알루미늄 합금 압출재, 특히 알루미늄 프로파일의 압출 공정 중 표면에 "피팅(pitting)" 결함이 자주 발생합니다. 이러한 결함의 구체적인 증상으로는 다양한 밀도의 매우 작은 종양, 꼬리 모양, 그리고 뾰족한 느낌의 뚜렷한 촉감이 있습니다. 산화 또는 전기영동 표면 처리 후에는 제품 표면에 검은 과립이 부착되어 나타나는 경우가 많습니다.
대형 단면 프로파일의 압출 생산에서 이러한 결함은 잉곳 구조, 압출 온도, 압출 속도, 금형 복잡성 등의 영향으로 인해 발생할 가능성이 더 높습니다. 대부분의 피트 결함의 미세 입자는 프로파일 표면 전처리 공정, 특히 알칼리 에칭 공정에서 제거될 수 있지만, 소수의 크고 단단히 부착된 입자는 프로파일 표면에 남아 최종 제품의 외관 품질에 영향을 미칩니다.
일반적인 건축물의 문과 창 프로필 제품에서 고객은 일반적으로 사소한 구멍 결함을 허용하지만, 기계적 특성과 장식적 성능에 동등한 중점을 두거나 장식적 성능에 더 중점을 두어야 하는 산업용 프로필의 경우 고객은 일반적으로 이러한 결함, 특히 다양한 배경색과 일치하지 않는 구멍 결함을 허용하지 않습니다.
거친 입자의 형성 메커니즘을 분석하기 위해 다양한 합금 조성 및 압출 공정에서 발생하는 결함 위치의 형태와 조성을 분석하고, 결함과 매트릭스의 차이점을 비교했습니다. 거친 입자를 효과적으로 해결하기 위한 합리적인 해결책을 제시하고 시범 실험을 수행했습니다.
프로파일의 피팅 결함을 해결하려면 피팅 결함의 형성 메커니즘을 이해해야 합니다. 압출 공정 중 다이 가공 벨트에 알루미늄이 고착되는 것이 압출 알루미늄 소재 표면의 피팅 결함의 주요 원인입니다. 이는 알루미늄 압출 공정이 약 450°C의 고온에서 진행되기 때문입니다. 여기에 변형열과 마찰열의 영향이 더해지면, 다이 구멍에서 흘러나올 때 금속의 온도가 더 높아집니다. 고온으로 인해 제품이 다이 구멍에서 흘러나올 때 금속과 금형 가공 벨트 사이에 알루미늄이 고착되는 현상이 발생합니다.
이러한 접합 형태는 종종 접합-찢기-접합-다시 찢는 과정을 반복적으로 거치며, 제품이 앞으로 흘러내리면서 제품 표면에 많은 작은 구멍이 생깁니다.
이러한 결합 현상은 잉곳의 품질, 금형 작업 벨트의 표면 상태, 압출 온도, 압출 속도, 변형 정도, 금속의 변형 저항성과 같은 요인과 관련이 있습니다.
1 시험재료 및 방법
예비 연구를 통해 야금학적 순도, 금형 상태, 압출 공정, 재료 및 생산 조건과 같은 요인이 표면 거칠기 입자에 영향을 미칠 수 있음을 확인했습니다. 본 실험에서는 6005A와 6060 두 합금 막대를 사용하여 동일한 단면을 압출했습니다. 거칠기 입자 위치의 형태와 조성은 직접 판독 분광기(DLS)와 SEM 검출법을 통해 분석하고, 주변의 정상 매트릭스와 비교했습니다.
구멍이 있는 결함과 입자가 있는 결함의 형태를 명확히 구분하기 위해 다음과 같이 정의합니다.
(1) 피트 결함 또는 인발 결함은 점 결함의 일종으로, 프로파일 표면에 나타나는 불규칙한 올챙이 모양 또는 점 모양의 스크래치 결함입니다. 이 결함은 스크래치 줄무늬에서 시작하여 스크래치 선 끝부분에서 떨어져 나가 금속판 모양으로 축적됩니다. 피트 결함의 크기는 일반적으로 1~5mm이며, 산화 처리 후 짙은 검은색으로 변하여 궁극적으로 프로파일의 외관에 영향을 미칩니다(그림 1의 빨간색 원 참조).
