擠壓鋁型材表面拉毛形成原因分析

康杰

吉林利源精制股份有限公司 吉林 遼源 136200

引言

鋁型材擠壓生產(chǎn)過(guò)程中，存在不同程度的微小顆粒狀凸，吸附于型材表面，用手摸會(huì)有一定的觸感，這種現(xiàn)象不僅會(huì)嚴(yán)重影響氧化、電泳涂漆以及噴涂型材表面的美觀(guān)性，還會(huì)大大降低生產(chǎn)效率和成品率。缺陷始于劃痕條紋，于劃道的收尾處經(jīng)過(guò)積累，形成金屬瘤，而這種金屬瘤就叫作帶金屬瘤的拉毛缺陷，也被人們稱(chēng)之為麻面，或者拉毛顆粒，一些拉毛尾端不存在金屬瘤，叫作普通拉毛[1]。拉毛尺寸通常在0.5-5.0mm之間，高倍下，沿著擠壓的方向呈現(xiàn)出臺(tái)階狀的劃痕，相關(guān)研究表明，拉毛缺陷普遍存在于擠壓制品表面，小普通拉毛對(duì)表明質(zhì)量的影響不是很大，而大拉毛缺陷，特別是帶金屬瘤的拉毛，在氧化處理后，呈現(xiàn)出暗黑顏色，會(huì)影響型材的美觀(guān)性?；诖耍P者對(duì)其形成機(jī)制展開(kāi)了深入的分析，以便采取措施，最大限度地降低此類(lèi)型材表面缺陷的發(fā)生率。

1 試驗(yàn)方法

筆者主要從三個(gè)方面著手，對(duì)拉毛缺陷形成的原因進(jìn)行了研究與分析，具體內(nèi)容如下：

1.1 合金成分差異對(duì)拉毛顆粒的影響研究

選擇三種合金棒對(duì)同樣的斷面進(jìn)行擠壓操作，合金棒分別為6005內(nèi)控、6060內(nèi)控和6005A氧化。借助直讀光譜儀、掃描電鏡等檢測(cè)手段，分析了特定位置的磨損形成和形貌，并與周?chē)；w進(jìn)行了比較。表1顯示了試驗(yàn)合金的成分。

表1 合金成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 擠壓工藝對(duì)拉毛顆粒影響研究

型材出口溫度的調(diào)控，通過(guò)改變擠壓速度和鑄棒溫度，觀(guān)察了表面拉毛顆粒的具體情況。

1.3 分析鑄棒表面粗糙程度對(duì)拉毛形成造成的影響

選擇了兩種車(chē)削刀痕不同深度的鑄棒進(jìn)行測(cè)試，比較擠壓之后的產(chǎn)品產(chǎn)生拉毛的情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉毛外觀(guān)形貌

型材需要平光氧化處理，帶有金屬瘤的拉毛缺陷受氧化以后，顏色呈黑色，這樣，會(huì)對(duì)表面質(zhì)量造成十分不利的影響，相反普通拉毛在經(jīng)過(guò)氧化之后，并沒(méi)有明顯的變化，因此，分析研究金屬瘤拉毛缺陷。目測(cè)發(fā)現(xiàn)拉毛前端有臺(tái)階狀劃痕，末尾處呈堆疊狀、瘤狀物，瘤狀物出現(xiàn)以后，表面恢復(fù)正常。拉毛缺陷部位用手觸摸比較粗糙，并帶有尖刺感，堆積或者粘貼在型材的表面[2]。對(duì)擠壓試驗(yàn)進(jìn)行總體觀(guān)察分析可知，6005、6060和6005A擠壓型材當(dāng)中的拉毛外形比較相似，產(chǎn)品末尾一處超出前端。而不同的地方為 6060整體拉毛尺寸相對(duì)偏小，劃痕深度減小，通過(guò)研究表明，這可能與試驗(yàn)合金成分模具條件以及鑄棒狀態(tài)改變相關(guān)。如圖1所示，25×下，拉毛前端具有非常明顯的劃傷，沿著擠壓方向延伸，末端瘤狀顆粒形狀不規(guī)則；500×下，拉毛前端有臺(tái)階狀劃痕，沿?cái)D壓方向，缺陷尺寸大概在120μm左右，尾端瘤狀顆粒可見(jiàn)明顯堆痕。

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(yàn)正式實(shí)施前，前4支擠壓速度為12.5m/min時(shí)，表面出現(xiàn)大量的顆粒，將速度提高到24m/min，顆粒數(shù)量會(huì)變少，但是對(duì)拉毛的影響不是很明顯，這說(shuō)明，當(dāng)擠壓速度較快時(shí)，減短摩擦?xí)r間，能夠減少表面顆粒數(shù)量。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)出口溫度從510℃變?yōu)?30℃時(shí)，擠壓產(chǎn)品的表面質(zhì)量降低，出現(xiàn)速度波動(dòng)情況，導(dǎo)致色差和嚴(yán)重拉毛缺陷。在擠壓條不發(fā)生任何變化情況下，出口溫度的升高主要是由于金屬與模具之間的摩擦[3]。理論上，均勻擠壓過(guò)程中出口溫度保持不變，但擠壓速度越快，導(dǎo)熱時(shí)間越短，從而致使熱量得不到有效散失，最終使得工作帶和產(chǎn)品接觸部位的溫度上升。表面金屬黏附在模具死區(qū)，局部變形的破碎物體隨著擠壓而增大，沉積到模具工作黏鋁層中，對(duì)黏鋁層剝離比較有利的條件就是高溫下，鋁合金強(qiáng)度降低。因此，模具溫度隨著擠壓次數(shù)的增多，模具溫度較高，從而加重拉毛現(xiàn)象。可以得出結(jié)論，拉毛加劇的主要原因是工作區(qū)溫度超過(guò)一定范圍，加速了鋁層的剝落。

