بهبود ضریب انتقال حرارت
دسامبر 26, 2021
آلومینیوم در ساختمان سازی
دسامبر 26, 2021
اکستروژن
اکستروژن روشی برای تغییر شکل مواد به منظور کاهش ضخامت یا سطح مقطع آنها است که در نتیجه آن، قطعاتی با سطح مقطع صاف و عمودی تولید می‌شوند. جهت انجام فرایند اکستروژن، ماده اولیه موردنظر، به درون قالب اکستروژن که سطح مقطع موردنظر روی آن ایجادشده‌است، فشرده می‌شود و در نتیجه، قطعه اکسترود شده با سطح مقطع قالب تولید می‌شود. دو مزیت این فرایند، نسبت به دیگر روش‌های شکل‌دهی، قابلیت بالا در تولید قطعاتی با سطح مقطع پیچیده و همچنین شکل‌دهی مواد ترد و شکننده است، زیرا ماده در این روش، تنها تحت فشار و تنش برشی قرار می‌گیرد. این روش همچنین قطعاتی، با سطح مقطع بسیار باکیفیت و صاف ایجاد میکند و باعث استحکام بیشتر مواد می‌شود. انواع موادی که اکستروژن روی آنها انجام می‌شود عبارتند از: فلزات، پلیمرها، سرامیک‌ها و مواد غذایی و …
در مورد آلومینیوم اکستروژن آلیاژهای مختلف دارای شرایط و ویژگی هایی متفاوت است. در مقاله پیش رو به اکستروژن آلیاژهای سری 6000 که کاربری بیشتری در صنعت ساختمان سازی دارند، پرداخته شده است.
اکستروژن آلیاژهای سری 6000
آلیاژهای سری 6000 آلیاژهای آلومینیوم گرمادیده (تحت گرما/ heat-treatable) هستند که استحکام آن ها بیشتر طی فرآیندهای حرارتی بهبود داده شده است تا تغییرشکل مکانیکی.
نقش منیزیم و سیلیسیم
عناصر اصلی آلیاژهای سری 6000، منیزیم (Mg) و سیلیکون (Si) هستند که رسوبات Mg2Si را تشکیل می دهند.
این رسوبات در چندین شکل رخ می دهند که می توانند به سه دسته زیر تقسیم شوند:
الف) β”Mg2Si: کوچکترین نوع از رسوب Mg2Si است که میله ای شکل بوده و بیشتر در زمانی که پراکندگی آن چگال باشد در ویژگی های مکانیکی شرکت می ورزد.
ب) βʹMg2Si: ورژن (نسخه) بزرگتری از رسوبات میله ای شکل هستند که در گروه “β رشد پیدا میکنند رسوبات ʹβ نقش قابل صرفنظری در ویژگی های مکانیکی دارند.
ج) βMg2Si: بزرگترین رسوبات βMg2Si بوده که مکعبی شکل است و به خاطر سایزش هیچ نقشی در ویژگی های مکانیکی ایفا نمی کند.
نقش این رسوبات در بخش “چرخه حرارتی آلیاژهای سری 6000” توضیح داده خواهد شد.بیشتر آلیاژها به نحوی طراحی شده اند که دارای مقادیر متعادلی از Mg و Si باشند. شکل1 یک خط جداکننده را برای یک ترکیب متعادل نشان می دهد، با این فرض که مقدار آهن در این آلیاژها 0.16% باشد. (تغییر میزان آهن، شیب این خط را تغییر خواهد داد)
آلیاژهایی با مقدار Si بیشتر به آلیاژهایی با مقدار Mg بیشتر ترجیح داده می شوند، زیرا:
– Mg بیشتر چیزی به خواص مکانیکی نهایی محصول اضافه نمی کند.
– Mg بیشتر باعث افزایش استرس در آلیاژ شده و اکسترود را برای آن مشکل می کند.
– Si بیشتر به واکنش پیرسختی کمک کرده و درنتیجه استحکام محصول نهایی را افزایش می دهد.
این رسوبات در چندین شکل رخ می دهند که می توانند به سه دسته زیر تقسیم شوند:
الف) β”Mg2Si: کوچکترین نوع از رسوب Mg2Si است که میله ای شکل بوده و بیشتر در زمانی که پراکندگی آن چگال باشد در ویژگی های مکانیکی شرکت می ورزد.
ب) βʹMg2Si: ورژن (نسخه) بزرگتری از رسوبات میله ای شکل هستند که در گروه “β رشد پیدا میکنند رسوبات ʹβ نقش قابل صرفنظری در ویژگی های مکانیکی دارند.
ج) βMg2Si: بزرگترین رسوبات βMg2Si بوده که مکعبی شکل است و به خاطر سایزش هیچ نقشی در ویژگی های مکانیکی ایفا نمی کند.
