Пять типов полосчатых дефектов анодированных алюминиевых профилей

 

Известный эксперт по анодированию алюминия A.W. Brace в своей классической книге «Дефекты анодного покрытия. Их причины и предотвращение» [1] приводит более 100 различных типов дефектов на алюминиевых анодированных изделиях – на прессованных профилях, катаных листах и литых деталях.

Дефекты анодированных профилей

По внешнему виду дефекты анодированных профилей обычно подразделяются на четыре основных категории [1, 2]:

  • Коррозионные дефекты
  • Следы механической обработки поверхности профиля (шлифования, обработки щетками и т. п.), а также следы от поврежденных или загрязненных поясков матрицы
  • Полосчатая неоднородность поверхностной структуры металла профиля
  • Неоднородность внешнего вида (пятна, поперечные полосы и т.п.)

Полосчатые дефекты анодирования

Дефекты анодированных профилей, которые связаны с неоднородностью структуры материала, являются, по-видимому, самыми распространенными среди типов других дефектов. Ниже представлены пять наиболее частых полосчатых дефектов анодированных профилей, причинами которых являются нарушения технологии прессования, а также технологии литья слитков:

  • Полосы, связанные с особенностями конструкции профиля
  • Полосы от продольных сварочных швов
  • Полосы от поперечных сварочных швов при стыке двух заготовок
  • Полосы от резкого изменения длины рабочих поясков матрицы
  • Полосы от попадания в профиль сегрегационного поверхностного слоя слитка.

Все эти дефекты проявляются в результате того, что различная металлургическая структура профиля по разному подвергается травлению, обычно, щелочному, при подготовке поверхности под анодирование.

Дефект №1 — Полосы, связанные с конструкцией профиля

Эти дефекты выглядят как светлые широкие полосы в направлении прессования, обычно в местах резкого изменения толщины стенки или при наличии стенок или ребер с противоположной стороны профиля (рисунок 1.1).


Рисунок 1.1 – Полосы, связанные с особенностями конструкции профиля [2]

При полировке или шлифовке эти полосы остаются на том же месте. Это происходит потому, что эти дефекты связаны с изменениями в зеренной структуре или текстуре во всем объеме в месте изменения толщины алюминиевого профиля (рисунок 1.2). Различия структуры вызывают различную чувствительность к травлению и различную отражательную способность по сравнению с основным металлом. Это делает их хорошо видимыми на анодированной поверхности в виде светлых или темных полос.


Рисунок 1.2– Типичные места образования полос
на анодированном алюминиевом профиле [4]

Дефект №2 — Продольные сварные швы

Полые профили из сплавов 6060/6063, а также других среднелегированных сплавов серии 6ххх, обычно прессуют на матрицах, которые имеют специальные сварочные камеры. Такими матрицами, например, являются так называемые матрицы портхол.

В этих матрицах металл принуждают течь через раздельные порты в обход мостиков, которые поддерживают оправку. Отдельные потоки металла проходят через отдельные порты и затем соединяются вместе в сварочных камерах вокруг оправки. Затем металл выходит из матрицы через щель между оправкой и отверстием матричного диска в виде полого профиля (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема образования продольных сварных швов
в полом алюминиевом профиле [3]:
а) течение металла через порты и вокруг оправки;
б) зеркало матрицы, через которое в нее входит заготовка

Соединение смежных потоков металлов в сварочных камерах матрицы происходит в условиях высокого давления, больших сдвиговых деформаций и при высокой температуре. Этот процесс – процесс экструзионной сварки – происходит без участия жидких фаз, то есть соединение материалов происходит исключительно в твердом состоянии.

Продольные сварные швы образуются всей длине профиля. После анодирования они могут выглядеть светлее, чем остальная поверхность профиля из различий металлургической структуры.

При заказе матрицы для полого профиля, который предназначен для анодирования, необходимо сообщать об этом изготовителю матрицы. Он может в определенной мере смещать места сварных швов, чтобы они были менее заметными. Пример размещения сварных швов в углах квадратной трубы вместо традиционного размещения в середине сторон показан на рисунке 2.2.


Рисунок 2.2 – Экструзионные сварочные швы в углах полого профиля

Дефект №3 — Поперечные сварочные швы

Поперечные сварочные швы образуются на стыке двух последовательных заготовок. Как и продольные швы, поперечные швы являются результатом экструзионной сварки.

В отличие от продольных сварочных швов поперечные сварочные швы являются результатом соединения двух отдельных, окисленных и возможно загрязненных поверхностей во время переходного процесса смены заготовки.

