อลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061T6 ความหนาของผนังขนาดใหญ่ต้องได้รับการดับหลังจากการอัดขึ้นรูปร้อน เนื่องจากข้อจำกัดของการอัดขึ้นรูปที่ไม่ต่อเนื่อง ส่วนหนึ่งของโปรไฟล์จะเข้าสู่โซนระบายความร้อนด้วยน้ำด้วยความล่าช้า เมื่อแท่งโลหะสั้นถัดไปถูกอัดรีดต่อไป โปรไฟล์ส่วนนี้จะได้รับการชุบแข็งล่าช้า วิธีจัดการกับพื้นที่ดับล่าช้าเป็นปัญหาที่ทุกบริษัทผู้ผลิตต้องพิจารณา เมื่อของเสียจากกระบวนการอัดขึ้นรูปส่วนท้ายสั้น บางครั้งตัวอย่างประสิทธิภาพที่ได้รับก็มีคุณสมบัติเหมาะสมและบางครั้งก็ไม่มีคุณสมบัติเหมาะสม เมื่อสุ่มตัวอย่างใหม่จากด้านข้าง ประสิทธิภาพจะผ่านการรับรองอีกครั้ง บทความนี้ให้คำอธิบายที่เกี่ยวข้องผ่านการทดลอง
1. วัสดุและวิธีการทดสอบ
วัสดุที่ใช้ในการทดลองนี้คืออลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061 องค์ประกอบทางเคมีที่วัดโดยการวิเคราะห์สเปกตรัมมีดังนี้: เป็นไปตามมาตรฐานองค์ประกอบโลหะผสมอลูมิเนียม GB/T 3190-1996 สากล 6061
ในการทดลองนี้ ส่วนหนึ่งของโปรไฟล์ที่ถูกอัดรีดถูกนำมาใช้เพื่อการบำบัดสารละลายที่เป็นของแข็ง โปรไฟล์ยาว 400 มม. แบ่งออกเป็นสองส่วน พื้นที่ 1 ถูกระบายความร้อนด้วยน้ำโดยตรงและดับลง พื้นที่ 2 ถูกระบายความร้อนในอากาศเป็นเวลา 90 วินาที จากนั้นจึงระบายความร้อนด้วยน้ำ แผนภาพการทดสอบแสดงในรูปที่ 1
โปรไฟล์อะลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061 ที่ใช้ในการทดลองนี้ถูกอัดขึ้นรูปด้วยเครื่องอัดรีด 4000UST อุณหภูมิแม่พิมพ์อยู่ที่ 500°C อุณหภูมิแท่งหล่ออยู่ที่ 510°C อุณหภูมิทางออกของการอัดขึ้นรูปอยู่ที่ 525°C ความเร็วในการอัดขึ้นรูปคือ 2.1 มม./วินาที การระบายความร้อนด้วยน้ำความเข้มสูงจะใช้ในระหว่างกระบวนการอัดรีด และขนาด 400 มม. ชิ้นทดสอบความยาวนำมาจากตรงกลางของโปรไฟล์ที่อัดเสร็จแล้ว ความกว้างของตัวอย่างคือ 150 มม. และความสูงคือ 10.00 มม.
ตัวอย่างที่นำมาจะถูกแบ่งส่วนแล้วนำไปบำบัดสารละลายอีกครั้ง อุณหภูมิของสารละลายคือ 530°C และเวลาของสารละลายคือ 4 ชั่วโมง หลังจากนำออกมา ตัวอย่างจะถูกวางในแท้งค์น้ำขนาดใหญ่ที่มีความลึกของน้ำ 100 มม. ถังเก็บน้ำขนาดใหญ่ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุณหภูมิของน้ำในถังเก็บน้ำจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยหลังจากที่ตัวอย่างในโซน 1 ระบายความร้อนด้วยน้ำ เพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิของน้ำที่เพิ่มขึ้นส่งผลต่อความเข้มของการระบายความร้อนของน้ำ ในระหว่างกระบวนการทำความเย็นด้วยน้ำ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุณหภูมิของน้ำอยู่ในช่วง 20-25°C ตัวอย่างที่ถูกระงับมีอายุที่ 165°C*8ชม.
