Podczas procesu wytłaczania stopów aluminium, zwłaszcza profili aluminiowych, na powierzchni często pojawiają się wżery. Ich charakterystycznymi objawami są bardzo małe guzki o zróżnicowanej gęstości, zaniki oraz wyraźne, ostre w dotyku, kolczaste odczucie. Po utlenieniu lub elektroforetycznej obróbce powierzchni, często pojawiają się one jako czarne granulki przylegające do powierzchni produktu.
W przypadku wytłaczania profili o dużych przekrojach wada ta pojawia się częściej ze względu na wpływ struktury wlewka, temperatury wytłaczania, prędkości wytłaczania, złożoności formy itp. Większość drobnych cząstek wad wżerowych można usunąć podczas wstępnej obróbki powierzchni profilu, szczególnie w procesie trawienia alkalicznego, podczas gdy niewielka liczba dużych, mocno przylegających cząstek pozostaje na powierzchni profilu, wpływając na jakość wyglądu końcowego produktu.
W przypadku zwykłych profili okiennych i drzwiowych klienci zazwyczaj akceptują drobne wady w postaci wżerów, ale w przypadku profili przemysłowych, w których wymagany jest równy nacisk na właściwości mechaniczne i walory dekoracyjne lub większy nacisk na walory dekoracyjne, klienci zazwyczaj nie akceptują tych wad, w szczególności wad w postaci wżerów, które nie pasują do innego koloru tła.
Aby przeanalizować mechanizm powstawania cząstek chropowatych, przeanalizowano morfologię i skład defektów w różnych składach stopów i procesach wytłaczania, a także porównano różnice między defektami a matrycą. Zaproponowano rozsądne rozwiązanie problemu cząstek chropowatych i przeprowadzono test próbny.
Aby rozwiązać problem wad wżerowych profili, konieczne jest zrozumienie mechanizmu ich powstawania. Podczas procesu wytłaczania, przywieranie aluminium do pasa roboczego matrycy jest główną przyczyną powstawania wad wżerowych na powierzchni wytłaczanych materiałów aluminiowych. Wynika to z faktu, że proces wytłaczania aluminium odbywa się w wysokiej temperaturze około 450°C. Jeśli dodamy do tego ciepło odkształcenia i ciepło tarcia, temperatura metalu będzie wyższa podczas wypływania z otworu matrycy. Podczas wypływania produktu z otworu matrycy, ze względu na wysoką temperaturę, występuje zjawisko przywierania aluminium między metalem a pasem roboczym formy.
Forma tego wiązania jest często następująca: powtarzający się proces łączenia – rozrywania – łączenia – rozrywania, a produkt płynie do przodu, powodując powstawanie wielu małych wgłębień na powierzchni produktu.
Zjawisko to wiąże się z takimi czynnikami, jak jakość wlewka, stan powierzchni pasa roboczego formy, temperatura wytłaczania, prędkość wytłaczania, stopień odkształcenia i odporność metalu na odkształcenie.
1 Materiały i metody badawcze
Wstępne badania wykazały, że czynniki takie jak czystość metalurgiczna, stan formy, proces wytłaczania, składniki i warunki produkcji mogą wpływać na chropowatość powierzchni cząstek. W teście wykorzystano dwa pręty ze stopu 6005A i 6060 do wytłoczenia tego samego przekroju. Morfologię i skład chropowatych cząstek analizowano za pomocą spektrometru z odczytem bezpośrednim oraz metod detekcji SEM, a następnie porównano z otaczającą matrycą.
Aby wyraźnie rozróżnić morfologię dwóch defektów – wżerów i cząstek – definiuje się je następująco:
(1) Wady wżerowe lub wżery ciągnące to rodzaj wady punktowej, która jest nieregularnym defektem w postaci rysy przypominającej kijankę lub punkt, pojawiającym się na powierzchni profilu. Wada zaczyna się od paska rysy i kończy odpadaniem, gromadząc się w metalowych ziarnach na końcu linii rysy. Rozmiar wady wżerowej wynosi zazwyczaj 1–5 mm i po utlenianiu staje się ciemnoczarna, co ostatecznie wpływa na wygląd profilu, jak pokazano czerwonym kółkiem na rysunku 1.
