Liela sienu biezuma 6061T6 alumīnija sakausējums pēc karstās ekstrūzijas ir jāatdzesē. Pārtrauktās ekstrūzijas ierobežojumu dēļ daļa profila nonāks ūdens dzesēšanas zonā ar aizkavēšanos. Kad tiek turpināta nākamā īsā lietņa ekstrudēšana, šī profila daļa tiks pakļauta aizkavētai dzēšanai. Kā rīkoties ar aizkavētās dzēšanas zonu, ir jautājums, kas jāapsver katram ražošanas uzņēmumam. Ja ekstrūzijas gala procesa atkritumi ir īsi, ņemtie veiktspējas paraugi dažreiz ir kvalificēti, bet dažreiz nekvalificēti. Veicot atkārtotu paraugu ņemšanu no sāniem, veiktspēja atkal tiek kvalificēta. Šajā rakstā sniegts atbilstošs skaidrojums, izmantojot eksperimentus.
1. Testa materiāli un metodes
Šajā eksperimentā izmantotais materiāls ir 6061 alumīnija sakausējums. Tā ķīmiskais sastāvs, kas izmērīts ar spektrālo analīzi, ir šāds: tas atbilst GB/T 3190-1996 starptautiskajam 6061 alumīnija sakausējuma sastāva standartam.
Šajā eksperimentā daļa no ekstrudētā profila tika ņemta apstrādei ar cieto šķīdumu. 400 mm garais profils tika sadalīts divās zonās. 1. zona tika tieši atdzesēta ar ūdeni un rūdīta. 2. zona tika atdzesēta gaisā 90 sekundes un pēc tam atdzesēta ar ūdeni. Testa diagramma ir parādīta 1. attēlā.
Šajā eksperimentā izmantotais 6061 alumīnija sakausējuma profils tika ekstrudēts ar 4000UST ekstrūderi. Veidnes temperatūra ir 500 °C, liešanas stieņa temperatūra ir 510 °C, ekstrūzijas izejas temperatūra ir 525 °C, ekstrūzijas ātrums ir 2,1 mm/s, ekstrūzijas procesā tiek izmantota augstas intensitātes ūdens dzesēšana, un no ekstrudētā gatavā profila vidus tiek ņemts 400 mm garš testa paraugs. Parauga platums ir 150 mm un augstums ir 10,00 mm.
Paņemtie paraugi tika sadalīti un pēc tam atkārtoti pakļauti šķīduma apstrādei. Šķīduma temperatūra bija 530°C, un šķīdināšanas laiks bija 4 stundas. Pēc paraugu izņemšanas tie tika ievietoti lielā ūdens tvertnē ar 100 mm ūdens dziļumu. Lielākā ūdens tvertne var nodrošināt, ka ūdens temperatūra ūdens tvertnē maz mainās pēc parauga atdzesēšanas 1. zonā, novēršot ūdens temperatūras paaugstināšanās ietekmi uz ūdens dzesēšanas intensitāti. Ūdens dzesēšanas procesa laikā jānodrošina, lai ūdens temperatūra būtu 20–25°C diapazonā. Rūdītie paraugi tika izturēti 165°C * 8 h temperatūrā.
Paņemiet 400 mm garu, 30 mm platu un 10 mm biezu parauga daļu un veiciet Brinela cietības testu. Veiciet 5 mērījumus ik pēc 10 mm. Šajā brīdī ņemiet 5 Brinela cietības vidējo vērtību kā Brinela cietības rezultātu un novērojiet cietības izmaiņu modeli.
Tika pārbaudītas profila mehāniskās īpašības, un 60 mm stiepes paralēlais šķērsgriezums tika kontrolēts dažādās 400 mm parauga pozīcijās, lai novērotu stiepes īpašības un lūzuma vietu.
Ar ANSYS programmatūru tika simulēts parauga ūdens dzesēšanas dzēšanas temperatūras lauks un dzēšana pēc 90 sekunžu aiztures, un tika analizēti profilu dzesēšanas ātrumi dažādās pozīcijās.
