โลหะผสมอลูมิเนียม 6061T6 ที่มีผนังหนามากจำเป็นต้องได้รับการดับหลังจากการอัดรีดแบบร้อน เนื่องจากข้อจำกัดของการอัดรีดแบบไม่ต่อเนื่อง ส่วนหนึ่งของโปรไฟล์จะเข้าสู่โซนระบายความร้อนด้วยน้ำด้วยความล่าช้า เมื่อแท่งโลหะที่สั้นต่อไปถูกอัดรีดต่อไป ส่วนของโปรไฟล์นี้จะผ่านการดับแบบล่าช้า วิธีจัดการกับพื้นที่การดับแบบล่าช้าเป็นปัญหาที่บริษัทการผลิตทุกแห่งต้องพิจารณา เมื่อกระบวนการท้ายสุดของการอัดรีดเสียไปน้อย ตัวอย่างประสิทธิภาพที่นำมาบางครั้งก็ผ่านการตรวจรับรองและบางครั้งก็ไม่ผ่านการตรวจรับรอง เมื่อทำการสุ่มตัวอย่างใหม่จากด้านข้าง ประสิทธิภาพจะผ่านการตรวจรับรองอีกครั้ง บทความนี้ให้คำอธิบายที่เกี่ยวข้องผ่านการทดลอง
1. วัสดุและวิธีการทดสอบ
วัสดุที่ใช้ในการทดลองนี้คือโลหะผสมอลูมิเนียม 6061 องค์ประกอบทางเคมีที่วัดโดยการวิเคราะห์สเปกตรัมมีดังนี้: เป็นไปตามมาตรฐานองค์ประกอบโลหะผสมอลูมิเนียม 6061 ระหว่างประเทศ GB/T 3190-1996
ในการทดลองนี้ ส่วนหนึ่งของโปรไฟล์ที่อัดออกมาจะถูกนำไปบำบัดด้วยสารละลายของแข็ง โปรไฟล์ยาว 400 มม. ถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน โดยส่วน 1 จะถูกทำให้เย็นลงด้วยน้ำโดยตรงและดับ ส่วนส่วน 2 จะถูกทำให้เย็นลงในอากาศเป็นเวลา 90 วินาที จากนั้นจึงทำให้เย็นลงด้วยน้ำ แผนภาพการทดสอบแสดงไว้ในรูปที่ 1
โปรไฟล์อลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061 ที่ใช้ในการทดลองนี้ถูกอัดขึ้นรูปโดยเครื่องอัดขึ้นรูป 4000UST อุณหภูมิแม่พิมพ์คือ 500°C อุณหภูมิแท่งหล่อคือ 510°C อุณหภูมิทางออกของการอัดขึ้นรูปคือ 525°C ความเร็วในการอัดขึ้นรูปคือ 2.1mm/s ใช้การระบายความร้อนด้วยน้ำที่มีความเข้มข้นสูงระหว่างกระบวนการอัดขึ้นรูป และชิ้นทดสอบความยาว 400 มม. ถูกนำมาจากตรงกลางของโปรไฟล์สำเร็จรูปที่อัดขึ้นรูปแล้ว ความกว้างของตัวอย่างคือ 150 มม. และความสูงคือ 10.00 มม.
