По време на процеса на екструдиране на екструдирани материали от алуминиеви сплави, особено алуминиеви профили, на повърхността често се появява дефект „питинг“. Специфичните прояви включват много малки тумори с различна плътност, „опашки“ и видимо усещане при допир с бодли. След окисляване или електрофоретична обработка на повърхността, те често изглеждат като черни гранули, полепнали по повърхността на продукта.
При екструдирането на профили с голямо сечение, този дефект е по-вероятно да се появи поради влиянието на структурата на слитъка, температурата на екструдиране, скоростта на екструдиране, сложността на матрицата и др. Повечето от фините частици с ямковидни дефекти могат да бъдат отстранени по време на процеса на предварителна обработка на повърхността на профила, особено процеса на алкално ецване, докато малък брой големи, здраво залепнали частици остават върху повърхността на профила, което влияе върху качеството на външния вид на крайния продукт.
При обикновените профили за врати и прозорци на сгради, клиентите обикновено приемат незначителни дефекти вдлъбнатини, но при индустриални профили, които изискват еднакъв акцент върху механичните свойства и декоративните характеристики или по-голям акцент върху декоративните характеристики, клиентите обикновено не приемат този дефект, особено дефекти вдлъбнатини, които не са в съответствие с различния цвят на фона.
За да се анализира механизмът на образуване на груби частици, бяха анализирани морфологията и съставът на дефектните местоположения при различни състави на сплави и процеси на екструдиране, като бяха сравнени разликите между дефектите и матрицата. Беше предложено разумно решение за ефективно справяне с грубите частици и беше проведен пробен тест.
За да се реши проблемът с точковите дефекти в профилите, е необходимо да се разбере механизмът на тяхното образуване. По време на процеса на екструдиране, залепването на алуминий по работната лента на матрицата е основната причина за точковидни дефекти по повърхността на екструдираните алуминиеви материали. Това е така, защото процесът на екструдиране на алуминий се извършва при висока температура от около 450°C. Ако се добавят ефектите от деформационната топлина и топлината от триене, температурата на метала ще бъде по-висока, когато изтича от отвора на матрицата. Когато продуктът изтича от отвора на матрицата, поради високата температура, се наблюдава залепване на алуминий между метала и работната лента на матрицата.
Формата на това свързване често е: повтарящ се процес на свързване – разкъсване – свързване – отново разкъсване, като продуктът тече напред, което води до образуването на множество малки вдлъбнатини по повърхността му.
Това явление на свързване е свързано с фактори като качеството на слитъка, състоянието на повърхността на работния колан на формата, температурата на екструдиране, скоростта на екструдиране, степента на деформация и съпротивлението на метала на деформация.
1 Тестови материали и методи
Чрез предварително проучване научихме, че фактори като металургична чистота, състояние на матрицата, процес на екструдиране, съставки и производствени условия могат да повлияят на повърхностно награпените частици. В теста бяха използвани два пръта от сплав, 6005A и 6060, за екструдиране на една и съща секция. Морфологията и съставът на позициите на награпените частици бяха анализирани чрез спектрометър с директно отчитане и SEM методи за детекция и сравнени с околната нормална матрица.
За да се разграничи ясно морфологията на двата дефекта - ямковидни и частици, те се дефинират, както следва:
(1) Копринените дефекти или дефектите от издърпване са вид точков дефект, който представлява неправилен дефект, подобен на попова лъжичка или точкова драскотина, появяващ се върху повърхността на профила. Дефектът започва от драскотината и завършва с отпадане, натрупвайки се в метални зърна в края на драскотината. Размерът на копания дефект обикновено е 1-5 мм и след окислителна обработка става тъмночерен, което в крайна сметка влияе върху външния вид на профила, както е показано в червения кръг на Фигура 1.
(2) Повърхностните частици се наричат още метални зърна или адсорбционни частици. Повърхността на профила от алуминиева сплав е прикрепена със сферични сиво-черни твърди метални частици и има рохкава структура. Има два вида профили от алуминиева сплав: такива, които могат да се избършат, и такива, които не могат да се избършат. Размерът обикновено е по-малък от 0,5 мм и е грапав на допир. В предната част няма драскотини. След окисляване не се различава много от матрицата, както е показано в жълтия кръг на Фигура 1.
