أثناء عملية بثق مواد سبائك الألومنيوم المبثوقة، وخاصةً مقاطع الألومنيوم، غالبًا ما يظهر عيب "النقر" على السطح. تشمل الأعراض المحددة أورامًا صغيرة جدًا ذات كثافات متفاوتة، وذيلًا، وملمسًا واضحًا مع ملمس حاد. بعد الأكسدة أو المعالجة السطحية بالرحلان الكهربائي، غالبًا ما تظهر على شكل حبيبات سوداء ملتصقة بسطح المنتج.
في إنتاج البثق للمقاطع الكبيرة، من المرجح أن يحدث هذا العيب بسبب تأثير بنية السبيكة ودرجة حرارة البثق وسرعة البثق وتعقيد القالب وما إلى ذلك. يمكن إزالة معظم الجسيمات الدقيقة للعيوب المنقّرة أثناء عملية المعالجة المسبقة لسطح المقطع، وخاصة عملية النقش القلوي، بينما يبقى عدد صغير من الجسيمات كبيرة الحجم والملتصقة بقوة على سطح المقطع، مما يؤثر على جودة مظهر المنتج النهائي.
في منتجات ملفات تعريف الأبواب والنوافذ العادية للمباني، يتقبل العملاء عمومًا العيوب البسيطة، ولكن بالنسبة للملفات التعريفية الصناعية التي تتطلب التركيز المتساوي على الخصائص الميكانيكية والأداء الزخرفي أو التركيز بشكل أكبر على الأداء الزخرفي، لا يقبل العملاء عمومًا هذا العيب، وخاصة العيوب المنقطة التي لا تتوافق مع لون الخلفية المختلف.
لتحليل آلية تكوين الجسيمات الخشنة، تم تحليل مورفولوجيا وتركيب مواقع العيوب تحت تركيبات سبائك مختلفة وعمليات بثق، ومقارنة الاختلافات بين العيوب والمصفوفة. وُضع حل مناسب لمعالجة الجسيمات الخشنة بفعالية، وأُجري اختبار تجريبي.
لحل عيوب التآكل في المقاطع، من الضروري فهم آلية تكوينها. أثناء عملية البثق، يُعد التصاق الألومنيوم بسير عمل القالب السبب الرئيسي لعيوب التآكل على سطح مواد الألومنيوم المبثوقة. ويرجع ذلك إلى أن عملية بثق الألومنيوم تتم عند درجة حرارة عالية تبلغ حوالي 450 درجة مئوية. إذا أُضيفت تأثيرات حرارة التشوه والاحتكاك، فسترتفع درجة حرارة المعدن عند خروجه من فتحة القالب. ونتيجةً لارتفاع درجة الحرارة، تحدث ظاهرة التصاق الألومنيوم بين المعدن وسير عمل القالب.
شكل هذا الترابط يكون في أغلب الأحيان: عملية متكررة من الترابط – التمزيق – الترابط – التمزيق مرة أخرى، ويتدفق المنتج إلى الأمام، مما يؤدي إلى ظهور العديد من الحفر الصغيرة على سطح المنتج.
ترتبط ظاهرة الترابط هذه بعوامل مثل جودة السبيكة، وحالة سطح حزام عمل القالب، ودرجة حرارة البثق، وسرعة البثق، ودرجة التشوه، ومقاومة تشوه المعدن.
1 مواد الاختبار والطرق
من خلال البحث الأولي، اكتشفنا أن عوامل مثل النقاء المعدني، وحالة القالب، وعملية البثق، والمكونات، وظروف الإنتاج قد تؤثر على جسيمات السطح الخشنة. في الاختبار، استُخدم قضيبان من السبائك، 6005A و6060، لبثق نفس القطعة. حُلّلت مورفولوجيا وتركيبة مواضع الجسيمات الخشنة باستخدام مطياف القراءة المباشرة وتقنيات كشف المجهر الإلكتروني الماسح، وقورنت بالمصفوفة الطبيعية المحيطة.
من أجل التمييز بشكل واضح بين شكل العيبين المنقور والجسيمي، يتم تعريفهما على النحو التالي:
(1) العيوب النقطية أو عيوب السحب هي نوع من العيوب النقطية، وهي عبارة عن عيب غير منتظم يشبه الشرغوف أو النقطي، يظهر على سطح المقطع. يبدأ العيب من خط الخدش وينتهي بتساقط العيب، متراكمًا على شكل حبيبات معدنية في نهاية خط الخدش. يتراوح حجم العيب النقطي عادةً بين 1 و5 مم، ويتحول إلى اللون الأسود الداكن بعد معالجة الأكسدة، مما يؤثر في النهاية على مظهر المقطع، كما هو موضح في الدائرة الحمراء في الشكل 1.