(2) 표면 입자는 금속 콩 또는 흡착 입자라고도 합니다. 알루미늄 합금 프로파일의 표면에는 구형의 회흑색 경질 금속 입자가 부착되어 있으며, 조직이 성기게 형성되어 있습니다. 알루미늄 합금 프로파일에는 닦아낼 수 있는 것과 닦아낼 수 없는 것 두 가지가 있습니다. 크기는 일반적으로 0.5mm 미만이며, 만졌을 때 거칠게 느껴집니다. 전면에는 흠집이 없으며, 산화 후에는 그림 1의 노란색 원과 같이 매트릭스와 크게 다르지 않습니다.
2. 시험 결과 및 분석
2.1 표면 당김 결함
그림 2는 6005A 합금 표면의 인발 결함의 미세 조직 형태를 보여줍니다. 인발 부위 앞쪽에는 계단 모양의 스크래치가 있고, 그 끝에는 겹겹이 쌓인 결절이 있습니다. 결절이 나타난 후 표면은 정상으로 돌아갑니다. 거칠기 결함의 위치는 만져보면 매끄럽지 않고 날카로운 가시 같은 느낌을 주며, 프로파일 표면에 부착되거나 쌓입니다. 압출 시험을 통해 6005A와 6060 압출 프로파일의 인발 형태가 유사하고, 제품의 꼬리 부분이 머리 부분보다 더 큰 것을 확인했습니다. 차이점은 6005A의 전체 인발 크기가 더 작고 스크래치 깊이가 약하다는 것입니다. 이는 합금 조성, 주조 봉 상태 및 금형 조건의 변화와 관련이 있을 수 있습니다. 100배율로 관찰한 결과, 압출 방향을 따라 길어진 인발 부위 앞쪽에 뚜렷한 스크래치 자국이 있으며, 최종 결절 입자의 모양은 불규칙합니다. 500배율에서는, 당김면의 앞쪽 끝에 압출 방향을 따라 계단 모양의 긁힘이 생겼고(이 결함의 크기는 약 120μm), 꼬리 부분의 결절상 입자에는 뚜렷한 쌓임 흔적이 있었습니다.
인발 원인을 분석하기 위해 직접 판독 분광기(DSP)와 EDX를 사용하여 세 합금 성분의 결함 위치와 매트릭스에 대한 성분 분석을 수행했습니다. 표 1은 6005A 프로파일의 시험 결과를 보여줍니다. EDX 결과는 인발 입자의 적층 위치 조성이 매트릭스 조성과 기본적으로 유사함을 보여줍니다. 또한, 인발 결함 내부와 주변에 미세한 불순물 입자가 축적되어 있으며, 불순물 입자에는 C, O(또는 Cl), 또는 Fe, Si, S가 포함되어 있습니다.
6005A 미세 산화 압출 프로파일의 거칠기 결함 분석 결과, 인발 입자의 크기가 크고(1~5mm), 표면이 대부분 적층되어 있으며, 전면에 계단형 스크래치가 있는 것으로 나타났습니다. 조성은 Al 기지와 유사하며, 주변에 Fe, Si, C, O를 포함하는 불균일상이 분포합니다. 이는 세 합금의 인발 형성 메커니즘이 동일함을 보여줍니다.
압출 공정 중 금속 유동 마찰로 인해 금형 가공 벨트의 온도가 상승하여 가공 벨트 입구의 절삭날에 "점착성 알루미늄 층"이 형성됩니다. 동시에, 알루미늄 합금에 함유된 Si 및 Mn, Cr과 같은 다른 원소는 Fe와 치환 고용체를 형성하기 쉬워 금형 가공 구역 입구에 "점착성 알루미늄 층"이 형성됩니다.
금속이 앞으로 흐르면서 작업 벨트에 마찰되면 특정 위치에서 연속적인 접합-찢어짐-접합의 왕복 현상이 발생하여 금속이 이 위치에서 지속적으로 중첩됩니다. 입자가 일정 크기에 도달하면 흐르는 제품에 의해 끌려나가 금속 표면에 스크래치 자국을 형성합니다. 이 스크래치 자국은 금속 표면에 남아 스크래치 끝부분에서 견인 입자를 형성합니다. 따라서 거친 입자의 형성은 주로 알루미늄이 금형 작업 벨트에 달라붙는 것과 관련이 있다고 볼 수 있습니다. 주변에 분포하는 불균일상은 윤활유, 산화물 또는 먼지 입자뿐만 아니라 잉곳의 거친 표면에서 유입된 불순물에서 비롯될 수 있습니다.
