سبيكة الألومنيوم 6063 هي سبيكة ألومنيوم منخفضة السبائك، قابلة للمعالجة حرارياً من سلسلة Al-Mg-Si. تتميز بأداء ممتاز في البثق، ومقاومة ممتازة للتآكل، وخصائص ميكانيكية شاملة. كما تُستخدم على نطاق واسع في صناعة السيارات بفضل سهولة تلوينها بالأكسدة. مع تسارع وتيرة السيارات خفيفة الوزن، ازداد استخدام مواد البثق من سبيكة الألومنيوم 6063 في صناعة السيارات.
تتأثر البنية الدقيقة وخصائص المواد المبثوقة بالتأثيرات المشتركة لسرعة البثق، ودرجة حرارة البثق، ونسبة البثق. من بين هذه العوامل، تُحدد نسبة البثق بشكل رئيسي بضغط البثق، وكفاءة الإنتاج، ومعدات الإنتاج. عندما تكون نسبة البثق صغيرة، يكون تشوه السبائك ضئيلاً، ولا يكون تحسين البنية الدقيقة واضحاً؛ أما زيادة نسبة البثق فيمكن أن تُحسّن الحبيبات بشكل ملحوظ، وتُكسر المرحلة الثانية الخشنة، وتحصل على بنية دقيقة موحدة، وتُحسّن الخصائص الميكانيكية للسبائك.
تخضع سبائك الألومنيوم 6061 و6063 لإعادة تبلور ديناميكية أثناء عملية البثق. عند ثبات درجة حرارة البثق، ومع زيادة نسبة البثق، يتناقص حجم الحبيبات، وتتشتت مرحلة التقوية بدقة، وتزداد قوة الشد واستطالة السبيكة تبعًا لذلك. ومع ذلك، مع زيادة نسبة البثق، تزداد أيضًا قوة البثق اللازمة لعملية البثق، مما يُسبب تأثيرًا حراريًا أكبر، ويؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة الداخلية للسبيكة، وانخفاض أداء المنتج. تدرس هذه التجربة تأثير نسبة البثق، وخاصةً نسبة البثق الكبيرة، على البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية لسبائك الألومنيوم 6063.
1 المواد والطرق التجريبية
المادة التجريبية هي سبيكة ألومنيوم 6063، ويوضح الجدول 1 تركيبها الكيميائي. الحجم الأصلي للسبيكة Φ55 مم × 165 مم، وتُعالج في قالب بثق بأبعاد Φ50 مم × 150 مم بعد معالجة تجانسية عند درجة حرارة 560 درجة مئوية لمدة 6 ساعات. تُسخّن القالب إلى 470 درجة مئوية وتُحفظ دافئة. درجة حرارة التسخين المسبق لأسطوانة البثق 420 درجة مئوية، ودرجة حرارة التسخين المسبق للقالب 450 درجة مئوية. عندما تظل سرعة البثق (سرعة تحريك قضيب البثق) V=5 مم/ثانية دون تغيير، يتم إجراء 5 مجموعات من اختبارات نسبة البثق المختلفة، ونسب البثق R هي 17 (المقابلة لقطر ثقب القالب D=12 مم)، 25 (D=10 مم)، 39 (D=8 مم)، 69 (D=6 مم)، و156 (D=4 مم).
الجدول 1 التركيبات الكيميائية لسبائك الألومنيوم 6063 (الوزن/%)
بعد طحن ورق الصنفرة والتلميع الميكانيكي، حُفرت العينات المعدنية باستخدام كاشف HF بنسبة حجمية 40% لمدة 25 ثانية تقريبًا، ورُصدت البنية المعدنية للعينات باستخدام مجهر ضوئي LEICA-5000. قُطعت عينة تحليل نسيج بحجم 10 مم × 10 مم من مركز المقطع الطولي للقضيب المبثوق، وأُجريت عمليات طحن وحفر ميكانيكية لإزالة طبقة الإجهاد السطحية. قيست الأشكال غير المكتملة للأقطاب للمستويات البلورية الثلاثة {111} و{200} و{220} للعينة باستخدام جهاز تحليل حيود الأشعة السينية X′Pert Pro MRD من شركة PANalytical، وعولجت بيانات النسيج وحللت باستخدام برنامجي X′Pert Data View وX′Pert Texture.
