Полосы на анодированном профиле: роль матрицы и оптические эффекты

Полосы на анодированном алюминиевом профиле

Дефект «полосчатость» является одним из распространенных дефектов анодированных профилей из алюминиевых сплавов серии 6ххх, например, сплавов 6060 и 6063 по международной и европейской классификации или сплава АД31 по отечественному ГОСТ 4784. По-английски этот дефект анодирования алюминия называют «streaking». Обычно он проявляется уже после анодирования, что затрудняет выявление его причины. Сущность этого дефекта в том, что на поверхности профиля визуально видны узкие полосы с различным контрастом блеска или матовости как между ними самими, так и по сравнению с окружающей нормальной анодированной поверхностью. Пример этого дефекта анодирования представлен на рисунке.

polochatost-alyuminievyx-profiley-foto

Причины дефекта анодирования «полосчатость»

Известны, как минимум, три причины возникновения дефекта «полосчатость».

Металл из поверхностной зоны слитка

Первая причина – попадание в поверхность профиля металла поверхностной, так называемой  сегрегационной зоны исходного слитка, обогащенного  интерметаллидами и оксидами.

Прессовые сварные швы

Вторая причина – технологические, «прессовые» сварные швы профиля, продольные и поперечные. Поперечные швы возникают при обычной практике прессования заготовок «стык в стык», когда металл двух последовательных заготовок сваривается непосредственно в матрице и в него попадает металл поверхностного слоя из заднего конца предыдущей заготовки. Продольные швы возникают на полых профилях при соединении потоков металла после прохождения смежных портов матрицы. При стыковке двух заготовок материал загрязнения из заднего конца заготовки могут попадать и в продольные швы. Для устранения первых двух причин применяют: 1) более качественные слитки с минимальной толщиной сегрегационной зоны и 2) увеличенную толщину пресс-остатка. 

Неправильная конструкция матрицы

Более сложной является третья причина, связанная с недостатками конструкции матрицы. В этом случае полосы возникают из-за сильных различий в пластической деформации или ее скорости в различных зонах сечения профилей со сложным или полым сечением. В результате возникают зоны металла с резко отличающимися характеристиками микроструктуры, такими как размер зерна, ориентация зерен, а также размер и количество выделений вторичных фаз. Кроме того, продольные швы также могут протравливаться неоднородно и быть видны даже и без участия загрязненного металла из поверхностного слоя. Это может быть опять же из-за неадекватной конструкции матрицы по размерам, форме или расположению сварочных камер.  

Оптика дефекта анодирования «полосчатость»

Оптическая сущность полосчатости заключается в том, что разные полосы имеют различную степень блеска или матовости. Блеск и матовость поверхности зависят от ее отражательных свойств, которые, в первую очередь, зависят от микротопографии поверхности. Эта топография определяется различными поверхностными несовершенствами, которые образуются в основном при травлении.

Часто поверхность дефектных полос имеет более грубую струкутуру, чем у нормальной поверхности и поэтому выглядит более матовой, так ее поверхностные несовершенства увеличивают диффузионную часть отраженного света. При анодировании алюминиевого профиля оксидный слой образуется на поверхности исходного металла. Оптические свойства поверхности после анодирования в основном зависят от топографии поверхности исходного металла и мало зависит от самой оксидной пленки, потому что она является прозрачной.

Матовое щелочное травление алюминиевых профилей 

Цель травления поверхности перед анодированием — получить гомогенную матовую поверхность. Травление меняет микроструктуру и оптические свойства поверхности за счет создания дополнительных поверхностных несовершенств: ямок травления, канавок границ зерен и ступенек травления зерен.

Роль железа в алюминиевом сплаве 

Размер и распределение ямок травления зависит в основном от размеров и распределения в поверхностном слое интерметаллидных фаз: первичных частиц Al3Fe, α-AlFeSi и β-AlFeSi и вторичной фазы Mg2Si. Железосодержащие частицы имеют более высокий электрохимический потенциал, чем окружающий их алюминий, поэтому растворяются не они, а алюминий вокруг них. При достаточно длительном травлении эти частицы полностью выпадают и размер ямок часто больше, чем их исходный размер, иногда до 10 мкм в диаметре. Поэтому содержание железа в сплаве и оказывает значительное влияние на оптический вид поверхности после травления. Напротив, частицы Mg2Si действуют как аноды, что приводит к полному их вытравливанию с образованием ямок, повторяющих форму частиц. Поэтому малый размер частиц β-Mg2Si и их высокая плотность распределения дают значительный вклад в формирование матовой поверхности, в том, числе в ямках от первичных Fe-частиц. Такая высокая плотность мелких частиц Mg2Si достигается эффективной закалкой и искусственным старением профилей.

Роль границ зерен

Другим важным параметром микроструктуры поверхности, влияющим на ее оптические свойства, являются канавки границ зерен. Обычно границы зерен более восприимчивы к щелочному травлению. Однако, оказывается, что внутри на «полосчатой» поверхности канавки границ зерен еле видны, тогда как на нормальной поверхности – границы зерен глубокие и видны очень четко. Эту «смазанность» канавок границ зерен считают одной из причин, почему дефектные полосы выглядят светлее: мелкие канавки уменьшают долю диффузионной части отраженного света.

Ступеньки зерен

Еще одним элементом микроструктуры поверхности, влияющим на ее оптические свойства, являются так называемые ступеньки травления зерен. Дело в том, что при прессовании алюминиевых сплавов образуются некоторые предпочтительные ориентации зерен, то есть определенная текстура зерен. Установлено, что в дефектных полосах большинство зерен ориентировано в направлении прессования, а на нормальной поверхности зерна ориентированы случайным образом. Различие в текстуре дефектных и нормальных участков  приводит к различной интенсивности отражения света.

Роль конструкции матрицы

Установлено, что описанные выше особенности поверхностной микроструктуры профилей возникают при прессовании сложных и, вдобавок, полых профилей, когда возникают сложные потоки металла с большими деформациями и скоростями деформаций. Именно это и приводит к возникновению неоднородной поверхностной микроструктуры поверхности профилей, которая является причиной дефекта «полосчатость». О роли конструкции матрицы в образовании этого дефекта см. «Полосчатость — дефект анодирования алюминиевых профилей: роль матрицы».

Источник: X. Zhang et al, Aluminum Extrusion Technology Seminar, 2008.