อะลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061T6 ที่มีผนังหนามากจำเป็นต้องได้รับการชุบแข็งหลังจากการอัดรีดร้อน เนื่องจากข้อจำกัดของการอัดรีดแบบไม่ต่อเนื่อง ส่วนหนึ่งของโปรไฟล์จะเข้าสู่โซนระบายความร้อนด้วยน้ำด้วยความล่าช้า เมื่อแท่งโลหะที่สั้นกว่าถูกอัดรีดต่อไป ส่วนของโปรไฟล์นี้จะเข้าสู่โซนการชุบแข็งแบบล่าช้า วิธีการจัดการกับพื้นที่การชุบแข็งแบบล่าช้าเป็นปัญหาที่ผู้ผลิตทุกรายต้องพิจารณา เมื่อของเสียจากกระบวนการรีดปลายส่วนท้ายมีจำนวนน้อย ตัวอย่างประสิทธิภาพที่นำมาบางครั้งก็ผ่านการตรวจสอบคุณภาพและบางครั้งก็ไม่ผ่านการตรวจสอบคุณภาพ เมื่อทำการสุ่มตัวอย่างใหม่จากด้านข้าง ประสิทธิภาพจะผ่านการตรวจสอบคุณภาพอีกครั้ง บทความนี้ให้คำอธิบายที่เกี่ยวข้องผ่านการทดลอง
1. วัสดุและวิธีการทดสอบ
วัสดุที่ใช้ในการทดลองนี้คือโลหะผสมอลูมิเนียม 6061 องค์ประกอบทางเคมีที่วัดโดยการวิเคราะห์สเปกตรัมมีดังนี้: สอดคล้องกับมาตรฐานองค์ประกอบโลหะผสมอลูมิเนียม 6061 สากล GB/T 3190-1996
ในการทดลองนี้ ได้มีการนำส่วนหนึ่งของโปรไฟล์ที่อัดขึ้นรูปมาทำการบำบัดด้วยสารละลายแข็ง โปรไฟล์ยาว 400 มม. ถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน ส่วนแรกถูกทำให้เย็นลงด้วยน้ำโดยตรงและดับความร้อน ส่วนที่สองถูกทำให้เย็นลงในอากาศเป็นเวลา 90 วินาที แล้วจึงทำให้เย็นลงด้วยน้ำ แผนภาพการทดสอบแสดงในรูปที่ 1
โปรไฟล์อลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061 ที่ใช้ในการทดลองนี้ถูกอัดรีดด้วยเครื่องอัดรีด 4000UST อุณหภูมิแม่พิมพ์อยู่ที่ 500°C อุณหภูมิแท่งหล่ออยู่ที่ 510°C อุณหภูมิทางออกของชิ้นงานอัดรีดอยู่ที่ 525°C ความเร็วในการอัดรีดอยู่ที่ 2.1 มม./วินาที มีการใช้ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำความเข้มสูงในระหว่างกระบวนการอัดรีด และนำชิ้นงานทดสอบความยาว 400 มม. ออกมาจากกึ่งกลางของโปรไฟล์สำเร็จรูปที่อัดรีดแล้ว ความกว้างของตัวอย่างคือ 150 มม. และความสูงคือ 10.00 มม.