(2) Cząsteczki powierzchniowe nazywane są również ziarnami metalu lub cząstkami adsorpcyjnymi. Powierzchnia profilu ze stopu aluminium jest połączona z kulistymi, szaro-czarnymi, twardymi cząstkami metalu i ma luźną strukturę. Istnieją dwa rodzaje profili ze stopu aluminium: takie, które można zetrzeć i takie, których nie można zetrzeć. Ich rozmiar zazwyczaj wynosi mniej niż 0,5 mm i są szorstkie w dotyku. W przedniej części nie ma zarysowań. Po utlenieniu niewiele różnią się od matrycy, co pokazano żółtym kółkiem na rysunku 1.
2 Wyniki testów i analiza
2.1 Wady powierzchniowe
Rysunek 2 przedstawia mikrostrukturalną morfologię wady rozciągania na powierzchni stopu 6005A. W przedniej części procesu rozciągania widoczne są schodkowe rysy, zakończone ułożonymi w stos grudkami. Po ich pojawieniu się powierzchnia wraca do normy. Miejsce chropowatości nie jest gładkie w dotyku, ma ostry, kolczasty charakter i przylega lub gromadzi się na powierzchni profilu. Podczas testu wytłaczania zaobserwowano, że morfologia rozciągania profili wytłaczanych ze stopów 6005A i 6060 jest podobna, a tylna część produktu jest większa niż przednia; różnica polega na tym, że całkowita powierzchnia rozciągania w stopie 6005A jest mniejsza, a głębokość rys jest mniejsza. Może to być związane ze zmianami składu stopu, stanu pręta odlewanego i warunków formy. Obserwowane pod powiększeniem 100X, widoczne są wyraźne rysy na przednim końcu obszaru rozciągania, wydłużonego wzdłuż kierunku wytłaczania, a kształt końcowych cząstek grudek jest nieregularny. Przy powiększeniu 500X, przedni koniec powierzchni rozciągania ma schodkowe rysy wzdłuż kierunku wytłaczania (rozmiar tego defektu wynosi około 120 μm), a na końcu cząstki grudek widoczne są wyraźne ślady ułożenia.
Aby przeanalizować przyczyny rozciągania, wykorzystano spektrometr z odczytem bezpośrednim oraz spektrometr EDX do analizy składowych w lokalizacjach defektów i matrycy trzech składników stopu. Tabela 1 przedstawia wyniki badań profilu 6005A. Wyniki EDX pokazują, że skład ułożenia cząstek rozciąganych jest zasadniczo podobny do składu matrycy. Ponadto, w obrębie i wokół defektu rozciągania gromadzą się drobne cząstki zanieczyszczeń, które zawierają C, O (lub Cl) lub Fe, Si i S.
Analiza defektów chropowatości drobno utlenionych wytłaczanych profili 6005A pokazuje, że cząstki rozciągające mają duże rozmiary (1-5 mm), powierzchnia jest w większości ułożona warstwowo, a na przedniej części występują rysy schodkowe. Skład jest zbliżony do osnowy Al, a wokół niej rozproszone są fazy heterogeniczne zawierające Fe, Si, C i O. Dowodzi to, że mechanizm formowania się tych trzech stopów jest taki sam.
Podczas procesu wytłaczania, tarcie w przepływie metalu powoduje wzrost temperatury pasa roboczego formy, tworząc „lepką warstwę aluminium” na krawędzi tnącej wlotu pasa roboczego. Jednocześnie nadmiar Si i innych pierwiastków, takich jak Mn i Cr w stopie aluminium, łatwo tworzy roztwory stałe zastępujące Fe, co sprzyja tworzeniu się „lepkiej warstwy aluminium” na wlocie strefy roboczej formy.
