Stor vægtykkelse af aluminiumlegering 6061T6 skal afkøles efter varm ekstrudering. På grund af begrænsningen ved diskontinuerlig ekstrudering vil en del af profilen komme ind i vandkølezonen med forsinkelse. Når den næste korte barre ekstruderes, vil denne del af profilen gennemgå en forsinket afkøling. Hvordan man håndterer det forsinkede afkølingsområde er et problem, som alle produktionsvirksomheder skal overveje. Når spild i ekstruderingsprocessens ende er kort, er de udtagne ydelsesprøver nogle gange kvalificerede og nogle gange ukvalificerede. Ved omprøvetagning fra siden kvalificeres ydelsen igen. Denne artikel giver den tilsvarende forklaring gennem eksperimenter.
1. Testmaterialer og -metoder
Materialet, der anvendes i dette eksperiment, er aluminiumlegering 6061. Dens kemiske sammensætning målt ved spektralanalyse er som følger: Den overholder GB/T 3190-1996 international standard for aluminiumlegering 6061.
I dette eksperiment blev en del af den ekstruderede profil taget til behandling i fast opløsning. Den 400 mm lange profil blev opdelt i to områder. Område 1 blev direkte vandkølet og bratkølet. Område 2 blev afkølet i luften i 90 sekunder og derefter vandkølet. Testdiagrammet er vist i figur 1.
Den anvendte 6061 aluminiumslegeringsprofil i dette eksperiment blev ekstruderet med en 4000UST ekstruder. Formtemperaturen er 500°C, støbestangens temperatur er 510°C, ekstruderingsudløbstemperaturen er 525°C, ekstruderingshastigheden er 2,1 mm/s, der anvendes højintensiv vandkøling under ekstruderingsprocessen, og et 400 mm langt teststykke tages fra midten af den ekstruderede færdige profil. Prøvebredden er 150 mm, og højden er 10,00 mm.
De udtagne prøver blev separeret og derefter underkastet en ny opløsningsbehandling. Opløsningstemperaturen var 530°C, og opløsningstiden var 4 timer. Efter udtagning blev prøverne placeret i en stor vandtank med en vanddybde på 100 mm. Den større vandtank kan sikre, at vandtemperaturen i vandtanken ændrer sig kun lidt, efter at prøven i zone 1 er vandkølet, hvilket forhindrer, at stigningen i vandtemperaturen påvirker vandkøleintensiteten. Under vandkølingsprocessen skal det sikres, at vandtemperaturen er inden for området 20-25°C. De bratkølede prøver blev ældet ved 165°C*8 timer.
Tag en del af prøven, der er 400 mm lang, 30 mm bred og 10 mm tyk, og udfør en Brinell-hårdhedstest. Foretag 5 målinger hver 10 mm. Tag gennemsnitsværdien af de 5 Brinell-hårdheder som Brinell-hårdhedsresultatet på dette tidspunkt, og observer hårdhedsændringsmønsteret.
Profilens mekaniske egenskaber blev testet, og den parallelle trækstyrke på 60 mm blev kontrolleret på forskellige positioner af 400 mm prøven for at observere trækstyrkeegenskaberne og brudplaceringen.
Temperaturfeltet for den vandkølede bratkøling af prøven og bratkølingen efter en forsinkelse på 90 sekunder blev simuleret ved hjælp af ANSYS-software, og kølehastighederne for profilerne på forskellige positioner blev analyseret.
