Počas procesu extrúzie extrudovaných materiálov z hliníkových zliatin, najmä hliníkových profilov, sa na povrchu často vyskytuje „jamková“ chyba. Medzi špecifické prejavy patria veľmi malé nádory s rôznou hustotou, chvostovité plochy a zreteľný pocit na dotyk s hrotmi. Po oxidácii alebo elektroforetickej povrchovej úprave sa často javia ako čierne granule priľnuté k povrchu výrobku.
Pri extrúznej výrobe profilov s veľkým prierezom sa táto chyba vyskytuje s väčšou pravdepodobnosťou v dôsledku vplyvu štruktúry ingotu, teploty extrúzie, rýchlosti extrúzie, zložitosti formy atď. Väčšinu jemných častíc s jamkovými chybami je možné odstrániť počas procesu predúpravy povrchu profilu, najmä procesom alkalického leptania, zatiaľ čo malý počet veľkých, pevne priľnutých častíc zostáva na povrchu profilu, čo ovplyvňuje vzhľad konečného produktu.
V bežných profiloch dverí a okien budov zákazníci vo všeobecnosti akceptujú menšie jamkové chyby, ale v prípade priemyselných profilov, ktoré vyžadujú rovnaký dôraz na mechanické vlastnosti a dekoratívny výkon alebo väčší dôraz na dekoratívny výkon, zákazníci tieto chyby vo všeobecnosti neakceptujú, najmä jamkové chyby, ktoré nie sú v súlade s rôznou farbou pozadia.
Aby sa analyzoval mechanizmus tvorby drsných častíc, analyzovala sa morfológia a zloženie miest defektov pri rôznych zloženiach zliatin a procesoch extrúzie a porovnali sa rozdiely medzi defektmi a matricou. Bolo navrhnuté rozumné riešenie na efektívne odstránenie drsných častíc a vykonal sa skúšobný test.
Na vyriešenie problému jamkovej kryštáliky profilov je potrebné pochopiť mechanizmus jej vzniku. Počas procesu extrúzie je hlavnou príčinou jamkovej kryštáliky na povrchu extrudovaných hliníkových materiálov prilepenie hliníka na pracovný pás formy. Je to preto, že proces extrúzie hliníka sa vykonáva pri vysokej teplote, približne 450 °C. Ak sa pridajú účinky deformačného tepla a tepla trenia, teplota kovu pri vytekaní z otvoru formy bude vyššia. Keď výrobok vyteká z otvoru formy, v dôsledku vysokej teploty dochádza k javu prilepenia hliníka medzi kov a pracovný pás formy.
Forma tohto spájania je často: opakovaný proces spájania – trhania – spájania – opätovného trhania a produkt tečie dopredu, čoho výsledkom je množstvo malých jamiek na povrchu produktu.
Tento jav spájania súvisí s faktormi, ako je kvalita ingotu, stav povrchu pracovného pásu formy, teplota extrúzie, rýchlosť extrúzie, stupeň deformácie a odolnosť kovu voči deformácii.
1 Testovacie materiály a metódy
Prostredníctvom predbežného výskumu sme zistili, že faktory ako metalurgická čistota, stav formy, proces extrúzie, zložky a výrobné podmienky môžu ovplyvniť zdrsnený povrch častíc. V teste boli na extrúziu tej istej sekcie použité dve zliatinové tyče, 6005A a 6060. Morfológia a zloženie zdrsnených pozícií častíc boli analyzované pomocou priameho spektrometra a detekčných metód SEM a porovnané s okolitou normálnou matricou.
Aby sa jasne rozlíšila morfológia dvoch defektov, a to jamkovaného a časticového defektu, sú definované takto:
(1) Jamkovité chyby alebo chyby spôsobené ťahaním sú druhom bodových chýb, ktoré sú nepravidelným žubrienkom alebo bodovým škrabancom, ktorý sa objavuje na povrchu profilu. Chyba začína od škrabanca a končí odpadávaním, ktoré sa hromadí do kovových zrniek na konci škrabanca. Veľkosť jamkovej chyby je zvyčajne 1 – 5 mm a po oxidačnom spracovaní stmavne, čo v konečnom dôsledku ovplyvňuje vzhľad profilu, ako je znázornené v červenom kruhu na obrázku 1.