نقش این رسوبات در بخش “چرخه حرارتی آلیاژهای سری 6000” توضیح داده خواهد شد.بیشتر آلیاژها به نحوی طراحی شده اند که دارای مقادیر متعادلی از Mg و Si باشند. شکل1 یک خط جداکننده را برای یک ترکیب متعادل نشان می دهد، با این فرض که مقدار آهن در این آلیاژها 0.16% باشد. (تغییر میزان آهن، شیب این خط را تغییر خواهد داد)
آلیاژهایی با مقدار Si بیشتر به آلیاژهایی با مقدار Mg بیشتر ترجیح داده می شوند، زیرا:
– Mg بیشتر چیزی به خواص مکانیکی نهایی محصول اضافه نمی کند.
– Mg بیشتر باعث افزایش استرس در آلیاژ شده و اکسترود را برای آن مشکل می کند.
– Si بیشتر به واکنش پیرسختی کمک کرده و درنتیجه استحکام محصول نهایی را افزایش می دهد.
- شکل 1. نمودار میزان منیزیم و سیلیسیم (درصد) در آلیاژهای اکستروژن سری 6000
نقش سایر عناصر
آهن
آهن (Fe) نیز در آلیاژها موجود بوده و با سیلیکون و آلومینیوم ترکیب می شود تا میان فلزی* AlFeSi را تشکیل دهد. این میان فلزها تاثیری در استحکام آلیاژ ندارند ولی اگر به درستی پردازش نشوند، تاثیر مخربی بر روی قابلیت اکسترود آلیاژ خواهند داشت. کنترل میزان دقیق آهن در پردازش سطح نهایی آلیاژهای سری 6000 مهم می باشد.
مقادیر متفاوت از آهن منجر به واکنش رنگی متفاوت طی آنادایزینگ خواهد شد. همچنین آهن به عنوان کاهنده رسانایی نیز شناخته شده است.
* میان فلزی به ترکیبات و فازهایی گفته می‌شود که از دو یا چند فلز گوناگون تشکیل‌شده و ساختار بلوری‌شان متفاوت از عناصر تشکیل‌دهنده‌شان باشد
مقادیر متفاوت از آهن منجر به واکنش رنگی متفاوت طی آنادایزینگ خواهد شد. همچنین آهن به عنوان کاهنده رسانایی نیز شناخته شده است.
* میان فلزی به ترکیبات و فازهایی گفته می‌شود که از دو یا چند فلز گوناگون تشکیل‌شده و ساختار بلوری‌شان متفاوت از عناصر تشکیل‌دهنده‌شان باشد
منگنز
بسیاری از موارد در آلیاژهای سری 6000 شامل منگنز (Mn) می باشند. به طور مثال می توان از کاهش زمان همگن سازی با تغییر βAlFeSi به αAlFeSi و جلوگیری از رشد دانه های درشت طی عملیات حرارتی پس از اکستروژن در آلیاژهایی با مقاومت بالا مثل 6061 و 6082 نام برد. یکی از مزایای دیگر بهبود شکست چقرمگی می باشد، چرا که با افزودن منگنز از هسته زایی سیلیکون در مرزهای دانه ای که منجر به شکنندگی ماده می شود، جلوگیری می گردد. در آلیاژهای مقاوم تر سری 6000 که مقدار منگنز افزایش قابل توجهی پیدا کرده (بیش از 0.1%)، اثرات مخرب منگنز از قبیل افزایش جریان استرس بیلت موجب کاهش قابلیت اکسترود و همچنین افزایش حساسیت کوئنچ می شود.
کروم
کروم (Cr) همانند منگنز عمل کرده اما اثر آن در حساسیت کوئنچ بیشتر است.
مس
افزودن مس (Cu) می تواند رسانایی و قابلیت ماشین کاری آلیاژ اکسترود شده را بهبود بخشیده و اثر مخرب ذخیره سازی دمای اتاق بر خواص مکانیکی آلیاژهای با مقاومت بالا که پیرسختی مصنوعی داشته اند (بویژه 6061) را خنثی کند. مقاومت در برابر خوردگی اکستروژن سری 6000 زمانی که میزان مس بیش از 0.2% باشد کاهش خواهد یافت.
روی
برای روی (Zn) هیچ اثر مخربی در ویژگی های مکانیکی آلیاژهای سری 6000 شناخته نشده است. اگرچه در مقادیر بیش از 0.03% روی می تواند فرآیند آنادایزینگ را دچار تاثیر etching که با نام spangle (پولکی) شناخته می شود، کند.
جدول1. تاثیر عناصر سازنده آلیاژ بر ویژگی ها و خواص آلیاژهای سری 6000
چرخه حرارتی آلیاژهای سری 6000
– محلول سازی طی اکستروژن یا عملیات حرارتی محلول
– پس از آن کوئنچ کردن به میزانی که به آلیاژ وابسته است و
– سپس پیرسختی سریع.
