Aluminiumlegierungen der Stärke 6061T6 mit großer Wandstärke müssen nach dem Warmextrudieren abgeschreckt werden. Aufgrund der Einschränkungen beim diskontinuierlichen Extrudieren gelangt ein Teil des Profils verzögert in die Wasserkühlzone. Beim Weiterextrudieren des nächsten kurzen Barrens wird dieser Teil des Profils verzögert abgeschreckt. Der Umgang mit dem Bereich der verzögerten Abschreckung ist ein Thema, das jedes Produktionsunternehmen berücksichtigen muss. Bei geringem Extrusionsabfall am Ende des Extrusionsprozesses sind die entnommenen Leistungsproben manchmal qualifiziert, manchmal nicht qualifiziert. Bei einer erneuten seitlichen Probenentnahme wird die Leistung erneut qualifiziert. Dieser Artikel liefert die entsprechende Erklärung anhand von Experimenten.
1. Prüfmaterialien und -methoden
Das in diesem Experiment verwendete Material ist die Aluminiumlegierung 6061. Seine durch Spektralanalyse gemessene chemische Zusammensetzung ist wie folgt: Es entspricht dem internationalen Zusammensetzungsstandard für Aluminiumlegierungen 6061 GB/T 3190-1996.
In diesem Versuch wurde ein Teil des extrudierten Profils einer Mischkristallbehandlung unterzogen. Das 400 mm lange Profil wurde in zwei Bereiche unterteilt. Bereich 1 wurde direkt wassergekühlt und abgeschreckt. Bereich 2 wurde 90 Sekunden an der Luft gekühlt und anschließend wassergekühlt. Das Versuchsdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt.
Das in diesem Versuch verwendete Profil aus Aluminiumlegierung 6061 wurde mit einem 4000UST-Extruder extrudiert. Die Formtemperatur beträgt 500 °C, die Gießstabtemperatur 510 °C, die Extrusionsaustrittstemperatur 525 °C und die Extrusionsgeschwindigkeit 2,1 mm/s. Während des Extrusionsprozesses wird eine hochintensive Wasserkühlung eingesetzt. Aus der Mitte des extrudierten fertigen Profils wird ein 400 mm langes Prüfstück entnommen. Die Probenbreite beträgt 150 mm, die Höhe 10,00 mm.
Die entnommenen Proben wurden aufgeteilt und erneut einer Lösungsbehandlung unterzogen. Die Lösungstemperatur betrug 530 °C, die Lösungszeit 4 Stunden. Nach der Entnahme wurden die Proben in einen großen Wassertank mit einer Wassertiefe von 100 mm gegeben. Der größere Wassertank gewährleistet, dass sich die Wassertemperatur im Tank nach der Wasserkühlung der Probe in Zone 1 kaum ändert, wodurch verhindert wird, dass der Temperaturanstieg die Kühlintensität beeinflusst. Während der Wasserkühlung ist darauf zu achten, dass die Wassertemperatur im Bereich von 20–25 °C liegt. Die abgeschreckten Proben wurden 8 Stunden lang bei 165 °C gealtert.
Nehmen Sie einen 400 mm langen, 30 mm breiten und 10 mm dicken Teil der Probe und führen Sie eine Brinellhärteprüfung durch. Führen Sie alle 10 mm fünf Messungen durch. Nehmen Sie den Durchschnittswert der fünf Brinellhärten als Brinellhärteergebnis an diesem Punkt und beobachten Sie das Muster der Härteänderung.
Die mechanischen Eigenschaften des Profils wurden getestet und der 60-mm-Parallelzugabschnitt wurde an verschiedenen Positionen der 400-mm-Probe kontrolliert, um die Zugeigenschaften und die Bruchstelle zu beobachten.
Das Temperaturfeld des wassergekühlten Abschreckens der Probe und des Abschreckens nach einer Verzögerung von 90 s wurde mit der Software ANSYS simuliert und die Abkühlraten der Profile an verschiedenen Positionen wurden analysiert.
