Durante il processo di estrusione di materiali estrusi in lega di alluminio, in particolare profili in alluminio, si verifica spesso un difetto di "pitting" sulla superficie. Le manifestazioni specifiche includono piccolissimi tumori con densità variabile, formazione di code e una sensazione al tatto evidente, con una sensazione di rugosità. Dopo l'ossidazione o il trattamento superficiale elettroforetico, questi difetti appaiono spesso come granuli neri aderenti alla superficie del prodotto.
Nella produzione di profili di grandi sezioni tramite estrusione, questo difetto è più probabile che si verifichi a causa dell'influenza della struttura del lingotto, della temperatura di estrusione, della velocità di estrusione, della complessità dello stampo, ecc. La maggior parte delle particelle fini dei difetti puntiformi può essere rimossa durante il processo di pretrattamento della superficie del profilo, in particolare il processo di incisione alcalina, mentre un piccolo numero di particelle di grandi dimensioni e saldamente adese rimane sulla superficie del profilo, influenzando la qualità dell'aspetto del prodotto finale.
Nei normali prodotti per profili di porte e finestre, i clienti in genere accettano piccoli difetti puntiformi, ma per i profili industriali che richiedono pari attenzione alle proprietà meccaniche e alle prestazioni decorative, o maggiore attenzione alle prestazioni decorative, i clienti in genere non accettano questo difetto, in particolar modo i difetti puntiformi che non sono coerenti con il diverso colore di sfondo.
Per analizzare il meccanismo di formazione delle particelle rugose, sono state analizzate la morfologia e la composizione delle posizioni dei difetti in diverse composizioni di leghe e processi di estrusione, e sono state confrontate le differenze tra i difetti e la matrice. È stata proposta una soluzione ragionevole per risolvere efficacemente il problema delle particelle rugose ed è stato condotto un test di prova.
Per risolvere i difetti di vaiolatura dei profili, è necessario comprenderne il meccanismo di formazione. Durante il processo di estrusione, l'adesione dell'alluminio al nastro di lavoro dello stampo è la causa principale dei difetti di vaiolatura sulla superficie dei materiali in alluminio estrusi. Questo perché il processo di estrusione dell'alluminio viene eseguito a temperature elevate, circa 450 °C. Se si aggiungono gli effetti del calore di deformazione e del calore di attrito, la temperatura del metallo sarà più elevata quando fuoriesce dal foro dello stampo. Quando il prodotto fuoriesce dal foro dello stampo, a causa dell'elevata temperatura, si verifica un fenomeno di adesione dell'alluminio tra il metallo e il nastro di lavoro dello stampo.
La forma di questa saldatura è spesso: un processo ripetuto di saldatura – strappo – saldatura – strappo di nuovo, e il prodotto scorre in avanti, causando la formazione di numerose piccole cavità sulla superficie del prodotto.
Questo fenomeno di legame è correlato a fattori quali la qualità del lingotto, le condizioni della superficie della cinghia di lavoro dello stampo, la temperatura di estrusione, la velocità di estrusione, il grado di deformazione e la resistenza alla deformazione del metallo.
1 Materiali e metodi di prova
Attraverso una ricerca preliminare, abbiamo appreso che fattori quali la purezza metallurgica, lo stato dello stampo, il processo di estrusione, gli ingredienti e le condizioni di produzione possono influenzare la superficie delle particelle rugose. Nel test, due barre di lega, 6005A e 6060, sono state utilizzate per estrudere la stessa sezione. La morfologia e la composizione delle posizioni delle particelle rugose sono state analizzate tramite spettrometro a lettura diretta e metodi di rilevamento SEM, e confrontate con la matrice normale circostante.
