โลหะผสมอลูมิเนียม 6063 จัดอยู่ในกลุ่มโลหะผสมอลูมิเนียมอัลลอยด์ต่ำที่สามารถอบชุบด้วยความร้อนได้ มีประสิทธิภาพการขึ้นรูปด้วยกระบวนการรีดขึ้นรูปที่ดีเยี่ยม ทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี และมีคุณสมบัติเชิงกลที่ครอบคลุม นอกจากนี้ยังนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์เนื่องจากสามารถเปลี่ยนสีได้ง่าย ด้วยกระแสความนิยมของรถยนต์น้ำหนักเบาที่เพิ่มขึ้น การนำวัสดุอัดขึ้นรูปโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 มาใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์จึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง
โครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของวัสดุอัดรีดได้รับผลกระทบจากผลรวมของความเร็วในการอัดรีด อุณหภูมิการอัดรีด และอัตราส่วนการอัดรีด อัตราส่วนการอัดรีดส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยแรงดันในการอัดรีด ประสิทธิภาพการผลิต และอุปกรณ์การผลิต เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดต่ำ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโลหะผสมจะต่ำ และไม่สามารถเห็นโครงสร้างจุลภาคที่ละเอียดได้ชัดเจน การเพิ่มอัตราส่วนการอัดรีดสามารถกลั่นเกรนได้อย่างมีนัยสำคัญ สลายเฟสที่สองที่หยาบ ให้โครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอ และปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสม
โลหะผสมอลูมิเนียม 6061 และ 6063 จะมีการตกผลึกใหม่แบบไดนามิกในระหว่างกระบวนการอัดรีด เมื่ออุณหภูมิในการอัดรีดคงที่ เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเพิ่มขึ้น ขนาดเกรนจะลดลง เฟสเสริมความแข็งแรงจะกระจายตัวอย่างละเอียด และความแข็งแรงดึงและการยืดตัวของโลหะผสมจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย อย่างไรก็ตาม เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเพิ่มขึ้น แรงอัดรีดที่จำเป็นสำหรับกระบวนการอัดรีดก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ทำให้เกิดผลกระทบทางความร้อนมากขึ้น ทำให้อุณหภูมิภายในของโลหะผสมสูงขึ้น และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ลดลง การทดลองนี้ศึกษาผลของอัตราส่วนการอัดรีด โดยเฉพาะอย่างยิ่งอัตราส่วนการอัดรีดขนาดใหญ่ ต่อโครงสร้างจุลภาคและสมบัติเชิงกลของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063
1. วัสดุและวิธีการทดลอง
วัสดุที่ใช้ในการทดลองคืออลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 และองค์ประกอบทางเคมีแสดงไว้ในตารางที่ 1 ขนาดแท่งโลหะเริ่มต้นคือ Φ55 มม. × 165 มม. และถูกนำไปแปรรูปเป็นแท่งโลหะอัดรีดขนาด Φ50 มม. × 150 มม. หลังจากการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันที่อุณหภูมิ 560 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 6 ชั่วโมง แท่งโลหะถูกทำให้ร้อนถึง 470 องศาเซลเซียสและคงความร้อนไว้ อุณหภูมิอุ่นถังอัดรีดอยู่ที่ 420 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิอุ่นแม่พิมพ์อยู่ที่ 450 องศาเซลเซียส เมื่อความเร็วในการอัด (ความเร็วในการเคลื่อนที่ของแท่งอัด) V=5 มม./วินาที ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง จะมีการทดสอบอัตราส่วนการอัด 5 กลุ่มที่แตกต่างกัน และอัตราส่วนการอัด 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 (wt/%)
