アルミニウム合金押出材、特にアルミニウム形材の押出プロセス中に、表面に「孔食」欠陥が発生することがよくあります。具体的な症状には、さまざまな密度の非常に小さな腫瘍、尾引き、とがった感触を伴う明らかな手の感触が含まれます。酸化や電気泳動による表面処理を行うと、製品の表面に黒い粒が付着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出製造では、インゴットの構造、押出温度、押出速度、金型の複雑さなどの影響により、この欠陥が発生しやすくなります。ピット欠陥の微粒子のほとんどは、成形中に除去できます。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では、少数の大きなサイズのしっかりと付着した粒子が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。
通常の建物のドアや窓のプロファイル製品では、顧客は通常、軽度の穴あき欠陥を受け入れますが、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、特に次のような穴あき欠陥を受け入れません。異なる背景色と一致しません。
粗大粒子の形成機構を解析するために、異なる合金組成および押出プロセスの下での欠陥位置の形態および組成を解析し、欠陥とマトリックスの違いを比較した。粗い粒子を効果的に解決する合理的な解決策が提案され、試行テストが実施されました。
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。押出プロセス中に、金型の作業ベルトに付着したアルミニウムが、押出されたアルミニウム材料の表面に孔食欠陥を発生させる主な原因です。これは、アルミニウムの押し出し加工が約450℃という高温で行われるためです。変形熱や摩擦熱の影響が加わると、金型穴から流出する際の金属の温度はさらに高くなります。製品が金型穴から流出する際、高温により金属と金型作業ベルトの間にアルミニウムが張り付く現象が発生します。
この接合の形態としては、「接合→引き裂き→接合→また引き裂き」を繰り返し、製品が前方に流れていくため、製品表面に小さな穴が多数できます。
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、押出温度、押出速度、金属の変形度、変形抵抗などの要因に関係します。
1 試験材料と試験方法
予備調査により、冶金純度、金型の状態、押出プロセス、成分、製造条件などの要因が表面粗化粒子に影響を与える可能性があることがわかりました。テストでは、2 つの合金ロッド 6005A と 6060 を使用して同じセクションを押し出しました。粗面化された粒子位置の形態と組成は、直読分光計と SEM 検出法によって分析され、周囲の正常なマトリックスと比較されました。
ピットと粒子の 2 つの欠陥の形態を明確に区別するために、それらは次のように定義されます。
（１）ピット欠陥または引き欠陥は点欠陥の一種であり、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欠陥である。欠陥はスクラッチ ストライプから始まり、欠陥が落ちて終わり、スクラッチ ラインの終わりの金属ビーンに蓄積します。ピット欠陥のサイズは一般に 1 ～ 5 mm で、図 1 の赤丸で示すように、酸化処理後に暗黒色に変化し、最終的にプロファイルの外観に影響を与えます。
(2) 表面粒子は金属豆、吸着粒子とも呼ばれます。アルミニウム合金プロファイルの表面には、球状の灰黒色の硬質金属粒子が付着しており、緩い構造となっています。アルミニウム合金の形材には、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。大きさは一般的に0.5mm未満で、触るとザラザラした感じになります。フロント部分にキズはありません。酸化後は、図 1 の黄色の丸で示すように、マトリックスとほとんど変わりません。
2 試験結果と分析
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。引っ張りの前部に階段状の傷があり、積み重ねられた結節で終わります。結節が現れた後、表面は正常に戻ります。粗化欠陥の位置は、触ると滑らかではなく、鋭いとげのある感触があり、プロファイルの表面に付着または蓄積します。押出試験を通じて、6005A と 6060 の押出プロファイルの引張形態は類似しており、製品の後端が頭端よりも大きいことが観察されました。違いは、6005A の全体的な引っ張りサイズが小さく、傷の深さが弱くなることです。これは、合金組成、鋳造ロッドの状態、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、押出方向に沿って延びる引張領域の先端に明らかな引っかき傷があり、最終的なノジュール粒子の形状は不規則です。 500倍では、引上げ面の先端には押出方向に沿って階段状の傷があり（この欠陥のサイズは約120μm）、最後尾の塊状粒子には明らかな積み重ね跡があります。
