Aluminijasta zlitina 6061T6 z veliko debelino stene mora biti po vročem ekstrudiranju kaljena. Zaradi omejitev diskontinuirnega ekstrudiranja bo del profila vstopil v območje vodnega hlajenja z zamikom. Ko se nadaljuje ekstrudiranje naslednjega kratkega ingota, bo ta del profila podvržen zakasnjenemu kaljenju. Kako ravnati z območjem zakasnjenega kaljenja je vprašanje, ki ga mora upoštevati vsako proizvodno podjetje. Ko so odpadki na koncu ekstruzijskega procesa kratki, so odvzeti vzorci delovanja včasih kvalificirani, včasih pa nekvalificirani. Pri ponovnem vzorčenju s strani se delovanje ponovno kvalificira. Ta članek podaja ustrezno razlago s poskusi.
1. Testni materiali in metode
Material, uporabljen v tem poskusu, je aluminijeva zlitina 6061. Njena kemična sestava, izmerjena s spektralno analizo, je naslednja: Ustreza mednarodnemu standardu GB/T 3190-1996 za sestavo aluminijeve zlitine 6061.
V tem poskusu je bil del ekstrudiranega profila obdelan s trdno raztopino. Profil dolžine 400 mm je bil razdeljen na dve območji. Območje 1 je bilo neposredno ohlajeno z vodo in kaljeno. Območje 2 je bilo ohlajeno na zraku 90 sekund in nato ohlajeno z vodo. Diagram preskusa je prikazan na sliki 1.
Profil iz aluminijeve zlitine 6061, uporabljen v tem poskusu, je bil ekstrudiran z ekstruderjem 4000UST. Temperatura kalupa je bila 500 °C, temperatura livarske palice je bila 510 °C, temperatura na izhodu ekstrudiranja je bila 525 °C, hitrost ekstrudiranja je bila 2,1 mm/s, med postopkom ekstrudiranja je bilo uporabljeno visokointenzivno vodno hlajenje, iz sredine ekstrudiranega končnega profila pa je bil vzet 400 mm dolg preskusni vzorec. Širina vzorca je bila 150 mm, višina pa 10,00 mm.
Odvzeti vzorci so bili razdeljeni in nato ponovno podvrženi obdelavi z raztopino. Temperatura raztopine je bila 530 °C, čas raztopine pa 4 ure. Po odstranitvi so bili vzorci postavljeni v velik rezervoar za vodo z globino vode 100 mm. Večji rezervoar za vodo zagotavlja, da se temperatura vode v rezervoarju po ohlajanju vzorca v coni 1 z vodo le malo spremeni, s čimer se prepreči, da bi zvišanje temperature vode vplivalo na intenzivnost hlajenja vode. Med postopkom hlajenja z vodo je treba zagotoviti, da je temperatura vode v območju 20–25 °C. Kaljeni vzorci so bili starani pri 165 °C * 8 ur.
Vzemite del vzorca, dolg 400 mm, širok 30 mm in debeline 10 mm, ter izvedite preizkus trdote po Brinellu. Opravite 5 meritev vsakih 10 mm. Kot rezultat trdote po Brinellu vzemite povprečno vrednost 5 trdot po Brinellu in opazujte vzorec spremembe trdote.
Preizkušene so bile mehanske lastnosti profila, natezni vzporedni prerez 60 mm pa je bil nadzorovan na različnih položajih vzorca 400 mm, da bi opazovali natezne lastnosti in mesto loma.
Temperaturno polje vodno hlajenega kaljenja vzorca in kaljenja po 90-sekundni zakasnitvi je bilo simulirano s programsko opremo ANSYS, analizirane pa so bile tudi hitrosti ohlajanja profilov na različnih položajih.