Gdy metal przepływa do przodu i ociera się o pas roboczy, w określonym miejscu zachodzi zjawisko ciągłego łączenia-rozrywania-wiązania, powodując ciągłe nakładanie się metalu w tym miejscu. Gdy cząstki osiągną określony rozmiar, zostaną oderwane przez przepływający produkt i utworzą rysy na powierzchni metalu. Pozostaną na powierzchni metalu i utworzą ciągnące się cząstki na końcu rysy. Można zatem uznać, że powstawanie chropowatych cząstek jest głównie związane z przywieraniem aluminium do pasa roboczego formy. Rozproszone wokół niego fazy heterogeniczne mogą pochodzić z oleju smarowego, tlenków lub cząstek pyłu, a także zanieczyszczeń wnoszonych przez chropowatą powierzchnię wlewka.
Jednak liczba pociągnięć w wynikach testu 6005A jest mniejsza, a ich skala mniejsza. Z jednej strony wynika to ze sfazowania na wyjściu taśmy roboczej formy i starannego polerowania taśmy roboczej w celu zmniejszenia grubości warstwy aluminium, z drugiej strony jest to związane z nadmierną zawartością krzemu.
Zgodnie z wynikami bezpośredniego odczytu składu widmowego można zauważyć, że oprócz Si połączonego z MgMg2Si, pozostały Si występuje w postaci prostej substancji.
2.2 Małe cząsteczki na powierzchni
W badaniu wizualnym przy niskim powiększeniu cząstki są małe (≤0,5 mm), nie są gładkie w dotyku, mają ostry kształt i przylegają do powierzchni profilu. Obserwowane przy powiększeniu 100x, małe cząstki na powierzchni są rozłożone losowo, a do powierzchni przyczepione są drobne cząstki, niezależnie od tego, czy występują zarysowania, czy nie;
Przy powiększeniu 500X, niezależnie od widocznych, schodkowych rys na powierzchni wzdłuż kierunku wytłaczania, wiele cząstek jest nadal przyczepionych, a ich rozmiary są zróżnicowane. Największa cząstka ma około 15 μm, a mniejsze około 5 μm.
Poprzez analizę składu cząstek powierzchniowych stopu 6060 i nienaruszonej matrycy, cząstki składają się głównie z pierwiastków O, C, Si i Fe, a zawartość glinu jest bardzo niska. Prawie wszystkie cząstki zawierają pierwiastki O i C. Skład każdej cząstki jest nieco inny. Wśród nich cząstki a mają wielkość zbliżoną do 10 μm, co jest wartością znacznie wyższą niż matrycy Si, Mg i O; w cząstkach c, Si, O i Cl są oczywiście wyższe; cząstki d i f zawierają dużo Si, O i Na; cząstki e zawierają Si, Fe i O; cząstki h to związki zawierające Fe. Wyniki dla cząstek 6060 są podobne, ale ponieważ zawartość Si i Fe w samym 6060 jest niska, odpowiadające im zawartości Si i Fe w cząstkach powierzchniowych są również niskie; zawartość C w cząstkach 6060 jest stosunkowo niska.
Cząstki powierzchniowe mogą nie być pojedynczymi małymi cząsteczkami, ale mogą również występować w postaci skupisk wielu małych cząsteczek o różnych kształtach, a procentowa zawartość różnych pierwiastków w poszczególnych cząsteczkach jest zróżnicowana. Uważa się, że cząstki składają się głównie z dwóch rodzajów. Jednym z nich są wydzielenia, takie jak AlFeSi i pierwiastkowy Si, które powstają z faz zanieczyszczeń o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak FeAl3 lub AlFeSi(Mn) w wlewkach, lub z faz wydzieleniowych podczas procesu wytłaczania. Drugim rodzajem są przylegające ciała obce.
2.3 Wpływ chropowatości powierzchni wlewka
Podczas testu stwierdzono, że tylna powierzchnia tokarki do prętów odlewanych 6005A była chropowata i zakurzona. Dwa pręty odlewane miały najgłębsze ślady po narzędziach tokarskich w różnych miejscach, co odpowiadało znacznemu wzrostowi liczby odciągnięć po wyciskaniu, a rozmiar pojedynczego odciągu był większy, jak pokazano na rysunku 7.
