Tijekom procesa ekstruzije ekstrudiranih materijala od aluminijskih legura, posebno aluminijskih profila, na površini se često javlja defekt "udubljenja". Specifične manifestacije uključuju vrlo male tumore različite gustoće, "repiće" i očigledan osjećaj na dodir, s osjećajem šiljaka. Nakon oksidacije ili elektroforetske površinske obrade, često se pojavljuju kao crne granule koje prianjaju uz površinu proizvoda.
U proizvodnji profila velikog presjeka ekstruzijom, ovaj nedostatak se češće javlja zbog utjecaja strukture ingota, temperature ekstruzije, brzine ekstruzije, složenosti kalupa itd. Većina finih čestica rupičastih nedostataka može se ukloniti tijekom procesa prethodne obrade površine profila, posebno procesa alkalnog jetkanja, dok mali broj velikih, čvrsto prilijepljenih čestica ostaje na površini profila, što utječe na izgled konačnog proizvoda.
Kod uobičajenih profila za vrata i prozore u zgradama, kupci uglavnom prihvaćaju manje nedostatke u obliku rupica, ali kod industrijskih profila koji zahtijevaju jednak naglasak na mehanička svojstva i dekorativne performanse ili veći naglasak na dekorativne performanse, kupci uglavnom ne prihvaćaju ovaj nedostatak, posebno nedostatke u obliku rupica koji nisu u skladu s različitom bojom pozadine.
Kako bi se analizirao mehanizam nastanka hrapavih čestica, analizirana je morfologija i sastav mjesta defekata pod različitim sastavima legura i procesima ekstruzije te su uspoređene razlike između defekata i matrice. Predloženo je razumno rješenje za učinkovito rješavanje problema s hrapavim česticama i provedeno je probno ispitivanje.
Kako bi se riješio problem točkastih defekata profila, potrebno je razumjeti mehanizam nastanka točkastih defekata. Tijekom procesa ekstruzije, lijepljenje aluminija za radnu traku kalupa glavni je uzrok točkastih defekata na površini ekstrudiranih aluminijskih materijala. To je zato što se proces ekstruzije aluminija provodi na visokoj temperaturi od oko 450°C. Ako se dodaju učinci topline deformacije i topline trenja, temperatura metala bit će viša kada istječe iz otvora kalupa. Kada proizvod istječe iz otvora kalupa, zbog visoke temperature, postoji fenomen lijepljenja aluminija između metala i radne trake kalupa.
Oblik ovog lijepljenja često je: ponovljeni proces lijepljenja – kidanja – lijepljenja – ponovno kidanja, a proizvod teče naprijed, što rezultira mnogim malim udubljenjima na površini proizvoda.
Ovaj fenomen lijepljenja povezan je s čimbenicima kao što su kvaliteta ingota, stanje površine radne trake kalupa, temperatura ekstruzije, brzina ekstruzije, stupanj deformacije i otpornost metala na deformaciju.
1 Materijali i metode ispitivanja
Preliminarnim istraživanjem saznali smo da čimbenici poput metalurške čistoće, statusa kalupa, procesa ekstruzije, sastojaka i uvjeta proizvodnje mogu utjecati na čestice hrapave površine. U ispitivanju su korištene dvije legure, 6005A i 6060, za ekstruziju istog dijela. Morfologija i sastav položaja hrapavih čestica analizirani su pomoću spektrometra s direktnim očitavanjem i SEM metoda detekcije te uspoređeni s okolnom normalnom matricom.
Kako bi se jasno razlikovala morfologija dvaju defekata, rupičastih i čestičnih, oni su definirani na sljedeći način:
(1) Koštičasti defekti ili defekti izvlačenja su vrsta točkastog defekta koji je nepravilan defekt nalik punoglavcu ili točkastoj ogrebotini koji se pojavljuje na površini profila. Defekt počinje od ogrebotine i završava otpadom defekta, nakupljajući se u metalna zrna na kraju ogrebotine. Veličina koštičastog defekta je obično 1-5 mm, a nakon oksidacijske obrade postaje tamno crn, što u konačnici utječe na izgled profila, kao što je prikazano crvenim krugom na slici 1.
(2) Površinske čestice nazivaju se i metalnim zrnima ili adsorpcijskim česticama. Površina profila od aluminijske legure pričvršćena je sferičnim sivo-crnim česticama tvrdog metala i ima labavu strukturu. Postoje dvije vrste profila od aluminijske legure: oni koji se mogu obrisati i oni koji se ne mogu obrisati. Veličina je općenito manja od 0,5 mm i hrapava je na dodir. Na prednjem dijelu nema ogrebotina. Nakon oksidacije, ne razlikuje se puno od matrice, kao što je prikazano u žutom krugu na slici 1.
