مبدأ تجانس سبائك الألومنيوم 6060

إذا لم تكن الخصائص الميكانيكية للبثق كما هو متوقع، فعادةً ما يُركز الاهتمام على التركيب الأولي للسبيكة أو ظروف البثق/التقادم. قليلٌ من الناس يتساءلون عما إذا كانت عملية التجانس بحد ذاتها تُشكل مشكلة. في الواقع، تُعدّ مرحلة التجانس أساسية لإنتاج بثق عالي الجودة. قد يؤدي عدم التحكم في خطوة التجانس بشكل صحيح إلى ما يلي:

●زيادة ضغط الاختراق

● المزيد من العيوب

● نسيج الخطوط بعد الأكسدة

●سرعة بثق أقل

●خصائص ميكانيكية رديئة

لمرحلة التجانس هدفان رئيسيان: تنقية المركبات المعدنية المحتوية على الحديد، وإعادة توزيع المغنيسيوم (Mg) والسيليكون (Si). بفحص البنية الدقيقة للسبائك قبل التجانس وبعده، يُمكن التنبؤ بأداء السبائك الجيد أثناء عملية البثق.

تأثير تجانس السبيكة على التصلب

في عمليات البثق 6XXX، تنبع القوة من الأطوار الغنية بالمغنيسيوم والسيليكون المتكونة أثناء التعتيق. تعتمد القدرة على تكوين هذه الأطوار على وضع العناصر في محلول صلب قبل بدء التعتيق. لكي يصبح المغنيسيوم والسيليكون جزءًا من المحلول الصلب، يجب تبريد المعدن بسرعة من درجة حرارة أعلى من 530 درجة مئوية. عند درجات حرارة أعلى من هذه النقطة، يذوب المغنيسيوم والسيليكون بشكل طبيعي في الألومنيوم. ومع ذلك، أثناء عملية البثق، يبقى المعدن فوق هذه الدرجة لفترة قصيرة فقط. لضمان ذوبان جميع المغنيسيوم والسيليكون، يجب أن تكون جزيئات المغنيسيوم والسيليكون صغيرة نسبيًا. لسوء الحظ، أثناء الصب، يترسب المغنيسيوم والسيليكون على شكل كتل كبيرة نسبيًا من السيليكون Mg₂ (الشكل 1أ).

دورة التجانس النموذجية لسبائك 6060 هي 560 درجة مئوية لمدة ساعتين. خلال هذه العملية، ونظرًا لبقاء السبيكة فوق 530 درجة مئوية لفترة طويلة، يذوب Mg₂Si. وعند التبريد، يترسب مجددًا بتوزيع أدق بكثير (الشكل 1ج). إذا لم تكن درجة حرارة التجانس عالية بما يكفي، أو كان الوقت قصيرًا جدًا، فستبقى بعض جزيئات Mg₂Si الكبيرة. عند حدوث ذلك، يحتوي المحلول الصلب بعد البثق على كمية أقل من Mg وSi، مما يجعل تكوين رواسب تصلب عالية الكثافة أمرًا مستحيلًا، مما يؤدي إلى انخفاض الخواص الميكانيكية.

الشكل 1. صور مجهرية ضوئية لقطع من سبائك 6060 مصقولة ومغطاة بطبقة من 2% من أكسيد الحديد الأسود: (أ) مصبوبة كما هي، (ب) متجانسة جزئيًا، (ج) متجانسة تمامًا.

دور التجانس في المواد البينية المعدنية المحتوية على الحديد

للحديد (Fe) تأثير أكبر على متانة الكسر منه على المتانة. في سبائك 6XXX، تميل أطوار Fe إلى تكوين طور بيتا (Al₅(FeMn)Si أو Al₈.₉(FeMn)₂Si₂) أثناء الصب. هذه الأطوار كبيرة وزاوية، وتتداخل مع عملية البثق (كما هو موضح في الشكل 2أ). أثناء التجانس، تنتشر العناصر الثقيلة (Fe، Mn، إلخ)، وتصبح الأطوار الزاوية الكبيرة أصغر وأكثر استدارة (الشكل 2ب).

من خلال الصور الضوئية وحدها، يصعب التمييز بين المراحل المختلفة، ويستحيل تحديد كميتها بدقة. في Innoval، نحدد كمية تجانس الكتل باستخدام أسلوبنا الداخلي للكشف عن السمات والتصنيف (FDC)، والذي يوفر قيمة α% للكتلة. هذا يُمكّننا من تقييم جودة التجانس.

الشكل 2. صور مجهرية ضوئية للقطع (أ) قبل و (ب) بعد التجانس.

طريقة اكتشاف الميزات وتصنيفها (FDC)

يوضح الشكل 3أ عينة مصقولة حُللت باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). ثم طُبقت تقنية تحديد عتبة التدرج الرمادي لفصل وتحديد الفلزات البينية، والتي تظهر بيضاء في الشكل 3ب. تتيح هذه التقنية تحليل مساحات تصل إلى 1 مم²، ما يعني إمكانية تحليل أكثر من 1000 سمة فردية دفعة واحدة.

الشكل 3. (أ) صورة إلكترونية متناثرة للخلف لقطعة 6060 متجانسة، (ب) حددت السمات الفردية من (أ).

تركيب الجسيمات

نظام Innoval مُجهّز بكاشف الأشعة السينية المُشتتة للطاقة (EDX) من Oxford Instruments Xplore 30. يتيح هذا الكاشف جمعًا آليًا وسريعًا لأطياف EDX من كل نقطة مُحددة. ومن خلال هذه الأطياف، يُمكن تحديد تركيب الجسيمات، واستنتاج النسبة النسبية للحديد:السيليكون.

اعتمادًا على محتوى المنغنيز أو الكروم في السبيكة، قد تُضاف عناصر ثقيلة أخرى. بالنسبة لبعض سبائك 6XXX (التي تحتوي أحيانًا على نسبة كبيرة من المنغنيز)، تُستخدم نسبة (Fe+Mn):Si كمرجع. يمكن بعد ذلك مقارنة هذه النسب بنسب المعادن البينية المعروفة المحتوية على الحديد.

طور بيتا (Al₅(FeMn)Si أو Al₈.₉(FeMn)₂Si₂): نسبة (Fe+Mn):Si ≈ 2. طور ألفا (Al₁₂(FeMn)₃Si أو Al₈.₃(FeMn)₂Si): النسبة ≈ 4-6، حسب التركيب. يتيح لنا برنامجنا المُخصص تحديد عتبة وتصنيف كل جسيم إلى α أو β، ثم تحديد مواقعه داخل البنية الدقيقة (الشكل 4). يُعطي هذا نسبة تقريبية لـ α المُحوّلة في السبيكة المُتجانسة.

الشكل 4. (أ) خريطة توضح الجسيمات المصنفة α وβ، (ب) مخطط تشتت لنسب (Fe+Mn):Si.

ماذا يمكن أن تخبرنا البيانات

يوضح الشكل 5 مثالاً على كيفية استخدام هذه المعلومات. في هذه الحالة، تشير النتائج إلى تسخين غير منتظم داخل فرن معين، أو ربما إلى عدم الوصول إلى درجة الحرارة المحددة. لتقييم هذه الحالات بدقة، يلزم وجود كلٍّ من سبيكة الاختبار والسبائك المرجعية ذات الجودة المعروفة. بدونها، لا يمكن تحديد نطاق %α المتوقع لتركيبة تلك السبيكة.

الشكل 5. مقارنة %α في أقسام مختلفة من فرن التجانس ضعيف الأداء.