โลหะผสมอลูมิเนียม 6063 เป็นโลหะผสมอลูมิเนียมที่ผ่านการอบชุบด้วยความร้อนในกลุ่ม Al-Mg-Si ที่มีปริมาณโลหะผสมต่ำ มีคุณสมบัติในการขึ้นรูปด้วยการอัดรีดที่ยอดเยี่ยม ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี และมีคุณสมบัติเชิงกลที่ครอบคลุม นอกจากนี้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์เนื่องจากมีสีออกซิไดซ์ได้ง่าย ด้วยกระแสของรถยนต์น้ำหนักเบาที่เพิ่มขึ้น การใช้โลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ในการอัดรีดในอุตสาหกรรมยานยนต์จึงเพิ่มขึ้นอีกด้วย
โครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของวัสดุที่อัดขึ้นรูปได้รับผลกระทบจากผลรวมของความเร็วการอัดขึ้นรูป อุณหภูมิการอัดขึ้นรูป และอัตราส่วนการอัดขึ้นรูป อัตราส่วนการอัดขึ้นรูปส่วนใหญ่กำหนดโดยแรงกดการอัดขึ้นรูป ประสิทธิภาพการผลิต และอุปกรณ์การผลิต เมื่ออัตราส่วนการอัดขึ้นรูปมีขนาดเล็ก การเปลี่ยนรูปของโลหะผสมก็จะมีขนาดเล็ก และการปรับโครงสร้างจุลภาคจะไม่ชัดเจน การเพิ่มอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปสามารถทำให้เมล็ดละเอียดขึ้นอย่างมาก ทำลายเฟสที่สองที่หยาบ ได้โครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอ และปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสม
โลหะผสมอลูมิเนียม 6061 และ 6063 จะเกิดการตกผลึกใหม่แบบไดนามิกระหว่างกระบวนการอัดรีด เมื่ออุณหภูมิในการอัดรีดคงที่ เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเพิ่มขึ้น ขนาดเกรนจะลดลง เฟสการเสริมความแข็งแรงจะกระจายตัวอย่างละเอียด และความแข็งแรงในการดึงและการยืดตัวของโลหะผสมจะเพิ่มขึ้นตามลำดับ อย่างไรก็ตาม เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเพิ่มขึ้น แรงอัดรีดที่จำเป็นสำหรับกระบวนการอัดรีดก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ส่งผลให้มีผลกระทบทางความร้อนมากขึ้น ทำให้อุณหภูมิภายในของโลหะผสมสูงขึ้น และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ลดลง การทดลองนี้ศึกษาผลกระทบของอัตราส่วนการอัดรีด โดยเฉพาะอัตราส่วนการอัดรีดขนาดใหญ่ ต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063
1. วัสดุและวิธีการทดลอง
วัสดุที่ใช้ในการทดลองคือโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 และองค์ประกอบทางเคมีแสดงอยู่ในตารางที่ 1 ขนาดเดิมของแท่งโลหะคือ Φ55 มม. × 165 มม. และจะถูกแปรรูปเป็นแท่งโลหะอัดรีดที่มีขนาด Φ50 มม. × 150 มม. หลังจากการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันที่อุณหภูมิ 560 ℃ เป็นเวลา 6 ชั่วโมง แท่งโลหะจะถูกให้ความร้อนถึง 470 ℃ และคงความอบอุ่นไว้ อุณหภูมิอุ่นล่วงหน้าของกระบอกอัดรีดคือ 420 ℃ และอุณหภูมิอุ่นล่วงหน้าของแม่พิมพ์คือ 450 ℃ เมื่อความเร็วการอัดขึ้นรูป (ความเร็วการเคลื่อนที่ของแท่งอัดขึ้นรูป) V=5 มม./วินาที ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง จะมีการทดสอบอัตราส่วนการอัดขึ้นรูป 5 กลุ่มที่แตกต่างกัน และอัตราส่วนการอัดขึ้นรูป R คือ 17 (สอดคล้องกับเส้นผ่านศูนย์กลางรูแม่พิมพ์ D=12 มม.), 25 (D=10 มม.), 39 (D=8 มม.), 69 (D=6 มม.) และ 156 (D=4 มม.)
