Під час процесу екструзії екструдованих матеріалів з алюмінієвих сплавів, особливо алюмінієвих профілів, на поверхні часто виникає дефект у вигляді «точкової корочки». Конкретні прояви включають дуже маленькі пухлини різної щільності, хвости та помітне відчуття на дотик з колючою консистенцією. Після окислення або електрофоретичної обробки поверхні вони часто виглядають як чорні гранули, що прилипають до поверхні виробу.
При екструзійному виробництві великопрофільних профілів цей дефект частіше виникає через вплив структури злитка, температури екструзії, швидкості екструзії, складності форми тощо. Більшість дрібних частинок ямкових дефектів можна видалити під час попередньої обробки поверхні профілю, особливо під час лужного травлення, тоді як невелика кількість великих, міцно прилиплих частинок залишається на поверхні профілю, що впливає на зовнішній вигляд кінцевого виробу.
У звичайних дверних та віконних профілях для будівель клієнти зазвичай приймають незначні дефекти з ямками, але для промислових профілів, які вимагають однакової уваги до механічних властивостей та декоративних характеристик або більшої уваги до декоративних характеристик, клієнти зазвичай не приймають цей дефект, особливо дефекти з ямками, які не відповідають різному кольору фону.
Для аналізу механізму утворення шорстких частинок було проаналізовано морфологію та склад дефектних місць за різних складів сплавів та процесів екструзії, а також порівняно відмінності між дефектами та матрицею. Було запропоновано розумне рішення для ефективного вирішення проблеми шорстких частинок та проведено пробне випробування.
Щоб вирішити проблему точкової кори профілів, необхідно зрозуміти механізм утворення точкових дефектів. Під час процесу екструзії основною причиною точкової кори на поверхні екструдованих алюмінієвих матеріалів є налипання алюмінію на робочу стрічку прес-форми. Це пояснюється тим, що процес екструзії алюмінію здійснюється за високої температури, близько 450°C. Якщо додати вплив тепла деформації та тепла тертя, температура металу буде вищою, коли він витікає з отвору прес-форми. Коли продукт витікає з отвору прес-форми, через високу температуру виникає явище налипання алюмінію між металом та робочою стрічкою прес-форми.
Форма цього склеювання часто буває такою: повторюваний процес склеювання – розривання – склеювання – знову розривання, і продукт тече вперед, в результаті чого на його поверхні утворюється безліч дрібних ямок.
Це явище склеювання пов'язане з такими факторами, як якість злитка, стан поверхні робочого стрічки форми, температура екструзії, швидкість екструзії, ступінь деформації та опір металу деформації.
1 Матеріали та методи випробувань
Завдяки попереднім дослідженням ми дізналися, що такі фактори, як металургійна чистота, стан форми, процес екструзії, інгредієнти та умови виробництва, можуть впливати на частинки з шорсткою поверхнею. У випробуванні для екструзії одного й того ж профілю використовувалися два стрижні зі сплаву, 6005A та 6060. Морфологію та склад положень частинок з шорсткою поверхнею аналізували за допомогою спектрометра прямого зчитування та методів SEM-детектування, а також порівнювали з навколишньою нормальною матрицею.
Для чіткого розмежування морфології двох дефектів, таких як ямкова та частинкова, їх визначають наступним чином:
(1) Точкові дефекти або дефекти витягування – це різновид точкових дефектів, що являють собою неправильну форму пуголовка або точкову подряпину, що з'являється на поверхні профілю. Дефект починається від смуги подряпини та закінчується відпаданням дефекту, накопичуючи його у вигляді металевих частинок на кінці лінії подряпини. Розмір точкового дефекту зазвичай становить 1-5 мм, і після окислювальної обробки він стає темно-чорним, що зрештою впливає на зовнішній вигляд профілю, як показано червоним колом на рисунку 1.
(2) Поверхневі частинки також називають металевими частинками або адсорбційними частинками. Поверхня профілю з алюмінієвого сплаву прикріплена до сферичних сіро-чорних твердих металевих частинок і має пухку структуру. Існує два типи профілів з алюмінієвого сплаву: ті, що можна стерти, і ті, що не можна стерти. Розмір зазвичай менше 0,5 мм, і вони шорсткі на дотик. На передній частині немає подряпин. Після окислення вони не сильно відрізняються від матриці, як показано жовтим колом на рисунку 1.
