Lors de l'extrusion de matériaux en alliage d'aluminium, notamment de profilés, un défaut de piqûres apparaît souvent à la surface. Les manifestations spécifiques incluent de très petites tumeurs de densité variable, des traînées et une sensation tactile prononcée, avec une sensation de picotement. Après oxydation ou traitement de surface électrophorétique, ces piqûres apparaissent souvent sous forme de granules noirs adhérant à la surface du produit.
Dans la production par extrusion de profilés de grande section, ce défaut est plus susceptible de se produire en raison de l'influence de la structure du lingot, de la température d'extrusion, de la vitesse d'extrusion, de la complexité du moule, etc. La plupart des fines particules de défauts piqués peuvent être éliminées pendant le processus de prétraitement de la surface du profilé, en particulier le processus de gravure alcaline, tandis qu'un petit nombre de particules de grande taille et fermement adhérentes restent sur la surface du profilé, affectant la qualité d'apparence du produit final.
Dans les produits de profilés de portes et fenêtres de construction ordinaires, les clients acceptent généralement des défauts mineurs de piqûres, mais pour les profils industriels qui nécessitent une importance égale sur les propriétés mécaniques et les performances décoratives ou une plus grande importance sur les performances décoratives, les clients n'acceptent généralement pas ce défaut, en particulier les défauts de piqûres qui sont incompatibles avec la couleur de fond différente.
Afin d'analyser le mécanisme de formation des particules rugueuses, la morphologie et la composition des emplacements des défauts selon différentes compositions d'alliages et procédés d'extrusion ont été analysées, et les différences entre les défauts et la matrice ont été comparées. Une solution raisonnable pour résoudre efficacement le problème des particules rugueuses a été proposée et un essai a été réalisé.
Pour résoudre les défauts de piqûres sur les profilés, il est nécessaire de comprendre leur mécanisme de formation. Lors de l'extrusion, l'adhérence de l'aluminium à la bande de travail du moule est la principale cause de piqûres à la surface des matériaux en aluminium extrudé. En effet, l'extrusion de l'aluminium est réalisée à une température élevée d'environ 450 °C. Si l'on ajoute à cela les effets de la chaleur de déformation et de la chaleur de frottement, la température du métal s'élève à la sortie du moule. Lors de cette sortie, la température élevée provoque un phénomène d'adhérence de l'aluminium entre le métal et la bande de travail du moule.
La forme de cette liaison est souvent la suivante : un processus répété de liaison – déchirure – liaison – déchirure à nouveau, et le produit s’écoule vers l’avant, ce qui entraîne de nombreuses petites piqûres à la surface du produit.
Ce phénomène de liaison est lié à des facteurs tels que la qualité du lingot, l'état de surface de la bande de travail du moule, la température d'extrusion, la vitesse d'extrusion, le degré de déformation et la résistance à la déformation du métal.
1 Matériel et méthodes d'essai
Des recherches préliminaires ont révélé que des facteurs tels que la pureté métallurgique, l'état du moule, le procédé d'extrusion, les ingrédients et les conditions de production peuvent influencer la rugosité de la surface des particules. Lors de l'essai, deux tiges en alliage, 6005A et 6060, ont été utilisées pour extruder la même section. La morphologie et la composition des particules rugueuses ont été analysées par spectrométrie à lecture directe et par MEB, puis comparées à la matrice normale environnante.
Afin de distinguer clairement la morphologie des deux défauts de piqûres et de particules, ils sont définis comme suit :
(1) Les défauts piqués, ou défauts de traction, sont des défauts ponctuels, des rayures irrégulières en forme de têtard ou de point, apparaissant à la surface du profilé. Le défaut débute par la rayure et se termine par une chute, formant des grains métalliques à l'extrémité de la ligne de rayure. La taille du défaut piqué est généralement de 1 à 5 mm et il devient noir foncé après l'oxydation, ce qui affecte l'aspect du profilé, comme illustré par le cercle rouge de la figure 1.
(2) Les particules de surface sont également appelées particules métalliques ou particules d'adsorption. La surface du profilé en alliage d'aluminium est fixée par des particules métalliques dures sphériques gris-noir et présente une structure lâche. Il existe deux types de profilés en alliage d'aluminium : ceux essuyables et ceux non essuyables. Leur taille est généralement inférieure à 0,5 mm et leur toucher est rugueux. La partie avant est exempte de rayures. Après oxydation, la surface ne diffère guère de la matrice, comme l'illustre le cercle jaune de la figure 1.