ตารางที่ 1 องค์ประกอบทางเคมีของโลหะผสม 6063 Al (น้ำหนัก/%)
หลังจากการขัดด้วยกระดาษทรายและการขัดด้วยเครื่องจักร ตัวอย่างโลหะวิทยาจะถูกกัดด้วยรีเอเจนต์ HF ที่มีเศษส่วนปริมาตร 40% เป็นเวลาประมาณ 25 วินาที และโครงสร้างโลหะวิทยาของตัวอย่างจะถูกสังเกตบนกล้องจุลทรรศน์แบบออปติก LEICA-5000 ตัวอย่างการวิเคราะห์พื้นผิวที่มีขนาด 10 มม. × 10 มม. ถูกตัดออกจากศูนย์กลางของส่วนตามยาวของแท่งที่อัดขึ้นรูป และทำการบดและกัดด้วยเครื่องจักรเพื่อขจัดชั้นความเค้นบนพื้นผิว รูปร่างขั้วที่ไม่สมบูรณ์ของระนาบผลึกทั้งสาม {111}, {200} และ {220} ของตัวอย่างจะถูกวัดโดยเครื่องวิเคราะห์การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ X′Pert Pro MRD ของบริษัท PANalytical Company และประมวลผลและวิเคราะห์ข้อมูลพื้นผิวด้วยซอฟต์แวร์ X′Pert Data View และ X′Pert Texture
ตัวอย่างแรงดึงของโลหะผสมหล่อถูกนำมาจากศูนย์กลางของแท่งโลหะ และตัวอย่างแรงดึงถูกตัดตามทิศทางการอัดรีดหลังจากการอัดรีด ขนาดพื้นที่วัดคือ Φ4 มม. × 28 มม. การทดสอบแรงดึงดำเนินการโดยใช้เครื่องทดสอบวัสดุสากล SANS CMT5105 ที่มีอัตราการดึง 2 มม. / นาที ค่าเฉลี่ยของตัวอย่างมาตรฐานทั้งสามชิ้นคำนวณเป็นข้อมูลคุณสมบัติเชิงกล สัณฐานวิทยาการแตกหักของตัวอย่างแรงดึงถูกสังเกตโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดกำลังขยายต่ำ (Quanta 2000, FEI, สหรัฐอเมริกา)
2. ผลลัพธ์และการอภิปราย
รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างจุลภาคทางโลหะวิทยาของโลหะผสมอะลูมิเนียม 6063 ที่หล่อขึ้นก่อนและหลังการบำบัดด้วยการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน ดังแสดงในรูปที่ 1a เมล็ดอัลฟา-อัลในโครงสร้างจุลภาคที่หล่อขึ้นนั้นมีขนาดแตกต่างกัน มีเฟส β-Al9Fe2Si2 แบบเรติคูลาร์จำนวนมากรวมตัวกันที่ขอบเมล็ด และมีเฟส Mg2Si แบบเม็ดจำนวนมากอยู่ภายในเมล็ด หลังจากแท่งโลหะถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันที่อุณหภูมิ 560 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 6 ชั่วโมง เฟสยูเทกติกที่ไม่สมดุลระหว่างเดนไดรต์ของโลหะผสมจะค่อยๆ ละลายลง องค์ประกอบของโลหะผสมละลายเข้าไปในเมทริกซ์ โครงสร้างจุลภาคมีความสม่ำเสมอ และขนาดเมล็ดเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 125 ไมโครเมตร (รูปที่ 1b)
ก่อนการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน
หลังจากการบำบัดแบบสม่ำเสมอที่อุณหภูมิ 600°C เป็นเวลา 6 ชั่วโมง
รูปที่ 1 โครงสร้างโลหะของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ก่อนและหลังการบำบัดด้วยการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน
รูปที่ 2 แสดงลักษณะของแท่งอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 ที่มีอัตราการอัดรีดต่างกัน ตามที่แสดงในรูปที่ 2 คุณภาพพื้นผิวของแท่งอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 ที่ถูกอัดรีดด้วยอัตราการอัดรีดต่างกันนั้นดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออัตราการอัดรีดเพิ่มขึ้นเป็น 156 (สอดคล้องกับความเร็วทางออกของแท่งอัดรีดที่ 48 ม./นาที) ก็ยังคงไม่มีข้อบกพร่องในการอัดรีด เช่น รอยแตกร้าวและการลอกบนพื้นผิวของแท่ง ซึ่งบ่งชี้ว่าแท่งอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 ยังมีประสิทธิภาพการขึ้นรูปด้วยการอัดรีดร้อนที่ดีภายใต้ความเร็วสูงและอัตราการอัดรีดขนาดใหญ่
