تحسين جودة مقاطع سبائك الألومنيوم المتطورة: الأسباب والحلول للعيوب المحفورة في التشكيلات الجانبية

أثناء عملية بثق المواد المبثوقة من سبائك الألومنيوم، وخاصة مقاطع الألومنيوم، غالبًا ما يحدث عيب "النقر" على السطح. تشمل المظاهر المحددة أورامًا صغيرة جدًا ذات كثافات متفاوتة، وذيل، وملمس واضح لليد، مع شعور شائك. بعد الأكسدة أو المعالجة السطحية الكهربي، غالبًا ما تظهر على شكل حبيبات سوداء ملتصقة بسطح المنتج.

في إنتاج البثق لمحات ذات مقطع كبير، من المرجح أن يحدث هذا العيب بسبب تأثير هيكل السبائك، ودرجة حرارة البثق، وسرعة البثق، وتعقيد القالب، وما إلى ذلك. ويمكن إزالة معظم الجزيئات الدقيقة من العيوب المنقرة أثناء عملية البثق. عملية المعالجة المسبقة لسطح المظهر الجانبي، وخاصة عملية النقش القلوي، في حين يبقى عدد صغير من الجزيئات كبيرة الحجم والملتصقة بقوة على سطح المظهر الجانبي، مما يؤثر على جودة مظهر المنتج النهائي.

في المنتجات العادية لأبواب ونوافذ المباني، يقبل العملاء بشكل عام العيوب البسيطة، ولكن بالنسبة للمقاطع الصناعية التي تتطلب تركيزًا متساويًا على الخواص الميكانيكية والأداء الزخرفي أو المزيد من التركيز على الأداء الزخرفي، لا يقبل العملاء عمومًا هذا العيب، وخاصة العيوب المنقرة التي تكون يتعارض مع لون الخلفية المختلفة.

من أجل تحليل آلية تكوين الجسيمات الخشنة، تم تحليل مورفولوجية وتكوين مواقع العيوب في ظل تركيبات السبائك المختلفة وعمليات البثق، وتمت مقارنة الاختلافات بين العيوب والمصفوفة. تم طرح حل معقول لحل الجسيمات الخشنة بشكل فعال، وتم إجراء اختبار تجريبي.

لحل عيوب الحفر في الملامح، من الضروري فهم آلية تكوين عيوب الحفر. أثناء عملية البثق، فإن التصاق الألمنيوم بحزام عمل القالب هو السبب الرئيسي لعيوب الحفر على سطح مواد الألمنيوم المبثوق. وذلك لأن عملية بثق الألمنيوم تتم عند درجة حرارة عالية تبلغ حوالي 450 درجة مئوية. إذا تمت إضافة تأثيرات حرارة التشوه وحرارة الاحتكاك، فإن درجة حرارة المعدن ستكون أعلى عندما يتدفق من ثقب القالب. عندما يتدفق المنتج من فتحة القالب، بسبب ارتفاع درجة الحرارة، هناك ظاهرة التصاق الألومنيوم بين المعدن وحزام عمل القالب.

ويكون شكل هذا الترابط في أغلب الأحيان: عملية ترابط متكررة – تمزق – ترابط – تمزيق مرة أخرى، ويتدفق المنتج إلى الأمام، مما يؤدي إلى ظهور العديد من الحفر الصغيرة على سطح المنتج.

ترتبط ظاهرة الترابط هذه بعوامل مثل جودة السبيكة، وحالة سطح حزام عمل القالب، ودرجة حرارة البثق، وسرعة البثق، ودرجة التشوه، ومقاومة التشوه للمعدن.

1 مواد وطرق الاختبار

من خلال البحث الأولي، تعلمنا أن عوامل مثل نقاء المعادن، وحالة القالب، وعملية البثق، والمكونات، وظروف الإنتاج قد تؤثر على الجسيمات الخشنة السطحية. في الاختبار، تم استخدام قضيبين من السبائك، 6005A و6060، لبثق نفس القسم. تم تحليل مورفولوجية وتكوين مواضع الجسيمات الخشنة من خلال مطياف القراءة المباشرة وطرق الكشف عن SEM، ومقارنتها بالمصفوفة الطبيعية المحيطة.

