鋁合金擠壓型材拉毛及顆粒缺陷的研究

馬 旭，程雪婷，肖 棟，程仁寨，王 丹，任偉才

（1.山東南山鋁業(yè)股份有限公司，煙臺265700；2.煙臺南山學(xué)院，煙臺265700）

0 前言

鋁合金擠壓材，特別是鋁型材在擠壓過程中，其表面上經(jīng)常會產(chǎn)生一種“麻點(diǎn)”的缺陷，生產(chǎn)中稱為“麻面”[1]。鋁合金型材麻面是指在型材表面出現(xiàn)的密度不等、帶有拖尾、非常細(xì)小的瘤狀物，手感明顯，有尖刺的感覺，氧化或電泳表面處理后，常呈現(xiàn)黑色的顆粒狀粘附在產(chǎn)品表面。在大截面型材擠壓生產(chǎn)中，受鑄錠組織、擠壓溫度、擠壓速度及模具復(fù)雜程度等因素的影響，更易產(chǎn)生該缺陷[2-4]。型材表面上的麻面缺陷可以采用預(yù)處理工序（尤其是堿蝕工序）將大部分細(xì)小的顆粒去除，少部分粒徑大、粘附牢固的顆粒則殘留在型材表面，影響最終產(chǎn)品外觀質(zhì)量。對于普通的建筑門窗型材產(chǎn)品，顧客對不嚴(yán)重的麻面缺陷一般可以接受，但對力學(xué)性能和裝飾性能要求并重或更側(cè)重于裝飾性能的工業(yè)型材，顧客一般不接受該缺陷，尤其是與底色不一致的麻面缺陷（黑色渣點(diǎn)）[4-5]。拉毛、顆粒為麻面缺陷的常見形式。本文針對拉毛、顆粒的形成機(jī)理，通過對不同合金成分與擠壓工藝下的缺陷位置進(jìn)行形貌與成分分析，對比缺陷處與基體的差異，提出了有效解決拉毛、顆粒缺陷的合理方案，并進(jìn)行了嘗試試驗(yàn)。

要解決型材麻面缺陷，必須清楚麻面缺陷的形成機(jī)制。在擠壓過程中，模具工作帶粘鋁是造成擠壓鋁材表面產(chǎn)生麻面缺陷的主要原因。這是因?yàn)殇X材的擠壓過程是在450 ℃左右的高溫下進(jìn)行的，如果加上變形熱、摩擦熱的作用，金屬在流出?？讜r(shí)的溫度會更高[6]。當(dāng)制品流出?？讜r(shí)，由于處于高溫狀態(tài)，金屬與模具工作帶存在粘鋁現(xiàn)象[7]。這種粘結(jié)的形式往往是：粘結(jié)—撕開—再粘結(jié)—再撕開的反復(fù)過程，而制品又是向前流動著的，從而在制品表面出現(xiàn)了許多小麻點(diǎn)，造成了擠壓制品表面的拉毛、顆粒缺陷[8]。這種粘結(jié)現(xiàn)象又與鑄錠質(zhì)量、模具工作帶的表面狀況、擠壓溫度、擠壓速度、變形程度以及金屬的變形抗力等因素有關(guān)。

1 試驗(yàn)材料與方法

通過前期調(diào)研了解到冶金純凈度、模具狀態(tài)、擠壓工藝、成分（難溶雜質(zhì)相）、生產(chǎn)狀況等因素可能會影響到表面拉毛、顆粒缺陷。試驗(yàn)選用6005A和6060兩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、顆粒位置進(jìn)行形貌與成分分析，并與周圍正?；w進(jìn)行對比。

為了明確區(qū)分拉毛與顆粒兩種缺陷的形貌，其定義如下：

（1）拉毛缺陷又稱麻面或毛刺，是一種在型材表面出現(xiàn)的不規(guī)則的蝌蚪狀、點(diǎn)狀劃傷缺陷。缺陷起始于劃傷條紋，至缺陷脫落為止，在劃道的末尾積累成金屬豆。拉毛尺寸一般在1～5 mm 之間，經(jīng)氧化處理后呈暗黑色，最終會影響型材美觀，如圖1 中小圈所示。

（2）顆粒缺陷又稱金屬豆或吸附顆粒。鋁合金型材表面附有球狀灰黑色硬質(zhì)顆粒金屬，結(jié)構(gòu)疏松，在鋁合金型材表面分能擦掉和擦不掉二種。尺寸一般小于0.5 mm，手觸有粗糙感，前端不帶有劃道，經(jīng)氧化后與基體差別不大，如圖1 中大圈所示。

圖1 擠壓型材表面缺陷

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面拉毛缺陷

圖2 為6005A 合金表面拉毛缺陷的顯微組織形貌。拉毛前端有臺階狀的劃傷，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(yàn)，整體觀察6005A 和6060 擠壓型材中拉毛形貌相近，制品尾端拉毛多于頭端；不同之處在于6005A 整體拉毛尺寸較小，劃傷深度減弱，這可能與合金成分、鑄棒狀態(tài)、模具條件發(fā)生改變有關(guān)。100倍下觀察發(fā)現(xiàn)，拉毛處前端有明顯劃傷痕跡，沿?cái)D壓方向拉長，收尾瘤狀顆粒形狀不規(guī)則。500倍下觀察發(fā)現(xiàn)，拉毛前端為沿?cái)D壓方向臺階狀劃傷（本缺陷尺寸約120 μm），尾端瘤狀顆粒上呈現(xiàn)明顯的堆疊痕跡。

