Během procesu extruze extrudovaných materiálů z hliníkových slitin, zejména hliníkových profilů, se na povrchu často vyskytuje „důlková“ vada. Mezi specifické projevy patří velmi malé nádory s různou hustotou, ocasy a zřetelný pocit při omak s hroty. Po oxidaci nebo elektroforetické povrchové úpravě se často jeví jako černé granule ulpívající na povrchu výrobku.
Při extruzní výrobě profilů s velkým průřezem je výskyt této vady pravděpodobnější v důsledku vlivu struktury ingotu, teploty extruze, rychlosti extruze, složitosti formy atd. Většina jemných částic s důlkovými vadami může být odstraněna během procesu předúpravy povrchu profilu, zejména procesem alkalického leptání, zatímco malé množství velkých, pevně přilnutých částic zůstává na povrchu profilu, což ovlivňuje vzhledovou kvalitu konečného výrobku.
U běžných profilů pro dveře a okna budov zákazníci obecně akceptují drobné důlkové vady, ale u průmyslových profilů, které vyžadují stejný důraz na mechanické vlastnosti a dekorativní výkon, nebo větší důraz na dekorativní výkon, zákazníci tyto vady obecně neakceptují, zejména důlkové vady, které nejsou v souladu s různou barvou pozadí.
Za účelem analýzy mechanismu tvorby drsných částic byla analyzována morfologie a složení míst s defekty za různých složení slitin a procesů extruze a byly porovnány rozdíly mezi defekty a matricí. Bylo navrženo rozumné řešení pro efektivní odstranění drsných částic a proveden zkušební test.
Pro řešení problému bodových vad profilů je nutné pochopit mechanismus jejich vzniku. Během procesu extruze je hlavní příčinou bodových vad na povrchu extrudovaných hliníkových materiálů ulpívání hliníku na pracovním pásu formy. Je to proto, že proces extruze hliníku probíhá při vysoké teplotě, přibližně 450 °C. Pokud se k tomu přidají účinky deformačního tepla a tepla tření, teplota kovu při vytékání z otvoru formy bude vyšší. Když výrobek vytéká z otvoru formy, v důsledku vysoké teploty dochází k jevu ulpívání hliníku mezi kovem a pracovním pásem formy.
Forma tohoto spojení je často: opakovaný proces spojení – trhání – spojení – opětovné trhání, přičemž produkt teče dopředu, což má za následek mnoho malých důlků na povrchu produktu.
Tento jev spojování souvisí s faktory, jako je kvalita ingotu, stav povrchu pracovního pásu formy, teplota vytlačování, rychlost vytlačování, stupeň deformace a odolnost kovu vůči deformaci.
1 Zkušební materiály a metody
Prostřednictvím předběžného výzkumu jsme zjistili, že faktory, jako je metalurgická čistota, stav formy, proces extruze, složky a výrobní podmínky, mohou ovlivnit zdrsněný povrch částic. V testu byly k extruzi stejného profilu použity dvě slitinové tyče, 6005A a 6060. Morfologie a složení zdrsněných pozic částic byly analyzovány pomocí spektrometru s přímým odečtem a detekčních metod SEM a porovnány s okolní normální matricí.
Aby bylo možné jasně rozlišit morfologii dvou defektů, a to důlkového a částicového, jsou definovány následovně:
(1) Důlkovité vady neboli tažné vady jsou druhem bodové vady, což je nepravidelná vada podobná pulci nebo bodovému škrábanci, která se objevuje na povrchu profilu. Vada začíná od škrábaného pruhu a končí odpadáváním, které se na konci škrábaného pruhu hromadí do kovových zrn. Velikost důlkovité vady je obvykle 1–5 mm a po oxidačním ošetření ztmavne, což nakonec ovlivňuje vzhled profilu, jak je znázorněno v červeném kruhu na obrázku 1.
(2) Povrchové částice se také nazývají kovové zrna nebo adsorpční částice. Povrch profilu z hliníkové slitiny je tvořen kulovitými šedočernými částicemi tvrdého kovu a má sypkou strukturu. Existují dva typy profilů z hliníkové slitiny: ty, které lze setřít, a ty, které nelze setřít. Velikost je obvykle menší než 0,5 mm a na dotek jsou drsné. V přední části nejsou žádné škrábance. Po oxidaci se od matrice příliš neliší, jak je znázorněno ve žlutém kruhu na obrázku 1.
