アルミニウム合金押出材、特にアルミニウム形材の押出工程では、表面に「ピット」と呼ばれる欠陥がしばしば発生します。具体的な症状としては、密度の異なる微小な腫瘍、テーリング、そして手触りが明らかに悪く、とげとげとした感触などが挙げられます。酸化処理や電気泳動表面処理を施すと、製品の表面に付着した黒い粒状物として現れることがよくあります。
大断面プロファイルの押し出し生産では、インゴット構造、押し出し温度、押し出し速度、金型の複雑さなどの影響により、この欠陥が発生する可能性が高くなります。 ピット欠陥の微細粒子のほとんどは、プロファイル表面の前処理プロセス、特にアルカリエッチングプロセス中に除去できますが、少数の大きな粒子がしっかりと付着してプロファイル表面に残り、最終製品の外観品質に影響を与えます。
通常の建築ドアや窓のプロファイル製品では、顧客は一般に小さな穴あき欠陥を許容しますが、機械的特性と装飾性能を同等に重視するか、装飾性能をより重視する必要がある工業用プロファイルの場合、顧客は一般にこの欠陥、特に異なる背景色と一致しない穴あき欠陥を許容しません。
粗粒粒子の形成メカニズムを解析するため、異なる合金組成および押出プロセスにおける欠陥発生箇所の形態と組成を分析し、欠陥と母材との差異を比較した。粗粒粒子を効果的に解決するための合理的な解決策を提案し、試作試験を実施した。
プロファイルの孔食欠陥を解決するには、孔食欠陥の発生メカニズムを理解する必要があります。押出工程において、アルミニウムがダイスワークベルトに付着することが、押出されたアルミニウム材料の表面に孔食欠陥が発生する主な原因です。これは、アルミニウムの押出工程が約450℃の高温で行われるためです。変形熱と摩擦熱の影響も加わると、ダイス穴から流出する金属の温度はさらに高くなります。製品がダイス穴から流出する際、高温のため、金属とダイスワークベルトの間にアルミニウムが付着する現象が発生します。
この結合の形態は、結合 – 引き裂き – 結合 – 再び引き裂きという繰り返しのプロセスであることが多く、製品は前方に流れ、製品の表面に小さな穴が多数残ります。
この結合現象は、インゴットの品質、金型作業ベルトの表面状態、押し出し温度、押し出し速度、変形の程度、金属の変形抵抗などの要因に関係しています。
1 試験材料と方法
予備調査の結果、冶金純度、金型の状態、押出工程、原材料、製造条件といった要因が表面粗面化粒子に影響を与える可能性があることが判明しました。試験では、6005Aと6060の2種類の合金棒を用いて同一断面を押出しました。粗面化粒子の位置の形態と組成は、直読分光計とSEM検出法を用いて分析し、周囲の正常な母材と比較しました。
ピット欠陥と粒子欠陥の 2 つの形態を明確に区別するために、次のように定義されます。
（1）ピット欠陥または引っ張り欠陥は、点欠陥の一種で、プロファイルの表面に現れる不規則なオタマジャクシ状または点状の引っかき傷欠陥です。この欠陥は引っかき傷の線から始まり、欠陥が剥がれ落ちて、引っかき傷の先端に金属粒が蓄積します。ピット欠陥の大きさは通常1～5mmで、酸化処理後に黒色に変色し、最終的にはプロファイルの外観に影響を与えます（図1の赤丸で示す）。
（2）表面粒子は金属豆または吸着粒子とも呼ばれ、アルミニウム合金プロファイルの表面には球状の灰黒色の硬い金属粒子が付着しており、緩い構造をしています。アルミニウム合金プロファイルには、拭き取れるタイプと拭き取れないタイプの2種類があります。サイズは通常0.5mm未満で、触るとザラザラとした感触です。前部には傷はありません。酸化後は、図1の黄色の円で示すように、マトリックスとほとんど変わりません。
2 テスト結果と分析
2.1 表面引張欠陥
図2は、6005A合金表面の引張欠陥の微細構造形態を示しています。引張前部には階段状の傷があり、その先端には積層した結節があります。結節が現れた後、表面は正常に戻ります。粗面化欠陥の位置は、触ると滑らかではなく、鋭い棘状の感触があり、プロファイルの表面に付着または蓄積しています。押し出し試験を通じて、6005Aと6060の押し出しプロファイルの引張形態は類似しており、製品の尾端は頭端よりも大きいことが観察されました。違いは、6005Aの全体的な引張サイズが小さく、傷の深さが弱いことです。これは、合金成分、鋳棒の状態、および金型条件の変化に関連している可能性があります。 100倍で観察すると、引張面の先端部に押出方向に沿って伸びた明らかな傷跡が見られ、最終的な結節粒子の形状は不規則である。500倍で観察すると、引張面の先端部には押出方向に沿って階段状の傷跡が見られ（この欠陥の大きさは約120μm）、後端の結節粒子には明らかな積み重ね跡が見られる。