2 Résultats des tests et analyses
2.1 Défauts d'arrachement de surface
La figure 2 montre la morphologie microstructurale du défaut d'étirage à la surface de l'alliage 6005A. Des rayures en gradins apparaissent à l'avant de l'étirage, se terminant par des nodules empilés. Après l'apparition des nodules, la surface redevient normale. Le défaut de rugosité n'est pas lisse au toucher, présente une sensation de picotement et adhère ou s'accumule à la surface du profilé. L'essai d'extrusion a montré que la morphologie d'étirage des profilés extrudés 6005A et 6060 est similaire, avec une extrémité arrière plus grande que l'extrémité avant. La différence réside dans une taille d'étirage globale plus petite et une profondeur de rayure plus faible pour le 6005A. Ceci pourrait être lié à des modifications de la composition de l'alliage, de l'état de la tige coulée et des conditions du moule. Observées à un grossissement de 100X, des rayures sont visibles à l'avant de la zone d'étirage, allongée dans le sens de l'extrusion, et la forme des particules de nodules finales est irrégulière. À 500X, l'extrémité avant de la surface de traction présente des rayures en forme de marches le long de la direction d'extrusion (la taille de ce défaut est d'environ 120 μm), et il y a des marques d'empilement évidentes sur les particules nodulaires à l'extrémité de la queue.
Afin d'analyser les causes de tirage, un spectromètre à lecture directe et un spectromètre EDX ont été utilisés pour analyser les composants, les emplacements des défauts et la matrice des trois composants de l'alliage. Le tableau 1 présente les résultats des tests du profil 6005A. Les résultats de l'EDX montrent que la composition de l'empilement des particules de tirage est globalement similaire à celle de la matrice. De plus, de fines particules d'impuretés s'accumulent à l'intérieur et autour du défaut de tirage, et contiennent du C, de l'O (ou du Cl), ou du Fe, du Si et du S.
L'analyse des défauts de rugosité des profilés extrudés oxydés fins 6005A montre que les particules d'arrachement sont de grande taille (1 à 5 mm), que la surface est majoritairement empilée et que la partie avant présente des rayures en gradins. La composition est proche de celle de la matrice d'aluminium et des phases hétérogènes contenant du Fe, du Si, du C et de l'O sont réparties autour. Le mécanisme de formation de l'arrachement est identique pour les trois alliages.
Lors du processus d'extrusion, le frottement du métal provoque une élévation de la température de la bande de travail du moule, formant une couche d'aluminium collante à l'entrée de la bande. Parallèlement, l'excès de Si et d'autres éléments tels que le manganèse et le chrome présents dans l'alliage d'aluminium peuvent facilement former des solutions solides de remplacement par du fer, favorisant ainsi la formation d'une couche d'aluminium collante à l'entrée de la zone de travail du moule.
Lorsque le métal s'écoule et frotte contre la bande de travail, un phénomène alternatif de collage-déchirement-collage se produit en un point précis, provoquant une superposition continue du métal à cet endroit. Lorsque les particules atteignent une certaine taille, elles sont entraînées par le produit en écoulement et forment des rayures à la surface du métal. Elles restent à la surface et forment des particules d'arrachement à l'extrémité de la rayure. On peut donc considérer que la formation de particules rugueuses est principalement liée à l'adhérence de l'aluminium à la bande de travail du moule. Les phases hétérogènes réparties autour peuvent provenir d'huile lubrifiante, d'oxydes ou de particules de poussière, ainsi que d'impuretés apportées par la surface rugueuse du lingot.
Cependant, le nombre de tirages dans les résultats du test 6005A est plus faible et leur intensité plus faible. Cela est dû, d'une part, au chanfreinage à la sortie de la bande de travail du moule et au polissage minutieux de cette dernière pour réduire l'épaisseur de la couche d'aluminium ; d'autre part, à la teneur excessive en silicium.
D'après les résultats de la composition spectrale de lecture directe, on peut voir qu'en plus du Si combiné avec Mg Mg2Si, le Si restant apparaît sous la forme d'une substance simple.
2.2 Petites particules à la surface
À faible grossissement, les particules sont petites (≤ 0,5 mm), non lisses au toucher, nettes au toucher et adhèrent à la surface du profil. À un grossissement de 100x, les petites particules sont réparties de manière aléatoire et restent fixées, qu'il y ait ou non des rayures.
À 500X, même si des rayures en escalier sont visibles à la surface dans le sens de l'extrusion, de nombreuses particules restent attachées et leur taille varie. La plus grosse particule mesure environ 15 μm, tandis que les plus petites mesurent environ 5 μm.
