در طول فرآیند اکستروژن مواد اکسترود شده از آلیاژ آلومینیوم، به ویژه پروفیل‌های آلومینیومی، اغلب یک نقص "حفره‌زایی" روی سطح رخ می‌دهد. تظاهرات خاص آن شامل تومورهای بسیار کوچک با چگالی‌های متفاوت، دنباله‌دار شدن و لمس آشکار با دست، با حس تیزی است. پس از اکسیداسیون یا عملیات سطحی الکتروفورتیک، آنها اغلب به صورت دانه‌های سیاه چسبیده به سطح محصول ظاهر می‌شوند.
در تولید اکستروژن پروفیل‌های با مقطع بزرگ، این نقص به دلیل تأثیر ساختار شمش، دمای اکستروژن، سرعت اکستروژن، پیچیدگی قالب و غیره، بیشتر احتمال دارد رخ دهد. اکثر ذرات ریز نقص‌های حفره‌ای را می‌توان در طول فرآیند آماده‌سازی سطح پروفیل، به ویژه فرآیند اچینگ قلیایی، حذف کرد، در حالی که تعداد کمی از ذرات بزرگ و محکم چسبیده روی سطح پروفیل باقی می‌مانند و بر کیفیت ظاهری محصول نهایی تأثیر می‌گذارند.
در محصولات پروفیل در و پنجره ساختمانی معمولی، مشتریان عموماً عیوب جزئی ناشی از حفره را می‌پذیرند، اما برای پروفیل‌های صنعتی که نیاز به تأکید برابر بر خواص مکانیکی و عملکرد تزئینی یا تأکید بیشتر بر عملکرد تزئینی دارند، مشتریان عموماً این عیب را نمی‌پذیرند، به خصوص عیوب حفره‌ای که با رنگ زمینه متفاوت ناهماهنگ هستند.
به منظور تجزیه و تحلیل مکانیسم تشکیل ذرات زبر، مورفولوژی و ترکیب محل‌های نقص تحت ترکیبات مختلف آلیاژ و فرآیندهای اکستروژن مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و تفاوت‌های بین نقص‌ها و ماتریس مقایسه شد. یک راه حل منطقی برای حل موثر ذرات زبر ارائه شد و یک آزمایش آزمایشی انجام شد.
برای حل عیوب حفره‌ای پروفیل‌ها، لازم است مکانیسم تشکیل عیوب حفره‌ای درک شود. در طول فرآیند اکستروژن، چسبیدن آلومینیوم به تسمه قالب، علت اصلی عیوب حفره‌ای روی سطح مواد آلومینیومی اکسترود شده است. این به این دلیل است که فرآیند اکستروژن آلومینیوم در دمای بالای حدود ۴۵۰ درجه سانتیگراد انجام می‌شود. اگر اثرات گرمای تغییر شکل و گرمای اصطکاک اضافه شود، دمای فلز هنگام خروج از سوراخ قالب بالاتر خواهد بود. هنگامی که محصول از سوراخ قالب خارج می‌شود، به دلیل دمای بالا، پدیده چسبندگی آلومینیوم بین فلز و تسمه قالب رخ می‌دهد.
شکل این پیوند اغلب به این صورت است: یک فرآیند تکراری پیوند - پاره شدن - پیوند - دوباره پاره شدن، و محصول به جلو جریان می‌یابد و در نتیجه حفره‌های کوچک زیادی روی سطح محصول ایجاد می‌شود.
این پدیده پیوند به عواملی مانند کیفیت شمش، وضعیت سطح تسمه کاری قالب، دمای اکستروژن، سرعت اکستروژن، درجه تغییر شکل و مقاومت فلز در برابر تغییر شکل مربوط می‌شود.
۱ مواد و روش‌های آزمایش
از طریق تحقیقات اولیه، متوجه شدیم که عواملی مانند خلوص متالورژیکی، وضعیت قالب، فرآیند اکستروژن، مواد تشکیل دهنده و شرایط تولید ممکن است بر ذرات زبر شده سطحی تأثیر بگذارند. در این آزمایش، از دو میله آلیاژی، 6005A و 6060، برای اکسترود کردن یک مقطع یکسان استفاده شد. مورفولوژی و ترکیب موقعیت ذرات زبر شده از طریق طیف‌سنج خوانش مستقیم و روش‌های تشخیص SEM تجزیه و تحلیل و با ماتریس طبیعی اطراف مقایسه شد.