引張欠陥の原因を分析するため、直読式分光計とEDXを用いて、3種類の合金成分の欠陥箇所と母相の成分分析を行った。表1は6005Aプロファイルの試験結果である。EDXの結果から、引張欠陥の積層位置の組成は母相の組成と基本的に類似していることがわかった。また、引張欠陥の周囲には微細な不純物粒子が蓄積しており、これらの不純物粒子にはC、O（またはCl）、あるいはFe、Si、Sが含まれている。
6005A微細酸化押出形材の粗面欠陥を分析したところ、引張粒子のサイズが大きく（1～5mm）、表面は主に積層しており、先端部に階段状の傷が見られることが分かりました。組成はAlマトリックスに近く、その周囲にはFe、Si、C、Oを含む異相が分布しています。これは、3つの合金の引張形成メカニズムが同一であることを示しています。
押出工程中、金属流動摩擦により金型加工ベルトの温度が上昇し、加工ベルト入口の刃先に「粘着性アルミニウム層」が形成されます。同時に、アルミニウム合金中の過剰SiやMn、Crなどの元素はFeと置換固溶体を形成しやすく、金型加工ゾーン入口における「粘着性アルミニウム層」の形成を促進します。
金属が前方に流れ、ワークベルトに擦れ合うと、ある位置で連続的な結合-引き裂き-結合の往復現象が発生し、金属がこの位置で連続的に重なり合う。粒子が一定の大きさに達すると、流動する製品に引き離され、金属表面に傷跡を形成します。傷跡の先端には金属表面に残り、引っ張り粒子を形成します。したがって、粗面化粒子の形成は主にアルミニウムが金型ワークベルトに付着することに関連していると考えられます。その周囲に分布する異質相は、潤滑油、酸化物、またはダスト粒子、さらにはインゴットの粗い表面によってもたらされた不純物に由来する可能性があります。
しかしながら、6005A試験結果における引張回数は少なく、程度も軽度です。これは、一方では、金型加工ベルト出口の面取りと、アルミニウム層の厚さを減らすための加工ベルトの丁寧な研磨によるものであり、他方では、過剰なSi含有量に関係しています。
直読スペクトル組成結果によれば、Mg Mg2Siと結合したSiに加えて、残りのSiは単体の形で現れていることがわかります。
2.2 表面上の小さな粒子
低倍率の目視検査では、粒子は小さく（0.5mm以下）、触感は滑らかではなく、鋭い感触があり、プロファイルの表面に付着しています。100倍で観察すると、表面の小さな粒子はランダムに分布しており、傷の有無にかかわらず、小さな粒子が表面に付着しています。
500倍では、押し出し方向に沿って表面に明らかな段状の傷があるかどうかにかかわらず、多くの粒子が付着しており、粒子サイズもばらついています。最大の粒子サイズは約15μm、小さな粒子は約5μmです。
6060合金の表面粒子と完全な母材の組成分析によると、粒子は主にO、C、Si、Fe元素で構成されており、アルミニウム含有量は非常に低く、ほとんどすべての粒子にOとC元素が含まれています。各粒子の組成はわずかに異なり、その中で、a粒子は10μmに近く、母材のSi、Mg、Oよりも大幅に高くなっています。c粒子では、Si、O、Clが明らかに高くなっています。粒子dとfはSi、O、Naを多く含み、粒子eはSi、Fe、Oを含有し、h粒子はFe含有化合物です。6060粒子の結果もこれと似ていますが、6060自体のSiとFeの含有量が低いため、表面粒子の対応するSiとFeの含有量も低く、6060粒子のC含有量は比較的低くなっています。
表面粒子は、単一の小さな粒子ではなく、形状の異なる多数の小さな粒子の集合体として存在する場合があり、粒子ごとに異なる元素の質量割合が異なります。これらの粒子は主に2種類で構成されていると考えられています。1つは、インゴット中のFeAl3やAlFeSi(Mn)などの高融点不純物相、または押出工程中の析出相に由来するAlFeSiや元素状Siなどの析出物です。もう1つは、付着した異物です。
2.3 インゴットの表面粗さの影響
試験中、6005A鋳物棒旋盤の裏面が粗く、埃で汚れていることが判明しました。局所的に最も深い旋削工具痕が残っている鋳物棒が2本あり、これは押し出し後の引き回数が大幅に増加し、1回の引き量も大きくなっていることを示しています（図7参照）。
6005A鋳棒は旋盤加工がないため、表面粗度が低く、引抜回数が少なくなります。また、鋳棒の旋盤加工痕には余分な切削液が付着していないため、対応する粒子中のC含有量も低減されます。鋳棒表面の旋盤加工痕は、引抜加工と粒子形成をある程度悪化させることが実証されています。
3 議論
（1）引抜欠陥の成分は、基本的に母材の成分と同じで、押出成形中に押出バレル壁面や金型のデッドエリアに蓄積された異物、インゴット表面の古い皮膜、その他の不純物が、金型加工ベルトの金属表面またはアルミニウム層に持ち込まれます。製品が前方に流れ込むと表面に傷がつき、ある程度の大きさになると製品に引き出されて引抜欠陥を形成します。酸化後、引抜欠陥は腐食し、その大きさのためにピット状の欠陥が発生しました。