(2) تُسمى الجسيمات السطحية أيضًا حبيبات معدنية أو جسيمات امتزاز. سطح مقطع سبائك الألومنيوم مُتصل بجسيمات معدنية كروية صلبة رمادية-سوداء، وله بنية فضفاضة. يوجد نوعان من مقاطع سبائك الألومنيوم: قابلة للمسح، وغير قابلة للمسح. حجمها عادةً أقل من 0.5 مم، وملمسها خشن. لا يوجد خدش في الجزء الأمامي. بعد الأكسدة، لا يختلف كثيرًا عن المصفوفة، كما هو موضح في الدائرة الصفراء في الشكل 1.
2 نتائج الاختبار والتحليل
2.1 عيوب سحب السطح
يوضح الشكل 2 البنية المجهرية لعيب السحب على سطح سبيكة 6005A. توجد خدوش متدرجة في الجزء الأمامي من السحب، وتنتهي بعقد متراكبة. بعد ظهور العقد، يعود السطح إلى حالته الطبيعية. موقع عيب الخشونة ليس ناعمًا عند اللمس، وله ملمس شائك حاد، ويلتصق أو يتراكم على سطح المقطع. من خلال اختبار البثق، لوحظ أن شكل السحب لمقاطع 6005A و6060 المبثوقة متشابه، وأن الطرف الخلفي للمنتج أكبر من الطرف الأمامي؛ والفرق هو أن حجم السحب الإجمالي لـ 6005A أصغر وعمق الخدش أضعف. قد يكون هذا مرتبطًا بتغيرات في تركيب السبيكة، وحالة قضيب الصب، وظروف القالب. عند استخدام تقنية تكبير X100، تظهر علامات خدش واضحة على الطرف الأمامي لمنطقة السحب، وهي منطقة ممتدة باتجاه البثق، ويكون شكل جزيئات العقيدات النهائية غير منتظم. عند استخدام تقنية تكبير X500، تظهر على الطرف الأمامي لسطح السحب خدوش متدرجة باتجاه البثق (يبلغ حجم هذا العيب حوالي 120 ميكرومتر)، وتظهر علامات تكدس واضحة على جزيئات العقيدات في الطرف الخلفي.
لتحليل أسباب السحب، استُخدم مطياف القراءة المباشرة ومطياف EDX لإجراء تحليل مكونات على مواقع العيوب ومصفوفة مكونات السبائك الثلاثة. يوضح الجدول 1 نتائج اختبار نموذج 6005A. تُظهر نتائج EDX أن تركيب موضع تكديس جسيمات السحب يُشبه تركيب المصفوفة بشكل أساسي. بالإضافة إلى ذلك، تتراكم بعض جسيمات الشوائب الدقيقة داخل وحول عيب السحب، وتحتوي جسيمات الشوائب على الكربون، والأكسجين (أو الكلور)، أو الحديد، والسيليكون، والكبريت.
يُظهر تحليل عيوب الخشونة في مقاطع البثق المؤكسدة الدقيقة 6005A أن جزيئات السحب كبيرة الحجم (1-5 مم)، والسطح مُكدس في الغالب، مع وجود خدوش مُتدرجة على القسم الأمامي. التركيب قريب من مصفوفة الألومنيوم، وتنتشر حوله أطوار غير متجانسة تحتوي على Fe وSi وC وO. وهذا يُظهر أن آلية تشكيل السحب للسبائك الثلاثة متشابهة.
أثناء عملية البثق، يؤدي احتكاك تدفق المعدن إلى ارتفاع درجة حرارة سير عمل القالب، مما يُشكل طبقة ألومنيوم لزجة عند حافة القطع لمدخل سير العمل. في الوقت نفسه، يُسهل استبدال السيليكون الزائد وعناصر أخرى مثل المنغنيز والكروم في سبيكة الألومنيوم بمحاليل صلبة بديلة مع الحديد، مما يُعزز تكوين طبقة ألومنيوم لزجة عند مدخل منطقة عمل القالب.
