بهبود کیفیت پروفیل های آلیاژی آلومینیومی پیشرفته: علل و راه حل های عیوب حفره ای در پروفیل ها

در طول فرآیند اکستروژن مواد اکسترود شده با آلیاژ آلومینیوم، به ویژه پروفیل های آلومینیوم، اغلب یک نقص "حفره ای" روی سطح رخ می دهد. تظاهرات خاص شامل تومورهای بسیار کوچک با تراکم های مختلف، دم و احساس آشکار دست، با احساس سیخ سیخ است. پس از اکسیداسیون یا درمان سطحی الکتروفورتیک، اغلب به صورت دانه های سیاه رنگ چسبیده به سطح محصول ظاهر می شوند.

در تولید اکستروژن پروفیل های با مقاطع بزرگ، این عیب به دلیل تأثیر ساختار شمش، دمای اکستروژن، سرعت اکستروژن، پیچیدگی قالب و غیره بیشتر رخ می دهد. فرآیند پیش تصفیه سطح پروفیل، به ویژه فرآیند حکاکی قلیایی، در حالی که تعداد کمی از ذرات با اندازه بزرگ و محکم چسبیده روی سطح پروفیل باقی می مانند که بر کیفیت ظاهری محصول نهایی تأثیر می گذارد.

در محصولات معمولی پروفیل درب و پنجره ساختمان، مشتریان عموماً عیوب حفره‌ای جزئی را می‌پذیرند، اما برای پروفیل‌های صنعتی که نیاز به تأکید یکسان بر خواص مکانیکی و عملکرد تزئینی یا تأکید بیشتر بر عملکرد تزئینی دارند، مشتریان عموماً این عیب را نمی‌پذیرند، به‌ویژه عیوب حفره‌ای که ناسازگار با رنگ های مختلف پس زمینه

به منظور تجزیه و تحلیل مکانیسم تشکیل ذرات خشن، مورفولوژی و ترکیب مکان‌های نقص تحت ترکیب‌های آلیاژی مختلف و فرآیندهای اکستروژن مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و تفاوت‌های بین عیوب و ماتریس مقایسه شد. یک راه حل معقول برای حل موثر ذرات ناهموار ارائه شد و یک آزمایش آزمایشی انجام شد.

برای حل عیوب حفره ای پروفیل ها، لازم است مکانیسم تشکیل عیوب حفره ای را درک کنیم. در طول فرآیند اکستروژن، چسبیدن آلومینیوم به تسمه کار عامل اصلی ایجاد عیوب حفره ای روی سطح مواد آلومینیومی اکسترود شده است. زیرا فرآیند اکستروژن آلومینیوم در دمای بالای 450 درجه سانتیگراد انجام می شود. اگر اثرات گرمای تغییر شکل و گرمای اصطکاک اضافه شود، دمای فلز زمانی که از سوراخ قالب خارج می‌شود، بیشتر می‌شود. هنگامی که محصول از سوراخ قالب خارج می شود، به دلیل دمای بالا، پدیده چسبیدن آلومینیوم بین فلز و تسمه کار قالب وجود دارد.

شکل این پیوند اغلب به این صورت است: یک فرآیند مکرر پیوند - پارگی - چسباندن - دوباره پاره شدن، و محصول به سمت جلو جریان می یابد و در نتیجه حفره های کوچک زیادی روی سطح محصول ایجاد می شود.

این پدیده پیوند با عواملی مانند کیفیت شمش، وضعیت سطح تسمه کار قالب، دمای اکستروژن، سرعت اکستروژن، درجه تغییر شکل و مقاومت فلز در برابر تغییر شکل مرتبط است.

1 مواد و روش های آزمایش

از طریق تحقیقات اولیه، ما دریافتیم که عواملی مانند خلوص متالورژیکی، وضعیت قالب، فرآیند اکستروژن، مواد تشکیل دهنده و شرایط تولید ممکن است بر ذرات زبر سطحی تأثیر بگذارند. در آزمایش، از دو میله آلیاژی 6005A و 6060 برای اکسترود کردن همان بخش استفاده شد. مورفولوژی و ترکیب موقعیت ذرات زبر شده از طریق روش‌های طیف‌سنج خواندن مستقیم و تشخیص SEM مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و با ماتریس طبیعی اطراف مقایسه شد.

