În timpul procesului de extrudare a materialelor extrudate din aliaj de aluminiu, în special a profilelor de aluminiu, apare adesea un defect de tip „pitting” la suprafață. Manifestările specifice includ tumori foarte mici cu densități variabile, cozi și o senzație evidentă la atingere, cu țepi. După oxidare sau tratament electroforetic de suprafață, acestea apar adesea ca granule negre aderente la suprafața produsului.
În producția prin extrudare a profilelor cu secțiune mare, acest defect este mai probabil să apară din cauza influenței structurii lingoului, temperaturii de extrudare, vitezei de extrudare, complexității matriței etc. Majoritatea particulelor fine ale defectelor cu coroziune pot fi îndepărtate în timpul procesului de pretratare a suprafeței profilului, în special în procesul de gravare alcalină, în timp ce un număr mic de particule de dimensiuni mari, ferm aderente, rămân pe suprafața profilului, afectând calitatea aspectului produsului final.
În cazul profilelor obișnuite pentru uși și ferestre de construcții, clienții acceptă în general defecte minore cu gropițe, dar pentru profilele industriale care necesită o atenție egală asupra proprietăților mecanice și performanței decorative sau o atenție sporită asupra performanței decorative, clienții nu acceptă în general acest defect, în special defectele cu gropițe care sunt incompatibile cu culoarea de fundal diferită.
Pentru a analiza mecanismul de formare a particulelor rugoase, au fost analizate morfologia și compoziția locațiilor defectelor în diferite compoziții de aliaje și procese de extrudare și au fost comparate diferențele dintre defecte și matrice. A fost propusă o soluție rezonabilă pentru a rezolva eficient problema particulelor rugoase și a fost efectuat un test de probă.
Pentru a rezolva defectele de corodare a profilelor, este necesar să se înțeleagă mecanismul de formare a defectelor de corodare. În timpul procesului de extrudare, lipirea aluminiului de banda de lucru a matriței este principala cauză a defectelor de corodare pe suprafața materialelor din aluminiu extrudat. Acest lucru se datorează faptului că procesul de extrudare a aluminiului se desfășoară la o temperatură ridicată de aproximativ 450°C. Dacă se adaugă efectele căldurii de deformare și ale căldurii de frecare, temperatura metalului va fi mai mare atunci când acesta curge prin gaura matriței. Când produsul curge din gaura matriței, din cauza temperaturii ridicate, există un fenomen de lipire a aluminiului între metal și banda de lucru a matriței.
Forma acestei lipiri este adesea: un proces repetat de lipire – rupere – lipire – rupere din nou, iar produsul curge înainte, rezultând numeroase gropițe mici pe suprafața produsului.
Acest fenomen de lipire este legat de factori precum calitatea lingoului, starea suprafeței benzii de lucru a matriței, temperatura de extrudare, viteza de extrudare, gradul de deformare și rezistența la deformare a metalului.
1 Materiale și metode de testare
Prin cercetări preliminare, am aflat că factori precum puritatea metalurgică, starea matriței, procesul de extrudare, ingredientele și condițiile de producție pot afecta particulele rugoase la suprafață. În test, două tije de aliaj, 6005A și 6060, au fost utilizate pentru a extruda aceeași secțiune. Morfologia și compoziția pozițiilor particulelor rugoase au fost analizate prin spectrometrie cu citire directă și metode de detecție SEM și comparate cu matricea normală înconjurătoare.
Pentru a distinge clar morfologia celor două defecte, cel cu coroiduri și cel cu particule, acestea sunt definite după cum urmează:
(1) Defectele cu coroiduri sau defectele de tracțiune sunt un tip de defect punctiform, adică un defect de zgârietură neregulat, asemănător unui mormoloc sau unui punct, care apare pe suprafața profilului. Defectul începe de la banda de zgârietură și se termină cu desprinderea acestuia, acumulându-se în granule metalice la capătul liniei de zgârietură. Dimensiunea defectului cu coroiduri este în general de 1-5 mm și devine negru închis după tratamentul de oxidare, ceea ce afectează în cele din urmă aspectul profilului, așa cum se arată în cercul roșu din Figura 1.
(2) Particulele de suprafață sunt numite și particule metalice sau particule de adsorbție. Suprafața profilului din aliaj de aluminiu este atașată cu particule metalice dure gri-negre sferice și are o structură liberă. Există două tipuri de profile din aliaj de aluminiu: cele care pot fi șterse și cele care nu pot fi șterse. Dimensiunea este în general mai mică de 0,5 mm și este aspră la atingere. Nu există zgârieturi în secțiunea frontală. După oxidare, nu este foarte diferită de matrice, așa cum se arată în cercul galben din Figura 1.
