Beim Extrusionsprozess von Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminiumprofilen, tritt häufig ein Lochfraß auf der Oberfläche auf. Die spezifischen Erscheinungsformen umfassen sehr kleine Tumoren mit unterschiedlicher Dichte, Ausläuferbildung und ein deutlich spürbares, stacheliges Gefühl in der Hand. Nach Oxidation oder elektrophoretischer Oberflächenbehandlung erscheinen sie oft als schwarzes Granulat, das an der Oberfläche des Produkts haftet.
Bei der Extrusionsproduktion von Profilen mit großem Querschnitt tritt dieser Defekt eher auf, da die Struktur des Barrens, die Extrusionstemperatur, die Extrusionsgeschwindigkeit, die Komplexität der Form usw. ihn beeinflussen. Die meisten der feinen Partikel der Lochfraßdefekte können während der Vorbehandlung der Profiloberfläche, insbesondere des alkalischen Ätzprozesses, entfernt werden, während eine kleine Anzahl großer, fest haftender Partikel auf der Profiloberfläche verbleiben und die Qualität des Aussehens des Endprodukts beeinträchtigen.
Bei gewöhnlichen Bautür- und Fensterprofilprodukten akzeptieren Kunden im Allgemeinen kleinere Lochfraßfehler. Bei Industrieprofilen jedoch, bei denen die mechanischen Eigenschaften und die dekorative Leistung gleichermaßen oder die dekorative Leistung stärker betont werden müssen, akzeptieren Kunden diese Fehler im Allgemeinen nicht, insbesondere Lochfraßfehler, die nicht mit der unterschiedlichen Hintergrundfarbe vereinbar sind.
Um den Entstehungsmechanismus rauer Partikel zu analysieren, wurden Morphologie und Zusammensetzung der Defektstellen bei unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen und Extrusionsverfahren analysiert und die Unterschiede zwischen Defekten und Matrix verglichen. Eine sinnvolle Lösung zur effektiven Beseitigung der rauen Partikel wurde vorgeschlagen und ein Probeversuch durchgeführt.
Um Lochfraß an Profilen zu beheben, ist es notwendig, deren Entstehungsmechanismus zu verstehen. Während des Extrusionsprozesses ist das Anhaften von Aluminium am Matrizenband die Hauptursache für Lochfraß an der Oberfläche von extrudiertem Aluminium. Dies liegt daran, dass der Aluminiumextrusionsprozess bei hohen Temperaturen von etwa 450 °C durchgeführt wird. Kommen Verformungswärme und Reibungswärme hinzu, ist die Temperatur des Metalls beim Austreten aus der Matrizenöffnung höher. Beim Austreten des Produkts aus der Matrizenöffnung kommt es aufgrund der hohen Temperatur zum Anhaften von Aluminium zwischen dem Metall und dem Matrizenband.
Die Form dieser Bindung ist häufig: ein wiederholter Prozess des Bindens – Reißens – Bindens – erneuten Reißens, und das Produkt fließt vorwärts, was zu vielen kleinen Vertiefungen auf der Oberfläche des Produkts führt.
Dieses Bindungsphänomen hängt mit Faktoren wie der Qualität des Barrens, dem Oberflächenzustand des Formarbeitsbandes, der Extrusionstemperatur, der Extrusionsgeschwindigkeit, dem Grad der Verformung und dem Verformungswiderstand des Metalls zusammen.
1 Prüfmaterialien und -methoden
Durch Voruntersuchungen haben wir herausgefunden, dass Faktoren wie metallurgische Reinheit, Formzustand, Extrusionsprozess, Inhaltsstoffe und Produktionsbedingungen die Oberflächenrauheit der Partikel beeinflussen können. Im Test wurden zwei Legierungsstäbe, 6005A und 6060, verwendet, um denselben Abschnitt zu extrudieren. Die Morphologie und Zusammensetzung der aufgerauten Partikelpositionen wurden mittels Direktmessspektrometer und SEM-Detektion analysiert und mit der umgebenden Normalmatrix verglichen.