ตัวอย่างที่นำมาแบ่งส่วนแล้วนำไปผ่านกระบวนการบำบัดด้วยสารละลายอีกครั้ง อุณหภูมิของสารละลายอยู่ที่ 530°C และเวลาในการบำบัดด้วยสารละลายอยู่ที่ 4 ชั่วโมง หลังจากนำตัวอย่างออกมาแล้ว ให้วางตัวอย่างลงในถังน้ำขนาดใหญ่ที่มีความลึกของน้ำ 100 มม. ถังน้ำขนาดใหญ่จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุณหภูมิของน้ำในถังน้ำจะเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยหลังจากที่ตัวอย่างในโซน 1 ได้รับการระบายความร้อนด้วยน้ำ โดยป้องกันไม่ให้อุณหภูมิของน้ำที่เพิ่มขึ้นส่งผลกระทบต่อความเข้มข้นของการระบายความร้อนด้วยน้ำ ในระหว่างกระบวนการระบายความร้อนด้วยน้ำ ให้แน่ใจว่าอุณหภูมิของน้ำอยู่ภายในช่วง 20-25°C ตัวอย่างที่ผ่านการทำให้เย็นลงจะได้รับการบ่มที่อุณหภูมิ 165°C*8 ชั่วโมง
นำชิ้นส่วนของตัวอย่างที่มีความยาว 400 มม. กว้าง 30 มม. และหนา 10 มม. มาทำการทดสอบความแข็งแบบ Brinell โดยวัด 5 ครั้งทุกๆ 10 มม. นำค่าเฉลี่ยของค่าความแข็งแบบ Brinell 5 ค่าที่ได้จากการทดสอบความแข็งแบบ Brinell ในขั้นตอนนี้ แล้วสังเกตรูปแบบการเปลี่ยนแปลงของความแข็ง
ทดสอบสมบัติเชิงกลของโปรไฟล์ และควบคุมส่วนขนานแรงดึง 60 มม. ในตำแหน่งต่างๆ ของตัวอย่าง 400 มม. เพื่อสังเกตสมบัติแรงดึงและตำแหน่งแตกหัก
จำลองฟิลด์อุณหภูมิของการระบายความร้อนด้วยน้ำของตัวอย่างและการระบายความร้อนหลังจากระยะเวลาหน่วง 90 วินาทีโดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS และมีการวิเคราะห์อัตราการระบายความร้อนของโปรไฟล์ที่ตำแหน่งต่างๆ
2. ผลการทดลองและการวิเคราะห์
2.1 ผลการทดสอบความแข็ง
รูปที่ 2 แสดงเส้นโค้งการเปลี่ยนแปลงความแข็งของชิ้นงานยาว 400 มม. ที่วัดโดยเครื่องทดสอบความแข็ง Brinell (ความยาวหน่วยของแกน x แทนค่า 10 มม. และมาตราส่วน 0 คือเส้นแบ่งระหว่างการดับแบบปกติกับการดับแบบล่าช้า) พบว่าความแข็งที่ปลายที่ระบายความร้อนด้วยน้ำจะเสถียรอยู่ที่ประมาณ 95HB หลังจากเส้นแบ่งระหว่างการดับแบบระบายความร้อนด้วยน้ำกับการดับแบบระบายความร้อนด้วยน้ำที่ล่าช้า 90 วินาที ความแข็งจะเริ่มลดลง แต่ในระยะแรก อัตราการลดลงจะช้า หลังจาก 40 มม. (89HB) ความแข็งจะลดลงอย่างรวดเร็ว และลดลงเหลือค่าต่ำสุด (77HB) ที่ 80 มม. หลังจาก 80 มม. ความแข็งจะไม่ลดลงต่อไป แต่จะเพิ่มขึ้นในระดับหนึ่ง การเพิ่มขึ้นนั้นค่อนข้างน้อย หลังจาก 130 มม. ความแข็งจะคงที่ที่ประมาณ 83HB คาดเดาได้ว่าเนื่องจากผลของการนำความร้อน อัตราการระบายความร้อนของชิ้นส่วนการดับที่ล่าช้าจึงเปลี่ยนไป
2.2 ผลการทดสอบประสิทธิภาพและการวิเคราะห์
ตารางที่ 2 แสดงผลการทดลองแรงดึงที่ทำกับตัวอย่างที่นำมาจากตำแหน่งต่างๆ ของส่วนขนาน พบว่าความแข็งแรงแรงดึงและความแข็งแรงการยืดตัวของโลหะผสมหมายเลข 1 และหมายเลข 2 แทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ เมื่อสัดส่วนของปลายชุบแข็งที่ล่าช้าเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงแรงดึงและความแข็งแรงการยืดตัวของโลหะผสมจะมีแนวโน้มลดลงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ความแข็งแรงแรงดึงที่ตำแหน่งการสุ่มตัวอย่างแต่ละตำแหน่งจะสูงกว่าความแข็งแรงมาตรฐาน เฉพาะในพื้นที่ที่มีความแข็งต่ำที่สุดเท่านั้น ความแข็งแรงการยืดตัวจะต่ำกว่ามาตรฐานตัวอย่าง ประสิทธิภาพของตัวอย่างจึงถือว่าไม่มีคุณสมบัติ
