Paksuseinämäinen 6061T6-alumiiniseos on sammutettava kuumapursotuksen jälkeen. Epäjatkuvan pursotuksen rajoitusten vuoksi osa profiilista siirtyy vesijäähdytysvyöhykkeeseen viiveellä. Kun seuraavan lyhyen valanteen pursotusta jatketaan, tämä osa profiilista käy läpi viivästyneen sammutuksen. Viivästetyn sammutusalueen käsittely on asia, joka jokaisen tuotantoyrityksen on otettava huomioon. Kun pursotuksen loppupään prosessijätteet ovat lyhyitä, otetut suorituskykynäytteet ovat joskus päteviä ja joskus pätevöittämättömiä. Sivulta ottamalla uudelleen näytteitä suorituskyky pätevöidään uudelleen. Tässä artikkelissa annetaan vastaava selitys kokeiden avulla.
1. Testimateriaalit ja -menetelmät
Tässä kokeessa käytetty materiaali on 6061-alumiiniseos. Sen spektrianalyysillä mitattu kemiallinen koostumus on seuraava: Se täyttää kansainvälisen 6061-alumiiniseoksen koostumusstandardin GB/T 3190-1996.
Tässä kokeessa osa suulakepuristetusta profiilista käsiteltiin kiinteäliuoksella. 400 mm pitkä profiili jaettiin kahteen alueeseen. Alue 1 jäähdytettiin suoraan vedellä ja sammutettiin. Alue 2 jäähdytettiin ilmassa 90 sekuntia ja sitten vedellä. Testikaavio on esitetty kuvassa 1.
Tässä kokeessa käytetty 6061-alumiiniseosprofiili pursotettiin 4000UST-ekstruuderilla. Muotin lämpötila on 500 °C, valutangon lämpötila 510 °C, pursotuksen ulostulolämpötila 525 °C ja pursotusnopeus 2,1 mm/s. Pursotusprosessin aikana käytetään tehokasta vesijäähdytystä. Valmiin pursotetun profiilin keskeltä otetaan 400 mm pitkä koekappale. Näytteen leveys on 150 mm ja korkeus 10,00 mm.
Otetut näytteet jaettiin osiin ja käsiteltiin sitten uudelleen liuoksella. Liuoksen lämpötila oli 530 °C ja liuosaika 4 tuntia. Näytteiden ottamisen jälkeen ne sijoitettiin suureen vesisäiliöön, jonka vedensyvyys oli 100 mm. Suurempi vesisäiliö varmistaa, että veden lämpötila vesisäiliössä muuttuu vain vähän sen jälkeen, kun vyöhykkeellä 1 oleva näyte on jäähdytetty vedellä, mikä estää veden lämpötilan nousun vaikuttamasta veden jäähdytyksen voimakkuuteen. Vesijäähdytyksen aikana on varmistettava, että veden lämpötila on 20–25 °C:n välillä. Sammutettuja näytteitä vanhennettiin 165 °C:ssa * 8 tuntia.
Ota näytteestä 400 mm pitkä, 30 mm leveä ja 10 mm paksu osa ja tee sille Brinell-kovuuskoe. Tee 5 mittausta 10 mm:n välein. Käytä viiden Brinell-kovuuden keskiarvoa Brinell-kovuudeksi tässä vaiheessa ja tarkkaile kovuuden muutoskuviota.
Profiilin mekaanisia ominaisuuksia testattiin ja 60 mm:n vetolujuutta kontrolloitiin 400 mm:n näytteen eri kohdissa veto-ominaisuuksien ja murtuman sijainnin havaitsemiseksi.
Näytteen vesijäähdytteisen sammutuksen ja 90 sekunnin viiveen jälkeisen sammutuksen lämpötilakenttä simuloitiin ANSYS-ohjelmistolla, ja profiilien jäähdytysnopeuksia eri kohdissa analysoitiin.
2. Kokeelliset tulokset ja analyysi
2.1 Kovuuskokeen tulokset
Kuva 2 esittää 400 mm pitkän näytteen kovuuden muutoskäyrää Brinell-kovuusmittarilla mitattuna (abskissan yksikköpituus vastaa 10 mm:ä ja 0-asteikko on normaalin ja viivästetyn sammutuksen välinen raja). Voidaan havaita, että vesijäähdytteisen pään kovuus on vakaa noin 95 HB:ssa. Vesijäähdytteisen sammutuksen ja viivästetyn 90 sekunnin vesijäähdytteisen sammutuksen välisen rajan jälkeen kovuus alkaa laskea, mutta laskuvauhti on alkuvaiheessa hidas. 40 mm:n jälkeen (89 HB) kovuus laskee jyrkästi ja saavuttaa alimman arvonsa (77 HB) 80 mm:ssä. 80 mm:n jälkeen kovuus ei jatkanut laskuaan, vaan kasvoi jonkin verran. Kasvu oli suhteellisen pieni. 130 mm:n jälkeen kovuus pysyi muuttumattomana noin 83 HB:ssa. Voidaan olettaa, että viivästetyn sammutuksen kohteena olevan osan jäähtymisnopeus muuttui lämmönjohtavuuden vaikutuksesta.
