Au cours du processus d'extrusion de matériaux extrudés en alliage d'aluminium, en particulier de profilés en aluminium, un défaut de « piqûre » se produit souvent à la surface. Les manifestations spécifiques comprennent de très petites tumeurs de densités variables, des traînées et une sensation évidente au toucher, avec une sensation de picotement. Après oxydation ou traitement de surface électrophorétique, ils 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 profil, en particulier le processus de gravure alcaline, tandis qu'un petit nombre de particules de grande taille fermement adhérées restent sur la surface du profil, affectant la qualité de l'apparence du produit final.
Dans les produits ordinaires de profilés de porte et de fenêtre de bâtiment, les clients acceptent généralement des défauts mineurs, mais pour les profilés industriels qui nécessitent une attention égale aux propriétés mécaniques et aux performances décoratives ou une plus grande importance aux performances décoratives, les clients n'acceptent généralement pas ce défaut, en particulier les défauts qui sont incompatible avec la couleur de fond différente.
Afin d'analyser le mécanisme de formation de particules rugueuses, la morphologie et la composition des emplacements de défauts sous différentes compositions d'alliage et processus d'extrusion ont été analysées, et les différences entre les défauts et la matrice ont été comparées. Une solution raisonnable pour résoudre efficacement les particules rugueuses a été proposée et un essai a été effectué.
Pour résoudre les défauts de piqûres des profilés, il est nécessaire de comprendre le mécanisme de formation des défauts de piqûres. Au cours du processus d'extrusion, l'aluminium collant à la courroie de travail de la filière est la principale cause de défauts de piqûres à la surface des matériaux en aluminium extrudé. En effet, le processus d'extrusion de l'aluminium est réalisé à une température élevée d'environ 450°C. Si les effets de la chaleur de déformation et de la chaleur de frottement s’ajoutent, la température du métal sera plus élevée lorsqu’il sortira du trou de filière. Lorsque le produit s'écoule du trou de filière, en raison de la température élevée, il se produit un phénomène d'aluminium collant 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, entraînant 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 courroie 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 Matériels et méthodes de test
Grâce à des recherches préliminaires, nous avons appris que des facteurs tels que la pureté métallurgique, l'état du moule, le processus d'extrusion, les ingrédients et les conditions de production peuvent affecter la surface des particules rendues rugueuses. Lors du test, deux tiges d'alliage, 6005A et 6060, ont été utilisées pour extruder la même section. La morphologie et la composition des positions des particules rugueuses ont été analysées au moyen d'un spectromètre à lecture directe et de méthodes de détection SEM, et comparées à la matrice normale environnante.
Afin de bien distinguer la morphologie des deux défauts de piqûres et de particules, ils sont définis comme suit :
(1) Les défauts piqués ou défauts de traction sont une sorte de défaut ponctuel qui est un défaut irrégulier en forme de têtard ou de rayure ponctuelle qui apparaît sur la surface du profil. Le défaut commence à partir de la bande de grattage et se termine par la chute du défaut, s'accumulant dans les grains métalliques à la fin de la ligne de grattage. La taille du défaut piqué est généralement de 1 à 5 mm et il devient noir foncé après traitement d'oxydation, ce qui affecte finalement l'apparence du profil, comme le montre le cercle rouge sur la figure 1.
(2) Les particules de surface sont également appelées grains métalliques ou particules d'adsorption. La surface du profilé en alliage d'aluminium est fixée avec des particules sphériques de métal dur gris-noir et présente une structure lâche. Il existe deux types de profilés en alliage d'aluminium : ceux qui peuvent être essuyés et ceux qui ne peuvent pas être essuyés. La taille est généralement inférieure à 0,5 mm et elle est rugueuse au toucher. Il n'y a aucune rayure sur la partie avant. Après oxydation, elle n'est pas très différente de la matrice, comme le montre le cercle jaune sur la figure 1.