به منظور تمایز واضح مورفولوژی دو عیب حفره‌دار و ذرات، آنها به صورت زیر تعریف می‌شوند:
(1) عیوب حفره‌ای یا عیوب کششی نوعی عیوب نقطه‌ای هستند که به صورت یک عیوب خراشی نامنظم به شکل بچه قورباغه یا نقطه‌ای روی سطح پروفیل ظاهر می‌شوند. این عیوب از نوار خراش شروع می‌شوند و با ریزش عیوب و تجمع آنها به صورت دانه‌های فلزی در انتهای خط خراش به پایان می‌رسند. اندازه عیوب حفره‌ای عموماً 1 تا 5 میلی‌متر است و پس از عملیات اکسیداسیون به رنگ سیاه تیره درمی‌آیند که در نهایت بر ظاهر پروفیل تأثیر می‌گذارد، همانطور که در دایره قرمز در شکل 1 نشان داده شده است.
(2) ذرات سطحی، دانه‌های فلزی یا ذرات جذب نیز نامیده می‌شوند. سطح پروفیل آلیاژ آلومینیوم با ذرات فلزی سخت کروی خاکستری-سیاه متصل شده و ساختاری سست دارد. دو نوع پروفیل آلیاژ آلومینیوم وجود دارد: آنهایی که قابل پاک شدن هستند و آنهایی که قابل پاک شدن نیستند. اندازه آنها عموماً کمتر از 0.5 میلی‌متر است و هنگام لمس، زبر به نظر می‌رسد. در قسمت جلویی هیچ خراشی وجود ندارد. پس از اکسیداسیون، تفاوت چندانی با ماتریس ندارد، همانطور که در دایره زرد در شکل 1 نشان داده شده است.
۲ نتایج آزمایش و تحلیل
۲.۱ عیوب کششی سطحی
شکل ۲ مورفولوژی ریزساختاری نقص کشش روی سطح آلیاژ ۶۰۰۵A را نشان می‌دهد. در قسمت جلویی کشش، خراش‌های پله‌ای شکل وجود دارد و با گره‌های انباشته شده به پایان می‌رسند. پس از ظاهر شدن گره‌ها، سطح به حالت عادی برمی‌گردد. محل نقص زبری در لمس صاف نیست، دارای حس خاردار تیز است و روی سطح پروفیل می‌چسبد یا تجمع می‌یابد. از طریق آزمایش اکستروژن، مشاهده شد که مورفولوژی کشش پروفیل‌های اکسترود شده ۶۰۰۵A و ۶۰۶۰ مشابه است و انتهای دم محصول بزرگتر از انتهای سر است. تفاوت این است که اندازه کلی کشش ۶۰۰۵A کوچکتر و عمق خراش ضعیف‌تر است. این ممکن است مربوط به تغییرات در ترکیب آلیاژ، وضعیت میله ریخته‌گری و شرایط قالب باشد. در زیر ۱۰۰X مشاهده شده، علائم خراش واضحی در انتهای جلویی ناحیه کشش وجود دارد که در امتداد جهت اکستروژن کشیده شده است و شکل ذرات گره نهایی نامنظم است. در 500X، انتهای جلویی سطح کشش دارای خراش‌های پله‌ای در امتداد جهت اکستروژن است (اندازه این نقص حدود 120 میکرومتر است) و علائم انباشتگی آشکاری روی ذرات گره‌ای در انتهای دم وجود دارد.
به منظور تجزیه و تحلیل علل کشش، از طیف‌سنج خوانش مستقیم و EDX برای انجام تجزیه و تحلیل اجزا در محل‌های نقص و ماتریس سه جزء آلیاژ استفاده شد. جدول 1 نتایج آزمایش پروفیل 6005A را نشان می‌دهد. نتایج EDX نشان می‌دهد که ترکیب موقعیت انباشت ذرات کشش اساساً مشابه ماتریس است. علاوه بر این، برخی از ذرات ناخالصی ریز در داخل و اطراف نقص کشش انباشته شده‌اند و ذرات ناخالصی حاوی C، O (یا Cl) یا Fe، Si و S هستند.
تحلیل عیوب زبری پروفیل‌های اکسترود شده اکسید شده ریز 6005A نشان می‌دهد که ذرات کششی اندازه بزرگی دارند (1-5 میلی‌متر)، سطح عمدتاً انباشته شده است و خراش‌های پله‌ای مانندی در قسمت جلویی وجود دارد. ترکیب شیمیایی نزدیک به ماتریس Al است و فازهای ناهمگن حاوی Fe، Si، C و O در اطراف آن توزیع شده‌اند. این نشان می‌دهد که مکانیسم تشکیل کشش در هر سه آلیاژ یکسان است.