2 Rezultatele testelor și analiza
2.1 Defecte de tragere a suprafeței
Figura 2 prezintă morfologia microstructurală a defectului de tragere pe suprafața aliajului 6005A. Există zgârieturi în trepte în partea frontală a zonei de tragere, care se termină cu noduli stivuiți. După apariția nodulilor, suprafața revine la normal. Locația defectului de rugozitate nu este netedă la atingere, are o senzație ascuțită și spinoasă și aderă sau se acumulează pe suprafața profilului. Prin testul de extrudare, s-a observat că morfologia de tragere a profilelor extrudate 6005A și 6060 este similară, iar capătul posterior al produsului este mai mare decât capătul superior; diferența constă în faptul că dimensiunea totală a tragerii la 6005A este mai mică, iar adâncimea zgârieturilor este slăbită. Acest lucru poate fi legat de modificările compoziției aliajului, starea tijei turnate și condițiile matriței. Observate la 100X, există zgârieturi evidente pe capătul frontal al zonei de tragere, care este alungită de-a lungul direcției de extrudare, iar forma particulelor finale de noduli este neregulată. La 500X, capătul frontal al suprafeței de tracțiune prezintă zgârieturi în trepte de-a lungul direcției de extrudare (dimensiunea acestui defect este de aproximativ 120 μm), iar pe particulele nodulare de la capătul posterior există urme evidente de stivuire.
Pentru a analiza cauzele defectului de tragere, s-au utilizat spectrometrul cu citire directă și EDX pentru a efectua analiza componentelor asupra locațiilor defectelor și a matricei celor trei componente ale aliajului. Tabelul 1 prezintă rezultatele testelor pentru profilul 6005A. Rezultatele EDX arată că compoziția poziției de stivuire a particulelor de tragere este în esență similară cu cea a matricei. În plus, unele particule fine de impuritate se acumulează în și în jurul defectului de tragere, iar particulele de impuritate conțin C, O (sau Cl) sau Fe, Si și S.
Analiza defectelor de rugozitate ale profilelor extrudate fin oxidate din oțel 6005A arată că particulele de tracțiune au dimensiuni mari (1-5 mm), suprafața este în mare parte stivuită și există zgârieturi în trepte pe secțiunea frontală; compoziția este apropiată de matricea de Al și în jurul acesteia vor exista faze eterogene care conțin Fe, Si, C și O distribuite. Aceasta arată că mecanismul de formare a tracțiunii pentru cele trei aliaje este același.
În timpul procesului de extrudare, frecarea prin curgerea metalului va determina creșterea temperaturii benzii de lucru a matriței, formând un „strat lipicios de aluminiu” la marginea tăietoare a intrării benzii de lucru. În același timp, excesul de Si și alte elemente precum Mn și Cr din aliajul de aluminiu formează ușor soluții solide de înlocuire cu Fe, ceea ce va promova formarea unui „strat lipicios de aluminiu” la intrarea în zona de lucru a matriței.
Pe măsură ce metalul curge înainte și se freacă de banda de lucru, într-o anumită poziție are loc un fenomen alternativ de lipire-rupere-lipire continuă, care determină suprapunerea continuă a metalului în această poziție. Când particulele cresc până la o anumită dimensiune, acestea vor fi trase de produsul care curge și vor forma zgârieturi pe suprafața metalului. Acestea vor rămâne pe suprafața metalului și vor forma particule de tragere la sfârșitul zgârietului. Prin urmare, se poate considera că formarea particulelor rugoase este legată în principal de lipirea aluminiului de banda de lucru a matriței. Fazele eterogene distribuite în jurul acesteia pot proveni din ulei lubrifiant, oxizi sau particule de praf, precum și din impurități aduse de suprafața rugoasă a lingoului.
Cu toate acestea, numărul de trageri în rezultatele testului 6005A este mai mic, iar gradul este mai ușor. Pe de o parte, acest lucru se datorează teșiturii la ieșirea din banda de lucru a matriței și lustruirii atente a benzii de lucru pentru a reduce grosimea stratului de aluminiu; pe de altă parte, este legat de conținutul excesiv de Si.
Conform rezultatelor compoziției spectrale obținute prin citire directă, se poate observa că, pe lângă Si combinat cu MgMg2Si, restul de Si apare sub forma unei substanțe simple.
2.2 Particule mici la suprafață
La o inspecție vizuală cu mărire mică, particulele sunt mici (≤0,5 mm), nu sunt netede la atingere, au o senzație ascuțită și aderă la suprafața profilului. Observate la o inspecție de 100X, particulele mici de pe suprafață sunt distribuite aleatoriu și există particule de dimensiuni mici atașate de suprafață, indiferent dacă există sau nu zgârieturi;
La 500X, indiferent dacă există zgârieturi evidente în trepte pe suprafață de-a lungul direcției de extrudare, multe particule sunt încă atașate, iar dimensiunile particulelor variază. Dimensiunea cea mai mare a particulelor este de aproximativ 15 μm, iar particulele mici sunt de aproximativ 5 μm.
