שיפור איכות פרופילי סגסוגת אלומיניום יוקרתיים: גורמים ופתרונות לפגמים מחוררים בפרופילים

במהלך תהליך האקסטרוזיה של חומרים אקסטרודיים מסגסוגת אלומיניום, במיוחד פרופילי אלומיניום, מופיע לעיתים קרובות פגם "פירות" על פני השטח. הביטויים הספציפיים כוללים גידולים קטנים מאוד בצפיפויות משתנות, זנבות, ותחושת יד ברורה, עם תחושה קוצנית. לאחר חמצון או טיפול אלקטרופורטי על פני השטח, הם מופיעים לעיתים קרובות כגרגירים שחורים הדבוקים לפני השטח של המוצר.

בייצור שיחול של פרופילים בעלי חתך גדול, פגם זה נוטה יותר להתרחש עקב השפעת מבנה המטיל, טמפרטורת השחול, מהירות השחול, מורכבות התבנית וכו'. ניתן להסיר את רוב החלקיקים העדינים של פגמים מחוררים במהלך תהליך הטיפול המקדים בפני הפרופיל, במיוחד תהליך האיכול האלקלי, בעוד שמספר קטן של חלקיקים גדולים ודבוקים היטב נשארים על פני הפרופיל, ומשפיעים על איכות המראה של המוצר הסופי.

במוצרי פרופילי דלתות וחלונות רגילים לבניין, לקוחות בדרך כלל מקבלים פגמים מחוררים קלים, אך עבור פרופילים תעשייתיים הדורשים דגש שווה על תכונות מכניות וביצועים דקורטיביים או דגש רב יותר על ביצועים דקורטיביים, לקוחות בדרך כלל אינם מקבלים פגם זה, במיוחד פגמים מחוררים שאינם עולים בקנה אחד עם צבע הרקע השונה.

על מנת לנתח את מנגנון היווצרות החלקיקים הגסים, נותחו המורפולוגיה וההרכב של מיקומי הפגמים תחת הרכבי סגסוגות שונים ותהליכי שיחול שונים, והושוו ההבדלים בין הפגמים למטריצה. הוצע פתרון סביר לפתרון יעיל של החלקיקים הגסים, ובוצע ניסוי.

כדי לפתור את פגמי הגילוח בפרופילים, יש להבין את מנגנון היווצרותם. במהלך תהליך השיחול, הידבקות אלומיניום לרצועת העבודה של התבנית היא הגורם העיקרי לפגמי גילוח על פני השטח של חומרי אלומיניום שיחול. הסיבה לכך היא שתהליך השיחול של אלומיניום מתבצע בטמפרטורה גבוהה של כ-450 מעלות צלזיוס. אם מוסיפים את ההשפעות של חום דפורמציה וחום חיכוך, טמפרטורת המתכת תהיה גבוהה יותר כאשר היא זורמת החוצה מחור התבנית. כאשר המוצר זורם החוצה מחור התבנית, עקב הטמפרטורה הגבוהה, יש תופעה של הידבקות אלומיניום בין המתכת לרצועת העבודה של התבנית.

צורת הקשר הזה היא לעתים קרובות: תהליך חוזר של הקשר - קריעה - הקשר - קריעה נוספת, והמוצר זורם קדימה, וכתוצאה מכך נוצרים בורות קטנים רבים על פני המוצר.

תופעת הקשירה הזו קשורה לגורמים כגון איכות המטיל, מצב פני השטח של רצועת העבודה בתבנית, טמפרטורת שחול, מהירות שחול, מידת העיוות ועמידות העיוות של המתכת.

1 חומרי ושיטות בדיקה

באמצעות מחקר ראשוני, למדנו שגורמים כגון טוהר מטלורגיה, מצב התבנית, תהליך השיחול, רכיבים ותנאי ייצור עשויים להשפיע על החלקיקים המחוספסים על פני השטח. בבדיקה, שני מוטות סגסוגת, 6005A ו-6060, שימשו לשיחול אותו חתך. המורפולוגיה וההרכב של מיקומי החלקיקים המחוספסים נותחו באמצעות ספקטרומטר קריאה ישיר ושיטות גילוי SEM, והושוו למטריצה ​​הנורמלית שמסביב.