(2) Povrchové častice sa tiež nazývajú kovové zrná alebo adsorpčné častice. Povrch profilu z hliníkovej zliatiny je pripevnený guľovitými sivočiernymi časticami tvrdého kovu a má sypkú štruktúru. Existujú dva typy profilov z hliníkovej zliatiny: tie, ktoré sa dajú zotrieť, a tie, ktoré sa nedajú zotrieť. Veľkosť je vo všeobecnosti menšia ako 0,5 mm a na dotyk sú drsné. V prednej časti nie sú žiadne škrabance. Po oxidácii sa veľmi nelíši od matrice, ako je znázornené v žltom kruhu na obrázku 1.
2 Výsledky testov a analýza
2.1 Povrchové defekty spôsobené ťahaním
Obrázok 2 znázorňuje mikroštrukturálnu morfológiu ťahovej chyby na povrchu zliatiny 6005A. V prednej časti ťahania sú stupňovité škrabance, ktoré končia naskladanými uzlíkmi. Po objavení sa uzlíkov sa povrch vráti do normálu. Umiestnenie zdrsnenej chyby nie je na dotyk hladké, má ostrý tŕňový pocit a priľne alebo sa hromadí na povrchu profilu. Pri skúške extrúzie sa pozorovalo, že ťahová morfológia extrudovaných profilov 6005A a 6060 je podobná a zadný koniec produktu je väčší ako hlavový koniec; rozdiel spočíva v tom, že celková ťahová veľkosť 6005A je menšia a hĺbka škrabancov je oslabená. To môže súvisieť so zmenami v zložení zliatiny, stave odlievanej tyče a podmienkami formy. Pri pozorovaní pod 100-násobným zväčšením sú na prednom konci ťahovej oblasti, ktorá je predĺžená pozdĺž smeru extrúzie, zjavné škrabance a tvar konečných častíc uzlíkov je nepravidelný. Pri zväčšení 500X má predný koniec ťažnej plochy stupňovité škrabance pozdĺž smeru extrúzie (veľkosť tohto defektu je približne 120 μm) a na zadnom konci sú zjavné stopy po stohovaní na nodulárnych časticiach.
Na analýzu príčin ťahania sa na vykonanie analýzy komponentov v miestach defektov a matrici troch zložiek zliatiny použil priamy odčítací spektrometer a EDX. Tabuľka 1 zobrazuje výsledky testov profilu 6005A. Výsledky EDX ukazujú, že zloženie pozície stohovania ťahaných častíc je v podstate podobné zloženiu matrice. Okrem toho sa v ťahanej chybe a jej okolí nahromadili jemné nečistoty, ktoré obsahujú C, O (alebo Cl) alebo Fe, Si a S.
Analýza zdrsnených defektov jemne oxidovaných extrudovaných profilov z ocele 6005A ukazuje, že ťahové častice majú veľkú veľkosť (1 – 5 mm), povrch je prevažne vrstvený a na prednej časti sú stupňovité škrabance; zloženie je blízke hliníkovej matrici a okolo nej sú rozmiestnené heterogénne fázy obsahujúce Fe, Si, C a O. Ukazuje sa, že mechanizmus zdrsnenia všetkých troch zliatin je rovnaký.
Počas procesu extrúzie spôsobuje trenie v prúdení kovu zvýšenie teploty pracovného pásu formy, čím sa na reznej hrane vstupu do pracovného pásu vytvára „lepkavá hliníková vrstva“. Zároveň prebytočný Si a ďalšie prvky, ako napríklad Mn a Cr v hliníkovej zliatine, ľahko tvoria tuhé roztoky s Fe, čo podporuje tvorbu „lepkavej hliníkovej vrstvy“ na vstupe do pracovnej zóny formy.