Français D'après l'analyse de la composition des particules de surface de l'alliage 6060 et de la matrice intacte, les particules sont principalement composées d'éléments O, C, Si et Fe, et la teneur en aluminium est très faible. Presque toutes les particules contiennent des éléments O et C. La composition de chaque particule est légèrement différente. Parmi elles, les particules a sont proches de 10 μm, ce qui est significativement plus élevé que la matrice Si, Mg et O ; Dans les particules c, Si, O et Cl sont évidemment plus élevés ; Les particules d et f contiennent des concentrations élevées de Si, O et Na ; les particules e contiennent Si, Fe et O ; les particules h sont des composés contenant du Fe. Les résultats des particules 6060 sont similaires à ceux-ci, mais comme la teneur en Si et Fe du 6060 lui-même est faible, les teneurs correspondantes en Si et Fe dans les particules de surface sont également faibles ; la teneur en C dans les particules 6060 est relativement faible.
Les particules de surface peuvent ne pas être des particules isolées, mais se présenter sous forme d'agrégats de nombreuses petites particules de formes variées, et les pourcentages massiques des différents éléments varient. On pense que les particules sont principalement composées de deux types. L'un est constitué de précipités tels que AlFeSi et Si élémentaire, provenant de phases d'impuretés à point de fusion élevé telles que FeAl3 ou AlFeSi(Mn) dans le lingot, ou de phases précipitées lors du processus d'extrusion. L'autre est constitué de corps étrangers adhérents.
2.3 Effet de la rugosité de surface du lingot
Lors du test, il a été constaté que la surface arrière du tour à tiges coulées 6005A était rugueuse et tachée de poussière. Deux tiges coulées présentaient les marques d'outil de tournage les plus profondes à des endroits précis, ce qui correspondait à une augmentation significative du nombre de tirages après extrusion, et la taille d'un tirage était plus importante, comme le montre la figure 7.
La tige coulée 6005A ne présente pas de tourillon, ce qui réduit la rugosité de surface et le nombre d'étirages. De plus, l'absence d'excès de liquide de coupe sur les marques de tour de la tige coulée réduit la teneur en carbone des particules correspondantes. Il est prouvé que les marques de tournage à la surface de la tige coulée aggravent dans une certaine mesure l'étirage et la formation de particules.
3 Discussion
(1) Les composants des défauts d'étirage sont fondamentalement les mêmes que ceux de la matrice. Il s'agit de particules étrangères, de vieilles pellicules à la surface du lingot et d'autres impuretés accumulées dans la paroi du cylindre d'extrusion ou dans la zone morte du moule pendant le processus d'extrusion, qui sont amenées à la surface métallique ou à la couche d'aluminium de la bande de travail du moule. Lors de l'écoulement du produit, des rayures de surface apparaissent et, lorsque le produit s'accumule jusqu'à une certaine taille, il est extrait par le produit pour former des défauts d'étirage. Après oxydation, les défauts d'étirage étaient corrodés et, en raison de leur grande taille, des défauts ressemblant à des piqûres y apparaissaient.
(2) Les particules de surface apparaissent parfois sous forme de petites particules isolées, et parfois sous forme agrégée. Leur composition est évidemment différente de celle de la matrice et contient principalement des éléments O, C, Fe et Si. Certaines particules sont dominées par les éléments O et C, et d'autres par O, C, Fe et Si. Par conséquent, on en déduit que les particules de surface proviennent de deux sources : l'une est constituée de précipités tels que AlFeSi et Si élémentaire, et d'impuretés telles que O et C adhérant à la surface ; l'autre est constituée de corps étrangers adhérents. Les particules sont corrodées après oxydation. En raison de leur petite taille, elles n'ont que peu ou pas d'impact sur la surface.
(3) Les particules riches en éléments C et O proviennent principalement de l'huile lubrifiante, de la poussière, de la terre, de l'air, etc., adhérant à la surface du lingot. Les principaux composants de l'huile lubrifiante sont C, O, H, S, etc., et le principal composant de la poussière et de la terre est SiO2. La teneur en O des particules de surface est généralement élevée. Étant donné que les particules sont à haute température immédiatement après avoir quitté la bande de travail et que leur grande surface spécifique les rend facilement adsorbantes, elles provoquent une oxydation au contact de l'air, ce qui entraîne une teneur en O supérieure à celle de la matrice.
