В процессе экструзии экструдированных алюминиевых сплавов, особенно алюминиевых профилей, на поверхности часто возникает дефект «питтинг». Характерные проявления включают в себя очень мелкие опухоли различной плотности, с выступающими краями и выраженным ощущением «шипов» на ощупь. После окисления или электрофоретической обработки поверхности они часто выглядят как чёрные гранулы, прилипшие к поверхности изделия.
При экструзионном производстве профилей большого сечения вероятность возникновения этого дефекта возрастает из-за влияния структуры слитка, температуры и скорости экструзии, сложности пресс-формы и т. д. Большая часть мелких частиц питтинговых дефектов может быть удалена в процессе предварительной обработки поверхности профиля, особенно в процессе щелочного травления, в то время как небольшое количество крупных, прочно прилипших частиц остается на поверхности профиля, что влияет на качество внешнего вида конечного изделия.
В обычных профилях для строительных дверей и окон заказчики, как правило, мирятся с незначительными дефектами в виде раковин, однако в случае с промышленными профилями, требующими одинакового внимания к механическим свойствам и декоративным характеристикам или большего внимания к декоративным характеристикам, заказчики, как правило, не приемлют этот дефект, особенно дефекты в виде раковин, несоответствующие различному фоновому цвету.
Для анализа механизма образования шероховатых частиц были проанализированы морфология и состав дефектных участков при различных составах сплавов и процессах экструзии, а также проведено сравнение различий между дефектами и матрицей. Было предложено разумное решение для эффективного решения проблемы шероховатых частиц и проведено пробное испытание.
Для решения проблемы питтинговых дефектов профилей необходимо понять механизм их образования. В процессе экструзии основной причиной питтинговых дефектов на поверхности экструдированных алюминиевых материалов является налипание алюминия на рабочую ленту фильеры. Это связано с тем, что процесс экструзии алюминия осуществляется при высокой температуре, около 450 °C. Если к этому добавить тепло деформации и тепло трения, то температура металла при его вытекании из отверстия фильеры будет выше. При вытекании изделия из отверстия фильеры из-за высокой температуры возникает явление налипания алюминия между металлом и рабочей лентой пресс-формы.
Форма этого связывания часто следующая: повторяющийся процесс связывания – разрыва – связывания – снова разрыва, и продукт течет вперед, в результате чего на поверхности продукта образуется множество мелких ямок.
Это явление связывания связано с такими факторами, как качество слитка, состояние поверхности рабочего пояса кристаллизатора, температура экструзии, скорость экструзии, степень деформации и сопротивление деформации металла.
1. Материалы и методы испытаний
В ходе предварительных исследований мы выяснили, что такие факторы, как металлургическая чистота, состояние пресс-формы, процесс экструзии, ингредиенты и условия производства, могут влиять на шероховатость поверхности частиц. В ходе испытания для экструзии одного и того же участка использовались два прутка из сплава, 6005A и 6060. Морфология и состав шероховатых частиц анализировались с помощью спектрометра прямого считывания и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и сравнивались с окружающей нормальной матрицей.
Для того чтобы четко различать морфологию двух дефектов: язвенных и частиц, их определяют следующим образом:
(1) Ямки или дефекты вытягивания – это разновидность точечных дефектов, представляющих собой неровные царапины, похожие на головастиков или точки, которые появляются на поверхности профиля. Дефект начинается с полосы царапины и заканчивается её отслоением, скапливаясь в виде металлических частиц на конце линии царапины. Размеры таких язв обычно составляют 1–5 мм, и после оксидирования они приобретают тёмно-чёрный цвет, что в конечном итоге влияет на внешний вид профиля, как показано красным кружком на рисунке 1.
(2) Поверхностные частицы также называются металлическими частицами или адсорбционными частицами. Поверхность профиля из алюминиевого сплава покрыта сферическими серо-черными частицами твердого металла и имеет рыхлую структуру. Существует два типа профилей из алюминиевого сплава: стираемые и нестираемые. Размер обычно менее 0,5 мм, и на ощупь они шероховатые. На передней поверхности нет царапин. После окисления она мало чем отличается от матрицы, как показано желтым кружком на рисунке 1.
