Tijdens het extrusieproces van geëxtrudeerde aluminiumlegeringen, met name aluminiumprofielen, ontstaat er vaak een "pitting"-defect op het oppervlak. De specifieke verschijnselen zijn onder meer zeer kleine tumoren met variërende dichtheden, staartvorming en een duidelijk handgevoel, met een stekelig gevoel. Na oxidatie of elektroforetische oppervlaktebehandeling verschijnen ze vaak als zwarte korrels die aan het oppervlak van het product hechten.
Bij de extrusieproductie van grote profielen treedt dit defect vaker op vanwege de invloed van de ingotstructuur, extrusietemperatuur, extrusiesnelheid, complexiteit van de matrijs, enz. De meeste fijne deeltjes van putvormige defecten kunnen worden verwijderd tijdens het voorbehandelingsproces van het profieloppervlak, met name het alkali-etsen, terwijl een klein aantal grote, stevig gehechte deeltjes op het profieloppervlak achterblijven, wat de uiterlijke kwaliteit van het eindproduct beïnvloedt.
Bij gewone deur- en raamprofielen accepteren klanten doorgaans kleine putjes, maar bij industriële profielen waarbij de nadruk evenzeer op mechanische eigenschappen en decoratieve prestaties ligt, of juist meer op decoratieve prestaties, accepteren klanten dergelijke gebreken doorgaans niet. Dit geldt met name voor putjes die niet passen bij de afwijkende achtergrondkleur.
Om het vormingsmechanisme van ruwe deeltjes te analyseren, werden de morfologie en samenstelling van de defectlocaties onder verschillende legeringssamenstellingen en extrusieprocessen geanalyseerd en werden de verschillen tussen de defecten en de matrix vergeleken. Er werd een redelijke oplossing voorgesteld om de ruwe deeltjes effectief op te lossen en er werd een proef uitgevoerd.
Om putcorrosie in profielen te verhelpen, is het noodzakelijk om het ontstaansmechanisme van putcorrosie te begrijpen. Tijdens het extrusieproces is het vastplakken van aluminium aan de matrijs de belangrijkste oorzaak van putcorrosie op het oppervlak van geëxtrudeerde aluminium materialen. Dit komt doordat het extrusieproces van aluminium plaatsvindt bij een hoge temperatuur van ongeveer 450 °C. Door de effecten van vervormingswarmte en wrijvingswarmte op te tellen, zal de temperatuur van het metaal hoger zijn wanneer het uit het matrijsgat stroomt. Wanneer het product uit het matrijsgat stroomt, treedt er door de hoge temperatuur een fenomeen op waarbij aluminium vastplakt tussen het metaal en de matrijswerkband.
De vorm van deze binding is vaak: een herhaald proces van binding – scheuren – binding – opnieuw scheuren, waarbij het product naar voren stroomt, wat resulteert in veel kleine putjes op het oppervlak van het product.
Dit bindingsverschijnsel hangt af van factoren zoals de kwaliteit van het gietstuk, de oppervlaktegesteldheid van de werkband van de matrijs, de extrusietemperatuur, de extrusiesnelheid, de mate van vervorming en de vervormingsweerstand van het metaal.
1 Testmaterialen en -methoden
Door vooronderzoek kwamen we erachter dat factoren zoals metallurgische zuiverheid, de matrijsstatus, het extrusieproces, de ingrediënten en de productieomstandigheden van invloed kunnen zijn op de ruwgemaakte deeltjes. In de test werden twee legeringsstaven, 6005A en 6060, gebruikt om hetzelfde deel te extruderen. De morfologie en samenstelling van de posities van de ruwgemaakte deeltjes werden geanalyseerd met behulp van een direct aflezende spectrometer en SEM-detectiemethoden, en vergeleken met de omringende normale matrix.
Om de morfologie van de twee defecten, namelijk putjes en deeltjes, duidelijk te kunnen onderscheiden, worden ze als volgt gedefinieerd:
(1) Putjesdefecten of trekdefecten zijn een soort puntdefecten, een onregelmatige, kikkervisachtige of puntvormige kras die op het oppervlak van het profiel verschijnt. Het defect begint bij de krasstreep en eindigt met het afvallende defect, dat zich ophoopt in metalen korrels aan het einde van de kraslijn. De grootte van het putje is doorgaans 1-5 mm en het wordt donkerzwart na oxidatiebehandeling, wat uiteindelijk het uiterlijk van het profiel beïnvloedt, zoals weergegeven in de rode cirkel in figuur 1.
