Alumiiniumisulamist ekstrudeeritud materjalide, eriti alumiiniumprofiilide ekstrusiooniprotsessi käigus tekivad pinnale sageli "augudefektid". Spetsiifilised ilmingud hõlmavad väga väikeseid erineva tihedusega kasvajaid, sabasid ja ilmseid käetundeid koos terava tundega. Pärast oksüdeerimist või elektroforeetilist pinnatöötlust ilmuvad need sageli toote pinnale kleepuvate mustade graanulitena.
Suure profiiliga profiilide ekstrusioonitootmisel on see defekt tõenäolisem valuploki struktuuri, ekstrusioonitemperatuuri, ekstrusioonikiiruse, vormi keerukuse jms mõju tõttu. Enamik peentest auklike defektide osakestest saab profiili pinna eeltöötlusprotsessi, eriti leeliselise söövituse käigus eemaldada, samas kui väike arv suuri, kindlalt kleepunud osakesi jääb profiili pinnale, mõjutades lõpptoote välimust.
Tavapäraste hoonete ukse- ja aknaprofiilide puhul aktsepteerivad kliendid üldiselt väiksemaid auklikke defekte, kuid tööstusprofiilide puhul, mis nõuavad võrdset rõhku mehaanilistele omadustele ja dekoratiivsele jõudlusele või suuremat rõhku dekoratiivsele jõudlusele, kliendid üldiselt seda defekti ei aktsepteeri, eriti auklikke defekte, mis ei ole kooskõlas erineva taustavärviga.
Karedate osakeste moodustumise mehhanismi analüüsimiseks analüüsiti defektide asukohtade morfoloogiat ja koostist erinevate sulami koostiste ja ekstrusiooniprotsesside korral ning võrreldi defektide ja maatriksi erinevusi. Esitati mõistlik lahendus karedate osakeste tõhusaks lahendamiseks ja viidi läbi katse.
Profiilide aukliku pinna defektide lahendamiseks on vaja mõista aukliku pinna defektide tekkimise mehhanismi. Ekstrusiooniprotsessi käigus on alumiiniumi kleepumine vormi töölindile ekstrudeeritud alumiiniummaterjalide pinnale tekkinud auklike pinna defektide peamine põhjus. See on tingitud asjaolust, et alumiiniumi ekstrusiooniprotsess toimub kõrgel temperatuuril, umbes 450 °C. Kui lisanduvad deformatsioonisoojuse ja hõõrdesoojuse mõjud, on metalli temperatuur vormiavast välja voolates kõrgem. Kui toode voolab vormiavast välja, tekib kõrge temperatuuri tõttu alumiiniumi kleepumine metalli ja vormi töölindi vahele.
Selle liimimise vorm on sageli järgmine: korduv liimimine – rebimine – liimimine – uuesti rebimine ning toode voolab edasi, mille tulemuseks on toote pinnale palju väikeseid süvendeid.
See liimimisnähtus on seotud selliste teguritega nagu valuploki kvaliteet, vormi töörihma pinnaseisund, ekstrusioonitemperatuur, ekstrusioonikiirus, deformatsiooniaste ja metalli deformatsioonikindlus.
1 Katsematerjalid ja -meetodid
Eeluuringute käigus saime teada, et sellised tegurid nagu metallurgiline puhtus, vormi olek, ekstrusiooniprotsess, koostisosad ja tootmistingimused võivad mõjutada karestatud osakeste pinda. Testis kasutati sama sektsiooni ekstrudeerimiseks kahte sulamvarda, 6005A ja 6060. Karestatud osakeste positsioonide morfoloogiat ja koostist analüüsiti otselugemisspektromeetri ja SEM-detektsioonimeetodite abil ning võrreldi ümbritseva normaalmaatriksiga.