حداکثر خواص مکانیکی بدون کنترل دقیق دما که ویژگی های Mg2Si را طی فرآیند تنظیم می کند، قابل دستیابی نیست. نمودار دما-زمان زیر یک راه عملی در معرفی مراحل اکستروژن و نقش Mg و Si در آن مراحل است.
اکستروژن آلیاژهای سری 6000 در چرخه عملیات حرارتی زیر به بیشترین میزان استحکام دست پیدا می کند:
شکل2. نمودار دما-زمان
ریخته گری (قالب گیری)
دو روش منجمد سازی در ریخته گری برای تولید بیلت های اکستروژن مورد استفاده قرار می گیرند، عمودی و افقی. متداولترین روش تولید بیلت های اکستروژن، ریخته گری منجمد مستقیم عمودی (VDC) می باشد. ریخته گری VDC می تواند مقادیر بیشتری از بیلت اکستروژن با قطر بزرگ، به همراه میکروساختارهای یکنواخت تری را نسبت به روش افقی تولید کند. ریخته گری های HDC در کاربردهایی با مقیاس کوچکتر معمولا مورد استفاده بوده تا بیلت هایی با قطر کوچکتر تولید کنند. شماتیک فرآیند در شکل زیر به نمایش درآمده است:
شکل 3. روش HDC و VDC
در طی فرآیند ریخته گری VDC، آلومینیوم مذاب درون یک یا چند قالب ریخته می شود که بر روی یک میز قرار گرفته و منطبق بر یک رام هیدرولیکی است. همانطور که فلز مذاب در این قالب ها جریان می یابد در دو مرحله به حالت جامد تبدیل می شود. مرحله اول که با عنوان خنک کننده اولیه شناخته می شود شامل جامد شدن آلومینیوم توسط دیواره سرد (خنک شده) قالب می باشد. این مسئله یک پوسته جامد از آلومینیوم را اطراف یک هسته نیمه مذاب تشکیل می دهد. همانطور که پوسته جامد شکل می گیرد، رام قالب را به پایین میفرستد و پوسته در تماس با یک دیواره از آب قرار می گیرد و این آغاز مرحله دوم از جامد شدن است. در حین مرحله دوم سردسازی، فلز در طول مقطع بیلت به طور کامل جامد می شود. این فرایند می تواند با توجه به مشخصات و ظرفیت ذوب، چندین بیلت را با طول های پیوسته (مثلا تا 7 متر) تولید کند. به طور متداول چندین نوع قالب VDC مورد استفاده قرار می گیرند: قالب شناور معمولی، قالب تحت فشار هوا و قالب هایی بین آن ها که نه از شناورها و نه از هوا استفاده نمی کنند. در روش قالب شناور از یک سرامیک شناور (شناور سرامیک) برای کنترل سطح فلز در قالب استفاده شده و فلز در تماس مستقیم با دیواره قالب قرار می گیرد. روش های تحت فشار از یک شناور استفاده نکرده بلکه دارای یک بالشتک هوا می باشند که تماس فلز با دیواره قالب را محدود می کند. این روش مزیت های متعددی دارد از قبیل اینکه سطح نهایی قالب گیری صاف تر بوده، خنک سازی اولیه به طور دقیق تر کنترل شده تا نواحی جدایی باریکتری را نتیجه دهد که درنهایت برای عملیات اکستروژن مفید است. مرحله دوم خنک سازی نیز توزیع فازهای میان فلزی و ساختار دانه ای یکنواخت تر و ظریف تری را نتیجه می دهد.