2. Eksperimentālie rezultāti un analīze
2.1 Cietības testa rezultāti
2. attēlā redzama 400 mm gara parauga cietības izmaiņu līkne, kas izmērīta ar Brinela cietības testeri (abscisas vienības garums apzīmē 10 mm, un 0 skala ir robežlīnija starp normālu dzēšanu un aizkavētu dzēšanu). Var secināt, ka cietība ūdens dzesēšanas galā ir stabila aptuveni 95 HB līmenī. Pēc robežlīnijas starp ūdens dzesēšanas dzēšanu un aizkavētu 90 s ūdens dzesēšanas dzēšanu cietība sāk samazināties, bet agrīnā stadijā samazināšanās temps ir lēns. Pēc 40 mm (89 HB) cietība strauji samazinās un nokrītas līdz zemākajai vērtībai (77 HB) pie 80 mm. Pēc 80 mm cietība neturpināja samazināties, bet zināmā mērā palielinājās. Pieaugums bija relatīvi neliels. Pēc 130 mm cietība nemainījās aptuveni 83 HB līmenī. Var pieņemt, ka siltuma vadīšanas ietekmes dēļ mainījās aizkavētās dzēšanas daļas dzesēšanas ātrums.
2.2 Veiktspējas testa rezultāti un analīze
2. tabulā parādīti stiepes eksperimentu rezultāti, kas veikti ar paraugiem, kas ņemti no dažādām paralēlā šķērsgriezuma pozīcijām. Var konstatēt, ka Nr. 1 un Nr. 2 stiepes izturība un tecēšanas robeža gandrīz nemainās. Palielinoties aizkavētās dzēšanas galu īpatsvaram, sakausējuma stiepes izturība un tecēšanas robeža uzrāda ievērojamu lejupejošu tendenci. Tomēr stiepes izturība katrā paraugu ņemšanas vietā pārsniedz standarta izturību. Tikai apgabalā ar zemāko cietību tecēšanas robeža ir zemāka par parauga standartu, parauga veiktspēja ir nekvalitatīva.
4. attēlā parādīti 3. parauga stiepes īpašību rezultāti. No 4. attēla var secināt, ka jo tālāk no dalījuma līnijas, jo zemāka ir aizkavētās dzēšanas gala cietība. Cietības samazināšanās norāda, ka parauga veiktspēja ir samazināta, bet cietība samazinās lēni, samazinoties tikai no 95HB līdz aptuveni 91HB paralēlā šķērsgriezuma beigās. Kā redzams 1. tabulas veiktspējas rezultātos, stiepes izturība ūdens dzesēšanas laikā samazinājās no 342 MPa līdz 320 MPa. Tajā pašā laikā tika konstatēts, ka stiepes parauga lūzuma punkts atrodas arī paralēlā šķērsgriezuma galā ar zemāko cietību. Tas ir tāpēc, ka tas atrodas tālu no ūdens dzesēšanas, sakausējuma veiktspēja ir samazināta, un gals vispirms sasniedz stiepes izturības robežu, veidojot izliekumu. Visbeidzot, lūzums notiek no zemākā veiktspējas punkta, un lūzuma pozīcija atbilst veiktspējas testa rezultātiem.
5. attēlā redzama parauga Nr. 4 paralēlā šķērsgriezuma cietības līkne un lūzuma pozīcija. Var secināt, ka jo tālāk no ūdens dzesēšanas dalījuma līnijas, jo zemāka ir aizkavētās dzēšanas gala cietība. Tajā pašā laikā lūzuma vieta atrodas arī galā, kur cietība ir viszemākā, proti, 86HB lūzumi. No 2. tabulas redzams, ka ūdens dzesēšanas galā gandrīz nav plastiskās deformācijas. No 1. tabulas redzams, ka parauga veiktspēja (stiepes izturība 298 MPa, tecēšanas robeža 266 MPa) ir ievērojami samazināta. Stiepes izturība ir tikai 298 MPa, kas nesasniedz ūdens dzesēšanas gala tecēšanas robežu (315 MPa). Kad gala spriegums ir zemāks par 315 MPa, tas veido ieliekumu. Pirms lūzuma ūdens dzesēšanas zonā notika tikai elastīgā deformācija. Izzūdot spriegumam, izzuda arī deformācija ūdens dzesēšanas galā. Tā rezultātā deformācijas apjoms ūdens dzesēšanas zonā 2. tabulā gandrīz nemainās. Paraugs aizkavētās uguns beigās salūzt, deformētā zona samazinās un gala cietība ir viszemākā, kā rezultātā ievērojami samazinās veiktspējas rezultāti.
Paņemiet paraugus no 100% aizkavētās dzēšanas zonas 400 mm parauga galā. 6. attēlā redzama cietības līkne. Paralēlā šķērsgriezuma cietība ir samazināta līdz aptuveni 83–84 HB un ir relatīvi stabila. Tā paša procesa dēļ veiktspēja ir aptuveni tāda pati. Lūzuma pozīcijā nav konstatēta acīmredzama likumsakarība. Sakausējuma veiktspēja ir zemāka nekā ūdenī dzētam paraugam.