(2) Oppervlaktedeeltjes worden ook wel metaalkorrels of adsorptiedeeltjes genoemd. Het oppervlak van het aluminiumlegeringsprofiel is verbonden met bolvormige grijszwarte harde metaaldeeltjes en heeft een losse structuur. Er zijn twee soorten aluminiumlegeringsprofielen: afveegbare en niet-afveegbare. De grootte is over het algemeen kleiner dan 0,5 mm en het voelt ruw aan. Er is geen kras op het voorste gedeelte. Na oxidatie verschilt het niet veel van de matrix, zoals weergegeven in de gele cirkel in afbeelding 1.
2 Testresultaten en analyse
2.1 Oppervlaktetrekdefecten
Figuur 2 toont de microstructurele morfologie van het trekdefect op het oppervlak van de 6005A-legering. Er zijn trapvormige krassen aan de voorkant van het trekgedeelte, die eindigen met gestapelde nodules. Nadat de nodules verschijnen, keert het oppervlak terug naar normaal. De locatie van het ruwheidsdefect is niet glad, voelt scherp en stekelig aan en hecht zich aan of hoopt zich op aan het oppervlak van het profiel. Tijdens de extrusietest werd waargenomen dat de trekmorfologie van geëxtrudeerde 6005A- en 6060-profielen vergelijkbaar is en dat de achterkant van het product groter is dan de kop; het verschil is dat de totale trekgrootte van 6005A kleiner is en de krasdiepte zwakker is. Dit kan verband houden met veranderingen in de samenstelling van de legering, de toestand van de gegoten staaf en de matrijscondities. Bij een 100x-vergroting zijn er duidelijke krassporen zichtbaar aan de voorkant van het trekoppervlak, dat langwerpig is in de extrusierichting, en is de vorm van de uiteindelijke nodulaire deeltjes onregelmatig. Bij een 500x-vergroting vertoont de voorkant van het trekoppervlak trapvormige krassen in de extrusierichting (de grootte van dit defect is ongeveer 120 μm) en zijn er duidelijke stapelsporen zichtbaar op de nodulaire deeltjes aan de achterkant.
Om de oorzaken van het trekken te analyseren, werden een direct aflezende spectrometer en EDX gebruikt om een componentanalyse uit te voeren op de defectlocaties en de matrix van de drie legeringcomponenten. Tabel 1 toont de testresultaten van het 6005A-profiel. De EDX-resultaten laten zien dat de samenstelling van de stapelpositie van de trekdeeltjes in principe vergelijkbaar is met die van de matrix. Bovendien hopen zich enkele fijne onzuiverheidsdeeltjes op in en rond het trekdefect, en de onzuiverheidsdeeltjes bevatten C, O (of Cl), of Fe, Si en S.
Analyse van de ruwheidsdefecten van 6005A fijn geoxideerde geëxtrudeerde profielen toont aan dat de trekdeeltjes groot zijn (1-5 mm), dat het oppervlak grotendeels gestapeld is en dat er trapvormige krassen op de voorzijde zitten. De samenstelling is vergelijkbaar met die van de Al-matrix en er zullen heterogene fasen zijn met Fe, Si, C en O eromheen verdeeld. Het toont aan dat het trekvormingsmechanisme van de drie legeringen hetzelfde is.
Tijdens het extrusieproces zorgt de wrijving van de metaalstroom ervoor dat de temperatuur van de werkband van de matrijs stijgt, waardoor een "kleverige aluminiumlaag" ontstaat aan de snijkant van de ingang van de werkband. Tegelijkertijd kunnen overtollig Si en andere elementen zoals Mn en Cr in de aluminiumlegering gemakkelijk worden vervangen door vaste oplossingen met Fe, wat de vorming van een "kleverige aluminiumlaag" bij de ingang van de werkzone van de matrijs bevordert.