2. Eksperimentelle resultater og analyse
2.1 Resultater af hårdhedstest
Figur 2 viser hårdhedsændringskurven for en 400 mm lang prøve målt med en Brinell-hårdhedsmåler (abscissens enhedslængde repræsenterer 10 mm, og 0-skalaen er skillelinjen mellem normal bratkøling og forsinket bratkøling). Det kan konstateres, at hårdheden i den vandkølede ende er stabil omkring 95 HB. Efter skillelinjen mellem vandkølingsbratkøling og forsinket 90'er-vandkølingsbratkøling begynder hårdheden at falde, men faldhastigheden er langsom i den tidlige fase. Efter 40 mm (89 HB) falder hårdheden kraftigt og falder til den laveste værdi (77 HB) ved 80 mm. Efter 80 mm fortsatte hårdheden ikke med at falde, men steg til en vis grad. Stigningen var relativt lille. Efter 130 mm forblev hårdheden uændret omkring 83 HB. Det kan spekuleres i, at kølehastigheden for den forsinkede bratkølingsdel ændrede sig på grund af effekten af varmeledning.
2.2 Resultater og analyse af ydeevnetest
Tabel 2 viser resultaterne af trækforsøg udført på prøver taget fra forskellige positioner af den parallelle sektion. Det kan konstateres, at trækstyrken og flydespændingen for nr. 1 og nr. 2 næsten ikke ændrer sig. Efterhånden som andelen af forsinkede bratkølingsender stiger, viser legeringens trækstyrke og flydespænding en betydelig nedadgående tendens. Trækstyrken på hvert prøveudtagningssted er dog over standardstyrken. Kun i området med den laveste hårdhed er flydespændingen lavere end prøvestandarden, og prøveydelsen er derfor ukvalificeret.
Figur 4 viser resultaterne af trækstyrkeegenskaberne for prøve nr. 3. Det fremgår af figur 4, at jo længere væk fra skillelinjen, desto lavere er hårdheden af den forsinkede køleende ende. Faldet i hårdhed indikerer, at prøvens ydeevne reduceres, men hårdheden falder langsomt og kun falder fra 95HB til omkring 91HB ved enden af den parallelle sektion. Som det kan ses af ydeevneresultaterne i tabel 1, faldt trækstyrken fra 342 MPa til 320 MPa ved vandkøling. Samtidig blev det konstateret, at brudpunktet for trækprøven også er ved enden af den parallelle sektion med den laveste hårdhed. Dette skyldes, at det er langt væk fra vandkølingen, legeringens ydeevne reduceres, og enden når først trækstyrkegrænsen og danner en indsnævring. Til sidst brud fra det laveste ydeevnepunkt, og brudpositionen er i overensstemmelse med ydeevnetestresultaterne.
Figur 5 viser hårdhedskurven for den parallelle sektion af prøve nr. 4 og brudpositionen. Det kan ses, at jo længere væk fra vandkølende skillelinje, desto lavere er hårdheden af den forsinkede bratkølingsende. Samtidig er brudstedet også i den ende, hvor hårdheden er lavest, 86HB-brud. Af tabel 2 ses det, at der næsten ikke er nogen plastisk deformation ved den vandkølede ende. Af tabel 1 ses det, at prøvens ydeevne (trækstyrke 298 MPa, flydespænding 266 MPa) reduceres betydeligt. Trækstyrken er kun 298 MPa, hvilket ikke når flydespændingen for den vandkølede ende (315 MPa). Enden har dannet en indsnævring, når den er lavere end 315 MPa. Før bruddet forekom der kun elastisk deformation i det vandkølede område. Efterhånden som spændingen forsvandt, forsvandt tøjningen ved den vandkølede ende. Som et resultat er deformationsmængden i vandkølezonen i tabel 2 næsten uændret. Prøven knækker ved afslutningen af den forsinkede ildhastighed, det deformerede område reduceres, og sluthårdheden er den laveste, hvilket resulterer i en betydelig reduktion i ydeevneresultaterne.
Tag prøver fra området med 100% forsinket bratkøling for enden af 400 mm prøven. Figur 6 viser hårdhedskurven. Hårdheden af den parallelle sektion er reduceret til omkring 83-84HB og er relativt stabil. På grund af den samme proces er ydeevnen nogenlunde den samme. Der findes intet tydeligt mønster i brudpositionen. Legeringens ydeevne er lavere end den vandblæste prøves.