2.2 Suorituskykytestien tulokset ja analyysi
Taulukossa 2 on esitetty eri kohdista rinnakkaisleikkauksesta otetuille näytteille tehtyjen vetolujuuskokeiden tulokset. Voidaan havaita, että nro 1:n ja nro 2:n vetolujuus ja myötölujuus ovat lähes muuttumattomat. Kun viivästetyn sammutuksen päiden osuus kasvaa, seoksen vetolujuus ja myötölujuus osoittavat merkittävää laskutrendiä. Jokaisen näytteenottokohdan vetolujuus on kuitenkin standardilujuutta suurempi. Vain kovuudeltaan pienimmällä alueella myötölujuus on näytteen standardia alhaisempi, joten näytteen suorituskyky on moitteeton.
Kuvassa 4 on esitetty näytteen nro 3 vetolujuusominaisuuksien tulokset. Kuvasta 4 voidaan havaita, että mitä kauempana jakoviivasta ollaan, sitä pienempi on viivästetyn sammutuksen pään kovuus. Kovuuden lasku osoittaa näytteen suorituskyvyn heikkenemistä, mutta kovuus laskee hitaasti ja laskee vain 95 HB:sta noin 91 HB:iin rinnakkaisleikkauksen lopussa. Kuten taulukon 1 suorituskykytuloksista voidaan nähdä, vetolujuus laski vesijäähdytyksessä 342 MPa:sta 320 MPa:iin. Samalla havaittiin, että vetolujuusnäytteen murtumiskohta on myös rinnakkaisleikkauksen kovuudeltaan alhaisimmassa päässä. Tämä johtuu siitä, että seos on kaukana vesijäähdytyksestä, ja seoksen suorituskyky heikkenee. Pää saavuttaa vetolujuuden rajan ensin muodostaen kurouman. Lopuksi, kun murtuma tapahtuu alimmasta suorituskykypisteestä, murtumiskohta on yhdenmukainen suorituskykytestin tulosten kanssa.
Kuva 5 esittää näytteen nro 4 rinnakkaisleikkauksen kovuuskäyrää ja murtuman sijaintia. Voidaan havaita, että mitä kauempana vesijäähdytyksen jakolinjasta on, sitä pienempi on viivästetyn sammutuksen pään kovuus. Samalla murtumapaikka on myös päässä, jossa kovuus on pienin, 86HB-murtumissa. Taulukosta 2 havaitaan, että vesijäähdytteisessä päässä ei esiinny juuri lainkaan plastista muodonmuutosta. Taulukosta 1 havaitaan, että näytteen suorituskyky (vetolujuus 298 MPa, myötölujuus 266 MPa) on merkittävästi heikentynyt. Vetolujuus on vain 298 MPa, mikä ei saavuta vesijäähdytteisen pään myötölujuutta (315 MPa). Pää on muodostanut kurouman, kun se on alle 315 MPa. Ennen murtumista vesijäähdytteisellä alueella tapahtui vain elastista muodonmuutosta. Jännityksen katoaessa vesijäähdytteisen pään venymä katosi. Tämän seurauksena taulukon 2 vesijäähdytysvyöhykkeen muodonmuutoksen määrä ei juurikaan muuttunut. Näyte rikkoutuu viivästetyn tulituksen lopussa, muodonmuutosalue pienenee ja loppukovuus on pienin, mikä johtaa suorituskykytulosten merkittävään heikkenemiseen.
Ota näytteitä 400 mm:n näytteen päästä 100 %:n viivästetyn sammutuksen alueelta. Kuva 6 esittää kovuuskäyrää. Yhdensuuntaisen osan kovuus laskee noin 83–84 HB:hen ja on suhteellisen vakaa. Saman prosessin ansiosta suorituskyky on suunnilleen sama. Murtumiskohdassa ei havaita selvää kaavaa. Seoksen suorituskyky on heikompi kuin vedellä sammutetulla näytteellä.
