Büyük et kalınlığına sahip 6061T6 alüminyum alaşımının sıcak ekstrüzyondan sonra soğutulması gerekir. Süreksiz ekstrüzyonun sınırlamaları nedeniyle, profilin bir kısmı su soğutma bölgesine gecikmeli olarak girecektir. Bir sonraki kısa külçe ekstrüzyona devam ettiğinde, profilin bu kısmı gecikmeli söndürme işlemine tabi tutulacaktır. Gecikmeli söndürme alanıyla nasıl başa çıkılacağı, her üretim şirketinin göz önünde bulundurması gereken bir konudur. Ekstrüzyon sonrası işlem atığı az olduğunda, alınan performans numuneleri bazen nitelikli, bazen de niteliksizdir. Yan taraftan tekrar numune alındığında, performans tekrar nitelikli hale gelir. Bu makale, deneyler yoluyla ilgili açıklamayı sunmaktadır.
1. Test malzemeleri ve yöntemleri
Bu deneyde kullanılan malzeme 6061 alüminyum alaşımıdır. Spektral analizle ölçülen kimyasal bileşimi aşağıdaki gibidir: GB/T 3190-1996 uluslararası 6061 alüminyum alaşım bileşimi standardına uygundur.
Bu deneyde, ekstrüde edilmiş profilin bir kısmı katı çözelti işlemine tabi tutuldu. 400 mm uzunluğundaki profil iki bölgeye ayrıldı. 1. Bölge doğrudan su ile soğutuldu ve söndürüldü. 2. Bölge ise 90 saniye boyunca havada soğutuldu ve ardından su ile soğutuldu. Test diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir.
Bu deneyde kullanılan 6061 alüminyum alaşımlı profil, 4000UST ekstrüder ile ekstrüde edilmiştir. Kalıp sıcaklığı 500°C, döküm çubuğu sıcaklığı 510°C, ekstrüzyon çıkış sıcaklığı 525°C, ekstrüzyon hızı 2,1 mm/s'dir. Ekstrüzyon işlemi sırasında yüksek yoğunluklu su soğutması kullanılır ve ekstrüde edilmiş bitmiş profilin ortasından 400 mm uzunluğunda bir test parçası alınır. Numunenin genişliği 150 mm ve yüksekliği 10,00 mm'dir.
Alınan numuneler bölümlere ayrıldı ve ardından tekrar çözelti işlemine tabi tutuldu. Çözelti sıcaklığı 530°C ve çözelti süresi 4 saatti. Numuneler çıkarıldıktan sonra, 100 mm su derinliğine sahip büyük bir su tankına yerleştirildi. Daha büyük su tankı, 1. bölgedeki numune suyla soğutulduktan sonra su tankındaki su sıcaklığının çok az değişmesini sağlayarak, su sıcaklığındaki artışın su soğutma yoğunluğunu etkilemesini önler. Su soğutma işlemi sırasında, su sıcaklığının 20-25°C aralığında olduğundan emin olun. Söndürülmüş numuneler 165°C*8 saat yaşlandırıldı.
Numuneden 400 mm uzunluğunda, 30 mm genişliğinde ve 10 mm kalınlığında bir parça alın ve Brinell sertlik testi yapın. Her 10 mm'de 5 ölçüm yapın. Bu noktadaki Brinell sertlik sonucu olarak 5 Brinell sertliğinin ortalama değerini alın ve sertlik değişim modelini gözlemleyin.
Profilin mekanik özellikleri test edilmiş ve çekme özellikleri ile kırılma yerini gözlemlemek için 400 mm'lik numunenin farklı pozisyonlarında 60 mm'lik çekme paralel kesiti kontrol edilmiştir.
Numunenin su soğutmalı söndürülmesi ve 90 saniyelik gecikmeden sonra söndürülmesinin sıcaklık alanı ANSYS yazılımı ile simüle edilmiş ve profillerin farklı pozisyonlardaki soğuma hızları analiz edilmiştir.
