اصل همگن سازی بیلت های آلومینیوم 6060

اگر خواص مکانیکی اکستروژن‌ها مطابق انتظار نباشد، معمولاً توجه به ترکیب اولیه بیلت یا شرایط اکستروژن/پیرسازی معطوف می‌شود. افراد کمی این سوال را مطرح می‌کنند که آیا خود همگن‌سازی می‌تواند یک مشکل باشد یا خیر. در واقع، مرحله همگن‌سازی برای تولید اکستروژن‌های با کیفیت بالا بسیار مهم است. عدم کنترل صحیح مرحله همگن‌سازی ممکن است منجر به موارد زیر شود:

● افزایش فشار شکست

● نقص‌های بیشتر

● بافت‌های رگه‌دار پس از آنودایزینگ

● سرعت اکستروژن کمتر

● خواص مکانیکی ضعیف

مرحله همگن‌سازی دو هدف اصلی دارد: تصفیه ترکیبات بین فلزی حاوی آهن، و توزیع مجدد منیزیم (Mg) و سیلیکون (Si). با بررسی ریزساختار بیلت قبل و بعد از همگن‌سازی، می‌توان پیش‌بینی کرد که آیا بیلت در طول اکستروژن عملکرد خوبی خواهد داشت یا خیر.

تأثیر همگن‌سازی بیلت بر سخت شدن

در اکستروژن‌های 6XXX، استحکام از فازهای غنی از منیزیم و سیلیسیم که در طول پیرسازی تشکیل می‌شوند، حاصل می‌شود. توانایی تشکیل این فازها به قرار دادن عناصر در محلول جامد قبل از شروع پیرسازی بستگی دارد. برای اینکه منیزیم و سیلیسیم در نهایت به بخشی از محلول جامد تبدیل شوند، فلز باید به سرعت از بالای 530 درجه سانتیگراد سرد شود. در دماهای بالاتر از این نقطه، منیزیم و سیلیسیم به طور طبیعی در آلومینیوم حل می‌شوند. با این حال، در طول اکستروژن، فلز فقط برای مدت کوتاهی بالاتر از این دما باقی می‌ماند. برای اطمینان از حل شدن کامل منیزیم و سیلیسیم، ذرات منیزیم و سیلیسیم باید نسبتاً کوچک باشند. متأسفانه، در طول ریخته‌گری، منیزیم و سیلیسیم به صورت بلوک‌های نسبتاً بزرگ Mg₂Si رسوب می‌کنند (شکل 1a).

یک چرخه همگن‌سازی معمول برای شمش‌های ۶۰۶۰، دمای ۵۶۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۲ ساعت است. در طول این فرآیند، از آنجایی که شمش برای مدت طولانی بالای ۵۳۰ درجه سانتی‌گراد باقی می‌ماند، Mg₂Si حل می‌شود. پس از خنک شدن، دوباره با توزیع بسیار ریزتری رسوب می‌کند (شکل ۱c). اگر دمای همگن‌سازی به اندازه کافی بالا نباشد یا زمان خیلی کوتاه باشد، برخی از ذرات بزرگ Mg₂Si باقی می‌مانند. وقتی این اتفاق می‌افتد، محلول جامد پس از اکستروژن حاوی Mg و Si کمتری است و تشکیل چگالی بالای رسوبات سخت‌کننده را غیرممکن می‌کند - که منجر به کاهش خواص مکانیکی می‌شود.

شکل 1. تصاویر میکروسکوپ نوری از شمش‌های 6060 صیقل داده شده و 2% اچ شده با HF: (الف) به صورت ریخته‌گری شده، (ب) تا حدی همگن شده، (ج) کاملاً همگن شده.

نقش همگن‌سازی بر ترکیبات بین‌فلزی حاوی آهن

آهن (Fe) تأثیر بیشتری بر چقرمگی شکست نسبت به استحکام دارد. در آلیاژهای 6XXX، فازهای Fe در حین ریخته‌گری تمایل به تشکیل فاز β (Al₅(FeMn)Si یا Al₈.₉(FeMn)₂Si₂) دارند. این فازها بزرگ و زاویه‌دار هستند و در اکستروژن اختلال ایجاد می‌کنند (در شکل 2a برجسته شده‌اند). در حین همگن‌سازی، عناصر سنگین (Fe، Mn و غیره) پخش می‌شوند و فازهای زاویه‌دار بزرگ، کوچک‌تر و گردتر می‌شوند (شکل 2b).

