סגסוגת אלומיניום 6061T6 בעלת עובי דופן גדול צריכה לעבור קירור לאחר שיחול חם. עקב המגבלות של שיחול לא רציף, חלק מהפרופיל ייכנס לאזור קירור המים בעיכוב. כאשר מטיל קצר נוסף ימשיך להיות שיחול, חלק זה של הפרופיל יעבור קירור מושהה. כיצד להתמודד עם אזור הקירור המושהה הוא נושא שכל חברת ייצור צריכה לשקול. כאשר פסולת קצה הזנב של תהליך השחול קצרה, דגימות הביצועים שנלקחו לפעמים מאושרות ולפעמים לא מאושרות. בעת דגימה מחדש מהצד, הביצועים מאושרים שוב. מאמר זה נותן את ההסבר המתאים באמצעות ניסויים.
1. חומרי בדיקה ושיטות
החומר בו נעשה שימוש בניסוי זה הוא סגסוגת אלומיניום 6061. ההרכב הכימי שלה, כפי שנמדד על ידי אנליזה ספקטרלית, הוא כדלקמן: הוא עומד בתקן הבינלאומי GB/T 3190-1996 להרכב סגסוגת אלומיניום 6061.
בניסוי זה, חלק מהפרופיל הבלוט נלקח לטיפול בתמיסה מוצקה. הפרופיל באורך 400 מ"מ חולק לשני אזורים. אזור 1 עבר קירור ישיר במים וקירור. אזור 2 עבר קירור באוויר למשך 90 שניות ולאחר מכן קירור במים. דיאגרמת הבדיקה מוצגת באיור 1.
פרופיל סגסוגת האלומיניום 6061 ששימש בניסוי זה יוצר באמצעות מכבש 4000UST. טמפרטורת התבנית היא 500 מעלות צלזיוס, טמפרטורת מוט היציקה היא 510 מעלות צלזיוס, טמפרטורת יציאת היוצר היא 525 מעלות צלזיוס, מהירות היוצר היא 2.1 מ"מ/שנייה, נעשה שימוש בקירור מים בעוצמה גבוהה במהלך תהליך היוצר, וחתיכת בדיקה באורך 400 מ"מ נלקחת מאמצע הפרופיל המוגמר. רוחב הדגימה הוא 150 מ"מ והגובה הוא 10.00 מ"מ.
הדגימות שנלקחו חולקו ולאחר מכן טופלו שוב בתמיסה. טמפרטורת התמיסה הייתה 530 מעלות צלזיוס וזמן ההתמיסה היה 4 שעות. לאחר הוצאתן, הדגימות הונחו במיכל מים גדול בעומק מים של 100 מ"מ. מיכל המים הגדול יותר יכול להבטיח שטמפרטורת המים במיכל המים תשתנה מעט לאחר קירור הדגימה באזור 1 במים, ובכך למנוע מהעלייה בטמפרטורת המים להשפיע על עוצמת קירור המים. במהלך תהליך קירור המים, יש לוודא שטמפרטורת המים נמצאת בטווח של 20-25 מעלות צלזיוס. הדגימות המרווות יישנו ב-165 מעלות צלזיוס * 8 שעות.
קחו חלק מהדגימה באורך 400 מ"מ, ברוחב 30 מ"מ ובעובי 10 מ"מ, ובצעו בדיקת קשיות ברינל. בצעו 5 מדידות כל 10 מ"מ. חשבו את הערך הממוצע של 5 דרגות קשיות הברינל כתוצאה מקשיות ברינל בנקודה זו, ותצפו בדפוס שינוי הקשיות.
נבדקו התכונות המכניות של הפרופיל, וחתך מתיחה מקביל של 60 מ"מ נבדק במיקומים שונים של הדגימה של 400 מ"מ כדי לבחון את תכונות המתיחה ומיקום השבר.
שדה הטמפרטורה של הקירור של הדגימה בקירור מים והקירור לאחר השהייה של 90 שניות בוצע סימולציה באמצעות תוכנת ANSYS, וקצבי הקירור של הפרופילים במיקומים שונים נותחו.
