Suure seinapaksusega 6061T6 alumiiniumsulamist tuleb pärast kuumpressimist karastada. Katkendliku ekstrusiooni piiratuse tõttu siseneb osa profiilist vesijahutustsooni viivitusega. Kui järgmise lühikese valuploki ekstrusiooni jätkatakse, läbib see profiili osa viivitusega karastamise. Kuidas toimida viivitusega karastamise alaga, on küsimus, mida iga tootmisettevõte peab kaaluma. Kui ekstrusiooni sabaotsa jäätmed on lühikesed, on võetud toimivusproovid mõnikord kvalifitseeritud ja mõnikord kvalifitseerimata. Külgproovi võtmisel kvalifitseeritakse jõudlus uuesti. See artikkel annab vastava selgituse katsete kaudu.
1. Katsematerjalid ja -meetodid
Selles katses kasutatud materjal on 6061 alumiiniumsulam. Selle spektraalanalüüsi abil mõõdetud keemiline koostis on järgmine: see vastab rahvusvahelisele 6061 alumiiniumisulami koostise standardile GB/T 3190-1996.
Selles katses võeti osa ekstrudeeritud profiilist tahke lahuse töötlemiseks. 400 mm pikkune profiil jagati kaheks piirkonnaks. Piirkond 1 jahutati otse veega ja karastati. Piirkond 2 jahutati õhus 90 sekundit ja seejärel veega. Katse diagramm on näidatud joonisel 1.
Selles katses kasutatud 6061 alumiiniumsulamist profiil ekstrudeeriti 4000UST ekstruuderi abil. Vormi temperatuur on 500 °C, valuvarda temperatuur on 510 °C, ekstrusiooni väljundtemperatuur on 525 °C, ekstrusioonikiirus on 2,1 mm/s, ekstrusiooniprotsessi ajal kasutatakse suure intensiivsusega vesijahutust ja ekstrudeeritud valmisprofiili keskelt võetakse 400 mm pikkune katsekeha. Proovi laius on 150 mm ja kõrgus 10,00 mm.
Võetud proovid jaotati ja seejärel töödeldi uuesti lahusega. Lahuse temperatuur oli 530 °C ja lahustamisaeg oli 4 tundi. Pärast proovide väljavõtmist paigutati need suurde veepaaki, mille veesügavus oli 100 mm. Suurem veepaak tagab, et vee temperatuur veepaagis muutub pärast 1. tsoonis oleva proovi veega jahutamist vähe, vältides veetemperatuuri tõusu mõju vee jahutamise intensiivsusele. Vee jahutamise ajal tuleb tagada, et vee temperatuur oleks vahemikus 20–25 °C. Jahutatud proove vanandati temperatuuril 165 °C * 8 tundi.
Võtke proovist 400 mm pikkune, 30 mm laiune ja 10 mm paksune osa ja tehke sellega Brinelli kõvaduse test. Tehke iga 10 mm järel 5 mõõtmist. Võtke 5 Brinelli kõvaduse keskmine väärtus Brinelli kõvaduse tulemusena ja jälgige kõvaduse muutumise mustrit.
Profiili mehaanilisi omadusi testiti ja 60 mm tõmbeparalleelset lõiku kontrolliti 400 mm proovi erinevates asendites, et jälgida tõmbeomadusi ja murdumiskohta.
Proovi vesijahutusega kustutamise temperatuurivälja ja 90-sekundilise viivitusega kustutamist simuleeriti ANSYS tarkvara abil ning analüüsiti profiilide jahutuskiirusi erinevates positsioonides.