2. Deneysel sonuçlar ve analiz
2.1 Sertlik testi sonuçları
Şekil 2, Brinell sertlik test cihazıyla ölçülen 400 mm uzunluğundaki bir numunenin sertlik değişim eğrisini göstermektedir (apsisin birim uzunluğu 10 mm'yi temsil eder ve 0 ölçeği normal söndürme ile gecikmeli söndürme arasındaki ayrım çizgisidir). Su soğutmalı uçtaki sertliğin 95HB civarında sabit kaldığı görülebilir. Su soğutmalı söndürme ile gecikmeli 90 saniye su soğutmalı söndürme arasındaki ayrım çizgisinden sonra sertlik düşmeye başlar, ancak düşüş hızı erken aşamada yavaştır. 40 mm'den (89 HB) sonra sertlik keskin bir şekilde düşer ve 80 mm'de en düşük değere (77 HB) düşer. 80 mm'den sonra sertlik azalmaya devam etmemiş, ancak bir dereceye kadar artmıştır. Artış nispeten küçüktü. 130 mm'den sonra sertlik 83 HB civarında değişmeden kalmıştır. Isı iletimi etkisinden dolayı gecikmeli söndürme parçasının soğuma hızının değiştiği düşünülebilir.
2.2 Performans testi sonuçları ve analizi
Tablo 2, paralel kesitin farklı konumlarından alınan numuneler üzerinde gerçekleştirilen çekme deneylerinin sonuçlarını göstermektedir. 1 ve 2 numaralı numunelerin çekme ve akma dayanımlarında neredeyse hiç değişiklik olmadığı görülmektedir. Gecikmeli söndürme uçlarının oranı arttıkça, alaşımın çekme ve akma dayanımı önemli ölçüde düşüş eğilimi göstermektedir. Ancak, her numune noktasındaki çekme dayanımı standart dayanımın üzerindedir. Sadece en düşük sertliğe sahip bölgede, akma dayanımı numune standardından daha düşük olup, numune performansı yetersizdir.
Şekil 4, 3 numaralı numunenin çekme özellikleri sonuçlarını göstermektedir. Şekil 4'ten, ayırma çizgisinden uzaklaştıkça gecikmeli söndürme ucunun sertliğinin azaldığı görülebilir. Sertlikteki azalma, numunenin performansının düştüğünü, ancak sertliğin yavaşça azaldığını, yalnızca paralel bölümün sonunda 95HB'den yaklaşık 91HB'ye düştüğünü göstermektedir. Tablo 1'deki performans sonuçlarından görülebileceği gibi, su soğutması için çekme dayanımı 342MPa'dan 320MPa'ya düşmüştür. Aynı zamanda, çekme numunesinin kırılma noktasının da en düşük sertliğe sahip paralel bölümün sonunda olduğu bulunmuştur. Bunun nedeni, su soğutmasından uzak olması, alaşım performansının düşmesi ve ucun önce çekme dayanımı sınırına ulaşarak boyun oluşturmasıdır. Son olarak, en düşük performans noktasından kırılır ve kırılma pozisyonu performans test sonuçlarıyla tutarlıdır.
Şekil 5, 4 numaralı numunenin paralel kesitinin sertlik eğrisini ve kırılma konumunu göstermektedir. Su soğutma bölme çizgisinden uzaklaştıkça gecikmeli söndürme ucunun sertliğinin azaldığı görülebilir. Aynı zamanda, kırılma yeri de sertliğin en düşük olduğu uçta, 86HB kırılmalarındadır. Tablo 2'den, su soğutmalı uçta neredeyse hiç plastik deformasyon olmadığı görülmektedir. Tablo 1'den, numune performansının (çekme dayanımı 298 MPa, akma 266 MPa) önemli ölçüde azaldığı görülmektedir. Çekme dayanımı sadece 298 MPa'dır ve bu değer su soğutmalı ucun akma dayanımına (315 MPa) ulaşmaz. Uç, 315 MPa'nın altına düştüğünde boyun eğme meydana gelmiştir. Kırılmadan önce, su soğutmalı alanda yalnızca elastik deformasyon meydana gelmiştir. Gerilim ortadan kalktıkça, su soğutmalı uçtaki gerinim de ortadan kalkmıştır. Sonuç olarak, Tablo 2'deki su soğutma bölgesindeki deformasyon miktarı neredeyse hiç değişmemiştir. Numune, gecikmeli ateşlemenin sonunda kırılır, deformasyon alanı azalır ve uç sertliği en düşük seviyede kalır; bu da performans sonuçlarında önemli bir düşüşe neden olur.
400 mm'lik numunenin sonundaki %100 gecikmeli söndürme alanından numune alın. Şekil 6, sertlik eğrisini göstermektedir. Paralel kesitin sertliği yaklaşık 83-84HB'ye düşürülmüş ve nispeten kararlıdır. Aynı işlem sayesinde performans da hemen hemen aynıdır. Kırılma pozisyonunda belirgin bir desen görülmemektedir. Alaşım performansı, suda söndürülmüş numuneden daha düşüktür.