2.3 成分分析

針對(duì)缺陷位置和周?chē)w區(qū)域，采取EDX，利用直讀光譜檢測(cè)原理缺陷的基體合金成分。表2為6005合金拉毛處成分測(cè)試結(jié)果，表3為6060合金拉毛處成分測(cè)試結(jié)果。基于6005A測(cè)試結(jié)果和6005相近，所以在此不做相關(guān)贅述。EDX結(jié)果證明，拉毛堆疊表面除O、C 相對(duì)偏高以外，與基體成分幾乎類(lèi)似，但是，與直讀光譜檢測(cè)成分 Si、Mg 含量相比，都比較高；一些細(xì)小的雜質(zhì)顆粒聚集在拉毛尾部的金屬瘤周?chē)?。雜質(zhì)顆粒中含有C、O（或CL）或Fe、Si、S。此外，6060缺陷的Si含量低于6005/6005a缺陷的Si含量。

表2 6005合金拉毛處成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 6060合金拉毛處成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.4 鑄錠表面粗糙度的影響

試驗(yàn)表面，6005、6005A鑄棒進(jìn)行車(chē)皮操作之后，表面不光滑，且?guī)в谢覊m，其中有兩根鑄棒的局部位置的車(chē)削刀痕深度是最深的，擠壓后拉毛數(shù)量增多明顯。而且單個(gè)拉毛的尺寸比較大。而沒(méi)有經(jīng)過(guò)車(chē)皮處理的6060鑄棒，表面相對(duì)光滑一些，拉毛數(shù)量減少。除此以外，多出來(lái)的切削液附著在鑄棒車(chē)痕里，相應(yīng)顆粒中C含量降低，證明鑄棒表層的車(chē)削痕( 增大鑄棒表面粗糙度) 在一定程度上會(huì)加重拉毛、顆粒形成。

2.5 結(jié)果分析

對(duì)6005內(nèi)控、6060內(nèi)控以及6005A精致氧化擠壓型材拉毛缺陷分析研究可以發(fā)現(xiàn)，帶有金屬瘤的拉毛尺寸偏大，具體為1-5mm，表面呈現(xiàn)出堆疊形貌，前段出現(xiàn)臺(tái)階形狀的劃傷，致密性不好。金屬瘤成分和Al的成分大體上相近，它的周?chē)植贾芏嗪扛叩牟煌再|(zhì)的顆粒，如Fe、Si、O和C等。這充分說(shuō)明三種合金拉毛形成的機(jī)制是一樣的[4]。擠壓期間，金流動(dòng)摩擦?xí)岣吖ぷ鼽c(diǎn)溫度，在工作帶入口刃口處形成黏鋁層，與此同時(shí)，鋁合金中含有的過(guò)量的Si、Mn以及Cr等原色，容易和Fe形成置換固溶體，這些都會(huì)導(dǎo)致模具工作帶入口形成黏鋁層。金屬不斷向前發(fā)生移動(dòng)，和工作帶之間產(chǎn)生摩擦，在某一部位產(chǎn)生黏結(jié)、撕開(kāi)黏結(jié)反復(fù)情況，致使金屬該部位處不斷的疊加，顆粒尺寸增加道一定程度時(shí)，流動(dòng)制品會(huì)將其帶走，同時(shí)形成劃痕在金屬表面，金屬表面劃傷端形成帶金屬瘤的拉毛缺陷。對(duì)此可認(rèn)為其形成主要與模具工作區(qū)的鋁黏附有關(guān)。分布在其周?chē)姆蔷嗫赡軄?lái)自外部潤(rùn)滑油、灰塵顆?；蜩T錠粗糙表面帶來(lái)的雜質(zhì)，以及鑄錠的氧化皮和內(nèi)部硬相。

相比之下，6060試驗(yàn)結(jié)果中的粗化次數(shù)少，程度輕。一方面，由于模具工作帶出口處的倒角和工作帶的仔細(xì)拋光，鋁層厚度減?。涣硪环矫?，它與硅含量有關(guān)。除Mg2 Si與Mg結(jié)合形成外，其余Si含量由高到低依次為6005（0.41%）、6005A（0.26%）和6060（0.16%），與粗化缺陷檢測(cè)的成分趨勢(shì)一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

拉毛缺陷前端出現(xiàn)明顯的、沿?cái)D壓方向臺(tái)的階狀劃痕跡收尾瘤狀顆粒呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀；較高溫的擠下，擠壓制品表面質(zhì)量受到影響，同時(shí)出現(xiàn)速度波動(dòng)，造成色差、拉毛嚴(yán)重； 拉毛缺陷的表面O、C含量比較較高，雜質(zhì)顆粒中含有C、O，或者Fe、Si、s；6060合金缺陷處Si含量低于6005和6005A；鑄棒表層的車(chē)削痕越多，即表面粗糙度越大導(dǎo)致拉毛、顆粒缺陷加重。