挤压铝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 辽源 136200

引言

铝型材挤压生产过程中，存在不同程度的微小颗粒状凸，吸附于型材表面，用手摸会有一定的触感，这种现象不仅会严重影响氧化、电泳涂漆以及喷涂型材表面的美观性，还会大大降低生产效率和成品率。缺陷始于划痕条纹，于划道的收尾处经过积累，形成金属瘤，而这种金属瘤就叫作带金属瘤的拉毛缺陷，也被人们称之为麻面，或者拉毛颗粒，一些拉毛尾端不存在金属瘤，叫作普通拉毛[1]。拉毛尺寸通常在0.5-5.0mm之间，高倍下，沿着挤压的方向呈现出台阶状的划痕，相关研究表明，拉毛缺陷普遍存在于挤压制品表面，小普通拉毛对表明质量的影响不是很大，而大拉毛缺陷，特别是带金属瘤的拉毛，在氧化处理后，呈现出暗黑颜色，会影响型材的美观性。基于此，笔者对其形成机制展开了深入的分析，以便采取措施，最大限度地降低此类型材表面缺陷的发生率。

1 试验方法

笔者主要从三个方面着手，对拉毛缺陷形成的原因进行了研究与分析，具体内容如下：

1.1 合金成分差异对拉毛颗粒的影响研究

选择三种合金棒对同样的断面进行挤压操作，合金棒分别为6005内控、6060内控和6005A氧化。借助直读光谱仪、扫描电镜等检测手段，分析了特定位置的磨损形成和形貌，并与周围正常基体进行了比较。表1显示了试验合金的成分。

表1 合金成分( 质量分数，%)

1.2 挤压工艺对拉毛颗粒影响研究

型材出口温度的调控，通过改变挤压速度和铸棒温度，观察了表面拉毛颗粒的具体情况。

1.3 分析铸棒表面粗糙程度对拉毛形成造成的影响

选择了两种车削刀痕不同深度的铸棒进行测试，比较挤压之后的产品产生拉毛的情况。

2 试验结果与分析

2.1 拉毛外观形貌

型材需要平光氧化处理，带有金属瘤的拉毛缺陷受氧化以后，颜色呈黑色，这样，会对表面质量造成十分不利的影响，相反普通拉毛在经过氧化之后，并没有明显的变化，因此，分析研究金属瘤拉毛缺陷。目测发现拉毛前端有台阶状划痕，末尾处呈堆叠状、瘤状物，瘤状物出现以后，表面恢复正常。拉毛缺陷部位用手触摸比较粗糙，并带有尖刺感，堆积或者粘贴在型材的表面[2]。对挤压试验进行总体观察分析可知，6005、6060和6005A挤压型材当中的拉毛外形比较相似，产品末尾一处超出前端。而不同的地方为 6060整体拉毛尺寸相对偏小，划痕深度减小，通过研究表明，这可能与试验合金成分模具条件以及铸棒状态改变相关。如图1所示，25×下，拉毛前端具有非常明显的划伤，沿着挤压方向延伸，末端瘤状颗粒形状不规则；500×下，拉毛前端有台阶状划痕，沿挤压方向，缺陷尺寸大概在120μm左右，尾端瘤状颗粒可见明显堆痕。

图1 拉毛缺陷的表面形貌照片

2.2 挤压速度与出口温度

试验正式实施前，前4支挤压速度为12.5m/min时，表面出现大量的颗粒，将速度提高到24m/min，颗粒数量会变少，但是对拉毛的影响不是很明显，这说明，当挤压速度较快时，减短摩擦时间，能够减少表面颗粒数量。试验过程中，当出口温度从510℃变为530℃时，挤压产品的表面质量降低，出现速度波动情况，导致色差和严重拉毛缺陷。在挤压条不发生任何变化情况下，出口温度的升高主要是由于金属与模具之间的摩擦[3]。理论上，均匀挤压过程中出口温度保持不变，但挤压速度越快，导热时间越短，从而致使热量得不到有效散失，最终使得工作带和产品接触部位的温度上升。表面金属黏附在模具死区，局部变形的破碎物体随着挤压而增大，沉积到模具工作黏铝层中，对黏铝层剥离比较有利的条件就是高温下，铝合金强度降低。因此，模具温度随着挤压次数的增多，模具温度较高，从而加重拉毛现象。可以得出结论，拉毛加剧的主要原因是工作区温度超过一定范围，加速了铝层的剥落。