عندما يتدفق المعدن للأمام ويفرك سير العمل، تحدث ظاهرة تبادلية من الترابط المستمر والتمزق والترابط عند موضع معين، مما يتسبب في تراكب المعدن باستمرار في هذا الموضع. عندما تزداد الجسيمات إلى حجم معين، يسحبها المنتج المتدفق مشكّلةً علامات خدش على سطح المعدن. ستبقى على سطح المعدن مشكّلةً جسيمات سحب في نهاية الخدش. لذلك، يمكن اعتبار أن تكوين الجسيمات الخشنة مرتبطًا بشكل رئيسي بالتصاق الألومنيوم بسير عمل القالب. قد تنشأ المراحل غير المتجانسة الموزعة حوله من زيت التشحيم، أو الأكاسيد، أو جزيئات الغبار، بالإضافة إلى الشوائب الناتجة عن السطح الخشن للسبيكة.
مع ذلك، فإن عدد عمليات السحب في نتائج اختبار 6005A أقل ودرجة السحب أخف. من جهة، يعود ذلك إلى تشطيب حواف سير العمل عند مخرج القالب وتلميعه بعناية لتقليل سمك طبقة الألومنيوم؛ ومن جهة أخرى، يرتبط بزيادة محتوى السيليكون.
وفقًا لنتائج التركيب الطيفي للقراءة المباشرة، يمكن ملاحظة أنه بالإضافة إلى السيليكون المتحد مع Mg Mg2Si، يظهر السيليكون المتبقي في شكل مادة بسيطة.
2.2 جزيئات صغيرة على السطح
عند الفحص البصري بتكبير منخفض، تكون الجسيمات صغيرة (≤ 0.5 مم)، غير ناعمة الملمس، ذات ملمس حاد، وتلتصق بسطح الملف. عند ملاحظتها بتكبير أقل من 100 ضعف، تكون الجسيمات الصغيرة على السطح موزعة عشوائيًا، وتلتصق بها جزيئات صغيرة الحجم بغض النظر عن وجود خدوش.
عند 500X، بغض النظر عن وجود خدوش واضحة تشبه الخطوات على السطح في اتجاه البثق، تظل العديد من الجسيمات ملتصقة، وتختلف أحجام الجسيمات. يبلغ أكبر حجم للجسيمات حوالي 15 ميكرومتر، بينما يبلغ حجم الجسيمات الصغيرة حوالي 5 ميكرومتر.
من خلال تحليل تركيب جسيمات سطح سبيكة 6060 والمصفوفة السليمة، تتكون الجسيمات بشكل أساسي من عناصر O وC وSi وFe، ومحتوى الألومنيوم منخفض جدًا. تحتوي جميع الجسيمات تقريبًا على عناصر O وC. يختلف تركيب كل جسيم قليلاً. من بينها، تكون جسيمات a قريبة من 10 ميكرومتر، وهي أعلى بكثير من مصفوفة Si وMg وO؛ في جسيمات c، يكون Si وO وCl أعلى بشكل واضح؛ تحتوي الجسيمات d وf على نسبة عالية من Si وO وNa؛ تحتوي الجسيمات e على Si وFe وO؛ جسيمات h هي مركبات تحتوي على Fe. نتائج جسيمات 6060 مماثلة لهذا، ولكن نظرًا لأن محتوى Si وFe في 6060 نفسه منخفض، فإن محتوى Si وFe المقابل في جسيمات السطح منخفض أيضًا؛ محتوى C في جسيمات 6060 منخفض نسبيًا.
قد لا تكون الجسيمات السطحية جسيمات صغيرة مفردة، بل قد توجد أيضًا على شكل تجمعات من جسيمات صغيرة متعددة ذات أشكال مختلفة، وتختلف النسب الكتلية للعناصر المختلفة في الجسيمات المختلفة. يُعتقد أن الجسيمات تتكون بشكل رئيسي من نوعين. الأول هو الرواسب مثل AlFeSi والسيليكون العنصري، والتي تنشأ من أطوار شوائب ذات درجة انصهار عالية مثل FeAl3 أو AlFeSi(Mn) في السبيكة، أو أطوار الرواسب أثناء عملية البثق. أما النوع الثاني فهو المواد الغريبة الملتصقة.
