تتطلب سبيكة الألومنيوم 6061T6 ذات سماكة جدار كبيرة إخمادًا بعد عملية البثق الساخن. ونظرًا لمحدودية عملية البثق المتقطع، يدخل جزء من القالب إلى منطقة التبريد المائي متأخرًا. وعند استمرار عملية بثق السبيكة القصيرة التالية، يخضع هذا الجزء من القالب لعملية إخماد متأخر. وتُعد كيفية التعامل مع منطقة الإخماد المتأخر مسألةً يجب على كل شركة إنتاج مراعاتها. فعندما تكون نفايات عملية البثق قصيرة، تكون عينات الأداء المأخوذة أحيانًا مؤهلة وأحيانًا غير مؤهلة. وعند إعادة أخذ العينات من الجانب، يُعاد تقييم الأداء. وتقدم هذه المقالة شرحًا لهذا الأمر من خلال التجارب.
1. مواد الاختبار والطرق
المادة المستخدمة في هذه التجربة هي سبيكة ألومنيوم 6061. تم قياس تركيبها الكيميائي بالتحليل الطيفي كما يلي: تتوافق مع المعيار الدولي لتركيب سبيكة الألومنيوم 6061 GB/T 3190-1996.
في هذه التجربة، أُخذ جزء من القالب المبثوق لمعالجة محلول صلب. قُسِّم القالب، بطول 400 مم، إلى منطقتين. بُرِّدت المنطقة 1 بالماء مباشرةً ثم أُخمدت. بُرِّدت المنطقة 2 في الهواء لمدة 90 ثانية، ثم برِّدت بالماء. يوضح الشكل 1 مخطط الاختبار.
تم بثق سبيكة الألومنيوم 6061 المستخدمة في هذه التجربة باستخدام آلة بثق 4000UST. درجة حرارة القالب 500 درجة مئوية، ودرجة حرارة قضيب الصب 510 درجات مئوية، ودرجة حرارة مخرج البثق 525 درجة مئوية، وسرعة البثق 2.1 مم/ثانية. استُخدم تبريد مائي عالي الكثافة أثناء عملية البثق، وأُخذت قطعة اختبار بطول 400 مم من منتصف القطعة النهائية المبثوقة. عرض العينة 150 مم، وارتفاعها 10 مم.
تم تقسيم العينات المأخوذة، ثم خضعت للمعالجة بالمحلول مرة أخرى. كانت درجة حرارة المحلول 530 درجة مئوية، واستغرقت العملية 4 ساعات. بعد إخراج العينات، وُضعت في خزان ماء كبير بعمق 100 مم. يضمن خزان الماء الأكبر بقاء درجة حرارة الماء داخله دون تغيير يُذكر بعد تبريد العينة في المنطقة 1 بالماء، مما يمنع ارتفاع درجة حرارة الماء من التأثير على شدة التبريد. أثناء عملية التبريد، يجب التأكد من أن درجة حرارة الماء تتراوح بين 20 و25 درجة مئوية. تم تعتيق العينات المُخمّدة عند درجة حرارة 165 درجة مئوية لمدة 8 ساعات.
خذ جزءًا من العينة بطول 400 مم وعرض 30 مم وسمك 10 مم، وأجرِ اختبار صلابة برينيل. أجرِ 5 قياسات كل 10 مم. اعتبر متوسط قيم صلابة برينيل الخمس هو نتيجة اختبار صلابة برينيل عند هذه النقطة، ولاحظ نمط تغير الصلابة.
تم اختبار الخواص الميكانيكية للملف، وتم التحكم في المقطع الشد الموازي 60 مم في مواضع مختلفة من العينة 400 مم لمراقبة خصائص الشد وموقع الكسر.
تم محاكاة مجال درجة الحرارة لإخماد العينة المبردة بالماء والإخماد بعد تأخير 90 ثانية من خلال برنامج ANSYS، وتم تحليل معدلات تبريد الملفات الشخصية في مواضع مختلفة.
2. النتائج التجريبية والتحليل
2.1 نتائج اختبار الصلابة
يوضح الشكل 2 منحنى تغير الصلابة لعينة طولها 400 مم تم قياسها بواسطة جهاز اختبار صلابة برينيل (يمثل طول وحدة الإحداثي السيني 10 مم، والمقياس 0 هو الخط الفاصل بين التبريد العادي والتبريد المتأخر). يمكن إيجاد أن الصلابة في الطرف المبرد بالماء مستقرة عند حوالي 95HB. بعد الخط الفاصل بين التبريد بالماء والتبريد بالماء المتأخر 90 ثانية، تبدأ الصلابة في الانخفاض، ولكن معدل الانخفاض يكون بطيئًا في المرحلة المبكرة. بعد 40 مم (89HB)، تنخفض الصلابة بشكل حاد، وتنخفض إلى أدنى قيمة (77HB) عند 80 مم. بعد 80 مم، لم تستمر الصلابة في الانخفاض، بل زادت إلى حد ما. كانت الزيادة صغيرة نسبيًا. بعد 130 مم، ظلت الصلابة دون تغيير عند حوالي 83HB. يمكن التكهن بأنه بسبب تأثير التوصيل الحراري، تغير معدل تبريد جزء الإخماد المتأخر.