2. Experimentelle Ergebnisse und Analyse
2.1 Ergebnisse der Härteprüfung
Abbildung 2 zeigt die Härteänderungskurve einer 400 mm langen Probe, gemessen mit einem Brinell-Härteprüfer (die Längeneinheit der Abszisse entspricht 10 mm, und die 0-Skala ist die Trennlinie zwischen normalem Abschrecken und verzögertem Abschrecken). Es ist ersichtlich, dass die Härte am wassergekühlten Ende stabil bei etwa 95 HB liegt. Hinter der Trennlinie zwischen dem Abschrecken mit Wasserkühlung und dem verzögerten Abschrecken mit Wasserkühlung (90 s) beginnt die Härte zu sinken, aber die Abnahmerate ist in der Anfangsphase langsam. Nach 40 mm (89 HB) fällt die Härte steil ab und erreicht bei 80 mm ihren niedrigsten Wert (77 HB). Nach 80 mm nahm die Härte nicht weiter ab, sondern nahm bis zu einem gewissen Grad zu. Die Zunahme war relativ gering. Nach 130 mm blieb die Härte unverändert bei etwa 83 HB. Es ist anzunehmen, dass sich die Abkühlrate des verzögert abgeschreckten Teils aufgrund der Wärmeleitung geändert hat.
2.2 Ergebnisse und Analyse des Leistungstests
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse von Zugversuchen an Proben aus verschiedenen Positionen des Parallelschnitts. Es zeigt sich, dass sich Zugfestigkeit und Streckgrenze von Nr. 1 und Nr. 2 nahezu nicht ändern. Mit zunehmendem Anteil verzögerter Abschreckenden zeigen Zugfestigkeit und Streckgrenze der Legierung einen deutlichen Abwärtstrend. Die Zugfestigkeit liegt jedoch an jeder Probenentnahmestelle über der Normfestigkeit. Nur im Bereich mit der geringsten Härte liegt die Streckgrenze unter dem Probenstandard, die Probenleistung ist nicht ausreichend.
Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse der Zugfestigkeitstests von Probe Nr. 3. Wie aus Abbildung 4 ersichtlich ist, nimmt die Härte des verzögerten Abschreckendes mit zunehmender Entfernung von der Trennlinie ab. Die verringerte Härte weist auf eine nachlassende Leistung der Probe hin. Die Härte nimmt jedoch langsam ab und sinkt am Ende des Parallelabschnitts lediglich von 95 HB auf etwa 91 HB. Wie aus den Leistungsergebnissen in Tabelle 1 ersichtlich ist, verringerte sich die Zugfestigkeit bei Wasserkühlung von 342 MPa auf 320 MPa. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass sich der Bruchpunkt der Zugprobe auch am Ende des Parallelabschnitts mit der geringsten Härte befindet. Dies liegt daran, dass weit entfernt von der Wasserkühlung die Leistung der Legierung abnimmt und das Ende zuerst die Zugfestigkeitsgrenze erreicht, wodurch sich eine Einschnürung bildet. Schließlich erfolgt der Bruch am Punkt mit der geringsten Leistung, und die Bruchposition entspricht den Ergebnissen des Leistungstests.
Abbildung 5 zeigt die Härtekurve des Parallelabschnitts von Probe Nr. 4 und die Bruchposition. Es ist zu erkennen, dass die Härte des Endes mit verzögerter Abschreckung umso geringer ist, je weiter entfernt von der Trennlinie der Wasserkühlung. Gleichzeitig befindet sich die Bruchstelle an dem Ende mit der geringsten Härte (86HB-Brüche). Tabelle 2 zeigt, dass am wassergekühlten Ende nahezu keine plastische Verformung auftritt. Tabelle 1 zeigt, dass die Leistung der Probe (Zugfestigkeit 298 MPa, Streckgrenze 266 MPa) deutlich reduziert ist. Die Zugfestigkeit beträgt nur 298 MPa und erreicht damit nicht die Streckgrenze des wassergekühlten Endes (315 MPa). Bei weniger als 315 MPa hat sich am Ende eine Einschnürung gebildet. Vor dem Bruch trat im wassergekühlten Bereich nur eine elastische Verformung auf. Mit dem Verschwinden der Spannung verschwand auch die Dehnung am wassergekühlten Ende. Infolgedessen ändert sich der Verformungsgrad in der Wasserkühlungszone in Tabelle 2 kaum. Die Probe bricht am Ende der verzögerten Rate, der verformte Bereich ist kleiner und die Endhärte ist am geringsten, was zu einer deutlichen Verringerung der Leistungsergebnisse führt.
Entnehmen Sie Proben aus dem 100 % verzögerten Abschreckbereich am Ende der 400-mm-Probe. Abbildung 6 zeigt den Härteverlauf. Die Härte des Parallelabschnitts reduziert sich auf ca. 83–84 HB und ist relativ stabil. Aufgrund des gleichen Prozesses ist die Leistung in etwa gleich. An der Bruchstelle ist kein erkennbares Muster erkennbar. Die Legierungsleistung ist geringer als die der wassergehärteten Probe.