หลังจากการขัดด้วยกระดาษทรายและการขัดด้วยเครื่องจักร ตัวอย่างโลหะวิทยาจะถูกกัดด้วยรีเอเจนต์ HF ที่มีเศษส่วนปริมาตร 40% เป็นเวลาประมาณ 25 วินาที และโครงสร้างโลหะวิทยาของตัวอย่างถูกสังเกตบนกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัล LEICA-5000 ตัวอย่างการวิเคราะห์พื้นผิวขนาด 10 มม. x 10 มม. ถูกตัดออกจากศูนย์กลางของส่วนตัดตามยาวของแท่งที่อัดขึ้นรูป จากนั้นทำการเจียรและกัดด้วยเครื่องจักรเพื่อขจัดชั้นความเค้นบนพื้นผิว ตัวเลขขั้วที่ไม่สมบูรณ์ของระนาบผลึกทั้งสาม {111}, {200} และ {220} ของตัวอย่างถูกวัดโดยเครื่องวิเคราะห์การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ X′Pert Pro MRD ของบริษัท PANalytical Company และประมวลผลและวิเคราะห์ข้อมูลพื้นผิวด้วยซอฟต์แวร์ X′Pert Data View และ X′Pert Texture
ตัวอย่างแรงดึงของโลหะผสมหล่อถูกนำมาจากจุดศูนย์กลางของแท่งโลหะ และตัดตัวอย่างแรงดึงตามทิศทางการอัดรีดหลังจากการอัดรีด ขนาดพื้นที่วัดคือ Φ4 มม. × 28 มม. การทดสอบแรงดึงดำเนินการโดยใช้เครื่องทดสอบวัสดุอเนกประสงค์ SANS CMT5105 ที่มีอัตราการดึง 2 มม./นาที ค่าเฉลี่ยของตัวอย่างมาตรฐานทั้งสามชิ้นถูกคำนวณเป็นข้อมูลสมบัติเชิงกล สัณฐานวิทยาการแตกหักของตัวอย่างแรงดึงถูกสังเกตโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดกำลังขยายต่ำ (Quanta 2000, FEI, สหรัฐอเมริกา)
2. ผลลัพธ์และการอภิปราย
รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างจุลภาคทางโลหะวิทยาของโลหะผสมอะลูมิเนียม 6063 แบบหล่อก่อนและหลังการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน ดังแสดงในรูปที่ 1a เกรน α-Al ในโครงสร้างจุลภาคแบบหล่อมีขนาดแตกต่างกัน มีเฟส β-Al9Fe2Si2 แบบเรติคูลาร์จำนวนมากรวมตัวกันที่ขอบเกรน และมีเฟส Mg2Si แบบเม็ดจำนวนมากอยู่ภายในเกรน หลังจากทำให้แท่งโลหะเป็นเนื้อเดียวกันที่อุณหภูมิ 560 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 6 ชั่วโมง เฟสยูเทคติกที่ไม่สมดุลระหว่างเดนไดรต์ของโลหะผสมจะค่อยๆ ละลาย ธาตุโลหะผสมละลายเข้าไปในเมทริกซ์ โครงสร้างจุลภาคมีความสม่ำเสมอ และขนาดเกรนเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 125 ไมโครเมตร (รูปที่ 1b)
ก่อนการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน
หลังจากการบำบัดแบบสม่ำเสมอที่อุณหภูมิ 600°C เป็นเวลา 6 ชั่วโมง
รูปที่ 1 โครงสร้างโลหะของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ก่อนและหลังการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน
รูปที่ 2 แสดงลักษณะของแท่งอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 ที่มีอัตราการอัดรีดที่แตกต่างกัน ดังแสดงในรูปที่ 2 คุณภาพพื้นผิวของแท่งอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 ที่ถูกอัดรีดด้วยอัตราการอัดรีดที่แตกต่างกันนั้นดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเพิ่มอัตราการอัดรีดเป็น 156 (สอดคล้องกับความเร็วการรีดของแท่งที่ 48 เมตร/นาที) ก็ยังคงไม่พบข้อบกพร่องจากการอัดรีด เช่น รอยแตกและการลอกบนพื้นผิวของแท่ง ซึ่งบ่งชี้ว่าแท่งอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 ยังมีประสิทธิภาพการขึ้นรูปด้วยการอัดรีดร้อนที่ดีภายใต้ความเร็วสูงและอัตราการอัดรีดขนาดใหญ่