Kahe defekti – aukude ja osakeste – morfoloogia selgeks eristamiseks defineeritakse need järgmiselt:
(1) Aukdefektid ehk tõmbedefektid on punktdefektid, mis on profiili pinnale ilmuvad ebakorrapärased kullese- või punktikujulised kriimustused. Defekt algab kriimustusribast ja lõpeb defekti mahalangemisega, kuhjudes kriimustusjoone lõpus metalliubadeks. Aukdefekti suurus on tavaliselt 1–5 mm ja pärast oksüdeerimist muutub see tumemustaks, mis mõjutab lõppkokkuvõttes profiili välimust, nagu on näidatud joonisel 1 punase ringiga.
(2) Pinnaosakesi nimetatakse ka metallubadeks või adsorptsioonosakesteks. Alumiiniumsulamist profiili pind on kinnitatud sfääriliste hallikasmustade kõvametalliosakestega ja sellel on lahtine struktuur. Alumiiniumsulamist profiile on kahte tüüpi: need, mida saab maha pühkida, ja need, mida ei saa maha pühkida. Suurus on üldiselt alla 0,5 mm ja see tundub puudutades kare. Esiosas pole kriimustusi. Pärast oksüdeerimist ei erine see maatriksist palju, nagu on näidatud joonisel 1 kollasel ringil.
2 Testi tulemused ja analüüs
2.1 Pinna tõmbedefektid
Joonis 2 näitab 6005A sulami pinnal oleva tõmbedefekti mikrostruktuurilist morfoloogiat. Tõmbepiirkonna esiosas on astmelised kriimustused, mis lõpevad virnastatud sõlmedega. Pärast sõlmede ilmumist normaliseerub pind. Karestamisdefekti asukoht ei ole puudutades sile, sellel on terav okkaline tunne ning see kleepub või koguneb profiili pinnale. Ekstrusioonitesti käigus täheldati, et 6005A ja 6060 ekstrudeeritud profiilide tõmbemorfoloogia on sarnane ning toote sabaots on suurem kui esiots; erinevus seisneb selles, et 6005A üldine tõmbesuurus on väiksem ja kriimustuse sügavus nõrgenenud. See võib olla seotud sulami koostise, valuvarda oleku ja vormi tingimuste muutustega. 100X suurendusega on tõmbepiirkonna esiosas ilmsed kriimustused, mis on ekstrusiooni suunas pikenenud, ja lõplike sõlmeosakeste kuju on ebakorrapärane. 500X suurendusel on tõmbepinna esiotsas ekstrusioonisuunas astmelised kriimustused (selle defekti suurus on umbes 120 μm) ja sabaotsas on sõlmelistel osakestel ilmsed virnastusjäljed.
Tõmbejõu põhjuste analüüsimiseks kasutati kolme sulamikomponendi defektide asukohtade ja maatriksi komponentide analüüsimiseks otselugemisspektromeetrit ja EDX-i. Tabel 1 näitab 6005A profiili katsetulemusi. EDX-i tulemused näitavad, et tõmbeosakeste virnastuspositsiooni koostis on põhimõtteliselt sarnane maatriksi omaga. Lisaks on tõmbedefekti sisse ja selle ümber kogunenud peeneid lisandiosakesi, mis sisaldavad C, O (või Cl) või Fe, Si ja S.
6005A peenelt oksüdeeritud ekstrudeeritud profiilide karestamisdefektide analüüs näitab, et tõmbeosakesed on suured (1–5 mm), pind on enamasti virnastatud ja esiosas on astmelised kriimud; koostis on lähedane Al-maatriksile ja selle ümber on jaotunud heterogeensed faasid, mis sisaldavad Fe, Si, C ja O. See näitab, et kolme sulami tõmbemoodustumise mehhanism on sama.
Ekstrusiooniprotsessi käigus põhjustab metalli voolamise hõõrdumine vormi töölindi temperatuuri tõusu, moodustades töölindi sissepääsu lõikeservale "kleepuva alumiiniumkihi". Samal ajal moodustavad alumiiniumisulamis liigne Si ja muud elemendid, näiteks Mn ja Cr, kergesti Fe-ga asendavaid tahkeid lahuseid, mis soodustavad "kleepuva alumiiniumkihi" moodustumist vormi töötsooni sissepääsu juures.
