擠壓鋁型材表面拉毛形成原因分析

曹振華，梁 宇，韓世濤，魏鳳林，許 成

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

在鋁型材的擠壓生產(chǎn)中，不同程度的存在一些微小顆粒狀凸起吸附在型材表面上，手摸有觸感，影響了氧化、電泳涂漆及噴涂型材的表面美觀，降低了生產(chǎn)效率和成品率。缺陷起始于劃傷條紋，在劃道的末尾積累成金屬瘤，稱為帶金屬瘤的拉毛缺陷，又稱麻面、拉毛顆粒，有的拉毛尾端沒有金屬瘤，稱為普通拉毛[1-2]。拉毛尺寸一般在0.5mm～5.0mm，在高倍下為沿擠壓方向臺階狀劃傷，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)拉毛缺陷在擠壓制品表面普遍存在，但小的普通拉毛不會影響表面質(zhì)量，大的拉毛缺陷尤其是帶金屬瘤的拉毛在氧化處理后呈暗黑色，影響型材美觀[3-4]。因此，本文對其形成機制進行分析，以便采取措施，減少或杜絕此類型材表面缺陷的出現(xiàn)。

1 試驗方法

本文著重從以下三個方面研究拉毛缺陷形成原因：

(1)研究合金成分差異對拉毛顆粒的影響。試驗選用6005內(nèi)控、6005A氧化、6060內(nèi)控三種合金棒材擠壓相同斷面，通過直讀光譜儀、SEM等檢測手段對拉毛位置進行形貌與成分分析，并與周圍正?；w對比，試驗合金成分見表1。

(2)研究擠壓工藝對拉毛顆粒的影響。通過改變擠壓速度與鑄棒棒溫控制調(diào)節(jié)型材出口溫度，來觀察表面拉毛顆粒情況。

(3)研究鑄棒表面粗糙度對拉毛形成的影響。試驗選取車削刀痕深度不同的兩種鑄棒，對比其擠壓后產(chǎn)品拉毛情況。

表1 合金成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 拉毛外觀形貌

由于型材需要進行平光氧化，帶金屬瘤的拉毛缺陷經(jīng)氧化后呈黑色，影響表面質(zhì)量，而普通拉毛經(jīng)氧化后不明顯，故主要對帶金屬瘤的拉毛進行分析。目視觀察，拉毛前段有臺階狀劃傷，并以堆疊狀瘤狀物收尾，出現(xiàn)瘤狀物后表面歸于正常。拉毛缺陷位置手觸不光滑，有尖刺感，粘附或堆積在型材表面。通過擠壓試驗整體觀察，6005、6005A、6060擠壓型材中拉毛形貌相近，制品尾端多于頭端；不同之處在于6060整體拉毛尺寸較小，劃傷深度減弱，這可能與試驗合金成分、鑄棒狀態(tài)、模具條件發(fā)生改變有關(guān)。如圖1所示，25×下拉毛處前端有明顯劃傷痕跡，沿擠壓方向拉長，收尾瘤狀顆粒形狀不規(guī)則；500×下，拉毛前端為沿擠壓方向臺階狀劃傷，缺陷尺寸約120μm，尾端瘤狀顆粒上呈現(xiàn)明顯的堆疊痕跡。

圖1 拉毛缺陷的表面形貌照片

2.2 擠壓速度與出口溫度

試驗中，前4支擠壓速度在12.5m/min時表面有大量顆粒，一經(jīng)提速至24m/min，顆粒數(shù)量減少，但對拉毛影響不明顯，說明擠壓速度快時，縮短摩擦?xí)r間，可以減輕表面顆粒數(shù)量。試驗期間出口溫度由510℃升至530℃，相應(yīng)擠壓制品表面質(zhì)量下降，且速度波動造成色差及拉毛較重的現(xiàn)象。擠壓條件不變時，出口溫度升高主要源自于金屬與模具的摩擦，同時在勻速擠壓時理論上出口溫度恒定，但擠壓速度越快，熱量傳導(dǎo)時間不足，熱量不能散失，共同導(dǎo)致工作帶與制品接觸處溫度升高。表層金屬依附在模具死區(qū)內(nèi)，局部變形的破碎物隨擠壓沉積在模具工作帶粘鋁層中，當溫度更高時鋁合金強度低，有利于粘鋁層的剝離，所以導(dǎo)致隨著擠壓數(shù)量增加，模具溫度維持在較高的溫度，拉毛加重。判斷工作帶溫度超過一定范圍加速粘鋁層剝離是拉毛加重的主要原因。

