Дефекты анодирования «полосчатость»: роль матрицы

Поверхностный дефект «полосчатость» весьма часто возникает при анодировании алюминиевых профилей из:

  • сплавов 6060 и 6063 в международном (или европейском) обозначении или
  • сплава АД31 — отечественного аналога сплавов 6060/6063.

О причинах образования этого дефекта, связанных с попаданием в профиль загрязненного металла из поверхностной зоны слитка, см. статью Полосы на анодированных профилях: роль матрицы и оптические эффекты. Здесь же мы рассмотрим причины, связанные с конструкцией экструзионной матрицы.

Дефект анодирования «полосчатость»

Оптические свойства, например, матовость или блеск поверхности алюминиевого профиля после щелочного травления зависит от исходной микроструктуры его поверхностного слоя, в том числе распределения границ зерен и зеренной текстуры. Эта микроструктура определяется степенью пластической деформации и ее скорости, а также температуры в деформационной зоне на выходе профиля и при последующем его охлаждения.

Деформация прессования является негомогенной по самой своей сущности, поскольку только так можно образовать профиль заданного сложного сечения из массивной круглой заготовки. Параметры пластического деформирования сильно отличаются в точках на различном удалении от центра сечения профиля или заготовки.

Степень сдвиговой деформации увеличивается от центра к поверхности прессуемого профиля, достигая там  максимума. Чем больше градиент деформации, тем больше микроструктурные изменения по сечению профиля. Однако, оказывается,  не любая гетерогенность микроструктуры по поперечному сечения профиля приводит к дефекту «полосчатость» (англ. streaking).  

Влияние конструкции матрицы

Когда прессуемый материал проходит через каналы матрицы, между металлом и поверхностью пояска возникает трение. Поэтому течение металла в более узких проходах замедляется, а  в широких – ускоряется. Для оценки интенсивности пластического деформирования металла на выходе из матрицы все сечение профиля разбивают на малые участки.

Для каждого участка оценивают отношение площади поперечного сечения этого участка  к проходящему через него в единицу времени объема металла V.  Различие величины S/V на соседних участках сечения характеризует степень неоднородности течения металла. Чрезмерная неоднородность приводит к резким различиям в микроструктуре материала поверхности профиля в зоне быстрого и медленного течения, а также в переходной зоне между ними.

Эти различия в микроструктуре и приводят к образованию полосчатости после травления и анодирования. Примеры типичных мест образования полос на профилях из-за неоднородного течения металла показаны на рисунке. В случае (а) полоса может возникать на плоской поверхности напротив массивного «прилива» для винта, когда течение в кончиках прилива будет слишком медленным, задерживая течение всей зоны прилива, или когда течение в зоне примыкания к стенке будет слишком быстрым из-за малого отношения  S/V в этой локальной зоне. Уменьшение длины пояска на кончиках прилива и увеличение ее на пояске стенки напротив прилива может помочь исключить образование дефектных полос или хотя бы снизить их интенсивность. Необходимо убедиться, что все переходы между участками пояска с различной длиной являются плавными с тщательным сглаживанием углов.

Если такой прилив является частью полого профиля и канал для подачи в него металла выполняется во внутренней оправке матрицы, то важно обеспечить плавный переход от этого канала к смежным областям без резких изменений в геометрических размерах. Кроме того, глубина этого канала должна быть такой, чтобы избежать поступления чрезмерного объема металла.

defekt-anodirovaniyaВ случае (б) полосы могут возникать напротив пересечения стенок из-за медленного течения вертикальной ножки профиля по сравнению по сравнению с течением в горизонтальной полке. Уменьшение длины пояска на вертикальной ножке может улучшить однородность течения и избежать образования полосчатости. Если вертикальная ножка значительно толще горизонтальной полки, то более быстрое течение вертикальной ножки может привести к недостатку питания металлом стыка, приводя к образованию грубой поверхности на поверхности горизонтальной полки напротив стыка горизонтальной и вертикальной частей. Корректирующей мерой является увеличение длины пояска вертикальной ножки или выполнения на нем так называемой «распушки» для достижения сбалансированного течения в области вокруг стыка. 

В случае полого профиля (в) полоса скорее всего может возникнуть из-за медленного течения в сварочном шве, потому что сварочная камера слишком мала или из-за чрезмерного ограничения подачи металла в сварочную камеру. Образования полос можно избежать путем модификации перемычки и сварочной камеры, например, уменьшением отношения ее ширины к высоте и увеличения ширины и высоты сварочной камеры.

Совершенствование конструкции матрицы

Полосы вдоль продольных сварочных швов полых профилей трудно исключить полностью, однако интенсивность их проявления можно снизить за счет оптимизации конструкции матрицы. Общий поход состоит в том, чтобы располагать порты так, чтобы продольные швы проходили в местах, которые не являются критичными с точки зрения декоративности.

Продольные швы полых профилей обычно характеризуются малым размером зерна и отличной от смежных областей текстурой из-за высокой локальной сдвиговой деформации в сварном шве. Модификацией отношения между высотой перегородки и высотой сварочной камеры можно добиться снижения разницы температуры между швом и остальным профилей. Это дает одинаковый размер зерна в шве и окружающем его материале. В результате при травлении шов и смежная поверхность травятся однородно и после анодирования не возникает никаких полос.

Хотя течение металла в матрице всегда неоднородно, хорошо спроектированная матрица способна корректировать неоднородное течение металла так, чтобы сделать его почти однородным на выходе из матрицы. Поэтому хорошая конструкция матрицы является ключевым фактором для предотвращения возникновения дефекта «полосчатость».

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