Trong quá trình đùn vật liệu hợp kim nhôm, đặc biệt là nhôm định hình, thường xuất hiện khuyết tật "rỗ" trên bề mặt. Biểu hiện cụ thể bao gồm các khối u rất nhỏ với mật độ khác nhau, có đuôi, sờ tay thấy rõ và có cảm giác gai. Sau khi oxy hóa hoặc xử lý bề mặt bằng điện di, chúng thường xuất hiện dưới dạng các hạt đen bám trên bề mặt sản phẩm.
Trong quá trình sản xuất đùn các cấu hình tiết diện lớn, khuyết tật này có nhiều khả năng xảy ra do ảnh hưởng của cấu trúc thỏi, nhiệt độ đùn, tốc độ đùn, độ phức tạp của khuôn, v.v. Hầu hết các hạt mịn của khuyết tật rỗ có thể được loại bỏ trong quá trình xử lý sơ bộ bề mặt cấu hình, đặc biệt là quá trình khắc kiềm, trong khi một số ít các hạt có kích thước lớn, bám chắc vẫn còn trên bề mặt cấu hình, ảnh hưởng đến chất lượng hình thức của sản phẩm cuối cùng.
Trong các sản phẩm cửa sổ và cửa ra vào thông thường, khách hàng thường chấp nhận các lỗi rỗ nhỏ, nhưng đối với các sản phẩm công nghiệp đòi hỏi sự chú trọng ngang nhau về tính chất cơ học và hiệu suất trang trí hoặc chú trọng hơn vào hiệu suất trang trí, khách hàng thường không chấp nhận lỗi này, đặc biệt là các lỗi rỗ không phù hợp với màu nền khác nhau.
Để phân tích cơ chế hình thành hạt thô, hình thái và thành phần của vị trí khuyết tật trong các thành phần hợp kim và quy trình đùn khác nhau đã được phân tích, đồng thời so sánh sự khác biệt giữa khuyết tật và nền. Đề xuất một giải pháp hợp lý để xử lý hiệu quả các hạt thô và tiến hành thử nghiệm.
Để giải quyết các khuyết tật rỗ trên các thanh nhôm định hình, cần phải hiểu rõ cơ chế hình thành khuyết tật rỗ. Trong quá trình đùn, nhôm dính vào băng chuyền làm việc của khuôn là nguyên nhân chính gây ra khuyết tật rỗ trên bề mặt vật liệu nhôm đùn. Điều này là do quá trình đùn nhôm được thực hiện ở nhiệt độ cao khoảng 450°C. Nếu cộng thêm tác động của nhiệt biến dạng và nhiệt ma sát, nhiệt độ của kim loại sẽ cao hơn khi chảy ra khỏi lỗ khuôn. Khi sản phẩm chảy ra khỏi lỗ khuôn, do nhiệt độ cao, có hiện tượng nhôm dính giữa kim loại và băng chuyền làm việc của khuôn.
Hình thức liên kết này thường là: quá trình liên kết lặp đi lặp lại – xé – liên kết – xé lại, và sản phẩm chảy về phía trước, tạo ra nhiều lỗ nhỏ trên bề mặt sản phẩm.
Hiện tượng liên kết này liên quan đến các yếu tố như chất lượng phôi, tình trạng bề mặt của băng chuyền khuôn, nhiệt độ đùn, tốc độ đùn, mức độ biến dạng và khả năng chống biến dạng của kim loại.
1 Vật liệu và phương pháp thử nghiệm
Qua nghiên cứu sơ bộ, chúng tôi nhận thấy các yếu tố như độ tinh khiết kim loại, tình trạng khuôn, quy trình đùn, thành phần và điều kiện sản xuất có thể ảnh hưởng đến các hạt nhám bề mặt. Trong thử nghiệm, hai thanh hợp kim 6005A và 6060 đã được sử dụng để đùn cùng một phần. Hình thái và thành phần của các hạt nhám được phân tích bằng phương pháp quang phổ kế đọc trực tiếp và phương pháp phát hiện SEM, sau đó so sánh với nền chuẩn xung quanh.