圖2 6005A合金拉毛缺陷的表面形貌

為分析拉毛成因，分別使用直讀光譜儀和EDX對合金成分的缺陷位置及基體進(jìn)行了成分分析，表1為其中6005A型材的測試結(jié)果。EDX結(jié)果表明，拉毛顆粒堆疊位置成分與基體基本相近。此外，在拉毛缺陷及周圍處堆積了一些細(xì)小的雜質(zhì)顆粒，雜質(zhì)顆粒中含C、O（或Cl）或Fe、Si、S。

表1 6005A合金缺陷處化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

通過對6005A精致氧化擠壓型材的拉毛缺陷分析可知：拉毛顆粒尺寸較大（1～5 mm），表面多呈堆疊形貌，其前端有臺階狀的劃傷；成分與Al 基體接近，并在其周圍分布有含F(xiàn)e、Si、C、O 的異質(zhì)相。說明合金的拉毛形成機(jī)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(shí)鋁合金中過剩Si及Mn、Cr等其它元素易與Fe 形成置換固溶體，均會促使模具工作帶入口處“粘鋁層”的形成[9-11]。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(dāng)顆粒增大到一定尺寸時(shí)，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拉毛顆粒[12]。因此可以認(rèn)為拉毛顆粒的形成主要與模具工作帶粘鋁有關(guān)。其周圍分布的異質(zhì)相可能來源于潤滑油、氧化物或灰塵顆粒以及鑄錠粗糙表面帶來的雜質(zhì)。

但6005A 試驗(yàn)結(jié)果中拉毛數(shù)量較少、程度較輕，一方面是由于模具工作帶出口處進(jìn)行倒角，并對工作帶進(jìn)行仔細(xì)拋光，減少了粘鋁層厚度；另一方面與過剩Si含量有關(guān)。根據(jù)直讀光譜成分結(jié)果可知，Si除了與Mg結(jié)合形成Mg2Si外，剩余的Si以單質(zhì)形式出現(xiàn)。

2.2 表面顆粒缺陷

圖3為6060合金顆粒缺陷的表面形貌。6060鋁型材在擠壓過程中容易出現(xiàn)較多的顆粒缺陷。低倍目視，顆粒細(xì)?。ā?.5 mm），手觸不光滑，有尖刺感，粘附在型材表面。100倍下觀察發(fā)現(xiàn)，表面小顆粒隨機(jī)分布，無論有無劃痕均有小尺寸顆粒依附在表面上；500倍下觀察發(fā)現(xiàn)，無論表面沿著擠壓方向有無明顯臺階狀的劃傷，但仍附著許多顆粒，顆粒尺寸大小不一，最大顆粒尺寸約15 μm，小的顆粒約5 μm。

圖3 6060合金缺陷的表面形貌

通過6060 合金表面顆粒位置與完好基體的成分分析（見表2），發(fā)現(xiàn)顆粒主要由O、C、Si、Fe元素組成，鋁含量非常低。幾乎所有的顆粒中均含有O、C元素。各顆粒組成略有不同。其中，a顆粒接近10μm，相比基體其Si、Mg、O 明顯偏高；c顆粒， Si、O、Cl 明顯偏高；d、f 顆粒含有高的Si、O、Na；e 顆粒含有Si、Fe、O；h 顆粒含有Fe化合物。

6060 顆粒結(jié)果與此類似，但因6060 中本身Si、Fe含量低，相應(yīng)的表面顆粒中Si、Fe含量也偏低；6060顆粒中C含量相比較低。

表2 6060合金表面缺陷處化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表面顆?？赡懿皇菃我坏男☆w粒，也會以許多形狀不同的小顆粒聚集形式存在，且不同顆粒中不同元素的質(zhì)量百分比有所差異。認(rèn)為顆粒主要由兩種組成，一種是AlFeSi、單質(zhì)Si等析出物，來源于鑄錠中的FeAl3或AlFeSi（Mn）等高熔點(diǎn)雜質(zhì)相，是在擠壓過程中的析出相；另一種是粘附的外來物。

2.3 鑄錠表面粗糙度的影響

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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最深，對應(yīng)擠壓后拉毛數(shù)量明顯增加，且單個(gè)拉毛尺寸較大，如圖4所示。而6005A鑄棒未車皮時(shí)，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、顆粒缺陷的形成。

圖4 6005A合金車鑄棒車皮表面及對應(yīng)的型材表面

3 討論

（1）拉毛缺陷的成分與基體基本一致。它是擠壓過程中的外來顆粒、鑄錠表層老皮等堆積在擠壓筒壁或模具死區(qū)的雜質(zhì)，被帶到金屬表面或模具工作帶粘鋁層中，隨著制品向前流動造成表面擦劃傷，并在堆積到一定尺寸時(shí)被制品帶出形成拉毛[10]。氧化后拉毛缺陷被腐蝕掉，因尺寸較大，導(dǎo)致該處有坑狀缺陷。