Terwijl het metaal naar voren stroomt en tegen de werkband schuurt, treedt er op een bepaalde positie een heen en weer gaande beweging van continue binding-scheuring-binding op, waardoor het metaal op deze positie continu overlapt. Wanneer de deeltjes een bepaalde grootte bereiken, worden ze door het stromende product meegetrokken en vormen ze krassen op het metaaloppervlak. Ze blijven op het metaaloppervlak liggen en vormen aan het einde van de kras trekdeeltjes. De vorming van ruw geworden deeltjes houdt dus voornamelijk verband met het feit dat het aluminium aan de werkband van de matrijs blijft kleven. De heterogene fasen die eromheen verspreid zijn, kunnen afkomstig zijn van smeerolie, oxiden of stofdeeltjes, evenals onzuiverheden die door het ruwe oppervlak van de ingot worden meegevoerd.
Het aantal trekbewegingen in de 6005A-testresultaten is echter kleiner en de mate van trekkracht is lichter. Dit komt enerzijds door de afschuining aan de uitgang van de matrijswerkband en het zorgvuldig polijsten van de werkband om de dikte van de aluminiumlaag te verminderen; anderzijds door het verhoogde Si-gehalte.
Uit de resultaten van de directe aflezing van de spectrale samenstelling blijkt dat naast Si gecombineerd met Mg Mg2Si, het resterende Si in de vorm van een eenvoudige substantie verschijnt.
2.2 Kleine deeltjes op het oppervlak
Bij visuele inspectie met een lage vergroting zijn de deeltjes klein (≤ 0,5 mm), voelen ze niet glad aan, voelen ze scherp aan en hechten ze zich aan het oppervlak van het profiel. Bij een vergroting van 100x zijn de kleine deeltjes op het oppervlak willekeurig verdeeld en hechten ze zich aan het oppervlak, ongeacht of er krassen zijn of niet.
Bij 500x blijven er, ongeacht of er duidelijke trapvormige krassen op het oppervlak langs de extrusierichting zitten, nog steeds veel deeltjes aan de oppervlakte hangen en variëren de deeltjesgroottes. De grootste deeltjesgrootte is ongeveer 15 μm en de kleinere deeltjes zijn ongeveer 5 μm.
Uit de samenstellingsanalyse van de oppervlaktedeeltjes van de 6060-legering en de intacte matrix blijkt dat de deeltjes voornamelijk bestaan uit O-, C-, Si- en Fe-elementen, en dat het aluminiumgehalte zeer laag is. Bijna alle deeltjes bevatten O- en C-elementen. De samenstelling van elk deeltje verschilt enigszins. De a-deeltjes zijn bijna 10 μm groot, wat aanzienlijk hoger is dan de Si-, Mg- en O-elementen van de matrix; in c-deeltjes zijn Si, O en Cl duidelijk groter; deeltjes d en f bevatten veel Si, O en Na; deeltjes e bevatten Si, Fe en O; h-deeltjes zijn Fe-bevattende verbindingen. De resultaten van 6060-deeltjes zijn vergelijkbaar, maar omdat het Si- en Fe-gehalte in 6060 zelf laag is, zijn de overeenkomstige Si- en Fe-gehaltes in de oppervlaktedeeltjes ook laag; het C-gehalte in 6060-deeltjes is relatief laag.
Oppervlaktedeeltjes bestaan mogelijk niet uit losse kleine deeltjes, maar kunnen ook voorkomen in de vorm van aggregaties van vele kleine deeltjes met verschillende vormen, en de massapercentages van verschillende elementen in verschillende deeltjes variëren. Aangenomen wordt dat de deeltjes hoofdzakelijk uit twee typen bestaan. De ene soort bestaat uit precipitaten zoals AlFeSi en elementair Si, die ontstaan uit hoogsmeltende onzuiverheidsfasen zoals FeAl3 of AlFeSi(Mn) in de ingot, of uit precipitaatfasen tijdens het extrusieproces. De andere soort bestaat uit aanhechtende vreemde deeltjes.