2. Katsetulemused ja analüüs
2.1 Kõvadustesti tulemused
Joonis 2 näitab 400 mm pikkuse proovi kõvaduse muutuse kõverat, mis on mõõdetud Brinelli kõvadusmõõturiga (abstsissteljel on 10 mm ja 0-skaala tähistab eraldusjoont normaalse ja viivitatud karastamise vahel). On näha, et vesijahutusega otsa kõvadus on stabiilselt umbes 95 HB juures. Pärast vesijahutusega karastamise ja 90 sekundilise viivitatud karastamise vahelise eraldusjoone ületamist hakkab kõvadus langema, kuid languse kiirus on algstaadiumis aeglane. Pärast 40 mm (89 HB) langeb kõvadus järsult ja langeb madalaima väärtuseni (77 HB) 80 mm juures. Pärast 80 mm kõvadus ei jätkanud langust, vaid suurenes teatud määral. Suurenemine oli suhteliselt väike. Pärast 130 mm jäi kõvadus muutumatuks umbes 83 HB juures. Võib oletada, et soojusjuhtivuse mõjul muutus viivitatud karastamise osa jahutuskiirus.
2.2 Jõudlustesti tulemused ja analüüs
Tabel 2 näitab paralleellõike erinevatest positsioonidest võetud proovidega tehtud tõmbekatsete tulemusi. Võib leida, et nr 1 ja nr 2 tõmbetugevus ja voolavuspiir peaaegu ei muutunud. Hilinenud karastamise otste osakaalu suurenedes näitavad sulami tõmbetugevus ja voolavuspiir olulist langustrendi. Siiski on iga proovivõtukoha tõmbetugevus standardtugevusest kõrgem. Ainult madalaima kõvadusega piirkonnas on voolavuspiir proovistandardist madalam, proovi toimivus on kvalifitseerimata.
Joonis 4 näitab proovi nr 3 tõmbetugevusomaduste tulemusi. Jooniselt 4 on näha, et mida kaugemal eraldusjoonest, seda madalam on viivitatud karastamise otsa kõvadus. Kõvaduse vähenemine näitab proovi jõudluse vähenemist, kuid kõvadus väheneb aeglaselt, langedes paralleellõike lõpus vaid 95HB-lt umbes 91HB-ni. Nagu tabeli 1 jõudlustulemustest näha, vähenes tõmbetugevus vesijahutuse korral 342 MPa-lt 320 MPa-le. Samal ajal leiti, et tõmbeproovi murdumispunkt asub samuti madalaima kõvadusega paralleellõike lõpus. Selle põhjuseks on see, et see on vesijahutusest kaugel, sulami jõudlus väheneb ja ots jõuab esimesena tõmbetugevuse piirini, moodustades kahanemise. Lõpuks puruneb madalaimast jõudluspunktist ja purunemiskoht vastab jõudlustesti tulemustele.
Joonisel 5 on näidatud proovi nr 4 paralleellõike kõvaduskõver ja murru asukoht. On näha, et mida kaugemal on vesijahutuse eraldusjoonest, seda madalam on viivitatud karastamise otsa kõvadus. Samal ajal on murru asukoht ka otsas, kus kõvadus on madalaim, 86HB murrud. Tabelist 2 on näha, et vesijahutusega otsas plastset deformatsiooni peaaegu ei esine. Tabelist 1 on näha, et proovi omadused (tõmbetugevus 298 MPa, voolavuspiir 266 MPa) on oluliselt vähenenud. Tõmbetugevus on vaid 298 MPa, mis ei ulatu vesijahutusega otsa voolavuspiirini (315 MPa). Ots on kahanenud, kui see on alla 315 MPa. Enne purunemist toimus vesijahutusega piirkonnas ainult elastne deformatsioon. Pinge kadudes kadus ka vesijahutusega otsa deformatsioon. Selle tulemusena on tabelis 2 vesijahutuse tsoonis deformatsiooni hulk peaaegu muutumatu. Proov puruneb viivitatud kiirusega tulekahju lõpus, deformeerunud ala väheneb ja lõppkõvadus on madalaim, mille tulemuseks on jõudlustulemuste märkimisväärne langus.
Võtke proovid 400 mm proovi otsast 100% viivitatud karastamise alalt. Joonis 6 näitab kõvaduskõverat. Paralleellõike kõvadus on vähenenud umbes 83–84 HB-ni ja on suhteliselt stabiilne. Sama protsessi tõttu on jõudlus ligikaudu sama. Murdekohas ei ole ilmne muster. Sulami jõudlus on madalam kui veega karastatud proovil.