شکل 4. سطوح نهایی و میکروساختارهای دو حالت تحت فشار هوا و قالب شناور
همگن سازی
قالب اولیه بیلت، آلومینیوم جامد بوده که منیزیم و سیلیکون در آن محلول هستند همچنین شبکه ای از βAlFeSi در مرزهای دانه ای آن قرار گرفته اند. چرخه همگن سازی به طور خاص بدین منظور طراحی شده است که ساختار قالب اولیه بیلت را به حالتی تغییر دهد تا بتواند با سرعتی بالا اکسترود شده درحالیکه به سطح نهایی عالی و خواص مکانیکی مطلوبی دست پیدا کند. برای آلیاژهایی با مقاومت پایین از سری 6000 که دارای منگنز (Mn) هستند، یک چرخه همگن سازی معمول شامل گرم کردن بیلت تا C˚575 و رها کردن آن برای 2 تا 4 ساعت و سپس خنک کردن بیلت با یک نرخ کنترل شده طی محدوده های بحرانی C˚200 تا C˚450 می باشد. (شکل 6)
شکل 6. نمودار دما-زمان غوطه وری در همگن سازی
این عمل خنک سازی از تشکیل βMg2Si و βʹMg2Si در میکروساختارها که برای خواص مکانیکی نهایی اکستروژن مضر است، جلوگیری می کند. نرخ دقیق خنک سازی به نوع آلیاژ و قطر قالب بیلت وابسته است. (شکل 7)
شکل7. تاثیر نرخ سردسازی در همگن سازی
چرخه همگن سازی
– تغییر سختی میان فلزی βAlFeSi سوزن مانند (مضر برای کیفیت سطحی اکستروژن) به میان فلزی αAlFeSi که بیشتر کروی مانند است
– تضمین توزیع مساوی عناصر شیمیایی در فلز
– هسته زایی تعداد زیادی از رسوبات ریز β”Mg2Si و ʹβ پراکنده که براحتی طی اکستروژن حل می شوند.برای آلیاژهای سری 6000 که حاوی Mn بیشتر نیستند زمان نگهداری طولانی تری در چرخه همگن سازی نیاز می باشد تا βAlFeSi به αAlFeSi تبدیل شود. به طور معمول یک چرخه 4 تا 8 ساعتی در دمای 575 درجه سانتیگراد و فرآیند خنک سازی مشابه با آلیاژهای حاوی Mn نیاز می باشد
– تغییر سختی میان فلزی βAlFeSi سوزن مانند (مضر برای کیفیت سطحی اکستروژن) به میان فلزی αAlFeSi که بیشتر کروی مانند است
– تضمین توزیع مساوی عناصر شیمیایی در فلز
– هسته زایی تعداد زیادی از رسوبات ریز β”Mg2Si و ʹβ پراکنده که براحتی طی اکستروژن حل می شوند.برای آلیاژهای سری 6000 که حاوی Mn بیشتر نیستند زمان نگهداری طولانی تری در چرخه همگن سازی نیاز می باشد تا βAlFeSi به αAlFeSi تبدیل شود. به طور معمول یک چرخه 4 تا 8 ساعتی در دمای 575 درجه سانتیگراد و فرآیند خنک سازی مشابه با آلیاژهای حاوی Mn نیاز می باشد
پیش گرم
هدف از پیش گرم کردن بیلت ها در اکستروژن، کاهش استرس جریان آلیاژ است تا اجازه دهد اکستروژن در حداکثر سرعت و با حفظ کیفیت سطح نهایی و خواص مکانیکی انجام گیرد. دمای پیش گرم مورد استفاده باید برای حل کردن رسوبات βʹMg2Si طی اکستروژن کافی باشد. این امر تضمین می کند که خواص مکانیکی نهایی به شکل مطلوبی متعاقبا با کوئنچ کردن و پیرسختی مصنوعی حاصل خواهند شد.
دمای پیش گرم معمول برای آلیاژهای سری 6000 رقیق شده 4500 درجه سانتیگراد است اما این دما ممکن است بسته به پیچیدگی اکسترود مقطع، نوع آلیاژ و یا کیفیت سطحی/ خواص مکانیکی ویژه تغییر کند.
دو نوع متداول از کوره های پیش گرم، کوره های تونلی گازی و کوره های پیش گرم القای الکتریکی هستند. نوع دوم پیش گرم ها بسیار سریع عمل می کنند بطوریکه بیلت ها طی فقط چند دقیقه برای اکستروژن آماده می شوند. نرخ گرمایش سریع در نوع القایی باعث می شود که برای تغییر میکروساختارهای همگن شده در بیلت ها زمان کمتری نیاز باشد. اگرچه این ویژگی به نرخ خنک کردن همگن سازی در مرحله بعدی نیز وابسته می باشد اما بطور کلی می تواند تاثیر مخربی به روی فشار اکستروژن داشته (که بر سرعت حداکثر اکستروژن موثر خواهد بود) اما مزیت قابل توجهی در خواص مکانیکی نهایی دارد. میکروساختار همگن شده بطور عمده شامل رسوبات βʹMg2Si و مقداری Mg و Si محلول است.
دمای پیش گرم معمول برای آلیاژهای سری 6000 رقیق شده 4500 درجه سانتیگراد است اما این دما ممکن است بسته به پیچیدگی اکسترود مقطع، نوع آلیاژ و یا کیفیت سطحی/ خواص مکانیکی ویژه تغییر کند.
دو نوع متداول از کوره های پیش گرم، کوره های تونلی گازی و کوره های پیش گرم القای الکتریکی هستند. نوع دوم پیش گرم ها بسیار سریع عمل می کنند بطوریکه بیلت ها طی فقط چند دقیقه برای اکستروژن آماده می شوند. نرخ گرمایش سریع در نوع القایی باعث می شود که برای تغییر میکروساختارهای همگن شده در بیلت ها زمان کمتری نیاز باشد. اگرچه این ویژگی به نرخ خنک کردن همگن سازی در مرحله بعدی نیز وابسته می باشد اما بطور کلی می تواند تاثیر مخربی به روی فشار اکستروژن داشته (که بر سرعت حداکثر اکستروژن موثر خواهد بود) اما مزیت قابل توجهی در خواص مکانیکی نهایی دارد. میکروساختار همگن شده بطور عمده شامل رسوبات βʹMg2Si و مقداری Mg و Si محلول است.