2.2 نتائج اختبار الأداء والتحليل
يوضح الجدول 2 نتائج تجارب الشد التي أُجريت على عينات مأخوذة من مواضع مختلفة من المقطع المتوازي. يُلاحظ أن قوة الشد ومقاومة الخضوع للسبائك رقم 1 ورقم 2 لا يكاد يتغيران. مع زيادة نسبة نهايات الإخماد المتأخر، يُظهر كلٌّ من قوة الشد ومقاومة الخضوع للسبائك اتجاهًا هبوطيًا ملحوظًا. مع ذلك، فإن قوة الشد في كل موقع عينة أعلى من القوة المعيارية. فقط في المنطقة ذات أدنى صلابة، تكون قوة الخضوع أقل من معيار العينة، ويكون أداء العينة غير مؤهل.
يوضح الشكل 4 نتائج خصائص الشد للعينة رقم 3. ويمكن إيجاد ذلك من الشكل 4 أنه كلما ابتعدنا عن خط التقسيم، انخفضت صلابة نهاية التبريد المتأخر. يشير الانخفاض في الصلابة إلى انخفاض أداء العينة، ولكن الصلابة تنخفض ببطء، حيث تنخفض فقط من 95HB إلى حوالي 91HB في نهاية المقطع الموازي. وكما يمكن رؤيته من نتائج الأداء في الجدول 1، انخفضت قوة الشد من 342 ميجا باسكال إلى 320 ميجا باسكال للتبريد بالماء. وفي الوقت نفسه، وجد أن نقطة الكسر لعينة الشد تقع أيضًا في نهاية المقطع الموازي بأقل صلابة. وذلك لأنه بعيدًا عن التبريد بالماء، يتم تقليل أداء السبيكة، وتصل النهاية إلى حد قوة الشد أولاً لتشكيل عنق لأسفل. وأخيرًا، تنكسر من أدنى نقطة أداء، وموضع الكسر يتوافق مع نتائج اختبار الأداء.
يوضح الشكل 5 منحنى الصلابة للمقطع الموازي للعينة رقم 4 وموضع الكسر. يمكن إيجاد أنه كلما ابتعدنا عن خط تقسيم التبريد المائي، انخفضت صلابة نهاية الإخماد المتأخر. في الوقت نفسه، يكون موقع الكسر أيضًا في النهاية التي تكون فيها الصلابة في أدنى مستوياتها، كسور 86HB. من الجدول 2، وجد أنه لا يوجد تقريبًا أي تشوه بلاستيكي في النهاية المبردة بالماء. من الجدول 1، وجد أن أداء العينة (قوة الشد 298 ميجا باسكال، الخضوع 266 ميجا باسكال) قد انخفض بشكل كبير. قوة الشد هي 298 ميجا باسكال فقط، والتي لا تصل إلى قوة الخضوع للنهاية المبردة بالماء (315 ميجا باسكال). شكلت النهاية عنقًا لأسفل عندما تكون أقل من 315 ميجا باسكال. قبل الكسر، حدث تشوه مرن فقط في المنطقة المبردة بالماء. مع اختفاء الإجهاد، اختفى الانفعال عند النهاية المبردة بالماء. نتيجةً لذلك، لم يتغير مقدار التشوه في منطقة التبريد المائي الموضحة في الجدول 2 تقريبًا. تنكسر العينة عند نهاية معدل الاشتعال المتأخر، وتنخفض مساحة التشوه، وتكون صلابة الطرف في أدنى مستوياتها، مما يؤدي إلى انخفاض ملحوظ في نتائج الأداء.
خذ عينات من منطقة التبريد المتأخر بنسبة 100% في نهاية العينة بقطر 400 مم. يوضح الشكل 6 منحنى الصلابة. انخفضت صلابة المقطع الموازي إلى حوالي 83-84HB، وهي مستقرة نسبيًا. بفضل نفس العملية، يكون الأداء متماثلًا تقريبًا. لا يوجد نمط واضح في موضع الكسر. أداء السبيكة أقل من أداء العينة المبردة بالماء.