2 Результаты испытаний и анализ
2.1 Дефекты поверхностного растяжения
На рисунке 2 показана микроструктурная морфология дефекта вытягивания на поверхности сплава 6005А. В передней части вытягивания имеются ступенчатые царапины, которые заканчиваются уложенными друг на друга наростами. После появления наростов поверхность возвращается в нормальное состояние. Местоположение дефекта шероховатости негладкое на ощупь, имеет острое шиповидное ощущение и прилипает или накапливается на поверхности профиля. В ходе испытания на выдавливание было отмечено, что морфология вытягивания экструдированных профилей 6005А и 6060 схожа, а хвостовая часть изделия больше головной; разница заключается в том, что общий размер вытягивания 6005А меньше, а глубина царапины ослаблена. Это может быть связано с изменениями состава сплава, состояния литого прутка и условий пресс-формы. При увеличении 100X на переднем конце зоны вытягивания наблюдаются явные царапины, вытянутые вдоль направления выдавливания, а форма конечных частиц-конкреций нерегулярна. При увеличении 500X на переднем конце поверхности вытягивания наблюдаются ступенчатые царапины вдоль направления выдавливания (размер этого дефекта составляет около 120 мкм), а на хвостовой части конкреций наблюдаются явные следы укладки.
Для анализа причин вытягивания были использованы спектрометр прямого считывания и энергодисперсионный рентгеновский анализ (EDX) для анализа компонентов в местах расположения дефектов и матрице трёх компонентов сплава. В таблице 1 представлены результаты испытаний профиля сплава 6005A. Результаты EDX показывают, что состав позиции укладки вытягивающих частиц в основном аналогичен составу матрицы. Кроме того, внутри и вокруг дефекта вытягивания накапливается некоторое количество мелких примесных частиц, содержащих C, O (или Cl), а также Fe, Si и S.
Анализ дефектов шероховатости тонкооксидированных экструдированных профилей из стали 6005А показывает, что частицы вытягивания имеют большой размер (1–5 мм), поверхность в основном уложена стопками, а на передней части присутствуют ступенчатые царапины; состав близок к алюминиевой матрице, и вокруг нее распределены гетерогенные фазы, содержащие Fe, Si, C и O. Это показывает, что механизм формирования вытягивания у трех сплавов одинаков.
В процессе экструзии трение о поток металла приводит к повышению температуры рабочей зоны пресс-формы, что приводит к образованию «липкого алюминиевого слоя» на режущей кромке входной зоны пресс-формы. В то же время, избыток Si и других элементов, таких как Mn и Cr, в алюминиевом сплаве легко образует замещающие твердые растворы с Fe, что способствует образованию «липкого алюминиевого слоя» на входе рабочей зоны пресс-формы.
По мере того, как металл течет вперед и трется о рабочий пояс, в определенном положении происходит возвратно-поступательное явление непрерывного сцепления-разрыва-сцепления, в результате чего металл непрерывно накладывается в этом положении. Когда частицы увеличиваются до определенного размера, они будут увлекаться текущим продуктом и образовывать царапины на поверхности металла. Они останутся на поверхности металла и образуют тянущие частицы в конце царапины. Таким образом, можно считать, что образование шероховатых частиц в основном связано с прилипанием алюминия к рабочему поясу кристаллизатора. Гетерогенные фазы, распределенные вокруг него, могут происходить из смазочного масла, оксидов или частиц пыли, а также примесей, принесенных шероховатой поверхностью слитка.
Однако количество протяжек в результатах испытаний сплава 6005A меньше, а степень протяжки слабее. С одной стороны, это связано со снятием фаски на выходе из рабочей зоны пресс-формы и тщательной полировкой рабочей зоны для уменьшения толщины алюминиевого слоя, с другой стороны, с избыточным содержанием Si.
По результатам прямого считывания спектрального состава видно, что помимо Si, связанного с Mg Mg2Si, оставшийся Si находится в виде простого вещества.
2.2 Мелкие частицы на поверхности
При визуальном осмотре с малым увеличением частицы мелкие (≤0,5 мм), негладкие на ощупь, острые на ощупь и прилипшие к поверхности профиля. При наблюдении под 100-кратным увеличением мелкие частицы на поверхности распределены хаотично, и мелкие частицы остаются прилипшими к поверхности независимо от наличия царапин.
