עובי דופן גדול 6061T6 סגסוגת אלומיניום צריך להיות מרווה לאחר שחול חם. בשל מגבלה של שחול בלתי רציף, חלק מהפרופיל ייכנס באיחור לאזור קירור המים. כאשר ממשיכים להוציא את המטיל הקצר הבא, חלק זה של הפרופיל יעבור כיבוי מושהה. אופן ההתמודדות עם אזור ההמרה המושהה הוא נושא שכל חברת הפקה צריכה לקחת בחשבון. כאשר פסולת תהליך קצה האקסטרוזיה קצרה, דגימות הביצועים שנלקחו הן לפעמים כשרות ולפעמים לא מוסמכות. בעת דגימה מחדש מהצד, הביצוע מוסמך שוב. מאמר זה נותן את ההסבר המתאים באמצעות ניסויים.
1. בדיקת חומרים ושיטות
החומר המשמש בניסוי זה הוא סגסוגת אלומיניום 6061. ההרכב הכימי שלו הנמדד בניתוח ספקטרלי הוא כדלקמן: הוא תואם לתקן ההרכב הבינלאומי של סגסוגת אלומיניום GB/T 3190-1996 6061.
בניסוי זה, חלק מהפרופיל שחולץ נלקח לטיפול בתמיסה מוצקה. הפרופיל באורך 400 מ"מ חולק לשני אזורים. אזור 1 היה מקורר במים ומרווה ישירות. אזור 2 צונן באוויר למשך 90 שניות ולאחר מכן מקורר במים. תרשים הבדיקה מוצג באיור 1.
פרופיל סגסוגת האלומיניום 6061 המשמש בניסוי זה הוחלף על ידי אקסטרודר 4000UST. טמפרטורת התבנית היא 500 מעלות צלזיוס, טמפרטורת מוט היציקה היא 510 מעלות צלזיוס, טמפרטורת יציאת האקסטרוזיה היא 525 מעלות צלזיוס, מהירות האקסטרוזיה היא 2.1 מ"מ לשנייה, קירור מים בעוצמה גבוהה משמש במהלך תהליך האקסטרוזיה, ו-400 מ"מ. חתיכת הבדיקה באורך נלקחת מאמצע הפרופיל המוגמר שחולץ. רוחב המדגם הוא 150 מ"מ והגובה הוא 10.00 מ"מ.
הדגימות שנלקחו חולקו ולאחר מכן עברו שוב טיפול בתמיסה. טמפרטורת התמיסה הייתה 530 מעלות צלזיוס וזמן התמיסה היה 4 שעות. לאחר הוצאתם, הדגימות הונחו במיכל מים גדול עם עומק מים של 100 מ"מ. מיכל המים הגדול יותר יכול להבטיח שטמפרטורת המים במיכל המים משתנה מעט לאחר שהדגימה באזור 1 מקוררת במים, ומונעת מהעלייה בטמפרטורת המים להשפיע על עוצמת קירור המים. במהלך תהליך קירור המים, ודא שטמפרטורת המים היא בטווח של 20-25 מעלות צלזיוס. הדגימות המרוויות התיישנו ב-165 מעלות צלזיוס*8 שעות.
קח חלק מהמדגם באורך 400 מ"מ ברוחב 30 מ"מ בעובי 10 מ"מ, ובצע בדיקת קשיות ברינל. בצע 5 מדידות כל 10 מ"מ. קח את הערך הממוצע של 5 קשיות Brinell כתוצאה של קשיות Brinell בשלב זה, וצפה בדפוס שינוי הקשיות.
המאפיינים המכניים של הפרופיל נבדקו, והמקטע המקביל למתיחה 60 מ"מ נשלט במיקומים שונים של מדגם 400 מ"מ כדי לראות את תכונות המתיחה ומיקום השבר.
שדה הטמפרטורה של כיבוי הדגימה המקורר במים והכיבוי לאחר עיכוב של 90 שניות בוצע הדמיה באמצעות תוכנת ANSYS, וקצבי הקירור של הפרופילים במיקומים שונים נותחו.