그러나 6005A 시험 결과의 풀링 횟수와 강도는 더 적습니다. 이는 한편으로는 금형 가공 벨트 출구의 모따기와 알루미늄 층 두께를 줄이기 위한 가공 벨트의 정밀한 연마에 기인하며, 다른 한편으로는 과잉 Si 함량과 관련이 있습니다.
직접 판독 스펙트럼 조성 결과에 따르면 Mg Mg2Si와 결합된 Si 외에 나머지 Si는 단일 물질 형태로 나타나는 것을 알 수 있습니다.
2.2 표면의 작은 입자
저배율 육안 검사에서 입자는 매우 작고(≤0.5mm) 촉감이 매끄럽지 않고 날카로운 느낌을 주며, 프로파일 표면에 부착되어 있습니다. 100배율로 관찰하면, 표면에 작은 입자들이 불규칙하게 분포되어 있으며, 흠집 유무와 관계없이 작은 크기의 입자들이 표면에 부착되어 있습니다.
500배 배율에서는 압출 방향을 따라 표면에 계단 모양의 스크래치가 뚜렷하게 나타나더라도 여전히 많은 입자가 부착되어 있으며, 입자 크기는 다양합니다. 가장 큰 입자 크기는 약 15μm이고, 작은 입자는 약 5μm입니다.
6060 합금 표면 입자와 손상되지 않은 매트릭스의 구성 분석을 통해 입자는 주로 O, C, Si 및 Fe 원소로 구성되고 알루미늄 함량은 매우 낮습니다. 거의 모든 입자가 O와 C 원소를 포함합니다. 각 입자의 구성은 약간 다릅니다. 그 중 a 입자는 10μm에 가까워 매트릭스 Si, Mg 및 O보다 상당히 높습니다. c 입자에서 Si, O 및 Cl이 확실히 더 높습니다. 입자 d와 f는 높은 Si, O 및 Na를 포함합니다. 입자 e는 Si, Fe 및 O를 포함합니다. h 입자는 Fe 함유 화합물입니다. 6060 입자의 결과도 이와 유사하지만 6060 자체의 Si 및 Fe 함량이 낮기 때문에 표면 입자의 해당 Si 및 Fe 함량도 낮습니다. 6060 입자의 C 함량은 비교적 낮습니다.
표면 입자는 단일 작은 입자가 아닐 수도 있고, 다양한 모양을 가진 여러 작은 입자가 응집된 형태로 존재할 수도 있으며, 입자마다 다른 원소의 질량 비율도 다릅니다. 입자는 주로 두 가지 유형으로 구성되어 있는 것으로 여겨집니다. 하나는 잉곳 내 FeAl3 또는 AlFeSi(Mn)과 같은 고융점 불순물 상이나 압출 공정 중 침전물 상으로부터 유래된 AlFeSi 및 Si 원소와 같은 침전물입니다. 다른 하나는 부착된 이물질입니다.
2.3 잉곳 표면 거칠기의 영향
시험 중 6005A 주조봉 선반의 후면이 거칠고 먼지로 얼룩져 있는 것이 확인되었습니다. 국부적으로 가장 깊은 선삭 공구 자국이 있는 주조봉 두 개가 있었는데, 이는 압출 후 풀링 횟수가 크게 증가했음을 의미하며, 단일 풀링의 크기도 더 컸음을 그림 7에서 확인할 수 있습니다.
6005A 주조봉은 선반이 없어 표면 거칠기가 낮고 인발 횟수가 줄어듭니다. 또한, 주조봉의 선반 자국에 절삭유가 과도하게 묻어 있지 않아 해당 입자의 탄소 함량이 감소합니다. 주조봉 표면의 인발 자국은 인발 및 입자 형성을 어느 정도 악화시키는 것으로 나타났습니다.
3 토론
(1) 인발 결함의 구성 요소는 기본적으로 매트릭스의 구성 요소와 동일합니다. 압출 공정 중 압출 배럴 벽이나 금형 사각지대에 축적된 이물질, 잉곳 표면의 노폐물, 기타 불순물이 금속 표면이나 금형 가공 벨트의 알루미늄 층으로 유입됩니다. 제품이 앞으로 흐르면서 표면 스크래치가 발생하고, 제품이 일정 크기까지 쌓이면 제품에 의해 제거되어 인발을 형성합니다. 산화 후 인발이 부식되었고, 크기가 커서 피트(pit) 형태의 결함이 발생했습니다.