Suorituskyvyn ja murtumisen säännöllisyyden tutkimiseksi tarkemmin vetolujuusnäytteestä valittiin yhdensuuntainen poikkileikkaus läheltä kovuuden alinta kohtaa (77HB). Taulukosta 1 havaittiin, että suorituskyky oli merkittävästi heikentynyt, ja murtumiskohta näkyi kovuuden alhaisimmassa kohdassa kuvassa 2.
2.3 ANSYS-analyysin tulokset
Kuva 7 esittää ANSYS-simulaation tuloksia jäähdytyskäyristä eri kohdissa. Voidaan nähdä, että näytteen lämpötila vesijäähdytysalueella laski nopeasti. 5 sekunnin kuluttua lämpötila laski alle 100 °C:een, ja 80 mm:n etäisyydellä jakolinjasta lämpötila laski noin 210 °C:een 90 sekunnin kuluttua. Keskimääräinen lämpötilan lasku on 3,5 °C/s. 90 sekunnin kuluttua terminaali-ilmajäähdytysalueella lämpötila laskee noin 360 °C:een keskimääräisen laskunopeuden ollessa 1,9 °C/s.
Suorituskykyanalyysin ja simulointitulosten perusteella havaitaan, että vesijäähdytysalueen ja viivästetyn sammutuksen alueen suorituskyky noudattaa muutoskuviota, joka ensin laskee ja sitten kasvaa hieman. Vesijäähdytyksen vaikutuksesta jakolinjan lähellä lämmönjohtavuus saa näytteen tietyn alueen lämpötilan laskemaan hitaammin kuin vesijäähdytyksen aikana (3,5 °C/s). Tämän seurauksena matriisiin jähmettyneestä Mg2Si:stä saostui suuria määriä tälle alueelle, ja lämpötila laski noin 210 °C:seen 90 sekunnin kuluttua. Suuri saostuneen Mg2Si:n määrä johti pienempään vesijäähdytyksen vaikutukseen 90 sekunnin kuluttua. Vanhennuskäsittelyn jälkeen saostuneen Mg2Si:n lujittumisfaasin määrä väheni huomattavasti, ja näytteen suorituskyky heikkeni sen seurauksena. Viivästetyn sammutuksen vyöhyke, joka on kaukana jakolinjasta, on kuitenkin vähemmän alttiina vesijäähdytyksen lämmönjohtavuudelle, ja seos jäähtyy suhteellisen hitaasti ilmajäähdytysolosuhteissa (jäähdytysnopeus 1,9 °C/s). Vain pieni osa Mg2Si-faasista saostuu hitaasti, ja lämpötila on 360 °C 90 sekunnin kuluttua. Vesijäähdytyksen jälkeen suurin osa Mg2Si-faasista on edelleen matriisissa, ja se dispergoituu ja saostuu vanhentamisen jälkeen, mikä vahvistaa sitä.
3. Johtopäätös
Kokeiden avulla havaittiin, että viivästynyt sammutus aiheuttaa normaalin sammutuksen ja viivästyneen sammutuksen leikkauspisteessä olevan viivästyneen sammutusvyöhykkeen kovuuden ensin pienenemisen ja sitten hieman kasvun, kunnes se lopulta vakiintuu.
6061-alumiiniseoksen vetolujuudet normaalin sammutuksen ja viivästetyn sammutuksen jälkeen 90 sekunnin ajan ovat vastaavasti 342 MPa ja 288 MPa, ja myötölujuudet ovat 315 MPa ja 252 MPa, jotka molemmat täyttävät näytteen suorituskykystandardit.
Kovuus on alhaisin yhdellä alueella, joka normaalin sammutuksen jälkeen laskee 95 HB:sta 77 HB:iin. Myös suorituskyky on tällä alueella heikoin, vetolujuuden ollessa 271 MPa ja myötölujuuden 220 MPa.
ANSYS-analyysin avulla havaittiin, että jäähdytysnopeus 90 asteen viivästetyn sammutuksen vyöhykkeen alimmassa suorituskykypisteessä laski noin 3,5 °C sekunnissa, mikä johti Mg2Si-faasin riittämättömään kiinteään liuokseen. Tämän artikkelin mukaan voidaan nähdä, että suorituskyvyn vaarapiste esiintyy viivästetyn sammutuksen alueella normaalin sammutuksen ja viivästetyn sammutuksen risteyksessä, eikä se ole kaukana risteyksestä, millä on tärkeä ohjaava merkitys suulakepuristusprosessin loppupään jätteen kohtuulliselle säilymiselle.
Toimittanut May Jiang MAT Aluminiumista
Julkaisun aika: 28.8.2024