รูปที่ 2 ลักษณะของแท่งโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ที่มีอัตราการอัดรีดต่างกัน
รูปที่ 3 แสดงโครงสร้างจุลภาคทางโลหะวิทยาของส่วนตามยาวของแท่งโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ที่มีอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปต่างกัน โครงสร้างเกรนของแท่งที่มีอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปต่างกันจะแสดงระดับการยืดตัวหรือความละเอียดที่แตกต่างกัน เมื่ออัตราส่วนการอัดขึ้นรูปอยู่ที่ 17 เกรนดั้งเดิมจะยืดออกตามทิศทางการอัดขึ้นรูป โดยมาพร้อมกับการก่อตัวของเกรนที่ตกผลึกใหม่จำนวนเล็กน้อย แต่เกรนยังคงค่อนข้างหยาบ โดยมีขนาดเกรนเฉลี่ยประมาณ 85 μm (รูปที่ 3a) เมื่ออัตราส่วนการอัดขึ้นรูปอยู่ที่ 25 เกรนจะถูกดึงให้บางลง จำนวนเกรนที่ตกผลึกใหม่จะเพิ่มขึ้น และขนาดเกรนเฉลี่ยจะลดลงเหลือประมาณ 71 μm (รูปที่ 3b) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดอยู่ที่ 39 ยกเว้นเมล็ดที่ผิดรูปจำนวนเล็กน้อย โครงสร้างจุลภาคจะประกอบด้วยเมล็ดที่ตกผลึกใหม่ที่มีแกนเท่ากันและมีขนาดไม่สม่ำเสมอ โดยมีขนาดเมล็ดเฉลี่ยประมาณ 60 μm (รูปที่ 3c) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดอยู่ที่ 69 กระบวนการตกผลึกใหม่แบบไดนามิกจะเสร็จสมบูรณ์โดยพื้นฐานแล้ว เมล็ดหยาบดั้งเดิมจะถูกแปลงเป็นเมล็ดที่ตกผลึกใหม่ที่มีโครงสร้างสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์ และขนาดเมล็ดเฉลี่ยจะถูกทำให้ละเอียดขึ้นเป็นประมาณ 41 μm (รูปที่ 3d) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดอยู่ที่ 156 เมื่อกระบวนการตกผลึกใหม่แบบไดนามิกดำเนินไปอย่างเต็มที่ โครงสร้างจุลภาคจะมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และขนาดเมล็ดจะละเอียดขึ้นอย่างมากเป็นประมาณ 32 μm (รูปที่ 3e) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเพิ่มขึ้น กระบวนการตกผลึกใหม่แบบไดนามิกจะดำเนินไปอย่างสมบูรณ์มากขึ้น โครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมจะมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และขนาดเมล็ดจะละเอียดขึ้นอย่างเห็นได้ชัด (รูปที่ 3f)
รูปที่ 3 โครงสร้างโลหะวิทยาและขนาดเกรนของส่วนตัดตามยาวของแท่งโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ที่มีอัตราการอัดรีดต่างกัน
รูปที่ 4 แสดงรูปขั้วผกผันของแท่งโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ที่มีอัตราส่วนการอัดรีดต่างกันไปตามทิศทางการอัดรีด จะเห็นได้ว่าโครงสร้างจุลภาคของแท่งโลหะผสมที่มีอัตราส่วนการอัดรีดต่างกันทั้งหมดสร้างการวางแนวที่ต้องการอย่างชัดเจน เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดอยู่ที่ 17 จะเกิดพื้นผิว <115>+<100> ที่อ่อนแอกว่า (รูปที่ 4a) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดอยู่ที่ 39 ส่วนประกอบของพื้นผิวจะเป็นพื้นผิว <100> ที่แข็งแรงกว่าเป็นส่วนใหญ่ และพื้นผิว <115> ที่อ่อนแอในปริมาณเล็กน้อย (รูปที่ 4b) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดอยู่ที่ 156 