Ako kov prúdi dopredu a trí sa o pracovný pás, dochádza v určitej polohe k vratnému javu kontinuálneho spájania-trhania-spájania, čo spôsobuje, že sa kov v tejto polohe neustále prekrýva. Keď častice zväčšia na určitú veľkosť, budú odtiahnuté prúdiacim produktom a na povrchu kovu vytvoria škrabance. Zostanú na povrchu kovu a na konci škrabance vytvoria ťahové častice. Preto sa dá predpokladať, že tvorba zdrsnených častíc súvisí najmä s prilepením hliníka na pracovný pás formy. Heterogénne fázy rozmiestnené okolo neho môžu pochádzať z mazacieho oleja, oxidov alebo prachových častíc, ako aj z nečistôt prinášaných drsným povrchom ingotu.
Počet ťahov vo výsledkoch testu 6005A je však menší a stupeň je ľahší. Na jednej strane je to spôsobené skosením na výstupe z pracovného pásu formy a starostlivým leštením pracovného pásu na zníženie hrúbky hliníkovej vrstvy; na druhej strane to súvisí s nadmerným obsahom Si.
Podľa výsledkov priameho odčítania spektrálneho zloženia je možné vidieť, že okrem Si v kombinácii s MgMg2Si sa zvyšný Si objavuje vo forme jednoduchej látky.
2.2 Malé častice na povrchu
Pri vizuálnej kontrole s malým zväčšením sú častice malé (≤ 0,5 mm), nie sú hladké na dotyk, majú ostrý pocit a priľnú k povrchu profilu. Pri pozorovaní pod 100-násobným zväčšením sú malé častice na povrchu náhodne rozložené a malé častice sú prichytené k povrchu bez ohľadu na to, či sú na ňom škrabance alebo nie.
Pri zväčšení 500X, bez ohľadu na to, či sú na povrchu pozdĺž smeru extrúzie viditeľné stupňovité škrabance, stále zostáva veľa častíc pripojených a ich veľkosť sa líši. Najväčšia veľkosť častíc je približne 15 μm a malé častice majú veľkosť približne 5 μm.
Analýzou zloženia povrchových častíc zliatiny 6060 a neporušenej matrice sa zistilo, že častice pozostávajú prevažne z prvkov O, C, Si a Fe a obsah hliníka je veľmi nízky. Takmer všetky častice obsahujú prvky O a C. Zloženie každej častice sa mierne líši. Častice a majú veľkosť blízku 10 μm, čo je výrazne viac ako obsah hliníka v matrici; častice c majú zjavne vyšší obsah Si, O a Cl; častice d a f obsahujú vysoký obsah Si, O a Na; častice e obsahujú Si, Fe a O; častice h sú zlúčeniny obsahujúce Fe. Výsledky pre častice 6060 sú podobné, ale pretože obsah Si a Fe v samotnej zliatine 6060 je nízky, zodpovedajúci obsah Si a Fe v povrchových časticiach je tiež nízky; obsah C v časticiach 6060 je relatívne nízky.
Povrchové častice nemusia byť jednotlivé malé častice, ale môžu existovať aj vo forme zhlukov mnohých malých častíc rôznych tvarov a hmotnostné percentá rôznych prvkov v rôznych časticiach sa líšia. Predpokladá sa, že častice sa skladajú prevažne z dvoch typov. Jedným sú zrazeniny, ako je AlFeSi a elementárny Si, ktoré pochádzajú z vysokotaviacich nečistôt, ako je FeAl3 alebo AlFeSi(Mn), v ingote, alebo z zrazeninových fáz počas procesu extrúzie. Druhým sú priľnuté cudzie látky.