รูปที่ 2 ลักษณะของแท่งอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 ที่มีอัตราการอัดรีดต่างกัน
รูปที่ 3 แสดงโครงสร้างจุลภาคทางโลหะวิทยาของส่วนตัดตามยาวของแท่งอะลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 ที่มีอัตราส่วนการอัดรีดต่างกัน โครงสร้างเกรนของแท่งอะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีอัตราส่วนการอัดรีดต่างกันจะแสดงระดับการยืดตัวหรือความละเอียดที่แตกต่างกัน เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเท่ากับ 17 เกรนเดิมจะยืดออกตามทิศทางการอัดรีด พร้อมกับการเกิดเกรนตกผลึกใหม่จำนวนเล็กน้อย แต่เกรนยังคงค่อนข้างหยาบ โดยมีขนาดเกรนเฉลี่ยประมาณ 85 ไมโครเมตร (รูปที่ 3a) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเท่ากับ 25 เกรนจะถูกดึงให้เรียวขึ้น จำนวนเกรนตกผลึกใหม่จะเพิ่มขึ้น และขนาดเกรนเฉลี่ยจะลดลงเหลือประมาณ 71 ไมโครเมตร (รูปที่ 3b) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเท่ากับ 39 ยกเว้นเกรนที่เสียรูปจำนวนเล็กน้อย โครงสร้างจุลภาคโดยทั่วไปประกอบด้วยเกรนตกผลึกใหม่ที่มีแกนเท่ากันและมีขนาดไม่สม่ำเสมอ โดยมีขนาดเกรนเฉลี่ยประมาณ 60 ไมโครเมตร (รูปที่ 3c) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเท่ากับ 69 กระบวนการตกผลึกใหม่แบบไดนามิกจะเสร็จสมบูรณ์ เกรนเดิมที่หยาบจะถูกเปลี่ยนรูปเป็นเกรนตกผลึกใหม่ที่มีโครงสร้างสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์ และขนาดเกรนเฉลี่ยจะถูกปรับให้ละเอียดขึ้นเหลือประมาณ 41 ไมโครเมตร (รูปที่ 3d) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเท่ากับ 156 เมื่อกระบวนการตกผลึกใหม่แบบไดนามิกดำเนินไปอย่างเต็มที่ โครงสร้างจุลภาคจะมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และขนาดเกรนจะถูกปรับให้ละเอียดขึ้นอย่างมากเหลือประมาณ 32 ไมโครเมตร (รูปที่ 3e) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเพิ่มขึ้น กระบวนการตกผลึกใหม่แบบไดนามิกจะดำเนินไปอย่างสมบูรณ์มากขึ้น โครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมจะมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และขนาดเกรนจะถูกปรับให้ละเอียดขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (รูปที่ 3f)
รูปที่ 3 โครงสร้างโลหะวิทยาและขนาดเกรนของส่วนตัดตามยาวของแท่งโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ที่มีอัตราการอัดรีดต่างกัน
รูปที่ 4 แสดงรูปขั้วผกผันของแท่งโลหะผสมอะลูมิเนียม 6063 ที่มีอัตราส่วนการอัดรีดต่างกันตามทิศทางการอัดรีด จะเห็นได้ว่าโครงสร้างจุลภาคของแท่งโลหะผสมที่มีอัตราส่วนการอัดรีดต่างกันล้วนสร้างการวางแนวที่เอื้ออำนวยอย่างชัดเจน เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเท่ากับ 17 จะเกิดพื้นผิว <115>+<100> ที่อ่อนกว่า (รูปที่ 4a) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเท่ากับ 39 องค์ประกอบพื้นผิวส่วนใหญ่จะเป็นพื้นผิว <100> ที่แข็งแรงกว่าและพื้นผิว <115> ที่อ่อนกว่าเล็กน้อย (รูปที่ 4b) เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเท่ากับ 156 องค์ประกอบพื้นผิวจะเป็นพื้นผิว <100> ที่มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในขณะที่พื้นผิว <115> จะหายไป (รูปที่ 4c) การศึกษาแสดงให้เห็นว่าโลหะลูกบาศก์ที่มีหน้าเป็นศูนย์กลางส่วนใหญ่สร้างพื้นผิวลวด <111> และ <100> ในระหว่างการอัดรีดและการดึง เมื่อพื้นผิวเกิดขึ้น คุณสมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิห้องของโลหะผสมจะแสดงลักษณะแอนไอโซทรอปีอย่างชัดเจน ความแข็งแรงของเนื้อสัมผัสจะเพิ่มขึ้นตามอัตราส่วนการอัดรีดที่เพิ่มขึ้น แสดงให้เห็นว่าจำนวนเกรนในทิศทางผลึกที่ขนานกับทิศทางการอัดรีดในโลหะผสมจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น และความแข็งแรงแรงดึงตามยาวของโลหะผสมก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน กลไกการเสริมความแข็งแรงของวัสดุอะลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 ที่ผ่านการอัดรีดร้อนประกอบด้วย การเสริมความแข็งแรงของเกรนละเอียด การเสริมความแข็งแรงแบบดิสโลเคชัน และการเสริมความแข็งแรงของเนื้อสัมผัส เป็นต้น การเพิ่มอัตราส่วนการอัดรีดมีผลส่งเสริมกลไกการเสริมความแข็งแรงข้างต้นภายในขอบเขตของพารามิเตอร์กระบวนการที่ใช้ในการศึกษาเชิงทดลองนี้
รูปที่ 4 แผนภาพขั้วย้อนกลับของแท่งอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 ที่มีอัตราส่วนการอัดรีดต่างกันตามทิศทางการอัดรีด
รูปที่ 5 แสดงฮิสโทแกรมแสดงสมบัติแรงดึงของโลหะผสมอะลูมิเนียม 6063 หลังจากการเสียรูป ณ อัตราส่วนการอัดขึ้นรูปต่างๆ ความแข็งแรงแรงดึงของโลหะผสมหล่ออยู่ที่ 170 MPa และการยืดตัวอยู่ที่ 10.4% ความแข็งแรงแรงดึงและการยืดตัวของโลหะผสมหลังการอัดขึ้นรูปได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และความแข็งแรงแรงดึงและการยืดตัวจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปที่เพิ่มขึ้น เมื่ออัตราส่วนการอัดขึ้นรูปอยู่ที่ 156 ความแข็งแรงแรงดึงและการยืดตัวของโลหะผสมจะถึงค่าสูงสุดที่ 228 MPa และ 26.9% ตามลำดับ ซึ่งสูงกว่าความแข็งแรงแรงดึงของโลหะผสมหล่อประมาณ 34% และสูงกว่าการยืดตัวประมาณ 158% ความแข็งแรงดึงของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 ที่ได้จากการอัดรีดขึ้นรูปด้วยอัตราส่วนการอัดสูงนั้นใกล้เคียงกับค่าความแข็งแรงดึง (240 MPa) ที่ได้จากการอัดรีดขึ้นรูปเชิงมุมช่องเท่ากันแบบ 4 รอบ (ECAP) ซึ่งสูงกว่าค่าความแข็งแรงดึง (171.1 MPa) ที่ได้จากการอัดรีดขึ้นรูปด้วย ECAP แบบ 1 รอบของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 มาก จะเห็นได้ว่าอัตราส่วนการอัดรีดขึ้นรูปสูงสามารถปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสมได้ในระดับหนึ่ง