أُخذت عينة الشد من سبيكة الصب من مركز السبيكة، وقُطعت على طول اتجاه البثق بعد البثق. كان حجم مساحة القياس Φ4 مم × 28 مم. أُجري اختبار الشد باستخدام آلة اختبار المواد الشاملة SANS CMT5105 بمعدل شد 2 مم/دقيقة. حُسب متوسط قيمة العينات القياسية الثلاث كبيانات للخواص الميكانيكية. وُضعت مورفولوجيا الكسر لعينات الشد باستخدام مجهر إلكتروني ماسح منخفض التكبير (Quanta 2000، FEI، الولايات المتحدة الأمريكية).
2 النتائج والمناقشة
يوضح الشكل 1 البنية المجهرية المعدنية لسبائك الألومنيوم 6063 المصبوبة قبل وبعد عملية التجانس. كما هو موضح في الشكل 1أ، تختلف حبيبات α-Al في البنية المجهرية المصبوبة، ويتجمع عدد كبير من أطوار β-Al9Fe2Si2 الشبكية عند حدود الحبيبات، ويوجد عدد كبير من أطوار Mg2Si الحبيبية داخل الحبيبات. بعد تجانس السبيكة عند درجة حرارة 560 درجة مئوية لمدة 6 ساعات، ذاب الطور الأتكتيكي غير المتوازن بين شجيرات السبيكة تدريجيًا، وذابت عناصر السبيكة في المصفوفة، وكانت البنية المجهرية موحدة، وكان متوسط حجم الحبيبات حوالي 125 ميكرومتر (الشكل 1ب).
قبل التجانس
بعد معالجة التوحيد عند 600 درجة مئوية لمدة 6 ساعات
الشكل 1 التركيب المعدني لسبائك الألومنيوم 6063 قبل وبعد معالجة التجانس
يوضح الشكل 2 مظهر قضبان سبائك الألومنيوم 6063 بنسب بثق مختلفة. وكما هو موضح في الشكل 2، فإن جودة سطح قضبان سبائك الألومنيوم 6063 المبثوقة بنسب بثق مختلفة جيدة، وخاصةً عند زيادة نسبة البثق إلى 156 (أي ما يعادل سرعة مخرج بثق القضيب البالغة 48 مترًا في الدقيقة)، ولا توجد أي عيوب بثق مثل التشققات والتقشر على سطح القضيب، مما يشير إلى أن سبائك الألومنيوم 6063 تتميز أيضًا بأداء تشكيل بثق ساخن جيد في سرعات عالية ونسبة بثق كبيرة.
الشكل 2 مظهر قضبان سبائك الألومنيوم 6063 بنسب بثق مختلفة
يوضح الشكل 3 البنية المجهرية المعدنية للمقطع الطولي لقضيب سبيكة الألومنيوم 6063 بنسب بثق مختلفة. يُظهر هيكل حبيبات القضيب بنسب بثق مختلفة درجات مختلفة من الاستطالة أو الصقل. عندما تكون نسبة البثق 17، تتمدد الحبيبات الأصلية على طول اتجاه البثق، مصحوبة بتكوين عدد قليل من الحبيبات المُعاد تبلورها، إلا أن الحبيبات لا تزال خشنة نسبيًا، بمتوسط حجم حبيبات يبلغ حوالي 85 ميكرومتر (الشكل 3أ)؛ عندما تكون نسبة البثق 25، تُسحب الحبيبات بشكل أنحف، ويزداد عدد الحبيبات المُعاد تبلورها، وينخفض متوسط حجم الحبيبات إلى حوالي 71 ميكرومتر (الشكل 3ب). عندما تكون نسبة البثق 39، باستثناء عدد قليل من الحبوب المشوهة، تتكون البنية الدقيقة بشكل أساسي من حبيبات مُعاد تبلورها متساوية المحاور ذات حجم غير متساوٍ، بمتوسط حجم حبيبات يبلغ حوالي 60 ميكرومتر (الشكل 3ج)؛ عندما تكون نسبة البثق 69، تكتمل عملية إعادة التبلور الديناميكية بشكل أساسي، حيث تتحول الحبيبات الأصلية الخشنة تمامًا إلى حبيبات مُعاد تبلورها ذات بنية موحدة، ويتم تحسين متوسط حجم الحبيبات إلى حوالي 41 ميكرومتر (الشكل 3د)؛ عندما تكون نسبة البثق 156، مع التقدم الكامل لعملية إعادة التبلور الديناميكية، تكون البنية الدقيقة أكثر اتساقًا، ويتم تحسين حجم الحبيبات بشكل كبير إلى حوالي 32 ميكرومتر (الشكل 3هـ). مع زيادة نسبة البثق، تستمر عملية إعادة التبلور الديناميكية بشكل أكثر اكتمالًا، وتصبح البنية الدقيقة للسبائك أكثر اتساقًا، ويتم تحسين حجم الحبيبات بشكل كبير (الشكل 3و).