Per distinguere chiaramente la morfologia dei due difetti, puntiformi e particellari, si definiscono come segue:
(1) I difetti a solchi o difetti di trazione sono un tipo di difetto puntiforme, ovvero un difetto irregolare a forma di girino o di graffio puntiforme che appare sulla superficie del profilo. Il difetto inizia dalla striscia di graffio e termina con il distacco del difetto, che si accumula in granuli metallici alla fine della linea di graffio. Le dimensioni del difetto a solchi sono generalmente di 1-5 mm e assumono una colorazione nera scura dopo il trattamento di ossidazione, che in definitiva influisce sull'aspetto del profilo, come mostrato nel cerchio rosso in Figura 1.
(2) Le particelle superficiali sono anche chiamate granuli metallici o particelle di adsorbimento. La superficie del profilo in lega di alluminio è fissata con particelle sferiche di metallo duro grigio-nero e presenta una struttura lassa. Esistono due tipi di profili in lega di alluminio: quelli pulibili e quelli non pulibili. Le dimensioni sono generalmente inferiori a 0,5 mm e risultano ruvide al tatto. Non sono presenti graffi nella sezione anteriore. Dopo l'ossidazione, non si discosta molto dalla matrice, come mostrato nel cerchio giallo in Figura 1.
2 Risultati dei test e analisi
2.1 Difetti di trazione superficiale
La Figura 2 mostra la morfologia microstrutturale del difetto di trazione sulla superficie della lega 6005A. Sono presenti graffi a gradini nella parte anteriore della trazione, che terminano con noduli impilati. Dopo la comparsa dei noduli, la superficie torna alla normalità. La posizione del difetto di rugosità non è liscia al tatto, ha una sensazione di nitidezza e aderisce o si accumula sulla superficie del profilo. Attraverso il test di estrusione, si è osservato che la morfologia di trazione dei profili estrusi 6005A e 6060 è simile e che l'estremità di coda del prodotto è maggiore dell'estremità di testa; la differenza è che la dimensione complessiva di trazione del 6005A è inferiore e la profondità del graffio è indebolita. Ciò potrebbe essere correlato a variazioni nella composizione della lega, nello stato della barra fusa e nelle condizioni dello stampo. Osservati a 100X, sono evidenti segni di graffio sull'estremità anteriore dell'area di trazione, che è allungata lungo la direzione di estrusione, e la forma delle particelle di nodulo finali è irregolare. A 500X, l'estremità anteriore della superficie di trazione presenta graffi a gradini lungo la direzione di estrusione (la dimensione di questo difetto è di circa 120 μm) e sono presenti evidenti segni di accatastamento sulle particelle nodulari all'estremità della coda.
Per analizzare le cause del fenomeno del "pull", sono stati utilizzati uno spettrometro a lettura diretta e un EDX per condurre un'analisi dei componenti sulle posizioni dei difetti e sulla matrice dei tre componenti della lega. La Tabella 1 mostra i risultati dei test sul profilo 6005A. I risultati EDX mostrano che la composizione della posizione di impilamento delle particelle di "pull" è sostanzialmente simile a quella della matrice. Inoltre, alcune particelle di impurità fini si accumulano all'interno e intorno al difetto di "pull", e le particelle di impurità contengono C, O (o Cl), oppure Fe, Si e S.
L'analisi dei difetti di rugosità dei profili estrusi ossidati finemente in 6005A mostra che le particelle di trazione sono di grandi dimensioni (1-5 mm), la superficie è prevalentemente accatastata e sono presenti graffi a gradini sulla sezione frontale; la composizione è simile a quella della matrice di Al e attorno ad essa sono presenti fasi eterogenee contenenti Fe, Si, C e O distribuite. Ciò dimostra che il meccanismo di formazione della trazione nelle tre leghe è lo stesso.
Durante il processo di estrusione, l'attrito del flusso metallico causa un aumento della temperatura del nastro di lavoro dello stampo, formando uno "strato di alluminio colloso" all'ingresso del nastro. Allo stesso tempo, l'eccesso di Si e altri elementi come Mn e Cr nella lega di alluminio tendono a formare facilmente soluzioni solide di sostituzione con il Fe, favorendo la formazione di uno "strato di alluminio colloso" all'ingresso della zona di lavoro dello stampo.