شکل 9. میکروساختار بیلت پیش گرم شده
منیزیم و سیلیسیم محلول تنش جریان گرم در بیلت را افزایش داده بنابراین سرعت اکستروژن کاهش می یابد. با این حال گرم کردن سریع طی محدوده 450-200 درجه سانتیگراد مفید است چراکه از تشکیل رسوبات درشت βMg2Si جلوگیری می کند. βMg2Si به راحتی طی اکستروژن حل نمی شود و اجتناب از این مسئله دستیابی به خواص مکانیکی بهینه را ممکن می سازد. شکل 10 ارتباط بین نرخ گرم کردن و تشکیل βMg2Si را نشان می دهد.
شکل 10. نمودار نرخ پیش گرم و نواحی تشکیل βʹMg2Si و βMg2Si
هنگام استفاده از کوره های پیش گرم گازی، وضعیت تقریبا برعکس می گردد. نرخ گرمادهی آهسته تر باعث می شود که میکروساختارهای همگن شده تغییر کرده و Mg و Si از حالت محلول به شکل βʹMg2Si رسوب کنند که این مسئله تنش جریان گرم در بیلت را کاهش و سرعت اکستروژن را افزایش میدهد. جنبه منفی گرمایش گازی، کاهش احتمالی خواص مکانیکی نهایی است.
پیش گرمایش به تعویق افتاده یا آهسته می تواند βʹMg2Si را در نزدیکی دمای C˚400 زمخت کند. βMg2Si در حدود C˚400 شروع به تشکیل شدن می کند. βʹMg2Si زمخت به دمای خارجی بیشتری برای حل شدن نیاز دارد و βMg2Si طی اکستروژن حل نخواهد شد. مقدار باقیمانده Mg2Si محلول خواص مکانیکی بهینه را پس از پیرسختی مصنوعی کاهش می دهد. (شکل 11)
شکل 11. میکروساختار یک بیلت که تشکیل βʹMg2Si زمخت را در نتیجه تاخیر در پیش گرم گازی را نشان می دهد
اکستروژن
آلیاژهای سری 6000 حرارت دیده اکثرا از طریق فرآیند اکستروژن مستقیم، اکسترود می شوند.
شکل 12. فرآیند اکستروژن مستقیم؛ اجزای مختلف از نظر دما کد بندی رنگی شده اند.
اکستروژن مستقیم فرآیند اعمال نیروی هیدرولیکی بر یک بیلت که درون کانتینر درمیان دهانه یک قالب ثابت قرار گرفته، می باشد. بیلت های آلومینیوم تا دمای 500-450 درجه سانتیگراد (وابسته به آلیاژ، شکل و نسبت اکستروژن) گرم شده و درون کانتینر پیش گرم شده (470-420 درجه سانتیگراد) هدایت می گردند.
یک رام هیدرولیکی بیلت را از میان دهانه های قالب با فشاری تا 680MPa عبور می دهد. فلز داغ از میان قالب جریان یافته تا یک مقطع پیوسته مشابه با شکل دهانه قالب تولید کند. این شکل ها می توانند از حفره های پیچیده گرفته تا جامدات ساده متفاوت باشند.
یک رام هیدرولیکی بیلت را از میان دهانه های قالب با فشاری تا 680MPa عبور می دهد. فلز داغ از میان قالب جریان یافته تا یک مقطع پیوسته مشابه با شکل دهانه قالب تولید کند. این شکل ها می توانند از حفره های پیچیده گرفته تا جامدات ساده متفاوت باشند.
برخی از فاکتورهای اصلی موثر در فرآیند اکستروژن
– ظرفیت فشار
برای حداکثر بهره وری فشار، فشار اکستروژن نزدیک به حداکثر فشار جاری به کار گرفته می شود که معمولا منطبق با حداکثر سرعت است. شکل 13 رابطه بین چند متغیر در فرآیند اکستروژن و فشار اکستروژن در دسترس را نشان می دهد. مرز بین فشار کافی و ناکافی برای اکسترود از میان یک قالب داده شده در طیفی از سرعت اکستروژن و دمای بیلت، با یک خط نمایش داده شده است.
شکل 13. نمودار نشان دهنده ارتباط بین فشار اکستروژن و متغیرهای فرآیند.