Um die Regelmäßigkeit von Leistung und Bruch genauer zu untersuchen, wurde der parallele Abschnitt der Zugprobe in der Nähe des niedrigsten Härtepunkts (77HB) ausgewählt. Tabelle 1 zeigt, dass die Leistung deutlich reduziert war und der Bruchpunkt am niedrigsten Härtepunkt in Abbildung 2 auftrat.
2.3 ANSYS-Analyseergebnisse
Abbildung 7 zeigt die Ergebnisse der ANSYS-Simulation von Abkühlungskurven an verschiedenen Positionen. Es ist ersichtlich, dass die Temperatur der Probe im Wasserkühlungsbereich rapide abfiel. Nach 5 s sank die Temperatur auf unter 100 °C, und 80 mm von der Trennlinie entfernt sank die Temperatur nach 90 s auf etwa 210 °C. Der durchschnittliche Temperaturabfall beträgt 3,5 °C/s. Nach 90 Sekunden im Luftkühlungsbereich sinkt die Temperatur auf etwa 360 °C, mit einer durchschnittlichen Abfallrate von 1,9 °C/s.
Durch Leistungsanalyse und Simulationsergebnisse wurde festgestellt, dass die Leistung des Wasserkühlungsbereichs und des Bereichs der verzögerten Abschreckung einem Änderungsmuster folgt, das zuerst abnimmt und dann leicht zunimmt. Durch die Wasserkühlung in der Nähe der Trennlinie bewirkt die Wärmeleitung, dass die Probe in einem bestimmten Bereich mit einer geringeren Abkühlrate als bei Wasserkühlung (3,5 °C/s) abkühlt. Infolgedessen scheidet sich in diesem Bereich Mg2Si, das zu einer Matrix erstarrt war, in großen Mengen aus, und die Temperatur fiel nach 90 Sekunden auf etwa 210 °C. Die große Menge des ausgeschiedenen Mg2Si führte zu einem geringeren Effekt der Wasserkühlung nach 90 s. Die Menge der ausgeschiedenen Mg2Si-Verfestigungsphase war nach der Alterungsbehandlung stark reduziert, und in der Folge verringerte sich die Leistung der Probe. Die Zone der verzögerten Abschreckung weit entfernt von der Trennlinie wird jedoch weniger durch die Wärmeleitung der Wasserkühlung beeinflusst, und die Legierung kühlt unter Luftkühlungsbedingungen relativ langsam ab (Abkühlrate 1,9 °C/s). Nur ein kleiner Teil der Mg2Si-Phase fällt langsam aus, und nach 90 s beträgt die Temperatur 360 °C. Nach der Wasserkühlung befindet sich der größte Teil der Mg2Si-Phase noch in der Matrix, und sie verteilt sich und fällt nach der Alterung aus, was eine verstärkende Rolle spielt.
3. Fazit
Durch Experimente wurde festgestellt, dass verzögertes Abschrecken dazu führt, dass die Härte der verzögerten Abschreckzone an der Schnittstelle zwischen normalem Abschrecken und verzögertem Abschrecken zunächst abnimmt und dann leicht zunimmt, bis sie sich schließlich stabilisiert.
Bei der Aluminiumlegierung 6061 betragen die Zugfestigkeiten nach normalem Abschrecken und verzögertem Abschrecken für 90 s 342 MPa bzw. 288 MPa und die Streckgrenzen 315 MPa und 252 MPa, was beide den Leistungsstandards der Probe entspricht.
Es gibt einen Bereich mit der geringsten Härte, der nach dem normalen Abschrecken von 95 HB auf 77 HB reduziert wird. Die Leistung ist hier mit einer Zugfestigkeit von 271 MPa und einer Streckgrenze von 220 MPa ebenfalls am niedrigsten.
Durch ANSYS-Analysen wurde festgestellt, dass die Abkühlrate am niedrigsten Leistungspunkt in der 90er-Jahre-Verzögerungszone um etwa 3,5 °C pro Sekunde abnahm, was zu einer unzureichenden festen Lösung der verstärkenden Mg2Si-Phase führte. Diesem Artikel zufolge ist ersichtlich, dass der Leistungsgefahrenpunkt im Bereich der verzögerten Abschreckung an der Schnittstelle zwischen normaler und verzögerter Abschreckung auftritt und nicht weit von dieser Schnittstelle entfernt ist. Dies hat eine wichtige richtungsweisende Bedeutung für die angemessene Rückhaltung von Prozessabfällen aus dem Extrusionsendprozess.
Herausgegeben von May Jiang von MAT Aluminum
Veröffentlichungszeit: 28. August 2024