2 Результати випробувань та аналіз
2.1 Дефекти поверхневого витягування
На рисунку 2 показано мікроструктурну морфологію дефекту витягування на поверхні сплаву 6005A. У передній частині ділянки витягування є ступінчасті подряпини, які закінчуються у вигляді складених вузликів. Після появи вузликів поверхня повертається до нормального стану. Розташування дефекту шорсткості не гладке на дотик, має гострі колючки та прилипає або накопичується на поверхні профілю. Під час випробування на екструзію було помічено, що морфологія витягування екструдованих профілів 6005A та 6060 схожа, а хвостова частина виробу більша за головну; різниця полягає в тому, що загальний розмір витягування 6005A менший, а глибина подряпини послаблена. Це може бути пов'язано зі змінами складу сплаву, стану литого стрижня та умовами форми. При спостереженні під збільшенням 100X на передній частині області витягування, яка витягнута вздовж напрямку екструзії, є очевидні подряпини, а форма кінцевих частинок вузликів неправильна. При збільшенні 500X передній кінець поверхні витягування має ступінчасті подряпини вздовж напрямку екструзії (розмір цього дефекту становить близько 120 мкм), а на вузлуватих частинках на хвостовому кінці є очевидні сліди укладання.
Для аналізу причин витягування було використано спектрометр прямого зчитування та EDX для проведення компонентного аналізу місць дефектів та матриці трьох компонентів сплаву. У таблиці 1 наведено результати випробувань профілю 6005A. Результати EDX показують, що склад позиції укладання витягнутих частинок в основному подібний до складу матриці. Крім того, деякі дрібні домішкові частинки накопичуються всередині та навколо дефекту витягування, і домішкові частинки містять C, O (або Cl), або Fe, Si та S.
Аналіз дефектів шорсткості тонкооксидованих екструдованих профілів 6005A показує, що частинки, що витягуються, мають великий розмір (1-5 мм), поверхня переважно складена, а на передній ділянці є ступінчасті подряпини; склад близький до матриці Al, і навколо неї будуть присутні гетерогенні фази, що містять Fe, Si, C та O. Це показує, що механізм утворення шорсткості трьох сплавів однаковий.
Під час процесу екструзії тертя об плин металу призводить до підвищення температури робочої стрічки форми, утворюючи «липкий алюмінієвий шар» на ріжучій кромці входу в робочу стрічку. Водночас надлишок Si та інших елементів, таких як Mn та Cr, у алюмінієвому сплаві легко утворює тверді розчини, що заміщують Fe, що сприяє утворенню «липкого алюмінієвого шару» на вході в робочу зону форми.
Коли метал рухається вперед і терся об робочу стрічку, у певній точці відбувається зворотно-поступальний процес безперервного з'єднання-розриву-з'єднання, що призводить до постійного накладання металу в цій точці. Коли частинки збільшуються до певного розміру, вони відтягуються потоком продукту та утворюють подряпини на поверхні металу. Вони залишаються на поверхні металу та утворюють частинки, що відтягуються, в кінці подряпини. Тому можна вважати, що утворення шорстких частинок головним чином пов'язане з налипанням алюмінію на робочу стрічку форми. Гетерогенні фази, розподілені навколо неї, можуть походити від мастила, оксидів або частинок пилу, а також від домішок, що вносяться шорсткою поверхнею злитка.
Однак, кількість витягів у результатах випробувань 6005A менша, а ступінь легший. З одного боку, це пов'язано зі зняттям фаски на виході з робочої стрічки форми та ретельним поліруванням робочої стрічки для зменшення товщини шару алюмінію; з іншого боку, це пов'язано з надлишковим вмістом Si.
Згідно з результатами спектрального аналізу, отриманими за допомогою прямого зчитування, можна побачити, що окрім Si у поєднанні з MgMg2Si, решта Si присутня у вигляді простої речовини.
2.2 Дрібні частинки на поверхні
Під час візуального огляду з малим збільшенням частинки дрібні (≤0,5 мм), негладкі на дотик, гострі на дотик та прилипають до поверхні профілю. Під час спостереження зі 100-кратним збільшенням дрібні частинки на поверхні розподілені хаотично, і вони присутні незалежно від наявності подряпин чи ні;
При 500X, незалежно від того, чи є на поверхні очевидні ступінчасті подряпини вздовж напрямку екструзії, багато частинок все ще прикріплюються, а розміри частинок варіюються. Найбільший розмір частинок становить близько 15 мкм, а дрібні частинки – близько 5 мкм.