2.3 Vplyv drsnosti povrchu ingotu
Počas testu sa zistilo, že zadný povrch sústruhu na liate tyče 6005A bol drsný a zašpinený prachom. Na lokálnych miestach sa nachádzali dve liate tyče s najhlbšími stopami po sústružení, čo zodpovedalo výraznému nárastu počtu ťahov po extrúzii a veľkosť jedného ťahu bola väčšia, ako je znázornené na obrázku 7.
Liata tyč 6005A nemá sústruh, takže drsnosť povrchu je nízka a počet ťahaní je znížený. Okrem toho, keďže na stopách po sústružení liatej tyče nie je prichytená žiadna prebytočná rezná kvapalina, obsah uhlíka v zodpovedajúcich časticiach je znížený. Je dokázané, že stopy po sústružení na povrchu liatej tyče do určitej miery zhoršujú ťahanie a tvorbu častíc.
3 Diskusia
(1) Zložky defektov spôsobených ťahaním sú v podstate rovnaké ako zložky matrice. Sú to cudzie častice, stará kôra na povrchu ingotu a iné nečistoty nahromadené v stene extrúzneho valca alebo v mŕtvej oblasti formy počas procesu extrúzie, ktoré sa dostávajú na kovový povrch alebo hliníkovú vrstvu pracovného pásu formy. Ako produkt prúdi dopredu, vznikajú povrchové škrabance a keď produkt dosiahne určitú veľkosť, je produktom odstránený a vytvára ťahaný materiál. Po oxidácii ťahaný materiál skorodoval a kvôli jeho veľkej veľkosti sa na ňom vyskytli jamkovité defekty.
(2) Povrchové častice sa niekedy javia ako jednotlivé malé častice a niekedy existujú v agregovanej forme. Ich zloženie sa zjavne líši od zloženia matrice a obsahuje prevažne prvky O, C, Fe a Si. V niektorých časticiach prevládajú prvky O a C a v niektorých časticiach prevládajú O, C, Fe a Si. Preto sa usudzuje, že povrchové častice pochádzajú z dvoch zdrojov: jedným sú zrazeniny, ako napríklad AlFeSi a elementárny Si, a nečistoty, ako napríklad O a C, ktoré priľnú k povrchu; druhým sú priľnuté cudzie látky. Častice po oxidácii skorodujú. Vzhľadom na svoju malú veľkosť nemajú žiadny alebo len malý vplyv na povrch.
(3) Častice bohaté na prvky C a O pochádzajú prevažne z mazacieho oleja, prachu, pôdy, vzduchu atď., ktoré priľnú na povrch ingotu. Hlavnými zložkami mazacieho oleja sú C, O, H, S atď. a hlavnou zložkou prachu a pôdy je SiO2. Obsah O v povrchových časticiach je vo všeobecnosti vysoký. Pretože častice sú bezprostredne po opustení pracovného pásu vo vysokom teplotnom stave a vďaka veľkému špecifickému povrchu častíc ľahko adsorbujú atómy O zo vzduchu a po kontakte so vzduchom spôsobujú oxidáciu, čo vedie k vyššiemu obsahu O ako v matrici.
(4) Fe, Si atď. pochádzajú prevažne z oxidov, starých vodných kameňov a nečistôt v ingote (vysokotapná alebo druhá fáza, ktorá nie je úplne odstránená homogenizáciou). Prvok Fe pochádza z Fe v hliníkových ingotoch a tvorí nečistôt s vysokou teplotou topenia, ako napríklad FeAl3 alebo AlFeSi(Mn), ktoré sa počas procesu homogenizácie nedajú rozpustiť v pevnom roztoku alebo nie sú úplne premenené; Si existuje v hliníkovej matrici vo forme Mg2Si alebo presýteného pevného roztoku Si počas procesu odlievania. Počas procesu horúcej extrúzie odlievanej tyče sa môže prebytočný Si vyzrážať. Rozpustnosť Si v hliníku je 0,48 % pri 450 °C a 0,8 % (hm. %) pri 500 °C. Prebytočný obsah Si v 6005 je približne 0,41 % a vyzrážaný Si môže byť agregáciou a vyzrážaním spôsobeným kolísaním koncentrácie.