В конце каждого цикла прессования задний конец заготовки – пресс-остаток – удаляется. Однако матрица остается наполненной металлом «старой» матрицы. Переход от «старой» заготовки к «новой» заготовки в готовом профиле происходит на некотором участке профиля, длина которого зависит от формы поперечного сечения профиля.

Поверхность стыка старой и новой заготовки сначала является плоской. Затем эта первоначальная плоскость значительно искажается, когда новая заготовка начинает заполнять матрицу. Граница между материалами старой и новой матриц и представляют собой поперечный сварной шов в профиле на стыке «старой» и «новой» заготовок. Длина этой переходной зоны между «старой» и «новой» заготовкой может составлять до нескольких метров в зависимости от формы поперечного сечения профиля и толщины стенок профиля. Пример соотношение материала «старой» и «новой» заготовки в поперечном сечении профиля по длине переходной зоны профиля показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Соотношение материала «старой» заготовки (красный цвет) и
«новой» заготовки в переходной зоне полого профиля [4]

Этот поперечный шов формируется в результате контакта окисленной и, возможно, загрязненной, поверхности заготовки. Присутствие оксидов и других загрязнений неблагоприятно влияет на качество экструзионной сварки по всей площади контакта двух заготовок. Поэтому механические свойства на этом участке профиля обычно ниже, чем на остальной части профиля. Кроме того, на этом участке могут образовываться такие поверхностные дефекты, как пузыри и неоднородность структуры. Неоднородная поверхностная структура металла особенно явно проявляется после травления профиля перед его анодированием и затем хорошо видна в готовом анодированном профиле.

Дефект №4 — Полосы от рабочих поясков матрицы

При прямом процессе прессования трение на поверхности заготовка-контейнер вынуждает течение металла вблизи поверхности заготовки двигаться более медленно. Поэтому центр заготовки движется быстрее, чем участки вблизи ее наружной поверхности. Чтобы выровнять течение металла длина поясков матрицы должна быть обратно пропорциональна расстоянию от центра заготовки [3].

Чем тоньше профиль, тем медленнее течение металла из-за малого отверстия в матрице. Аналогично, чтобы выровнять течение в тонких участках профиля длина пояска должна быть короче, а в толстых участках – длиннее (рисунок 4).

Резкие изменения длины пояска могут вызывать поверхностные полосы из-за неравномерного течения металла или неполного наполнения металлом отверстия матрицы. Для предотвращения образования полос переходы между поясками с различной длиной должны быть плавными.

Рисунок 4 – Резкие переходы между рабочими поясками матрицы
различной длины [3]

Дефект №5 — Полосы от сегрегационного поверхностного слоя слитка

Этот дефект возникает, когда в экструзионном слитке – заготовке – интерметаллические частицы распределены неравномерно и значительно отличаются по размерам. Сегрегация первичных интерметаллических частиц в литой алюминиевой заготовке обычно имеет вид обратной сегрегации. Слой обратной сегрегации является очень тонким и расположен близко к поверхности слитка. Поэтому при экструзии этого слитка материал сегрегационного слоя обычно не попадает в профиль, если в конце цикла прессования удаляется пресс-остаток достаточной толщины. Толщина этого сегрегационного слоя может быть от нескольких миллиметров до 20 мм и зависит от технологии литья слитков. Схема попадания интерметаллических частиц из сегрегационного слоя в профиль показана на рисунке 5.1. Одним из видов дефекта анодированных профилей из-за сегрегационного слоя является дефект «текстура дерева» (рисунок 5.2).

Рисунок 5.1 – Схема входа поверхностного сегрегационного слоя
экструзионного слитка (столба) в профиль [3]

 

Рисунок 5.2 – Дефект анодированных профилей «текстура дерева»

Современные методы литья экструзионных алюминиевых слитков (Hot-Top) отличаются минимальной толщиной поверхностного сегрегационного слоя. Увеличение толщины пресс-остатка также способствует предотвращению появления этого типа дефектов.

Источники:

1.Brace A. W. Anodic Coating Defects. Their Cause and Cure — Interall S.r.l., Modena, Italy, 2000.

2. Barry R. Ellard, Aluminum Extrusion Technology Seminar, Chicago, 2004.

3. Saha P. Aluminum Extrusion Technology — ASM International, 2000.

4. http://www.huday.nl/assets/proefschrift-a-den-bakker.pdf