ตัวอย่างที่นำมาแบ่งส่วนแล้วนำไปผ่านกระบวนการบำบัดด้วยสารละลายอีกครั้ง อุณหภูมิของสารละลายอยู่ที่ 530°C และใช้เวลาในการบำบัด 4 ชั่วโมง หลังจากนำตัวอย่างออกมาแล้ว ให้นำตัวอย่างไปใส่ในถังน้ำขนาดใหญ่ที่มีความลึก 100 มม. ถังน้ำขนาดใหญ่ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุณหภูมิของน้ำในถังน้ำจะเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยหลังจากตัวอย่างในโซน 1 ได้รับการระบายความร้อนด้วยน้ำ ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้อุณหภูมิของน้ำที่เพิ่มขึ้นส่งผลกระทบต่อความเข้มข้นของการระบายความร้อนด้วยน้ำ ในระหว่างกระบวนการระบายความร้อนด้วยน้ำ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุณหภูมิของน้ำอยู่ในช่วง 20-25°C ตัวอย่างที่ผ่านการดับความร้อนแล้วจะถูกบ่มที่อุณหภูมิ 165°C*8 ชั่วโมง
นำชิ้นส่วนของตัวอย่างขนาดยาว 400 มม. กว้าง 30 มม. หนา 10 มม. มาทำการทดสอบความแข็งแบบบริเนลล์ โดยวัด 5 ครั้งทุกๆ 10 มม. นำค่าเฉลี่ยของค่าความแข็งแบบบริเนลล์ 5 ค่ามาคำนวณเป็นค่าความแข็งแบบบริเนลล์ ณ จุดนี้ แล้วสังเกตรูปแบบการเปลี่ยนแปลงของความแข็ง
ทดสอบคุณสมบัติเชิงกลของโปรไฟล์ และควบคุมส่วนขนานแรงดึง 60 มม. ในตำแหน่งต่างๆ ของตัวอย่าง 400 มม. เพื่อสังเกตคุณสมบัติแรงดึงและตำแหน่งของรอยแตก
มีการจำลองฟิลด์อุณหภูมิของการดับตัวอย่างที่ระบายความร้อนด้วยน้ำและการดับหลังจากการหน่วงเวลา 90 วินาทีโดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS และมีการวิเคราะห์อัตราการเย็นตัวของโปรไฟล์ที่ตำแหน่งต่างๆ
2. ผลการทดลองและการวิเคราะห์
2.1 ผลการทดสอบความแข็ง
รูปที่ 2 แสดงเส้นโค้งการเปลี่ยนแปลงความแข็งของชิ้นงานขนาด 400 มม. ที่วัดโดยเครื่องทดสอบความแข็ง Brinell (ความยาวหน่วยของแกนนอนมีค่าเท่ากับ 10 มม. และสเกล 0 คือเส้นแบ่งระหว่างการชุบแข็งแบบปกติและการชุบแข็งแบบหน่วงเวลา) พบว่าความแข็งที่ปลายหล่อเย็นด้วยน้ำมีเสถียรภาพที่ประมาณ 95HB หลังจากเส้นแบ่งระหว่างการชุบแข็งแบบหล่อเย็นด้วยน้ำและการชุบแข็งแบบหน่วงเวลา 90 วินาที ความแข็งจะเริ่มลดลง แต่อัตราการลดลงจะช้าในช่วงต้น หลังจาก 40 มม. (89HB) ความแข็งจะลดลงอย่างรวดเร็ว และลดลงเหลือค่าต่ำสุด (77HB) ที่ 80 มม. หลังจาก 80 มม. ความแข็งไม่ได้ลดลงอย่างต่อเนื่อง แต่เพิ่มขึ้นในระดับหนึ่ง ซึ่งการเพิ่มขึ้นค่อนข้างน้อย หลังจาก 130 มม. ความแข็งยังคงไม่เปลี่ยนแปลงที่ประมาณ 83HB อาจคาดเดาได้ว่าเนื่องมาจากผลของการนำความร้อน อัตราการทำความเย็นของชิ้นส่วนการดับที่ล่าช้าจึงเปลี่ยนไป
2.2 ผลการทดสอบประสิทธิภาพและการวิเคราะห์
ตารางที่ 2 แสดงผลการทดสอบแรงดึงของตัวอย่างที่นำมาจากตำแหน่งต่างๆ ของส่วนขนาน พบว่าค่าความต้านทานแรงดึงและค่าความแข็งแรงครากของโลหะผสมหมายเลข 1 และ 2 แทบไม่มีการเปลี่ยนแปลง เมื่อสัดส่วนของปลายชุบแข็งแบบหน่วงเวลาเพิ่มขึ้น ค่าความต้านทานแรงดึงและค่าความแข็งแรงครากของโลหะผสมมีแนวโน้มลดลงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ค่าความต้านทานแรงดึงที่จุดเก็บตัวอย่างแต่ละจุดสูงกว่าค่าความแข็งแรงมาตรฐาน เฉพาะในบริเวณที่มีความแข็งต่ำที่สุด ค่าความแข็งแรงครากจะต่ำกว่าค่ามาตรฐานของตัวอย่างเท่านั้น ประสิทธิภาพของตัวอย่างจึงยังไม่ผ่านเกณฑ์