นำส่วนหนึ่งของตัวอย่างยาว 400 มม. กว้าง 30 มม. หนา 10 มม. และทำการทดสอบความแข็งของ Brinell ทำการวัด 5 ครั้งทุกๆ 10 มม. นำค่าเฉลี่ยของความแข็ง 5 บริเนลมาเป็นผลลัพธ์ของความแข็งบริเนล ณ จุดนี้ และสังเกตรูปแบบการเปลี่ยนแปลงความแข็ง
ทดสอบคุณสมบัติทางกลของโปรไฟล์ และควบคุมส่วนขนานแรงดึง 60 มม. ที่ตำแหน่งต่างๆ ของตัวอย่าง 400 มม. เพื่อสังเกตคุณสมบัติแรงดึงและตำแหน่งการแตกหัก
สนามอุณหภูมิของการระบายความร้อนด้วยน้ำของตัวอย่างและการดับหลังจากความล่าช้า 90 วินาทีถูกจำลองผ่านซอฟต์แวร์ ANSYS และวิเคราะห์อัตราการทำความเย็นของโปรไฟล์ที่ตำแหน่งที่แตกต่างกัน
2. ผลการทดลองและการวิเคราะห์
2.1 ผลการทดสอบความแข็ง
รูปที่ 2 แสดงกราฟการเปลี่ยนแปลงความแข็งของตัวอย่างยาว 400 มม. ที่วัดโดยเครื่องทดสอบความแข็ง Brinell (ความยาวหน่วยของ Abscissa เท่ากับ 10 มม. และสเกล 0 คือเส้นแบ่งระหว่างการดับปกติและการดับแบบหน่วงเวลา) พบว่าความแข็งที่ปลายระบายความร้อนด้วยน้ำคงที่อยู่ที่ประมาณ 95HB หลังจากเส้นแบ่งระหว่างการระบายความร้อนด้วยน้ำและการดับน้ำเย็นในยุค 90 ที่ล่าช้า ความแข็งเริ่มลดลง แต่อัตราการลดลงจะช้าในระยะแรก หลังจากผ่านไป 40 มม. (89HB) ความแข็งจะลดลงอย่างรวดเร็ว และลดลงเหลือค่าต่ำสุด (77HB) ที่ 80 มม. หลังจากผ่านไป 80 มม. ความแข็งไม่ได้ลดลงต่อ แต่เพิ่มขึ้นในระดับหนึ่ง เพิ่มขึ้นค่อนข้างน้อย หลังจากผ่านไป 130 มม. ความแข็งยังคงไม่เปลี่ยนแปลงที่ประมาณ 83HB สามารถคาดเดาได้ว่าเนื่องจากผลของการนำความร้อน อัตราการเย็นตัวของชิ้นส่วนการดับที่ล่าช้าจึงเปลี่ยนไป
2.2 ผลการทดสอบประสิทธิภาพและการวิเคราะห์
ตารางที่ 2 แสดงผลการทดลองแรงดึงกับตัวอย่างที่นำมาจากตำแหน่งต่างๆ ของส่วนขนาน พบว่าค่าความต้านทานแรงดึงและค่ากำลังรับของเบอร์ 1 และเบอร์ 2 แทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลย เมื่อสัดส่วนของการชุบแข็งล่าช้าเพิ่มขึ้น ความต้านทานแรงดึงและความแข็งแรงครากของโลหะผสมจึงมีแนวโน้มลดลงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ความต้านทานแรงดึงที่ตำแหน่งเก็บตัวอย่างแต่ละแห่งนั้นสูงกว่าความแข็งแรงมาตรฐาน เฉพาะในพื้นที่ที่มีความแข็งต่ำสุดเท่านั้น ความแข็งแรงของผลผลิตต่ำกว่ามาตรฐานตัวอย่าง ประสิทธิภาพของตัวอย่างไม่มีเงื่อนไข
รูปที่ 4 แสดงผลคุณสมบัติแรงดึงของตัวอย่างหมายเลข 3 โดยจากรูปที่ 4 ยิ่งอยู่ห่างจากเส้นแบ่งมากเท่าใด ความแข็งของปลายชุบที่ล่าช้าก็จะยิ่งต่ำลง ความแข็งที่ลดลงบ่งชี้ว่าประสิทธิภาพของตัวอย่างลดลง แต่ความแข็งลดลงอย่างช้าๆ โดยลดลงจาก 95HB เหลือประมาณ 91HB ที่ส่วนท้ายของส่วนขนานเท่านั้น ดังที่เห็นได้จากผลลัพธ์ประสิทธิภาพในตารางที่ 1 ความต้านทานแรงดึงลดลงจาก 342MPa เป็น 320MPa สำหรับการระบายความร้อนด้วยน้ำ ขณะเดียวกันพบว่าจุดแตกหักของตัวอย่างแรงดึงอยู่ที่ปลายส่วนขนานที่มีความแข็งต่ำสุดด้วย เนื่องจากอยู่ไกลจากการระบายความร้อนด้วยน้ำ ประสิทธิภาพของโลหะผสมจึงลดลง และส่วนปลายถึงขีดจำกัดความต้านทานแรงดึงก่อนจึงจะเกิดการคอลง สุดท้าย แยกจากจุดประสิทธิภาพต่ำสุด และตำแหน่งแบ่งสอดคล้องกับผลการทดสอบประสิทธิภาพ