รูปที่ 4 แสดงผลคุณสมบัติแรงดึงของตัวอย่างที่ 3 จากรูปที่ 4 จะพบว่ายิ่งห่างจากเส้นแบ่งมากเท่าไร ความแข็งของปลายชุบแข็งที่ล่าช้าก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น การลดลงของความแข็งบ่งชี้ว่าประสิทธิภาพของตัวอย่างลดลง แต่ความแข็งจะลดลงอย่างช้าๆ โดยลดลงจาก 95HB เหลือประมาณ 91HB ที่ปลายของส่วนขนานเท่านั้น จากผลประสิทธิภาพในตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าความแข็งแรงแรงดึงลดลงจาก 342MPa เป็น 320MPa สำหรับการระบายความร้อนด้วยน้ำ ในเวลาเดียวกัน พบว่าจุดแตกหักของตัวอย่างแรงดึงยังอยู่ที่ปลายของส่วนขนานที่มีความแข็งต่ำที่สุดด้วย เนื่องจากอยู่ห่างจากการระบายความร้อนด้วยน้ำมาก ประสิทธิภาพของโลหะผสมจึงลดลง และปลายจะไปถึงขีดจำกัดความแข็งแรงแรงดึงก่อนเพื่อสร้างคอที่โค้งลง ในที่สุด จุดแตกหักจากจุดประสิทธิภาพที่ต่ำที่สุด และตำแหน่งแตกหักสอดคล้องกับผลการทดสอบประสิทธิภาพ
รูปที่ 5 แสดงเส้นโค้งความแข็งของส่วนขนานของตัวอย่างหมายเลข 4 และตำแหน่งการแตกหัก พบว่ายิ่งห่างจากเส้นแบ่งการระบายความร้อนด้วยน้ำมากเท่าไร ความแข็งของปลายชุบแข็งที่ล่าช้าก็จะยิ่งลดลง ในขณะเดียวกัน ตำแหน่งการแตกหักยังอยู่ที่ปลายที่มีความแข็งต่ำที่สุด ซึ่งก็คือการแตกหัก 86HB จากตารางที่ 2 พบว่าแทบไม่มีการเสียรูปพลาสติกที่ปลายที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ จากตารางที่ 1 พบว่าประสิทธิภาพของตัวอย่าง (แรงดึง 298MPa, ผลผลิต 266MPa) ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ แรงดึงอยู่ที่ 298MPa เท่านั้น ซึ่งไม่ถึงแรงดึงของปลายที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ (315MPa) ปลายจะเกิดการโค้งงอเมื่อมีค่าต่ำกว่า 315MPa ก่อนการแตกหัก มีเพียงการเสียรูปยืดหยุ่นเกิดขึ้นในบริเวณที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ เมื่อความเค้นหายไป ความเครียดที่ปลายที่ระบายความร้อนด้วยน้ำก็จะหายไป ดังนั้น ปริมาณการเสียรูปในโซนระบายความร้อนด้วยน้ำในตารางที่ 2 จึงแทบไม่มีการเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างจะแตกเมื่อสิ้นสุดอัตราการยิงที่ล่าช้า พื้นที่ที่เสียรูปจะลดลง และความแข็งของปลายจะต่ำที่สุด ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลงอย่างมาก
นำตัวอย่างจากบริเวณการชุบแข็งที่ล่าช้า 100% ที่ปลายชิ้นงานขนาด 400 มม. รูปที่ 6 แสดงกราฟความแข็ง ความแข็งของส่วนขนานลดลงเหลือประมาณ 83-84HB และค่อนข้างเสถียร เนื่องจากกระบวนการเดียวกัน ประสิทธิภาพจึงเกือบจะเท่ากัน ไม่พบรูปแบบที่ชัดเจนในตำแหน่งแตกหัก ประสิทธิภาพของโลหะผสมต่ำกว่าของชิ้นงานที่ชุบแข็งด้วยน้ำ
เพื่อสำรวจความสม่ำเสมอของประสิทธิภาพและการแตกหักเพิ่มเติม จึงเลือกส่วนขนานของชิ้นงานดึงที่ใกล้จุดแข็งที่ต่ำที่สุด (77HB) จากตารางที่ 1 พบว่าประสิทธิภาพลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และจุดแตกหักปรากฏที่จุดแข็งที่ต่ำที่สุดในรูปที่ 2
2.3 ผลการวิเคราะห์ ANSYS