Jõudluse ja purunemise seaduspärasuse edasiseks uurimiseks valiti tõmbeproovi paralleelne lõik madalaima kõvaduspunkti (77HB) lähedalt. Tabelist 1 leiti, et jõudlus oli oluliselt vähenenud ja purunemispunkt ilmus joonisel 2 madalaima kõvaduspunkti kohale.
2.3 ANSYS-i analüüsi tulemused
Joonis 7 näitab ANSYS-i simulatsiooni tulemusi jahutuskõverate kohta erinevates positsioonides. On näha, et proovi temperatuur vesijahutusalas langes kiiresti. 5 sekundi pärast langes temperatuur alla 100 °C ja 80 mm kaugusel eraldusjoonest langes temperatuur 90 sekundi pärast umbes 210 °C-ni. Keskmine temperatuurilangus on 3,5 °C/s. Pärast 90 sekundit terminaalses õhujahutusalas langeb temperatuur umbes 360 °C-ni, keskmise languskiirusega 1,9 °C/s.
Jõudlusanalüüsi ja simulatsioonitulemuste põhjal on leitud, et vesijahutusala ja viivitatud karastusala jõudlus on muutumismuster, mis esmalt väheneb ja seejärel veidi suureneb. Jaotusjoone lähedal asuva vesijahutuse mõjul põhjustab soojusjuhtivus proovi temperatuuri langust teatud piirkonnas aeglasemalt kui vesijahutuse korral (3,5 °C/s). Selle tulemusel sadestus selles piirkonnas suures koguses Mg2Si, mis tahkestus maatriksiks, ja temperatuur langes 90 sekundi pärast umbes 210 °C-ni. Suur sadenenud Mg2Si kogus vähendas vesijahutuse mõju 90 sekundi pärast. Pärast vanandamist sadenenud Mg2Si tugevdusfaasi hulk vähenes oluliselt ja seega halvenes ka proovi jõudlus. Jaotusjoonest kaugel asuvat viivitatud karastustsooni mõjutab vesijahutuse soojusjuhtivus aga vähem ning õhkjahutuse tingimustes jahtub sulam suhteliselt aeglaselt (jahtumiskiirus 1,9 °C/s). Ainult väike osa Mg2Si faasist sadestub aeglaselt ja temperatuur on 90 sekundi pärast 360 °C. Pärast veega jahutamist on suurem osa Mg2Si faasist endiselt maatriksis ning see hajub ja sadestub pärast vananemist, millel on tugevdav roll.
3. Kokkuvõte
Katsete käigus leiti, et viivitatud kustutamine põhjustab normaalse ja viivitatud kustutamise ristumiskohas oleva viivitatud kustutamistsooni kõvaduse esmalt vähenemist ja seejärel veidi suurenemist, kuni see lõpuks stabiliseerub.
6061 alumiiniumisulami puhul on tõmbetugevus pärast normaalset kustutamist ja viivitatud kustutamist 90 sekundi jooksul vastavalt 342 MPa ja 288 MPa ning voolavuspiir on 315 MPa ja 252 MPa, mis mõlemad vastavad proovi jõudlusstandarditele.
Seal on piirkond, kus kõvadus on kõige madalam, pärast tavapärast karastamist langeb see 95 HB-lt 77 HB-le. Ka siin on jõudlus kõige madalam, tõmbetugevusega 271 MPa ja voolavuspiiriga 220 MPa.
ANSYS-i analüüsi abil leiti, et 90ndate viivitatud karastamise tsooni madalaima jõudluspunkti jahutuskiirus vähenes ligikaudu 3,5 °C sekundis, mille tulemuseks oli tugevdusfaasi Mg2Si faasi ebapiisav tahke lahus. Selle artikli kohaselt on näha, et jõudluse ohupunkt ilmub viivitatud karastamise piirkonnas normaalse ja viivitatud karastamise ristumiskohas ning ei ole ristumiskohast kaugel, millel on oluline suunav tähtsus ekstrusiooni sabaotsa protsessijäätmete mõistlikuks säilitamiseks.
Toimetanud May Jiang MAT Aluminiumist
Postituse aeg: 28. august 2024