2. תוצאות ניסוי וניתוח
2.1 תוצאות בדיקת קשיות
איור 2 מציג את עקומת שינוי הקשיות של דגימה באורך 400 מ"מ שנמדדה על ידי בודק קשיות ברינל (אורך היחידה של האבססיסה מייצג 10 מ"מ, וסולם 0 הוא קו ההפרדה בין כיבוי רגיל לכיבוי מושהה). ניתן למצוא שהקשיות בקצה מקורר המים יציבה סביב 95HB. לאחר קו ההפרדה בין כיבוי קירור מים לכיבוי קירור מים מושהה של 90 שניות, הקשיות מתחילה לרדת, אך קצב הירידה איטי בשלב המוקדם. לאחר 40 מ"מ (89HB), הקשיות יורדת בחדות, ויורדת לערך הנמוך ביותר (77HB) ב-80 מ"מ. לאחר 80 מ"מ, הקשיות לא המשיכה לרדת, אלא עלתה במידה מסוימת. העלייה הייתה קטנה יחסית. לאחר 130 מ"מ, הקשיות נותרה ללא שינוי סביב 83HB. ניתן לשער שבשל השפעת הולכת החום, קצב הקירור של החלק המכיל את הכיבוי המושהה השתנה.
2.2 תוצאות וניתוח בדיקות ביצועים
טבלה 2 מציגה את תוצאות ניסויי המתיחה שבוצעו על דגימות שנלקחו ממיקומים שונים של החתך המקביל. ניתן למצוא כי חוזק המתיחה וחוזק הכניעה של מס' 1 ו-2 כמעט ולא השתנו. ככל ששיעור קצוות הכיבוי המתעכבים עולה, חוזק המתיחה וחוזק הכניעה של הסגסוגת מראים מגמת ירידה משמעותית. עם זאת, חוזק המתיחה בכל נקודת דגימה גבוה מחוזק הסטנדרטי. רק באזור עם הקשיות הנמוכה ביותר, חוזק הכניעה נמוך מהסטנדרט של הדגימה, ביצועי הדגימה אינם מסווגים.
איור 4 מציג את תוצאות תכונות המתיחה של דגימה מספר 3. ניתן לראות מאיור 4 שככל שמתרחקים מקו החלוקה, כך קשיות קצה הכיבוי המושהה נמוכה יותר. הירידה בקשיות מצביעה על כך שביצועי הדגימה מופחתים, אך הקשיות יורדת באיטיות, ויורדת רק מ-95HB לכ-91HB בסוף הקטע המקביל. כפי שניתן לראות מתוצאות הביצועים בטבלה 1, חוזק המתיחה ירד מ-342MPa ל-320MPa עבור קירור מים. במקביל, נמצא שנקודת השבר של דגימת המתיחה נמצאת גם היא בקצה הקטע המקביל עם הקשיות הנמוכה ביותר. הסיבה לכך היא שהיא רחוקה מקירור המים, ביצועי הסגסוגת מופחתים, והקצה מגיע תחילה לגבול חוזק המתיחה ויוצר צווארון. לבסוף, השבר מנקודת הביצועים הנמוכה ביותר, ומיקום השבירה עולה בקנה אחד עם תוצאות בדיקת הביצועים.
איור 5 מציג את עקומת הקשיות של החתך המקביל של דגימה מס' 4 ואת מיקום השבר. ניתן למצוא שככל שמתרחקים יותר מקו ההפרדה של קירור המים, כך קשיות קצה הקירוי המושהה נמוכה יותר. במקביל, מיקום השבר נמצא גם בקצה שבו הקשיות הנמוכה ביותר, שברים של 86HB. מטבלה 2 עולה שכמעט ואין עיוות פלסטי בקצה מקורר המים. מטבלה 1 עולה שביצועי הדגימה (חוזק מתיחה 298MPa, ניצולת 266MPa) מופחתים משמעותית. חוזק המתיחה הוא רק 298MPa, שאינו מגיע לחוזק הניצולת של הקצה מקורר המים (315MPa). הקצה יצר צווארון כשהוא נמוך מ-315MPa. לפני השבר, התרחשה רק עיוות אלסטי באזור מקורר המים. ככל שהמאמץ נעלם, גם המאמץ בקצה מקורר המים נעלם. כתוצאה מכך, כמות העיוות באזור קירור המים בטבלה 2 כמעט ולא השתנתה. הדגימה נשברת בסוף אש בקצב מושהה, האזור המעוות מצטמצם, וקשיות הקצה היא הנמוכה ביותר, וכתוצאה מכך ירידה משמעותית בתוצאות הביצועים.
יש לקחת דגימות מאזור הכיבוי בהשהיה של 100% בקצה הדגימה בגודל 400 מ"מ. איור 6 מציג את עקומת הקשיות. קשיות החתך המקביל מצטמצמת לכ-83-84HB והיא יציבה יחסית. בשל אותו תהליך, הביצועים זהים בערך. לא נמצא דפוס ברור במיקום השבר. ביצועי הסגסוגת נמוכים יותר מאלה של הדגימה המרוותת במים.
