Durante o processo de extrusão de materiais extrudados em liga de alumínio, especialmente perfis de alumínio, frequentemente ocorre um defeito de "pitting" na superfície. As manifestações específicas incluem tumores muito pequenos com densidades variadas, formação de rejeitos e sensação perceptível ao toque, com uma sensação de espinhos. Após oxidação ou tratamento de superfície eletroforético, frequentemente aparecem como grânulos pretos aderidos à superfície do produto.
Na produção de extrusão de perfis de seção grande, esse defeito tem maior probabilidade de ocorrer devido à influência da estrutura do lingote, temperatura de extrusão, velocidade de extrusão, complexidade do molde, etc. A maioria das partículas finas de defeitos pontuais pode ser removida durante o processo de pré-tratamento da superfície do perfil, especialmente o processo de corrosão alcalina, enquanto um pequeno número de partículas grandes e firmemente aderidas permanecem na superfície do perfil, afetando a qualidade da aparência do produto final.
Em produtos comuns de perfis de portas e janelas de construção, os clientes geralmente aceitam pequenos defeitos de corrosão, mas para perfis industriais que exigem igual ênfase em propriedades mecânicas e desempenho decorativo ou mais ênfase em desempenho decorativo, os clientes geralmente não aceitam esse defeito, especialmente defeitos de corrosão que são inconsistentes com a cor de fundo diferente.
Para analisar o mecanismo de formação de partículas rugosas, foram analisadas a morfologia e a composição dos locais de defeitos sob diferentes composições de liga e processos de extrusão, e as diferenças entre os defeitos e a matriz foram comparadas. Uma solução razoável para resolver eficazmente as partículas rugosas foi proposta e um teste experimental foi realizado.
Para solucionar os defeitos por pites em perfis, é necessário compreender o mecanismo de formação dos defeitos por pites. Durante o processo de extrusão, a aderência do alumínio à correia de trabalho da matriz é a principal causa de defeitos por pites na superfície dos materiais de alumínio extrudados. Isso ocorre porque o processo de extrusão do alumínio é realizado a uma temperatura elevada de cerca de 450 °C. Se os efeitos do calor de deformação e do calor de atrito forem adicionados, a temperatura do metal será mais elevada ao fluir para fora do furo da matriz. Quando o produto flui para fora do furo da matriz, devido à alta temperatura, ocorre um fenômeno de aderência do alumínio entre o metal e a correia de trabalho do molde.
A forma dessa ligação geralmente é: um processo repetido de ligação – rompimento – ligação – rompimento novamente, e o produto flui para a frente, resultando em muitas pequenas cavidades na superfície do produto.
Esse fenômeno de ligação está relacionado a fatores como a qualidade do lingote, a condição da superfície da correia de trabalho do molde, a temperatura de extrusão, a velocidade de extrusão, o grau de deformação e a resistência à deformação do metal.
1 Materiais e métodos de teste
Por meio de pesquisas preliminares, descobrimos que fatores como pureza metalúrgica, estado do molde, processo de extrusão, ingredientes e condições de produção podem afetar a rugosidade da superfície das partículas. No teste, duas barras de liga, 6005A e 6060, foram utilizadas para extrudar a mesma seção. A morfologia e a composição das posições das partículas rugosas foram analisadas por meio de espectrômetro de leitura direta e métodos de detecção por MEV, e comparadas com a matriz normal circundante.
Para distinguir claramente a morfologia dos dois defeitos de partículas e picadas, eles são definidos da seguinte forma:
(1) Defeitos com pites ou defeitos de tração são um tipo de defeito pontual, que consiste em um arranhão irregular, semelhante a um girino ou a uma ponta, que aparece na superfície do perfil. O defeito começa na faixa de arranhão e termina com a queda do defeito, acumulando-se em grãos metálicos na extremidade da linha de arranhão. O tamanho do defeito com pites é geralmente de 1 a 5 mm e, após o tratamento de oxidação, torna-se preto-escuro, o que acaba afetando a aparência do perfil, conforme mostrado no círculo vermelho na Figura 1.
(2) As partículas de superfície também são chamadas de grãos metálicos ou partículas de adsorção. A superfície do perfil de liga de alumínio é fixada com partículas esféricas de metal duro cinza-escuro e possui uma estrutura solta. Existem dois tipos de perfis de liga de alumínio: aqueles que podem ser limpos e aqueles que não podem ser limpos. O tamanho é geralmente inferior a 0,5 mm e a textura é áspera ao toque. Não há arranhões na parte frontal. Após a oxidação, não se diferencia muito da matriz, como mostrado no círculo amarelo na Figura 1.