Аналіз складу поверхневих частинок сплаву 6060 та неушкодженої матриці показав, що частинки в основному складаються з елементів O, C, Si та Fe, а вміст алюмінію дуже низький. Майже всі частинки містять елементи O та C. Склад кожної частинки дещо відрізняється. Серед них частинки a мають розмір близько 10 мкм, що значно вище, ніж у матриці Si, Mg та O; у частинках c вміст Si, O та Cl явно вищий; частинки d та f містять високий вміст Si, O та Na; частинки e містять Si, Fe та O; частинки h є сполуками, що містять Fe. Результати для частинок 6060 подібні до цих, але оскільки вміст Si та Fe у самому 6060 низький, відповідний вміст Si та Fe у поверхневих частинках також низький; вміст C у частинках 6060 відносно низький.
Поверхневі частинки можуть бути не окремими дрібними частинками, а можуть існувати у вигляді скупчень багатьох дрібних частинок різної форми, а масові відсотки різних елементів у різних частинках різняться. Вважається, що частинки складаються переважно з двох типів. Один - це осади, такі як AlFeSi та елементарний Si, які походять з домішкових фаз з високою температурою плавлення, таких як FeAl3 або AlFeSi(Mn) у злитці, або з фаз осаду під час процесу екструзії. Інший - це прилиплі сторонні речовини.
2.3 Вплив шорсткості поверхні злитка
Під час випробування було виявлено, що задня поверхня токарного верстата 6005A для литих стрижнів була шорсткою та забрудненою пилом. У локальних місцях було виявлено два литі стрижні з найглибшими слідами токарного інструменту, що відповідало значному збільшенню кількості витягувань після екструзії, а розмір одного витягування був більшим, як показано на рисунку 7.
Литий стрижень 6005A не має токарного верстата, тому шорсткість поверхні низька, а кількість витягувань зменшена. Крім того, оскільки на слідах токарного верстата литого стрижня немає надлишку рідини для різання, вміст вуглецю у відповідних частинках зменшується. Доведено, що сліди виточення на поверхні литого стрижня певною мірою посилюють витягування та утворення частинок.
3 Обговорення
(1) Компоненти дефектів, пов'язаних з витягуванням, в основному такі ж, як і в матриці. Це сторонні частинки, стара шкірка на поверхні злитка та інші домішки, що накопичуються в стінці екструзійного барабана або в мертвій зоні форми під час процесу екструзії, які потрапляють на металеву поверхню або алюмінієвий шар робочого стрічки форми. У міру руху продукту на поверхні виникають подряпини, і коли продукт накопичується до певного розміру, він виривається продуктом, утворюючи витягування. Після окислення витягування кородувало, і через його великий розмір там утворювалися дефекти, схожі на ямки.
(2) Поверхневі частинки іноді виглядають як окремі дрібні частинки, а іноді існують в агрегованій формі. Їхній склад явно відрізняється від складу матриці та містить переважно елементи O, C, Fe та Si. У деяких частинках переважають елементи O та C, а в деяких – O, C, Fe та Si. Отже, робиться висновок, що поверхневі частинки походять з двох джерел: одне – це осади, такі як AlFeSi та елементарний Si, а також домішки, такі як O та C, що прилипають до поверхні; інше – це прилиплі сторонні речовини. Частинки кородують після окислення. Через свій малий розмір вони не мають або мають незначний вплив на поверхню.
(3) Частинки, багаті на елементи C та O, переважно походять із мастильної оливи, пилу, ґрунту, повітря тощо, що прилипли до поверхні злитка. Основними компонентами мастильної оливи є C, O, H, S тощо, а основним компонентом пилу та ґрунту є SiO2. Вміст O у поверхневих частинках, як правило, високий. Оскільки частинки одразу після виходу з робочої стрічки перебувають у стані високої температури, а також завдяки великій питомій поверхні частинок, вони легко адсорбують атоми O з повітря та викликають окислення після контакту з повітрям, що призводить до вищого вмісту O, ніж у матриці.