על מנת לבחון לעומק את סדירות הביצועים והשבר, נבחר חתך מקביל של דגימת המתיחה ליד נקודת הקשיות הנמוכה ביותר (77HB). מטבלה 1 נמצא כי הביצועים ירדו משמעותית, ונקודת השבר הופיעה בנקודת הקשיות הנמוכה ביותר באיור 2.
2.3 תוצאות ניתוח ANSYS
איור 7 מציג את תוצאות סימולציית עקומות הקירור של ANSYS במיקומים שונים. ניתן לראות כי טמפרטורת הדגימה באזור קירור המים ירדה במהירות. לאחר 5 שניות, הטמפרטורה ירדה מתחת ל-100 מעלות צלזיוס, ובמרחק של 80 מ"מ מקו ההפרדה, הטמפרטורה ירדה לכ-210 מעלות צלזיוס ב-90 שניות. ירידת הטמפרטורה הממוצעת היא 3.5 מעלות צלזיוס/שנייה. לאחר 90 שניות באזור קירור האוויר הסופי, הטמפרטורה יורדת לכ-360 מעלות צלזיוס, עם קצב ירידה ממוצע של 1.9 מעלות צלזיוס/שנייה.
באמצעות ניתוח ביצועים ותוצאות סימולציה, נמצא כי ביצועי אזור קירור המים ואזור הכיבוי המושהה הם דפוס שינוי שיורד תחילה ולאחר מכן עולה מעט. בהשפעת קירור מים ליד קו החלוקה, הולכת החום גורמת לדגימה באזור מסוים לרדת בקצב קירור נמוך מזה של קירור מים (3.5°C/s). כתוצאה מכך, Mg2Si, שהתמצק לתוך המטריצה, שקע בכמויות גדולות באזור זה, והטמפרטורה ירדה לכ-210°C לאחר 90 שניות. כמות ה-Mg2Si הגדולה ששקעה הובילה להשפעה קטנה יותר של קירור מים לאחר 90 שניות. כמות פאזת החיזוק של Mg2Si ששקעה לאחר טיפול ההזדקנות פחתה במידה ניכרת, וביצועי הדגימה פחתו לאחר מכן. עם זאת, אזור הכיבוי המושהה הרחק מקו החלוקה מושפע פחות מהולכת החום של קירור מים, והסגסוגת מתקררת לאט יחסית בתנאי קירור אוויר (קצב קירור 1.9°C/s). רק חלק קטן מפאזה Mg2Si שוקעת באיטיות, והטמפרטורה מגיעה ל-360 מעלות צלזיוס לאחר שנות ה-90. לאחר קירור מים, רוב פאזה Mg2Si עדיין נמצאת במטריצה, והיא מתפזרת ושוקעת לאחר ההזדקנות, מה שממלא תפקיד חיזוק.
3. סיכום
באמצעות ניסויים נמצא כי כיבוי מושהה יגרום לקשיות של אזור הכיבוי המושהה בצומת שבין הכיבוי הרגיל לכיבוי המושהה לרדת תחילה ולאחר מכן לעלות מעט עד להתייצבות סופית.
עבור סגסוגת אלומיניום 6061, חוזקי המתיחה לאחר מרווה רגילה ומרווה מושהית למשך 90 שניות הם 342MPa ו-288MPa בהתאמה, וחוזקי הכניעה הם 315MPa ו-252MPa, שניהם עומדים בתקני הביצועים של המדגם.
ישנו אזור עם הקשיות הנמוכה ביותר, אשר יורדת מ-95HB ל-77HB לאחר כיבוי רגיל. הביצועים כאן הם גם הנמוכים ביותר, עם חוזק מתיחה של 271MPa וחוזק כניעה של 220MPa.
באמצעות ניתוח ANSYS, נמצא כי קצב הקירור בנקודת הביצועים הנמוכה ביותר באזור הכיבוי המעוכב של שנות ה-90 ירד בכ-3.5 מעלות צלזיוס לשנייה, מה שהביא לתמיסה מוצקה לא מספקת של פאזת Mg2Si בשלב החיזוק. על פי מאמר זה, ניתן לראות שנקודת סכנת הביצועים מופיעה באזור הכיבוי המעוכב בצומת שבין הכיבוי הרגיל לכיבוי המעוכב, ואינה רחוקה מהצומת, דבר שיש לו משמעות מנחה חשובה לשימור סביר של פסולת תהליך הזנב של האקסטרוזיה.
נערך על ידי מאי ג'יאנג מ-MAT Aluminum
זמן פרסום: 28 באוגוסט 2024