Để phân biệt rõ ràng hình thái của hai khuyết tật rỗ và hạt, chúng được định nghĩa như sau:
(1) Khuyết tật rỗ hoặc khuyết tật kéo là một loại khuyết tật điểm, là khuyết tật xước hình nòng nọc hoặc hình điểm không đều xuất hiện trên bề mặt của mặt cắt. Khuyết tật bắt đầu từ vạch xước và kết thúc bằng việc phần khuyết tật rơi ra, tích tụ thành các hạt kim loại ở cuối đường xước. Kích thước của khuyết tật rỗ thường từ 1-5mm, sau khi xử lý oxy hóa sẽ chuyển sang màu đen sẫm, cuối cùng ảnh hưởng đến hình dạng của mặt cắt, như được thể hiện trong vòng tròn đỏ ở Hình 1.
(2) Hạt bề mặt còn được gọi là hạt kim loại hoặc hạt hấp phụ. Bề mặt của thanh nhôm định hình hợp kim được gắn các hạt kim loại cứng hình cầu màu xám đen, có cấu trúc rời rạc. Có hai loại thanh nhôm định hình hợp kim: loại có thể lau sạch và loại không thể lau sạch. Kích thước thường nhỏ hơn 0,5mm, sờ vào có cảm giác nhám. Mặt trước không có vết xước. Sau khi oxy hóa, bề mặt không khác nhiều so với ma trận, như được thể hiện trong vòng tròn màu vàng ở Hình 1.
2 Kết quả thử nghiệm và phân tích
2.1 Lỗi kéo bề mặt
Hình 2 cho thấy hình thái vi cấu trúc của khuyết tật kéo trên bề mặt hợp kim 6005A. Có các vết xước dạng bậc thang ở phần trước của vết kéo và chúng kết thúc bằng các nốt sần xếp chồng lên nhau. Sau khi các nốt sần xuất hiện, bề mặt trở lại bình thường. Vị trí của khuyết tật nhám không nhẵn khi chạm vào, có cảm giác sắc nhọn và bám dính hoặc tích tụ trên bề mặt của cấu hình. Thông qua thử nghiệm đùn, người ta quan sát thấy hình thái kéo của các cấu hình đùn 6005A và 6060 là tương tự nhau và phần đuôi của sản phẩm lớn hơn phần đầu; sự khác biệt là kích thước kéo tổng thể của 6005A nhỏ hơn và độ sâu của vết xước yếu hơn. Điều này có thể liên quan đến những thay đổi về thành phần hợp kim, trạng thái thanh đúc và điều kiện khuôn. Khi quan sát dưới 100X, có các vết xước rõ ràng ở đầu trước của khu vực kéo, được kéo dài theo hướng đùn và hình dạng của các hạt nốt sần cuối cùng không đều. Ở 500X, đầu trước của bề mặt kéo có các vết xước hình bậc thang dọc theo hướng đùn (kích thước của khuyết tật này khoảng 120 μm) và có các vết xếp chồng rõ ràng trên các hạt dạng nốt ở đầu đuôi.
Để phân tích nguyên nhân gây ra hiện tượng kéo, máy quang phổ đọc trực tiếp và EDX đã được sử dụng để phân tích thành phần trên vị trí khuyết tật và nền của ba thành phần hợp kim. Bảng 1 trình bày kết quả thử nghiệm biên dạng 6005A. Kết quả EDX cho thấy thành phần vị trí xếp chồng của các hạt kéo về cơ bản tương tự như thành phần nền. Ngoài ra, một số hạt tạp chất mịn tích tụ trong và xung quanh khuyết tật kéo, và các hạt tạp chất này chứa C, O (hoặc Cl), hoặc Fe, Si và S.
Phân tích khuyết tật nhám của các thanh đùn oxy hóa mịn 6005A cho thấy các hạt kéo có kích thước lớn (1-5mm), bề mặt chủ yếu xếp chồng lên nhau, mặt trước có các vết xước dạng bậc thang; thành phần gần với nền Al, và sẽ có các pha không đồng nhất chứa Fe, Si, C và O phân bố xung quanh. Điều này cho thấy cơ chế hình thành kéo của ba hợp kim là giống nhau.