در طول فرآیند اکستروژن، اصطکاک جریان فلز باعث افزایش دمای تسمه کاری قالب می‌شود و یک «لایه آلومینیومی چسبنده» در لبه برش ورودی تسمه کاری تشکیل می‌دهد. در عین حال، سیلیسیم اضافی و سایر عناصر مانند منگنز و کروم در آلیاژ آلومینیوم به راحتی می‌توانند محلول‌های جامد جایگزین آهن تشکیل دهند که این امر تشکیل «لایه آلومینیومی چسبنده» را در ورودی منطقه کاری قالب افزایش می‌دهد.
همانطور که فلز به جلو جریان می‌یابد و به تسمه قالب ساییده می‌شود، یک پدیده رفت و برگشتی از اتصال-پاره شدن-اتصال مداوم در یک موقعیت خاص رخ می‌دهد و باعث می‌شود فلز به طور مداوم در این موقعیت قرار گیرد. هنگامی که ذرات به اندازه خاصی افزایش می‌یابند، توسط محصول جریان یافته کشیده می‌شوند و علائم خراش را روی سطح فلز تشکیل می‌دهند. این ذرات روی سطح فلز باقی می‌مانند و در انتهای خراش ذرات کششی تشکیل می‌دهند. بنابراین، می‌توان در نظر گرفت که تشکیل ذرات زبر عمدتاً مربوط به چسبیدن آلومینیوم به تسمه قالب است. فازهای ناهمگن توزیع شده در اطراف آن ممکن است از روغن روان کننده، اکسیدها یا ذرات گرد و غبار و همچنین ناخالصی‌هایی که توسط سطح ناهموار شمش آورده می‌شوند، ناشی شوند.
با این حال، تعداد کشش‌ها در نتایج آزمایش 6005A کمتر و درجه سبک‌تر است. از یک طرف، این به دلیل پخ زدن در خروجی تسمه کاری قالب و پرداخت دقیق تسمه کاری برای کاهش ضخامت لایه آلومینیوم است؛ از طرف دیگر، به محتوای اضافی Si مربوط می‌شود.
با توجه به نتایج ترکیب طیفی خوانش مستقیم، می‌توان دریافت که علاوه بر Si ترکیب‌شده با Mg Mg2Si، Si باقی‌مانده به شکل یک ماده ساده ظاهر می‌شود.
۲.۲ ذرات کوچک روی سطح
تحت بازرسی بصری با بزرگنمایی کم، ذرات کوچک (≤0.5 میلی‌متر) هستند، در لمس صاف نیستند، حس تیزی دارند و به سطح پروفیل می‌چسبند. در بزرگنمایی 100 برابر، ذرات کوچک روی سطح به صورت تصادفی توزیع شده‌اند و صرف نظر از اینکه خراش وجود داشته باشد یا خیر، ذرات کوچک به سطح چسبیده‌اند.
در 500X، صرف نظر از اینکه خراش‌های پله‌ای آشکاری روی سطح در امتداد جهت اکستروژن وجود داشته باشد یا خیر، بسیاری از ذرات هنوز متصل هستند و اندازه ذرات متفاوت است. بزرگترین اندازه ذرات حدود 15 میکرومتر و ذرات کوچک حدود 5 میکرومتر هستند.
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 بیشتر از Si، Mg و O ماتریس است. در ذرات c، Si، O و Cl به وضوح بیشتر هستند. ذرات d و f حاوی Si، O و Na بالایی هستند. ذرات e حاوی Si، Fe و O هستند. ذرات h ترکیبات حاوی آهن هستند. نتایج ذرات 6060 مشابه این است، اما از آنجا که محتوای Si و Fe در خود 6060 کم است، محتوای Si و Fe مربوطه در ذرات سطحی نیز کم است. محتوای C در ذرات 6060 نسبتاً کم است.
ذرات سطحی ممکن است ذرات کوچک منفرد نباشند، بلکه ممکن است به شکل تجمع ذرات کوچک زیادی با اشکال مختلف نیز وجود داشته باشند و درصد جرمی عناصر مختلف در ذرات مختلف متفاوت است. اعتقاد بر این است که ذرات عمدتاً از دو نوع تشکیل شده‌اند. یکی رسوباتی مانند AlFeSi و Si عنصری است که از فازهای ناخالصی با نقطه ذوب بالا مانند FeAl3 یا AlFeSi(Mn) در شمش یا فازهای رسوبی در طول فرآیند اکستروژن سرچشمه می‌گیرند. دیگری ماده خارجی چسبنده است.