2 Резултати от тестове и анализ
2.1 Дефекти от повърхностно издърпване
Фигура 2 показва микроструктурната морфология на дефекта от издърпване върху повърхността на сплав 6005A. В предната част на издърпването има стъпаловидни драскотини, които завършват с подредени нодули. След появата на нодулите, повърхността се връща към нормалното си състояние. Местоположението на дефекта на грапавост не е гладко на допир, има остро бодливо усещане и се натрупва или залепва по повърхността на профила. Чрез теста за екструдиране се наблюдава, че морфологията на издърпване на екструдираните профили 6005A и 6060 е сходна, а задният край на продукта е по-голям от предния; разликата е, че общият размер на издърпване на 6005A е по-малък, а дълбочината на драскотината е отслабена. Това може да е свързано с промени в състава на сплавта, състоянието на отливаната пръчка и условията на формата. Наблюдавано под 100X, има очевидни драскотини по предния край на зоната на издърпване, която е удължена по посока на екструдиране, а формата на крайните частици на нодулите е неправилна. При 500X, предният край на дърпащата повърхност има стъпаловидни драскотини по посока на екструдиране (размерът на този дефект е около 120 μm), а в задния край има очевидни следи от подреждане върху нодуларните частици.
За да се анализират причините за издърпването, бяха използвани спектрометър за директно отчитане и EDX за извършване на компонентен анализ на местоположенията на дефектите и матрицата на трите компонента на сплавта. Таблица 1 показва резултатите от изпитванията на профила 6005A. Резултатите от EDX показват, че съставът на позицията на подреждане на издърпващите частици е по същество подобен на този на матрицата. Освен това, в и около дефекта от издърпването са натрупани някои фини примесни частици, които съдържат C, O (или Cl), или Fe, Si и S.
Анализът на дефектите на грапавост на фино окислени екструдирани профили 6005A показва, че издърпващите частици са с голям размер (1-5 мм), повърхността е предимно натрупана и има стъпаловидни драскотини по предната част; Съставът е близък до Al матрицата и ще има хетерогенни фази, съдържащи Fe, Si, C и O, разпределени около нея. Това показва, че механизмът на образуване на издърпване на трите сплави е един и същ.
По време на процеса на екструдиране, триенето в металния поток ще доведе до повишаване на температурата на работната лента на матрицата, образувайки „лепкав алуминиев слой“ на режещия ръб на входа на работната лента. В същото време, излишният Si и други елементи като Mn и Cr в алуминиевата сплав лесно могат да образуват заместващи твърди разтвори с Fe, което ще насърчи образуването на „лепкав алуминиев слой“ на входа на работната зона на матрицата.
Докато металът тече напред и се трие в работната лента, на определено място възниква възвратно-постъпателно явление на непрекъснато свързване-разкъсване-свързване, което кара метала непрекъснато да се наслагва на тази позиция. Когато частиците увеличат до определен размер, те ще бъдат издърпани от течащия продукт и ще образуват драскотини по металната повърхност. Те ще останат върху металната повърхност и ще образуват дърпащи частици в края на драскотината. Следователно може да се счита, че образуването на грапави частици е свързано главно с полепването на алуминия по работната лента на формата. Хетерогенните фази, разпределени около нея, могат да произхождат от смазочно масло, оксиди или прахови частици, както и от примеси, внесени от грапавата повърхност на слитъка.
Въпреки това, броят на издърпванията в резултатите от теста 6005A е по-малък и степента е по-лека. От една страна, това се дължи на скосяването на изхода на работната лента на матрицата и внимателното полиране на работната лента за намаляване на дебелината на алуминиевия слой; от друга страна, това е свързано с излишното съдържание на Si.
Според резултатите от директното отчитане на спектралния състав, може да се види, че освен Si, комбиниран с MgMg2Si, останалият Si се появява под формата на просто вещество.
2.2 Малки частици на повърхността
При визуална проверка с малко увеличение, частиците са малки (≤0,5 мм), не са гладки на допир, имат остро усещане и прилепват към повърхността на профила. При наблюдение под 100X, малките частици по повърхността са разпределени произволно и има малки частици, прикрепени към повърхността, независимо дали има драскотини или не;
При 500X, независимо дали има очевидни стъпаловидни драскотини по повърхността по посока на екструдиране, много частици все още са прикрепени, а размерите им варират. Най-големият размер на частиците е около 15 μm, а малките частици са около 5 μm.