รูปที่ 5 แสดงกราฟความแข็งของส่วนขนานของตัวอย่างหมายเลข 4 และตำแหน่งการแตกหัก พบว่ายิ่งอยู่ห่างจากเส้นแบ่งการระบายความร้อนด้วยน้ำมากเท่าไร ความแข็งของปลายการดับที่ล่าช้าก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น ในเวลาเดียวกัน ตำแหน่งการแตกหักยังอยู่ที่ส่วนท้ายซึ่งมีความแข็งต่ำสุด คือแตกหักที่ 86HB จากตารางที่ 2 พบว่าแทบไม่มีการเสียรูปพลาสติกที่ปลายระบายความร้อนด้วยน้ำ จากตารางที่ 1 พบว่าประสิทธิภาพของตัวอย่าง (ความต้านทานแรงดึง 298MPa, ผลผลิต 266MPa) ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ความต้านทานแรงดึงเพียง 298MPa ซึ่งไม่ถึงความแข็งแรงครากของปลายระบายความร้อนด้วยน้ำ (315MPa) ส่วนท้ายจะเกิดการคอลงเมื่อมีแรงดันต่ำกว่า 315MPa ก่อนที่จะแตกหัก มีเพียงการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นเท่านั้นที่เกิดขึ้นในพื้นที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ เมื่อความเครียดหายไป ความเครียดที่ปลายระบายความร้อนด้วยน้ำก็หายไป เป็นผลให้ปริมาณการเสียรูปในเขตระบายความร้อนด้วยน้ำในตารางที่ 2 แทบจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลย ตัวอย่างแตกเมื่อสิ้นสุดการยิงด้วยอัตราล่าช้า พื้นที่ที่ผิดรูปจะลดลง และความแข็งของปลายมีค่าต่ำที่สุด ส่งผลให้ผลลัพธ์ด้านประสิทธิภาพลดลงอย่างมาก
เก็บตัวอย่างจากพื้นที่ดับล่าช้า 100% ที่ส่วนท้ายของชิ้นงานขนาด 400 มม. รูปที่ 6 แสดงเส้นโค้งความแข็ง ความแข็งของส่วนขนานลดลงเหลือประมาณ 83-84HB และค่อนข้างเสถียร เนื่องจากกระบวนการเดียวกัน ประสิทธิภาพจึงใกล้เคียงกัน ไม่พบรูปแบบที่ชัดเจนในตำแหน่งแตกหัก ประสิทธิภาพของโลหะผสมต่ำกว่าตัวอย่างที่ดับด้วยน้ำ
เพื่อสำรวจความสม่ำเสมอของประสิทธิภาพและการแตกหักเพิ่มเติม จึงได้เลือกส่วนขนานของชิ้นงานทดสอบแรงดึงใกล้กับจุดความแข็งต่ำสุด (77HB) จากตารางที่ 1 พบว่าประสิทธิภาพลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และจุดแตกหักปรากฏที่จุดความแข็งต่ำสุดในรูปที่ 2
2.3 ผลการวิเคราะห์ ANSYS
รูปที่ 7 แสดงผลการจำลอง ANSYS ของเส้นโค้งการทำความเย็นที่ตำแหน่งต่างๆ จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิของตัวอย่างในพื้นที่ระบายความร้อนด้วยน้ำลดลงอย่างรวดเร็ว หลังจากผ่านไป 5 วินาที อุณหภูมิจะลดลงเหลือต่ำกว่า 100°C และที่ 80 มม. จากเส้นแบ่ง อุณหภูมิจะลดลงเหลือประมาณ 210°C ที่ 90 วินาที อุณหภูมิลดลงเฉลี่ย 3.5°C/s หลังจาก 90 วินาทีในพื้นที่ทำความเย็นอากาศเทอร์มินัล อุณหภูมิจะลดลงเหลือประมาณ 360°C โดยมีอัตราการลดลงเฉลี่ย 1.9°C/s