Trong quá trình đùn, ma sát dòng chảy kim loại sẽ làm tăng nhiệt độ của băng chuyền khuôn, tạo thành một "lớp nhôm dính" ở đầu vào của băng chuyền. Đồng thời, lượng Si dư thừa và các nguyên tố khác như Mn và Cr trong hợp kim nhôm dễ dàng tạo thành dung dịch rắn thay thế với Fe, thúc đẩy sự hình thành "lớp nhôm dính" ở đầu vào của vùng làm việc khuôn.
Khi kim loại chảy về phía trước và cọ xát vào băng chuyền, một hiện tượng liên tục liên kết-xé-liên kết xảy ra tại một vị trí nhất định, khiến kim loại liên tục chồng lên nhau tại vị trí này. Khi các hạt tăng lên đến một kích thước nhất định, chúng sẽ bị kéo ra bởi sản phẩm đang chảy và tạo thành các vết xước trên bề mặt kim loại. Các hạt này sẽ vẫn còn trên bề mặt kim loại và tạo thành các hạt kéo ở cuối vết xước. Do đó, có thể coi sự hình thành các hạt nhám chủ yếu liên quan đến việc nhôm bám vào băng chuyền khuôn. Các pha không đồng nhất phân bố xung quanh nó có thể bắt nguồn từ dầu bôi trơn, oxit hoặc các hạt bụi, cũng như các tạp chất do bề mặt nhám của thỏi mang đến.
Tuy nhiên, số lần kéo trong kết quả thử nghiệm 6005A ít hơn và mức độ nhẹ hơn. Một mặt, điều này là do việc vát mép ở đầu ra của băng chuyền khuôn và việc đánh bóng cẩn thận băng chuyền khuôn để giảm độ dày của lớp nhôm; mặt khác, điều này liên quan đến hàm lượng Si dư thừa.
Theo kết quả thành phần phổ đọc trực tiếp, có thể thấy rằng ngoài Si kết hợp với Mg Mg2Si, Si còn lại xuất hiện dưới dạng chất đơn giản.
2.2 Các hạt nhỏ trên bề mặt
Khi quan sát bằng mắt thường ở độ phóng đại thấp, các hạt có kích thước nhỏ (≤0,5mm), sờ vào không mịn, có cảm giác sắc nhọn và bám chặt vào bề mặt của biên dạng. Quan sát dưới 100 lần, các hạt nhỏ trên bề mặt phân bố ngẫu nhiên, và có các hạt nhỏ bám dính vào bề mặt bất kể có vết xước hay không;
Ở độ phóng đại 500X, bất kể bề mặt có vết xước dạng bậc thang rõ ràng theo hướng đùn hay không, nhiều hạt vẫn bám dính và kích thước hạt cũng khác nhau. Kích thước hạt lớn nhất khoảng 15 μm, và các hạt nhỏ khoảng 5 μm.
Thông qua phân tích thành phần của các hạt bề mặt hợp kim 6060 và ma trận nguyên vẹn, các hạt chủ yếu bao gồm các nguyên tố O, C, Si và Fe, và hàm lượng nhôm rất thấp. Hầu như tất cả các hạt đều chứa các nguyên tố O và C. Thành phần của mỗi hạt hơi khác nhau. Trong số đó, các hạt a gần 10 μm, cao hơn đáng kể so với ma trận Si, Mg và O; Trong các hạt c, Si, O và Cl rõ ràng cao hơn; Các hạt d và f chứa Si, O và Na cao; các hạt e chứa Si, Fe và O; các hạt h là các hợp chất chứa Fe. Kết quả của các hạt 6060 tương tự như vậy, nhưng do hàm lượng Si và Fe trong bản thân 6060 thấp, nên hàm lượng Si và Fe tương ứng trong các hạt bề mặt cũng thấp; hàm lượng C trong các hạt 6060 tương đối thấp.
Các hạt bề mặt có thể không phải là các hạt nhỏ đơn lẻ, mà cũng có thể tồn tại dưới dạng tập hợp của nhiều hạt nhỏ với hình dạng khác nhau, và tỷ lệ phần trăm khối lượng của các nguyên tố khác nhau trong các hạt khác nhau cũng khác nhau. Người ta tin rằng các hạt chủ yếu bao gồm hai loại. Một là các kết tủa như AlFeSi và Si nguyên tố, có nguồn gốc từ các pha tạp chất có nhiệt độ nóng chảy cao như FeAl3 hoặc AlFeSi(Mn) trong thỏi, hoặc các pha kết tủa trong quá trình đùn. Loại còn lại là tạp chất bám dính.