Чрез анализ на състава на повърхностните частици от сплав 6060 и непокътнатата матрица, частиците са съставени главно от елементи O, C, Si и Fe, а съдържанието на алуминий е много ниско. Почти всички частици съдържат елементи O и C. Съставът на всяка частица е малко по-различен. При тях, a-частиците са близо до 10 μm, което е значително по-високо от матричните Si, Mg и O; в c-частиците Si, O и Cl са очевидно по-високи; Частиците d и f съдържат високо съдържание на Si, O и Na; частиците e съдържат Si, Fe и O; h-частиците са Fe-съдържащи съединения. Резултатите за частиците 6060 са подобни, но тъй като съдържанието на Si и Fe в самата 6060 е ниско, съответното съдържание на Si и Fe в повърхностните частици също е ниско; съдържанието на C в частиците 6060 е относително ниско.
Повърхностните частици може да не са единични малки частици, а могат да съществуват и под формата на струпвания от много малки частици с различни форми, а масовите проценти на различните елементи в различните частици варират. Смята се, че частиците са съставени главно от два вида. Единият са утайки като AlFeSi и елементарен Si, които произхождат от примесни фази с висока точка на топене, като FeAl3 или AlFeSi(Mn) в слитъка, или от утайки по време на процеса на екструдиране. Другият е прилепнала чужда материя.
2.3 Влияние на грапавостта на повърхността на слитъка
По време на теста беше установено, че задната повърхност на струга за ляти пръти 6005A е грапава и оцапана с прах. Имаше два ляти пръта с най-дълбоки следи от стругови инструменти на локални места, което съответстваше на значително увеличение на броя на издърпванията след екструдиране, а размерът на едно издърпване беше по-голям, както е показано на Фигура 7.
Лятият прът 6005A няма струг, така че грапавостта на повърхността е ниска и броят на издърпванията е намален. Освен това, тъй като няма излишна режеща течност, прикрепена към следите от струга на лятия прът, съдържанието на въглерод в съответните частици е намалено. Доказано е, че следите от струговане по повърхността на лятия прът ще влошат до известна степен издърпването и образуването на частици.
3 Дискусия
(1) Компонентите на дефектите от издърпване са по същество същите като тези на матрицата. Това са чужди частици, стара обвивка по повърхността на слитъка и други примеси, натрупани в стената на екструдиращия барабан или в мъртвата зона на матрицата по време на процеса на екструдиране, които се довеждат до металната повърхност или алуминиевия слой на работната лента на матрицата. С движението на продукта се образуват повърхностни драскотини и когато продуктът достигне определен размер, той се извлича от продукта, образувайки издърпване. След окисляване издърпването е корозирало и поради големия си размер там се появяват дефекти, подобни на вдлъбнатини.
(2) Повърхностните частици понякога се появяват като единични малки частици, а понякога съществуват в агрегирана форма. Съставът им очевидно е различен от този на матрицата и съдържа главно елементи O, C, Fe и Si. Някои от частиците са доминирани от елементи O и C, а други - от O, C, Fe и Si. Следователно се прави извод, че повърхностните частици идват от два източника: единият е утайка като AlFeSi и елементарен Si, а примесите като O и C са полепнали по повърхността; другият е полепнала чужда материя. Частиците корозират след окисляване. Поради малкия си размер, те нямат или имат малко въздействие върху повърхността.
(3) Частиците, богати на елементи C и O, идват главно от смазочно масло, прах, почва, въздух и др., полепнали по повърхността на слитъка. Основните компоненти на смазочното масло са C, O, H, S и др., а основният компонент на праха и почвата е SiO2. Съдържанието на O в повърхностните частици обикновено е високо. Тъй като частиците са във високотемпературно състояние веднага след напускане на работната лента и поради голямата си специфична повърхност, те лесно адсорбират O атоми от въздуха и причиняват окисление след контакт с въздуха, което води до по-високо съдържание на O отколкото в матрицата.
