В процессе экструзии экструдированных материалов из алюминиевого сплава, особенно алюминиевых профилей, на поверхности часто возникает дефект «питтинг». Конкретные проявления включают очень маленькие опухоли с различной плотностью, хвосты и явное ощущение на ощупь, с ощущением колючести. После окисления или электрофоретической обработки поверхности они часто выглядят как черные гранулы, прилипшие к поверхности продукта.
При экструзионном производстве профилей большого сечения вероятность возникновения данного дефекта возрастает из-за влияния структуры слитка, температуры экструзии, 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 продукта.
В обычных строительных дверных и оконных профилях заказчики обычно принимают незначительные дефекты в виде раковин, однако в случае промышленных профилей, требующих одинакового внимания к механическим свойствам и декоративным характеристикам или большего внимания к декоративным характеристикам, заказчики, как правило, не принимают этот дефект, особенно дефекты в виде раковин, которые не соответствуют разному фоновому цвету.
Для анализа механизма образования грубых частиц были проанализированы морфология и состав дефектных мест при различных составах сплава и процессах экструзии, а также были сравнены различия между дефектами и матрицей. Было предложено разумное решение для эффективного решения проблемы грубых частиц и проведено пробное испытание.
Для решения проблемы питтинговых дефектов профилей необходимо понять механизм образования питтинговых дефектов. В процессе экструзии основной причиной питтинговых дефектов на поверхности экструдированных алюминиевых материалов является налипание алюминия на рабочую ленту матрицы. Это связано с тем, что процесс экструзии алюминия осуществляется при высокой температуре около 450°C. Если добавить эффекты тепла деформации и тепла трения, то температура металла будет выше, когда он вытекает из отверстия матрицы. Когда продукт вытекает из отверстия матрицы, из-за высокой температуры возникает явление налипания алюминия между металлом и рабочей лентой формы.
Форма этого соединения часто выглядит следующим образом: повторяющийся процесс соединения – разрыва – соединения – снова разрыва, и продукт течет вперед, в результате чего на поверхности продукта образуется множество мелких ямок.
Это явление сцепления связано с такими факторами, как качество слитка, состояние поверхности рабочей ленты формы, температура экструзии, скорость экструзии, степень деформации и сопротивление деформации металла.
1 Материалы и методы испытаний
В ходе предварительного исследования мы узнали, 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 стержня из сплава, 6005A и 6060. Морфология и состав положений шероховатых частиц анализировались с помощью спектрометра прямого считывания и методов обнаружения SEM и сравнивались с окружающей нормальной матрицей.
Для того чтобы четко различать морфологию двух дефектов: ямок и частиц, их определяют следующим образом:
(1) Ямковые дефекты или дефекты вытягивания — это вид точечного дефекта, который представляет собой нерегулярный дефект в виде головастика или точки, который появляется на поверхности профиля. Дефект начинается с полосы царапины и заканчивается тем, что дефект отваливается, накапливаясь в металлические бобы в конце линии царапины. Размер ямкового дефекта обычно составляет 1-5 мм, и он становится темно-черным после окислительной обработки, что в конечном итоге влияет на внешний вид профиля, как показано в красном круге на рисунке 1.
(2) Поверхностные частицы также называются металлическими бобами или адсорбционными частицами. Поверхность профиля из алюминиевого сплава прикреплена сферическими серо-черными твердыми металлическими частицами и имеет рыхлую структуру. Существует два типа профилей из алюминиевого сплава: те, которые можно стереть, и те, которые нельзя стереть. Размер обычно составляет менее 0,5 мм, и на ощупь они шероховатые. На передней части нет царапин. После окисления они не сильно отличаются от матрицы, как показано в желтом круге на рисунке 1.
2 Результаты испытаний и анализ
2.1 Дефекты поверхностного растяжения
На рисунке 2 показана микроструктурная морфология дефекта вытягивания на поверхности сплава 6005A. В передней части вытягивания имеются ступенчатые царапины, которые заканчиваются сложенными друг на друга узелками. После появления узелков поверхность возвращается в нормальное состояние. Место дефекта шероховатости не гладкое на ощупь, имеет острое шипастое ощущение и прилипает или накапливается на поверхности профиля. В ходе испытания на экструзию было отмечено, что морфология вытягивания экструдированных профилей 6005A и 6060 схожа, а хвостовая часть изделия больше головной части; разница в том, что общий размер вытягивания 6005A меньше, а глубина царапины ослаблена. Это может быть связано с изменениями в составе сплава, состоянии литого стержня и условиях пресс-формы. При увеличении в 100 раз на переднем конце области вытягивания имеются очевидные царапины, вытянутые вдоль направления экструзии, а форма конечных частиц-конкреций нерегулярна. При увеличении в 500 раз на переднем конце поверхности вытягивания имеются ступенчатые царапины вдоль направления экструзии (размер этого дефекта составляет около 120 мкм), а на хвостовом конце имеются очевидные следы укладки на частицах-конкрециях.