من أجل التمييز بوضوح بين شكل العيبين المنقر والجسيمات، تم تعريفهما على النحو التالي:

(1) العيوب المنقارية أو عيوب السحب هي نوع من العيوب النقطية وهي عبارة عن عيب خدش غير منتظم يشبه الشرغوف أو يشبه النقطة والذي يظهر على سطح المظهر الجانبي. يبدأ العيب من شريط الصفر وينتهي بسقوط العيب، ويتراكم في حبيبات معدنية في نهاية خط الصفر. يبلغ حجم العيب المحفور عمومًا 1-5 مم، ويتحول إلى اللون الأسود الداكن بعد معالجة الأكسدة، مما يؤثر في النهاية على مظهر المظهر الجانبي، كما هو موضح في الدائرة الحمراء في الشكل 1.

(2) تسمى الجسيمات السطحية أيضًا بالفاصوليا المعدنية أو جزيئات الامتزاز. يتم ربط سطح ملف سبائك الألومنيوم بجزيئات معدنية صلبة كروية ذات لون رمادي-أسود ولها هيكل فضفاض. هناك نوعان من مقاطع سبائك الألومنيوم: تلك التي يمكن محوها وتلك التي لا يمكن محوها. الحجم عمومًا أقل من 0.5 مم، ويكون ملمسه خشنًا. لا يوجد أي خدش في القسم الأمامي. بعد الأكسدة، لا يختلف كثيرًا عن المصفوفة، كما هو موضح في الدائرة الصفراء في الشكل 1.

2 نتائج الاختبار والتحليل

2.1 عيوب سحب السطح

ويبين الشكل 2 التشكل المجهري لعيب السحب على سطح سبيكة 6005A. توجد خدوش متدرجة في الجزء الأمامي من السحب، وتنتهي بعقيدات متكدسة. بعد ظهور العقيدات، يعود السطح إلى وضعه الطبيعي. موقع عيب الخشونة ليس سلسًا عند اللمس، وله ملمس شائك حاد، ويلتصق أو يتراكم على سطح المظهر الجانبي. من خلال اختبار البثق، لوحظ أن شكل السحب للملفات المبثوقة 6005A و6060 متشابه، وأن نهاية الذيل للمنتج أكبر من نهاية الرأس؛ الفرق هو أن حجم السحب الإجمالي 6005A أصغر وعمق الخدش ضعيف. قد يكون هذا مرتبطًا بالتغيرات في تكوين السبائك وحالة قضيب الصب وظروف القالب. لوحظ تحت 100X، وجود علامات خدش واضحة على الطرف الأمامي لمنطقة السحب، وهي ممدودة على طول اتجاه البثق، وشكل جزيئات العقيدات النهائية غير منتظم. عند 500X، تحتوي الواجهة الأمامية لسطح السحب على خدوش متدرجة على طول اتجاه البثق (حجم هذا العيب حوالي 120 ميكرومتر)، وهناك علامات تكديس واضحة على الجزيئات العقدية في نهاية الذيل.

من أجل تحليل أسباب السحب، تم استخدام مطياف القراءة المباشرة وEDX لإجراء تحليل المكونات على مواقع العيوب ومصفوفة مكونات السبائك الثلاثة. يوضح الجدول 1 نتائج اختبار ملف تعريف 6005A. تظهر نتائج EDX أن تكوين موضع التراص لجزيئات السحب يشبه بشكل أساسي تركيب المصفوفة. بالإضافة إلى ذلك، تتراكم بعض جزيئات الشوائب الدقيقة في عيب السحب وحوله، وتحتوي جزيئات الشوائب على C، O (أو Cl)، أو Fe، وSi، وS.

يُظهر تحليل عيوب التخشين للمقاطع المبثوقة المؤكسدة الدقيقة 6005A أن جزيئات السحب كبيرة الحجم (1-5 مم)، والسطح مكدس في الغالب، وهناك خدوش متدرجة على القسم الأمامي؛ التركيبة قريبة من مصفوفة Al، وستكون هناك أطوار غير متجانسة تحتوي على Fe وSi وC وO موزعة حولها. ويظهر أن آلية تشكيل السحب للسبائك الثلاثة هي نفسها.

أثناء عملية البثق، فإن احتكاك تدفق المعدن سوف يتسبب في ارتفاع درجة حرارة حزام عمل القالب، مما يشكل "طبقة ألومنيوم لزجة" عند حافة القطع لمدخل حزام العمل. في الوقت نفسه، من السهل تشكيل حلول صلبة بديلة مع الحديد الزائد وعناصر أخرى مثل Mn وCr في سبائك الألومنيوم، مما سيعزز تكوين "طبقة ألومنيوم لزجة" عند مدخل منطقة عمل القالب.