الشكل 3: التركيب المعدني وحجم حبيبات المقطع الطولي لقضبان سبائك الألومنيوم 6063 بنسب بثق مختلفة
يوضح الشكل 4 أشكال الأقطاب العكسية لقضبان سبائك الألومنيوم 6063 ذات نسب البثق المختلفة على طول اتجاه البثق. يمكن ملاحظة أن البنى الدقيقة لقضبان السبائك ذات نسب البثق المختلفة تنتج جميعها اتجاهًا تفضيليًا واضحًا. عندما تكون نسبة البثق 17، يتشكل نسيج أضعف <115>+<100> (الشكل 4أ)؛ عندما تكون نسبة البثق 39، تكون مكونات النسيج بشكل أساسي هي النسيج الأقوى <100> وكمية صغيرة من النسيج الضعيف <115> (الشكل 4ب)؛ عندما تكون نسبة البثق 156، تكون مكونات النسيج هي النسيج <100> ذو القوة المتزايدة بشكل كبير، بينما يختفي النسيج <115> (الشكل 4ج). أظهرت الدراسات أن المعادن المكعبة ذات مركز الوجه تشكل بشكل أساسي نسيجًا سلكيًا <111> و<100> أثناء البثق والرسم. بمجرد تكوين النسيج، تُظهر الخصائص الميكانيكية للسبائك في درجة حرارة الغرفة تباينًا واضحًا. تزداد قوة الملمس مع زيادة نسبة البثق، مما يشير إلى أن عدد الحبيبات في اتجاه بلوري معين موازٍ لاتجاه البثق في السبيكة يزداد تدريجيًا، وتزداد قوة الشد الطولية للسبيكة. تشمل آليات تقوية مواد البثق الساخن المصنوعة من سبائك الألومنيوم 6063 تقوية الحبيبات الدقيقة، وتقوية الخلع، وتقوية الملمس، وغيرها. ضمن نطاق معايير العملية المستخدمة في هذه الدراسة التجريبية، فإن زيادة نسبة البثق لها تأثير إيجابي على آليات التقوية المذكورة أعلاه.
الشكل 4 مخطط القطب العكسي لقضبان سبائك الألومنيوم 6063 بنسب بثق مختلفة على طول اتجاه البثق
الشكل 5 هو رسم بياني لخصائص الشد لسبائك الألومنيوم 6063 بعد التشوه بنسب بثق مختلفة. تبلغ قوة الشد للسبائك المصبوبة 170 ميجا باسكال، ونسبة الاستطالة 10.4%. وقد تحسنت قوة الشد والاستطالة للسبائك بشكل ملحوظ بعد البثق، وتزداد تدريجيًا مع زيادة نسبة البثق. عند نسبة البثق 156، تصل قوة الشد والاستطالة للسبائك إلى أقصى قيمة لها، وهي 228 ميجا باسكال و26.9% على التوالي، أي أعلى بنحو 34% من قوة الشد للسبائك المصبوبة وأعلى بنحو 158% من نسبة الاستطالة. قوة الشد لسبائك الألومنيوم 6063، التي تم الحصول عليها بنسبة بثق عالية، قريبة من قيمة قوة الشد (240 ميجا باسكال) التي تم الحصول عليها بواسطة البثق الزاوي بأربعة مسارات (ECAP)، وهي أعلى بكثير من قيمة قوة الشد (171.1 ميجا باسكال) التي تم الحصول عليها بواسطة البثق الزاوي بمسار واحد (ECAP) لسبائك الألومنيوم 6063. ويمكن ملاحظة أن نسبة البثق العالية يمكن أن تحسن الخصائص الميكانيكية للسبائك إلى حد ما.