برای تشخیص واضح مورفولوژی دو عیب حفره ای و ذرات، آنها به شرح زیر تعریف می شوند:

(1) عیوب حفره دار یا عیوب کششی نوعی عیب نقطه ای است که یک نقص خراش نامنظم قورباغه مانند یا نقطه مانند است که در سطح پروفیل ظاهر می شود. نقص از نوار خراش شروع می شود و با افتادن نقص به پایان می رسد و در انتهای خط خراش به دانه های فلزی انباشته می شود. اندازه عیب حفره‌ای معمولاً 1-5 میلی‌متر است و پس از عملیات اکسیداسیون به رنگ سیاه تیره در می‌آید که در نهایت ظاهر پروفیل را تحت تأثیر قرار می‌دهد، همانطور که در دایره قرمز در شکل 1 نشان داده شده است.

(2) ذرات سطحی دانه های فلزی یا ذرات جذب نیز نامیده می شوند. سطح پروفیل آلیاژ آلومینیوم با ذرات فلزی سخت کروی خاکستری-مشکی وصل شده و ساختاری شل دارد. دو نوع پروفیل آلیاژ آلومینیوم وجود دارد: آنهایی که می توانند پاک شوند و آنهایی که نمی توان آنها را پاک کرد. اندازه به طور کلی کمتر از 0.5 میلی متر است و در لمس خشن به نظر می رسد. در قسمت جلو هیچ خط و خش وجود ندارد. همانطور که در دایره زرد در شکل 1 نشان داده شده است، پس از اکسیداسیون، تفاوت زیادی با ماتریس ندارد.

2 نتایج آزمون و تجزیه و تحلیل

2.1 نقص در کشش سطح

شکل 2 مورفولوژی ریزساختاری نقص کششی روی سطح آلیاژ 6005A را نشان می دهد. در قسمت جلویی کشش خراش های پله مانند وجود دارد و با ندول های روی هم به پایان می رسد. پس از ظاهر شدن گره ها، سطح به حالت عادی باز می گردد. محل نقص زبری در لمس صاف نیست، احساس خار تیز دارد و روی سطح پروفیل چسبیده یا جمع می شود. از طریق آزمایش اکستروژن، مشاهده شد که مورفولوژی کششی پروفیل های اکسترود شده 6005A و 6060 مشابه است و انتهای دم محصول بیشتر از انتهای سر است. تفاوت این است که اندازه کشش کلی 6005A کوچکتر است و عمق خراش ضعیف شده است. این ممکن است به تغییرات در ترکیب آلیاژ، حالت میله ریخته گری و شرایط قالب مربوط باشد. در زیر 100X، علائم خراش آشکاری در انتهای جلوی ناحیه کشش وجود دارد که در امتداد جهت اکستروژن کشیده شده است و شکل ذرات ندول نهایی نامنظم است. در 500X، انتهای جلویی سطح کشش دارای خراش های پله مانند در امتداد جهت اکستروژن است (اندازه این نقص حدود 120 میکرومتر است)، و علائم انباشتگی آشکاری روی ذرات ندولار در انتهای دم وجود دارد.

به منظور تجزیه و تحلیل علل کشش، طیف سنج قرائت مستقیم و EDX برای انجام تجزیه و تحلیل اجزاء بر روی مکان های نقص و ماتریس سه جزء آلیاژی استفاده شد. جدول 1 نتایج آزمایش پروفایل 6005A را نشان می دهد. نتایج EDX نشان می دهد که ترکیب موقعیت انباشته شدن ذرات کششی اساساً شبیه به ماتریس است. علاوه بر این، برخی از ذرات ناخالصی ریز در داخل و اطراف عیب کششی انباشته می شوند و ذرات ناخالصی حاوی C، O (یا Cl)، یا Fe، Si و S هستند.

تجزیه و تحلیل عیوب زبری پروفیل های اکسترود شده ریز 6005A نشان می دهد که ذرات کششی در اندازه بزرگ هستند (1-5 میلی متر)، سطح عمدتاً روی هم چیده شده است و خراش هایی مانند پله در قسمت جلویی وجود دارد. این ترکیب به ماتریس Al نزدیک است و فازهای ناهمگن حاوی Fe، Si، C و O وجود خواهد داشت که در اطراف آن توزیع شده اند. این نشان می دهد که مکانیسم تشکیل کشش سه آلیاژ یکسان است.

در طول فرآیند اکستروژن، اصطکاک جریان فلز باعث می شود دمای تسمه کار قالب افزایش یابد و یک "لایه آلومینیومی چسبنده" در لبه برش ورودی تسمه کار تشکیل شود. در عین حال، Si اضافی و سایر عناصر مانند منگنز و کروم در آلیاژ آلومینیوم به راحتی می‌توانند محلول‌های جامد جایگزین با آهن را تشکیل دهند، که باعث تشکیل یک "لایه آلومینیوم چسبنده" در ورودی منطقه کاری قالب می‌شود.