این مرز ممکن است با استفاده از آلیاژ رقیق شده و یا بکارگیری فشار بیشتر به منظور حداکثر بهره وری به سمت چپ منتقل شود. آلیاژهای سخت، نسبت اکستروژن بالاتر یا اشکال پیچیده تر، مرز را به سمت راست حرکت میدهد. این مسئله پهنه A را گسترش داده و سرعت اکستروژن و تولید را در یک ظرفیت فشار مشخص کاهش می دهد. با استفاده از دمای بیشتر بیلت می توان کاهش سرعت اکستروژن را جبران کرد اما سایر متغیرها ممکن است افزایش دما را محدود کنند.
– کیفیت سطحی
نمودار دوم (شکل 14) رابطه بین سطح نهایی و متغیرهای فرآیند مرتبط با فشار که در شکل 13 نمایش داده شده را نشان می دهد. خط اضافه شده مرز بین سطح نهایی ضعیف و قابل قبول را در طیفی از سرعت اکستروژن و دمای بیلت نمایش می دهد. این مرز می تواند بوسیله آلیاژهای نرم به سمت راست حرکت کند و این باعث می شود که بدون خراب شدن سطح نهایی، به سرعت اکستروژن و دمای بیلت بیشتری دست یافت. اشکال پیچیده، نسبت اکستروژن بالا و آلیاژهای سخت این مرز را به سمت چپ حرکت می دهد و باعث کاهش پهنه B (اکسترود پذیری) می گردد. همچنین ممکن است این جابجایی در برخی اکستروژن ها باعث تخریب سطح از قبیل ذوب، بلند شدن یا پارگی سطح گردد. این پارامترها که باعث کاهش سرعت اکستروژن و دمای بیلت می شوند می توانند تا قبل از شکسته شدن سطح نهایی، مورد استفاده قرار گیرند.
ذرات زمخت Mg2Si که به هر دو دلیل نرخ پیش گرمایش آهسته و نرخ آهسته همگن سازی ایجاد می شوند نیز مرز سطح نهایی را به چپ برده که منجر به گسترش سطح C می گردد.
ذرات زمخت Mg2Si که به هر دو دلیل نرخ پیش گرمایش آهسته و نرخ آهسته همگن سازی ایجاد می شوند نیز مرز سطح نهایی را به چپ برده که منجر به گسترش سطح C می گردد.
شکل 14. نمودار نشان دهنده ارتباط بین سطح نهایی، فشار اکستروژن و متغیرهای فرآیند.
– خواص مکانیکی
خواص مکانیکی نیز محدودیت هایی را به فرآیند اکستروژن اعمال می کنند. نمودار سوم (شکل 15) علاوه بر تاثیرات فشار و کیفیت سطحی، رابطه بین متغیرهای اکستروژن و خواص مکانیکی را در طیفی از سرعت اکستروژن و دمای بیلت نشان می دهد.
شکل 15. نمودار محدودیت
خط اضافه شده مرز بین خواص مکانیکی کافی و ناکافی را نمایش می دهد. این مرز ممکن است با استفاده از بیلت دارای رسوبات زمخت βMg2Si، اکستروژن مقاطع ضخیم و در صورت نیاز به سطوح بالاتری از خواص مکانیکی به سمت راست حرکت داده شود. سرعت اکستروژن و دمای بیلت باید افزایش یابد تا قادر به تامین نیازهای خواص مکانیکی نهایی باشد. این بدان معنی است که انرژی مورد نیاز بیلت به منظور حل کردن Mg2Si باید افزایش پیدا کند.
بیلت های شامل βʹMg2Si و β”Mg2Si نرم، اکستروژن مقاطع نازک و نیاز به خواص مکانیکی پایین تر، همگی مرز را به سمت چپ حرکت می دهند. محدودیت ها در مورد سرعت اکستروژن و دمای بیلت کاهش یافته و خواص مکانیکی نهایی به راحتی قابل دستیابی می باشد.
بیلت های شامل βʹMg2Si و β”Mg2Si نرم، اکستروژن مقاطع نازک و نیاز به خواص مکانیکی پایین تر، همگی مرز را به سمت چپ حرکت می دهند. محدودیت ها در مورد سرعت اکستروژن و دمای بیلت کاهش یافته و خواص مکانیکی نهایی به راحتی قابل دستیابی می باشد.
محدوده عملکرد اکستروژن
شکل 15 به عنوان نمودار محدودیت شناخته شده و مفهوم پنجره عملیاتی را که در فرآیند اکستروژن محصور گشته نشان می دهد.
مجموعه ظرفیت فشار، کیفیت سطحی و خواص مکانیکی نهایی به عنوان مرزهای پنجره عملیاتی در تولید محصول با کیفیت عمل می کنند. موقعیت قرارگیری این مرزها بستگی به نیازهای (واقعی) محصول برای کیفیت سطحی (trim, anodized, structural) و شرایط ویژه خواص مکانیکی دارد. این مرزها همچنین محلی که در آن حداکثر بهره وری بدست می آید را نشان می دهند. سرعت اکستروژن و دمای بیلت محدود به این مرزها هستند. متغیرهای دیگر از قبیل نوع آلیاژ، نسبت/شکل اکستروژن و ویژگی های نهایی اکستروژن می توانند اندازه پنجره عملیاتی را افزایش یا کاهش دهند.