2 Résultats des tests et analyse
2.1 Défauts de traction superficiels
La figure 2 montre la morphologie microstructurale du défaut de traction à la surface de l'alliage 6005A. Il y a des rayures en forme de marches dans la partie avant du tirage, et elles se terminent par des nodules empilés. Après l’apparition des nodules, la surface redevient normale. L'emplacement du défaut de rugosité n'est pas lisse au toucher, présente une sensation épineuse et adhère ou s'accumule à la surface du profilé. Grâce au test d'extrusion, il a été observé que la morphologie de traction des profilés extrudés 6005A et 6060 est similaire et que l'extrémité arrière du produit est plus grande que l'extrémité tête ; la différence est que la taille globale de traction du 6005A est plus petite et la profondeur des rayures est affaiblie. Cela peut être lié à des changements dans la composition de l'alliage, dans l'état de la tige coulée et dans les conditions du moule. Observées sous 100X, il existe des rayures évidentes sur l'extrémité avant de la zone de traction, qui est allongée dans la direction d'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 marche le long de la direction d'extrusion (la taille de ce défaut est d'environ 120 μm) et il existe des marques d'empilement évidentes sur les particules nodulaires à l'extrémité arrière.
Afin d'analyser les causes de l'arrachement, un spectromètre à lecture directe et un EDX ont été utilisés pour effectuer une analyse des composants sur les emplacements des défauts et la matrice des trois composants de l'alliage. Le tableau 1 montre les résultats des tests du profil 6005A. Les résultats EDX montrent que la composition de la position d'empilement des particules de traction est fondamentalement similaire à celle de la matrice. De plus, certaines fines particules d'impuretés s'accumulent dans et autour du défaut de traction, et les particules d'impuretés contiennent du C, O (ou Cl) ou Fe, Si et S.
L'analyse des défauts de rugosité des profilés extrudés finement oxydés 6005A montre que les particules de traction sont de grande taille (1 à 5 mm), que la surface est principalement empilée et qu'il y a des rayures en forme de marche sur la section avant ; La composition est proche de la matrice Al et il y aura des phases hétérogènes contenant Fe, Si, C et O réparties autour d'elle. Cela montre que le mécanisme de formation par traction des trois alliages est le même.
Pendant le processus d'extrusion, la friction du flux de métal entraînera une augmentation de la température de la bande de travail du moule, formant une « couche d'aluminium collante » au bord tranchant de l'entrée de la bande de travail. Dans le même temps, l'excès de Si et d'autres éléments tels que Mn et Cr dans l'alliage d'aluminium permettent de former facilement des solutions solides de remplacement avec Fe, ce qui favorisera la formation d'une « couche d'aluminium collante » à l'entrée de la zone de travail du moule.
Lorsque le métal s'écoule vers l'avant et frotte contre la bande de travail, un phénomène alternatif de liaison-déchirure-liaison continue se produit à une certaine position, provoquant une superposition continue du métal à cette position. Lorsque les particules atteignent une certaine taille, elles seront arrachées par le produit qui s'écoule et formeront des rayures sur la surface métallique. Il restera sur la surface métallique et formera des particules tirantes à l’extrémité de la rayure. on peut donc considérer que la formation de particules rugueuses est principalement liée à l'aluminium collant à la bande de travail du moule. Les phases hétérogènes réparties autour de lui peuvent provenir d'huiles lubrifiantes, d'oxydes ou de particules de poussières, ainsi que d'impuretés apportées par la surface rugueuse du lingot.
Cependant, le nombre de tractions dans les résultats du test 6005A est plus faible et le degré est plus léger. D'une part, cela est dû au chanfreinage à la sortie de la bande de travail du moule et au polissage soigné de la bande de travail pour réduire l'épaisseur de la couche d'aluminium ; en revanche, elle est liée à la teneur en excès de Si.
D'après les résultats de la composition spectrale en lecture directe, on constate qu'en plus du Si combiné au Mg Mg2Si, le Si restant apparaît sous la forme d'une substance simple.