引張の原因を解析するために、直読分光計とEDXを用いて、3つの合金成分の欠陥位置とマトリックスについて成分分析を実施しました。表 1 に 6005A プロファイルのテスト結果を示します。 EDX の結果は、引き上げ粒子の積層位置の組成が基本的にマトリックスの組成と類似していることを示しています。また、引上げ欠陥の周囲には微細な不純物粒子が蓄積しており、その不純物粒子にはC、O（またはCl）、あるいはFe、Si、Sが含まれています。
6005A の微細な酸化押出プロファイルの粗化欠陥を分析すると、引張粒子のサイズが大きく (1 ～ 5 mm)、表面の大部分が積み重なっており、前部に階段状の傷があることがわかります。組成は Al マトリックスに近く、その周囲に Fe、Si、C、O を含む異質相が分布します。これは、3 つの合金の引張形成メカニズムが同じであることを示しています。
押出プロセス中、メタルフロー摩擦により金型作業ベルトの温度が上昇し、作業ベルト入口の刃先に「粘着性のあるアルミニウム層」が形成されます。同時に、アルミニウム合金中の過剰なSiやMn、Crなどの他の元素は、Feとの置換固溶体を形成しやすく、金型加工ゾーンの入り口での「粘着性アルミニウム層」の形成を促進します。
金属が前方に流れて作業ベルトと擦れ合うと、ある位置で連続的に接着→引き裂き→接着という往復現象が起こり、その位置で金属が連続的に重なり合います。粒子がある程度の大きさになると、流れてくる製品によって引き離され、金属表面に傷がつきます。それは金属表面に残り、傷の端に引っ張り粒子を形成します。したがって、粗化粒子の形成は主に金型作業ベルトに付着したアルミニウムに関係していると考えられます。その周囲に分布する不均一相は、潤滑油、酸化物、ダスト粒子、および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。
ただし、6005Aのテスト結果では引っ張り回数が少なく程度も軽いです。一方で、これは金型作業ベルトの出口での面取りと作業ベルトの慎重な研磨によるアルミニウム層の厚さの減少によるものです。一方、それは過剰なSi含有量に関係します。
直読スペクトル組成結果によれば、SiはMg Mg2Siと結合しているほか、残りのSiも単体で現れていることがわかる。
2.2 表面の小さな粒子
低倍率の目視検査では、粒子は小さく（≤0.5mm）、手触りが滑らかではなく、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、表面には小さな粒子がランダムに分布しており、傷の有無にかかわらず、小さなサイズの粒子が表面に付着しています。
500倍では、押出方向に沿って表面に明らかな階段状の傷があってもなくても、多数の粒子が付着しており、粒子径もばらつきます。最大の粒子サイズは約15μm、小さな粒子は約5μmです。
6060 合金の表面粒子と無傷のマトリックスの組成分析により、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いことがわかります。ほとんどすべての粒子には O および C 元素が含まれています。それぞれの粒子の組成はわずかに異なります。その中で、a 粒子は 10 μm 近くであり、マトリックスの Si、Mg、O よりも大幅に大きくなります。 c 粒子では、Si、O、Cl が明らかに高くなります。粒子 d および f には、Si、O、Na が多く含まれています。粒子 e には Si、Fe、O が含まれます。 h 粒子は Fe を含む化合物です。 6060 粒子の結果はこれと似ていますが、6060 自体の Si および Fe 含有量が低いため、対応する表面粒子内の Si および Fe 含有量も低くなります。 6060 粒子の C 含有量は比較的低いです。
表面粒子は単一の小さな粒子ではなく、さまざまな形状の多数の小さな粒子の集合体の形で存在することもあり、粒子ごとにさまざまな元素の質量パーセントが異なります。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、インゴット内の FeAl3 や AlFeSi(Mn) などの高融点不純物相、または押出プロセス中の析出相に由来する、AlFeSi や元素状 Si などの析出物です。もう一つは付着異物です。
2.3 インゴットの表面粗さの影響
テスト中、6005A 鋳造ロッド旋盤の裏面が荒れており、ゴミが付着していることが判明しました。図 7 に示すように、局所的な位置に最も深い旋削工具の跡が付いた鋳造ロッドが 2 つあり、これは押出後の引抜き回数の大幅な増加に対応し、1 回の引抜きのサイズが大きくなりました。
6005A鋳造ロッドは旋盤を使用していないため、表面粗さが低く、引き抜き回数が少なくなります。また、鋳造棒の旋削痕に余分な切削液が付着しないため、粒子中のC含有量が低減されます。鋳造ロッドの表面にあるターニングマークは、引っ張りや粒子の形成をある程度悪化させることが証明されています。
3 ディスカッション
(1) 引抜欠陥の成分は基本的に母材の成分と同じである。これは、押出プロセス中に押出バレル壁または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スキン、その他の不純物であり、金型加工中の金属表面またはアルミニウム層にもたらされます。ベルト。製品が前方に流れることで表面に傷が発生し、一定の大きさまで製品が溜まると製品によって引き出され引っ張りを形成します。酸化後、引抜材は腐食しており、サイズが大きいため、そこにピット状の欠陥がありました。
