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

鋁型材擠壓生產過程中，存在不同程度的微小顆粒狀凸，吸附于型材表面，用手摸會有一定的觸感，這種現象不僅會嚴重影響氧化、電泳涂漆以及噴涂型材表面的美觀性，還會大大降低生產效率和成品率。缺陷始于劃痕條紋，于劃道的收尾處經過積累，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出臺階狀的劃痕，相關研究表明，拉毛缺陷普遍存在于擠壓制品表面，小普通拉毛對表明質量的影響不是很大，而大拉毛缺陷，特別是帶金屬瘤的拉毛，在氧化處理后，呈現出暗黑顏色，會影響型材的美觀性?；诖耍P者對其形成機制展開了深入的分析，以便采取措施，最大限度地降低此類型材表面缺陷的發生率。

1 試驗方法

筆者主要從三個方面著手，對拉毛缺陷形成的原因進行了研究與分析，具體內容如下：

1.1 合金成分差異對拉毛顆粒的影響研究

選擇三種合金棒對同樣的斷面進行擠壓操作，合金棒分別為6005內控、6060內控和6005A氧化。借助直讀光譜儀、掃描電鏡等檢測手段，分析了特定位置的磨損形成和形貌，并與周圍正?；w進行了比較。表1顯示了試驗合金的成分。

表1 合金成分( 質量分數，%)

1.2 擠壓工藝對拉毛顆粒影響研究

型材出口溫度的調控，通過改變擠壓速度和鑄棒溫度，觀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拉毛形成造成的影響

選擇了兩種車削刀痕不同深度的鑄棒進行測試，比較擠壓之后的產品產生拉毛的情況。

2 試驗結果與分析

2.1 拉毛外觀形貌

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，會對表面質量造成十分不利的影響，相反普通拉毛在經過氧化之后，并沒有明顯的變化，因此，分析研究金屬瘤拉毛缺陷。目測發現拉毛前端有臺階狀劃痕，末尾處呈堆疊狀、瘤狀物，瘤狀物出現以后，表面恢復正常。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]。對擠壓試驗進行總體觀察分析可知，6005、6060和6005A擠壓型材當中的拉毛外形比較相似，產品末尾一處超出前端。而不同的地方為 6060整體拉毛尺寸相對偏小，劃痕深度減小，通過研究表明，這可能與試驗合金成分模具條件以及鑄棒狀態改變相關。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則；500×下，拉毛前端有臺階狀劃痕，沿擠壓方向，缺陷尺寸大概在120μm左右，尾端瘤狀顆粒可見明顯堆痕。

圖1 拉毛缺陷的表面形貌照片

2.2 擠壓速度與出口溫度

試驗正式實施前，前4支擠壓速度為12.5m/min時，表面出現大量的顆粒，將速度提高到24m/min，顆粒數量會變少，但是對拉毛的影響不是很明顯，這說明，當擠壓速度較快時，減短摩擦時間，能夠減少表面顆粒數量。試驗過程中，當出口溫度從510℃變為530℃時，擠壓產品的表面質量降低，出現速度波動情況，導致色差和嚴重拉毛缺陷。在擠壓條不發生任何變化情況下，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，均勻擠壓過程中出口溫度保持不變，但擠壓速度越快，導熱時間越短，從而致使熱量得不到有效散失，最終使得工作帶和產品接觸部位的溫度上升。表面金屬黏附在模具死區，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，對黏鋁層剝離比較有利的條件就是高溫下，鋁合金強度降低。因此，模具溫度隨著擠壓次數的增多，模具溫度較高，從而加重拉毛現象?？梢缘贸鼋Y論，拉毛加劇的主要原因是工作區溫度超過一定范圍，加速了鋁層的剝落。

2.3 成分分析

針對缺陷位置和周圍基體區域，采取EDX，利用直讀光譜檢測原理缺陷的基體合金成分。表2為6005合金拉毛處成分測試結果，表3為6060合金拉毛處成分測試結果?；?005A測試結果和6005相近，所以在此不做相關贅述。EDX結果證明，拉毛堆疊表面除O、C 相對偏高以外，與基體成分幾乎類似，但是，與直讀光譜檢測成分 Si、Mg 含量相比，都比較高；一些細小的雜質顆粒聚集在拉毛尾部的金屬瘤周圍。雜質顆粒中含有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( 質量分數，%)

表3 6060合金拉毛處成分( 質量分數，%)

2.4 鑄錠表面粗糙度的影響

試驗表面，6005、6005A鑄棒進行車皮操作之后，表面不光滑，且帶有灰塵，其中有兩根鑄棒的局部位置的車削刀痕深度是最深的，擠壓后拉毛數量增多明顯。而且單個拉毛的尺寸比較大。而沒有經過車皮處理的6060鑄棒，表面相對光滑一些，拉毛數量減少。除此以外，多出來的切削液附著在鑄棒車痕里，相應顆粒中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。

2.5 結果分析

對6005內控、6060內控以及6005A精致氧化擠壓型材拉毛缺陷分析研究可以發現，帶有金屬瘤的拉毛尺寸偏大，具體為1-5mm，表面呈現出堆疊形貌，前段出現臺階形狀的劃傷，致密性不好。金屬瘤成分和Al的成分大體上相近，它的周圍分布著很多含量高的不同性質的顆粒，如Fe、Si、O和C等。這充分說明三種合金拉毛形成的機制是一樣的[4]。擠壓期間，金流動摩擦會提高工作點溫度，在工作帶入口刃口處形成黏鋁層，與此同時，鋁合金中含有的過量的Si、Mn以及Cr等原色，容易和Fe形成置換固溶體，這些都會導致模具工作帶入口形成黏鋁層。金屬不斷向前發生移動，和工作帶之間產生摩擦，在某一部位產生黏結、撕開黏結反復情況，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，流動制品會將其帶走，同時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。對此可認為其形成主要與模具工作區的鋁黏附有關。分布在其周圍的非均相可能來自外部潤滑油、灰塵顆?；蜩T錠粗糙表面帶來的雜質，以及鑄錠的氧化皮和內部硬相。

相比之下，6060試驗結果中的粗化次數少，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拋光，鋁層厚度減?。涣硪环矫妫c硅含量有關。除Mg2 Si與Mg結合形成外，其余Si含量由高到低依次為6005（0.41%）、6005A（0.26%）和6060（0.16%），與粗化缺陷檢測的成分趨勢一致。

3 結束語

拉毛缺陷前端出現明顯的、沿擠壓方向臺的階狀劃痕跡收尾瘤狀顆粒呈現出不規則的形狀；較高溫的擠下，擠壓制品表面質量受到影響，同時出現速度波動，造成色差、拉毛嚴重； 拉毛缺陷的表面O、C含量比較較高，雜質顆粒中含有C、O，或者Fe、Si、s；6060合金缺陷處Si含量低于6005和6005A；鑄棒表層的車削痕越多，即表面粗糙度越大導致拉毛、顆粒缺陷加重。