2 Resultados e análises de testes
2.1 Defeitos de tração de superfície
A Figura 2 mostra a morfologia microestrutural do defeito de tração na superfície da liga 6005A. Há arranhões em forma de degrau na parte frontal da tração, que terminam com nódulos empilhados. Após o aparecimento dos nódulos, a superfície retorna ao normal. A localização do defeito de rugosidade não é lisa ao toque, tem uma sensação pontiaguda e adere ou acumula-se na superfície do perfil. Através do teste de extrusão, observou-se que a morfologia de tração dos perfis extrudados 6005A e 6060 é semelhante, e a extremidade final do produto é maior que a extremidade final; a diferença é que o tamanho geral da tração do 6005A é menor e a profundidade do arranhão é enfraquecida. Isso pode estar relacionado a mudanças na composição da liga, estado da barra fundida e condições do molde. Observado em 100X, há marcas de arranhões evidentes na extremidade frontal da área de extração, que é alongada ao longo da direção de extrusão, e o formato das partículas nodulares finais é irregular. Em 500X, a extremidade frontal da superfície de extração apresenta arranhões em forma de degrau ao longo da direção de extrusão (o tamanho desse defeito é de cerca de 120 μm), e há marcas de empilhamento evidentes nas partículas nodulares na extremidade final.
Para analisar as causas do puxamento, espectrômetro de leitura direta e EDX foram utilizados para realizar a análise de componentes nos locais dos defeitos e na matriz dos três componentes da liga. A Tabela 1 mostra os resultados do teste do perfil 6005A. Os resultados de EDX mostram que a composição da posição de empilhamento das partículas puxadoras é basicamente semelhante à da matriz. Além disso, algumas partículas finas de impurezas se acumulam dentro e ao redor do defeito de puxamento, e as partículas de impurezas contêm C, O (ou Cl), ou Fe, Si e S.
A análise dos defeitos de rugosidade dos perfis extrudados oxidados finos de 6005A mostra que as partículas de tração são grandes (1-5 mm), a superfície é predominantemente empilhada e há riscos em forma de degrau na seção frontal. A composição é próxima à da matriz de Al, e haverá fases heterogêneas contendo Fe, Si, C e O distribuídas ao redor dela. Isso mostra que o mecanismo de formação de tração das três ligas é o mesmo.
Durante o processo de extrusão, o atrito do fluxo de metal fará com que a temperatura da correia de trabalho do molde aumente, formando uma "camada pegajosa de alumínio" na aresta de corte da entrada da correia de trabalho. Ao mesmo tempo, o excesso de Si e outros elementos, como Mn e Cr, na liga de alumínio, facilmente formam soluções sólidas de substituição com Fe, o que promoverá a formação de uma "camada pegajosa de alumínio" na entrada da zona de trabalho do molde.
À medida que o metal flui para frente e atrita contra a correia de trabalho, um fenômeno recíproco de ligação-ruptura-ligação contínua ocorre em uma determinada posição, fazendo com que o metal se sobreponha continuamente nessa posição. Quando as partículas aumentam até um determinado tamanho, elas são puxadas pelo produto que flui e formam marcas de arranhões na superfície metálica. Elas permanecem na superfície metálica e formam partículas de tração no final do arranhão. Portanto, pode-se considerar que a formação de partículas rugosas está principalmente relacionada à aderência do alumínio à correia de trabalho do molde. As fases heterogêneas distribuídas ao redor podem ser originárias de óleo lubrificante, óxidos ou partículas de poeira, bem como impurezas trazidas pela superfície rugosa do lingote.
No entanto, o número de puxadas nos resultados do teste 6005A é menor e o grau é mais leve. Por um lado, isso se deve ao chanfro na saída da correia de trabalho do molde e ao polimento cuidadoso da correia de trabalho para reduzir a espessura da camada de alumínio; por outro lado, está relacionado ao excesso de Si.
De acordo com os resultados da composição espectral de leitura direta, pode-se observar que além do Si combinado com Mg Mg2Si, o Si restante aparece na forma de uma substância simples.