2. Eksperimentalni rezultati in analiza
2.1 Rezultati preskusa trdote
Slika 2 prikazuje krivuljo spremembe trdote 400 mm dolgega vzorca, izmerjenega z Brinellovim trdomerjem (enota dolžine abscise predstavlja 10 mm, lestvica 0 pa je ločnica med normalnim kaljenjem in zakasnjenim kaljenjem). Ugotovimo lahko, da je trdota na vodno hlajenem koncu stabilna pri približno 95 HB. Po ločnici med vodno hlajenim kaljenjem in zakasnjenim vodno hlajenim kaljenjem pri 90 s se trdota začne zmanjševati, vendar je stopnja zmanjševanja v zgodnji fazi počasna. Po 40 mm (89 HB) trdota močno pade in pri 80 mm doseže najnižjo vrednost (77 HB). Po 80 mm se trdota ni več zmanjševala, ampak se je do določene mere povečala. Povečanje je bilo relativno majhno. Po 130 mm je trdota ostala nespremenjena pri približno 83 HB. Lahko se domneva, da se je zaradi učinka prevodnosti toplote hitrost ohlajanja zakasnjenega kaljenega dela spremenila.
2.2 Rezultati in analiza preizkusov delovanja
Tabela 2 prikazuje rezultate nateznih poskusov, izvedenih na vzorcih, odvzetih z različnih mest vzporednega prereza. Ugotovimo lahko, da se natezna trdnost in meja tečenja št. 1 in št. 2 skoraj nista spremenili. Z naraščanjem deleža zapoznelih kaljenih koncev se natezna trdnost in meja tečenja zlitine znatno zmanjšujeta. Vendar pa je natezna trdnost na vsakem mestu vzorčenja nad standardno trdnostjo. Le na območju z najnižjo trdoto je meja tečenja nižja od standardnega vzorca, zato je delovanje vzorca nekvalificirano.
Slika 4 prikazuje rezultate nateznih lastnosti vzorca št. 3. Iz slike 4 je razvidno, da dlje ko je od ločnice, manjša je trdota na koncu z zakasnjenim kaljenjem. Zmanjšanje trdote kaže, da se je zmogljivost vzorca zmanjšala, vendar se trdota zmanjšuje počasi, in sicer z 95HB na približno 91HB le na koncu vzporednega odseka. Kot je razvidno iz rezultatov zmogljivosti v tabeli 1, se je natezna trdnost pri vodnem hlajenju zmanjšala s 342 MPa na 320 MPa. Hkrati je bilo ugotovljeno, da je točka loma nateznega vzorca prav tako na koncu vzporednega odseka z najnižjo trdoto. Ker je namreč daleč od vodnega hlajenja, se zmogljivost zlitine zmanjša in konec najprej doseže mejo natezne trdnosti, da se oblikuje zoženje. Nazadnje se zlom od najnižje točke zmogljivosti ujema z rezultati preizkusa zmogljivosti.
Slika 5 prikazuje krivuljo trdote vzporednega prereza vzorca št. 4 in položaj loma. Ugotovimo lahko, da dlje ko je od ločnice vodnega hlajenja, nižja je trdota konca z zakasnjenim kaljenjem. Hkrati je mesto loma tudi na koncu, kjer je trdota najnižja, lom 86HB. Iz tabele 2 je razvidno, da na koncu, hlajenem z vodo, skoraj ni plastične deformacije. Iz tabele 1 je razvidno, da se je delovanje vzorca (natezna trdnost 298 MPa, meja tečenja 266 MPa) znatno zmanjšalo. Natezna trdnost je le 298 MPa, kar ne dosega meje tečenja konca, hlajenega z vodo (315 MPa). Ko je konec nižji od 315 MPa, se je na koncu oblikovalo zoženje. Pred lomom se je na območju vodnega hlajenja pojavljala le elastična deformacija. Ko je napetost izginila, je izginila tudi deformacija na koncu, hlajenem z vodo. Posledično se količina deformacije v območju vodnega hlajenja v tabeli 2 skoraj ni spremenila. Vzorec se na koncu streljanja z zakasnjeno hitrostjo zlomi, deformirano območje se zmanjša, končna trdota pa je najnižja, kar povzroči znatno zmanjšanje rezultatov delovanja.
Vzemite vzorce iz območja 100-odstotnega zakasnjenega kaljenja na koncu 400 mm vzorca. Slika 6 prikazuje krivuljo trdote. Trdota vzporednega odseka se zmanjša na približno 83-84HB in je relativno stabilna. Zaradi istega postopka je delovanje približno enako. Na mestu loma ni očitnega vzorca. Učinkovitost zlitine je nižja kot pri vzorcu, kaljenem v vodi.