על מנת להבחין בבירור בין המורפולוגיה של שני הפגמים של מחורצים וחלקיקים, הם מוגדרים כדלקמן:

(1) פגמים מחורצים או פגמי משיכה הם סוג של פגם נקודתי שהוא פגם שריטה לא סדיר דמוי ראשן או נקודתי המופיע על פני הפרופיל. הפגם מתחיל מפס השריטה ומסתיים בנשירת הפגם, ומצטבר לפולי מתכת בקצה קו השריטה. גודל הפגם המחורץ הוא בדרך כלל 1-5 מ"מ, והוא הופך לשחור כהה לאחר טיפול חמצון, מה שמשפיע בסופו של דבר על מראה הפרופיל, כפי שמוצג בעיגול האדום באיור 1.

(2) חלקיקי פני השטח נקראים גם פולי מתכת או חלקיקי ספיחה. פני השטח של פרופיל סגסוגת האלומיניום מחוברים לחלקיקי מתכת קשה כדוריים בצבע אפור-שחור ובעלי מבנה רופף. ישנם שני סוגים של פרופילי סגסוגת אלומיניום: כאלה שניתנים למחיקה וכאלה שלא ניתן למחיקה. הגודל בדרך כלל קטן מ-0.5 מ"מ, והם מרגישים מחוספסים למגע. אין שריטה בחלק הקדמי. לאחר החמצון, הם אינם שונים בהרבה מהמטריקס, כפי שמוצג בעיגול הצהוב באיור 1.

2 תוצאות בדיקה וניתוח

2.1 פגמי משיכה משטחיים

איור 2 מציג את המורפולוגיה המיקרו-מבנית של פגם המשיכה על פני השטח של סגסוגת 6005A. ישנן שריטות דמויות מדרגות בחלק הקדמי של המשיכה, והן מסתיימות בגושים מוערמים. לאחר הופעת הגושים, פני השטח חוזרים לנורמה. מיקום פגם החספוס אינו חלק למגע, בעל תחושה קוצנית חדה, והוא נדבק או מצטבר על פני הפרופיל. באמצעות בדיקת האקסטרוזיה, נצפה כי מורפולוגיית המשיכה של פרופילי אקסטרוזיה 6005A ו-6060 דומה, וקצה הזנב של המוצר גדול יותר מקצה הראש; ההבדל הוא שגודל המשיכה הכולל של 6005A קטן יותר ועומק השריטה נחלש. זה עשוי להיות קשור לשינויים בהרכב הסגסוגת, מצב מוט היציקה ותנאי התבנית. בצפייה תחת 100X, ישנם סימני שריטה ברורים בקצה הקדמי של אזור המשיכה, שהוא מוארך לאורך כיוון האקסטרוזיה, וצורת חלקיקי הגושים הסופיים אינה סדירה. ב-500X, בקצה הקדמי של משטח המשיכה יש שריטות דמויות מדרגות לאורך כיוון הבליטה (גודל הפגם הזה הוא כ-120 מיקרומטר), ויש סימני ערימה ברורים על החלקיקים הנודולריים בקצה הזנב.

על מנת לנתח את הגורמים למשיכה, נעשה שימוש בספקטרומטר קריאה ישירה וב-EDX כדי לבצע ניתוח רכיבים על מיקומי הפגמים והמטריצה ​​של שלושת רכיבי הסגסוגת. טבלה 1 מציגה את תוצאות הבדיקה של פרופיל 6005A. תוצאות ה-EDX מראות כי הרכב מיקום הערימה של חלקיקי המשיכה דומה בעיקרו לזה של המטריצה. בנוסף, כמה חלקיקי טומאה עדינים מצטברים בתוך וסביב פגם המשיכה, וחלקיקי הטומאה מכילים C, O (או Cl), או Fe, Si ו-S.

ניתוח פגמי החספוס של פרופילים מחומצנים עדינים מסוג 6005A מראה שחלקיקי המשיכה גדולים בגודלם (1-5 מ"מ), פני השטח נערמים ברובן, ויש שריטות דמויות מדרגות בחלק הקדמי; ההרכב קרוב למטריצת אלומיניום, ויהיו פאזות הטרוגניות המכילות Fe, Si, C ו-O המפוזרות סביבה. זה מראה שמנגנון יצירת המשיכה של שלוש הסגסוגות זהה.

במהלך תהליך האקסטרוזיה, חיכוך זרימת המתכת יגרום לעלייה בטמפרטורת רצועת העבודה של התבנית, ויוצר "שכבת אלומיניום דביקה" בקצה החיתוך של פתח רצועת העבודה. במקביל, עודפי Si ויסודות אחרים כמו Mn ו-Cr בסגסוגת האלומיניום קלים ליצירת תחליף מוצק עם Fe, מה שיקדם את היווצרותה של "שכבת אלומיניום דביקה" בכניסה לאזור העבודה של התבנית.