2.3 成分分析

针对缺陷位置和周围基体区域，采取EDX，利用直读光谱检测原理缺陷的基体合金成分。表2为6005合金拉毛处成分测试结果，表3为6060合金拉毛处成分测试结果。基于6005A测试结果和6005相近，所以在此不做相关赘述。EDX结果证明，拉毛堆叠表面除O、C 相对偏高以外，与基体成分几乎类似，但是，与直读光谱检测成分 Si、Mg 含量相比，都比较高；一些细小的杂质颗粒聚集在拉毛尾部的金属瘤周围。杂质颗粒中含有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合金拉毛处成分( 质量分数，%)

表3 6060合金拉毛处成分( 质量分数，%)

2.4 铸锭表面粗糙度的影响

试验表面，6005、6005A铸棒进行车皮操作之后，表面不光滑，且带有灰尘，其中有两根铸棒的局部位置的车削刀痕深度是最深的，挤压后拉毛数量增多明显。而且单个拉毛的尺寸比较大。而没有经过车皮处理的6060铸棒，表面相对光滑一些，拉毛数量减少。除此以外，多出来的切削液附着在铸棒车痕里，相应颗粒中C含量降低，证明铸棒表层的车削痕( 增大铸棒表面粗糙度) 在一定程度上会加重拉毛、颗粒形成。

2.5 结果分析

对6005内控、6060内控以及6005A精致氧化挤压型材拉毛缺陷分析研究可以发现，带有金属瘤的拉毛尺寸偏大，具体为1-5mm，表面呈现出堆叠形貌，前段出现台阶形状的划伤，致密性不好。金属瘤成分和Al的成分大体上相近，它的周围分布着很多含量高的不同性质的颗粒，如Fe、Si、O和C等。这充分说明三种合金拉毛形成的机制是一样的[4]。挤压期间，金流动摩擦会提高工作点温度，在工作带入口刃口处形成黏铝层，与此同时，铝合金中含有的过量的Si、Mn以及Cr等原色，容易和Fe形成置换固溶体，这些都会导致模具工作带入口形成黏铝层。金属不断向前发生移动，和工作带之间产生摩擦，在某一部位产生黏结、撕开黏结反复情况，致使金属该部位处不断的叠加，颗粒尺寸增加道一定程度时，流动制品会将其带走，同时形成划痕在金属表面，金属表面划伤端形成带金属瘤的拉毛缺陷。对此可认为其形成主要与模具工作区的铝黏附有关。分布在其周围的非均相可能来自外部润滑油、灰尘颗粒或铸锭粗糙表面带来的杂质，以及铸锭的氧化皮和内部硬相。

相比之下，6060试验结果中的粗化次数少，程度轻。一方面，由于模具工作带出口处的倒角和工作带的仔细抛光，铝层厚度减小；另一方面，它与硅含量有关。除Mg2 Si与Mg结合形成外，其余Si含量由高到低依次为6005（0.41%）、6005A（0.26%）和6060（0.16%），与粗化缺陷检测的成分趋势一致。

3 结束语

拉毛缺陷前端出现明显的、沿挤压方向台的阶状划痕迹收尾瘤状颗粒呈现出不规则的形状；较高温的挤下，挤压制品表面质量受到影响，同时出现速度波动，造成色差、拉毛严重； 拉毛缺陷的表面O、C含量比较较高，杂质颗粒中含有C、O，或者Fe、Si、s；6060合金缺陷处Si含量低于6005和6005A；铸棒表层的车削痕越多，即表面粗糙度越大导致拉毛、颗粒缺陷加重。