheid bevindt. Dit komt doordat het ver weg is van de waterkoeling, de legeringsprestaties afnemen en het uiteinde als eerste de treksterktegrens bereikt om een insnoering te vormen. Ten slotte breekt het vanaf het laagste prestatiepunt en is de breukpositie consistent met de prestatietestresultaten.
Figuur 5 toont de hardheidscurve van de parallelle doorsnede van monster nr. 4 en de breukpositie. Hieruit blijkt dat hoe verder weg van de waterkoelingsscheidingslijn, hoe lager de hardheid van het vertraagde afschrikuiteinde. Tegelijkertijd bevindt de breuklocatie zich ook aan het uiteinde waar de hardheid het laagst is, namelijk 86HB-breuken. Uit tabel 2 blijkt dat er vrijwel geen plastische vervorming is aan het watergekoelde uiteinde. Uit tabel 1 blijkt dat de prestaties van het monster (treksterkte 298 MPa, vloeigrens 266 MPa) aanzienlijk zijn verminderd. De treksterkte bedraagt slechts 298 MPa, wat de vloeigrens van het watergekoelde uiteinde (315 MPa) niet haalt. Het uiteinde heeft een insnoering gevormd wanneer deze lager is dan 315 MPa. Vóór de breuk trad er alleen elastische vervorming op in het watergekoelde gebied. Naarmate de spanning verdween, verdween ook de rek aan het watergekoelde uiteinde. Als gevolg hiervan is de vervormingshoeveelheid in de waterkoelingszone in tabel 2 vrijwel onveranderd. Het monster breekt aan het einde van de vertraagde vuursnelheid, het vervormde oppervlak wordt kleiner en de eindhardheid is het laagst, wat resulteert in een significante afname van de prestatieresultaten.
Neem monsters uit het 100% vertraagde afschrikgebied aan het einde van het 400 mm monster. Figuur 6 toont de hardheidscurve. De hardheid van de parallelle sectie is gedaald tot ongeveer 83-84 HB en is relatief stabiel. Dankzij hetzelfde proces zijn de prestaties ongeveer hetzelfde. Er is geen duidelijk patroon te vinden in de breukpositie. De legeringsprestaties zijn lager dan die van het met water afgeschrikte monster.
Om de regelmatigheid van de prestaties en breuk verder te onderzoeken, werd de parallelle doorsnede van het trekmonster geselecteerd nabij het laagste hardheidspunt (77HB). Uit tabel 1 bleek dat de prestaties aanzienlijk verminderd waren, en het breukpunt bevond zich op het laagste hardheidspunt in figuur 2.
2.3 ANSYS-analyseresultaten
Figuur 7 toont de resultaten van de ANSYS-simulatie van koelcurven op verschillende posities. Te zien is dat de temperatuur van het monster in de waterkoelingszone snel daalde. Na 5 seconden daalde de temperatuur tot onder de 100 °C, en op 80 mm van de scheidingslijn daalde de temperatuur tot ongeveer 210 °C na 90 seconden. De gemiddelde temperatuurdaling is 3,5 °C/s. Na 90 seconden in de luchtkoelingszone daalt de temperatuur tot ongeveer 360 °C, met een gemiddelde dalingssnelheid van 1,9 °C/s.
Uit prestatieanalyse en simulatieresultaten blijkt dat de prestaties van het waterkoelingsgebied en het vertraagde afschrikgebied een veranderingspatroon vertonen dat eerst afneemt en vervolgens licht toeneemt. Warmtegeleiding, beïnvloed door waterkoeling nabij de scheidingslijn, zorgt ervoor dat de temperatuur van het monster in een bepaald gebied daalt met een koelsnelheid die lager is dan die van waterkoeling (3,5 °C/s). Als gevolg hiervan sloeg Mg2Si, dat in de matrix stolde, in grote hoeveelheden neer in dit gebied, en daalde de temperatuur na 90 seconden tot ongeveer 210 °C. De grote hoeveelheid neergeslagen Mg2Si leidde tot een kleiner effect van waterkoeling na 90 s. De hoeveelheid Mg2Si-versterkingsfase die na de verouderingsbehandeling neersloeg, nam sterk af, en de prestaties van het monster namen vervolgens af. De vertraagde afschrikzone ver van de scheidingslijn wordt echter minder beïnvloed door warmtegeleiding door waterkoeling, en de legering koelt relatief langzaam af onder luchtkoelingsomstandigheden (koelsnelheid 1,9 °C/s). Slechts een klein deel van de Mg2Si-fase slaat langzaam neer en de temperatuur bedraagt na 90 seconden 360 °C. Na afkoeling met water bevindt het grootste deel van de Mg2Si-fase zich nog in de matrix en verspreidt en slaat het neer na veroudering, wat een versterkende rol speelt.
3. Conclusie
Uit experimenten is gebleken dat bij vertraagd blussen de hardheid van de zone waar vertraagd blussen plaatsvindt, op het kruispunt van normaal blussen en vertraagd blussen, eerst afneemt en vervolgens licht toeneemt, totdat deze uiteindelijk stabiliseert.
Voor aluminiumlegering 6061 bedragen de treksterktes na normaal afschrikken en vertraagd afschrikken gedurende 90 s respectievelijk 342 MPa en 288 MPa. De vloeigrenzen bedragen 315 MPa en 252 MPa. Beide voldoen aan de prestatie-eisen van het monster.
Er is een gebied met de laagste hardheid, die na normaal blussen afneemt van 95 HB naar 77 HB. De prestaties zijn hier ook het laagst, met een treksterkte van 271 MPa en een vloeigrens van 220 MPa.
Uit ANSYS-analyse bleek dat de afkoelsnelheid op het laagste prestatiepunt in de 90 seconden vertraagde bluszone met ongeveer 3,5 °C per seconde afnam, wat resulteerde in een onvoldoende vaste oplossing van de Mg2Si-fase in de versterkingsfase. Volgens dit artikel blijkt dat het prestatiegevaarpunt zich bevindt in het vertraagde blusgebied, op de kruising van normaal en vertraagd blussen, en niet ver van de kruising ligt. Dit is van groot belang voor de redelijke retentie van afval in het extrusie-eindproces.
Bewerkt door May Jiang van MAT Aluminum
Plaatsingstijd: 28-08-2024