۲.۳ تأثیر زبری سطح شمش
در طول آزمایش، مشخص شد که سطح پشتی دستگاه تراش میله ریخته‌گری 6005A ناهموار و آغشته به گرد و غبار است. دو میله ریخته‌گری با عمیق‌ترین رد ابزار تراش در مکان‌های محلی وجود داشت که با افزایش قابل توجه تعداد کشش‌ها پس از اکستروژن مطابقت داشت و اندازه یک کشش واحد بزرگتر بود، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است.
میله ریخته‌گری 6005A تراش ندارد، بنابراین زبری سطح کم است و تعداد کشش‌ها کاهش می‌یابد. علاوه بر این، از آنجایی که هیچ سیال برشی اضافی به خطوط تراش میله ریخته‌گری متصل نیست، محتوای C در ذرات مربوطه کاهش می‌یابد. ثابت شده است که خطوط تراش روی سطح میله ریخته‌گری، کشش و تشکیل ذرات را تا حدی تشدید می‌کند.
۳ بحث
(1) اجزای عیوب کششی اساساً مشابه اجزای ماتریس هستند. این ذرات خارجی، پوسته‌های قدیمی روی سطح شمش و سایر ناخالصی‌های انباشته شده در دیواره سیلندر اکستروژن یا ناحیه مرده قالب در طول فرآیند اکستروژن هستند که به سطح فلز یا لایه آلومینیومی تسمه قالب منتقل می‌شوند. با جریان رو به جلوی محصول، خراش‌های سطحی ایجاد می‌شوند و هنگامی که محصول به اندازه مشخصی جمع می‌شود، توسط محصول خارج می‌شود تا کشش ایجاد کند. پس از اکسیداسیون، کشش خورده می‌شود و به دلیل اندازه بزرگ آن، عیوب حفره مانندی در آنجا ایجاد می‌شود.
(2) ذرات سطحی گاهی اوقات به صورت ذرات کوچک منفرد ظاهر می‌شوند و گاهی اوقات به صورت تجمعی وجود دارند. ترکیب آنها آشکارا با ترکیب ماتریس متفاوت است و عمدتاً شامل عناصر O، C، Fe و Si است. برخی از ذرات تحت سلطه عناصر O و C هستند و برخی ذرات تحت سلطه O، C، Fe و Si. بنابراین، استنباط می‌شود که ذرات سطحی از دو منبع می‌آیند: یکی رسوباتی مانند AlFeSi و Si عنصری و ناخالصی‌هایی مانند O و C که به سطح چسبیده‌اند؛ دیگری مواد خارجی چسبنده. این ذرات پس از اکسیداسیون خورده می‌شوند. به دلیل اندازه کوچکشان، هیچ تأثیری بر سطح ندارند یا تأثیر کمی دارند.
(3) ذرات غنی از عناصر C و O عمدتاً از روغن روان‌کننده، گرد و غبار، خاک، هوا و غیره که به سطح شمش چسبیده‌اند، ناشی می‌شوند. اجزای اصلی روغن روان‌کننده C، O، H، S و غیره هستند و جزء اصلی گرد و غبار و خاک SiO2 است. میزان O ذرات سطحی عموماً زیاد است. از آنجا که ذرات بلافاصله پس از ترک تسمه در دمای بالا قرار دارند و به دلیل مساحت سطح ویژه زیاد ذرات، به راحتی اتم‌های O موجود در هوا را جذب کرده و پس از تماس با هوا باعث اکسیداسیون می‌شوند و در نتیجه میزان O بیشتری نسبت به ماتریس دارند.
(4) آهن، سیلیس و غیره عمدتاً از اکسیدها، پوسته‌های قدیمی و فازهای ناخالصی در شمش (نقطه ذوب بالا یا فاز دوم که به طور کامل توسط همگن‌سازی حذف نمی‌شود) ناشی می‌شوند. عنصر آهن از آهن موجود 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. سیلیس در ماتریس آلومینیوم به شکل Mg2Si یا یک محلول جامد فوق اشباع سیلیس در طول فرآیند ریخته‌گری وجود دارد. در طول فرآیند اکستروژن گرم میله ریخته‌گری، سیلیس اضافی ممکن است رسوب کند. حلالیت سیلیس در آلومینیوم در دمای 450 درجه سانتیگراد 0.48٪ و در دمای 500 درجه سانتیگراد 0.8٪ (وزنی) است. مقدار سیلیس اضافی در 6005 حدود 0.41٪ است و سیلیس رسوب شده ممکن است به دلیل نوسانات غلظت، تجمع و رسوب کند.