عندما يتدفق المعدن للأمام ويحتك بحزام العمل، تحدث ظاهرة ترددية من الترابط المستمر - التمزق - الترابط في موضع معين، مما يتسبب في تراكب المعدن بشكل مستمر في هذا الموضع. عندما تزيد الجزيئات إلى حجم معين، سيتم سحبها بعيدًا بواسطة المنتج المتدفق وتشكل علامات خدش على السطح المعدني. ستبقى على السطح المعدني وتشكل جزيئات سحب في نهاية الخدش. لذلك، يمكن اعتبار أن تكوين الجزيئات الخشنة يرتبط بشكل أساسي بالتصاق الألومنيوم بحزام عمل القالب. قد تنشأ المراحل غير المتجانسة الموزعة حولها من زيت التشحيم أو الأكاسيد أو جزيئات الغبار، بالإضافة إلى الشوائب التي يجلبها السطح الخشن للسبائك.

ومع ذلك، فإن عدد عمليات السحب في نتائج اختبار 6005A أصغر وتكون الدرجة أخف. من ناحية، يرجع ذلك إلى الشطب عند مخرج حزام عمل القالب والتلميع الدقيق لحزام العمل لتقليل سمك طبقة الألومنيوم؛ ومن ناحية أخرى، فهو مرتبط بمحتوى Si الزائد.

وفقا لنتائج التركيب الطيفي للقراءة المباشرة، يمكن ملاحظة أنه بالإضافة إلى Si مع Mg Mg2Si، فإن Si المتبقي يظهر في شكل مادة بسيطة.

2.2 جزيئات صغيرة على السطح

في ظل الفحص البصري منخفض التكبير، تكون الجسيمات صغيرة (أقل من أو يساوي 0.5 مم)، وليست ناعمة الملمس، ولها ملمس حاد، وتلتصق بسطح المظهر الجانبي. لوحظ تحت 100X، يتم توزيع الجزيئات الصغيرة على السطح بشكل عشوائي، وهناك جزيئات صغيرة الحجم متصلة بالسطح بغض النظر عما إذا كانت هناك خدوش أم لا؛

عند 500X، بغض النظر عما إذا كانت هناك خدوش واضحة على السطح على طول اتجاه البثق، فإن العديد من الجزيئات لا تزال متصلة، وتختلف أحجام الجسيمات. يبلغ حجم الجسيمات الأكبر حوالي 15 ميكرومتر، ويبلغ حجم الجسيمات الصغيرة حوالي 5 ميكرومتر.

من خلال تحليل تكوين جزيئات سطح السبائك 6060 والمصفوفة السليمة، تتكون الجزيئات بشكل أساسي من عناصر O وC وSi وFe، ومحتوى الألومنيوم منخفض جدًا. تحتوي جميع الجسيمات تقريبًا على عناصر O وC. يختلف تكوين كل جسيم قليلاً. من بينها، الجسيمات قريبة من 10 ميكرومتر، وهو أعلى بكثير من المصفوفة Si وMg وO؛ في جسيمات c، من الواضح أن Si وO وCl أعلى؛ تحتوي الجسيمات d وf على نسبة عالية من Si وO وNa؛ تحتوي الجسيمات e على Si وFe وO؛ جزيئات h هي مركبات تحتوي على الحديد. نتائج جسيمات 6060 مشابهة لهذه، ولكن نظرًا لأن محتوى Si وFe في 6060 نفسه منخفض، فإن محتويات Si وFe المقابلة في جزيئات السطح منخفضة أيضًا؛ محتوى C في 6060 جسيمًا منخفض نسبيًا.

قد لا تكون الجسيمات السطحية عبارة عن جسيمات صغيرة مفردة، ولكنها قد توجد أيضًا على شكل تجمعات للعديد من الجزيئات الصغيرة بأشكال مختلفة، وتختلف النسب الكتلية للعناصر المختلفة في الجزيئات المختلفة. ويعتقد أن الجسيمات تتكون بشكل رئيسي من نوعين. أحدهما هو رواسب مثل AlFeSi وعنصر Si، والتي تنشأ من مراحل شوائب ذات نقطة انصهار عالية مثل FeAl3 أو AlFeSi(Mn) في السبيكة، أو مراحل الترسيب أثناء عملية البثق. والآخر هو مادة غريبة ملتصقة.