(2) 表面粒子は、単一の小さな粒子として現れる場合もあれば、凝集して存在する場合もある。その組成は母材とは明らかに異なり、主にO、C、Fe、Siの元素が含まれています。粒子の中には、O および C 元素が優勢な粒子もあれば、O、C、Fe、Si が優勢な粒子もあります。したがって、表面粒子の発生源は 2 つあると考えられます。1 つは AlFeSi や単体 Si などの析出物、もう 1 つは表面に O や C などの不純物が付着したものです。もう一つは付着異物です。粒子は酸化後に腐食して除去されます。サイズが小さいため、表面への影響はまったくないか、ほとんどありません。
（３）Ｃ元素やＯ元素を多く含む粒子は、主に鋳塊表面に付着した潤滑油、塵、土、空気等に由来する。潤滑油の主成分はC、O、H、Sなどで、塵や汚れの主成分はSiO2です。表面粒子の O 含有量は一般に高いです。ベルトから出た直後は粒子が高温状態にあり、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、空気に触れると酸化が起こり、O2濃度が高くなります。マトリックスよりも内容が異なります。
(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（高融点または均質化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、FeAl3 や AlFeSi(Mn) などの高融点不純物相を形成します。これらは均質化プロセス中に固溶体に溶解できないか、完全に変換されません。 Siは、鋳造工程中に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中に存在します。鋳造ロッド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%(wt%)です。 ６００５中の過剰Ｓｉ含有量は０．４１％程度であり、析出したＳｉは濃度変動による凝集・析出である可能性がある。
(5) 金型作業ベルトに付着したアルミが引っ張りの主な原因です。押出ダイスは高温高圧の環境です。メタルフローの摩擦により金型の作業ベルトの温度が上昇し、作業ベルト入口の刃先に「粘着性のあるアルミニウム層」が形成されます。
同時に、アルミニウム合金中の過剰なSiやMn、Crなどの他の元素は、Feとの置換固溶体を形成しやすく、金型加工ゾーンの入り口での「粘着性アルミニウム層」の形成を促進します。 「粘着アルミニウム層」を流れる金属は内部摩擦（金属内部の滑りせん断）に属します。内部摩擦により金属が変形して硬化し、下地の金属と金型の密着が促進されます。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輪郭に接触して形成される粘着性のあるアルミニウムは、旋削工具の刃先に似ています。
粘着性のあるアルミニウムの形成は、成長と脱落の動的なプロセスです。異形材からは常に粒子が飛び出ており、異形材の表面に付着して引張欠陥を形成します。作業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場合、表面に熱付着した小さな粒子を「吸着粒子」と呼びます。押し出されたアルミニウム合金によって一部の粒子が破壊されると、一部の粒子が作業ベルトを通過するときに作業ベルトの表面に付着し、プロファイルの表面に傷が発生します。テールエンドは積層アルミニウムマトリックスです。作業ベルトの中間部にアルミが多く付着している（結合力が強い）と、表面の傷が悪化します。
(6) 押出速度は引張りに大きな影響を与えます。押し出し速度の影響。追跡された 6005 合金に関する限り、試験範囲内で押出速度が増加し、出口温度が上昇し、機械ラインが増加するにつれて表面を引っ張る粒子の数が増加して重くなります。押出速度は、急激な速度の変化を避けるために、可能な限り安定に保つ必要があります。過剰な押出速度と高い出口温度は、摩擦の増加と深刻な粒子の引き込みにつながります。押出速度が引張現象に及ぼす影響の具体的なメカニズムについては、その後の追跡調査と検証が必要です。
(7) 鋳造ロッドの表面品質も引抜き粒子に影響を与える重要な要素です。鋳造ロッドの表面は粗く、鋸引きバリ、油汚れ、ほこり、腐食などがあり、これらすべてが粒子を引き寄せる傾向を高めます。
4 結論
(1) 引張欠陥の組成が母材の組成と一致している。粒子位置の組成は明らかにマトリックスの組成とは異なり、主にO、C、Fe、Si元素を含みます。
(2) 引抜き粒子不良は、主に金型作業ベルトに付着したアルミニウムが原因で発生します。アルミニウムが金型作業ベルトに固着する要因があれば、引っ張り不良の原因となります。鋳造ロッドの品質を確保することを前提として、引抜き粒子の発生は合金組成に直接影響を与えません。
(3) 適切な均一な火処理は、表面の引っ張りを軽減するのに有益です。
投稿日時: 2024 年 9 月 10 日