همانطور که فلز به سمت جلو جریان می یابد و روی تسمه کار ساییده می شود، یک پدیده رفت و برگشتی پیوند پیوسته - پارگی - پیوند در یک موقعیت خاص رخ می دهد که باعث می شود فلز به طور مداوم در این موقعیت قرار بگیرد. هنگامی که ذرات به اندازه مشخصی افزایش می یابند، توسط محصول در حال جریان کشیده می شوند و آثار خراش روی سطح فلز ایجاد می شود. روی سطح فلز باقی می ماند و ذرات کششی در انتهای خراش ایجاد می کند. بنابراین می توان در نظر گرفت که تشکیل ذرات زبر عمدتاً به چسبیدن آلومینیوم به تسمه کار قالب مربوط می شود. فازهای ناهمگن توزیع شده در اطراف آن ممکن است از روغن روان کننده، اکسیدها یا ذرات گرد و غبار و همچنین ناخالصی های وارد شده توسط سطح ناهموار شمش نشات گرفته باشد.

با این حال، تعداد کشش ها در نتایج آزمایش 6005A کمتر و درجه آن سبک تر است. از یک طرف، به دلیل پخ شدن در خروجی تسمه کار قالب و پرداخت دقیق تسمه کار برای کاهش ضخامت لایه آلومینیوم است. از طرف دیگر به محتوای Si بیش از حد مربوط می شود.

با توجه به نتایج ترکیب طیفی قرائت مستقیم، می توان مشاهده کرد که علاوه بر Si همراه با Mg Mg2Si، Si باقی مانده به شکل یک ماده ساده ظاهر می شود.

2.2 ذرات کوچک روی سطح

در بازرسی بصری با بزرگنمایی کم، ذرات کوچک هستند (≤0.5mm)، در لمس صاف نیستند، احساس تیز دارند و به سطح نمایه می‌چسبند. در زیر 100X مشاهده شد، ذرات کوچک روی سطح به طور تصادفی توزیع می شوند و ذرات کوچکی به سطح متصل می شوند، صرف نظر از اینکه خراش وجود دارد یا خیر.

در 500X، مهم نیست که آیا خراش های گام مانند آشکاری روی سطح در امتداد جهت اکستروژن وجود دارد یا خیر، هنوز هم بسیاری از ذرات متصل هستند و اندازه ذرات متفاوت است. بزرگترین اندازه ذرات حدود 15 میکرومتر و ذرات کوچک حدود 5 میکرومتر است.

از طریق تجزیه و تحلیل ترکیب ذرات سطح آلیاژ 6060 و ماتریس دست نخورده، ذرات عمدتاً از عناصر O، C، Si و Fe تشکیل شده‌اند و محتوای آلومینیوم بسیار کم است. تقریباً همه ذرات حاوی عناصر O و C هستند. ترکیب هر ذره کمی متفاوت است. در میان آنها، ذرات a نزدیک به 10 میکرومتر هستند که به طور قابل توجهی بالاتر از ماتریس Si، Mg و O است. در ذرات c، Si، O، و Cl آشکارا بالاتر هستند. ذرات d و f حاوی Si، O و Na زیاد هستند. ذرات e حاوی Si، Fe و O هستند. ذرات h ترکیبات حاوی آهن هستند. نتایج ذرات 6060 مشابه این است، اما به دلیل اینکه محتوای Si و Fe در خود 6060 کم است، محتوای Si و Fe مربوطه در ذرات سطح نیز کم است. محتوای C در ذرات 6060 نسبتا کم است.

ذرات سطحی ممکن است ذرات کوچک منفرد نباشند، اما ممکن است به شکل تجمع بسیاری از ذرات کوچک با اشکال مختلف وجود داشته باشند و درصد جرمی عناصر مختلف در ذرات مختلف متفاوت است. اعتقاد بر این است که ذرات عمدتاً از دو نوع تشکیل شده اند. یکی رسوباتی مانند AlFeSi و Si عنصری است که از فازهای ناخالصی با نقطه ذوب بالا مانند FeAl3 یا AlFeSi(Mn) در شمش منشاء می‌گیرند، یا در طی فرآیند اکستروژن از فازهای رسوب می‌کنند. دیگری ماده خارجی چسبنده است.