Um die Morphologie der beiden Defekte Lochfraß und Partikel klar zu unterscheiden, werden sie wie folgt definiert:
(1) Lochfraß oder Zugfehler sind punktförmige Fehler, die unregelmäßige, kaulquappen- oder punktförmige Kratzfehler auf der Profiloberfläche verursachen. Der Fehler beginnt am Kratzstreifen und endet mit einem Abfallen des Fehlers, das sich am Ende der Kratzlinie zu Metallkügelchen ansammelt. Die Größe des Lochfraßfehlers beträgt in der Regel 1–5 mm und verfärbt sich nach der Oxidation dunkelschwarz, was sich letztendlich auf das Erscheinungsbild des Profils auswirkt, wie im roten Kreis in Abbildung 1 dargestellt.
(2) Oberflächenpartikel werden auch als Metallpartikel oder Adsorptionspartikel bezeichnet. Die Oberfläche des Aluminiumlegierungsprofils ist mit kugelförmigen grauschwarzen Hartmetallpartikeln versehen und weist eine lockere Struktur auf. Es gibt zwei Arten von Aluminiumlegierungsprofilen: abwischbare und nicht abwischbare. Die Größe beträgt in der Regel weniger als 0,5 mm und fühlt sich rau an. Im vorderen Bereich sind keine Kratzer vorhanden. Nach der Oxidation unterscheidet es sich kaum von der Matrix, wie im gelben Kreis in Abbildung 1 dargestellt.
2 Testergebnisse und Analyse
2.1 Oberflächenzugfehler
Abbildung 2 zeigt die mikrostrukturelle Morphologie des Ziehfehlers auf der Oberfläche der Legierung 6005A. Im vorderen Teil des Ziehbereichs befinden sich stufenförmige Kratzer, die in gestapelten Knötchen enden. Nach dem Auftreten der Knötchen normalisiert sich die Oberfläche wieder. Die Stelle des Aufrauungsfehlers fühlt sich nicht glatt an, sondern fühlt sich scharf und dornig an und haftet oder sammelt sich auf der Profiloberfläche. Durch den Extrusionstest wurde beobachtet, dass die Ziehmorphologie der extrudierten Profile 6005A und 6060 ähnlich ist und das hintere Ende des Produkts größer als das vordere Ende ist. Der Unterschied besteht darin, dass die Gesamtziehgröße von 6005A kleiner und die Kratzertiefe geringer ist. Dies kann mit Änderungen der Legierungszusammensetzung, des Zustands des Gussstabs und der Formbedingungen zusammenhängen. Bei 100-facher Betrachtung sind an der vorderen Seite des Ziehbereichs, der sich entlang der Extrusionsrichtung verlängert, deutliche Kratzspuren zu erkennen, und die Form der endgültigen Knötchenpartikel ist unregelmäßig. Bei 500-facher Vergrößerung weist das vordere Ende der Ziehfläche stufenartige Kratzer entlang der Extrusionsrichtung auf (die Größe dieses Defekts beträgt etwa 120 μm) und es gibt deutliche Stapelspuren auf den knötchenförmigen Partikeln am hinteren Ende.
Um die Ursachen des Ziehens zu analysieren, wurden mittels Direktspektrometer und EDX Komponentenanalysen an den Defektstellen und der Matrix der drei Legierungskomponenten durchgeführt. Tabelle 1 zeigt die Testergebnisse des 6005A-Profils. Die EDX-Ergebnisse zeigen, dass die Zusammensetzung der Stapelposition der ziehenden Partikel grundsätzlich der der Matrix ähnelt. Zusätzlich lagern sich feine Verunreinigungspartikel im und um den Ziehdefekt ab, die C, O (oder Cl) oder Fe, Si und S enthalten.
Die Analyse der Aufrauungsdefekte von feinoxidierten Strangpressprofilen der Legierung 6005A zeigt, dass die Zugpartikel groß (1–5 mm) sind, die Oberfläche größtenteils gestapelt ist und sich im vorderen Bereich stufenförmige Kratzer befinden. Die Zusammensetzung ähnelt der einer Al-Matrix, und heterogene Phasen mit Fe, Si, C und O sind um sie herum verteilt. Dies zeigt, dass der Zugbildungsmechanismus der drei Legierungen derselbe ist.
Während des Extrusionsprozesses führt die Reibung des Metallflusses zu einem Temperaturanstieg des Formarbeitsbandes, wodurch sich an der Schneide des Arbeitsbandeingangs eine „klebrige Aluminiumschicht“ bildet. Gleichzeitig bilden überschüssiges Si und andere Elemente wie Mn und Cr in der Aluminiumlegierung leicht Ersatzmischkristalle mit Fe, was die Bildung einer „klebrigen Aluminiumschicht“ am Eingang der Formarbeitszone fördert.