Для анализа причин вытягивания были использованы спектрометр прямого считывания и EDX для проведения компонентного анализа дефектных мест и матрицы трех компонентов сплава. В таблице 1 показаны результаты испытаний профиля 6005A. Результаты EDX показывают, что состав положения укладки вытягивающих частиц в основном аналогичен составу матрицы. Кроме того, некоторые мелкие примесные частицы накапливаются внутри и вокруг дефекта вытягивания, и примесные частицы содержат C, O (или Cl) или Fe, Si и S.
Анализ дефектов шероховатости тонкооксидированных экструдированных профилей 6005A показывает, что частицы вытягивания имеют большой размер (1-5 мм), поверхность в основном уложена стопками, а на передней части имеются ступенчатые царапины; состав близок к матрице Al, и вокруг нее будут распределены гетерогенные фазы, содержащие Fe, Si, C и O. Это показывает, что механизм формирования вытягивания трех сплавов одинаков.
В процессе экструзии трение потока металла приведет к повышению температуры рабочей ленты 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 образуют замещающие твердые растворы с Fe, что будет способствовать образованию «липкого алюминиевого слоя» на входе рабочей зоны формы.
По мере того, как металл течет вперед и трется о рабочую ленту, в определенном положении происходит возвратно-поступательное явление непрерывного сцепления-разрыва-сцепления, заставляя металл непрерывно накладываться в этом положении. Когда частицы увеличиваются до определенного размера, они будут оттягиваться текущим продуктом и образовывать царапины на поверхности металла. Они останутся на поверхности металла и образуют тянущие частицы в конце царапины. Поэтому можно считать, что образование шероховатых частиц в основном связано с прилипанием алюминия к рабочей ленте формы. Гетерогенные фазы, распределенные вокруг него, могут происходить из смазочного масла, оксидов или частиц пыли, а также примесей, приносимых шероховатой поверхностью слитка.
Однако количество протяжек в результатах испытаний 6005A меньше, а степень меньше. С одной стороны, это связано со снятием фаски на выходе из рабочей ленты пресс-формы и тщательной полировкой рабочей ленты для уменьшения толщины алюминиевого слоя; с другой стороны, это связано с избыточным содержанием Si.
По результатам прямого считывания спектрального состава видно, что помимо Si, соединенного 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), не гладкие на ощупь, острые на ощупь и прилипают к поверхности профиля. При наблюдении под 100-кратным увеличением мелкие частицы на поверхности распределены хаотично, и имеются мелкие частицы, прикрепленные к поверхности независимо от того, есть царапины или нет;
При 500X, независимо от того, есть ли на поверхности очевидные ступенчатые царапины вдоль направления экструзии, многие частицы все еще прикреплены, и размеры частиц различаются. Самый большой размер частиц составляет около 15 мкм, а самые маленькие частицы — около 5 мкм.
Анализ состава поверхностных частиц сплава 6060 и неповрежденной матрицы показал, что 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 Si, O и Cl, очевидно, выше; частицы d и f содержат высокие концентрации Si, O и Na; частицы e содержат Si, Fe и O; частицы h представляют собой соединения, содержащие Fe. 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 отдельными мелкими частицами, а могут также существовать в виде скоплений множества мелких частиц различной формы, а массовые проценты различных элементов в различных частицах различаются. Считается, что частицы в основном состоят из двух типов. Один из них — это осадки, такие как AlFeSi и элементарный Si, которые возникают из высокоплавких примесных фаз, таких как FeAl3 или AlFeSi(Mn) в слитке, или осадки в процессе экструзии. Другой — это прилипшие инородные вещества.
2.3 Влияние шероховатости поверхности слитка
В ходе испытания было обнаружено, что задняя поверхность токарного станка для литых прутков 6005A была шероховатой и покрытой пылью. Было два литых прутка с наиболее глубокими следами токарного инструмента в локальных местах, что соответствовало значительному увеличению количества протяжек после экструзии, а размер одной протяжки был больше, как показано на рисунке 7.
Литой стержень 6005A не имеет токарного станка, поэтому шероховатость поверхности низкая, а количество вытягиваний сокращается. Кроме того, поскольку на следах токарной обработки литого стержня нет избытка смазочно-охлаждающей жидкости, содержание C в соответствующих частицах сокращается. Доказано, что следы токарной обработки на поверхности литого стержня в определенной степени ухудшают вытягивание и образование частиц.