Lai sīkāk izpētītu veiktspējas un lūzuma likumsakarības, stiepes parauga paralēlais šķērsgriezums tika izvēlēts tuvāk zemākajam cietības punktam (77HB). No 1. tabulas tika konstatēts, ka veiktspēja bija ievērojami samazināta, un lūzuma punkts 2. attēlā parādījās zemākajā cietības punktā.
2.3 ANSYS analīzes rezultāti
7. attēlā parādīti ANSYS simulācijas rezultāti dzesēšanas līknēm dažādās pozīcijās. Var redzēt, ka parauga temperatūra ūdens dzesēšanas zonā strauji kritās. Pēc 5 sekundēm temperatūra nokritās zem 100 °C, un 80 mm attālumā no dalījuma līnijas temperatūra 90 sekundēs kritās līdz aptuveni 210 °C. Vidējais temperatūras kritums ir 3,5 °C/s. Pēc 90 sekundēm terminālajā gaisa dzesēšanas zonā temperatūra pazeminās līdz aptuveni 360 °C ar vidējo krituma ātrumu 1,9 °C/s.
Veicot veiktspējas analīzi un simulācijas rezultātus, ir konstatēts, ka ūdens dzesēšanas zonas un aizkavētās dzēšanas zonas veiktspēja ir izmaiņu modelis, kas vispirms samazinās un pēc tam nedaudz palielinās. Ūdens dzesēšanas ietekmē pie dalīšanas līnijas siltuma vadīšana izraisa parauga temperatūras pazemināšanos noteiktā zonā ar dzesēšanas ātrumu, kas ir mazāks nekā ūdens dzesēšanas gadījumā (3,5 °C/s). Tā rezultātā Mg2Si, kas sacietēja matricā, šajā zonā izgulsnējās lielos daudzumos, un temperatūra pēc 90 sekundēm pazeminājās līdz aptuveni 210 °C. Lielais izgulsnētā Mg2Si daudzums izraisīja mazāku ūdens dzesēšanas ietekmi pēc 90 s. Pēc novecošanas apstrādes izgulsnētās Mg2Si stiprināšanas fāzes daudzums ievērojami samazinājās, un līdz ar to samazinājās parauga veiktspēja. Tomēr aizkavētās dzēšanas zona, kas atrodas tālu no dalīšanas līnijas, ir mazāk ietekmēta no ūdens dzesēšanas siltuma vadīšanas, un sakausējums gaisa dzesēšanas apstākļos atdziest relatīvi lēni (dzesēšanas ātrums 1,9 °C/s). Tikai neliela Mg2Si fāzes daļa lēnām izgulsnējas, un temperatūra pēc 90 s ir 360 °C. Pēc ūdens atdzesēšanas lielākā daļa Mg2Si fāzes joprojām atrodas matricā, un pēc novecošanas tā izkliedējas un nogulsnējas, kam ir stiprinoša loma.
3. Secinājums
Eksperimentu rezultātā tika atklāts, ka aizkavēta dzēšana vispirms samazinās un pēc tam nedaudz palielinās aizkavētās dzēšanas zonas cietību normālas un aizkavētas dzēšanas krustpunktā, līdz tā beidzot stabilizējas.
6061 alumīnija sakausējuma stiepes izturība pēc normālas dzēšanas un aizkavētas dzēšanas 90 s laikā ir attiecīgi 342 MPa un 288 MPa, un tecēšanas izturība ir 315 MPa un 252 MPa, kas abas atbilst parauga veiktspējas standartiem.
Ir reģions ar viszemāko cietību, kas pēc normālas rūdīšanas samazinās no 95 HB līdz 77 HB. Arī šeit veiktspēja ir viszemākā, ar stiepes izturību 271 MPa un tecēšanas robežu 220 MPa.
Veicot ANSYS analīzi, tika konstatēts, ka dzesēšanas ātrums zemākajā veiktspējas punktā 90. gadu aizkavētās dzēšanas zonā samazinājās par aptuveni 3,5 °C sekundē, kā rezultātā stiprināšanas fāzes Mg2Si fāze nebija pietiekami cietā šķīdumā. Saskaņā ar šo rakstu var redzēt, ka veiktspējas bīstamības punkts parādās aizkavētās dzēšanas zonā normālas dzēšanas un aizkavētas dzēšanas krustpunktā, un tas nav tālu no krustpunkta, kam ir svarīga nozīme ekstrūzijas gala procesa atkritumu saprātīgai saglabāšanai.
Rediģēja Meja Dzjana no MAT Aluminum
Publicēšanas laiks: 2024. gada 28. augusts