Während das Metall vorwärts fließt und am Arbeitsband reibt, tritt an einer bestimmten Stelle ein Hin- und Herphänomen aus kontinuierlichem Verbinden, Reißen und Verbinden auf, wodurch sich das Metall an dieser Stelle kontinuierlich überlagert. Wenn die Partikel eine bestimmte Größe erreichen, werden sie vom fließenden Produkt weggezogen und bilden Kratzspuren auf der Metalloberfläche. Sie bleiben auf der Metalloberfläche und bilden am Ende des Kratzers ziehende Partikel. Daher kann davon ausgegangen werden, dass die Bildung aufgerauter Partikel hauptsächlich mit dem Anhaften des Aluminiums am Arbeitsband der Form zusammenhängt. Die darum verteilten heterogenen Phasen können von Schmieröl, Oxiden oder Staubpartikeln sowie Verunreinigungen herrühren, die von der rauen Oberfläche des Barrens herrühren.
Allerdings ist die Anzahl der Züge in den 6005A-Testergebnissen geringer und der Grad geringer. Einerseits liegt dies an der Abschrägung am Ausgang des Formarbeitsbandes und dem sorgfältigen Polieren des Arbeitsbandes, um die Dicke der Aluminiumschicht zu reduzieren; andererseits hängt es mit dem übermäßigen Si-Gehalt zusammen.
Den Ergebnissen der direkt ablesbaren spektralen Zusammensetzung zufolge ist ersichtlich, dass neben Si, das mit MgMg2Si kombiniert ist, das verbleibende Si in Form einer einfachen Substanz auftritt.
2.2 Kleine Partikel auf der Oberfläche
Bei einer Sichtprüfung mit geringer Vergrößerung sind die Partikel klein (≤ 0,5 mm), fühlen sich nicht glatt an, fühlen sich scharf an und haften an der Oberfläche des Profils. Bei einer Betrachtung unter 100-facher Vergrößerung sind die kleinen Partikel auf der Oberfläche zufällig verteilt, und es haften kleine Partikel an der Oberfläche, unabhängig davon, ob Kratzer vorhanden sind oder nicht.
Bei 500-facher Vergrößerung haften immer noch viele Partikel, unabhängig davon, ob auf der Oberfläche entlang der Extrusionsrichtung deutliche stufenartige Kratzer vorhanden sind, und die Partikelgröße variiert. Die größte Partikelgröße beträgt etwa 15 μm und die kleinsten Partikel etwa 5 μm.
Durch Analyse der Zusammensetzung der Oberflächenpartikel der Legierung 6060 und der intakten Matrix zeigen sich die Partikel hauptsächlich aus den Elementen O, C, Si und Fe, wobei der Aluminiumgehalt sehr gering ist. Fast alle Partikel enthalten O und C. Die Zusammensetzung der einzelnen Partikel unterscheidet sich geringfügig. Die a-Partikel sind knapp 10 μm groß und damit deutlich größer als die Si-, Mg- und O-Elemente in der Matrix. Die c-Partikel enthalten deutlich mehr Si, O und Cl. Die d- und f-Partikel enthalten viel Si, O und Na. Die e-Partikel enthalten Si, Fe und O. Die h-Partikel sind Fe-haltige Verbindungen. Die Ergebnisse für die 6060-Partikel ähneln diesen, doch da der Si- und Fe-Gehalt in 6060 selbst gering ist, sind auch die entsprechenden Si- und Fe-Gehalte in den Oberflächenpartikeln gering. Der C-Gehalt in den 6060-Partikeln ist relativ gering.
Oberflächenpartikel bestehen möglicherweise nicht aus einzelnen kleinen Partikeln, sondern können auch in Form von Ansammlungen vieler kleiner Partikel unterschiedlicher Form vorliegen. Die Massenanteile verschiedener Elemente in den verschiedenen Partikeln variieren. Man geht davon aus, dass die Partikel hauptsächlich aus zwei Typen bestehen. Zum einen aus Ausscheidungen wie AlFeSi und elementarem Si, die aus hochschmelzenden Verunreinigungsphasen wie FeAl3 oder AlFeSi(Mn) im Barren oder aus Ausscheidungsphasen während des Extrusionsprozesses entstehen. Zum anderen aus anhaftenden Fremdkörpern.