รูปที่ 4 แสดงผลการทดสอบคุณสมบัติแรงดึงของตัวอย่างที่ 3 จากรูปที่ 4 พบว่ายิ่งห่างจากเส้นแบ่งมากเท่าไหร่ ความแข็งของปลายชุบแข็งแบบหน่วงเวลาก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น การลดลงของความแข็งบ่งชี้ว่าประสิทธิภาพของตัวอย่างลดลง แต่ความแข็งจะลดลงอย่างช้าๆ โดยลดลงจาก 95HB เหลือประมาณ 91HB ที่ปลายของส่วนขนาน จากผลการทดสอบประสิทธิภาพในตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าความต้านทานแรงดึงลดลงจาก 342MPa เหลือ 320MPa สำหรับการหล่อเย็นด้วยน้ำ ในขณะเดียวกัน พบว่าจุดแตกหักของตัวอย่างแรงดึงอยู่ที่ปลายของส่วนขนานที่มีความแข็งต่ำที่สุด เนื่องจากอยู่ห่างจากส่วนหล่อเย็นด้วยน้ำมาก ประสิทธิภาพของโลหะผสมจึงลดลง และปลายจะถึงขีดจำกัดความต้านทานแรงดึงก่อนจึงเกิดการยุบตัวลง สุดท้าย จุดแตกหักจากจุดต่ำสุดของประสิทธิภาพ และตำแหน่งการแตกหักสอดคล้องกับผลการทดสอบประสิทธิภาพ
รูปที่ 5 แสดงเส้นโค้งความแข็งของส่วนขนานของตัวอย่างที่ 4 และตำแหน่งการแตกหัก พบว่ายิ่งอยู่ห่างจากเส้นแบ่งการหล่อเย็นด้วยน้ำมากเท่าใด ความแข็งของปลายชุบแข็งแบบหน่วงเวลาก็จะยิ่งลดลง ในขณะเดียวกัน ตำแหน่งการแตกหักก็อยู่ที่ปลายที่มีความแข็งต่ำที่สุด คือ 86HB จากตารางที่ 2 พบว่าแทบไม่มีการเสียรูปพลาสติกที่ปลายหล่อเย็นด้วยน้ำ จากตารางที่ 1 พบว่าประสิทธิภาพของตัวอย่าง (ความต้านทานแรงดึง 298MPa, คราก 266MPa) ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ความต้านทานแรงดึงอยู่ที่ 298MPa ซึ่งไม่ถึงความแข็งแรงครากของปลายหล่อเย็นด้วยน้ำ (315MPa) ปลายจะเกิดการคอดลงเมื่อต่ำกว่า 315MPa ก่อนการแตกหัก มีเพียงการเสียรูปยืดหยุ่นเกิดขึ้นในพื้นที่หล่อเย็นด้วยน้ำ เมื่อความเค้นหายไป ความเครียดที่ปลายหล่อเย็นด้วยน้ำก็หายไป ส่งผลให้ปริมาณการเสียรูปในโซนระบายความร้อนด้วยน้ำในตารางที่ 2 แทบไม่มีการเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างจะแตกเมื่อสิ้นสุดอัตราการเกิดเพลิงไหม้ที่ล่าช้า พื้นที่ที่เสียรูปจะลดลง และความแข็งของปลายจะต่ำที่สุด ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างมีนัยสำคัญ
เก็บตัวอย่างจากบริเวณชุบแข็งที่ล่าช้า 100% ที่ปลายชิ้นงานขนาด 400 มม. รูปที่ 6 แสดงกราฟความแข็ง ความแข็งของส่วนขนานลดลงเหลือประมาณ 83-84HB และค่อนข้างเสถียร เนื่องจากกระบวนการเดียวกัน ประสิทธิภาพจึงใกล้เคียงกัน ไม่พบรูปแบบที่ชัดเจนในตำแหน่งการแตกหัก ประสิทธิภาพของโลหะผสมต่ำกว่าชิ้นงานที่ชุบแข็งด้วยน้ำ
เพื่อศึกษาความสม่ำเสมอของสมรรถนะและการแตกหักเพิ่มเติม จึงเลือกส่วนขนานของชิ้นงานดึงที่ใกล้กับจุดแข็งต่ำสุด (77HB) จากตารางที่ 1 พบว่าสมรรถนะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และจุดแตกหักปรากฏที่จุดแข็งต่ำสุดในรูปที่ 2
2.3 ผลการวิเคราะห์ ANSYS