При 500-кратном увеличении, независимо от наличия на поверхности заметных ступенчатых царапин вдоль направления экструзии, многие частицы остаются на поверхности, причём их размер варьируется. Размер самых крупных частиц составляет около 15 мкм, а самых мелких — около 5 мкм.
По результатам анализа состава поверхностных частиц сплава 6060 и неповрежденной матрицы, частицы в основном состоят из элементов O, C, Si и Fe, а содержание алюминия очень низкое. Почти все частицы содержат элементы O и C. Состав каждой частицы немного отличается. Среди них частицы a близки к 10 мкм, что значительно выше, чем у матрицы Si, Mg и O; В частицах c содержание Si, O и Cl, очевидно, выше; Частицы d и f содержат высокое содержание Si, O и Na; частицы e содержат Si, Fe и O; частицы h представляют собой Fe-содержащие соединения. Результаты для частиц 6060 аналогичны этим, но поскольку содержание Si и Fe в самом 6060 низкое, соответствующее содержание Si и Fe в поверхностных частицах также низкое; содержание C в частицах 6060 относительно низкое.
Поверхностные частицы могут быть не одиночными, а представлять собой скопления множества мелких частиц различной формы, при этом массовое содержание различных элементов в разных частицах варьируется. Считается, что частицы в основном состоят из двух типов. Один из них – это преципитаты, такие как AlFeSi и элементарный Si, которые образуются из высокоплавких примесных фаз, таких как FeAl3 или AlFeSi(Mn) в слитке, или преципитатов в процессе экструзии. Второй тип – это прилипшие инородные частицы.
2.3 Влияние шероховатости поверхности слитка
В ходе испытаний было обнаружено, что задняя поверхность литых прутков токарного станка 6005A была шероховатой и покрытой пылью. На двух литых прутках наблюдались наиболее глубокие следы от токарного инструмента в отдельных местах, что соответствовало значительному увеличению количества протяжек после экструзии, а размер одной протяжки был больше, как показано на рисунке 7.
Литой пруток 6005A не требует токарной обработки, что снижает шероховатость поверхности и сокращает количество проколов. Кроме того, отсутствие излишков смазочно-охлаждающей жидкости на следах токарной обработки на литом прутке снижает содержание углерода в соответствующих частицах. Доказано, что следы токарной обработки на поверхности литого прутка в некоторой степени усугубляют проколы и образование частиц.
3 Обсуждение
(1) Составляющие дефектов вытяжки в основном те же, что и у матрицы. Это инородные частицы, старая корка на поверхности слитка и другие загрязнения, накопившиеся в стенке цилиндра пресс-формы или в мертвой зоне кристаллизатора в процессе вытяжки, которые попадают на поверхность металла или алюминиевого слоя рабочего пояса кристаллизатора. По мере продвижения продукта образуются царапины на поверхности, и, когда продукт накапливается до определённого размера, он выносится продуктом, образуя вытяжку. После окисления вытяжка подверглась коррозии, и из-за её большого размера там образовались дефекты в виде раковин.
(2) Поверхностные частицы иногда представляют собой отдельные мелкие частицы, а иногда существуют в агрегированной форме. Их состав, очевидно, отличается от состава матрицы и в основном содержит элементы O, C, Fe и Si. В некоторых частицах преобладают элементы O и C, а в некоторых — O, C, Fe и Si. Таким образом, можно сделать вывод, что поверхностные частицы имеют два источника: один — это осадки, такие как AlFeSi и элементарный Si, и примеси, такие как O и C, прилипшие к поверхности; другой — прилипшие посторонние вещества. Эти частицы корродируют после окисления. Благодаря своему малому размеру они не оказывают или оказывают незначительное воздействие на поверхность.
(3) Частицы, богатые элементами C и O, в основном попадают из смазочного масла, пыли, почвы, воздуха и т. д., прилипших к поверхности слитка. Основными компонентами смазочного масла являются C, O, H, S и т. д., а основным компонентом пыли и почвы является SiO2. Содержание O в поверхностных частицах, как правило, высокое. Поскольку частицы находятся в состоянии высокой температуры сразу после выхода из рабочей ленты, а также из-за большой удельной площади поверхности, они легко адсорбируют атомы O из воздуха и вызывают окисление после контакта с воздухом, что приводит к более высокому содержанию O, чем в матрице.