Kui metall voolab edasi ja hõõrub vastu töörihma, tekib teatud kohas edasi-tagasi liikumise nähtus – pidev liimimine-rebimine-liimimine, mis põhjustab metalli pidevat kattumist selles kohas. Kui osakesed suurenevad teatud suuruseni, tõmbab voolav materjal need eemale ja moodustavad metalli pinnale kriimustusi. Need jäävad metalli pinnale ja moodustavad kriimustuse lõpus tõmbeosakesed. Seetõttu võib arvata, et karestatud osakeste teke on peamiselt seotud alumiiniumi kleepumisega vormi töörihma külge. Selle ümber jaotunud heterogeensed faasid võivad pärineda määrdeõlist, oksiididest või tolmuosakestest, samuti valuploki kareda pinna poolt kaasa toodud lisanditest.
Siiski on 6005A testi tulemustes tõmbete arv väiksem ja aste kergem. Ühelt poolt on see tingitud vormitöölindi väljumisel olevast kaldservadest ja töölindi hoolikast poleerimisest alumiiniumkihi paksuse vähendamiseks; teiselt poolt on see seotud liigse ränisisaldusega.
Spektraalse koostise otselugemise tulemuste põhjal on näha, et lisaks Si-le koos MgMg2Si-ga esineb ülejäänud Si lihtsa ainena.
2.2 Väikesed osakesed pinnal
Väikese suurendusega visuaalsel vaatlusel on osakesed väikesed (≤0,5 mm), ebatasased, terava tundega ja profiili pinnale kleepunud. 100-kordse suurendusega vaatlemisel on pinnal olevad väikesed osakesed jaotunud juhuslikult ning pinnale on kinnitunud väikese suurusega osakesi olenemata sellest, kas kriimustusi on või mitte.
500X suurendusel, olenemata sellest, kas pinnal on ekstrusiooni suunas ilmseid astmelisi kriimustusi või mitte, on palju osakesi ikkagi kinnitunud ja osakeste suurus varieerub. Suurim osakeste suurus on umbes 15 μm ja väikesed osakesed umbes 5 μm.
6060 sulami pinnaosakeste ja terve maatriksi koostise analüüsi abil selgus, et osakesed koosnevad peamiselt O-, C-, Si- ja Fe-elementidest ning alumiiniumisisaldus on väga madal. Peaaegu kõik osakesed sisaldavad O- ja C-elemente. Iga osakese koostis on veidi erinev. Nende hulgas on a-osakesed ligikaudu 10 μm, mis on oluliselt suurem kui maatriksi Si, Mg ja O; c-osakestes on Si, O ja Cl sisaldus ilmselgelt suurem; d- ja f-osakestes on palju Si-, O- ja Na-sisaldust; e-osakestes on Si, Fe ja O; h-osakesed on Fe-d sisaldavad ühendid. 6060 osakeste tulemused on sarnased sellele, kuid kuna 6060 enda Si- ja Fe-sisaldus on madal, on ka vastav Si- ja Fe-sisaldus pinnaosakestes madal; 6060 osakeste C-sisaldus on suhteliselt madal.
Pinnaosakesed ei pruugi olla üksikud väikesed osakesed, vaid võivad esineda ka paljude väikeste osakeste agregaatide kujul, millel on erinev kuju, ning erinevate elementide massiprotsent erinevates osakestes on erinev. Arvatakse, et osakesed koosnevad peamiselt kahest tüübist. Üks on sademed, näiteks AlFeSi ja elementaarne Si, mis pärinevad valuploki kõrge sulamistemperatuuriga lisandifaasidest, näiteks FeAl3 või AlFeSi(Mn), või ekstrusiooniprotsessi käigus sadestunud faasidest. Teine on kleepunud võõrkehad.