รูปที่ 7 แสดงผลการจำลองเส้นโค้งการทำความเย็นด้วย ANSYS ณ ตำแหน่งต่างๆ จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิของตัวอย่างในบริเวณที่ทำการระบายความร้อนด้วยน้ำลดลงอย่างรวดเร็ว หลังจากผ่านไป 5 วินาที อุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 100°C และที่ระยะ 80 มม. จากเส้นแบ่ง อุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ 210°C ที่ 90 วินาที อุณหภูมิลดลงเฉลี่ย 3.5°C/วินาที หลังจากผ่านไป 90 วินาที ในบริเวณที่ทำการระบายความร้อนด้วยอากาศส่วนปลาย อุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ 360°C โดยมีอัตราการลดลงเฉลี่ย 1.9°C/วินาที
จากผลการวิเคราะห์ประสิทธิภาพและการจำลอง พบว่าประสิทธิภาพของพื้นที่หล่อเย็นด้วยน้ำและพื้นที่ชุบแข็งแบบหน่วงเวลาเป็นรูปแบบการเปลี่ยนแปลงที่ลดลงก่อนแล้วจึงเพิ่มขึ้นเล็กน้อย การนำความร้อนจากน้ำหล่อเย็นบริเวณใกล้เส้นแบ่งได้รับผลกระทบจากการนำความร้อน ทำให้ตัวอย่างในพื้นที่หนึ่งลดลงในอัตราที่น้อยกว่าการนำความร้อนจากน้ำหล่อเย็น (3.5°C/s) ส่งผลให้ Mg2Si ซึ่งแข็งตัวในเมทริกซ์ตกตะกอนในปริมาณมากในพื้นที่นี้ และอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ 210°C หลังจาก 90 วินาที ปริมาณ Mg2Si ที่ตกตะกอนจำนวนมากทำให้ผลของการหล่อเย็นด้วยน้ำลดลงหลังจาก 90 วินาที ปริมาณเฟสเสริมความแข็งแรงของ Mg2Si ที่ตกตะกอนหลังจากการบ่มลดลงอย่างมาก และประสิทธิภาพของตัวอย่างก็ลดลงในเวลาต่อมา อย่างไรก็ตาม พื้นที่ชุบแข็งแบบหน่วงเวลาซึ่งอยู่ห่างจากเส้นแบ่งได้รับผลกระทบจากการนำความร้อนจากน้ำหล่อเย็นน้อยกว่า และโลหะผสมจะเย็นตัวลงค่อนข้างช้าภายใต้สภาวะการหล่อเย็นด้วยอากาศ (อัตราการเย็นตัว 1.9°C/s) เฟส Mg2Si เพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้นที่ตกตะกอนอย่างช้าๆ และอุณหภูมิจะอยู่ที่ 360 องศาเซลเซียสหลังจากผ่านไป 90 วินาที หลังจากการทำให้เย็นตัวด้วยน้ำ เฟส Mg2Si ส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในเมทริกซ์ และจะกระจายตัวและตกตะกอนหลังจากบ่ม ซึ่งมีบทบาทในการเสริมความแข็งแรง
3. บทสรุป
จากการทดลองพบว่าการดับแบบล่าช้าจะทำให้ความแข็งของโซนการดับแบบล่าช้าที่จุดตัดระหว่างการดับแบบปกติและการดับแบบล่าช้าลดลงก่อนแล้วจึงเพิ่มขึ้นเล็กน้อยจนกระทั่งคงที่ในที่สุด
สำหรับโลหะผสมอลูมิเนียม 6061 ความแข็งแรงแรงดึงหลังการดับแบบปกติและการดับแบบล่าช้าเป็นเวลา 90 วินาทีคือ 342MPa และ 288MPa ตามลำดับ และความแข็งแรงจุดยืดหยุ่นคือ 315MPa และ 252MPa ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ตรงตามมาตรฐานประสิทธิภาพของตัวอย่าง
มีบริเวณที่มีความแข็งต่ำที่สุด ซึ่งลดลงจาก 95HB เหลือ 77HB หลังจากการชุบแข็งตามปกติ สมรรถนะในบริเวณนี้ก็ต่ำที่สุดเช่นกัน โดยมีความแข็งแรงดึง 271MPa และความแข็งแรงคราก 220MPa
จากการวิเคราะห์ ANSYS พบว่าอัตราการเย็นตัวที่จุดประสิทธิภาพต่ำสุดในโซนการชุบแข็งแบบหน่วงเวลา 90 วินาที ลดลงประมาณ 3.5°C ต่อวินาที ส่งผลให้มีสารละลายของแข็งของเฟส Mg2Si ของเฟสเสริมความแข็งแรงไม่เพียงพอ บทความนี้จะเห็นว่าจุดอันตรายต่อประสิทธิภาพปรากฏที่บริเวณการชุบแข็งแบบหน่วงเวลา ณ จุดเชื่อมต่อระหว่างการชุบแข็งแบบปกติและการชุบแข็งแบบหน่วงเวลา และอยู่ไม่ไกลจากจุดเชื่อมต่อ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อแนวทางในการกักเก็บเศษวัสดุจากกระบวนการรีดขึ้นรูป
แก้ไขโดย May Jiang จาก MAT Aluminum
เวลาโพสต์: 28 ส.ค. 2567