2 Výsledky testů a analýza
2.1 Vady způsobené tahem povrchu
Obrázek 2 ukazuje mikrostrukturální morfologii vady způsobené tažením na povrchu slitiny 6005A. V přední části tažení jsou stupňovité škrábance, které končí složenými uzlíky. Po objevení uzlíků se povrch vrátí do normálu. Umístění zdrsněné vady není na dotek hladké, má ostrý trnitý pocit a ulpívá nebo se hromadí na povrchu profilu. Při testu extruze bylo pozorováno, že morfologie tažení extrudovaných profilů 6005A a 6060 je podobná a zadní konec produktu je větší než přední konec; rozdíl spočívá v tom, že celková velikost tažení u 6005A je menší a hloubka vrypu je zeslabena. To může souviset se změnami ve složení slitiny, stavu odlévané tyče a podmínkách formy. Při pozorování pod 100násobným zvětšením jsou na předním konci tažené oblasti, která je protáhlá podél směru extruze, zřetelné škrábance a tvar konečných částic uzlíků je nepravidelný. Při zvětšení 500X má přední konec tažné plochy stupňovité škrábance ve směru vytlačování (velikost této vady je asi 120 μm) a na zadním konci jsou zřetelné stopy po stohování na nodulárních částicích.
Pro analýzu příčin tahání byl použit spektrometr s přímým odečtem a EDX k provedení analýzy komponent na umístění defektů a matrici tří složek slitiny. Tabulka 1 ukazuje výsledky testů profilu 6005A. Výsledky EDX ukazují, že složení pozice vrstvení tahových částic je v podstatě podobné složení matrice. Kromě toho se v tahové vadě a jejím okolí hromadí některé jemné nečistoty, které obsahují C, O (nebo Cl) nebo Fe, Si a S.
Analýza zdrsnění jemně oxidovaných extrudovaných profilů z oceli 6005A ukazuje, že tažné částice jsou velké (1-5 mm), povrch je převážně vrstvený a na přední části jsou stupňovité škrábance; složení je blízké matrici Al a kolem ní jsou rozmístěny heterogenní fáze obsahující Fe, Si, C a O. Ukazuje se, že mechanismus vzniku tažných částic u všech tří slitin je stejný.
Během procesu extruze způsobuje tření v proudění kovu zvýšení teploty pracovního pásu formy, což vede k tvorbě „lepkavé hliníkové vrstvy“ na řezné hraně vstupu do pracovního pásu. Zároveň přebytečný Si a další prvky, jako je Mn a Cr, v hliníkové slitině snadno tvoří pevné roztoky nahrazující Fe, což podporuje tvorbu „lepkavé hliníkové vrstvy“ na vstupu do pracovní zóny formy.
Jak kov proudí vpřed a tře se o pracovní pás, dochází v určitém místě k vratnému jevu kontinuálního spojování-trhání-spojování, což způsobuje, že se kov v tomto místě neustále překrývá. Když částice dosáhnou určité velikosti, budou odtahovány proudícím produktem a na povrchu kovu vytvoří škrábance. Zůstanou na povrchu kovu a na konci škrábance vytvoří tažné částice. Lze tedy předpokládat, že tvorba zdrsněných částic souvisí hlavně s ulpíváním hliníku na pracovním pásu formy. Heterogenní fáze rozptýlené kolem něj mohou pocházet z mazacího oleje, oxidů nebo prachových částic, jakož i z nečistot přinesených drsným povrchem ingotu.
Počet tahů ve výsledcích testu 6005A je však menší a stupeň je lehčí. Na jedné straně je to způsobeno zkosením na výstupu z pracovního pásu formy a pečlivým leštěním pracovního pásu za účelem snížení tloušťky hliníkové vrstvy; na druhé straně to souvisí s nadměrným obsahem Si.
Z výsledků spektrálního složení získaných přímo odečtem je patrné, že kromě Si v kombinaci s MgMg2Si se zbývající Si objevuje ve formě jednoduché látky.
2.2 Malé částice na povrchu
Při vizuální kontrole s malým zvětšením jsou částice malé (≤0,5 mm), na dotek nejsou hladké, mají ostrý povrch a ulpívají na povrchu profilu. Při pozorování pod 100násobným zvětšením jsou malé částice na povrchu rozmístěny náhodně a drobné částice se na povrchu uchytily bez ohledu na to, zda jsou na povrchu škrábance či nikoliv;
Při zvětšení 500X, bez ohledu na to, zda jsou na povrchu podél směru extruze zjevné stupňovité škrábance, je stále mnoho částic připojeno a jejich velikost se liší. Největší velikost částic je asi 15 μm a malé částice mají velikost asi 5 μm.