2.3 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt của thỏi
Trong quá trình thử nghiệm, bề mặt sau của máy tiện thanh đúc 6005A bị nhám và bám bụi. Có hai thanh đúc có vết dao tiện sâu nhất tại các vị trí cục bộ, điều này tương ứng với sự gia tăng đáng kể số lần kéo sau khi đùn, và kích thước của một lần kéo cũng lớn hơn, như thể hiện trong Hình 7.
Thanh đúc 6005A không có máy tiện, do đó độ nhám bề mặt thấp và số lần kéo được giảm. Ngoài ra, do không có dung dịch cắt dư thừa bám vào các vết tiện của thanh đúc, nên hàm lượng C trong các hạt tương ứng cũng giảm. Thực tế đã chứng minh rằng các vết tiện trên bề mặt thanh đúc sẽ làm tăng lực kéo và sự hình thành hạt ở một mức độ nhất định.
3 Thảo luận
(1) Thành phần của khuyết tật kéo về cơ bản giống với thành phần của ma trận. Đó là các hạt lạ, lớp da cũ trên bề mặt phôi và các tạp chất khác tích tụ trong thành thùng đùn hoặc vùng chết của khuôn trong quá trình đùn, được đưa đến bề mặt kim loại hoặc lớp nhôm của băng chuyền làm việc khuôn. Khi sản phẩm chảy về phía trước, gây ra các vết xước bề mặt, và khi sản phẩm tích tụ đến một kích thước nhất định, nó sẽ bị sản phẩm đẩy ra ngoài, tạo thành hiện tượng kéo. Sau khi bị oxy hóa, hiện tượng kéo bị ăn mòn, và do kích thước lớn, tại đó xuất hiện các khuyết tật dạng lỗ.
(2) Các hạt bề mặt đôi khi xuất hiện dưới dạng các hạt nhỏ đơn lẻ, và đôi khi tồn tại ở dạng kết tụ. Thành phần của chúng rõ ràng khác với thành phần của chất nền và chủ yếu chứa các nguyên tố O, C, Fe và Si. Một số hạt bị chi phối bởi các nguyên tố O và C, và một số hạt bị chi phối bởi O, C, Fe và Si. Do đó, có thể suy ra rằng các hạt bề mặt đến từ hai nguồn: một là các chất kết tủa như AlFeSi và Si nguyên tố, và các tạp chất như O và C bám vào bề mặt; nguồn thứ hai là vật chất lạ bám dính. Các hạt bị ăn mòn sau khi oxy hóa. Do kích thước nhỏ, chúng không hoặc ít tác động lên bề mặt.
(3) Các hạt giàu nguyên tố C và O chủ yếu đến từ dầu bôi trơn, bụi, đất, không khí, v.v. bám trên bề mặt phôi. Thành phần chính của dầu bôi trơn là C, O, H, S, v.v., còn thành phần chính của bụi và đất là SiO2. Hàm lượng O trong các hạt bề mặt thường cao. Do các hạt ở trạng thái nhiệt độ cao ngay sau khi rời khỏi băng tải, và do diện tích bề mặt riêng của các hạt lớn, chúng dễ dàng hấp thụ các nguyên tử O trong không khí và gây ra quá trình oxy hóa sau khi tiếp xúc với không khí, dẫn đến hàm lượng O cao hơn so với chất nền.
(4) Fe, Si, v.v. chủ yếu có nguồn gốc từ các oxit, cặn cũ và pha tạp chất trong thỏi (điểm nóng chảy cao hoặc pha thứ hai không bị loại bỏ hoàn toàn bằng quá trình đồng nhất hóa). Nguyên tố Fe có nguồn gốc từ Fe trong thỏi nhôm, tạo thành các pha tạp chất có điểm nóng chảy cao như FeAl3 hoặc AlFeSi(Mn), không thể hòa tan trong dung dịch rắn trong quá trình đồng nhất hóa hoặc không được chuyển đổi hoàn toàn; Si tồn tại trong ma trận nhôm dưới dạng Mg2Si hoặc dung dịch rắn quá bão hòa của Si trong quá trình đúc. Trong quá trình đùn nóng thanh đúc, Si dư có thể kết tủa. Độ hòa tan của Si trong nhôm là 0,48% ở 450°C và 0,8% (wt%) ở 500°C. Hàm lượng Si dư trong 6005 là khoảng 0,41% và Si kết tủa có thể là sự kết tụ và kết tủa do sự dao động nồng độ.