2.3 تأثير خشونة سطح السبيكة
أثناء الاختبار، وُجد أن السطح الخلفي لمخرطة قضبان الصب 6005A كان خشنًا ومُلطخًا بالغبار. وُجد قضيبان مصبوبان يحملان أعمق علامات أدوات الخراطة في مواقعهما، مما يُشير إلى زيادة ملحوظة في عدد عمليات السحب بعد البثق، كما كان حجم عملية السحب الواحدة أكبر، كما هو موضح في الشكل 7.
لا يحتوي قضيب الصب 6005A على مخرطة، مما يقلل من خشونة السطح ويقل عدد عمليات السحب. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لعدم وجود فائض من سائل القطع الملتصق بعلامات مخرطة قضيب الصب، ينخفض محتوى الكربون في الجسيمات المقابلة. وقد ثبت أن علامات الدوران على سطح قضيب الصب تزيد من صعوبة السحب وتكوين الجسيمات إلى حد ما.
3 مناقشة
(1) تتشابه عيوب السحب بشكل أساسي مع عيوب المصفوفة. وهي عبارة عن جزيئات غريبة، وقشرة قديمة على سطح السبيكة، وشوائب أخرى تتراكم في جدار برميل البثق أو المنطقة الميتة من القالب أثناء عملية البثق، والتي تنتقل إلى السطح المعدني أو طبقة الألومنيوم لحزام عمل القالب. مع تدفق المنتج للأمام، تحدث خدوش على السطح، وعندما يتراكم المنتج إلى حجم معين، يُخرجه المنتج لتشكيل السحب. بعد الأكسدة، تآكل السحب، ونظرًا لحجمه الكبير، ظهرت عيوب تشبه الحفر.
(2) تظهر جسيمات السطح أحيانًا كجسيمات صغيرة مفردة، وأحيانًا أخرى تتجمع. يختلف تركيبها بشكل واضح عن تركيب المصفوفة، وتحتوي بشكل أساسي على عناصر O وC وFe وSi. بعض الجسيمات تهيمن عليها عناصر O وC، بينما تهيمن على بعضها الآخر عناصر O وC وFe وSi. لذلك، يُستنتج أن جسيمات السطح تأتي من مصدرين: أحدهما رواسب مثل AlFeSi وSi العنصري، حيث تلتصق شوائب مثل O وC بالسطح؛ والآخر مواد غريبة ملتصقة. تتآكل الجسيمات بعد الأكسدة. نظرًا لصغر حجمها، ليس لها تأثير يُذكر على السطح.
(3) تأتي الجسيمات الغنية بعنصري الكربون والأكسجين (C) بشكل رئيسي من زيت التشحيم، والغبار، والتربة، والهواء، وما إلى ذلك، الملتصقة بسطح السبيكة. المكونات الرئيسية لزيت التشحيم هي الكربون، والأكسجين، والهيدروجين، والكبريت، وما إلى ذلك، والمكون الرئيسي للغبار والتربة هو ثاني أكسيد السيليكون (SiO2). عادةً ما يكون محتوى الأكسجين في الجسيمات السطحية مرتفعًا. ولأن الجسيمات تكون في حالة حرارة عالية فور خروجها من سير العمل، وبسبب مساحة سطحها النوعية الكبيرة، فإنها تمتص ذرات الأكسجين بسهولة في الهواء، وتسبب الأكسدة بعد ملامستها للهواء، مما ينتج عنه محتوى أكسجين أعلى من المصفوفة.
(4) يأتي Fe وSi وغيرهما بشكل رئيسي من الأكاسيد، والترسبات القديمة، ومراحل الشوائب في السبيكة (درجة انصهار عالية أو مرحلة ثانية لا تُزال تمامًا بالتجانس). ينشأ عنصر Fe من Fe في سبائك الألومنيوم، مُشكِّلًا مراحل شوائب عالية درجة انصهار مثل FeAl3 أو AlFeSi(Mn)، والتي لا تذوب في المحلول الصلب أثناء عملية التجانس، أو لا تتحول بالكامل؛ يوجد Si في مصفوفة الألومنيوم على شكل Mg2Si أو محلول صلب فائق التشبع من Si أثناء عملية الصب. أثناء عملية البثق الساخن لقضيب الصب، قد يترسب Si زائد. تبلغ ذوبانية Si في الألومنيوم 0.48% عند 450 درجة مئوية و0.8% (وزنيًا) عند 500 درجة مئوية. يبلغ محتوى السيليكون الزائد في 6005 حوالي 0.41%، وقد يكون السيليكون المترسب عبارة عن تجمع وترسيب ناجم عن تقلبات التركيز.