2.3 Einfluss der Oberflächenrauheit des Barrens
Während des Tests wurde festgestellt, dass die Rückseite der 6005A-Gussstangendrehmaschine rau und staubbefleckt war. Zwei Gussstangen wiesen an bestimmten Stellen die tiefsten Drehwerkzeugspuren auf, was einer deutlichen Zunahme der Anzahl der Züge nach der Extrusion entspricht. Wie in Abbildung 7 dargestellt, war die Größe eines einzelnen Zugs größer.
Der 6005A-Gussstab verfügt über keine Drehbank, wodurch die Oberflächenrauheit gering ist und die Anzahl der Ziehvorgänge reduziert wird. Da sich an den Drehspuren des Gussstabs kein überschüssiges Kühlschmiermittel anlagert, reduziert sich zudem der Kohlenstoffgehalt in den entsprechenden Partikeln. Es ist erwiesen, dass die Drehspuren auf der Oberfläche des Gussstabs das Ziehen und die Partikelbildung bis zu einem gewissen Grad erschweren.
3 Diskussion
(1) Die Komponenten von Ziehfehlern sind grundsätzlich dieselben wie die der Matrix. Es handelt sich um Fremdpartikel, alte Haut auf der Barrenoberfläche und andere Verunreinigungen, die sich während des Extrusionsprozesses an der Wand des Extrusionszylinders oder im toten Bereich der Form ansammeln und an die Metalloberfläche oder die Aluminiumschicht des Formbandes gelangen. Beim Fließen des Produkts entstehen Oberflächenkratzer. Wenn sich das Produkt bis zu einer bestimmten Größe ansammelt, wird es vom Produkt entfernt, wodurch ein Ziehfehler entsteht. Nach der Oxidation korrodierte der Ziehfehler, und aufgrund seiner Größe bildeten sich dort grubenartige Defekte.
(2) Oberflächenpartikel treten manchmal als einzelne kleine Partikel auf, manchmal in aggregierter Form. Ihre Zusammensetzung unterscheidet sich deutlich von der der Matrix und enthält hauptsächlich die Elemente O, C, Fe und Si. Bei einigen Partikeln dominieren O und C, bei anderen O, C, Fe und Si. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Oberflächenpartikel zwei Ursachen haben: Zum einen sind es Niederschläge wie AlFeSi und elementares Si sowie an der Oberfläche haftende Verunreinigungen wie O und C; zum anderen sind es anhaftende Fremdkörper. Die Partikel werden durch Oxidation wegkorrodiert. Aufgrund ihrer geringen Größe haben sie keinen oder nur geringen Einfluss auf die Oberfläche.
(3) C- und O-reiche Partikel stammen hauptsächlich aus Schmieröl, Staub, Erde, Luft usw., die an der Oberfläche des Barrens haften. Schmieröle enthalten hauptsächlich C, O, H und S, Staub und Erde hingegen hauptsächlich SiO2. Oberflächenpartikel haben im Allgemeinen einen hohen Sauerstoffgehalt. Da sich die Partikel unmittelbar nach dem Verlassen des Förderbandes in einem hohen Temperaturzustand befinden und aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche leicht Sauerstoffatome aus der Luft aufnehmen, oxidieren sie bei Kontakt mit der Luft, wodurch ihr Sauerstoffgehalt im Vergleich zur Matrix höher ist.
(4) Fe, Si usw. stammen hauptsächlich aus den Oxiden, alten Zunder- und Verunreinigungsphasen im Barren (hoher Schmelzpunkt oder zweite Phase, die durch Homogenisierung nicht vollständig entfernt wird). Das Fe-Element stammt aus Fe in Aluminiumbarren und bildet hochschmelzende Verunreinigungsphasen wie FeAl3 oder AlFeSi(Mn), die sich während des Homogenisierungsprozesses nicht in fester Lösung lösen können oder nicht vollständig umgewandelt werden; Si liegt in der Aluminiummatrix in Form von Mg2Si oder einer übersättigten festen Si-Lösung während des Gießvorgangs vor. Während des Heißextrusionsprozesses des gegossenen Stabs kann überschüssiges Si ausfallen. Die Löslichkeit von Si in Aluminium beträgt 0,48 % bei 450 °C und 0,8 % (Gew.-%) bei 500 °C. Der überschüssige Si-Gehalt in 6005 beträgt etwa 0,41 %, und das ausgefällte Si kann eine Aggregation und Ausfällung sein, die durch Konzentrationsschwankungen verursacht wird.