2.2 Pequenas partículas na superfície
Em uma inspeção visual de baixa ampliação, as partículas são pequenas (≤ 0,5 mm), não são lisas ao toque, têm uma sensação de nitidez e aderem à superfície do perfil. Observadas em uma ampliação de 100X, pequenas partículas na superfície são distribuídas aleatoriamente, e há partículas de pequeno porte aderidas à superfície, independentemente de haver ou não arranhões;
Em 500X, independentemente de haver riscos evidentes em forma de degrau na superfície ao longo da direção de extrusão, muitas partículas ainda estão aderidas e os tamanhos das partículas variam. O maior tamanho de partícula é de cerca de 15 μm, e as partículas menores, de cerca de 5 μm.
Através da análise da composição das partículas da superfície da liga 6060 e da matriz intacta, as partículas são compostas principalmente por elementos O, C, Si e Fe, e o teor de alumínio é muito baixo. Quase todas as partículas contêm elementos O e C. A composição de cada partícula é ligeiramente diferente. Entre elas, as partículas a são próximas a 10 μm, o que é significativamente maior do que a matriz Si, Mg e O; Nas partículas c, Si, O e Cl são obviamente maiores; As partículas d e f contêm altos teores de Si, O e Na; as partículas e contêm Si, Fe e O; as partículas h são compostos contendo Fe. Os resultados das partículas 6060 são semelhantes a este, mas como o teor de Si e Fe em 6060 em si é baixo, os teores correspondentes de Si e Fe nas partículas da superfície também são baixos; o teor de C nas partículas 6060 é relativamente baixo.
Partículas superficiais podem não ser partículas pequenas isoladas, mas também podem existir na forma de agregados de muitas partículas pequenas com diferentes formatos, e as porcentagens em massa dos diferentes elementos em diferentes partículas variam. Acredita-se que as partículas sejam compostas principalmente de dois tipos. Um deles são os precipitados, como AlFeSi e Si elementar, que se originam de fases de impurezas de alto ponto de fusão, como FeAl3 ou AlFeSi(Mn), no lingote, ou fases precipitadas durante o processo de extrusão. O outro são as matérias estranhas aderentes.
2.3 Efeito da rugosidade da superfície do lingote
Durante o teste, constatou-se que a superfície traseira do torno de haste fundida 6005A estava áspera e manchada de poeira. Havia duas hastes fundidas com as marcas mais profundas de ferramentas de torneamento em locais específicos, o que correspondeu a um aumento significativo no número de puxadas após a extrusão, e o tamanho de uma única puxada era maior, como mostrado na Figura 7.
A barra fundida 6005A não possui torneamento, portanto, a rugosidade da superfície é baixa e o número de puxamentos é reduzido. Além disso, como não há excesso de fluido de corte aderido às marcas de torneamento da barra fundida, o teor de C nas partículas correspondentes é reduzido. Está comprovado que as marcas de torneamento na superfície da barra fundida agravam, até certo ponto, o puxamento e a formação de partículas.
3 Discussão
(1) Os componentes dos defeitos de extração são basicamente os mesmos da matriz. São partículas estranhas, película velha na superfície do lingote e outras impurezas acumuladas na parede do cilindro de extrusão ou na área morta do molde durante o processo de extrusão, que são trazidas para a superfície metálica ou para a camada de alumínio da correia de trabalho do molde. À medida que o produto flui para frente, arranhões na superfície são causados e, quando o produto se acumula até um determinado tamanho, é removido pelo produto para formar a extração. Após a oxidação, a extração foi corroída e, devido ao seu grande tamanho, surgiram defeitos semelhantes a pites.
(2) As partículas superficiais às vezes aparecem como pequenas partículas isoladas e, às vezes, existem em forma agregada. Sua composição é obviamente diferente daquela da matriz e contém principalmente elementos O, C, Fe e Si. Algumas das partículas são dominadas por elementos O e C, e algumas partículas são dominadas por O, C, Fe e Si. Portanto, infere-se que as partículas superficiais vêm de duas fontes: uma são precipitados como AlFeSi e Si elementar, e impurezas como O e C estão aderidas à superfície; a outra é matéria estranha aderente. As partículas são corroídas após a oxidação. Devido ao seu pequeno tamanho, elas não têm nenhum ou pouco impacto na superfície.
(3) Partículas ricas em elementos C e O provêm principalmente de óleo lubrificante, poeira, solo, ar, etc., aderidos à superfície do lingote. Os principais componentes do óleo lubrificante são C, O, H, S, etc., e o principal componente da poeira e do solo é o SiO₂. O teor de O das partículas superficiais é geralmente alto. Como as partículas estão em um estado de alta temperatura imediatamente após saírem da correia de trabalho e devido à grande área superficial específica das partículas, elas adsorvem facilmente átomos de O no ar e causam oxidação após o contato com o ar, resultando em um teor de O maior do que a matriz.