Pręt odlewany 6005A nie jest toczony, dzięki czemu chropowatość powierzchni jest niska, a liczba operacji rozciągania jest ograniczona. Ponadto, ponieważ na śladach toczenia na prętach odlewanych nie gromadzi się nadmiar płynu obróbkowego, zawartość węgla w odpowiadających im cząsteczkach ulega zmniejszeniu. Udowodniono, że ślady toczenia na powierzchni prętów odlewanych w pewnym stopniu utrudniają rozciąganie i tworzenie się cząstek.
3 Dyskusja
(1) Składniki wad ciągnienia są zasadniczo takie same jak w przypadku matrycy. To cząstki obce, stary naskórek na powierzchni wlewka i inne zanieczyszczenia gromadzące się na ściance cylindra wytłaczarki lub w martwej strefie formy podczas procesu wytłaczania, które są przenoszone na powierzchnię metalu lub warstwę aluminium pasa roboczego formy. Podczas przepływu produktu do przodu powstają zarysowania powierzchni, a gdy produkt nagromadzi się do określonego rozmiaru, jest on wypychany przez produkt, tworząc wady ciągnienia. Po utlenieniu, ciągnienie uległo korozji, a ze względu na jego duży rozmiar pojawiły się tam wady przypominające wżery.
(2) Cząstki powierzchniowe czasami pojawiają się jako pojedyncze małe cząstki, a czasami występują w formie zagregowanej. Ich skład oczywiście różni się od składu matrycy i zawiera głównie pierwiastki O, C, Fe i Si. Niektóre cząstki są zdominowane przez pierwiastki O i C, a inne przez O, C, Fe i Si. Dlatego wnioskuje się, że cząstki powierzchniowe pochodzą z dwóch źródeł: jednym z nich są osady, takie jak AlFeSi i pierwiastkowy Si, a zanieczyszczenia, takie jak O i C, przylegają do powierzchni; drugim jest przylegająca materia obca. Cząstki ulegają korozji po utlenieniu. Ze względu na swój mały rozmiar nie mają one żadnego lub niewielkiego wpływu na powierzchnię.
(3) Cząstki bogate w pierwiastki C i O pochodzą głównie z oleju smarowego, pyłu, gleby, powietrza itp. przylegających do powierzchni wlewka. Głównymi składnikami oleju smarowego są C, O, H, S itp., a głównym składnikiem pyłu i gleby jest SiO2. Zawartość O w cząstkach powierzchniowych jest zazwyczaj wysoka. Ponieważ cząstki znajdują się w stanie wysokiej temperatury bezpośrednio po opuszczeniu taśmy roboczej, a ze względu na dużą powierzchnię właściwą, łatwo adsorbują atomy O w powietrzu i powodują utlenianie po kontakcie z powietrzem, co skutkuje wyższą zawartością O niż w matrycy.
(4) Fe, Si itp. pochodzą głównie z tlenków, starej zgorzeliny i faz zanieczyszczeń w wlewku (wysoka temperatura topnienia lub druga faza, która nie jest całkowicie eliminowana przez homogenizację). Pierwiastek Fe pochodzi z Fe w wlewkach aluminiowych, tworząc fazy zanieczyszczeń o wysokiej temperaturze topnienia, takie jak FeAl3 lub AlFeSi(Mn), które nie mogą być rozpuszczone w roztworze stałym podczas procesu homogenizacji lub nie są w pełni przekształcane; Si występuje w matrycy aluminiowej w postaci Mg2Si lub przesyconego roztworu stałego Si podczas procesu odlewania. Podczas procesu wytłaczania na gorąco pręta odlewanego może wytrącać się nadmiar Si. Rozpuszczalność Si w aluminium wynosi 0,48% w temperaturze 450°C i 0,8% (wag.%) w temperaturze 500°C. Nadmiar Si w 6005 wynosi około 0,41%, a wytrącony Si może być agregacją i wytrącaniem spowodowanym wahaniami stężenia.