2.3 اثر زبری سطح شمش

در طول آزمایش، مشخص شد که سطح پشتی تراش میله ای ریخته گری 6005A ناهموار و آغشته به گرد و غبار بود. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، دو میله ریخته‌گری با عمیق‌ترین نشانه‌های ابزار چرخشی در مکان‌های محلی وجود داشت که با افزایش قابل‌توجهی در تعداد کشش‌ها پس از اکستروژن مطابقت داشت، و اندازه یک کشش بزرگ‌تر بود.

میله ریخته گری 6005A فاقد تراش است، بنابراین زبری سطح کم است و تعداد کشش ها کاهش می یابد. علاوه بر این، از آنجایی که هیچ مایع برش اضافی به علائم تراش میله ریختگی متصل نیست، محتوای C در ذرات مربوطه کاهش می یابد. ثابت شده است که علائم چرخش روی سطح میله ریخته‌گری، کشش و تشکیل ذرات را تا حد معینی تشدید می‌کند.

3 بحث

(1) اجزای عیوب کششی اساساً مانند اجزای ماتریس هستند. این ذرات خارجی، پوست قدیمی روی سطح شمش و سایر ناخالصی‌های انباشته شده در دیواره بشکه اکستروژن یا ناحیه مرده قالب در طول فرآیند اکستروژن هستند که به سطح فلز یا لایه آلومینیومی قالب در حال کار می‌روند. کمربند هنگامی که محصول به سمت جلو حرکت می کند، خراش های سطحی ایجاد می شود و هنگامی که محصول به اندازه مشخصی جمع می شود، توسط محصول خارج می شود تا به شکل کشش ایجاد شود. پس از اکسیداسیون، کشش خورده شد و به دلیل اندازه بزرگ آن، عیوب گودال مانندی در آن وجود داشت.

(2) ذرات سطحی گاهی اوقات به صورت ذرات کوچک منفرد ظاهر می شوند و گاهی اوقات به صورت انباشته وجود دارند. ترکیب آنها آشکارا با ماتریس متفاوت است و عمدتاً حاوی عناصر O، C، Fe و Si است. برخی از ذرات توسط عناصر O و C و برخی از ذرات تحت سلطه O، C، Fe و Si هستند. بنابراین، استنباط می‌شود که ذرات سطحی از دو منبع می‌آیند: یکی رسوباتی مانند AlFeSi و Si عنصری، و ناخالصی‌هایی مانند O و C به سطح چسبیده‌اند. دیگری ماده خارجی چسبنده است. ذرات پس از اکسیداسیون خورده می شوند. به دلیل اندازه کوچکشان تاثیری روی سطح ندارند یا تاثیر کمی دارند.

(3) ذرات غنی از عناصر C و O عمدتاً از روغن روان کننده، گرد و غبار، خاک، هوا و غیره چسبیده به سطح شمش می آیند. اجزای اصلی روغن روانکار C، O، H، S و غیره است و جزء اصلی گرد و غبار و خاک SiO2 است. محتوای O در ذرات سطحی به طور کلی بالا است. زیرا ذرات بلافاصله پس از خروج از تسمه کار در حالت دمای بالا قرار می گیرند و به دلیل سطح ویژه بزرگ ذرات به راحتی اتم های O را در هوا جذب می کنند و پس از تماس با هوا باعث اکسیداسیون می شوند و در نتیجه O بیشتر می شود. محتوا نسبت به ماتریس

(4) آهن، سی و غیره عمدتاً از اکسیدها، مقیاس قدیمی و فازهای ناخالصی در شمش (نقطه ذوب بالا یا فاز دوم که با همگن سازی کاملاً از بین نمی رود) می آیند. عنصر Fe از آهن در شمش‌های آلومینیوم سرچشمه می‌گیرد و فازهای ناخالصی با نقطه ذوب بالا مانند FeAl3 یا AlFeSi (Mn) را تشکیل می‌دهد که در طول فرآیند همگن‌سازی نمی‌توانند در محلول جامد حل شوند یا به طور کامل تبدیل نمی‌شوند. Si در ماتریس آلومینیوم به شکل Mg2Si یا محلول جامد فوق اشباع سی در طی فرآیند ریخته گری وجود دارد. در طول فرآیند اکستروژن داغ میله ریختگی، Si اضافی ممکن است رسوب کند. حلالیت Si در آلومینیوم 0.48٪ در 450 درجه سانتیگراد و 0.8٪ (وزنی٪) در 500 درجه سانتیگراد است. محتوای Si اضافی در 6005 حدود 0.41٪ است و Si رسوب یافته ممکن است تجمع و بارش ناشی از نوسانات غلظت باشد.