تنها از طریق تصاویر نوری، تشخیص فازهای مختلف دشوار است و تعیین کمیت آنها به طور قابل اعتمادی غیرممکن است. در Innoval، ما همگن‌سازی بیلت را با استفاده از روش تشخیص و طبقه‌بندی ویژگی‌های داخلی (FDC) خود، که مقدار %α را برای بیلت‌ها ارائه می‌دهد، تعیین می‌کنیم. این امر ما را قادر می‌سازد تا کیفیت همگن‌سازی را ارزیابی کنیم.

شکل 2. تصاویر میکروسکوپ نوری از بیلت‌ها (الف) قبل و (ب) پس از همگن‌سازی.

روش تشخیص و طبقه‌بندی ویژگی (FDC)

شکل 3a یک نمونه صیقل داده شده را نشان می‌دهد که توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) آنالیز شده است. سپس یک تکنیک آستانه‌گذاری خاکستری برای جداسازی و شناسایی ترکیبات بین فلزی که در شکل 3b سفید به نظر می‌رسند، اعمال می‌شود. این تکنیک امکان تجزیه و تحلیل نواحی تا 1 میلی‌متر مربع را فراهم می‌کند، به این معنی که بیش از 1000 ویژگی منفرد را می‌توان به طور همزمان تجزیه و تحلیل کرد.

شکل 3. (الف) تصویر الکترونی پس‌پراکنده از شمش 6060 همگن‌شده، (ب) ویژگی‌های منحصر به فرد شناسایی شده از (الف).

ترکیب ذرات

سیستم Innoval مجهز به یک آشکارساز اشعه ایکس با پراکندگی انرژی (EDX) مدل Oxford Instruments Xplore 30 است. این امر امکان جمع‌آوری سریع و خودکار طیف‌های EDX از هر نقطه شناسایی شده را فراهم می‌کند. از روی این طیف‌ها، می‌توان ترکیب ذرات را تعیین کرد و نسبت نسبی Fe:Si را استنباط نمود.

بسته به میزان منگنز یا کروم آلیاژ، عناصر سنگین دیگری نیز ممکن است در آن گنجانده شوند. برای برخی از آلیاژهای 6XXX (گاهی اوقات با منگنز قابل توجه)، نسبت (Fe+Mn):Si به عنوان مرجع استفاده می‌شود. سپس می‌توان این نسبت‌ها را با نسبت‌های ترکیبات بین فلزی حاوی آهن مقایسه کرد.

فاز β (Al₅(FeMn)Si یا Al₈.₉(FeMn)₂Si₂): نسبت (Fe+Mn):Si ≈ ۲. فاز α (Al₁₂(FeMn)₃Si یا Al₈.₃(FeMn)₂Si): نسبت ≈ ۴-۶، بسته به ترکیب. نرم‌افزار سفارشی ما به ما این امکان را می‌دهد که یک آستانه تعیین کنیم و هر ذره را به عنوان α یا β طبقه‌بندی کنیم، سپس موقعیت آنها را در ریزساختار ترسیم کنیم (شکل ۴). این درصد تقریبی α تبدیل شده در شمش همگن شده را نشان می‌دهد.

شکل 4. (الف) نقشه‌ای که ذرات طبقه‌بندی‌شده‌ی α و β را نشان می‌دهد، (ب) نمودار پراکندگی نسبت‌های (Fe+Mn):Si.

داده‌ها چه چیزی می‌توانند به ما بگویند؟

شکل ۵ نمونه‌ای از نحوه استفاده از این اطلاعات را نشان می‌دهد. در این حالت، نتایج نشان‌دهنده گرمایش غیر یکنواخت در یک کوره خاص یا احتمالاً عدم دستیابی به دمای تعیین‌شده است. برای ارزیابی صحیح چنین مواردی، هم شمش آزمایشی و هم شمش‌های مرجع با کیفیت شناخته‌شده مورد نیاز است. بدون این موارد، محدوده %α مورد انتظار برای آن ترکیب آلیاژ قابل تعیین نیست.

شکل ۵. مقایسه‌ی درصد α در بخش‌های مختلف یک کوره‌ی همگن‌سازی با عملکرد ضعیف.