כאשר המתכת זורמת קדימה ומשפשפת את רצועת העבודה, מתרחשת תופעה הדדית של הדבקה-קריעה-הדבקה רציפה במיקום מסוים, מה שגורם למתכת להצטבר ברציפות במיקום זה. כאשר החלקיקים גדלים לגודל מסוים, הם יימשכו על ידי המוצר הזורם ויצרו סימני שריטה על פני המתכת. הם יישארו על פני המתכת וייצרו חלקיקי משיכה בסוף השריטה. לכן, ניתן להסיק כי היווצרות החלקיקים המחוספסים קשורה בעיקר להידבקות האלומיניום לרצועת העבודה של התבנית. הפאזות ההטרוגניות המפוזרות סביבו עשויות לנבוע משמן סיכה, תחמוצות או חלקיקי אבק, כמו גם מזיהומים הנגרמים על ידי פני השטח המחוספסים של המטיל.

עם זאת, מספר המשיכות בתוצאות בדיקת 6005A קטן יותר והדרגה קלה יותר. מצד אחד, זה נובע מהשיפוע ביציאה מחגורת העבודה של התבנית וליטוש זהיר של חגורת העבודה כדי להפחית את עובי שכבת האלומיניום; מצד שני, זה קשור לתכולת הסיליקון העודפת.

על פי תוצאות הקריאה הישירה של ההרכב הספקטרלי, ניתן לראות שבנוסף ל-Si בשילוב עם MgMg2Si, ה-Si הנותר מופיע בצורת חומר פשוט.

2.2 חלקיקים קטנים על פני השטח

בבדיקה ויזואלית בהגדלה נמוכה, החלקיקים קטנים (≤0.5 מ"מ), אינם חלקים למגע, בעלי תחושה חדה, ונצמדים לפני השטח של הפרופיל. בבדיקה מתחת ל-100X, חלקיקים קטנים על פני השטח מפוזרים באופן אקראי, וישנם חלקיקים קטנים המחוברים לפני השטח ללא קשר לשאלה האם יש שריטות או לא;

ב-500X, לא משנה אם יש שריטות דמויות מדרגות ברורות על פני השטח לאורך כיוון השיחול, חלקיקים רבים עדיין מחוברים, וגודל החלקיקים משתנה. גודל החלקיקים הגדול ביותר הוא כ-15 מיקרומטר, והחלקיקים הקטנים הם כ-5 מיקרומטר.

באמצעות ניתוח הרכב חלקיקי פני השטח של סגסוגת 6060 והמטריצה ​​השלמה, החלקיקים מורכבים בעיקר מיסודות O, C, Si ו-Fe, ותכולת האלומיניום נמוכה מאוד. כמעט כל החלקיקים מכילים יסודות O ו-C. הרכב כל חלקיק שונה במקצת. ביניהם, חלקיקי a קרובים ל-10 מיקרון, גבוה משמעותית מ-Si, Mg ו-O במטריצה; בחלקיקי c, Si, O ו-Cl גבוהים יותר באופן ברור; חלקיקים d ו-f מכילים רמות גבוהות של Si, O ו-Na; חלקיקים e מכילים Si, Fe ו-O; חלקיקי h הם תרכובות המכילות Fe. התוצאות של חלקיקי 6060 דומות לתוצאות אלו, אך מכיוון שתכולת ה-Si וה-Fe ב-6060 עצמו נמוכה, גם תכולת ה-Si וה-Fe המתאימה בחלקיקי פני השטח נמוכה; תכולת ה-C בחלקיקי 6060 נמוכה יחסית.

חלקיקי פני השטח עשויים לא להיות חלקיקים קטנים בודדים, אלא עשויים להתקיים גם בצורת צבירה של חלקיקים קטנים רבים בעלי צורות שונות, ואחוזי המסה של יסודות שונים בחלקיקים שונים משתנים. ההנחה היא שהחלקיקים מורכבים בעיקר משני סוגים. האחד הוא משקעים כגון AlFeSi ו-Si אלמנטרי, שמקורם בפאזות טומאה בעלות נקודת התכה גבוהה כגון FeAl3 או AlFeSi(Mn) במטיל, או פאזות משקעים במהלך תהליך האקסטרוזיה. השני הוא חומר זר דבוק.