Mentre il metallo scorre in avanti e sfrega contro il nastro di lavoro, si verifica un fenomeno alternato di legame-strappo-legame continuo in una certa posizione, causando una sovrapposizione continua del metallo in tale posizione. Quando le particelle raggiungono una certa dimensione, vengono strappate dal prodotto in movimento e formano graffi sulla superficie del metallo. Rimangono sulla superficie del metallo e formano particelle che tirano alla fine del graffio. Pertanto, si può ritenere che la formazione di particelle rugose sia principalmente correlata all'adesione dell'alluminio al nastro di lavoro dello stampo. Le fasi eterogenee distribuite attorno ad esse possono derivare da olio lubrificante, ossidi o particelle di polvere, nonché da impurità portate dalla superficie rugosa del lingotto.
Tuttavia, il numero di strappi nei risultati del test 6005A è inferiore e il grado è più leggero. Da un lato, ciò è dovuto alla smussatura all'uscita del nastro di lavoro dello stampo e all'attenta lucidatura del nastro di lavoro per ridurre lo spessore dello strato di alluminio; dall'altro, è correlato all'eccesso di Si.
In base ai risultati della lettura diretta della composizione spettrale, si può osservare che oltre al Si combinato con Mg Mg2Si, il restante Si si presenta sotto forma di sostanza semplice.
2.2 Piccole particelle sulla superficie
A un'ispezione visiva a basso ingrandimento, le particelle sono piccole (≤0,5 mm), non lisce al tatto, hanno una consistenza netta e aderiscono alla superficie del profilo. Osservate a 100X, le piccole particelle sulla superficie sono distribuite in modo casuale e presentano particelle di piccole dimensioni attaccate alla superficie, indipendentemente dalla presenza o meno di graffi;
A 500X, indipendentemente dalla presenza di graffi superficiali evidenti lungo la direzione di estrusione, molte particelle rimangono attaccate e le loro dimensioni variano. La dimensione delle particelle più grandi è di circa 15 μm, mentre quelle più piccole sono di circa 5 μm.
Attraverso l'analisi della composizione delle particelle superficiali della lega 6060 e della matrice intatta, le particelle sono composte principalmente da elementi O, C, Si e Fe, e il contenuto di alluminio è molto basso. Quasi tutte le particelle contengono elementi O e C. La composizione di ciascuna particella è leggermente diversa. Tra queste, le particelle a sono prossime a 10 μm, un valore significativamente più alto rispetto a quello della matrice contenente Si, Mg e O; nelle particelle c, Si, O e Cl sono ovviamente più alti; le particelle d e f contengono alti livelli di Si, O e Na; le particelle e contengono Si, Fe e O; le particelle h sono composti contenenti Fe. I risultati delle particelle 6060 sono simili a questi, ma poiché il contenuto di Si e Fe nel 6060 stesso è basso, anche i corrispondenti contenuti di Si e Fe nelle particelle superficiali sono bassi; il contenuto di C nelle particelle 6060 è relativamente basso.
Le particelle superficiali potrebbero non essere singole particelle di piccole dimensioni, ma anche esistere sotto forma di aggregazioni di molte piccole particelle di forme diverse, e le percentuali in massa dei diversi elementi nelle diverse particelle variano. Si ritiene che le particelle siano composte principalmente da due tipi. Uno è costituito da precipitati come AlFeSi e Si elementare, che si originano da fasi di impurità ad alto punto di fusione come FeAl3 o AlFeSi(Mn) nel lingotto, o da fasi di precipitazione durante il processo di estrusione. L'altro è costituito da corpi estranei aderenti.