(4) Fe, Si и др. идват главно от оксиди, стара котлен камък и примесни фази в слитъка (висока точка на топене или втора фаза, която не е напълно елиминирана чрез хомогенизиране). Елементът Fe произхожда от Fe в алуминиеви слитки, образувайки примесни фази с висока точка на топене, като FeAl3 или AlFeSi(Mn), които не могат да бъдат разтворени в твърд разтвор по време на процеса на хомогенизиране или не са напълно преобразувани; Si съществува в алуминиевата матрица под формата на Mg2Si или пренаситен твърд разтвор на Si по време на процеса на леене. По време на процеса на горещо екструдиране на лятия прът, излишният Si може да се утаи. Разтворимостта на Si в алуминий е 0,48% при 450°C и 0,8% (тегл.%) при 500°C. Излишното съдържание на Si в 6005 е около 0,41%, а утаеният Si може да е агрегация и утаяване, причинени от колебания на концентрацията.
(5) Залепването на алуминий по работната лента на матрицата е основната причина за опъване. Екструзионната матрица е среда с висока температура и високо налягане. Триенето на металния поток ще повиши температурата на работната лента на матрицата, образувайки „лепкав алуминиев слой“ на режещия ръб на входа на работната лента.
В същото време, излишният Si и други елементи като Mn и Cr в алуминиевата сплав лесно се заменят с Fe в твърди разтвори, което ще спомогне за образуването на „лепкав алуминиев слой“ на входа на работната зона на матрицата. Металът, преминаващ през „лепкавия алуминиев слой“, е свързан с вътрешно триене (плъзгащо срязване вътре в метала). Металът се деформира и втвърдява поради вътрешното триене, което спомага за слепването на подлежащия метал и матрицата. В същото време работната лента на матрицата се деформира във формата на тръба поради налягането, а лепкавият алуминий, образуван от режещата част на работната лента, която е в контакт с профила, е подобен на режещия ръб на стругов инструмент.
Образуването на лепкав алуминий е динамичен процес на растеж и отделяне. Частици непрекъснато се отделят от профила. Те се залепват за повърхността на профила, образувайки дефекти от издърпване. Ако алуминият изтича директно от работната лента и се адсорбира мигновено върху повърхността на профила, малките частици, термично залепнали за повърхността, се наричат „адсорбционни частици“. Ако някои частици бъдат разрушени от екструдираната алуминиева сплав, други частици ще се залепят за повърхността на работната лента при преминаване през нея, причинявайки драскотини по повърхността на профила. Задният край е подредената алуминиева матрица. Когато в средата на работната лента има много алуминий (връзката е здрава), това ще влоши повърхностните драскотини.
(6) Скоростта на екструдиране има голямо влияние върху издърпването. Влиянието на скоростта на екструдиране. Що се отнася до проследената сплав 6005, скоростта на екструдиране се увеличава в рамките на тестовия диапазон, температурата на изхода се увеличава и броят на повърхностните издърпващи частици се увеличава и става по-тежък с увеличаване на механичните линии. Скоростта на екструдиране трябва да се поддържа възможно най-стабилна, за да се избегнат резки промени в скоростта. Прекомерната скорост на екструдиране и високата температура на изхода ще доведат до повишено триене и сериозно издърпване на частици. Специфичният механизъм на въздействие на скоростта на екструдиране върху феномена на издърпване изисква последващо проследяване и проверка.
(7) Качеството на повърхността на лятия прът също е важен фактор, влияещ върху издърпването на частиците. Повърхността на лятия прът е грапава, с грапавини от трион, маслени петна, прах, корозия и др., всички от които увеличават склонността към издърпване на частици.
4 Заключение
(1) Съставът на дефектите от издърпване е в съответствие с този на матрицата; съставът на позицията на частиците очевидно е различен от този на матрицата, съдържаща главно елементи O, C, Fe и Si.
(2) Дефектите от дърпащи частици се причиняват главно от залепване на алуминий по работната лента на формата. Всички фактори, които насърчават залепването на алуминий по работната лента на формата, ще причинят дефекти от дърпане. С цел осигуряване на качеството на отливаната пръчка, генерирането на дърпащи частици няма пряко въздействие върху състава на сплавта.
(3) Правилната равномерна огнева обработка е полезна за намаляване на повърхностното опъване.
Време на публикуване: 10 септември 2024 г.