(4) Fe, Si, etc. vêm principalmente de óxidos, incrustações antigas e fases de impurezas no lingote (alto ponto de fusão ou segunda fase que não é totalmente eliminada pela homogeneização). O elemento Fe se origina do Fe em lingotes de alumínio, formando fases de impurezas de alto ponto de fusão, como FeAl3 ou AlFeSi(Mn), que não podem ser dissolvidas em solução sólida durante o processo de homogeneização, ou não são totalmente convertidas; o Si existe na matriz de alumínio na forma de Mg2Si ou uma solução sólida supersaturada de Si durante o processo de fundição. Durante o processo de extrusão a quente da barra fundida, o excesso de Si pode precipitar. A solubilidade do Si em alumínio é de 0,48% a 450 °C e 0,8% (% em peso) a 500 °C. O excesso de Si em 6005 é de cerca de 0,41%, e o Si precipitado pode ser agregação e precipitação causadas por flutuações de concentração.
(5) A aderência do alumínio à correia de trabalho do molde é a principal causa do estiramento. A matriz de extrusão é um ambiente de alta temperatura e alta pressão. O atrito do fluxo de metal aumenta a temperatura da correia de trabalho do molde, formando uma "camada de alumínio pegajosa" na aresta de corte da entrada da correia de trabalho.
Ao mesmo tempo, o excesso de Si e outros elementos, como Mn e Cr, na liga de alumínio facilita a formação de soluções sólidas de substituição com Fe, o que promoverá a formação de uma "camada de alumínio pegajosa" na entrada da zona de trabalho do molde. O metal que flui através da "camada de alumínio pegajosa" pertence ao atrito interno (cisalhamento deslizante dentro do metal). O metal se deforma e endurece devido ao atrito interno, o que promove a aderência do metal subjacente e do molde. Ao mesmo tempo, a correia de trabalho do molde é deformada em forma de trombeta devido à pressão, e o alumínio pegajoso formado pela parte da aresta de corte da correia de trabalho em contato com o perfil é semelhante à aresta de corte de uma ferramenta de torneamento.
A formação de alumínio pegajoso é um processo dinâmico de crescimento e desprendimento. Partículas são constantemente extraídas do perfil. Aderem à superfície do perfil, formando defeitos de tração. Se fluir diretamente para fora da correia de trabalho e for instantaneamente adsorvido na superfície do perfil, as pequenas partículas termicamente aderidas à superfície são chamadas de "partículas de adsorção". Se algumas partículas forem quebradas pela liga de alumínio extrudado, algumas partículas grudarão na superfície da correia de trabalho ao passarem por ela, causando arranhões na superfície do perfil. A extremidade final é a matriz de alumínio empilhada. Quando há muito alumínio preso no meio da correia de trabalho (a ligação é forte), isso agravará os arranhões na superfície.
(6) A velocidade de extrusão tem grande influência na tração. A influência da velocidade de extrusão. No caso da liga 6005 rastreada, a velocidade de extrusão aumenta dentro da faixa de teste, a temperatura de saída aumenta e o número de partículas de tração na superfície aumenta e se torna mais pesado à medida que as linhas mecânicas aumentam. A velocidade de extrusão deve ser mantida o mais estável possível para evitar mudanças bruscas de velocidade. Velocidade de extrusão excessiva e alta temperatura de saída levarão ao aumento do atrito e à tração grave das partículas. O mecanismo específico do impacto da velocidade de extrusão no fenômeno de tração requer acompanhamento e verificação subsequentes.
(7) A qualidade da superfície da barra fundida também é um fator importante que afeta as partículas de tração. A superfície da barra fundida é áspera, com rebarbas de serra, manchas de óleo, poeira, corrosão, etc., o que aumenta a tendência de partículas de tração.
4 Conclusão
(1) A composição dos defeitos de tração é consistente com a da matriz; a composição da posição das partículas é obviamente diferente da matriz, contendo principalmente elementos O, C, Fe e Si.
(2) Os defeitos de partículas de tração são causados principalmente pela aderência do alumínio à correia de trabalho do molde. Quaisquer fatores que promovam a aderência do alumínio à correia de trabalho do molde causarão defeitos de tração. Com a premissa de garantir a qualidade da barra fundida, a geração de partículas de tração não tem impacto direto na composição da liga.
(3) O tratamento uniforme e adequado do fogo é benéfico para reduzir a tração da superfície.
Horário da publicação: 10 de setembro de 2024