Za nadaljnjo raziskavo pravilnosti delovanja in loma je bil vzporedni prerez nateznega vzorca izbran blizu najnižje točke trdote (77HB). Iz tabele 1 je bilo ugotovljeno, da se je delovanje znatno zmanjšalo, točka loma pa se je na sliki 2 pojavila na najnižji točki trdote.
2.3 Rezultati analize ANSYS
Slika 7 prikazuje rezultate ANSYS simulacije krivulj hlajenja na različnih položajih. Vidimo lahko, da se je temperatura vzorca v območju vodnega hlajenja hitro znižala. Po 5 sekundah je temperatura padla pod 100 °C, pri 80 mm od ločnice pa se je temperatura pri 90 sekundah znižala na približno 210 °C. Povprečni padec temperature je 3,5 °C/s. Po 90 sekundah v območju končnega zračnega hlajenja temperatura pade na približno 360 °C, s povprečno hitrostjo padca 1,9 °C/s.
Z analizo delovanja in rezultati simulacije je bilo ugotovljeno, da se delovanje območja vodnega hlajenja in območja zakasnjenega kaljenja najprej zmanjša, nato pa nekoliko poveča. Zaradi vpliva vodnega hlajenja v bližini ločnice toplotna prevodnost povzroči, da se vzorec na določenem območju spusti s hitrostjo ohlajanja, ki je manjša od hitrosti vodnega hlajenja (3,5 °C/s). Posledično se je Mg2Si, ki se je strdil v matrico, na tem območju izločil v velikih količinah, temperatura pa je po 90 sekundah padla na približno 210 °C. Velika količina izločenega Mg2Si je po 90 sekundah povzročila manjši učinek vodnega hlajenja. Količina ojačevalne faze Mg2Si, ki se je izločila po staranju, se je močno zmanjšala, kar je posledično zmanjšalo tudi delovanje vzorca. Vendar pa je območje zakasnjenega kaljenja daleč od ločnice manj pod vplivom toplotne prevodnosti vodnega hlajenja, zlitina pa se pri hlajenju na zraku ohlaja relativno počasi (hitrost ohlajanja 1,9 °C/s). Le majhen del faze Mg2Si se počasi obori, temperatura pa po 90 sekundah doseže 360 °C. Po ohlajanju z vodo je večina faze Mg2Si še vedno v matrici in se po staranju dispergira in obori, kar ima vlogo pri krepitvi.
3. Zaključek
S poskusi je bilo ugotovljeno, da bo zapoznelo kaljenje povzročilo, da se trdota območja zapoznelega kaljenja na presečišču normalnega in zapoznelega kaljenja najprej zmanjša, nato pa nekoliko poveča, dokler se končno ne stabilizira.
Za aluminijevo zlitino 6061 sta natezni trdnosti po normalnem kaljenju in zakasnjenem kaljenju 90 sekund 342 MPa oziroma 288 MPa, meji tečenja pa 315 MPa oziroma 252 MPa, kar obe ustreza standardom delovanja vzorca.
Obstaja območje z najnižjo trdoto, ki se po normalnem kaljenju zmanjša z 95HB na 77HB. Tudi zmogljivost je tukaj najnižja, z natezno trdnostjo 271 MPa in mejo tečenja 220 MPa.
Z analizo ANSYS je bilo ugotovljeno, da se je hitrost ohlajanja na najnižji točki delovanja v območju zakasnjenega kaljenja v 90-ih letih zmanjšala za približno 3,5 °C na sekundo, kar je povzročilo nezadostno trdno raztopino faze Mg2Si za utrjevanje. Glede na ta članek je razvidno, da se nevarna točka delovanja pojavi v območju zakasnjenega kaljenja na stičišču normalnega in zakasnjenega kaljenja in ni daleč od stičišča, kar ima pomemben vodilni pomen za razumno zadrževanje odpadkov na koncu ekstruzijskega procesa.
Uredil May Jiang iz MAT Aluminum
Čas objave: 28. avg. 2024