จากผลการวิเคราะห์ประสิทธิภาพและการจำลอง พบว่าประสิทธิภาพของพื้นที่ระบายความร้อนด้วยน้ำและพื้นที่การดับล่าช้าเป็นรูปแบบการเปลี่ยนแปลงที่ลดลงก่อนแล้วจึงเพิ่มขึ้นเล็กน้อย การนำความร้อนได้รับผลกระทบจากการระบายความร้อนด้วยน้ำใกล้กับเส้นแบ่ง การนำความร้อนทำให้ตัวอย่างในบางพื้นที่ลดลงที่อัตราการทำความเย็นน้อยกว่าอัตราการทำความเย็นด้วยน้ำ (3.5°C/s) ด้วยเหตุนี้ Mg2Si ซึ่งแข็งตัวเข้าไปในเมทริกซ์ จึงตกตะกอนในปริมาณมากในบริเวณนี้ และอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ 210°C หลังจาก 90 วินาที การตกตะกอนของ Mg2Si จำนวนมากทำให้เกิดผลกระทบน้อยลงจากการระบายความร้อนด้วยน้ำหลังจาก 90 วินาที ปริมาณของระยะการเสริมสร้าง Mg2Si ที่ตกตะกอนหลังจากการรักษาความชราลดลงอย่างมาก และประสิทธิภาพของตัวอย่างก็ลดลงในเวลาต่อมา อย่างไรก็ตาม บริเวณการดับที่ล่าช้าซึ่งอยู่ห่างจากเส้นแบ่งจะได้รับผลกระทบน้อยกว่าจากการนำความร้อนในการทำความเย็นด้วยน้ำ และโลหะผสมจะเย็นตัวค่อนข้างช้าภายใต้สภาวะการทำความเย็นด้วยอากาศ (อัตราการทำความเย็น 1.9°C/s) มีเพียงส่วนเล็กๆ ของระยะ Mg2Si เท่านั้นที่ตกตะกอนอย่างช้าๆ และหลังจาก 90 วินาที อุณหภูมิจะอยู่ที่ 360C หลังจากการระบายความร้อนด้วยน้ำ เฟส Mg2Si ส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในเมทริกซ์ และจะกระจายตัวและตกตะกอนหลังจากอายุมากขึ้น ซึ่งมีบทบาทในการเสริมสร้างความเข้มแข็ง
3. บทสรุป
จากการทดลองพบว่าการดับแบบหน่วงเวลาจะทำให้ความแข็งของโซนการดับแบบหน่วงเวลาตรงจุดตัดของการดับแบบปกติและการดับแบบหน่วงเวลาลดลงในขั้นแรกแล้วเพิ่มขึ้นเล็กน้อยจนคงที่ในที่สุด
สำหรับอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061 ค่าความต้านทานแรงดึงหลังการชุบแข็งปกติและการดับล่าช้าเป็นเวลา 90 วินาทีคือ 342MPa และ 288MPa ตามลำดับ และค่าความแข็งแรงของผลผลิตคือ 315MPa และ 252MPa ซึ่งทั้งสองค่าตรงตามมาตรฐานประสิทธิภาพของตัวอย่าง
มีบริเวณที่มีความแข็งต่ำที่สุด ซึ่งจะลดลงจาก 95HB เป็น 77HB หลังจากการดับตามปกติ ประสิทธิภาพที่นี่ก็ต่ำที่สุดเช่นกัน โดยมีความต้านทานแรงดึง 271MPa และความแข็งแรงครากที่ 220MPa
จากการวิเคราะห์ของ ANSYS พบว่าอัตราการทำความเย็นที่จุดประสิทธิภาพต่ำสุดในโซนการดับล่าช้าในยุค 90 ลดลงประมาณ 3.5°C ต่อวินาที ส่งผลให้สารละลายของแข็งไม่เพียงพอของเฟส Mg2Si ที่เสริมความแข็งแกร่ง จากบทความนี้ จะเห็นได้ว่าจุดอันตรายด้านประสิทธิภาพจะปรากฏในพื้นที่การดับล่าช้าที่ทางแยกของการดับปกติและการดับล่าช้า และอยู่ไม่ไกลจากทางแยก ซึ่งมีความสำคัญแนวทางที่สำคัญสำหรับการเก็บรักษาหางอัดขึ้นรูปอย่างเหมาะสม สิ้นสุดกระบวนการเสีย
เรียบเรียงโดย May Jiang จาก MAT Aluminium
เวลาโพสต์: 28 ส.ค.-2024