Performans ve kırılma düzenliliğini daha ayrıntılı olarak incelemek için, çekme numunesinin paralel kesiti en düşük sertlik noktasına (77HB) yakın bir noktadan seçilmiştir. Tablo 1'den, performansın önemli ölçüde azaldığı ve kırılma noktasının Şekil 2'de en düşük sertlik noktasında ortaya çıktığı görülmüştür.
2.3 ANSYS analiz sonuçları
Şekil 7, farklı konumlardaki soğutma eğrilerinin ANSYS simülasyon sonuçlarını göstermektedir. Su soğutma alanındaki numunenin sıcaklığının hızla düştüğü görülebilir. 5 saniye sonra sıcaklık 100°C'nin altına düşerken, sınır çizgisinden 80 mm uzakta, 90 saniyede sıcaklık yaklaşık 210°C'ye düşmüştür. Ortalama sıcaklık düşüşü saniyede 3,5°C'dir. Terminal hava soğutma alanında 90 saniye sonra sıcaklık, saniyede ortalama 1,9°C'lik bir düşüş hızıyla yaklaşık 360°C'ye düşmektedir.
Performans analizi ve simülasyon sonuçları aracılığıyla, su soğutmalı alan ve gecikmeli söndürme alanının performansının önce azalan ve ardından hafifçe artan bir değişim deseni olduğu bulunmuştur. Bölme çizgisinin yakınındaki su soğutmasından etkilenen ısı iletimi, belirli bir bölgedeki numunenin su soğutmasından daha düşük bir soğuma hızında (3,5 °C/s) düşmesine neden olur. Sonuç olarak, matrise katılaşan Mg2Si, bu bölgede büyük miktarlarda çökeldi ve sıcaklık 90 saniye sonra yaklaşık 210 °C'ye düştü. Çöken büyük miktardaki Mg2Si, 90 saniye sonra su soğutmasının daha küçük bir etkiye sahip olmasına yol açtı. Yaşlandırma işleminden sonra çöken Mg2Si güçlendirme fazı miktarı büyük ölçüde azaldı ve numune performansı da sonrasında düştü. Bununla birlikte, bölme çizgisinden uzak olan gecikmeli söndürme bölgesi, su soğutmalı ısı iletiminden daha az etkilenir ve alaşım hava soğutma koşulları altında nispeten yavaş soğur (soğutma hızı 1,9 °C/s). Mg2Si fazının yalnızca küçük bir kısmı yavaşça çöker ve 90 saniye sonra sıcaklık 360°C'ye ulaşır. Su soğutmasından sonra, Mg2Si fazının büyük bir kısmı hala matriste kalır ve yaşlanmanın ardından dağılıp çökelir; bu da güçlendirici bir rol oynar.
3. Sonuç
Yapılan deneyler sonucunda, gecikmeli söndürmenin, normal söndürme ile gecikmeli söndürmenin kesiştiği noktadaki gecikmeli söndürme bölgesinin sertliğinin önce azalıp sonra hafifçe artarak sonunda sabitlendiği bulunmuştur.
6061 alüminyum alaşımı için, normal söndürme ve 90 saniye gecikmeli söndürme sonrası çekme dayanımları sırasıyla 342MPa ve 288MPa, akma dayanımları ise sırasıyla 315MPa ve 252MPa olup, her ikisi de numune performans standartlarını karşılamaktadır.
Normal söndürme işleminden sonra sertliği 95HB'den 77HB'ye düşen, en düşük sertliğe sahip bir bölge bulunmaktadır. Buradaki performans da en düşük olup, çekme dayanımı 271MPa ve akma dayanımı 220MPa'dır.
ANSYS analiziyle, 90'lı yıllardaki gecikmeli söndürme bölgesindeki en düşük performans noktasındaki soğuma hızının saniyede yaklaşık 3,5°C azaldığı ve bunun da güçlendirme fazı Mg2Si fazının yetersiz katı çözeltisine yol açtığı tespit edilmiştir. Bu makaleye göre, performans tehlike noktasının, normal söndürme ve gecikmeli söndürmenin birleştiği noktadaki gecikmeli söndürme bölgesinde ortaya çıktığı ve ekstrüzyon sonrası işlem atığının makul düzeyde tutulması için önemli bir yol gösterici öneme sahip olan bu noktadan çok da uzak olmadığı görülmektedir.
MAT Alüminyum'dan May Jiang tarafından düzenlendi
Gönderi zamanı: 28 Ağustos 2024