Analýza složení povrchových částic slitiny 6060 a neporušené matrice ukázala, že částice se skládají převážně z prvků O, C, Si a Fe a obsah hliníku je velmi nízký. Téměř všechny částice obsahují prvky O a C. Složení jednotlivých částic se mírně liší. Částice typu a mají velikost blízkou 10 μm, což je výrazně více než obsah hliníku v matrici; částice typu c mají zjevně vyšší obsah Si, O a Cl; částice typu d a f obsahují vysoký obsah Si, O a Na; částice typu e obsahují Si, Fe a O; částice typu h jsou sloučeniny obsahující Fe. Výsledky pro částice 6060 jsou podobné, ale protože obsah Si a Fe v samotné slitině 6060 je nízký, je odpovídající obsah Si a Fe v povrchových částicích také nízký; obsah C v částicích 6060 je relativně nízký.
Povrchové částice nemusí být jednotlivé malé částice, ale mohou existovat také ve formě agregátů mnoha malých částic různých tvarů a hmotnostní procenta různých prvků v různých částicích se liší. Předpokládá se, že částice se skládají převážně ze dvou typů. Jedním jsou sraženiny, jako je AlFeSi a elementární Si, které pocházejí z vysokotánících nečistot, jako je FeAl3 nebo AlFeSi(Mn), v ingotu, nebo z sraženin během procesu extruze. Druhým typem jsou ulpělé cizí látky.
2.3 Vliv drsnosti povrchu ingotu
Během testu bylo zjištěno, že zadní povrch soustruhu na lité tyče 6005A byl drsný a zaprášený. Na dvou litých tyčích byly lokálně patrné nejhlubší stopy po soustružení, což odpovídalo výraznému nárůstu počtu tahů po extruzi a velikost jednoho tahu byla větší, jak je znázorněno na obrázku 7.
Litá tyč 6005A nemá soustruh, takže drsnost povrchu je nízká a počet tahů je snížen. Navíc, protože na stopách soustružení lité tyče není vázána žádná přebytečná řezná kapalina, je snížen obsah uhlíku v odpovídajících částicích. Je prokázáno, že stopy soustružení na povrchu lité tyče do určité míry zhoršují tahání a tvorbu částic.
3 Diskuse
(1) Složky vad způsobených tažením jsou v podstatě stejné jako složky matrice. Jsou to cizí částice, stará kůže na povrchu ingotu a další nečistoty nahromaděné ve stěně vytlačovacího válce nebo v mrtvé oblasti formy během procesu vytlačování, které se dostávají na kovový povrch nebo hliníkovou vrstvu pracovního pásu formy. Jak produkt proudí vpřed, vznikají povrchové škrábance a když produkt dosáhne určité velikosti, je produktem vytažen a tvoří tažení. Po oxidaci tažení korodovalo a kvůli jeho velké velikosti se na něm vyskytovaly důlkové vady.
(2) Povrchové částice se někdy objevují jako jednotlivé malé částice a někdy existují v agregované formě. Jejich složení se zjevně liší od složení matrice a obsahuje převážně prvky O, C, Fe a Si. V některých částicích převládají prvky O a C a v některých částicích O, C, Fe a Si. Proto se usuzuje, že povrchové částice pocházejí ze dvou zdrojů: jedním jsou sraženiny, jako je AlFeSi a elementární Si, a nečistoty, jako je O a C, které ulpívají na povrchu; druhým jsou ulpívající cizí látky. Částice po oxidaci korodují. Vzhledem ke své malé velikosti nemají žádný nebo jen malý vliv na povrch.
(3) Částice bohaté na prvky C a O pocházejí převážně z mazacího oleje, prachu, půdy, vzduchu atd., které ulpívají na povrchu ingotu. Hlavními složkami mazacího oleje jsou C, O, H, S atd. a hlavní složkou prachu a půdy je SiO2. Obsah O v povrchových částicích je obecně vysoký. Protože částice jsou ihned po opuštění pracovního pásu ve stavu vysoké teploty a díky velkému specifickému povrchu částic snadno adsorbují atomy O ze vzduchu a po kontaktu se vzduchem způsobují oxidaci, což má za následek vyšší obsah O než v matrici.