2.3 השפעת חספוס פני השטח של מטיל

במהלך הבדיקה, נמצא כי המשטח האחורי של מחרטת מוטות יצוקים 6005A היה מחוספס ומוכתם באבק. היו שני מוטות יצוקים עם הסימנים העמוקים ביותר של כלי החריטה במקומות מקומיים, דבר התאם לעלייה משמעותית במספר המשיכות לאחר האקסטרוזיה, וגודל המשיכה הבודדת היה גדול יותר, כפי שמוצג באיור 7.

למוט היצוק 6005A אין מחרטה, כך שחספוס פני השטח נמוך ומספר המשיכות מצטמצם. בנוסף, מכיוון שאין נוזל חיתוך עודף המחובר לסימני המחרטה של ​​מוט היצוק, תכולת ה-C בחלקיקים המתאימים מצטמצמת. הוכח שסימני החריטה על פני מוט היצוק יחמירו במידה מסוימת את המשיכה והיווצרות החלקיקים.

3 דיון

(1) מרכיבי פגמי המשיכה זהים בעיקרם לאלה של המטריצה. מדובר בחלקיקים זרים, שכבה ישנה על פני המטיל וזיהומים אחרים שהצטברו בדופן חבית השיחול או באזור המת של התבנית במהלך תהליך השיחול, אשר מגיעים למשטח המתכת או לשכבת האלומיניום של רצועת העבודה של התבנית. ככל שהמוצר זורם קדימה, נגרמות שריטות על פני השטח, וכאשר המוצר מצטבר לגודל מסוים, הוא נשלף על ידי המוצר ויוצר משיכה. לאחר החמצון, המשיכה נחלשה, ובשל גודלה הגדול, נוצרו שם פגמים דמויי בור.

(2) חלקיקי פני השטח מופיעים לעיתים כחלקיקים קטנים בודדים, ולעיתים קיימים בצורה מצטברת. הרכבם שונה באופן ברור מזה של המטריצה, והוא מכיל בעיקר את היסודות O, C, Fe ו-Si. חלק מהחלקיקים נשלטים על ידי יסודות O ו-C, וחלק מהחלקיקים נשלטים על ידי O, C, Fe ו-Si. לכן, ניתן להסיק שחלקיקי פני השטח מגיעים משני מקורות: האחד הוא משקעים כגון AlFeSi ו-Si יסודי, וזיהומים כגון O ו-C דבוקים לפני השטח; השני הוא חומר זר דבוק. החלקיקים מתכלים לאחר חמצון. בשל גודלם הקטן, אין להם השפעה או השפעה מועטה על פני השטח.

(3) חלקיקים עשירים ביסודות C ו-O מגיעים בעיקר משמן סיכה, אבק, אדמה, אוויר וכו' הדבוקים לפני השטח של המטיל. המרכיבים העיקריים של שמן סיכה הם C, O, H, S וכו', והמרכיב העיקרי של אבק ואדמה הוא SiO2. תכולת ה-O בחלקיקי השטח גבוהה בדרך כלל. מכיוון שהחלקיקים נמצאים במצב טמפרטורה גבוה מיד לאחר עזיבת רצועת העבודה, ובשל שטח הפנים הסגולי הגדול של החלקיקים, הם סופגים בקלות אטומי O באוויר וגורמים לחמצון לאחר מגע עם האוויר, וכתוצאה מכך תכולת O גבוהה יותר מאשר המטריצה.

(4) Fe, Si וכו' מגיעים בעיקר מתחמוצות, אבנית ישנה ופאזות טומאה במטיל (נקודת התכה גבוהה או פאזה שנייה שלא מסולקת לחלוטין על ידי הומוגניזציה). יסוד ה-Fe מקורו ב-Fe במטילי אלומיניום, ויוצר פאזות טומאה בעלות נקודת התכה גבוהה כגון FeAl3 או AlFeSi(Mn), שלא ניתן להמיס בתמיסה מוצקה במהלך תהליך ההומוגניזציה, או שלא מומרים במלואם; Si קיים במטריצת האלומיניום בצורה של Mg2Si או תמיסה מוצקה רוויה-על של Si במהלך תהליך היציקה. במהלך תהליך האקסטרוזיה החם של מוט היציקה, עודף Si עשוי להשקע. מסיסות ה-Si באלומיניום היא 0.48% ב-450°C ו-0.8% (wt%) ב-500°C. תכולת ה-Si העודפת ב-6005 היא כ-0.41%, וה-Si המשקע עשוי להיות צבירה ומשקעים הנגרמים מתנודות ריכוז.

