두꺼운 두께의 6061T6 알루미늄 합금은 열간 압출 후 담금질해야 합니다. 불연속 압출의 한계로 인해 프로파일의 일부가 수냉 영역에 늦게 진입합니다. 다음 짧은 잉곳이 계속 압출될 때, 이 프로파일 부분은 지연 담금질을 겪게 됩니다. 지연 담금질 영역을 어떻게 처리할지는 모든 생산 회사가 고려해야 할 문제입니다. 압출 후단 공정 폐기물이 적은 경우, 성능 샘플이 때로는 합격이고 때로는 불합격입니다. 측면에서 재샘플링하면 성능이 다시 합격됩니다. 이 글에서는 실험을 통해 해당 내용을 설명합니다.
1. 시험재료 및 방법
본 실험에 사용된 재료는 6061 알루미늄 합금입니다. 분광 분석을 통해 측정된 화학 조성은 다음과 같습니다. GB/T 3190-1996 국제 6061 알루미늄 합금 조성 표준을 준수합니다.
이 실험에서는 압출된 프로파일의 일부를 고용체 처리에 사용했습니다. 400mm 길이의 프로파일을 두 영역으로 나누었습니다. 영역 1은 직접 수냉 후 급냉했습니다. 영역 2는 공기 중에서 90초 동안 냉각한 후 수냉했습니다. 실험 결과는 그림 1에 나와 있습니다.
본 실험에 사용된 6061 알루미늄 합금 프로파일은 4000UST 압출기를 사용하여 압출되었습니다. 금형 온도는 500°C, 주조봉 온도는 510°C, 압출 출구 온도는 525°C, 압출 속도는 2.1mm/s이며, 압출 공정 중 고강도 수냉 방식을 사용하고, 압출된 완성 프로파일의 중간에서 길이 400mm의 시편을 채취했습니다. 시편의 폭은 150mm, 높이는 10.00mm입니다.
채취한 시료를 분할한 후 다시 용체화 처리를 실시했습니다. 용체화 온도는 530°C, 용체화 시간은 4시간이었습니다. 시료를 꺼낸 후, 수심 100mm의 대형 물탱크에 넣었습니다. 대형 물탱크는 1구역 시료가 수냉된 후에도 물탱크 내 수온의 변화가 크지 않도록 하여 수온 상승이 수냉 강도에 영향을 미치지 않도록 했습니다. 수냉 과정에서는 수온이 20~25°C 범위 내에 있도록 유지해야 합니다. 급냉된 시료는 165°C에서 8시간 동안 시효 처리했습니다.
길이 400mm, 너비 30mm, 두께 10mm의 시편을 채취하여 브리넬 경도 시험을 실시합니다. 10mm 간격으로 5회 측정합니다. 5회 측정한 브리넬 경도의 평균값을 이 시점의 브리넬 경도 결과로 취하고, 경도 변화 양상을 관찰합니다.
프로파일의 기계적 특성을 시험하였고, 400mm 샘플의 다른 위치에서 60mm의 인장 평행 단면을 제어하여 인장 특성과 파단 위치를 관찰하였다.
샘플의 수냉식 담금질과 90초 지연 후 담금질의 온도장은 ANSYS 소프트웨어를 통해 시뮬레이션되었으며, 다양한 위치에서 프로파일의 냉각 속도가 분석되었습니다.
2. 실험 결과 및 분석
2.1 경도 시험 결과
그림 2는 브리넬 경도 시험기로 측정한 400mm 길이의 샘플의 경도 변화 곡선을 보여줍니다(가로축의 단위 길이는 10mm를 나타내고, 0 스케일은 정상 담금질과 지연 담금질의 경계선입니다).수냉 끝의 경도는 95HB 부근에서 안정적인 것을 알 수 있습니다.수냉 담금질과 지연 90초 수냉 담금질의 경계선을 지나면 경도가 감소하기 시작하지만 초기에는 감소 속도가 느립니다.40mm(89HB) 이후에는 경도가 급격히 감소하고 80mm에서 가장 낮은 값(77HB)으로 떨어집니다.80mm 이후에는 경도가 계속 감소하지 않고 어느 정도 증가했습니다.증가폭이 비교적 작았습니다.130mm 이후에는 경도가 83HB 부근에서 변화가 없었습니다. 열전도의 영향으로 지연담금질 부분의 냉각속도가 변한 것으로 추측할 수 있다.
2.2 성능 테스트 결과 및 분석
표 2는 평행 단면의 여러 위치에서 채취한 시편에 대한 인장 실험 결과를 보여줍니다. No. 1과 No. 2의 인장 강도와 항복 강도는 거의 변화가 없음을 알 수 있습니다. 지연 담금질 단부의 비율이 증가함에 따라 합금의 인장 강도와 항복 강도는 현저히 감소하는 경향을 보입니다. 그러나 각 샘플링 위치에서 인장 강도는 기준 강도보다 높습니다. 경도가 가장 낮은 영역에서만 항복 강도가 시편 기준보다 낮아 시편 성능이 불합격입니다.
그림 4는 샘플 No. 3의 인장 특성 결과를 보여줍니다.그림 4에서 분할선에서 멀어질수록 지연 담금질 끝의 경도가 낮아짐을 알 수 있습니다.경도의 감소는 샘플의 성능이 저하되었음을 나타내지만 경도는 천천히 감소하여 평행 단면 끝에서 95HB에서 약 91HB로 감소합니다.표 1의 성능 결과에서 볼 수 있듯이 인장 강도는 수냉 시 342MPa에서 320MPa로 감소했습니다.동시에 인장 샘플의 파단 지점도 경도가 가장 낮은 평행 단면 끝에서 발견되었습니다.이는 수냉에서 멀리 떨어져 있기 때문에 합금 성능이 저하되고 끝이 먼저 인장 강도 한계에 도달하여 네킹 다운을 형성하기 때문입니다.마지막으로 가장 낮은 성능 지점에서 파단되며 파단 위치는 성능 시험 결과와 일치합니다.