2.2 Petites particules en surface
Sous inspection visuelle à faible grossissement, les particules sont petites (≤0,5 mm), non lisses au toucher, ont une sensation nette et adhèrent à la surface du profilé. Observées sous 100X, les petites particules sur la surface sont distribuées de manière aléatoire et des particules de petite taille sont attachées à la surface, qu'il y ait des rayures ou non ;
À 500X, même s'il y a des rayures évidentes en forme de marche sur la surface dans le sens de l'extrusion, de nombreuses particules sont toujours attachées et leur taille varie. La plus grande taille de particule est d’environ 15 μm et les petites particules d’environ 5 μm.
Grâce à 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 nettement supérieur à la matrice Si, Mg et O ; Dans les particules c, Si, O et Cl sont évidemment plus élevés ; Les particules d et f contiennent beaucoup 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 celui-ci, mais comme la teneur en Si et Fe dans 6060 lui-même est faible, les teneurs correspondantes en Si et Fe dans les particules de surface sont également faibles ; la teneur en C des particules 6060 est relativement faible.
Les particules de surface peuvent ne pas être de petites particules uniques, mais peuvent également exister sous la forme d'agrégats de nombreuses petites particules de formes différentes, et les pourcentages massiques de différents éléments dans différentes particules varient. On pense que les particules sont principalement composées de deux types. L'un concerne les précipités tels que AlFeSi et le Si élémentaire, qui proviennent de phases d'impuretés à point de fusion élevé telles que FeAl3 ou AlFeSi (Mn) dans le lingot, ou de phases précipitées au cours du processus d'extrusion. L’autre est la matière étrangère adhérente.
2.3 Effet de la rugosité de surface du lingot
Au cours du test, il a été constaté que la surface arrière du tour à tiges coulées 6005A était rugueuse et tachée de poussière. Il y avait deux tiges coulées avec les marques d'outils de tournage les plus profondes à des endroits locaux, ce qui correspondait à une augmentation significative du nombre de tirages après extrusion, et la taille d'un seul tirage était plus grande, comme le montre la figure 7.
La tige coulée 6005A n'a pas de tour, donc la rugosité de la surface est faible et le nombre de tirages est réduit. De plus, comme il n'y a pas d'excès de fluide de coupe attaché aux marques de tour de la tige coulée, la teneur en C dans les particules correspondantes est réduite. Il est prouvé que les marques de rotation sur la surface de la tige coulée aggravent dans une certaine mesure la traction et la formation de particules.
3 Discussion
(1) Les composants des défauts de traction sont fondamentalement les mêmes que ceux de la matrice. Ce sont les particules étrangères, la vieille peau à la surface du lingot et 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 du moule en fonctionnement. ceinture. Au fur et à mesure que le produit s'écoule, des rayures de surface se produisent et lorsque le produit s'accumule jusqu'à une certaine taille, il est retiré par le produit pour former une traction. Après oxydation, le tirage était corrodé et, en raison de sa grande taille, il y avait des défauts ressemblant à des piqûres.
(2) Les particules de surface apparaissent parfois sous forme de petites particules uniques et existent 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 certaines particules sont dominées 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 des impuretés telles que O et C adhèrent à la surface ; L’autre est la matière étrangère adhérente. Les particules sont corrodées après oxydation. Du fait de leur petite taille, ils n’ont pas ou peu d’impact en 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. adhérées à la surface du lingot. Les principaux composants de l'huile lubrifiante sont C, O, H, S, etc., et le composant principal 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 dans un état de température élevée immédiatement après avoir quitté la bande de travail et en raison de la grande surface spécifique des particules, elles adsorbent facilement les atomes d'O dans l'air et provoquent une oxydation après contact avec l'air, ce qui entraîne une concentration d'O plus élevée. contenu que la matrice.