مجموعه ظرفیت فشار، کیفیت سطحی و خواص مکانیکی نهایی به عنوان مرزهای پنجره عملیاتی در تولید محصول با کیفیت عمل می کنند. موقعیت قرارگیری این مرزها بستگی به نیازهای (واقعی) محصول برای کیفیت سطحی (trim, anodized, structural) و شرایط ویژه خواص مکانیکی دارد. این مرزها همچنین محلی که در آن حداکثر بهره وری بدست می آید را نشان می دهند. سرعت اکستروژن و دمای بیلت محدود به این مرزها هستند. متغیرهای دیگر از قبیل نوع آلیاژ، نسبت/شکل اکستروژن و ویژگی های نهایی اکستروژن می توانند اندازه پنجره عملیاتی را افزایش یا کاهش دهند.
کوئنچ کردن
نرخ سردسازی پس از اکستروژن باید به قدر کافی سریع باشد تا Mg و Si را در محلول جامد نگهداشته تا خواص مکانیکی با رسوب آنها طی مرحله پیرسختی متعاقب به حد بیشینه برسد. نرخ سردسازی توسط اندازه مقطع و ویژگی های انواع روش سردسازی از قبیل هوای ساکن، جریان باد، اسپری آب یا وان آب تغییر میکند. شکل 16 سردسازی مناسب برای آلیاژهای 6060 را نشان می دهد که بطور متداول از طریق سردسازی با هوای آرام یا جریان باد بدست می آید، هرچند که اسپری آب یا وان آب برای آلیاژهای سخت تر مثل 6061 مناسب می باشند.
شکل 16. نمودار نشان دهنده انواع نرخ سردسازی و نواحی رسوب Mg2Si زمخت
نرخ خنک سازی مورد نیاز برای برخی از آلیاژهای سری 6000 در جدول 2 ارائه شده است.
جدول2. انواع روش و نرخ کوئنچ برای برخی از آلیاژهای سری 6000
پیرسختی
برای آلیاژهای سری 6000 در صورتیکه خواص مکانیکی مورد نیاز افزایش یابد، پیرسختی ضروری خواهد بود. میزان افزایش خواص مکانیکی وابسته به نوع آلیاژ و شرایط پیرسختی می باشد. محدوده این شرایط، پیرسختی طبیعی که در دمای محیط اتفاق می افتد و انواعی از عملیات حرارتی که به عنوان پیرسختی مصنوعی شناخته می شوند، را شامل می گردد. استحکام آلیاژهای سری 6000 بطور مستقیم به توانایی مقاومت مواد در برابر جابجایی های ناشی از تغییر ساختار مرتبط می باشد. زمانی که یک تنش به ماده اعمال شود، جابجایی ساختاری در آن شروع به حرکت می کند. همانطور که تنش افزایش می باید این جابجایی ها نیز افزایش یافته تا زمانی که ماده بشکند. رسوبات Mg2Si مانع حرکت این جابجایی ها شده و بنابراین استحکام ماده را افزایش می دهد. اندازه و چگالی این رسوبات توسط شرایط پیرسختی کنترل می شوند. تعداد اندکی از رسوبات ریز β”Mg2Si تاثیر کمی در جلوگیری از حرکت جابجایی های ساختاری درون ماده دارد اما تعداد زیادی از آن ها می تواند از حرکت جلوگیری کرده و استحکام ماده را افزایش دهد. به علت اینکه درکل تعداد محدودی Mg و Si موجود می باشد، اگر اندازه رسوبات خیلی رشد کند (βʹMg2Si و βMg2Si) تعداد آن ها کاهش خواهد یافت. بنابراین جابجایی های ساختاری براحتی می توانند از میان این رسوبات عبور کنند و استحکام ماده کاهش می یابد. این مسئله در منحنی پیرسختی مصنوعی متداول برای آلیاژهای سری 6000 خلاصه شده است.
شکل 17. نمودار منحنی پیرسختی متداول برای آلیاژهای سری 6000
برای حداکثر میزان خواص مکانیکی، شرایط پیرسختی مصنوعی باید به نحوی تغییر گردد که تعداد زیادی رسوبات β”Mg2Si بدست آید. برای آلیاژهای سری 6000، شرایط معمول 170 درجه سانتیگراد برای 8 ساعت و 180 درجه سانتیگراد برای 6 ساعت می باشد. شکل 18، ریزنگاری الکتریکی انتقال رسوبات Mg2Si را در شرایط پیرسختی کم، پیرسختی بهینه و پیرسختی بیش از حد نشان می دهد.