2.3 تأثير خشونة سطح السبائك

أثناء الاختبار، وجد أن السطح الخلفي لمخرطة قضيب الصب 6005A كان خشنًا وملطخًا بالغبار. كان هناك قضيبان مصبوبان مع أعمق علامات أداة الدوران في المواقع المحلية، وهو ما يتوافق مع زيادة كبيرة في عدد عمليات السحب بعد البثق، وكان حجم السحب الفردي أكبر، كما هو موضح في الشكل 7.

قضيب الصب 6005A لا يحتوي على مخرطة، لذلك خشونة السطح منخفضة وعدد عمليات السحب أقل. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لعدم وجود سائل قطع زائد مرتبط بعلامات المخرطة الخاصة بقضيب الصب، يتم تقليل محتوى C في الجزيئات المقابلة. لقد ثبت أن علامات الدوران على سطح قضيب الصب سوف تؤدي إلى تفاقم عملية السحب وتكوين الجسيمات إلى حد ما.

3 مناقشة

(1) مكونات عيوب السحب هي في الأساس نفس مكونات المصفوفة. إنها الجزيئات الغريبة والجلد القديم على سطح السبيكة والشوائب الأخرى المتراكمة في جدار برميل البثق أو المنطقة الميتة من القالب أثناء عملية البثق، والتي يتم جلبها إلى السطح المعدني أو طبقة الألومنيوم لعمل القالب حزام. عندما يتدفق المنتج للأمام، تحدث خدوش سطحية، وعندما يتراكم المنتج إلى حجم معين، يتم إخراجه بواسطة المنتج لتشكيل عملية سحب. بعد الأكسدة، تآكل السحب، ونظرًا لحجمه الكبير، كانت هناك عيوب تشبه الحفرة.

(2) تظهر الجسيمات السطحية أحيانًا كجسيمات صغيرة مفردة، وأحيانًا توجد في شكل مجمع. من الواضح أن تركيبها يختلف عن تركيب المصفوفة، وتحتوي بشكل أساسي على عناصر O وC وFe وSi. يهيمن على بعض الجسيمات عناصر O وC، ويهيمن على بعض الجسيمات عناصر O وC وFe وSi. لذلك، يُستنتج أن الجسيمات السطحية تأتي من مصدرين: أحدهما رواسب مثل AlFeSi وعنصر Si، والشوائب مثل O وC ملتصقة بالسطح؛ والآخر هو مادة غريبة ملتصقة. تتآكل الجزيئات بعيدًا بعد الأكسدة. نظرًا لصغر حجمها، ليس لها تأثير يذكر على السطح.

(3) تأتي الجسيمات الغنية بعناصر C وO أساسًا من زيت التشحيم والغبار والتربة والهواء وما إلى ذلك الملتصقة بسطح السبيكة. المكونات الرئيسية لزيوت التشحيم هي C، O، H، S، وما إلى ذلك، والمكون الرئيسي للغبار والتربة هو SiO2. محتوى O للجسيمات السطحية مرتفع بشكل عام. نظرًا لأن الجسيمات تكون في حالة درجة حرارة عالية مباشرة بعد مغادرة حزام العمل، ونظرًا لمساحة السطح المحددة الكبيرة للجسيمات، فإنها تمتص بسهولة ذرات O في الهواء وتسبب الأكسدة بعد ملامستها للهواء، مما يؤدي إلى ارتفاع O المحتوى من المصفوفة.

(4) يأتي الحديد والسيليكون وما إلى ذلك بشكل رئيسي من الأكاسيد ومراحل الحجم القديم والشوائب في السبيكة (نقطة انصهار عالية أو المرحلة الثانية التي لا يتم التخلص منها بالكامل عن طريق التجانس). ينشأ عنصر الحديد من الحديد في سبائك الألومنيوم، ويشكل مراحل شوائب ذات نقطة انصهار عالية مثل FeAl3 أو AlFeSi(Mn)، والتي لا يمكن إذابتها في محلول صلب أثناء عملية التجانس، أو لا يتم تحويلها بالكامل؛ يوجد Si في مصفوفة الألومنيوم في شكل Mg2Si أو محلول صلب مفرط التشبع من Si أثناء عملية الصب. أثناء عملية البثق الساخنة لقضيب الصب، قد يترسب Si الزائد. تبلغ قابلية ذوبان Si في الألومنيوم 0.48% عند 450 درجة مئوية و0.8% (بالوزن%) عند 500 درجة مئوية. يبلغ محتوى Si الزائد في 6005 حوالي 0.41%، وقد يكون Si المترسب عبارة عن تجميع وهطول ناجم عن تقلبات التركيز.