ส่วนประกอบของพื้นผิวจะเป็นพื้นผิว <100> ที่มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่พื้นผิว <115> จะหายไป (รูปที่ 4c) การศึกษาวิจัยแสดงให้เห็นว่าโลหะลูกบาศก์ที่ศูนย์กลางหน้าส่วนใหญ่สร้างพื้นผิวลวด <111> และ <100> ในระหว่างการอัดรีดและการดึง เมื่อพื้นผิวถูกสร้างขึ้นแล้ว คุณสมบัติทางกลที่อุณหภูมิห้องของโลหะผสมจะแสดงลักษณะแอนไอโซทรอปิกที่ชัดเจน ความแข็งแรงของเนื้อสัมผัสจะเพิ่มขึ้นตามอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปที่เพิ่มขึ้น ซึ่งบ่งชี้ว่าจำนวนเกรนในทิศทางผลึกที่แน่นอนขนานกับทิศทางการอัดขึ้นรูปในโลหะผสมจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น และความแข็งแรงแรงดึงตามยาวของโลหะผสมจะเพิ่มขึ้น กลไกการเสริมความแข็งแรงของวัสดุอัดขึ้นรูปร้อนของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ได้แก่ การเสริมความแข็งแรงของเกรนละเอียด การเสริมความแข็งแรงจากการเคลื่อนตัว การเสริมความแข็งแรงของเนื้อสัมผัส เป็นต้น ภายในช่วงของพารามิเตอร์กระบวนการที่ใช้ในการศึกษาเชิงทดลองนี้ การเพิ่มอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปจะมีผลส่งเสริมกลไกการเสริมความแข็งแรงที่กล่าวถึงข้างต้น
รูปที่ 4 แผนภาพขั้วย้อนกลับของแท่งโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ที่มีอัตราส่วนการอัดรีดต่างกันตามทิศทางการอัดรีด
รูปที่ 5 เป็นฮิสโทแกรมแสดงคุณสมบัติแรงดึงของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 หลังจากการเสียรูปในอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปที่แตกต่างกัน ความแข็งแรงแรงดึงของโลหะผสมหล่ออยู่ที่ 170 MPa และการยืดตัวอยู่ที่ 10.4% ความแข็งแรงแรงดึงและการยืดตัวของโลหะผสมหลังการอัดขึ้นรูปได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และความแข็งแรงแรงดึงและการยืดตัวเพิ่มขึ้นทีละน้อยตามอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปที่เพิ่มขึ้น เมื่ออัตราส่วนการอัดขึ้นรูปอยู่ที่ 156 ความแข็งแรงแรงดึงและการยืดตัวของโลหะผสมจะถึงค่าสูงสุดซึ่งอยู่ที่ 228 MPa และ 26.9% ตามลำดับ ซึ่งสูงกว่าความแข็งแรงแรงดึงของโลหะผสมหล่อประมาณ 34% และสูงกว่าการยืดตัวประมาณ 158% ความแข็งแรงในการดึงของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ที่ได้จากอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปขนาดใหญ่ใกล้เคียงกับค่าความแข็งแรงในการดึง (240 MPa) ที่ได้จากการอัดขึ้นรูปเชิงมุมช่องเท่ากัน 4 รอบ (ECAP) ซึ่งสูงกว่าค่าความแข็งแรงในการดึง (171.1 MPa) ที่ได้จากการอัดขึ้นรูป ECAP 1 รอบของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 มาก จะเห็นได้ว่าอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปขนาดใหญ่สามารถปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสมได้ในระดับหนึ่ง
การปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสมด้วยอัตราการอัดรีดนั้นส่วนใหญ่มาจากการทำให้เกรนละเอียดขึ้นและแข็งแรงขึ้น เมื่ออัตราการอัดรีดเพิ่มขึ้น เกรนก็จะละเอียดขึ้นและความหนาแน่นของการเคลื่อนตัวจะเพิ่มขึ้น ขอบเกรนที่มากขึ้นต่อหน่วยพื้นที่สามารถขัดขวางการเคลื่อนตัวของการเคลื่อนตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ร่วมกับการเคลื่อนตัวและการพันกันของการเคลื่อนตัวร่วมกัน จึงทำให้ความแข็งแรงของโลหะผสมดีขึ้น ยิ่งเกรนละเอียด ขอบเกรนก็จะยิ่งคดเคี้ยวมากขึ้น และการเปลี่ยนรูปพลาสติกสามารถกระจายไปในเกรนได้มากขึ้น ซึ่งไม่เอื้อต่อการเกิดรอยแตกร้าว ไม่ต้องพูดถึงการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว สามารถดูดซับพลังงานได้มากขึ้นในระหว่างกระบวนการแตกหัก จึงปรับปรุงความเป็นพลาสติกของโลหะผสม
รูปที่ 5 สมบัติแรงดึงของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 หลังจากการหล่อและการอัดขึ้นรูป
รูปที่ 6 แสดงลักษณะการแตกแบบดึงของโลหะผสมหลังจากการเปลี่ยนรูปด้วยอัตราส่วนการอัดรีดที่แตกต่างกัน ไม่พบรอยบุ๋มในลักษณะการแตกของตัวอย่างหล่อจริง (รูปที่ 6a) และรอยบุ๋มประกอบด้วยพื้นที่แบนและขอบฉีกขาดเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งบ่งชี้ว่ากลไกการแตกแบบดึงของโลหะผสมหล่อจริงส่วนใหญ่เป็นการแตกแบบเปราะ ลักษณะของรอยบุ๋มของโลหะผสมหลังการอัดรีดมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ และรอยบุ๋มประกอบด้วยรอยบุ๋มที่มีแกนเท่ากันจำนวนมาก ซึ่งบ่งชี้ว่ากลไกการแตกของโลหะผสมหลังการอัดรีดเปลี่ยนจากการแตกแบบเปราะเป็นการแตกแบบเหนียว เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดมีขนาดเล็ก รอยบุ๋มจะตื้นและขนาดรอยบุ๋มจะใหญ่ และการกระจายจะไม่สม่ำเสมอ เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเพิ่มขึ้น จำนวนรอยบุ๋มจะเพิ่มขึ้น ขนาดรอยบุ๋มจะเล็กลง และการกระจายจะสม่ำเสมอ (รูปที่ 6b~f) ซึ่งหมายความว่าโลหะผสมมีพลาสติกที่ดีกว่า ซึ่งสอดคล้องกับผลการทดสอบคุณสมบัติเชิงกลข้างต้น
3 บทสรุป
ในการทดลองนี้ ผลกระทบของอัตราการอัดรีดที่แตกต่างกันต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ได้รับการวิเคราะห์ภายใต้เงื่อนไขที่ขนาดแท่งโลหะ อุณหภูมิการให้ความร้อนของแท่งโลหะ และความเร็วในการอัดรีดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ข้อสรุปมีดังต่อไปนี้:
1) การตกผลึกใหม่แบบไดนามิกเกิดขึ้นในโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ในระหว่างการอัดรีดแบบร้อน เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเพิ่มขึ้น เมล็ดพืชจะได้รับการกลั่นอย่างต่อเนื่อง และเมล็ดพืชที่ยืดออกตามทิศทางการอัดรีดจะถูกแปลงเป็นเมล็ดพืชที่ตกผลึกใหม่ที่มีแกนเท่ากัน และความแข็งแรงของพื้นผิวลวด <100> จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง
2) เนื่องจากผลของการเสริมความแข็งแรงด้วยเมล็ดละเอียด คุณสมบัติทางกลของโลหะผสมจึงได้รับการปรับปรุงด้วยอัตราส่วนการอัดรีดที่เพิ่มขึ้น ภายในช่วงพารามิเตอร์การทดสอบ เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดอยู่ที่ 156 ความแข็งแรงแรงดึงและการยืดตัวของโลหะผสมจะถึงค่าสูงสุดที่ 228 MPa และ 26.9% ตามลำดับ
รูปที่ 6 สัณฐานวิทยาการแตกหักจากแรงดึงของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 หลังจากการหล่อและการอัดรีด
3) สัณฐานของรอยแตกของชิ้นงานหล่อประกอบด้วยพื้นที่แบนและขอบฉีกขาด หลังจากการอัดขึ้นรูป รอยแตกจะประกอบด้วยรอยบุ๋มที่มีแกนเท่ากันจำนวนมาก และกลไกการแตกหักจะเปลี่ยนจากรอยแตกแบบเปราะเป็นรอยแตกแบบเหนียว
เวลาโพสต์: 30 พ.ย. 2567