2.3 Effect van de oppervlakteruwheid van de ingot
Tijdens de test werd vastgesteld dat de achterkant van de 6005A draaibank met gegoten staven ruw en stoffig was. Er waren twee gegoten staven met de diepste draaigereedschapssporen op lokale locaties, wat overeenkwam met een significante toename van het aantal trekbewegingen na extrusie, en de grootte van een enkele trekbeweging was groter, zoals weergegeven in figuur 7.
De 6005A gegoten staaf heeft geen draaibank, waardoor de oppervlakteruwheid laag is en het aantal trekbewegingen wordt verminderd. Bovendien wordt het koolstofgehalte in de betreffende deeltjes verlaagd, omdat er geen overtollige snijvloeistof aan de draaisporen van de gegoten staaf wordt gehecht. Het is bewezen dat de draaisporen op het oppervlak van de gegoten staaf het trekken en de vorming van deeltjes tot op zekere hoogte verergeren.
3 Discussie
(1) De componenten van trekdefecten zijn in principe dezelfde als die van de matrix. Het zijn de vreemde deeltjes, oude huid op het oppervlak van de ingot en andere onzuiverheden die zich tijdens het extrusieproces ophopen in de extrusievatwand of in de dode zone van de matrijs, die naar het metaaloppervlak of de aluminiumlaag van de matrijswerkband worden gebracht. Naarmate het product verder stroomt, ontstaan er krassen op het oppervlak. Wanneer het product een bepaalde grootte bereikt, wordt het door het product verwijderd om het te trekken. Na oxidatie was het trekken gecorrodeerd en door de grote omvang ontstonden er putvormige defecten.
(2) Oppervlaktedeeltjes verschijnen soms als afzonderlijke kleine deeltjes en bestaan soms in geaggregeerde vorm. Hun samenstelling verschilt duidelijk van die van de matrix en bestaat voornamelijk uit O-, C-, Fe- en Si-elementen. Sommige deeltjes worden gedomineerd door O- en C-elementen, en andere deeltjes worden gedomineerd door O, C, Fe en Si. Hieruit wordt afgeleid dat de oppervlaktedeeltjes uit twee bronnen afkomstig zijn: de ene is neerslag zoals AlFeSi en elementair Si, en onzuiverheden zoals O en C hechten zich aan het oppervlak; de andere is aanhechtend vreemd materiaal. De deeltjes corroderen na oxidatie. Door hun kleine formaat hebben ze geen of weinig invloed op het oppervlak.
(3) Deeltjes rijk aan C- en O-elementen zijn voornamelijk afkomstig van smeerolie, stof, aarde, lucht, enz. die aan het oppervlak van de staaf kleven. De hoofdbestanddelen van smeerolie zijn C, O, H, S, enz., en de hoofdcomponent van stof en aarde is SiO2. Het O-gehalte van oppervlaktedeeltjes is over het algemeen hoog. Omdat de deeltjes zich direct na het verlaten van de werkband in een hoge temperatuur bevinden, en vanwege het grote specifieke oppervlak van de deeltjes, adsorberen ze gemakkelijk O-atomen in de lucht en veroorzaken ze oxidatie na contact met de lucht, wat resulteert in een hoger O-gehalte dan de matrix.
(4) Fe, Si, enz. komen voornamelijk voort uit de oxiden, oude aanslag en onzuiverheidsfasen in de ingot (hoog smeltpunt of tweede fase die niet volledig wordt geëlimineerd door homogenisatie). Het Fe-element is afkomstig van Fe in aluminium ingots en vormt onzuiverheidsfasen met een hoog smeltpunt, zoals FeAl3 of AlFeSi(Mn), die niet kunnen worden opgelost in vaste oplossing tijdens het homogenisatieproces, of niet volledig worden omgezet; Si bestaat in de aluminiummatrix in de vorm van Mg2Si of een oververzadigde vaste oplossing van Si tijdens het gietproces. Tijdens het hete extrusieproces van de gegoten staaf kan overtollig Si neerslaan. De oplosbaarheid van Si in aluminium is 0,48% bij 450 °C en 0,8% (gew.%) bij 500 °C. Het overtollige Si-gehalte in 6005 is ongeveer 0,41% en het neergeslagen Si kan aggregatie en neerslag zijn, veroorzaakt door concentratieschommelingen.