2.3 Valuploki pinnakareduse mõju
Katse käigus leiti, et 6005A valuvarda treipingi tagumine pind oli kare ja tolmuga määrdunud. Kaks valuvarda olid lokaalsetes kohtades kõige sügavamate treimisriistajälgedega, mis vastas ekstrusioonijärgsete tõmbete arvu olulisele suurenemisele ning ühe tõmbe suurus oli suurem, nagu on näidatud joonisel 7.
6005A valuvardal puudub treipink, seega on pinna karedus väike ja tõmbejälgede arv väiksem. Lisaks, kuna valuvardal ei ole treijälgedele kinnitunud liigset lõikevedelikku, väheneb vastavate osakeste C-sisaldus. On tõestatud, et valuvardal olevad treijälgede pinnal esinevad tõmbejälged teatud määral süvendavad tõmbejälgi ja osakeste moodustumist.
3 Arutelu
(1) Tõmbedefektide komponendid on põhimõtteliselt samad, mis maatriksil. Need on võõrkehad, valuploki pinnal olev vana kiht ja muud lisandid, mis ekstrusiooniprotsessi käigus ekstrusioonitünni seina või vormi surnud alale kogunevad ning seejärel vormi töölindi metallpinnale või alumiiniumkihile satuvad. Toote edasiliikumisel tekivad pinnakriimustused ja kui toode koguneb teatud suuruseni, siis see eemaldatakse, moodustades tõmbedefekti. Pärast oksüdeerumist on tõmbedefekt korrodeerunud ja suure suuruse tõttu on seal auklikud defektid.
(2) Pinnaosakesed esinevad mõnikord üksikute väikeste osakestena ja mõnikord esinevad agregaatide kujul. Nende koostis erineb ilmselgelt maatriksi omast ja sisaldab peamiselt O, C, Fe ja Si elemente. Mõnes osakeses domineerivad O ja C elemendid ning mõnes O, C, Fe ja Si. Seega järeldatakse, et pinnaosakesed pärinevad kahest allikast: üks on sademed, näiteks AlFeSi ja elementaarne räni, ning pinnale kleepunud lisandid, näiteks O ja C; teine on kleepunud võõrkehad. Osakesed korrodeeruvad pärast oksüdeerimist. Oma väikese suuruse tõttu ei mõjuta nad pinda üldse või on neil väike mõju.
(3) C- ja O-elementide poolest rikkad osakesed pärinevad peamiselt valuploki pinnale kleepunud määrdeõlist, tolmust, pinnasest, õhust jne. Määrdeõli peamised komponendid on C, O, H, S jne ning tolmu ja pinnase peamine komponent on SiO2. Pinnaosakeste O-sisaldus on üldiselt kõrge. Kuna osakesed on kohe pärast töölindilt lahkumist kõrgel temperatuuril ja osakeste suure eripinna tõttu adsorbeerivad nad õhus kergesti O-aatomeid ja põhjustavad pärast kokkupuudet õhuga oksüdeerumist, mille tulemuseks on kõrgem O-sisaldus kui maatriksis.
(4) Fe, Si jne pärinevad peamiselt valuploki oksiididest, vanast katlakivist ja lisandifaasidest (kõrge sulamistemperatuuriga või teise faasiga, mida homogeniseerimisel täielikult ei elimineerita). Fe element pärineb alumiiniumvaluplokkides olevast Fe-st, moodustades kõrge sulamistemperatuuriga lisandifaase, näiteks FeAl3 või AlFeSi(Mn), mida ei saa homogeniseerimisprotsessi käigus tahkes lahuses lahustada või mis ei muundu täielikult; Si esineb alumiiniummaatriksis Mg2Si kujul või räni üleküllastunud tahke lahusena valamise käigus. Valuvarda kuumpressimise käigus võib liigne räni sadestuda. Räni lahustuvus alumiiniumis on 0,48% temperatuuril 450 °C ja 0,8% (massiprotsent) temperatuuril 500 °C. Liigne räni sisaldus 6005-s on umbes 0,41% ja sadenenud räni võib kontsentratsiooni kõikumiste tõttu agregeeruda ja sadestuda.