2 Rezultati ispitivanja i analiza
2.1 Defekti površinskog povlačenja
Slika 2 prikazuje mikrostrukturnu morfologiju defekta izvlačenja na površini legure 6005A. U prednjem dijelu izvlačenja postoje stepenaste ogrebotine, koje završavaju naslaganim nodulima. Nakon pojave nodula, površina se vraća u normalu. Mjesto hrapavog defekta nije glatko na dodir, ima oštar trnast osjećaj i prianja ili se nakuplja na površini profila. Ispitivanjem ekstruzije uočeno je da je morfologija izvlačenja ekstrudiranih profila 6005A i 6060 slična, a repni kraj proizvoda je veći od gornjeg kraja; razlika je u tome što je ukupna veličina izvlačenja 6005A manja, a dubina ogrebotine oslabljena. To može biti povezano s promjenama u sastavu legure, stanju lijevane šipke i uvjetima kalupa. Promatrano pod uvećanjem od 100X, postoje očiti tragovi ogrebotina na prednjem kraju područja izvlačenja, koje je izduženo duž smjera ekstruzije, a oblik konačnih čestica nodula je nepravilan. Pri 500X, prednji kraj površine za povlačenje ima stepenaste ogrebotine duž smjera ekstruzije (veličina ovog defekta je oko 120 μm), a na repu postoje očiti tragovi slaganja na nodularnim česticama.
Kako bi se analizirali uzroci izvlačenja, korišteni su spektrometar s direktnim očitavanjem i EDX za provođenje analize komponenti na mjestima defekata i matrici triju komponenti legure. Tablica 1 prikazuje rezultate ispitivanja profila 6005A. EDX rezultati pokazuju da je sastav položaja slaganja čestica izvlačenja u osnovi sličan sastavu matrice. Osim toga, neke fine čestice nečistoća nakupljaju se u i oko defekta izvlačenja, a čestice nečistoća sadrže C, O (ili Cl) ili Fe, Si i S.
Analiza nedostataka hrapavosti fino oksidiranih ekstrudiranih profila 6005A pokazuje da su čestice izvlačenja velike veličine (1-5 mm), površina je uglavnom složena, a na prednjem dijelu postoje stepenaste ogrebotine; Sastav je blizak Al matrici, a oko nje će biti heterogene faze koje sadrže Fe, Si, C i O. To pokazuje da je mehanizam nastanka izvlačenja triju legura isti.
Tijekom procesa ekstruzije, trenje tečenja metala uzrokovat će porast temperature radne trake kalupa, stvarajući "ljepljivi aluminijski sloj" na reznom rubu ulaza radne trake. Istovremeno, višak Si i drugih elemenata poput Mn i Cr u aluminijskoj leguri lako se zamjenjuju čvrstim otopinama s Fe, što će potaknuti stvaranje "ljepljivog aluminijskog sloja" na ulazu u radnu zonu kalupa.
Kako metal teče naprijed i trlja se o radnu traku, na određenom mjestu dolazi do recipročnog fenomena kontinuiranog lijepljenja-kidanja-lijepljenja, uzrokujući da se metal kontinuirano nanosi na tom mjestu. Kada čestice porastu do određene veličine, bit će povučene tekućim proizvodom i formirat će ogrebotine na metalnoj površini. Ostat će na metalnoj površini i formirati čestice koje povlače na kraju ogrebotine. Stoga se može smatrati da je stvaranje hrapavih čestica uglavnom povezano s lijepljenjem aluminija na radnu traku kalupa. Heterogene faze raspoređene oko nje mogu potjecati od ulja za podmazivanje, oksida ili čestica prašine, kao i nečistoća koje donosi hrapava površina ingota.
Međutim, broj povlačenja u rezultatima ispitivanja 6005A je manji, a stupanj je lakši. S jedne strane, to je zbog zakošenja na izlazu iz radne trake kalupa i pažljivog poliranja radne trake kako bi se smanjila debljina sloja aluminija; s druge strane, to je povezano s viškom sadržaja Si.
Prema rezultatima izravnog očitavanja spektralnog sastava, može se vidjeti da se, osim Si u kombinaciji s MgMg2Si, preostali Si pojavljuje u obliku jednostavne tvari.
2.2 Male čestice na površini
Pri vizualnom pregledu s malim povećanjem, čestice su male (≤0,5 mm), nisu glatke na dodir, oštre su na dodir i prianjaju uz površinu profila. Promatrano pod 100X povećanjem, male čestice na površini su nasumično raspoređene i postoje male čestice pričvršćene za površinu bez obzira na to ima li ogrebotina ili ne;
Pri 500X, bez obzira na to postoje li očite stepenaste ogrebotine na površini duž smjera ekstruzije, mnoge čestice su i dalje pričvršćene, a veličine čestica variraju. Najveća veličina čestica je oko 15 μm, a male čestice su oko 5 μm.