(5) Het vastplakken van aluminium aan de werkband van de matrijs is de belangrijkste oorzaak van het trekken. De extrusiematrijs is een omgeving met hoge temperaturen en hoge druk. Wrijving door metaalstroom verhoogt de temperatuur van de werkband van de matrijs, waardoor een "kleverige aluminiumlaag" ontstaat aan de snijkant van de ingang van de werkband.
Tegelijkertijd kunnen overtollig Si en andere elementen zoals Mn en Cr in de aluminiumlegering gemakkelijk worden vervangen door vaste oplossingen met Fe, wat de vorming van een "kleverige aluminiumlaag" bij de ingang van de matrijswerkzone bevordert. Het metaal dat door de "kleverige aluminiumlaag" stroomt, wordt beïnvloed door interne wrijving (glijdende schuifkracht in het metaal). Het metaal vervormt en verhardt door interne wrijving, waardoor het onderliggende metaal en de matrijs aan elkaar gaan plakken. Tegelijkertijd vervormt de werkband van de matrijs door de druk tot een trompetvorm, en het kleverige aluminium dat ontstaat doordat het snijvlak van de werkband in contact komt met het profiel, is vergelijkbaar met de snijkant van een draaigereedschap.
De vorming van kleverig aluminium is een dynamisch proces van groei en afstoting. Deeltjes worden constant door het profiel naar buiten gebracht en hechten zich aan het oppervlak van het profiel, waardoor trekdefecten ontstaan. Als het direct uit de werkband stroomt en direct aan het oppervlak van het profiel wordt geadsorbeerd, worden de kleine deeltjes die thermisch aan het oppervlak hechten "adsorptiedeeltjes" genoemd. Als sommige deeltjes door de geëxtrudeerde aluminiumlegering worden gebroken, zullen sommige deeltjes aan het oppervlak van de werkband blijven plakken wanneer ze door de werkband gaan, waardoor krassen op het oppervlak van het profiel ontstaan. Het uiteinde is de gestapelde aluminium matrix. Wanneer er veel aluminium in het midden van de werkband vastzit (de verbinding is sterk), zal dit de oppervlaktekrassen verergeren.
(6) De extrusiesnelheid heeft een grote invloed op het trekken. De invloed van de extrusiesnelheid. Wat de 6005-legering met sporen betreft, neemt de extrusiesnelheid binnen het testbereik toe, neemt de uitlaattemperatuur toe en neemt het aantal deeltjes dat aan het oppervlak trekt toe en wordt zwaarder naarmate de mechanische lijnen toenemen. De extrusiesnelheid moet zo stabiel mogelijk worden gehouden om plotselinge snelheidsveranderingen te voorkomen. Een te hoge extrusiesnelheid en een hoge uitlaattemperatuur leiden tot verhoogde wrijving en ernstig trekken van deeltjes. Het specifieke mechanisme van de impact van de extrusiesnelheid op het trekverschijnsel vereist verdere follow-up en verificatie.
(7) De oppervlaktekwaliteit van de gegoten staaf is ook een belangrijke factor die de trekkracht van deeltjes beïnvloedt. Het oppervlak van de gegoten staaf is ruw, met zaagbramen, olievlekken, stof, corrosie, enz., die allemaal de neiging tot het trekken van deeltjes vergroten.
4 Conclusie
(1) De samenstelling van de trekdefecten is consistent met die van de matrix; de samenstelling van de deeltjespositie is duidelijk verschillend van die van de matrix, en bevat voornamelijk O-, C-, Fe- en Si-elementen.
(2) Trekdeeltjesdefecten worden voornamelijk veroorzaakt door aluminium dat aan de werkband van de matrijs blijft plakken. Factoren die ervoor zorgen dat aluminium aan de werkband van de matrijs blijft plakken, veroorzaken trekdefecten. Uitgaande van het waarborgen van de kwaliteit van de gegoten staaf, heeft de vorming van trekdeeltjes geen directe invloed op de samenstelling van de legering.
(3) Een goede, gelijkmatige brandbehandeling is bevorderlijk voor het verminderen van oppervlaktetrekken.
Plaatsingstijd: 10-09-2024