2. תוצאות וניתוח ניסויים
2.1 תוצאות בדיקת קשיות
איור 2 מציג את עקומת שינוי הקשיות של דגימה באורך 400 מ"מ שנמדדה על ידי בודק קשיות Brinell (יחידת אורך האבססיס מייצגת 10 מ"מ, וסולם 0 הוא קו ההפרדה בין כיבוי רגיל לכיבוי מושהה). ניתן למצוא שהקשיות בקצה מקורר המים יציבה בסביבות 95HB. לאחר הקו המפריד בין כיבוי קירור מים לבין כיבוי קירור מים משנות ה-90, 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 בסביבות 83HB. ניתן לשער כי עקב ההשפעה של הולכת חום, השתנה קצב הקירור של חלק ההמרה המושהה.
2.2 תוצאות וניתוח בדיקות ביצועים
טבלה 2 מציגה את התוצאות של ניסויי מתיחה שנערכו על דגימות שנלקחו ממיקומים שונים של החתך המקביל. ניתן לגלות שלחוזק המתיחה וחוזק התנובה של מס' 1 ומספר 2 כמעט ואין שינוי. ככל שהשיעור של קצוות ההמרה המושהים גדל, חוזק המתיחה וחוזק התפוקה של הסגסוגת מראים מגמת ירידה משמעותית. עם זאת, חוזק המתיחה בכל מקום דגימה הוא מעל החוזק הסטנדרטי. רק באזור עם הקשיות הנמוכה ביותר, חוזק התפוקה נמוך מהתקן המדגם, ביצועי המדגם אינם מסויגים.
איור 4 מציג את תוצאות מאפייני המתיחה של מדגם מס' 3. ניתן למצוא מאיור 4 שככל שמתרחקים מהקו המפריד, כך הקשיות של קצה ההמרה המושהה נמוכה יותר. הירידה בקשיות מצביעה על כך שביצועי המדגם מופחתים, אך הקשיות יורדת לאט, רק יורדת מ-95HB לכ-91HB בסוף הקטע המקביל. כפי שניתן לראות מתוצאות הביצועים בטבלה 1, חוזק המתיחה ירד מ-342MPa ל-320MPa עבור קירור מים. יחד עם זאת, נמצא כי נקודת השבר של דגימת המתיחה נמצאת גם בקצה הקטע המקביל בעל הקשיות הנמוכה ביותר. הסיבה לכך היא שהוא רחוק מקירור המים, ביצועי הסגסוגת מופחתים, והקצה מגיע תחילה למגבלת חוזק המתיחה כדי ליצור צוואר למטה. לבסוף, שבר מנקודת הביצועים הנמוכה ביותר, ומיקום ההפסקה תואם את תוצאות בדיקת הביצועים.
איור 5 מציג את עקומת הקשיות של הקטע המקביל של מדגם מס' 4 ואת מיקום השבר. ניתן למצוא שככל שמתרחקים מקו ההפרדה של קירור המים, כך הקשיות של סוף ההמרה המושהה נמוכה יותר. יחד עם זאת, מיקום השבר נמצא גם בקצה בו הקשיות הנמוכה ביותר, שברים של 86HB. מטבלה 2, נמצא כי אין כמעט דפורמציה פלסטית בקצה מקורר המים. מטבלה 1, נמצא שביצועי המדגם (חוזק מתיחה 298MPa, תפוקה 266MPa) מופחתים באופן משמעותי. חוזק המתיחה הוא 298MPa בלבד, שאינו מגיע לחוזק התפוקה של הקצה המקורר במים (315MPa). הקצה יצר צוואר כלפי מטה כאשר הוא נמוך מ-315MPa. לפני השבר, רק דפורמציה אלסטית התרחשה באזור מקורר המים. כשהלחץ נעלם, המתח בקצה המקורר במים נעלם. כתוצאה מכך, כמות העיוות באזור קירור המים בטבלה 2 כמעט ללא שינוי. המדגם נשבר בתום השריפה בקצב מושהה, השטח המעוות מצטמצם, וקשיות הקצה היא הנמוכה ביותר, מה שמביא להפחתה משמעותית בתוצאות הביצועים.
קח דגימות מאזור ההמרה המושהה ב-100% בסוף הדגימה של 400 מ"מ. איור 6 מציג את עקומת הקשיות. הקשיות של הקטע המקביל מצטמצמת לכ-83-84HB והיא יציבה יחסית. בשל אותו תהליך, הביצועים כמעט זהים. לא נמצא דפוס ברור בעמדת השבר. ביצועי הסגסוגת נמוכים מאלו של המדגם המרוווה במים.