Analizom sastava površinskih čestica legure 6060 i neoštećene matrice, čestice se uglavnom sastoje od elemenata O, C, Si i Fe, a sadržaj aluminija je vrlo nizak. Gotovo sve čestice sadrže elemente O i C. Sastav svake čestice se malo razlikuje. Među njima, a čestice su blizu 10 μm, što je znatno više od sadržaja Si, Mg i O u matrici; u c česticama, Si, O i Cl su očito veći; čestice d i f sadrže visok sadržaj Si, O i Na; čestice e sadrže Si, Fe i O; h čestice su spojevi koji sadrže Fe. Rezultati za 6060 čestice su slični ovim, ali budući da je sadržaj Si i Fe u samoj 6060 nizak, odgovarajući sadržaj Si i Fe u površinskim česticama je također nizak; sadržaj C u 6060 česticama je relativno nizak.
Površinske čestice ne moraju biti pojedinačne male čestice, već mogu postojati i u obliku agregacija mnogih malih čestica različitih oblika, a maseni postoci različitih elemenata u različitim česticama variraju. Smatra se da su čestice uglavnom sastavljene od dvije vrste. Jedna su talozi poput AlFeSi i elementarnog Si, koji potječu od nečistoća s visokim talištem poput FeAl3 ili AlFeSi(Mn) u ingotu ili taloženih faza tijekom procesa ekstruzije. Druga je prilijepljena strana tvar.
2.3 Utjecaj hrapavosti površine ingota
Tijekom ispitivanja utvrđeno je da je stražnja površina tokarskog stroja za lijevane šipke 6005A bila hrapava i umrljana prašinom. Postojale su dvije lijevane šipke s najdubljim tragovima alata za tokarenje na lokalnim mjestima, što je odgovaralo značajnom povećanju broja izvlačenja nakon ekstruzije, a veličina pojedinačnog izvlačenja bila je veća, kao što je prikazano na slici 7.
Lijevana šipka 6005A nema tokarski stroj, pa je hrapavost površine niska i broj izvlačenja je smanjen. Osim toga, budući da nema viška tekućine za rezanje vezane za tragove tokarskog stroja na lijevanoj šipki, sadržaj C u odgovarajućim česticama je smanjen. Dokazano je da će tragovi tokarenja na površini lijevane šipke do određene mjere pogoršati izvlačenje i stvaranje čestica.
3 Rasprava
(1) Komponente nedostataka izvlačenja u osnovi su iste kao i one matrice. To su strane čestice, stari sloj na površini ingota i druge nečistoće nakupljene u stijenci ekstruzijske cijevi ili mrtvom području kalupa tijekom procesa ekstruzije, koje se dovode na metalnu površinu ili aluminijski sloj radne trake kalupa. Kako proizvod teče naprijed, nastaju površinske ogrebotine, a kada se proizvod nakupi do određene veličine, proizvod ga izvlači i formira izvlačeni materijal. Nakon oksidacije, izvlačeni materijal je korodirao, a zbog svoje velike veličine nastali su defekti nalik rupama.
(2) Površinske čestice ponekad se pojavljuju kao pojedinačne male čestice, a ponekad postoje u agregiranom obliku. Njihov sastav se očito razlikuje od sastava matrice i uglavnom sadrži elemente O, C, Fe i Si. U nekim česticama dominiraju elementi O i C, a u nekim česticama dominiraju O, C, Fe i Si. Stoga se zaključuje da površinske čestice potječu iz dva izvora: jedan su talozi poput AlFeSi i elementarnog Si, a nečistoće poput O i C prianjaju na površinu; drugi su prilijepljene strane tvari. Čestice korodiraju nakon oksidacije. Zbog svoje male veličine, nemaju ili imaju mali utjecaj na površinu.
(3) Čestice bogate elementima C i O uglavnom potječu iz ulja za podmazivanje, prašine, tla, zraka itd. koje se lijepe za površinu ingota. Glavne komponente ulja za podmazivanje su C, O, H, S itd., a glavna komponenta prašine i tla je SiO2. Sadržaj O u površinskim česticama općenito je visok. Budući da su čestice odmah nakon napuštanja radne trake u stanju visoke temperature i zbog velike specifične površine čestica, lako adsorbiraju atome O u zraku i uzrokuju oksidaciju nakon kontakta sa zrakom, što rezultira većim sadržajem O nego u matrici.