3 Обсуждение
(1) Компоненты дефектов вытягивания в основном такие же, как и у матрицы. Это инородные частицы, старая корка на поверхности слитка и другие примеси, накопленные в стенке экструзионной бочки или мертвой зоне формы в процессе экструзии, которые выносятся на поверхность металла или алюминиевого слоя рабочего пояса формы. По мере продвижения продукта вперед возникают царапины на поверхности, и когда продукт накапливается до определенного размера, он вынимается продуктом, образуя вытягивание. После окисления вытягивание подверглось коррозии, и из-за его большого размера там появились дефекты в виде ямок.
(2) Поверхностные частицы иногда появляются в виде отдельных мелких частиц, 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. Поэтому делается 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 — это прилипшие инородные вещества. Частицы корродируют после окисления. Из-за своего малого размера они не оказывают или оказывают незначительное влияние на поверхность.
(3) Частицы, богатые элементами C и O, в основном поступают 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 частиц, они легко адсорбируют атомы O в воздухе 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 (высокая температура плавления или вторая фаза, которая не полностью устраняется гомогенизацией). Элемент Fe происходит из Fe в алюминиевых слитках, образуя примесные фазы с высокой температурой плавления, такие как FeAl3 или AlFeSi(Mn), которые не могут быть растворены в твердом растворе в процессе гомогенизации или не полностью преобразованы; Si существует в алюминиевой матрице в форме Mg2Si или пересыщенного твердого раствора Si в процессе литья. В процессе горячей экструзии литого стержня может осаждаться избыточный Si. Растворимость Si в алюминии составляет 0,48% при 450°C и 0,8% (мас.%) при 500°C. Избыточное содержание Si в 6005 составляет около 0,41%, а осажденный Si может быть агрегацией и осаждением, вызванными колебаниями концентрации.
(5) Прилипание алюминия к рабочей ленте пресс-формы является основной причиной вытягивания. Экструзионная головка представляет собой среду с высокой температурой и высоким давлением. Трение потока металла увеличит температуру рабочей ленты пресс-формы, образуя «липкий алюминиевый слой» на режущей кромке входа рабочей ленты.
В то же время избыточный Si и другие элементы, такие как Mn и Cr в алюминиевом сплаве, легко образуют замещающие твердые растворы с Fe, что будет способствовать образованию «липкого алюминиевого слоя» на входе в рабочую зону формы. Металл, протекающий через «липкий алюминиевый слой», относится к внутреннему трению (скользящий сдвиг внутри металла). Металл деформируется и затвердевает из-за внутреннего трения, что способствует слипанию основного металла и формы. В то же время рабочая лента формы деформируется в форму трубы из-за давления, а липкий алюминий, образованный режущей частью рабочей ленты, контактирующей с профилем, похож на режущую кромку токарного инструмента.
Образование липкого алюминия - это динамический процесс роста и осыпания. Частицы постоянно выводятся профилем. Прилипают к поверхности профиля, образуя дефекты вытягивания. Если он вытекает непосредственно из рабочей ленты и мгновенно адсорбируется на поверхности профиля, то мелкие частицы, термически прилипшие к поверхности, называются «частицами адсорбции». 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 - это сложенная алюминиевая матрица. Когда в середине рабочей ленты застрянет много алюминия (связь прочная), это усугубит царапины на поверхности.
(6) Скорость экструзии оказывает большое влияние на вытягивание. Влияние скорости экструзии. Что касается сплава 6005 с трекингом, скорость экструзии увеличивается в пределах испытательного диапазона, температура на выходе увеличивается, а количество частиц поверхностного вытягивания увеличивается и становится тяжелее по мере увеличения механических линий. Скорость экструзии должна поддерживаться максимально стабильной, чтобы избежать резких изменений скорости. Чрезмерная скорость экструзии и высокая температура на выходе приведут к повышенному трению и серьезному вытягиванию частиц. Конкретный механизм воздействия скорости экструзии на явление вытягивания требует последующего наблюдения и проверки.
(7) Качество поверхности литого стержня также является важным фактором, влияющим на вытягивание частиц. Поверхность литого стержня грубая, с заусенцами от пиления, масляными пятнами, пылью, коррозией и т. д., все это увеличивает тенденцию к вытягиванию частиц.
4 Заключение
(1) Состав дефектов вытягивания соответствует составу матрицы; состав положения частиц явно отличается от состава матрицы, в основном составляя элементы O, C, Fe и Si.
(2) Дефекты тянущих частиц в основном вызваны прилипанием алюминия к рабочей ленте формы. Любые факторы, способствующие прилипанию алюминия к рабочей ленте формы, приведут к дефектам тянущих частиц. Исходя из предпосылки обеспечения качества литого стержня, образование тянущих частиц не оказывает прямого влияния на состав сплава.
(3) Правильная равномерная обработка огнем способствует уменьшению поверхностного вытягивания.
Время публикации: 10-сен-2024