2.3 Effetto della rugosità superficiale del lingotto
Durante il test, si è riscontrato che la superficie posteriore del tornio per barre fuse in acciaio 6005A era ruvida e macchiata di polvere. Due barre fuse presentavano i segni più profondi dell'utensile di tornitura in punti specifici, il che corrispondeva a un aumento significativo del numero di tirate dopo l'estrusione, e le dimensioni di una singola tirata erano maggiori, come mostrato in Figura 7.
La barra fusa 6005A non presenta tornitura, quindi la rugosità superficiale è bassa e il numero di tiraggi è ridotto. Inoltre, poiché non vi è fluido da taglio in eccesso attaccato ai segni di tornitura della barra fusa, il contenuto di carbonio nelle particelle corrispondenti è ridotto. È dimostrato che i segni di tornitura sulla superficie della barra fusa aggravano in una certa misura i tiraggi e la formazione di particelle.
3 Discussion
(1) Le componenti dei difetti di tiraggio sono sostanzialmente le stesse di quelle della matrice. Si tratta di particelle estranee, pellicole vecchie sulla superficie del lingotto e altre impurità accumulate nella parete del cilindro di estrusione o nella zona morta dello stampo durante il processo di estrusione, che vengono portate sulla superficie metallica o sullo strato di alluminio del nastro di lavoro dello stampo. Man mano che il prodotto scorre in avanti, si formano graffi superficiali e, quando il prodotto si accumula fino a raggiungere una certa dimensione, viene estratto dal prodotto stesso, formando il tiraggio. Dopo l'ossidazione, il tiraggio si è corroso e, a causa delle sue grandi dimensioni, si sono formati difetti simili a solchi.
(2) Le particelle superficiali a volte appaiono come singole piccole particelle, e talvolta esistono in forma aggregata. La loro composizione è ovviamente diversa da quella della matrice e contiene principalmente elementi O, C, Fe e Si. Alcune particelle sono dominate da elementi O e C, e alcune particelle sono dominate da elementi O, C, Fe e Si. Pertanto, si deduce che le particelle superficiali provengano da due fonti: una è rappresentata da precipitati come AlFeSi e Si elementare, e da impurità come O e C che aderiscono alla superficie; l'altra è rappresentata da corpi estranei aderenti. Le particelle vengono corrose dopo l'ossidazione. A causa delle loro piccole dimensioni, hanno un impatto minimo o nullo sulla superficie.
(3) Le particelle ricche di elementi C e O provengono principalmente da olio lubrificante, polvere, terra, aria, ecc. che aderiscono alla superficie del lingotto. I componenti principali dell'olio lubrificante sono C, O, H, S, ecc., mentre il componente principale di polvere e terra è SiO₂. Il contenuto di O nelle particelle superficiali è generalmente elevato. Poiché le particelle si trovano ad alta temperatura subito dopo aver lasciato il nastro trasportatore, e grazie all'ampia superficie specifica delle particelle, assorbono facilmente gli atomi di O presenti nell'aria e causano ossidazione dopo il contatto con l'aria, con conseguente contenuto di O superiore a quello della matrice.
(4) Fe, Si, ecc. provengono principalmente dagli ossidi, dalle vecchie incrostazioni e dalle fasi di impurità presenti nel lingotto (fase ad alto punto di fusione o seconda fase non completamente eliminata dall'omogeneizzazione). L'elemento Fe deriva dal Fe presente nei lingotti di alluminio, formando fasi di impurità ad alto punto di fusione come FeAl3 o AlFeSi(Mn), che non possono essere disciolte in soluzione solida durante il processo di omogeneizzazione o non vengono completamente convertite; il Si è presente nella matrice di alluminio sotto forma di Mg2Si o di una soluzione solida sovrasatura di Si durante il processo di fusione. Durante il processo di estrusione a caldo della barra fusa, il Si in eccesso può precipitare. La solubilità del Si nell'alluminio è dello 0,48% a 450 °C e dello 0,8% (% in peso) a 500 °C. Il contenuto di Si in eccesso nel 6005 è di circa lo 0,41% e il Si precipitato può essere dovuto ad aggregazione e precipitazione causate da fluttuazioni di concentrazione.