(5) چسبیدن آلومینیوم به تسمه کار قالب دلیل اصلی کشیدن است. قالب اکستروژن محیطی با دمای بالا و فشار بالا است. اصطکاک جریان فلزی دمای تسمه کار قالب را افزایش می دهد و یک "لایه آلومینیومی چسبنده" در لبه برش ورودی تسمه کار تشکیل می دهد.

در عین حال، Si اضافی و سایر عناصر مانند منگنز و کروم در آلیاژ آلومینیوم به راحتی می‌توانند محلول‌های جامد جایگزین با آهن را تشکیل دهند، که باعث تشکیل یک "لایه آلومینیوم چسبنده" در ورودی منطقه کاری قالب می‌شود. فلزی که از طریق "لایه آلومینیوم چسبنده" جریان می یابد متعلق به اصطکاک داخلی (برش لغزشی داخل فلز) است. فلز به دلیل اصطکاک داخلی تغییر شکل داده و سخت می شود که باعث می شود فلز زیرین و قالب به هم بچسبند. در عین حال، تسمه کار قالب در اثر فشار به شکل ترومپت تغییر شکل می‌دهد و آلومینیوم چسبنده ایجاد شده توسط قسمت لبه برش تسمه کار که با پروفیل تماس پیدا می‌کند شبیه لبه برش ابزار تراش است.

تشکیل آلومینیوم چسبنده یک فرآیند پویا رشد و ریزش است. ذرات به طور مداوم توسط پروفیل خارج می شوند. به سطح پروفیل بچسبید و نقص های کششی ایجاد می کند. اگر مستقیماً از تسمه کار خارج شود و فوراً روی سطح پروفیل جذب شود، ذرات کوچکی که از نظر حرارتی به سطح چسبیده اند، «ذرات جذب» نامیده می شوند. اگر برخی از ذرات توسط آلیاژ آلومینیوم اکسترود شده شکسته شوند، برخی از ذرات هنگام عبور از تسمه کار به سطح تسمه کار می چسبند و باعث ایجاد خراش روی سطح پروفیل می شوند. انتهای دم ماتریس آلومینیومی انباشته است. وقتی مقدار زیادی آلومینیوم در وسط تسمه کار گیر کرده باشد (پیوند محکم است) باعث تشدید خراش های سطحی می شود.

(6) سرعت اکستروژن تأثیر زیادی در کشش دارد. تاثیر سرعت اکستروژن تا آنجا که به آلیاژ ردیابی شده 6005 مربوط می شود، سرعت اکستروژن در محدوده آزمایش افزایش می یابد، دمای خروجی افزایش می یابد و تعداد ذرات کشنده سطح افزایش می یابد و با افزایش خطوط مکانیکی سنگین تر می شود. سرعت اکستروژن باید تا حد امکان ثابت نگه داشته شود تا از تغییرات ناگهانی سرعت جلوگیری شود. سرعت اکستروژن بیش از حد و دمای خروجی بالا منجر به افزایش اصطکاک و کشش جدی ذرات می شود. مکانیسم خاص تأثیر سرعت اکستروژن بر پدیده کشش نیاز به پیگیری و تأیید بعدی دارد.

(7) کیفیت سطح میله ریخته گری نیز عامل مهمی است که بر ذرات کششی تأثیر می گذارد. سطح میله ریخته گری ناهموار، دارای سوراخ های اره، لکه های روغن، گرد و غبار، خوردگی و غیره است که همه اینها تمایل به کشیدن ذرات را افزایش می دهد.

4 نتیجه گیری

(1) ترکیب عیوب کششی با ترکیب ماتریس مطابقت دارد. ترکیب موقعیت ذرات به وضوح با ماتریس متفاوت است، که عمدتاً حاوی عناصر O، C، Fe و Si است.

(2) نقص ذرات کششی عمدتاً به دلیل چسبیدن آلومینیوم به تسمه کار قالب ایجاد می شود. هر عاملی که باعث چسبیدن آلومینیوم به تسمه کار قالب شود باعث ایجاد نقص در کشش می شود. با فرض اطمینان از کیفیت میله ریخته گری، تولید ذرات کششی تأثیر مستقیمی بر ترکیب آلیاژ ندارد.

(3) درمان یکنواخت مناسب آتش برای کاهش کشش سطح مفید است.