(5) Hlavnou príčinou ťahania je prilepenie hliníka na pracovný pás formy. Extrúzna hlavica je prostredie s vysokou teplotou a vysokým tlakom. Trenie pri prúdení kovu zvyšuje teplotu pracovného pásu formy a na reznej hrane vstupu pracovného pásu vytvára „lepkavú hliníkovú vrstvu“.
Zároveň prebytočný Si a ďalšie prvky, ako sú Mn a Cr v hliníkovej zliatine, ľahko tvoria náhradné pevné roztoky s Fe, čo podporuje tvorbu „lepkavej hliníkovej vrstvy“ na vstupe do pracovnej zóny formy. Kov pretekajúci cez „lepkavú hliníkovú vrstvu“ je vystavený vnútornému treniu (šmykovému šmyku vo vnútri kovu). Kov sa v dôsledku vnútorného trenia deformuje a stvrdne, čo podporuje zlepenie podkladového kovu a formy. Zároveň sa pracovný pás formy v dôsledku tlaku deformuje do tvaru trúbky a lepkavý hliník, ktorý vzniká kontaktom reznej hrany pracovného pásu s profilom, je podobný reznej hrane sústružníckeho nástroja.
Tvorba lepkavého hliníka je dynamický proces rastu a odlupovania. Častice sú neustále uvoľňované profilom. Priľnú k povrchu profilu a vytvárajú ťahové defekty. Ak vyteká priamo z pracovného pásu a okamžite sa adsorbuje na povrch profilu, malé častice tepelne priľnuté k povrchu sa nazývajú „adsorpčné častice“. Ak sa niektoré častice rozbijú na extrudovanej hliníkovej zliatine, iné častice sa pri prechode pracovným pásom prilepia na povrch, čo spôsobí škrabance na povrchu profilu. Koncom je vrstvená hliníková matrica. Keď je v strede pracovného pásu veľa hliníka (väzba je silná), zhorší sa škrabance na povrchu.
(6) Rýchlosť extrúzie má veľký vplyv na ťahanie. Vplyv rýchlosti extrúzie. Pokiaľ ide o sledovanú zliatinu 6005, rýchlosť extrúzie sa v testovacom rozsahu zvyšuje, výstupná teplota sa zvyšuje a počet povrchových ťahajúcich častíc sa zvyšuje a stáva sa ťažším so zvyšujúcimi sa mechanickými čiarami. Rýchlosť extrúzie by sa mala udržiavať čo najstabilnejšia, aby sa predišlo náhlym zmenám rýchlosti. Nadmerná rýchlosť extrúzie a vysoká výstupná teplota povedú k zvýšenému treniu a vážnemu ťahaniu častíc. Konkrétny mechanizmus vplyvu rýchlosti extrúzie na jav ťahania si vyžaduje následné sledovanie a overenie.
(7) Kvalita povrchu liatej tyče je tiež dôležitým faktorom ovplyvňujúcim ťahanie častíc. Povrch liatej tyče je drsný, s ostrými pílkami, olejovými škvrnami, prachom, koróziou atď., čo všetko zvyšuje tendenciu k ťahaniu častíc.
4 Záver
(1) Zloženie ťahových defektov je konzistentné so zložením matrice; zloženie pozície častíc sa zjavne líši od zloženia matrice, ktorá obsahuje hlavne prvky O, C, Fe a Si.
(2) Vady spôsobené ťahaním častíc sú spôsobené najmä prilepením hliníka na pracovný pás formy. Akékoľvek faktory, ktoré podporujú prilepenie hliníka na pracovný pás formy, spôsobia chyby spôsobené ťahaním. Za predpokladu zabezpečenia kvality odlievanej tyče nemá tvorba ťahaných častíc priamy vplyv na zloženie zliatiny.
(3) Správne rovnomerné ošetrenie ohňom je prospešné pre zníženie povrchového ťahania.
Čas uverejnenia: 10. septembra 2024