(4) Fe, Si atd. pocházejí převážně z oxidů, starých okuhů a nečistot v ingotu (fáze s vysokým bodem tání nebo druhá fáze, která není homogenizací zcela eliminována). Prvek Fe pochází z Fe v hliníkových ingotech a tvoří nečistoty s vysokým bodem tání, jako je FeAl3 nebo AlFeSi(Mn), které se nemohou během homogenizace rozpustit v pevném roztoku nebo nejsou plně přeměněny; Si se v hliníkové matrici vyskytuje ve formě Mg2Si nebo přesyceného pevného roztoku Si během procesu odlévání. Během procesu horkého protlačování odlévané tyče se může přebytečný Si vysrážet. Rozpustnost Si v hliníku je 0,48 % při 450 °C a 0,8 % (hm. %) při 500 °C. Přebytečný obsah Si v oceli 6005 je asi 0,41 % a vysrážený Si může být agregací a srážením způsobeným kolísáním koncentrace.
(5) Hlavní příčinou tahání je přilepení hliníku k pracovnímu pásu formy. Vytlačovací hlava je prostředí s vysokou teplotou a vysokým tlakem. Tření při toku kovu zvyšuje teplotu pracovního pásu formy a na řezné hraně vstupu pracovního pásu vytváří „lepkavou hliníkovou vrstvu“.
Zároveň přebytečný Si a další prvky, jako jsou Mn a Cr, v hliníkové slitině snadno tvoří pevné roztoky s Fe, což podporuje tvorbu „lepkavé hliníkové vrstvy“ na vstupu do pracovní zóny formy. Kov protékající „lepkavou hliníkovou vrstvou“ je vystaven vnitřnímu tření (smykovému kluzu uvnitř kovu). Kov se v důsledku vnitřního tření deformuje a tvrdne, což podporuje slepení podkladového kovu a formy. Současně se pracovní pás formy v důsledku tlaku deformuje do tvaru trubky a lepkavý hliník, který vzniká kontaktem břitu pracovního pásu s profilem, je podobný břitu soustružnického nástroje.
Tvorba lepkavého hliníku je dynamický proces růstu a odlupování. Částice jsou neustále uvolňovány profilem. Ulpívají na povrchu profilu a vytvářejí tažné vady. Pokud hliník vytéká přímo z pracovního pásu a okamžitě se adsorbuje na povrch profilu, malé částice tepelně přilnuté k povrchu se nazývají „adsorpční částice“. Pokud se některé částice rozbijí na extrudované hliníkové slitině, další částice se při průchodu pracovním pásem uchytí na jeho povrchu a způsobí poškrábání povrchu profilu. Koncem profilu je vrstvená hliníková matrice. Pokud je uprostřed pracovního pásu hodně hliníku (spoje je silná), zhorší se povrchové poškrábání.
(6) Rychlost extruze má velký vliv na tahání. Vliv rychlosti extruze. Pokud jde o sledovanou slitinu 6005, rychlost extruze se v rámci testovacího rozsahu zvyšuje, zvyšuje se výstupní teplota a počet povrchových tažných částic se zvyšuje a stává se těžšími s rostoucími mechanickými liniemi. Rychlost extruze by měla být udržována co nejstabilnější, aby se zabránilo náhlým změnám rychlosti. Nadměrná rychlost extruze a vysoká výstupní teplota povedou ke zvýšenému tření a silnému tahání částic. Specifický mechanismus vlivu rychlosti extruze na jev tahání vyžaduje následné sledování a ověření.
(7) Kvalita povrchu lité tyče je také důležitým faktorem ovlivňujícím tažné částice. Povrch lité tyče je drsný, s otřepy od pily, olejovými skvrnami, prachem, korozí atd., což vše zvyšuje tendenci k tažným částicím.
4 Závěr
(1) Složení tahových defektů je konzistentní se složením matrice; složení pozice částic se zjevně liší od složení matrice, která obsahuje převážně prvky O, C, Fe a Si.
(2) Vady způsobené tahem jsou způsobeny hlavně ulpíváním hliníku na pracovním pásu formy. Jakékoli faktory, které podporují ulpívání hliníku na pracovním pásu formy, způsobí vady způsobené tahem. Za předpokladu zajištění kvality odlévané tyče nemá tvorba tahových částic přímý vliv na složení slitiny.
(3) Správné rovnoměrné ošetření ohněm je prospěšné pro snížení povrchového tahání.
Čas zveřejnění: 10. září 2024