(4) Fe, Si, etc. proviennent principalement des phases d'oxydes, de vieilles calamines et d'impuretés présentes dans le lingot (point de fusion élevé ou seconde phase non totalement éliminée par homogénéisation). L'élément Fe provient du Fe 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 pas être dissoutes en solution solide pendant le processus d'homogénéisation, ou ne sont pas entièrement converties ; Si existe dans la matrice d'aluminium sous forme de Mg2Si ou d'une solution solide sursaturée de Si pendant le processus de coulée. Pendant le processus d'extrusion à chaud de la tige 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 excès de Si dans 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'aluminium collant à la courroie de travail du moule est la principale cause de traction. La filière d'extrusion est un environnement à haute température et haute pression. Le frottement du flux de métal augmentera la température de la bande de travail du moule, formant une « couche d'aluminium collante » au bord tranchant de l'entrée de la bande de travail.
Dans le même temps, l'excès de Si et d'autres éléments tels que Mn et Cr dans l'alliage d'aluminium permettent de former facilement des solutions solides de remplacement avec Fe, ce qui favorisera la formation d'une « couche d'aluminium collante » à l'entrée de la zone de travail du moule. Le métal circulant à travers la « couche d’aluminium collante » appartient au frottement interne (cisaillement de glissement à l’intérieur du métal). Le métal se déforme et durcit en raison des frottements internes, ce qui favorise le collage du métal sous-jacent et du moule. Dans le même temps, la courroie de travail du moule est déformée en forme de trompette en raison de la pression, et l'aluminium collant formé par la partie tranchante de la courroie de travail entrant en contact avec le profilé est similaire au tranchant d'un outil de tournage.
La formation d’aluminium collant est un processus dynamique de croissance et d’excrétion. Des particules sont constamment mises en évidence par le profilé. Adhérent à la surface du profilé, formant des défauts de traction. S'il s'écoule directement de la bande de travail et est instantanément adsorbé sur la surface du profilé, les petites particules thermiquement adhérées à la surface sont appelées « particules d'adsorption ». Si certaines particules sont brisées par l'alliage d'aluminium extrudé, certaines particules colleront à la surface de la courroie de travail lors du passage à travers la courroie de travail, provoquant des rayures sur la surface du profilé. L'extrémité arrière est la matrice en aluminium empilée. Lorsqu’il y a beaucoup d’aluminium coincé au milieu de la bande de travail (la liaison est forte), cela aggravera les rayures de surface.
(6) La vitesse d'extrusion a une grande influence sur le tirage. L'influence de la vitesse d'extrusion. En ce qui concerne l'alliage 6005 à chenilles, la vitesse d'extrusion augmente dans la plage de test, la température de sortie augmente et le nombre de particules de traction de surface augmente et devient plus lourd à mesure que les lignes mécaniques augmentent. La vitesse d'extrusion doit être maintenue aussi stable que possible pour éviter des changements brusques de vitesse. Une vitesse d'extrusion excessive et une température de sortie élevée entraîneront une friction accrue et une traction importante des particules. Le mécanisme spécifique de l’impact de la vitesse d’extrusion sur le phénomène de tirage nécessite un suivi et une vérification ultérieurs.
(7) La qualité de surface de la tige coulée est également un facteur important affectant les particules de traction. La surface de la tige coulée est rugueuse, avec des bavures de sciage, des taches d'huile, de la poussière, de la corrosion, etc., qui augmentent toutes la tendance à tirer les particules.
4 Conclusion
(1) La composition des défauts d’arrachage 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 de traction sont principalement causés par l'aluminium collant à la courroie de travail du moule. Tous les facteurs favorisant l'adhérence de l'aluminium à la courroie de travail du moule entraîneront des défauts de traction. Dans le but d'assurer la qualité de la tige coulée, la génération de particules de traction n'a pas d'impact direct sur la composition de l'alliage.
(3) Un traitement au feu uniforme et approprié est bénéfique pour réduire l’arrachement de la surface.
Heure de publication : 10 septembre 2024