Prin analiza compoziției particulelor de suprafață ale aliajului 6060 și a matricei intacte, particulele sunt compuse în principal din elemente O, C, Si și Fe, iar conținutul de aluminiu este foarte scăzut. Aproape toate particulele conțin elemente O și C. Compoziția fiecărei particule este ușor diferită. Printre acestea, particulele a au aproape 10 μm, ceea ce este semnificativ mai mare decât Si, Mg și O din matrice; în particulele c, Si, O și Cl sunt evident mai mari; particulele d și f conțin conținut ridicat de Si, O și Na; particulele e conțin Si, Fe și O; particulele h sunt compuși care conțin Fe. Rezultatele particulelor 6060 sunt similare cu acestea, dar deoarece conținutul de Si și Fe din 6060 în sine este scăzut, conținuturile corespunzătoare de Si și Fe din particulele de suprafață sunt, de asemenea, scăzute; conținutul de C din particulele 6060 este relativ scăzut.
Particulele de suprafață pot să nu fie particule mici individuale, ci pot exista și sub formă de agregări ale mai multor particule mici cu forme diferite, iar procentele de masă ale diferitelor elemente din diferite particule variază. Se crede că particulele sunt compuse în principal din două tipuri. Unul este reprezentat de precipitate, cum ar fi AlFeSi și Si elementar, care provin din fazele de impurități cu punct de topire ridicat, cum ar fi FeAl3 sau AlFeSi(Mn) din lingou, sau din fazele precipitate din timpul procesului de extrudare. Celălalt este reprezentat de corpuri străine aderente.
2.3 Efectul rugozității suprafeței lingoului
În timpul testului, s-a constatat că suprafața din spate a strungului pentru tije turnate 6005A era rugoasă și pătată de praf. Au existat două tije turnate cu cele mai adânci urme de scule de strunjire în locații locale, ceea ce corespunde unei creșteri semnificative a numărului de trageri după extrudare, iar dimensiunea unei singure trageri a fost mai mare, așa cum se arată în Figura 7.
Bara turnată 6005A nu are strung, astfel încât rugozitatea suprafeței este scăzută, iar numărul de trageri este redus. În plus, deoarece nu există exces de fluid de tăiere atașat la urmele de strunjire ale tijei turnate, conținutul de C din particulele corespunzătoare este redus. S-a dovedit că urmele de strunjire de pe suprafața tijei turnate vor agrava într-o oarecare măsură tragerea și formarea particulelor.
3 Discuție
(1) Componentele defectelor de tragere sunt în esență aceleași cu cele ale matricei. Este vorba de particule străine, pelicula veche de pe suprafața lingoului și alte impurități acumulate în peretele cilindrului de extrudare sau în zona inactivă a matriței în timpul procesului de extrudare, care sunt aduse la suprafața metalică sau la stratul de aluminiu al benzii de lucru a matriței. Pe măsură ce produsul curge înainte, se produc zgârieturi de suprafață, iar când produsul se acumulează la o anumită dimensiune, este eliminat de produs pentru a forma tragere. După oxidare, tragerea a fost corodată și, din cauza dimensiunilor sale mari, au apărut defecte asemănătoare gropilor.
(2) Particulele de suprafață apar uneori ca particule mici individuale, iar alteori există în formă agregată. Compoziția lor este evident diferită de cea a matricei și conține în principal elemente de O, C, Fe și Si. Unele dintre particule sunt dominate de elemente de O și C, iar altele sunt dominate de O, C, Fe și Si. Prin urmare, se deduce că particulele de suprafață provin din două surse: una este precipitată, cum ar fi AlFeSi și Si elementar, și impurități, cum ar fi O și C, care aderă la suprafață; cealaltă este materie străină aderentă. Particulele sunt corodate după oxidare. Datorită dimensiunilor lor mici, acestea nu au niciun impact sau au un impact redus asupra suprafeței.
(3) Particulele bogate în elemente C și O provin în principal din uleiul lubrifiant, praf, sol, aer etc., care au aderat la suprafața lingoului. Principalele componente ale uleiului lubrifiant sunt C, O, H, S etc., iar componenta principală a prafului și solului este SiO2. Conținutul de O al particulelor de suprafață este în general ridicat. Deoarece particulele se află într-o stare de temperatură ridicată imediat după ce părăsesc banda de lucru și datorită suprafeței specifice mari a particulelor, acestea adsorb ușor atomii de O din aer și provoacă oxidare după contactul cu aerul, rezultând un conținut de O mai mare decât matricea.