（2）表面顆粒缺陷有時(shí)呈單一的小顆粒，有時(shí)也以聚集形式存在，其成分與基體明顯不同，主要含有O、C、Fe、Si元素。其中部分顆粒以O(shè)、C元素為主，部分顆粒以O(shè)、C、Fe、Si 為主。因此推斷表面顆粒有兩種來源：一種是AlFeSi、單質(zhì)Si等析出物并在表面粘附O、C 等雜質(zhì)，另一種是粘附的外來物。顆粒氧化后被腐蝕掉，因尺寸小，對表面無影響或影響很小。

（3）富含C、O 元素的顆粒主要來源于潤滑油、鑄錠表面粘附的灰塵、泥土、空氣等。潤滑油主要成分為C、O、H、S等，灰塵泥土主要組元為SiO2。表面顆粒的O 含量普遍偏高，這是由于型材在出工作帶瞬間處于高溫狀態(tài)，加之顆粒的比表面積大，與空氣接觸后容易吸附空氣中的O原子而發(fā)生氧化，導(dǎo)致O含量較基體偏高。

（4）Fe、Si等主要來源于鑄錠中的氧化物、老皮及雜質(zhì)相（高熔點(diǎn)或均火未充分消除的第二相）。Fe元素來源于鋁錠中的Fe，形成FeAl3或Al-FeSi（Mn）等高熔點(diǎn)雜質(zhì)相，在均質(zhì)過程中無法固溶，或未被充分轉(zhuǎn)化；Si 在熔鑄過程中以Mg2Si 或Si的過飽和固溶體形式存在于鋁基體中，在對鑄棒進(jìn)行熱擠壓過程中，過剩的Si 可能會析出。Si 在450 ℃時(shí)在鋁中的溶解度為0.48%，500 ℃時(shí)為0.8%。6005A 中Si 含量過剩約0.41%，析出Si 可能是濃度起伏導(dǎo)致的聚集析出。

（5）模具工作帶粘鋁是造成拉毛的主要原因。擠壓模具內(nèi)屬于高溫高壓環(huán)境，金屬流動摩擦?xí)偈鼓＞吖ぷ鲙囟壬?，在工作帶的刃口處形成“粘鋁層”。同時(shí)鋁合金中過剩Si 及Mn、Cr 等其它元素易與Fe 形成置換固溶體，亦會促使在模具工作帶刃口處“粘鋁層”的形成。金屬流過“粘鋁層”屬于內(nèi)摩擦（金屬內(nèi)部的滑移剪切），金屬由于內(nèi)摩擦產(chǎn)生變形發(fā)生加工硬化，促使底層金屬與模具粘成一體。同時(shí)模具工作帶由于受到壓力后，變形成為喇叭狀，工作帶的刃口部分接觸型材形成的粘鋁類似于車刀的刀屑瘤。粘鋁層的形成是一個(gè)成長和脫落的動態(tài)過程，不斷有顆粒被型材帶出，粘附在型材表面上，形成拉毛缺陷。如果直接流出工作帶，瞬間吸附在型材表面，這種熱粘貼在表面的小顆粒為“吸附顆?！?。如果一些微粒被擠出的鋁合金拉斷，在經(jīng)過工作帶時(shí)，部分顆粒粘結(jié)在工作帶表面，造成型材表面劃傷，尾端為堆疊的鋁基體。工作帶中間粘鋁量多時(shí)（粘結(jié)牢靠），會加重表面擦劃傷。

（6）擠壓速度對拉毛缺陷有很大影響。就跟蹤的6005A合金而言，試驗(yàn)范圍內(nèi)擠壓速度增加，出口溫度隨之增加，表面拉毛缺陷數(shù)量增多且隨著機(jī)械紋的加重而加重。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡量保持?jǐn)D壓速度穩(wěn)定，避免速度忽快忽慢。擠壓速度過快、出口溫度過高會導(dǎo)致摩擦加重，拉毛顆粒嚴(yán)重。

（7）鑄棒的表面質(zhì)量也是影響拉毛及顆粒缺陷的重要因素。鑄棒表面粗糙，有鋸削飛邊、油污、灰塵、腐蝕等，這些因素均會加重拉毛、顆粒缺陷的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）拉毛缺陷的成分與基體一致；顆粒缺陷成分與基體明顯不同，主要含有O、C、Fe、Si元素。

（2）拉毛、顆粒缺陷主要是模具工作帶粘鋁造成，任何促使模具工作帶粘鋁的因素均會造成表面缺陷。在保證鑄棒質(zhì)量的前提下，拉毛、顆粒缺陷的產(chǎn)生與合金成分無直接影響。

（3）對鑄棒進(jìn)行適當(dāng)?shù)木鹛幚碛欣跍p輕表面拉毛、顆粒缺陷的產(chǎn)生。