(5) إن التصاق الألمنيوم بحزام عمل القالب هو السبب الرئيسي للسحب. إن قالب البثق عبارة عن بيئة ذات درجة حرارة عالية وضغط عالي. سوف يؤدي احتكاك التدفق المعدني إلى زيادة درجة حرارة حزام العمل للقالب، مما يشكل "طبقة ألومنيوم لزجة" عند حافة القطع لمدخل حزام العمل.

في الوقت نفسه، من السهل تشكيل حلول صلبة بديلة مع الحديد الزائد وعناصر أخرى مثل Mn وCr في سبائك الألومنيوم، مما سيعزز تكوين "طبقة ألومنيوم لزجة" عند مدخل منطقة عمل القالب. المعدن الذي يتدفق عبر "طبقة الألمنيوم اللاصقة" ينتمي إلى الاحتكاك الداخلي (القص المنزلق داخل المعدن). يتشوه المعدن ويتصلب بسبب الاحتكاك الداخلي، مما يعزز التصاق المعدن الأساسي والقالب معًا. في نفس الوقت، يتشوه حزام عمل القالب إلى شكل بوق بسبب الضغط، والألومنيوم اللزج الذي يتكون من الجزء المتطور لحزام العمل الذي يلامس المظهر الجانبي يشبه حافة القطع لأداة الدوران.

إن تكوين الألومنيوم اللزج هو عملية ديناميكية للنمو والتساقط. يتم إخراج الجزيئات باستمرار من الملف الشخصي. تلتصق بسطح الملف الشخصي، وتشكل عيوب السحب. إذا تدفق مباشرة من حزام العمل وتم امتزازه على الفور على سطح المقطع، فإن الجزيئات الصغيرة الملتصقة حرارياً بالسطح تسمى "جسيمات الامتزاز". إذا تم كسر بعض الجسيمات بواسطة سبائك الألومنيوم المبثوقة، فإن بعض الجسيمات سوف تلتصق بسطح حزام العمل عند المرور عبر حزام العمل، مما يسبب خدوش على سطح المظهر الجانبي. نهاية الذيل هي مصفوفة الألومنيوم المكدسة. عندما يكون هناك الكثير من الألومنيوم عالقًا في منتصف حزام العمل (الرابط قوي)، فسيؤدي ذلك إلى تفاقم الخدوش السطحية.

(6) سرعة البثق لها تأثير كبير على السحب. تأثير سرعة البثق. وفيما يتعلق بسبيكة 6005 المجنزرة، تزداد سرعة البثق ضمن نطاق الاختبار، وتزداد درجة حرارة المخرج، ويزداد عدد جزيئات سحب السطح وتصبح أثقل مع زيادة الخطوط الميكانيكية. يجب أن تظل سرعة البثق مستقرة قدر الإمكان لتجنب التغيرات المفاجئة في السرعة. ستؤدي سرعة البثق المفرطة وارتفاع درجة حرارة المخرج إلى زيادة الاحتكاك وسحب الجسيمات بشكل خطير. تتطلب الآلية المحددة لتأثير سرعة البثق على ظاهرة السحب متابعة وتحقق لاحقاً.

(7) تعد جودة سطح قضيب الصب أيضًا عاملاً مهمًا يؤثر على جزيئات السحب. سطح قضيب الصب خشن، مع نتوءات النشر، وبقع الزيت، والغبار، والتآكل، وما إلى ذلك، وكلها تزيد من ميل سحب الجزيئات.

4 الاستنتاج

(1) تكوين عيوب السحب يتوافق مع تكوين المصفوفة؛ من الواضح أن تكوين موضع الجسيم يختلف عن تكوين المصفوفة، حيث يحتوي بشكل أساسي على عناصر O وC وFe وSi.

(2) تنتج عيوب سحب الجسيمات بشكل رئيسي عن التصاق الألومنيوم بحزام عمل القالب. أي عوامل تعزز التصاق الألومنيوم بحزام عمل القالب ستتسبب في حدوث عيوب في السحب. على أساس ضمان جودة قضيب الصب، فإن توليد جزيئات السحب ليس له أي تأثير مباشر على تركيبة السبائك.

(3) تعتبر معالجة الحرائق الموحدة المناسبة مفيدة لتقليل سحب السطح.