การปรับปรุงสมบัติเชิงกลของโลหะผสมด้วยอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปส่วนใหญ่มาจากการเสริมความแข็งแรงของเกรน เมื่ออัตราส่วนการอัดขึ้นรูปเพิ่มขึ้น เกรนจะถูกทำให้ละเอียดขึ้นและความหนาแน่นของการเคลื่อนตัวจะเพิ่มขึ้น ขอบเขตเกรนที่มากขึ้นต่อหน่วยพื้นที่สามารถขัดขวางการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ประกอบกับการเคลื่อนที่และการพันกันของเกรน จึงช่วยเพิ่มความแข็งแรงของโลหะผสม ยิ่งเกรนละเอียดมากเท่าไหร่ ขอบเขตเกรนก็จะยิ่งคดเคี้ยวมากขึ้นเท่านั้น และการเปลี่ยนรูปพลาสติกสามารถกระจายตัวในเกรนได้มากขึ้น ซึ่งไม่เอื้อต่อการเกิดรอยแตกร้าว และยิ่งไม่ทำให้เกิดรอยแตกร้าวที่แพร่กระจาย ในกระบวนการแตกหัก โลหะผสมสามารถดูดซับพลังงานได้มากขึ้น จึงช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นของโลหะผสม
รูปที่ 5 คุณสมบัติแรงดึงของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 หลังจากการหล่อและการรีด
สัณฐานวิทยาการแตกหักจากแรงดึงของโลหะผสมหลังจากการเสียรูปด้วยอัตราส่วนการอัดขึ้นรูปที่แตกต่างกันแสดงในรูปที่ 6 ไม่พบรอยบุ๋มในสัณฐานวิทยาการแตกหักของตัวอย่างหล่อตามแบบ (รูปที่ 6a) และรอยแตกส่วนใหญ่ประกอบด้วยพื้นที่แบนและขอบฉีกขาด แสดงให้เห็นว่ากลไกการแตกหักจากแรงดึงของโลหะผสมหล่อตามแบบส่วนใหญ่เป็นการแตกหักแบบเปราะ สัณฐานวิทยาการแตกหักของโลหะผสมหลังจากการอัดขึ้นรูปมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ และรอยแตกประกอบด้วยรอยบุ๋มที่มีแกนเท่ากันจำนวนมาก แสดงให้เห็นว่ากลไกการแตกหักของโลหะผสมหลังจากการอัดขึ้นรูปเปลี่ยนจากการแตกหักแบบเปราะเป็นการแตกหักแบบเหนียว เมื่ออัตราส่วนการอัดขึ้นรูปน้อย รอยบุ๋มจะตื้นและมีขนาดรอยบุ๋มมาก และการกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ เมื่ออัตราส่วนการอัดขึ้นรูปเพิ่มขึ้น จำนวนรอยบุ๋มจะเพิ่มขึ้น ขนาดรอยบุ๋มจะเล็กลงและการกระจายตัวสม่ำเสมอ (รูปที่ 6b~f) ซึ่งหมายความว่าโลหะผสมมีความเป็นพลาสติกที่ดีขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับผลการทดสอบคุณสมบัติเชิงกลข้างต้น
3 บทสรุป
ในการทดลองนี้ ได้มีการวิเคราะห์ผลกระทบของอัตราส่วนการอัดรีดที่แตกต่างกันต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของโลหะผสมอะลูมิเนียม 6063 ภายใต้เงื่อนไขที่ขนาดแท่งโลหะ อุณหภูมิความร้อนของแท่งโลหะ และความเร็วในการอัดรีดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ข้อสรุปมีดังนี้
1) การตกผลึกใหม่แบบไดนามิกเกิดขึ้นในโลหะผสมอะลูมิเนียม 6063 ในระหว่างการอัดรีดร้อน เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดเพิ่มขึ้น เกรนจะถูกขัดเกลาอย่างต่อเนื่อง และเกรนที่ยืดออกตามทิศทางการอัดรีดจะถูกเปลี่ยนเป็นเกรนตกผลึกใหม่ที่มีแกนเท่ากัน และความแข็งแรงของเนื้อลวด <100> จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง
2) เนื่องจากผลของการเสริมความแข็งแรงด้วยเกรนละเอียด สมบัติเชิงกลของโลหะผสมจึงได้รับการปรับปรุงตามอัตราส่วนการอัดรีดที่เพิ่มขึ้น ภายในช่วงพารามิเตอร์การทดสอบ เมื่ออัตราส่วนการอัดรีดอยู่ที่ 156 ความแข็งแรงดึงและการยืดตัวของโลหะผสมจะสูงถึง 228 MPa และ 26.9% ตามลำดับ
รูปที่ 6 สัณฐานวิทยาการแตกหักจากแรงดึงของโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 หลังจากการหล่อและการอัดรีด
3) สัณฐานวิทยาการแตกหักของชิ้นงานหล่อประกอบด้วยพื้นที่ราบเรียบและขอบฉีกขาด หลังจากการอัดขึ้นรูป รอยแตกจะประกอบด้วยรอยบุ๋มที่มีแกนเท่ากันจำนวนมาก และกลไกการแตกหักจะเปลี่ยนจากรอยแตกแบบเปราะเป็นรอยแตกแบบเหนียว
เวลาโพสต์: 30 พ.ย. 2567