รูปที่ 7 แสดงผลการจำลองเส้นโค้งการระบายความร้อนด้วยอากาศของ ANSYS ในตำแหน่งต่างๆ จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิของตัวอย่างในพื้นที่ระบายความร้อนด้วยน้ำลดลงอย่างรวดเร็ว หลังจากผ่านไป 5 วินาที อุณหภูมิจะลดลงต่ำกว่า 100°C และเมื่อห่างจากเส้นแบ่ง 80 มม. อุณหภูมิจะลดลงเหลือประมาณ 210°C ที่ 90 วินาที อุณหภูมิลดลงเฉลี่ย 3.5°C/วินาที หลังจากผ่านไป 90 วินาทีในพื้นที่ระบายความร้อนด้วยอากาศที่ปลายทาง อุณหภูมิจะลดลงเหลือประมาณ 360°C โดยมีอัตราการลดลงเฉลี่ย 1.9°C/วินาที
จากผลการวิเคราะห์ประสิทธิภาพและการจำลอง พบว่าประสิทธิภาพของพื้นที่การระบายความร้อนด้วยน้ำและพื้นที่การชุบแข็งที่ล่าช้าเป็นรูปแบบการเปลี่ยนแปลงที่ลดลงก่อนแล้วจึงเพิ่มขึ้นเล็กน้อย การนำความร้อนทำให้ตัวอย่างในพื้นที่หนึ่งลดลงด้วยอัตราการระบายความร้อนที่น้อยกว่าการระบายความร้อนด้วยน้ำ (3.5°C/s) ซึ่งได้รับผลกระทบจากการระบายความร้อนด้วยน้ำใกล้เส้นแบ่ง เป็นผลให้ Mg2Si ซึ่งแข็งตัวในเมทริกซ์ตกตะกอนในปริมาณมากในพื้นที่นี้ และอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ 210°C หลังจาก 90 วินาที ปริมาณ Mg2Si ที่ตกตะกอนจำนวนมากทำให้การระบายความร้อนด้วยน้ำมีผลน้อยลงหลังจาก 90 วินาที ปริมาณของเฟสเสริมความแข็งแรง Mg2Si ที่ตกตะกอนหลังจากการอบชุบแบบเก่าลดลงอย่างมาก และประสิทธิภาพของตัวอย่างก็ลดลงในเวลาต่อมา อย่างไรก็ตาม โซนการชุบแข็งที่ล่าช้าซึ่งอยู่ห่างจากเส้นแบ่งได้รับผลกระทบน้อยกว่าจากการนำความร้อนจากการระบายความร้อนด้วยน้ำ และโลหะผสมจะเย็นตัวลงค่อนข้างช้าภายใต้สภาวะการระบายความร้อนด้วยอากาศ (อัตราการระบายความร้อน 1.9°C/s) เฟส Mg2Si เพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้นที่ตกตะกอนอย่างช้าๆ และอุณหภูมิจะอยู่ที่ 360C หลังจากผ่านไป 90 วินาที หลังจากการทำให้เย็นลงด้วยน้ำ เฟส Mg2Si ส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในเมทริกซ์ และจะกระจายตัวและตกตะกอนหลังจากการบ่ม ซึ่งมีบทบาทในการเสริมความแข็งแรง
3. บทสรุป
จากการทดลองพบว่าการดับแบบล่าช้าจะทำให้ความแข็งของโซนการดับแบบล่าช้าที่จุดตัดระหว่างการดับแบบปกติและการดับแบบล่าช้าลดลงก่อนแล้วจึงเพิ่มขึ้นเล็กน้อยจนกระทั่งคงที่ในที่สุด
สำหรับโลหะผสมอลูมิเนียม 6061 ความแข็งแรงแรงดึงหลังการดับแบบปกติและการดับแบบล่าช้าเป็นเวลา 90 วินาทีคือ 342MPa และ 288MPa ตามลำดับ และความแข็งแรงผลลัพธ์คือ 315MPa และ 252MPa ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ตรงตามมาตรฐานประสิทธิภาพตัวอย่าง
มีบริเวณที่มีความแข็งต่ำที่สุด ซึ่งลดลงจาก 95HB เหลือ 77HB หลังจากการชุบแข็งแบบปกติ ประสิทธิภาพการทำงานในบริเวณนี้ยังต่ำที่สุดด้วย โดยมีความแข็งแรงในการดึง 271MPa และความแข็งแรงในการยืดหยุ่น 220MPa
จากการวิเคราะห์ของ ANSYS พบว่าอัตราการระบายความร้อนที่จุดประสิทธิภาพต่ำสุดในโซนการดับที่ล่าช้า 90 วินาที ลดลงประมาณ 3.5°C ต่อวินาที ส่งผลให้มีสารละลายของแข็งของเฟส Mg2Si ในเฟสเสริมความแข็งแรงไม่เพียงพอ จากบทความนี้ จะเห็นได้ว่าจุดอันตรายต่อประสิทธิภาพปรากฏในบริเวณการดับที่ล่าช้าที่จุดเชื่อมต่อระหว่างการดับปกติและการดับที่ล่าช้า และไม่ไกลจากจุดเชื่อมต่อ ซึ่งมีความสำคัญในการแนะนำอย่างสมเหตุสมผลสำหรับการรักษาของเสียจากกระบวนการปลายการอัดรีด
เรียบเรียงโดย เมย์ เจียง จาก MAT Aluminum
เวลาโพสต์ : 28 ส.ค. 2567