(5) Nhôm bám vào băng chuyền khuôn là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng kéo. Khuôn đùn là môi trường nhiệt độ và áp suất cao. Ma sát chảy của kim loại sẽ làm tăng nhiệt độ băng chuyền khuôn, tạo thành “lớp nhôm dính” ở cạnh cắt của đầu vào băng chuyền.
Đồng thời, lượng Si dư thừa và các nguyên tố khác như Mn và Cr trong hợp kim nhôm dễ dàng tạo thành dung dịch rắn thay thế với Fe, thúc đẩy sự hình thành “lớp nhôm dính” tại lối vào vùng làm việc của khuôn. Kim loại chảy qua “lớp nhôm dính” này thuộc về ma sát nội (lực cắt trượt bên trong kim loại). Ma sát nội này làm biến dạng và cứng lại, thúc đẩy kim loại bên dưới và khuôn dính vào nhau. Đồng thời, băng chuyền khuôn bị biến dạng thành hình kèn do áp lực, và nhôm dính hình thành do phần lưỡi cắt của băng chuyền tiếp xúc với biên dạng tương tự như lưỡi cắt của dụng cụ tiện.
Sự hình thành nhôm dính là một quá trình động của sự phát triển và bong tróc. Các hạt liên tục được đưa ra khỏi thanh định hình. Bám dính vào bề mặt thanh định hình, tạo thành các khuyết tật kéo. Nếu nó chảy trực tiếp ra khỏi băng tải và được hấp thụ ngay lập tức trên bề mặt thanh định hình, các hạt nhỏ bám dính nhiệt vào bề mặt được gọi là "hạt hấp thụ". Nếu một số hạt bị phá vỡ bởi hợp kim nhôm đùn, một số hạt sẽ bám vào bề mặt băng tải khi đi qua băng tải, gây ra các vết xước trên bề mặt thanh định hình. Phần đuôi là ma trận nhôm xếp chồng. Khi có nhiều nhôm bị kẹt ở giữa băng tải (liên kết mạnh), nó sẽ làm trầm trọng thêm các vết xước bề mặt.
(6) Tốc độ đùn có ảnh hưởng lớn đến lực kéo. Ảnh hưởng của tốc độ đùn. Đối với hợp kim 6005 dạng rãnh, tốc độ đùn tăng trong phạm vi thử nghiệm, nhiệt độ đầu ra tăng, số lượng hạt kéo bề mặt tăng và trở nên nặng hơn khi đường cơ học tăng. Tốc độ đùn nên được giữ ổn định nhất có thể để tránh thay đổi tốc độ đột ngột. Tốc độ đùn quá mức và nhiệt độ đầu ra cao sẽ dẫn đến tăng ma sát và lực kéo hạt nghiêm trọng. Cơ chế cụ thể của tác động của tốc độ đùn đến hiện tượng kéo cần được theo dõi và xác minh sau đó.
(7) Chất lượng bề mặt của thanh đúc cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lực kéo của các hạt. Bề mặt của thanh đúc thô ráp, có gờ cưa, vết dầu, bụi, ăn mòn, v.v., tất cả đều làm tăng xu hướng kéo các hạt.
4 Kết luận
(1) Thành phần của khuyết tật kéo phù hợp với thành phần của ma trận; thành phần vị trí hạt rõ ràng khác với thành phần của ma trận, chủ yếu chứa các nguyên tố O, C, Fe và Si.
(2) Khuyết tật hạt kéo chủ yếu là do nhôm bám vào băng chuyền làm việc của khuôn. Bất kỳ yếu tố nào thúc đẩy nhôm bám vào băng chuyền làm việc của khuôn đều sẽ gây ra khuyết tật kéo. Trên cơ sở đảm bảo chất lượng của thanh đúc, việc tạo ra các hạt kéo không ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần hợp kim.
(3) Xử lý cháy đồng đều đúng cách có lợi cho việc giảm lực kéo bề mặt.
Thời gian đăng: 10-09-2024