لمزيد من استكشاف انتظام الأداء والكسر، تم اختيار المقطع الموازي لعينة الشد بالقرب من أدنى نقطة صلابة (77HB). من الجدول 1، وُجد أن الأداء انخفض بشكل ملحوظ، وظهرت نقطة الكسر عند أدنى نقطة صلابة في الشكل 2.
2.3 نتائج تحليل ANSYS
يوضح الشكل 7 نتائج محاكاة ANSYS لمنحنيات التبريد في مواقع مختلفة. يتضح أن درجة حرارة العينة في منطقة التبريد المائي انخفضت بسرعة. بعد 5 ثوانٍ، انخفضت إلى أقل من 100 درجة مئوية، وعند 80 مم من خط التقسيم، انخفضت إلى حوالي 210 درجات مئوية عند 90 ثانية. يبلغ متوسط انخفاض درجة الحرارة 3.5 درجة مئوية/ثانية. بعد 90 ثانية في منطقة التبريد الهوائي الطرفي، تنخفض درجة الحرارة إلى حوالي 360 درجة مئوية، بمعدل انخفاض متوسط قدره 1.9 درجة مئوية/ثانية.
من خلال تحليل الأداء ونتائج المحاكاة، وجد أن أداء منطقة التبريد المائي ومنطقة الإخماد المتأخر هو نمط تغيير يتناقص أولاً ثم يزداد قليلاً. يتأثر التبريد المائي بالقرب من خط التقسيم بالتوصيل الحراري مما يتسبب في انخفاض العينة في منطقة معينة بمعدل تبريد أقل من معدل التبريد المائي (3.5 درجة مئوية / ثانية). ونتيجة لذلك، ترسب Mg2Si، الذي تصلب في المصفوفة، بكميات كبيرة في هذه المنطقة، وانخفضت درجة الحرارة إلى حوالي 210 درجة مئوية بعد 90 ثانية. أدت الكمية الكبيرة من Mg2Si المترسبة إلى تأثير أصغر للتبريد المائي بعد 90 ثانية. تم تقليل كمية طور تقوية Mg2Si المترسبة بعد معالجة الشيخوخة بشكل كبير، وانخفض أداء العينة لاحقًا. ومع ذلك، فإن منطقة الإخماد المتأخر البعيدة عن خط التقسيم تتأثر بشكل أقل بالتوصيل الحراري لتبريد الماء، ويبرد السبائك ببطء نسبيًا في ظل ظروف التبريد بالهواء (معدل التبريد 1.9 درجة مئوية / ثانية). يترسب جزء صغير فقط من طور Mg2Si ببطء، وتصل درجة الحرارة إلى 360 درجة مئوية بعد 90 ثانية. بعد التبريد بالماء، يبقى معظم طور Mg2Si في المصفوفة، وينتشر ويترسب بعد الشيخوخة، مما يُعززه.
3. الخاتمة
وتبين من خلال التجارب أن التبريد المتأخر سيؤدي إلى انخفاض صلابة منطقة التبريد المتأخر عند تقاطع التبريد العادي والتبريد المتأخر أولاً ثم زيادتها قليلاً حتى تستقر أخيراً.
بالنسبة لسبائك الألومنيوم 6061، فإن قوى الشد بعد الإطفاء العادي والإطفاء المتأخر لمدة 90 ثانية هي 342 ميجا باسكال و288 ميجا باسكال على التوالي، وقوى الخضوع هي 315 ميجا باسكال و252 ميجا باسكال، وكلاهما يلبي معايير أداء العينة.
توجد منطقة ذات أقل صلابة، تنخفض من 95HB إلى 77HB بعد التبريد العادي. كما أن الأداء هنا هو الأقل، حيث تبلغ قوة الشد 271 ميجا باسكال وقوة الخضوع 220 ميجا باسكال.
من خلال تحليل ANSYS، وُجد أن معدل التبريد عند أدنى نقطة أداء في منطقة التبريد المتأخر عند 90 ثانية انخفض بحوالي 3.5 درجة مئوية في الثانية، مما أدى إلى عدم كفاية المحلول الصلب لطور التقوية Mg2Si. ووفقًا لهذه المقالة، يتضح أن نقطة خطر الأداء تظهر في منطقة التبريد المتأخر عند تقاطع التبريد العادي مع التبريد المتأخر، وهي قريبة من التقاطع، مما يُمثل دليلاً هامًا للاحتفاظ بنفايات نهاية عملية البثق بشكل معقول.
تم تحريره بواسطة ماي جيانج من MAT Aluminum
وقت النشر: ٢٨ أغسطس ٢٠٢٤