(4) Fe, Si itd. uglavnom potječu iz oksida, stare kamenca i nečistoća u ingotu (visoka točka taljenja ili druga faza koja se ne uklanja u potpunosti homogenizacijom). Element Fe potječe iz Fe u aluminijskim ingotima, tvoreći nečistoće visoke točke taljenja poput FeAl3 ili AlFeSi(Mn), koje se ne mogu otopiti u krutoj otopini tijekom procesa homogenizacije ili se ne pretvaraju u potpunosti; Si postoji u aluminijskoj matrici u obliku Mg2Si ili prezasićene krute otopine Si tijekom procesa lijevanja. Tijekom procesa vruće ekstruzije lijevane šipke, višak Si može se istaložiti. Topljivost Si u aluminiju je 0,48% na 450°C i 0,8% (tež.%) na 500°C. Višak sadržaja Si u 6005 je oko 0,41%, a istaloženi Si može biti agregacija i taloženje uzrokovano fluktuacijama koncentracije.
(5) Aluminij koji se lijepi za radnu traku kalupa glavni je uzrok povlačenja. Ekstruzijska matrica je okruženje visoke temperature i visokog tlaka. Trenje tečenja metala povećat će temperaturu radne trake kalupa, stvarajući „ljepljivi aluminijski sloj“ na reznom rubu ulaza radne trake.
Istovremeno, višak Si i drugih elemenata poput Mn i Cr u aluminijskoj leguri lako se zamjenjuju čvrstim otopinama s Fe, što će potaknuti stvaranje "ljepljivog aluminijskog sloja" na ulazu u radnu zonu kalupa. Metal koji teče kroz "ljepljivi aluminijski sloj" spada u unutarnje trenje (klizno smicanje unutar metala). Metal se deformira i stvrdnjava zbog unutarnjeg trenja, što potiče lijepljenje temeljnog metala i kalupa. Istovremeno, radna traka kalupa deformira se u oblik trube zbog pritiska, a ljepljivi aluminij koji nastaje dodirom rezne oštrice radne trake s profilom sličan je reznoj oštrici alata za tokarenje.
Stvaranje ljepljivog aluminija dinamičan je proces rasta i otpadanja. Čestice se stalno izbacuju iz profila. Prianjaju na površinu profila, stvarajući defekte uslijed povlačenja. Ako izravno izlazi iz radne trake i odmah se adsorbira na površinu profila, male čestice koje se termički prianjaju na površinu nazivaju se "adsorpcijske čestice". Ako neke čestice budu razbijene ekstrudiranom aluminijskom legurom, neke će se čestice zalijepiti za površinu radne trake prilikom prolaska kroz nju, uzrokujući ogrebotine na površini profila. Zadnja strana je složena aluminijska matrica. Kada se puno aluminija zaglavi u sredini radne trake (veza je jaka), to će pogoršati površinske ogrebotine.
(6) Brzina ekstruzije ima veliki utjecaj na povlačenje. Utjecaj brzine ekstruzije. Što se tiče praćene legure 6005, brzina ekstruzije se povećava unutar raspona ispitivanja, izlazna temperatura se povećava, a broj čestica koje se povlače na površini se povećava i postaje teži kako se mehaničke linije povećavaju. Brzina ekstruzije treba biti što stabilnija kako bi se izbjegle nagle promjene brzine. Prekomjerna brzina ekstruzije i visoka izlazna temperatura dovest će do povećanog trenja i ozbiljnog povlačenja čestica. Specifičan mehanizam utjecaja brzine ekstruzije na fenomen povlačenja zahtijeva naknadno praćenje i provjeru.
(7) Kvaliteta površine lijevane šipke također je važan čimbenik koji utječe na izvlačenje čestica. Površina lijevane šipke je hrapava, s neravninama od piljenja, mrljama od ulja, prašinom, korozijom itd., što sve povećava sklonost izvlačenju čestica.
4 Zaključak
(1) Sastav defekata izvlačenja u skladu je sa sastavom matrice; sastav položaja čestica očito se razlikuje od sastava matrice, uglavnom sadrži elemente O, C, Fe i Si.
(2) Defekti čestica povlačenja uglavnom su uzrokovani lijepljenjem aluminija na radnu traku kalupa. Bilo koji faktor koji potiče lijepljenje aluminija na radnu traku kalupa uzrokovat će defekte povlačenja. Pod pretpostavkom osiguranja kvalitete lijevane šipke, stvaranje čestica povlačenja nema izravan utjecaj na sastav legure.
(3) Pravilna jednolična obrada vatrom korisna je za smanjenje površinskog povlačenja.
Vrijeme objave: 10. rujna 2024.