شکل 1-18. ریزنگار انتقال الکتریکی آلیاژ 6063 که تحت پیرسختی کم (ناکافی) بوده و تعداد اندکی از رسوبات نرم β”Mg2Si را نشان می دهد که تاثیر زیادی در استحکام مکانیکی ندارند.
شکل 2-18. ریزنگار انتقال الکتریکی آلیاژ 6063 که تحت پیرسختی بهینه (کافی) بوده و تعداد زیادی از رسوبات نرم β”Mg2Si را نشان می دهد که از حرکت جابجایی ها جلوگیری کرده و بنابراین استحکام را افزایش می دهد.
شکل 3-18. ریزنگار انتقال الکتریکی آلیاژ 6063 که تحت پیرسختی زیاد (بیش از حد) بوده و تعداد اندکی از رسوبات زمخت βMg2Si و ’β را نشان می دهد که به آسانی جابجایی ها را عبور می دهند.
برای انواع شرایط پیرسختی استانداردهای دمایی متفاوتی اختصاص داده شده است. برای مثال:
T1 : پس از اکستروژن در دمای محیط سرد شده و بطورطبیعی پیر می شوند( پیرسختی طبیعی رخ می دهد)
T4 : پس از اکستروژن، محلول بهبود یافته، کوئنچ می گردد و بطور طبیعی پیر می شوند
T6 : پس از اکستروژن، محلول بهبود یافته، کوئنچ شده و درنهایت به منظور حداکثررسانی خواص مکانیکی پیر سختی مصنوعی اعمال می گردد.استانداردهای دیگری نیز وجود دارند که بطور ویژه طراحی شده اند تا ویژگی های متفاوتی غیر از خواص مکانیکی بهینه را فراهم آورند. از قبیل T52 و T591 که برای کاربری های خم استفاده شده یا T7 برای اکستروژن هایی که کاربرد نهایی آن ها در دماهای بالا می باشد.
برای اکسترودرها بهتر است که حدود 0.5% اکستروژن ها را تحت کشش قرار دهند و سپس آلیاژهای سری 6000 رقیق (آلیاژهایی که کمتر از 0.9% دارای Mg2Si هستند به عبارت دیگر آلیاژهای 6060 و 6063) را پس از 24 ساعت تحت پیرسختی قرار دهند تا خواص مکانیکی بهینه پس از پیرسختی ارتقا یابند. البته به تاخیر انداختن پیرسختی برای آلیاژهای مقاوم تر (0.9%<) مثل 6061 می تواند خواص مکانیکی پس از پیرسختی را کاهش دهد. این به علت رسوب زودرس Mg2Si است که منجر به ایجاد خواص پیرسختی بیش از حد نسبت به پیرسختی بهینه خواهد شد. افزودن مس (0.1%<) به این آلیاژها تاثیر تاخیر قبل از پیرسختی را خنثی می کند.منبع: BASIC METALLURGY: 6000 SERIES EXTRUSION ALLOYS
T1 : پس از اکستروژن در دمای محیط سرد شده و بطورطبیعی پیر می شوند( پیرسختی طبیعی رخ می دهد)
T4 : پس از اکستروژن، محلول بهبود یافته، کوئنچ می گردد و بطور طبیعی پیر می شوند
T6 : پس از اکستروژن، محلول بهبود یافته، کوئنچ شده و درنهایت به منظور حداکثررسانی خواص مکانیکی پیر سختی مصنوعی اعمال می گردد.استانداردهای دیگری نیز وجود دارند که بطور ویژه طراحی شده اند تا ویژگی های متفاوتی غیر از خواص مکانیکی بهینه را فراهم آورند. از قبیل T52 و T591 که برای کاربری های خم استفاده شده یا T7 برای اکستروژن هایی که کاربرد نهایی آن ها در دماهای بالا می باشد.
برای اکسترودرها بهتر است که حدود 0.5% اکستروژن ها را تحت کشش قرار دهند و سپس آلیاژهای سری 6000 رقیق (آلیاژهایی که کمتر از 0.9% دارای Mg2Si هستند به عبارت دیگر آلیاژهای 6060 و 6063) را پس از 24 ساعت تحت پیرسختی قرار دهند تا خواص مکانیکی بهینه پس از پیرسختی ارتقا یابند. البته به تاخیر انداختن پیرسختی برای آلیاژهای مقاوم تر (0.9%<) مثل 6061 می تواند خواص مکانیکی پس از پیرسختی را کاهش دهد. این به علت رسوب زودرس Mg2Si است که منجر به ایجاد خواص پیرسختی بیش از حد نسبت به پیرسختی بهینه خواهد شد. افزودن مس (0.1%<) به این آلیاژها تاثیر تاخیر قبل از پیرسختی را خنثی می کند.منبع: BASIC METALLURGY: 6000 SERIES EXTRUSION ALLOYS