(5) Główną przyczyną naciągania jest przywieranie aluminium do pasa roboczego formy. Matryca wytłaczająca pracuje w środowisku o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Tarcie przepływowe metalu podnosi temperaturę pasa roboczego formy, tworząc „lepką warstwę aluminium” na krawędzi tnącej wejścia pasa roboczego.
Jednocześnie nadmiar Si i innych pierwiastków, takich jak Mn i Cr w stopie aluminium, łatwo tworzy roztwory stałe zastępujące Fe, co sprzyja tworzeniu się „lepkiej warstwy aluminium” na wejściu do strefy roboczej formy. Metal przepływający przez „lepką warstwę aluminium” jest wynikiem tarcia wewnętrznego (ścinanie ślizgowe wewnątrz metalu). Metal odkształca się i twardnieje z powodu tarcia wewnętrznego, co sprzyja przyleganiu metalu znajdującego się pod spodem do formy. Jednocześnie pas roboczy formy jest odkształcany w kształt trąbki pod wpływem ciśnienia, a lepkie aluminium utworzone przez krawędź skrawającą pasa roboczego stykającą się z profilem jest podobne do krawędzi skrawającej narzędzia tokarskiego.
Powstawanie lepkiego aluminium to dynamiczny proces wzrostu i złuszczania. Cząsteczki są stale wynoszone przez profil i przylegają do powierzchni profilu, tworząc wady rozciągające. Jeśli aluminium wypływa bezpośrednio z pasa roboczego i jest natychmiast adsorbowane na powierzchni profilu, małe cząstki przylegające termicznie do powierzchni nazywane są „cząstkami adsorpcyjnymi”. Jeśli niektóre cząstki zostaną rozbite przez wytłaczany stop aluminium, niektóre cząstki przylgną do powierzchni pasa roboczego podczas przechodzenia przez niego, powodując zarysowania na powierzchni profilu. Tylna część to ułożona w stos matryca aluminiowa. Duża ilość aluminium przyklejona pośrodku pasa roboczego (powiązanie jest silne) nasili zarysowania powierzchni.
(6) Prędkość wytłaczania ma duży wpływ na rozciąganie. Wpływ prędkości wytłaczania. W przypadku stopu 6005 z naniesionym na bieżnię materiałem, prędkość wytłaczania rośnie w zakresie testowym, temperatura na wylocie wzrasta, a liczba cząstek powierzchniowych rozciąganych rośnie i staje się cięższa wraz ze wzrostem linii mechanicznych. Prędkość wytłaczania powinna być utrzymywana na możliwie stabilnym poziomie, aby uniknąć nagłych zmian prędkości. Nadmierna prędkość wytłaczania i wysoka temperatura na wylocie prowadzą do zwiększonego tarcia i silnego rozciągania cząstek. Szczegółowy mechanizm wpływu prędkości wytłaczania na zjawisko rozciągania wymaga dalszych badań i weryfikacji.
(7) Jakość powierzchni pręta odlewanego jest również ważnym czynnikiem wpływającym na zaciąganie cząstek. Powierzchnia pręta odlewanego jest szorstka, z zadziorami piły, plamami oleju, pyłem, korozją itp., co zwiększa tendencję do zaciągania cząstek.
4. Wnioski
(1) Skład defektów wyciągania jest zgodny ze składem matrycy; skład położenia cząstek wyraźnie różni się od składu matrycy i zawiera głównie pierwiastki O, C, Fe i Si.
(2) Wady ciągnienia spowodowane są głównie przywieraniem aluminium do pasa roboczego formy. Wszelkie czynniki sprzyjające przywieraniu aluminium do pasa roboczego formy będą powodować wady ciągnienia. W celu zapewnienia jakości odlewanego pręta, powstawanie cząstek ciągnienia nie ma bezpośredniego wpływu na skład stopu.
(3) Prawidłowe, jednolite postępowanie ogniowe jest korzystne w ograniczaniu naciągania powierzchni.
Czas publikacji: 10.09.2024