（2）表面粒子は、時には小さな単独粒子として現れ、時には凝集した形で存在する。その組成は母相とは明らかに異なり、主にO、C、Fe、Si元素を含む。一部の粒子はOとC元素が優勢であり、他の粒子はO、C、Fe、Siが優勢である。したがって、表面粒子は2つの発生源から発生すると推測される。1つはAlFeSiや元素状Siなどの析出物、そしてOやCなどの不純物が表面に付着したものである。もう1つは付着した異物である。これらの粒子は酸化後に腐食されて消失する。粒子サイズが小さいため、表面への影響はほとんどないか、全くない。
（3）CおよびO元素を多く含む粒子は、主にインゴット表面に付着した潤滑油、粉塵、土砂、空気などに由来します。潤滑油の主成分はC、O、H、Sなどであり、粉塵や土砂の主成分はSiO2です。表面粒子のO含有量は一般的に高くなっています。これは、粒子が加工ベルトを出た直後は高温状態にあり、また粒子の比表面積が大きいため、空気中のO原子を吸着しやすく、空気との接触後に酸化反応が起こり、結果として母相よりもO含有量が高くなるためです。
（4）Fe、Siなどは主に、インゴット中の酸化物、古いスケール、不純物相（高融点相または均質化処理によって完全に除去されなかった第2相）に由来します。Fe元素はアルミニウムインゴット中のFeに由来し、均質化プロセス中に固溶できない、または完全に変換されない、FeAl3またはAlFeSi（Mn）などの高融点不純物相を形成します。Siは、鋳造プロセス中にMg2SiまたはSiの過飽和固溶体の形でアルミニウムマトリックスに存在します。鋳造棒の熱間押出プロセス中に、過剰なSiが析出する場合があります。アルミニウム中のSiの溶解度は、450℃で0.48％、500℃で0.8％（重量％）です。6005の過剰Si含有量は約0.41％で、析出したSiは濃度変動によって凝集して沈殿する可能性があります。
（5）金型の加工ベルトに付着したアルミが、プルの主な原因です。押出ダイは高温高圧環境にあり、金属流動摩擦によって金型の加工ベルトの温度が上昇し、加工ベルト入口の刃先に「アルミ粘着層」が形成されます。
同時に、アルミニウム合金中の過剰なSiやMn、Crなどの元素はFeと置換固溶体を形成しやすく、金型加工ゾーンの入り口で「粘着性アルミニウム層」の形成を促進します。「粘着性アルミニウム層」を通過する金属は内部摩擦（金属内部の滑りせん断）に属します。金属は内部摩擦により変形して硬化し、下地の金属と金型の密着を促進します。同時に、金型加工ベルトは圧力によりラッパ状に変形し、加工ベルトの刃先部分がプロファイルに接触して形成される粘着性アルミニウムは、旋削工具の刃先に似ています。
粘着性アルミニウムの形成は、成長と脱落を繰り返す動的なプロセスです。粒子はプロファイルによって絶えず引き出され、プロファイルの表面に付着して引っ張り欠陥を形成します。ワークベルトから直接流出し、プロファイルの表面に瞬時に吸着されると、表面に熱付着した小さな粒子は「吸着粒子」と呼ばれます。一部の粒子が押し出されたアルミニウム合金によって破壊されると、一部の粒子はワークベルトを通過する際にワークベルトの表面に付着し、プロファイルの表面に傷を引き起こします。末端は積み重ねられたアルミニウムマトリックスです。ワークベルトの中央に多くのアルミニウムが付着している場合（結合が強い）、表面の傷を悪化させます。
（6）押出速度は引張強度に大きな影響を与える。押出速度の影響。追跡調査した6005合金の場合、試験範囲内で押出速度が上昇すると、出口温度が上昇し、機械線が長くなるにつれて表面の引張粒子の数が増加し、重くなります。押出速度は可能な限り安定させ、急激な速度変化を避ける必要があります。押出速度が高すぎると、出口温度が高すぎて摩擦が増加し、粒子の引張強度が著しくなります。押出速度が引張強度に与える影響の具体的なメカニズムについては、今後の追跡調査と検証が必要です。
（7）鋳造棒の表面品質も、引抜粒子の発生に影響を与える重要な要因です。鋳造棒の表面は粗く、鋸バリ、油汚れ、埃、腐食などにより、引抜粒子の発生が促進されます。
4 結論
（１）引張欠陥の組成は母材の組成と一致しているが、粒子位置の組成は母材の組成とは明らかに異なり、主にO、C、Fe、Si元素を含んでいる。
（2）引張粒子欠陥は、主に鋳型作業ベルトへのアルミニウムの付着によって引き起こされます。鋳型作業ベルトへのアルミニウムの付着を促進する要因は、引張粒子欠陥の原因となります。鋳造棒の品質を確保するという前提において、引張粒子の発生は合金組成に直接的な影響を与えません。
（３）適切で均一な火災処理は表面の引き剥がしを軽減するのに有益である。
投稿日時: 2024年9月10日