2.3 成分分析

對缺陷處及附近基體區(qū)域進行EDX，采用直讀光譜檢測原理缺陷的基體合金成分，如圖2所示。

(a) 6005合金 (b) 6060合金

表2、表3分別為6005合金和6060合金型材的成分測試結(jié)果，由于6005A的測試結(jié)果與6005類似，因此不再贅述。EDX結(jié)果表明，拉毛堆疊表面除了O、C偏高外與基體成分基本相近，但較直讀光譜檢測的成分Si、Mg含量均偏高；在拉毛尾部金屬瘤周圍處堆積了一些細小的雜質(zhì)顆粒，雜質(zhì)顆粒中含C、O(或Cl)，或Fe、Si、S。此外，6060缺陷處的Si含量較6005/6005A低。

表2 6005合金拉毛處成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表3 6060合金拉毛處成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.4 鑄錠表面粗糙度的影響

試驗中發(fā)現(xiàn)，6005/6005A鑄棒車皮后表面粗糙并沾有灰塵，有兩根鑄棒的局部位置車削刀痕深最深，對應(yīng)擠壓后拉毛數(shù)量明顯增加，且單個拉毛尺寸較大，如圖3所示。而6060鑄棒未車皮，表面粗糙度較低，拉毛數(shù)量降低；此外，由于沒有多余的切削液附著在鑄棒車痕里，相應(yīng)顆粒中C含量降低，證明鑄棒表層的車削痕(增大鑄棒表面粗糙度)在一定程度上會加重拉毛、顆粒形成。

(a) 鑄棒 (b)擠壓型材

2.5 結(jié)果分析

經(jīng)對6005內(nèi)控、6005A精致氧化、6060內(nèi)控擠壓型材的拉毛缺陷分析可知，帶金屬瘤的拉毛尺寸較大(1mm～5mm)，表面多呈堆疊形貌，致密性差，前段有臺階狀的劃傷；金屬瘤的成分與Al基體接近，其周圍分布Fe、Si、C、O含量高的異質(zhì)顆粒。說明三種合金的拉毛形成機制相同。

擠壓過程中，金屬流動摩擦?xí)偈鼓＞吖ぷ鲙囟壬?，在工作帶入口的刃口處形成“粘鋁層”，同時鋁合金中過剩Si及Mn、Cr等其他元素易與Fe形成置換固溶體，均會促使在模具工作帶入口“粘鋁層”的形成。隨著金屬向前流動，與工作帶之間相互摩擦，在某一位置出現(xiàn)不斷粘結(jié)-撕開-粘結(jié)的往復(fù)現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬在此位置不斷疊加，當顆粒增大到一定尺寸時，會被流動的制品拉走并在金屬表面形成劃傷痕跡，殘留于金屬表面在劃傷末端形成帶金屬瘤的拉毛缺陷。因此，可以認為其形成主要與模具工作帶粘鋁有關(guān)，其周圍分布的異質(zhì)相可能來源于外部潤滑油、灰塵顆?；蜩T錠粗糙表面帶來的雜質(zhì)及鑄錠氧化皮、內(nèi)部硬質(zhì)相。

相比之下，6060試驗結(jié)果中拉毛數(shù)量較少、程度較輕，一方面由于模具工作帶出口處進行倒角，并對工作帶進行仔細拋光，減少粘鋁層厚度；另一方面與Si含量有關(guān)，除了與Mg結(jié)合形成Mg2Si外，剩余的Si含量從高到低依次為6005(0.41%)、6005A(0.26%)、6060(0.16%)，這與拉毛缺陷檢測的成分趨勢相同。

3 結(jié)論

(1)拉毛缺陷前端有明顯沿擠壓方向臺階狀劃傷痕跡，收尾瘤狀顆粒形狀不規(guī)則；

(2)擠壓溫度過高，導(dǎo)致擠壓制品表面質(zhì)量下降，且速度波動造成色差及拉毛較重的現(xiàn)象；

(3)拉毛缺陷表面O、C偏高，雜質(zhì)顆粒中含C、O(或Cl)，或Fe、Si、S；6060合金缺陷處的Si含量較6005、6005A低；

(4)鑄棒表層的車削痕越多，即表面粗糙度越大，導(dǎo)致拉毛、顆粒缺陷加重。