يُعزى تحسين الخواص الميكانيكية للسبائك بنسبة البثق بشكل رئيسي إلى تقوية حبيبات التكرير. مع زيادة نسبة البثق، تُصقل الحبيبات وتزداد كثافة الخلع. يمكن لزيادة حدود الحبيبات في وحدة المساحة أن تعيق حركة الخلع بشكل فعال، بالإضافة إلى الحركة المتبادلة وتشابكها، مما يُحسّن متانة السبائك. كلما كانت الحبيبات أدق، زادت التواءات حدود الحبيبات، ويمكن تشتيت التشوه اللدن في حبيبات أكثر، مما يمنع تكوين الشقوق، ناهيك عن انتشارها. يمكن امتصاص المزيد من الطاقة أثناء عملية الكسر، مما يُحسّن لدونة السبائك.
الشكل 5 خصائص الشد لسبائك الألومنيوم 6063 بعد الصب والبثق
يوضح الشكل 6 مورفولوجيا كسر الشد للسبائك بعد التشوه بنسب بثق مختلفة. لم يتم العثور على أي غمازات في مورفولوجيا كسر العينة المصبوبة (الشكل 6أ)، وكان الكسر يتكون بشكل أساسي من مساحات مسطحة وحواف ممزقة، مما يشير إلى أن آلية كسر الشد للسبائك المصبوبة كانت في الغالب كسرًا هشًا. لقد تغير مورفولوجيا كسر السبائك بعد البثق بشكل كبير، ويتكون الكسر من عدد كبير من الغمازات متساوية المحاور، مما يشير إلى أن آلية كسر السبائك بعد البثق قد تغيرت من كسر هش إلى كسر مطيل. عندما تكون نسبة البثق صغيرة، تكون الغمازات ضحلة وحجم الغمازة كبيرًا، ويكون التوزيع غير متساوٍ؛ ومع زيادة نسبة البثق، يزداد عدد الغمازات، ويصغر حجم الغمازة ويكون التوزيع موحدًا (الشكل 6ب~و)، مما يعني أن السبائك تتمتع بلدونة أفضل، وهو ما يتوافق مع نتائج اختبار الخصائص الميكانيكية أعلاه.
3 الخاتمة
في هذه التجربة، تم تحليل تأثير نسب البثق المختلفة على البنية الدقيقة وخصائص سبيكة الألومنيوم 6063، مع ثبات حجم الكتلة ودرجة حرارة تسخين السبيكة وسرعة البثق. وكانت الاستنتاجات كما يلي:
١) تحدث إعادة التبلور الديناميكي في سبيكة الألومنيوم ٦٠٦٣ أثناء عملية البثق الساخن. مع زيادة نسبة البثق، تُصقل الحبيبات باستمرار، وتتحول الحبيبات الممتدة على طول اتجاه البثق إلى حبيبات مُعاد تبلورها متساوية المحاور، مما يزيد من متانة نسيج السلك <١٠٠> باستمرار.
٢) بفضل تأثير تقوية الحبيبات الدقيقة، تتحسن الخواص الميكانيكية للسبائك بزيادة نسبة البثق. ضمن نطاق معايير الاختبار، عندما تكون نسبة البثق ١٥٦، تصل قوة الشد واستطالة السبيكة إلى أقصى قيمتين، ٢٢٨ ميجا باسكال و٢٦.٩٪، على التوالي.
الشكل 6 مورفولوجيات الكسر الشد لسبائك الألومنيوم 6063 بعد الصب والبثق
٣) يتكون شكل الكسر في العينة المصبوبة من مساحات مسطحة وحواف ممزقة. بعد البثق، يتكون الكسر من عدد كبير من الغمازات متساوية المحاور، وتتحول آلية الكسر من كسر هش إلى كسر مطيل.
وقت النشر: 30 نوفمبر 2024