(5) چسبیدن آلومینیوم به تسمه کاری قالب، علت اصلی کشیده شدن است. قالب اکستروژن محیطی با دما و فشار بالا است. اصطکاک جریان فلز، دمای تسمه کاری قالب را افزایش می‌دهد و یک "لایه آلومینیومی چسبنده" در لبه برش ورودی تسمه کاری تشکیل می‌دهد.
در عین حال، سیلیسیم اضافی و سایر عناصر مانند منگنز و کروم در آلیاژ آلومینیوم به راحتی می‌توانند محلول‌های جامد جایگزین با آهن تشکیل دهند که باعث تشکیل "لایه آلومینیومی چسبنده" در ورودی ناحیه کاری قالب می‌شود. فلزی که از طریق "لایه آلومینیومی چسبنده" جریان می‌یابد، به دلیل اصطکاک داخلی (برش لغزشی درون فلز) تغییر شکل می‌دهد و به دلیل اصطکاک داخلی سخت می‌شود که باعث می‌شود فلز زیرین و قالب به هم بچسبند. در عین حال، تسمه کاری قالب به دلیل فشار به شکل شیپور تغییر شکل می‌دهد و آلومینیوم چسبنده‌ای که توسط لبه برش تسمه کاری در تماس با پروفیل تشکیل می‌شود، شبیه لبه برش یک ابزار تراشکاری است.
تشکیل آلومینیوم چسبنده یک فرآیند پویا از رشد و ریزش است. ذرات دائماً توسط پروفیل بیرون آورده می‌شوند. به سطح پروفیل می‌چسبند و عیوب کششی ایجاد می‌کنند. اگر مستقیماً از تسمه کار خارج شود و فوراً روی سطح پروفیل جذب شود، ذرات کوچکی که از نظر حرارتی به سطح چسبیده‌اند، "ذرات جذبی" نامیده می‌شوند. اگر برخی از ذرات توسط آلیاژ آلومینیوم اکسترود شده شکسته شوند، برخی از ذرات هنگام عبور از تسمه کار به سطح تسمه کار می‌چسبند و باعث ایجاد خراش روی سطح پروفیل می‌شوند. انتهای دم، ماتریس آلومینیومی انباشته شده است. وقتی مقدار زیادی آلومینیوم در وسط تسمه کار گیر کرده باشد (پیوند قوی باشد)، خراش‌های سطحی را تشدید می‌کند.
(6) سرعت اکستروژن تأثیر زیادی بر کشش دارد. تأثیر سرعت اکستروژن. در مورد آلیاژ 6005 ردیابی شده، سرعت اکستروژن در محدوده آزمایش افزایش می‌یابد، دمای خروجی افزایش می‌یابد و تعداد ذرات کشش سطحی با افزایش خطوط مکانیکی افزایش می‌یابد و سنگین‌تر می‌شود. سرعت اکستروژن باید تا حد امکان پایدار 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 می‌شود. مکانیسم خاص تأثیر سرعت اکستروژن بر پدیده کشش نیاز به پیگیری و تأیید بعدی دارد.
(7) کیفیت سطح میله ریخته‌گری نیز عامل مهمی است که بر کشش ذرات تأثیر می‌گذارد. سطح میله ریخته‌گری ناهموار است، دارای براده‌های اره‌ای، لکه‌های روغن، گرد و غبار، خوردگی و غیره است که همگی تمایل به کشش ذرات را افزایش می‌دهند.
۴ نتیجه‌گیری
(1) ترکیب عیوب کششی با ترکیب زمینه سازگار است؛ ترکیب موقعیت ذرات به طور واضح با ترکیب زمینه متفاوت است و عمدتاً شامل عناصر O، C، Fe و Si است.
(2) عیوب ناشی از ذرات کششی عمدتاً ناشی از چسبیدن آلومینیوم به تسمه قالب است. هر عاملی که باعث چسبیدن آلومینیوم به تسمه قالب شود، باعث ایجاد عیوب کششی خواهد شد. با فرض اطمینان از کیفیت میله ریخته‌گری، تولید ذرات کششی هیچ تأثیر مستقیمی بر ترکیب آلیاژ ندارد.
(3) عملیات حرارتی یکنواخت و مناسب برای کاهش کشش سطحی مفید است.
زمان ارسال: ۱۰ سپتامبر ۲۰۲۴