(5) Alumiiniumi kleepumine vormi töölindile on peamine tõmbe põhjus. Ekstrusioonivorm on kõrge temperatuuri ja rõhu keskkond. Metalli voolamise hõõrdumine tõstab vormi töölindi temperatuuri, moodustades töölindi sissepääsu lõikeservale "kleepuva alumiiniumkihi".
Samal ajal on alumiiniumisulamis liigne Si ja muud elemendid, näiteks Mn ja Cr, kergesti asendatavad tahkete lahustega Fe-ga, mis soodustab "kleepuva alumiiniumkihi" moodustumist vormi töötsooni sissepääsu juures. Läbi "kleepuva alumiiniumkihi" voolav metall kuulub sisemise hõõrdumise (metalli sees libiseva nihke) alla. Metall deformeerub ja kõveneb sisemise hõõrdumise tõttu, mis soodustab alusmetalli ja vormi kokkukleepumist. Samal ajal deformeerub vormi töörihm rõhu tõttu trompetikujuliseks ja töörihma lõikeserva ja profiili kokkupuutel moodustunud kleepuv alumiinium sarnaneb treimisriista lõikeservaga.
Kleepuva alumiiniumi moodustumine on dünaamiline kasvu ja eraldumise protsess. Profiil toob pidevalt välja osakesi, mis kleepuvad profiili pinnale, moodustades tõmbedefekte. Kui see voolab otse töölindist välja ja adsorbeerub koheselt profiili pinnale, nimetatakse pinnale termiliselt kleepunud väikeseid osakesi "adsorptsiooniosakesteks". Kui ekstrudeeritud alumiiniumisulam purustab mõned osakesed, kleepuvad osad neist töölindist läbi minnes töölindi pinnale, põhjustades profiili pinnale kriimustusi. Sabaosa on virnastatud alumiiniummaatriks. Kui töölindi keskele on kinni jäänud palju alumiiniumi (side on tugev), süvendab see pinnakriimustusi.
(6) Ekstrusioonikiirusel on tõmbejõule suur mõju. Ekstrusioonikiiruse mõju. Jäljestatud 6005 sulami puhul suureneb ekstrusioonikiirus katsevahemikus, väljundtemperatuur tõuseb ja pinnalt tõmbejõuga osakeste arv suureneb ning muutub mehaaniliste joonte suurenedes raskemaks. Ekstrusioonikiirust tuleks hoida võimalikult stabiilsena, et vältida järske kiiruse muutusi. Liigne ekstrusioonikiirus ja kõrge väljundtemperatuur põhjustavad suurenenud hõõrdumist ja tugevat osakeste tõmbejõudu. Ekstrusioonikiiruse mõju tõmbejõule nõuab edasist jälgimist ja kontrollimist.
(7) Valatud varda pinna kvaliteet on samuti oluline tegur, mis mõjutab osakeste tõmbejõudu. Valatud varda pind on kare, saagimisjälgede, õliplekkide, tolmu, korrosiooni jms-ga, mis kõik suurendavad osakeste tõmbejõu suurenemist.
4 Kokkuvõte
(1) Tõmbedefektide koostis on kooskõlas maatriksi omaga; osakeste positsiooni koostis erineb ilmselgelt maatriksi omast, sisaldades peamiselt O, C, Fe ja Si elemente.
(2) Tõmbeosakeste defektid tekivad peamiselt alumiiniumi kleepumisest vormitöölindile. Kõik tegurid, mis soodustavad alumiiniumi kleepumist vormitöölindile, põhjustavad tõmbedefekte. Valuvarda kvaliteedi tagamise eelduseks on see, et tõmbeosakeste teke ei mõjuta otseselt sulami koostist.
(3) Nõuetekohane ühtlane tuletöötlus on kasulik pinna tõmbamise vähendamiseks.
Postituse aeg: 10. september 2024