(5) Aluminium, das am Formband klebt, ist die Hauptursache für das Ziehen. Die Extrusionsdüse ist eine Umgebung mit hohen Temperaturen und hohem Druck. Die Reibung des Metallflusses erhöht die Temperatur des Formbandes und bildet eine „klebrige Aluminiumschicht“ an der Schneide des Bandeingangs.
Gleichzeitig bilden überschüssiges Si und andere Elemente wie Mn und Cr in der Aluminiumlegierung leicht Ersatzmischkristalle mit Fe, was die Bildung einer „klebrigen Aluminiumschicht“ am Eingang des Formarbeitsbereichs fördert. Das durch die „klebrige Aluminiumschicht“ fließende Metall entsteht durch innere Reibung (Gleitscherkräfte im Metall). Das Metall verformt und verhärtet sich durch die innere Reibung, wodurch das darunterliegende Metall und die Form zusammenkleben. Gleichzeitig verformt sich das Formarbeitsband durch den Druck trompetenförmig, und das durch den Kontakt der Schneidkante mit dem Profil gebildete klebrige Aluminium ähnelt der Schneide eines Drehmeißels.
Die Bildung von klebrigem Aluminium ist ein dynamischer Prozess aus Wachstum und Ablösung. Durch das Profil werden ständig Partikel freigesetzt, die an der Profiloberfläche haften und Zugfehler verursachen. Fließt das Aluminium direkt aus dem Band und wird sofort an der Profiloberfläche adsorbiert, werden die kleinen, thermisch anhaftenden Partikel als „Adsorptionspartikel“ bezeichnet. Werden einige Partikel durch die extrudierte Aluminiumlegierung zerbrochen, bleiben andere beim Durchlaufen des Bandes an der Oberfläche haften und verursachen Kratzer auf der Profiloberfläche. Das hintere Ende bildet die gestapelte Aluminiummatrix. Wenn viel Aluminium in der Mitte des Bandes klebt (die Bindung ist stark), verschlimmert dies die Oberflächenkratzer.
(6) Die Extrusionsgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf das Ziehen. Der Einfluss der Extrusionsgeschwindigkeit. Bei der verfolgten 6005-Legierung steigt die Extrusionsgeschwindigkeit innerhalb des Prüfbereichs, die Austrittstemperatur steigt und die Anzahl der Oberflächenziehpartikel nimmt mit zunehmender mechanischer Belastung zu. Die Extrusionsgeschwindigkeit sollte möglichst konstant gehalten werden, um plötzliche Geschwindigkeitsänderungen zu vermeiden. Eine zu hohe Extrusionsgeschwindigkeit und eine zu hohe Austrittstemperatur führen zu erhöhter Reibung und starkem Partikelziehen. Der spezifische Mechanismus des Einflusses der Extrusionsgeschwindigkeit auf das Ziehphänomen muss anschließend weiterverfolgt und überprüft werden.
(7) Die Oberflächenqualität des Gussstabs ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der die Partikelziehneigung beeinflusst. Die Oberfläche des Gussstabs ist rau und weist Sägegrate, Ölflecken, Staub, Korrosion usw. auf, was die Tendenz zum Partikelziehen erhöht.
4 Fazit
(1) Die Zusammensetzung der Ziehdefekte stimmt mit der der Matrix überein; die Zusammensetzung der Partikelposition unterscheidet sich offensichtlich von der der Matrix und enthält hauptsächlich die Elemente O, C, Fe und Si.
(2) Zugpartikeldefekte werden hauptsächlich durch am Formband haftendes Aluminium verursacht. Alle Faktoren, die das Anhaften von Aluminium am Formband begünstigen, führen zu Zugfehlern. Unter der Voraussetzung der Qualitätssicherung des Gussstabes hat die Entstehung von Zugpartikeln keinen direkten Einfluss auf die Legierungszusammensetzung.
(3) Eine ordnungsgemäße und gleichmäßige Brandbehandlung trägt zur Verringerung des Oberflächenziehens bei.
Veröffentlichungszeit: 10. September 2024