그림 5는 샘플 번호 4의 평행 단면의 경도 곡선과 파단 위치를 보여줍니다. 수냉 분할선에서 멀어질수록 지연 담금질 끝의 경도가 낮아짐을 알 수 있습니다. 동시에 파단 위치도 경도가 가장 낮은 끝인 86HB 파단에 있습니다. 표 2에서 수냉 끝에서는 소성 변형이 거의 없음을 알 수 있습니다. 표 1에서 샘플 성능(인장 강도 298MPa, 항복 강도 266MPa)이 크게 감소한 것을 알 수 있습니다. 인장 강도는 298MPa에 불과하여 수냉 끝의 항복 강도(315MPa)에 도달하지 못합니다. 315MPa보다 낮으면 끝부분에 네킹 다운이 형성됩니다. 파단 전에는 수냉 영역에서 탄성 변형만 발생했습니다. 응력이 사라지면서 수냉 끝의 변형률도 사라졌습니다. 결과적으로, 표 2의 수냉 영역에서의 변형량은 거의 변화가 없습니다. 지연 속도 연소가 끝날 때 시편이 파단되고, 변형 면적이 줄어들며, 최종 경도가 가장 낮아져 성능 결과가 현저히 저하됩니다.
400mm 시편 끝부분의 100% 지연 담금질 영역에서 샘플을 채취합니다. 그림 6은 경도 곡선을 보여줍니다. 평행부의 경도는 약 83-84HB로 감소하며 비교적 안정적입니다. 동일한 공정으로 인해 성능은 거의 동일합니다. 파단 위치에서 뚜렷한 패턴은 발견되지 않습니다. 합금 성능은 수냉 샘플보다 낮습니다.
성능 및 파단의 규칙성을 더욱 자세히 살펴보기 위해, 인장 시편의 평행 단면을 가장 낮은 경도(77HB) 근처에서 선정했습니다. 표 1에서 성능이 현저히 저하되었으며, 그림 2에서 파단 지점은 가장 낮은 경도 지점에 위치하는 것으로 나타났습니다.
2.3 ANSYS 해석 결과
그림 7은 다양한 위치에서의 냉각 곡선에 대한 ANSYS 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 수냉 영역에서 샘플의 온도가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있습니다. 5초 후, 온도는 100°C 미만으로 떨어졌고, 경계선으로부터 80mm 떨어진 지점에서는 90초 후 약 210°C로 떨어졌습니다. 평균 온도 감소율은 3.5°C/s입니다. 최종 공냉 영역에서 90초 후, 온도는 약 360°C로 떨어졌으며, 평균 감소율은 1.9°C/s였습니다.
성능 분석 및 시뮬레이션 결과를 통해 수냉 영역과 지연 담금질 영역의 성능은 처음에는 감소하다가 약간 증가하는 변화 패턴을 보입니다. 분할선 근처에서 수냉의 영향을 받아 열전도로 인해 특정 영역의 시편이 수냉보다 느린 냉각 속도(3.5°C/s)로 떨어집니다. 결과적으로, 기지에 응고된 Mg2Si가 이 영역에 대량으로 석출되어 90초 후에 온도가 약 210°C로 떨어졌습니다. 석출된 Mg2Si의 양이 많기 때문에 90초 후 수냉의 효과가 감소했습니다. 시효 처리 후 석출된 Mg2Si 강화상의 양이 크게 감소하여 시편 성능이 저하되었습니다. 그러나 분할선에서 멀리 떨어진 지연 담금질 영역은 수냉 열전도의 영향을 덜 받으며, 공랭 조건에서 합금은 비교적 느리게 냉각됩니다(냉각 속도 1.9°C/s). Mg2Si 상의 일부만이 천천히 석출되며, 90초 후 온도는 360°C에 이릅니다. 수냉 후에도 대부분의 Mg2Si 상은 매트릭스 내에 남아 있으며, 시효 후 분산 및 석출되어 강화 역할을 합니다.
3. 결론
지연 담금질은 정상 담금질과 지연 담금질의 교차점에서 지연 담금질 영역의 경도를 처음에는 감소시킨 다음 약간 증가시켜 최종적으로 안정화시키는 것으로 실험을 통해 밝혀졌습니다.
6061 알루미늄 합금의 경우, 정상 담금질과 90초간의 지연 담금질 후 인장 강도는 각각 342MPa와 288MPa이고, 항복 강도는 각각 315MPa와 252MPa로, 두 값 모두 시편 성능 기준을 충족합니다.
경도가 가장 낮은 영역이 있는데, 정상 담금질 후 95HB에서 77HB로 감소합니다. 이 영역의 성능 또한 가장 낮으며, 인장 강도는 271MPa, 항복 강도는 220MPa입니다.
ANSYS 분석을 통해 90년대 지연 담금질 영역에서 가장 낮은 성능점의 냉각 속도가 초당 약 3.5°C 감소하여 강화상 Mg2Si상의 고용이 불충분한 것으로 나타났습니다. 본 논문에 따르면, 성능 위험점은 정상 담금질과 지연 담금질의 접합부인 지연 담금질 영역에 나타나며, 접합부에서 그리 멀지 않은 곳에 위치하는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 압출 후단 공정 폐기물의 적정한 보존에 중요한 지침이 됩니다.
MAT Aluminum의 May Jiang이 편집함
게시 시간: 2024년 8월 28일