For yderligere at undersøge regelmæssigheden af ydeevne og brud blev den parallelle sektion af trækprøven valgt nær det laveste hårdhedspunkt (77HB). Fra tabel 1 blev det konstateret, at ydeevnen var signifikant reduceret, og brudpunktet viste sig ved det laveste hårdhedspunkt i figur 2.
2.3 ANSYS-analyseresultater
Figur 7 viser resultaterne af ANSYS-simuleringen af kølekurver ved forskellige positioner. Det kan ses, at temperaturen af prøven i vandkøleområdet faldt hurtigt. Efter 5 sekunder faldt temperaturen til under 100 °C, og 80 mm fra skillelinjen faldt temperaturen til omkring 210 °C ved 90 sekunder. Det gennemsnitlige temperaturfald er 3,5 °C/s. Efter 90 sekunder i det terminale luftkøleområde falder temperaturen til omkring 360 °C med en gennemsnitlig faldhastighed på 1,9 °C/s.
Gennem ydeevneanalyse og simuleringsresultater er det konstateret, at ydeevnen i vandkølingsområdet og det forsinkede køleområde er et ændringsmønster, der først falder og derefter stiger en smule. Påvirket af vandkøling nær skillelinjen får varmeledningsevnen prøven i et bestemt område til at falde med en kølehastighed, der er lavere end vandkølingshastigheden (3,5 °C/s). Som følge heraf udfældedes Mg2Si, som størknede i matricen, i store mængder i dette område, og temperaturen faldt til omkring 210 °C efter 90 sekunder. Den store mængde Mg2Si, der blev udfældet, førte til en mindre effekt af vandkøling efter 90 sekunder. Mængden af Mg2Si-forstærkningsfase, der blev udfældet efter ældningsbehandlingen, blev kraftigt reduceret, og prøvens ydeevne blev efterfølgende reduceret. Imidlertid er den forsinkede kølezone langt væk fra skillelinjen mindre påvirket af vandkølingsvarmeledningsevnen, og legeringen afkøles relativt langsomt under luftkølingsforhold (kølehastighed 1,9 °C/s). Kun en lille del af Mg2Si-fasen udfældes langsomt, og temperaturen er 360°C efter 90 sekunder. Efter vandkøling er det meste af Mg2Si-fasen stadig i matricen, og den dispergeres og udfældes efter ældning, hvilket spiller en styrkende rolle.
3. Konklusion
Det blev gennem eksperimenter fundet, at forsinket bratkøling vil forårsage, at hårdheden af den forsinkede bratkølingszone ved skæringspunktet mellem normal bratkøling og forsinket bratkøling først falder og derefter stiger en smule, indtil den endelig stabiliseres.
For 6061 aluminiumlegering er trækstyrkerne efter normal bratkøling og forsinket bratkøling i 90 sekunder henholdsvis 342 MPa og 288 MPa, og flydespændingerne er 315 MPa og 252 MPa, som begge opfylder prøvepræstationsstandarderne.
Der er et område med den laveste hårdhed, som reduceres fra 95HB til 77HB efter normal bratkøling. Ydeevnen her er også den laveste, med en trækstyrke på 271 MPa og en flydespænding på 220 MPa.
Gennem ANSYS-analyse blev det konstateret, at kølehastigheden ved det laveste ydelsespunkt i 90'er-zonen med forsinket bratkøling faldt med cirka 3,5°C pr. sekund, hvilket resulterede i utilstrækkelig fast opløsning af den forstærkende fase Mg2Si-fase. Ifølge denne artikel kan det ses, at ydelsesfarepunktet optræder i området med forsinket bratkøling ved krydset mellem normal bratkøling og forsinket bratkøling, og ikke er langt fra krydset, hvilket har vigtig styrende betydning for en rimelig tilbageholdelse af affald fra ekstruderingsprocessens ende.
Redigeret af May Jiang fra MAT Aluminum
Opslagstidspunkt: 28. august 2024