(5) הידבקות אלומיניום לרצועת העבודה של התבנית היא הסיבה העיקרית למשיכה. תבנית האקסטרוזיה נמצאת בסביבה עם טמפרטורה ולחץ גבוהים. חיכוך זרימת המתכת יעלה את הטמפרטורה של רצועת העבודה של התבנית, ויוצר "שכבת אלומיניום דביקה" בקצה החיתוך של פתח רצועת העבודה.

במקביל, עודפי סיליקון ויסודות אחרים כמו Mn ו-Cr בסגסוגת האלומיניום קלים ליצירת תחליף לתמיסות מוצקות עם Fe, מה שיקדם היווצרות של "שכבת אלומיניום דביקה" בכניסה לאזור העבודה בתבנית. המתכת הזורמת דרך "שכבת האלומיניום הדביקה" שייכת לחיכוך פנימי (גזירה הזזה בתוך המתכת). המתכת מתעוותת ומתקשה עקב חיכוך פנימי, מה שמקדם את הידבקות המתכת שמתחת לתבנית יחד. במקביל, רצועת העבודה בתבנית מתעוותת לצורת חצוצרה עקב הלחץ, והאלומיניום הדביק שנוצר על ידי קצה החיתוך של רצועת העבודה במגע עם הפרופיל דומה לקצה החיתוך של כלי חריטה.

היווצרות אלומיניום דביק היא תהליך דינמי של צמיחה ונשירה. חלקיקים נפלטים כל הזמן על ידי הפרופיל. הם נצמדים לפני השטח של הפרופיל ויוצרים פגמי משיכה. אם החלקיקים זורמים ישירות מחוץ לרצועת העבודה ונספגים באופן מיידי על פני הפרופיל, החלקיקים הקטנים הנדבקים תרמית לפני השטח נקראים "חלקיקי ספיחה". אם חלק מהחלקיקים נשברים על ידי סגסוגת האלומיניום הבלוטית, חלק מהחלקיקים יידבקו לפני השטח של רצועת העבודה בעת מעבר דרכה, ויגרמו לשריטות על פני הפרופיל. הקצה הזנב הוא מטריצת האלומיניום המוערמת. כאשר יש הרבה אלומיניום תקוע באמצע רצועת העבודה (הקשר חזק), זה יחמיר את השריטות על פני השטח.

(6) למהירות השיחול יש השפעה רבה על המשיכה. השפעת מהירות השיחול. בכל הנוגע לסגסוגת 6005 המבוצעת, מהירות השיחול עולה בטווח הבדיקה, טמפרטורת היציאה עולה, ומספר חלקיקי המשיכה על פני השטח עולה ונעשה כבד יותר ככל שהקווים המכניים גדלים. יש לשמור על מהירות השיחול יציבה ככל האפשר כדי למנוע שינויים פתאומיים במהירות. מהירות שיחול מוגזמת וטמפרטורת יציאה גבוהה יובילו לחיכוך מוגבר ולמשיכת חלקיקים חמורה. המנגנון הספציפי של השפעת מהירות השיחול על תופעת המשיכה דורש מעקב ואימות לאחר מכן.

(7) איכות פני השטח של מוט היצוק היא גם גורם חשוב המשפיע על חלקיקי המשיכה. פני השטח של מוט היצוק מחוספסים, עם קוצים ניסור, כתמי שמן, אבק, קורוזיה וכו', שכולם מגבירים את הנטייה למשיכת חלקיקים.

4 סיכום

(1) הרכב פגמי המשיכה עולה בקנה אחד עם הרכב המטריצה; הרכב מיקום החלקיקים שונה באופן ברור מזה של המטריצה, והוא מכיל בעיקר את היסודות O, C, Fe ו-Si.

(2) פגמי חלקיקי משיכה נגרמים בעיקר עקב הידבקות אלומיניום לרצועת העבודה של התבנית. כל גורם המקדם הידבקות אלומיניום לרצועת העבודה של התבנית יגרום לפגמי משיכה. מתוך הנחה של הבטחת איכות מוט היציקה, ליצירת חלקיקי משיכה אין השפעה ישירה על הרכב הסגסוגת.

(3) טיפול אש אחיד ונכון מועיל להפחתת משיכה על פני השטח.