על מנת להמשיך ולחקור את סדירות הביצועים והשבר, הקטע המקביל של דגימת המתיחה נבחר ליד נקודת הקשיות הנמוכה ביותר (77HB). מטבלה 1, נמצא כי הביצועים הופחתו באופן משמעותי, ונקודת השבר הופיעה בנקודת הקשיות הנמוכה ביותר באיור 2.
2.3 תוצאות ניתוח ANSYS
איור 7 מציג את התוצאות של הדמיית ANSYS של עקומות קירור במיקומים שונים. ניתן לראות כי הטמפרטורה של 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 ב-90 שניות. ירידת הטמפרטורה הממוצעת היא 3.5 מעלות לשנייה. לאחר 90 שניות באזור קירור האוויר הטרמינל, הטמפרטורה יורדת לכ-360 מעלות צלזיוס, עם קצב ירידה ממוצע של 1.9 מעלות לשנייה.
באמצעות ניתוח ביצועים ותוצאות סימולציה, נמצא כי הביצועים של אזור קירור המים ואזור ההמרה המושהה הם תבנית שינוי שתחילה יורד ולאחר מכן גדל מעט. מושפע מקירור מים ליד קו ההפרדה, הולכת חום גורמת לדגימה באזור מסוים לרדת בקצב קירור נמוך מזה של קירור מים (3.5 מעלות צלזיוס/שניה). כתוצאה מכך, Mg2Si, שהתמצק לתוך המטריצה, שקע בכמויות גדולות באזור זה, והטמפרטורה ירדה לכ-210 מעלות צלזיוס לאחר 90 שניות. הכמות הגדולה של Mg2Si המשקע הובילה להשפעה קטנה יותר של קירור מים לאחר 90 שניות. כמות שלב החיזוק של Mg2Si שהושקע לאחר טיפול ההזדקנות הצטמצמה מאוד, וביצועי הדגימה הופחתו לאחר מכן. עם זאת, אזור הכיבוי המושהה הרחק מקו ההפרדה מושפע פחות מהולכת חום בקירור מים, והסגסוגת מתקררת באיטיות יחסית בתנאי קירור אוויר (קצב קירור 1.9 מעלות צלזיוס לשנייה). רק חלק קטן משלב ה-Mg2Si משקע באיטיות, והטמפרטורה היא 360C לאחר שנות ה-90. לאחר קירור מים, רוב שלב Mg2Si עדיין נמצא במטריצה, והוא מתפזר ומשקע לאחר ההזדקנות, מה שממלא תפקיד מחזק.
3. מסקנה
נמצא באמצעות ניסויים שהמרווה מושהית תגרום לכך שהקשיות של אזור ההמרה המושהה במפגש בין ההמרה הרגילה והמרווה המושהית תרד תחילה ולאחר מכן תגדל מעט עד שלבסוף יתייצב.
עבור סגסוגת אלומיניום 6061, חוזק המתיחה לאחר כיבוי רגיל וריבוי מושהה למשך 90 שניות הם 342MPa ו-288MPa בהתאמה, וחוזק התפוקה הוא 315MPa ו-252MPa, שניהם עומדים בתקני הביצועים לדוגמה.
יש אזור עם הקשיות הנמוכה ביותר, אשר מופחת מ-95HB ל-77HB לאחר כיבוי רגיל. הביצועים כאן הם גם הנמוכים ביותר, עם חוזק מתיחה של 271MPa וחוזק תפוקה של 220MPa.
באמצעות ניתוח ANSYS, נמצא כי קצב הקירור בנקודת הביצועים הנמוכה ביותר בשנות ה-90 של אזור ההמרה המושהה ירד בכ-3.5 מעלות צלזיוס לשנייה, וכתוצאה מכך פתרון מוצק לא מספיק של שלב החיזוק Mg2Si. על פי מאמר זה ניתן לראות כי נקודת הסכנה הביצועית מופיעה באזור ההמרה המושהית במפגש ההמרה הרגילה והמרווה המושהית, ואינה רחוקה מהצומת, שיש לה משמעות מנחה חשובה לשמירה סבירה של זנב האקסטרוזיה. פסולת בסופו של דבר.
עריכה מאי ג'יאנג מ-MAT Aluminium
זמן פרסום: 28 באוגוסט 2024