(5) يُعد التصاق الألومنيوم بسير عمل القالب السبب الرئيسي للانسحاب. تُعتبر قوالب البثق بيئةً عالية الحرارة والضغط. يؤدي احتكاك تدفق المعدن إلى ارتفاع درجة حرارة سير عمل القالب، مما يُشكل "طبقة ألومنيوم لزجة" عند حافة القطع عند مدخل سير العمل.
في الوقت نفسه، يُسهّل السيليكون الزائد وعناصر أخرى مثل المنغنيز والكروم في سبيكة الألومنيوم تكوين محاليل صلبة بديلة مع الحديد، مما يُعزز تكوين "طبقة ألومنيوم لزجة" عند مدخل منطقة عمل القالب. ينتمي المعدن المتدفق عبر "طبقة الألومنيوم اللزجة" إلى الاحتكاك الداخلي (القص المنزلق داخل المعدن). يتشوه المعدن ويتصلب بسبب الاحتكاك الداخلي، مما يُعزز التصاق المعدن الأساسي والقالب. في الوقت نفسه، يتشوه سير عمل القالب إلى شكل بوق بسبب الضغط، ويُشبه الألومنيوم اللزج المتشكل عند ملامسة حافة القطع لسير العمل للملف حافة القطع لأداة الخراطة.
تشكّل الألومنيوم اللزج عملية ديناميكية من النمو والتساقط. تخرج الجسيمات باستمرار من القالب، وتلتصق بسطح القالب، مسببةً عيوبًا شد. إذا تدفقت مباشرةً من سير العمل وامتزجت فورًا على سطح القالب، تُسمى الجسيمات الصغيرة الملتصقة حراريًا بالسطح "جسيمات الامتزاز". إذا انكسرت بعض الجسيمات بواسطة سبيكة الألومنيوم المبثوقة، فسوف تلتصق بعضها الآخر بسطح سير العمل عند مروره، مسببةً خدوشًا على سطح القالب. الطرف الخلفي هو مصفوفة الألومنيوم المكدسة. عندما يكون هناك الكثير من الألومنيوم عالقًا في منتصف سير العمل (لأن الرابطة قوية)، سيؤدي ذلك إلى تفاقم خدوش السطح.
(6) لسرعة البثق تأثير كبير على السحب. تأثير سرعة البثق. بالنسبة لسبائك 6005 المتعقبة، تزداد سرعة البثق ضمن نطاق الاختبار، وترتفع درجة حرارة المخرج، ويزداد عدد جزيئات السحب السطحية ويصبح أثقل مع زيادة الخطوط الميكانيكية. يجب الحفاظ على سرعة البثق مستقرة قدر الإمكان لتجنب التغيرات المفاجئة في السرعة. ستؤدي سرعة البثق المفرطة ودرجة حرارة المخرج المرتفعة إلى زيادة الاحتكاك وسحب جسيمات خطير. تتطلب الآلية المحددة لتأثير سرعة البثق على ظاهرة السحب متابعةً وتحققًا لاحقًا.
(7) تُعدّ جودة سطح قضيب الصب عاملاً مهماً يؤثر على جزيئات السحب. سطح قضيب الصب خشن، مع وجود نتوءات منشارية، وبقع زيت، وغبار، وتآكل، وما إلى ذلك، مما يزيد من قابلية جزيئات السحب.
4 الخاتمة
(1) إن تركيب عيوب السحب يتوافق مع تركيب المصفوفة؛ ومن الواضح أن تركيب موضع الجسيم يختلف عن تركيب المصفوفة، حيث يحتوي بشكل أساسي على عناصر O وC وFe وSi.
(2) عيوب جزيئات السحب ناتجة بشكل رئيسي عن التصاق الألومنيوم بسير عمل القالب. أي عامل يُسبب التصاق الألومنيوم بسير عمل القالب سيؤدي إلى عيوب السحب. وحرصًا على جودة قضيب الصب، فإن تكوين جزيئات السحب لا يؤثر بشكل مباشر على تركيبة السبائك.
(3) المعالجة المنتظمة المناسبة للحريق مفيدة لتقليل سحب السطح.
وقت النشر: ١٠ سبتمبر ٢٠٢٤