(4) Fe, Si etc. provin în principal din oxizi, crustă veche și faze de impurități din lingou (punct de topire ridicat sau a doua fază care nu este complet eliminată prin omogenizare). Elementul Fe provine din Fe din lingourile de aluminiu, formând faze de impurități cu punct de topire ridicat, cum ar fi FeAl3 sau AlFeSi(Mn), care nu pot fi dizolvate în soluție solidă în timpul procesului de omogenizare sau nu sunt complet convertite; Si există în matricea de aluminiu sub formă de Mg2Si sau o soluție solidă suprasaturată de Si în timpul procesului de turnare. În timpul procesului de extrudare la cald a tijei turnate, excesul de Si poate precipita. Solubilitatea Si în aluminiu este de 0,48% la 450°C și de 0,8% (gr.%) la 500°C. Conținutul de exces de Si în 6005 este de aproximativ 0,41%, iar Si precipitat poate fi agregat și precipitat din cauza fluctuațiilor de concentrație.
(5) Lipirea aluminiului de banda de lucru a matriței este principala cauză a tragerii. Matrița de extrudare este într-un mediu cu temperatură și presiune ridicată. Frecarea prin curgerea metalului va crește temperatura benzii de lucru a matriței, formând un „strat lipicios de aluminiu” la marginea tăietoare a intrării benzii de lucru.
În același timp, excesul de Si și alte elemente precum Mn și Cr din aliajul de aluminiu formează ușor soluții solide de înlocuire cu Fe, ceea ce va promova formarea unui „strat lipicios de aluminiu” la intrarea în zona de lucru a matriței. Metalul care curge prin „stratul lipicios de aluminiu” aparține frecării interne (forfecare glisantă în interiorul metalului). Metalul se deformează și se întărește datorită frecării interne, ceea ce promovează lipirea metalului de bază și a matriței. În același timp, banda de lucru a matriței se deformează într-o formă de trompetă din cauza presiunii, iar aluminiul lipicios format de partea tăietoare a benzii de lucru care intră în contact cu profilul este similar cu muchia tăietoare a unei scule de strunjire.
Formarea aluminiului lipicios este un proces dinamic de creștere și desprindere. Particulele sunt scoase constant de profil. Acestea aderă la suprafața profilului, formând defecte de tracțiune. Dacă particulele curg direct din banda de lucru și sunt adsorbite instantaneu pe suprafața profilului, particulele mici lipite termic de suprafață se numesc „particule de adsorbție”. Dacă unele particule sunt rupte de aliajul de aluminiu extrudat, unele particule se vor lipi de suprafața benzii de lucru la trecerea prin aceasta, provocând zgârieturi pe suprafața profilului. Capătul posterior este matricea de aluminiu stivuit. Când există mult aluminiu blocat în mijlocul benzii de lucru (ligatura este puternică), zgârieturile de suprafață vor agrava.
(6) Viteza de extrudare are o influență mare asupra tragerii. Influența vitezei de extrudare. În ceea ce privește aliajul 6005 urmărit, viteza de extrudare crește în intervalul de testare, temperatura de ieșire crește, iar numărul de particule de suprafață care trag crește și devine mai greu pe măsură ce liniile mecanice cresc. Viteza de extrudare trebuie menținută cât mai stabilă posibil pentru a evita schimbările bruște de viteză. Viteza excesivă de extrudare și temperatura ridicată de ieșire vor duce la creșterea frecării și la o tragere serioasă a particulelor. Mecanismul specific al impactului vitezei de extrudare asupra fenomenului de tragere necesită urmărire și verificare ulterioară.
(7) Calitatea suprafeței tijei turnate este, de asemenea, un factor important care afectează tracțiunea particulelor. Suprafața tijei turnate este rugoasă, cu bavuri de tăiere, pete de ulei, praf, coroziune etc., toate acestea crescând tendința de tragere a particulelor.
4 Concluzie
(1) Compoziția defectelor de tracțiune este în concordanță cu cea a matricei; compoziția poziției particulelor este evident diferită de cea a matricei, conținând în principal elemente de O, C, Fe și Si.
(2) Defectele de particule de tracțiune sunt cauzate în principal de lipirea aluminiului de banda de lucru a matriței. Orice factor care favorizează lipirea aluminiului de banda de lucru a matriței va cauza defecte de tracțiune. Având în vedere premisa asigurării calității tijei turnate, generarea de particule de tracțiune nu are un impact direct asupra compoziției aliajului.
(3) Tratarea uniformă și adecvată la foc este benefică pentru reducerea smulgerii suprafeței.
Data publicării: 10 septembrie 2024