(5) L'adesione dell'alluminio al nastro di lavoro dello stampo è la causa principale del fenomeno di trazione. La matrice di estrusione è un ambiente ad alta temperatura e alta pressione. L'attrito del flusso di metallo aumenta la temperatura del nastro di lavoro dello stampo, formando uno "strato di alluminio appiccicoso" sul bordo di taglio all'ingresso del nastro di lavoro.
Allo stesso tempo, l'eccesso di Si e altri elementi come Mn e Cr nella lega di alluminio sono facili da sostituire con Fe, favorendo la formazione di uno "strato di alluminio adesivo" all'ingresso della zona di lavoro dello stampo. Il metallo che scorre attraverso lo "strato di alluminio adesivo" è soggetto ad attrito interno (taglio di scorrimento all'interno del metallo). Il metallo si deforma e si indurisce a causa dell'attrito interno, favorendo l'adesione tra il metallo sottostante e lo stampo. Allo stesso tempo, la cinghia di lavoro dello stampo si deforma a forma di tromba a causa della pressione, e l'alluminio adesivo formato dal tagliente della cinghia di lavoro a contatto con il profilo è simile al tagliente di un utensile da tornio.
La formazione di alluminio appiccicoso è un processo dinamico di crescita e distacco. Le particelle vengono costantemente espulse dal profilo e aderiscono alla superficie del profilo, formando difetti di trazione. Se fuoriesce direttamente dal nastro di lavoro e viene immediatamente adsorbito sulla superficie del profilo, le piccole particelle che aderiscono termicamente alla superficie vengono chiamate "particelle di adsorbimento". Se alcune particelle vengono rotte dalla lega di alluminio estruso, alcune particelle si attaccheranno alla superficie del nastro di lavoro durante il passaggio, causando graffi sulla superficie del profilo. La coda è la matrice di alluminio accatastata. Quando c'è molto alluminio bloccato al centro del nastro di lavoro (il legame è forte), ciò aggraverà i graffi superficiali.
(6) La velocità di estrusione ha una grande influenza sulla trazione. L'influenza della velocità di estrusione. Per quanto riguarda la lega 6005 tracciata, la velocità di estrusione aumenta all'interno dell'intervallo di prova, la temperatura di uscita aumenta e il numero di particelle di trazione superficiale aumenta e diventa più pesante all'aumentare delle linee meccaniche. La velocità di estrusione deve essere mantenuta il più stabile possibile per evitare sbalzi di velocità. Una velocità di estrusione eccessiva e un'elevata temperatura di uscita causeranno un aumento dell'attrito e una forte trazione delle particelle. Il meccanismo specifico dell'impatto della velocità di estrusione sul fenomeno di trazione richiede successivi follow-up e verifiche.
(7) Anche la qualità della superficie della barra fusa è un fattore importante che influenza la tendenza delle particelle a staccarsi. La superficie della barra fusa è ruvida, con sbavature, macchie d'olio, polvere, corrosione, ecc., tutti fattori che aumentano la tendenza delle particelle a staccarsi.
4 Conclusion
(1) La composizione dei difetti di trazione è coerente con quella della matrice; la composizione della posizione delle particelle è ovviamente diversa da quella della matrice, contenente principalmente elementi O, C, Fe e Si.
(2) I difetti dovuti a particelle di trascinamento sono causati principalmente dall'adesione dell'alluminio al nastro di lavorazione dello stampo. Qualsiasi fattore che favorisca l'adesione dell'alluminio al nastro di lavorazione dello stampo causerà difetti dovuti a trascinamento. A condizione di garantire la qualità della barra fusa, la generazione di particelle di trascinamento non ha alcun impatto diretto sulla composizione della lega.
(3) Un trattamento antincendio uniforme e adeguato è utile per ridurre l'effetto di trazione superficiale.
Data di pubblicazione: 10 settembre 2024