(4) Le Fe, le Si, etc. proviennent principalement des oxydes, des calamines et des phases d'impuretés du lingot (point de fusion élevé ou seconde phase non totalement éliminée par homogénéisation). Le Fe est présent dans les lingots d'aluminium, formant des phases d'impuretés à point de fusion élevé telles que FeAl3 ou AlFeSi(Mn), qui ne peuvent être dissoutes en solution solide lors de l'homogénéisation ou ne sont pas totalement converties ; le Si est présent dans la matrice d'aluminium sous forme de Mg2Si ou de solution solide sursaturée de Si lors de la coulée. Lors de l'extrusion à chaud de la barre coulée, un excès de Si peut précipiter. La solubilité du Si dans l'aluminium est de 0,48 % à 450 °C et de 0,8 % (en poids) à 500 °C. La teneur en Si excédentaire du 6005 est d'environ 0,41 %, et le Si précipité peut être une agrégation et une précipitation causées par des fluctuations de concentration.
(5) L'adhérence de l'aluminium à la bande de travail du moule est la principale cause d'arrachement. La filière d'extrusion est un environnement à haute température et haute pression. Le frottement du métal augmente la température de la bande de travail du moule, formant une « couche d'aluminium collante » à l'entrée de la bande de travail.
Parallèlement, l'excès de Si et d'autres éléments tels que le Mn et le Cr dans l'alliage d'aluminium peut facilement former des solutions solides de remplacement par du Fe, ce qui favorise la formation d'une couche d'aluminium collante à l'entrée de la zone de travail du moule. Le métal qui s'écoule à travers cette couche est soumis à un frottement interne (cisaillement par glissement à l'intérieur du métal). Le métal se déforme et durcit sous l'effet du frottement interne, ce qui favorise l'adhérence du métal sous-jacent et du moule. Parallèlement, la bande de travail du moule se déforme en trompette sous l'effet de la pression, et l'aluminium collant formé par le contact de l'arête de coupe de la bande de travail avec le profil est similaire à l'arête de coupe d'un outil de tournage.
La formation d'aluminium collant est un processus dynamique de croissance et de décollement. Des particules sont constamment extraites du profilé et adhèrent à sa surface, formant des défauts d'arrachement. Si l'aluminium s'écoule directement de la bande de travail et est instantanément adsorbé à la surface du profilé, les petites particules ainsi thermo-adhérentes sont appelées « particules d'adsorption ». Si certaines particules sont brisées par l'alliage d'aluminium extrudé, d'autres adhèrent à la surface de la bande de travail lors de son passage, provoquant des rayures sur la surface du profilé. L'extrémité de la bande est la matrice d'aluminium empilée. Une quantité importante d'aluminium coincée au centre de la bande de travail (liaison forte) aggrave les rayures de surface.
(6) La vitesse d'extrusion a une grande influence sur l'étirage. L'influence de la vitesse d'extrusion. Concernant l'alliage 6005 suivi, la vitesse d'extrusion augmente dans la plage d'essai, la température de sortie augmente et le nombre de particules d'étirage en surface augmente et devient plus lourd à mesure que les lignes mécaniques augmentent. La vitesse d'extrusion doit être maintenue aussi stable que possible afin d'éviter des variations brusques. Une vitesse d'extrusion excessive et une température de sortie élevée entraîneront une augmentation du frottement et un étirage important des particules. Le mécanisme spécifique de l'impact de la vitesse d'extrusion sur le phénomène d'étirage nécessite un suivi et une vérification ultérieurs.
(7) La qualité de surface de la tige coulée est également un facteur important affectant l'arrachement des particules. La surface de la tige coulée est rugueuse, avec des bavures de sciage, des taches d'huile, de la poussière, de la corrosion, etc., ce qui augmente la tendance à l'arrachement des particules.
4 Conclusion
(1) La composition des défauts de traction est cohérente avec celle de la matrice ; la composition de la position des particules est évidemment différente de celle de la matrice, contenant principalement des éléments O, C, Fe et Si.
(2) Les défauts de particules d'arrachement sont principalement causés par l'adhérence de l'aluminium à la bande de travail du moule. Tout facteur favorisant l'adhérence de l'aluminium à la bande de travail du moule peut entraîner des défauts d'arrachement. Afin de garantir la qualité de la barre coulée, la génération de particules d'arrachement n'a aucun impact direct sur la composition de l'alliage.
(3) Un traitement uniforme et approprié au feu est bénéfique pour réduire l’arrachement de la surface.
Date de publication : 10 septembre 2024