(4) Fe, Si тощо переважно походять з оксидів, старої окалини та домішкових фаз у злитці (високоплавка або друга фаза, яка не повністю видаляється гомогенізацією). Елемент Fe походить з Fe в алюмінієвих злитках, утворюючи домішкові фази з високою температурою плавлення, такі як FeAl3 або AlFeSi(Mn), які не можуть розчинитися у твердому розчині під час процесу гомогенізації або не повністю перетворюються; Si існує в алюмінієвій матриці у формі Mg2Si або перенасиченого твердого розчину Si під час процесу лиття. Під час процесу гарячої екструзії литого стрижня надлишок Si може випадати в осад. Розчинність Si в алюмінії становить 0,48% при 450°C та 0,8% (мас.%) при 500°C. Надлишковий вміст Si в сталі 6005 становить близько 0,41%, і осад Si може бути агрегацією та осадженням, спричиненим коливаннями концентрації.
(5) Основною причиною натягування є налипання алюмінію на робочу стрічку прес-форми. Екструзійна матриця є середовищем з високою температурою та високим тиском. Тертя об плинність металу підвищує температуру робочої стрічки прес-форми, утворюючи «липкий алюмінієвий шар» на ріжучій кромці входу робочої стрічки.
Водночас, надлишок Si та інших елементів, таких як Mn та Cr, у алюмінієвому сплаві легко утворює тверді розчини, що заміщують Fe, що сприяє утворенню «липкого алюмінієвого шару» на вході в робочу зону форми. Метал, що протікає через «липкий алюмінієвий шар», є частиною внутрішнього тертя (ковзний зсув всередині металу). Метал деформується та твердне через внутрішнє тертя, що сприяє злипанню металу, що лежить під нею, та форми. У той же час робоча стрічка форми деформується під тиском у трубчасту форму, а липкий алюміній, що утворюється внаслідок контакту ріжучої кромки робочої стрічки з профілем, подібний до ріжучої кромки токарного інструменту.
Утворення липкого алюмінію – це динамічний процес росту та відшаровування. Частинки постійно виділяються профілем. Вони прилипають до поверхні профілю, утворюючи дефекти відтягування. Якщо він витікає безпосередньо з робочої стрічки та миттєво адсорбується на поверхні профілю, дрібні частинки, термічно прикріплені до поверхні, називаються «адсорбційними частинками». Якщо деякі частинки будуть пошкоджені екструдованим алюмінієвим сплавом, інші частинки прилипнуть до поверхні робочої стрічки під час проходження через неї, спричиняючи подряпини на поверхні профілю. Задня частина – це багатошарова алюмінієва матриця. Коли в середині робочої стрічки застрягло багато алюмінію (зв'язок міцний), це посилить поверхневі подряпини.
(6) Швидкість екструзії має великий вплив на витягування. Вплив швидкості екструзії. Що стосується відстежуваного сплаву 6005, швидкість екструзії збільшується в межах випробувального діапазону, температура на виході збільшується, а кількість частинок, що витягуються на поверхні, збільшується та стає важчою зі збільшенням механічних ліній. Швидкість екструзії слід підтримувати якомога стабільнішою, щоб уникнути раптових змін швидкості. Надмірна швидкість екструзії та висока температура на виході призведуть до збільшення тертя та серйозного витягування частинок. Конкретний механізм впливу швидкості екструзії на явище витягування потребує подальшого спостереження та перевірки.
(7) Якість поверхні литого стрижня також є важливим фактором, що впливає на витягування частинок. Поверхня литого стрижня шорстка, з задирками від пилки, масляними плямами, пилом, корозією тощо, що збільшує схильність до витягування частинок.
4 Висновок
(1) Склад дефектів витягування відповідає складу матриці; склад положення частинок явно відрізняється від складу матриці, в основному містить елементи O, C, Fe та Si.
(2) Дефекти, пов'язані з витягуванням, головним чином спричинені налипанням алюмінію на робочу стрічку форми. Будь-які фактори, що сприяють налипання алюмінію на робочу стрічку форми, спричинятимуть дефекти, пов'язані з витягуванням. За умови забезпечення якості литого стрижня, утворення частинок, пов'язаних з витягуванням, не має прямого впливу на склад сплаву.
(3) Правильна рівномірна обробка вогнем корисна для зменшення поверхневого витягування.
Час публікації: 10 вересня 2024 р.