(4) Fe, Si и т. д. в основном поступают из оксидов, старой окалины и примесных фаз в слитке (высокоплавкие или вторичные фазы, которые не полностью удаляются при гомогенизации). Элемент Fe поступает из Fe в алюминиевых слитках, образуя высокоплавкие примесные фазы, такие как FeAl3 или AlFeSi(Mn), которые не могут быть растворены в твердом растворе в процессе гомогенизации или не полностью преобразуются; Si существует в алюминиевой матрице в форме Mg2Si или пересыщенного твердого раствора Si в процессе литья. В процессе горячей экструзии литого прутка может осаждаться избыточный Si. Растворимость Si в алюминии составляет 0,48% при 450 °C и 0,8% (мас.%) при 500 °C. Содержание избыточного Si в 6005 составляет около 0,41%, а осажденный Si может быть агрегирован и осажден, вызванных колебаниями концентрации.
(5) Прилипание алюминия к рабочей ленте пресс-формы является основной причиной затягивания. Экструзионная головка представляет собой среду с высокой температурой и давлением. Трение потока металла повышает температуру рабочей ленты пресс-формы, образуя «липкий алюминиевый слой» на режущей кромке входа рабочей ленты.
В то же время избыток Si и других элементов, таких как Mn и Cr в алюминиевом сплаве, легко образует замещающие твердые растворы с Fe, что будет способствовать образованию «липкого алюминиевого слоя» на входе в рабочую зону формы. Металл, текущий через «липкий алюминиевый слой», принадлежит внутреннему трению (скользящий сдвиг внутри металла). Металл деформируется и затвердевает из-за внутреннего трения, что способствует слипанию нижележащего металла и формы. В то же время рабочий пояс формы деформируется в форме трубы из-за давления, а липкий алюминий, образованный режущей частью рабочего пояска, контактирующей с профилем, подобен режущей кромке токарного инструмента.
Образование липкого алюминия представляет собой динамический процесс роста и осыпания. Частицы постоянно выносятся профилем. Прилипают к поверхности профиля, образуя дефекты вытягивания. Если он вытекает непосредственно из рабочей ленты и мгновенно адсорбируется на поверхности профиля, мелкие частицы, термически прилипшие к поверхности, называются «адсорбционными частицами». Если некоторые частицы будут разрушены экструдированным алюминиевым сплавом, некоторые частицы прилипнут к поверхности рабочей ленты при прохождении через рабочую ленту, вызывая царапины на поверхности профиля. Хвостовая часть представляет собой уложенную алюминиевую матрицу. Когда в середине рабочей ленты застревает много алюминия (связь прочная), это усугубит поверхностные царапины.
(6) Скорость экструзии оказывает большое влияние на вытягивание. Влияние скорости экструзии. Что касается сплава 6005 с трекингом, скорость экструзии увеличивается в пределах диапазона испытаний, температура на выходе повышается, а количество частиц, вытягивающих поверхность, увеличивается и становится тяжелее по мере увеличения механических линий. Скорость экструзии следует поддерживать максимально стабильной, чтобы избежать резких перепадов скорости. Чрезмерная скорость экструзии и высокая температура на выходе приведут к повышенному трению и значительному вытягиванию частиц. Конкретный механизм влияния скорости экструзии на явление вытягивания требует дальнейшего изучения и проверки.
(7) Качество поверхности литого прутка также является важным фактором, влияющим на вытягивание частиц. Поверхность литого прутка шероховатая, с заусенцами, масляными пятнами, пылью, коррозией и т. д., что увеличивает склонность к вытягиванию частиц.
4 Заключение
(1) Состав дефектов вытягивания соответствует составу матрицы; состав положения частиц, очевидно, отличается от состава матрицы и содержит в основном элементы O, C, Fe и Si.
(2) Дефекты, связанные с налипанием алюминия на рабочую ленту кристаллизатора, в основном вызваны налипанием алюминия на рабочую ленту кристаллизатора. Любые факторы, способствующие налипанию алюминия на рабочую ленту кристаллизатора, также приводят к дефектам, связанным с налипанием алюминия. С точки зрения обеспечения качества литого прутка, образование налипаний не оказывает прямого влияния на состав сплава.
(3) Правильная равномерная обработка огнем способствует уменьшению поверхностного задирания.
Время публикации: 10 сентября 2024 г.