(2) 표면 입자는 때로는 단일의 작은 입자로 나타나기도 하고, 때로는 응집된 형태로 존재하기도 합니다. 이들의 조성은 기질의 조성과 명백히 다르며, 주로 O, C, Fe, Si 원소로 구성되어 있습니다. 일부 입자는 O와 C 원소가 우세하고, 일부 입자는 O, C, Fe, Si가 우세합니다. 따라서 표면 입자는 두 가지 원인에서 비롯된 것으로 추정됩니다. 하나는 AlFeSi와 Si 원소와 같은 침전물이며, O와 C와 같은 불순물이 표면에 부착된 것입니다. 다른 하나는 부착된 이물질입니다. 입자는 산화 후 부식되어 없어집니다. 입자 크기가 작기 때문에 표면에 미치는 영향이 없거나 거의 없습니다.
(3) C와 O 원소가 풍부한 입자는 주로 윤활유, 먼지, 토양, 공기 등에서 유래하며, 잉곳 표면에 부착됩니다. 윤활유의 주요 성분은 C, O, H, S 등이며, 먼지와 토양의 주요 성분은 SiO2입니다. 표면 입자의 O 함량은 일반적으로 높습니다. 입자는 작업대를 떠난 직후 고온 상태에 있으며, 입자의 비표면적이 크기 때문에 공기 중의 O 원자를 쉽게 흡착하고 공기와 접촉 후 산화를 일으켜 매트릭스보다 O 함량이 높습니다.
(4) Fe, Si 등은 주로 잉곳의 산화물, 오래된 스케일 및 불순물 상(고융점 또는 균질화로 완전히 제거되지 않은 2차 상)에서 발생합니다. Fe 원소는 알루미늄 잉곳의 Fe에서 유래하여 FeAl3 또는 AlFeSi(Mn)과 같은 고융점 불순물 상을 형성하는데, 이는 균질화 공정에서 고용체에 용해될 수 없거나 완전히 전환되지 않습니다. Si는 주조 공정에서 Mg2Si 또는 Si의 과포화 고용체 형태로 알루미늄 매트릭스에 존재합니다. 주조 막대의 열간 압출 공정 중에 과도한 Si가 침전될 수 있습니다. 알루미늄에서 Si의 용해도는 450°C에서 0.48%, 500°C에서 0.8%(중량%)입니다. 6005의 과도한 Si 함량은 약 0.41%이며 침전된 Si는 농도 변동으로 인해 응집 및 침전될 수 있습니다.
(5) 알루미늄이 금형 작업 벨트에 달라붙는 것이 풀림의 주요 원인입니다. 압출 다이는 고온 고압 환경입니다. 금속 유동 마찰은 금형 작업 벨트의 온도를 상승시켜 작업 벨트 입구의 절삭날에 "점착성 알루미늄 층"을 형성합니다.
동시에, 알루미늄 합금에 존재하는 과잉 Si 및 Mn, Cr과 같은 다른 원소는 Fe와 치환 고용체를 형성하기 쉬워 금형 가공 영역 입구에 "점착성 알루미늄층"이 형성됩니다. 이 "점착성 알루미늄층"을 통과하는 금속은 내부 마찰(금속 내부의 슬라이딩 전단)에 의해 변형되고 경화되어 하부 금속과 금형이 접착됩니다. 동시에, 금형 가공 벨트는 압력으로 인해 나팔 모양으로 변형되고, 가공 벨트의 절삭날 부분이 프로파일과 접촉하여 형성되는 점착성 알루미늄은 선삭 공구의 절삭날과 유사합니다.
점착성 알루미늄의 형성은 성장과 탈락의 역동적인 과정입니다. 입자는 프로파일에 의해 끊임없이 배출됩니다. 프로파일 표면에 부착되어 인장 결함을 형성합니다. 작업 벨트에서 직접 흘러나와 프로파일 표면에 순간적으로 흡착되는 경우, 표면에 열적으로 부착된 작은 입자를 "흡착 입자"라고 합니다. 일부 입자는 압출된 알루미늄 합금에 의해 파쇄되고, 일부 입자는 작업 벨트를 통과할 때 작업 벨트 표면에 달라붙어 프로파일 표면에 스크래치를 유발합니다. 끝부분은 적층된 알루미늄 매트릭스입니다. 작업 벨트 중앙에 많은 알루미늄이 부착되면(결합력이 강함) 표면 스크래치가 심화됩니다.
(6) 압출 속도는 인발에 큰 영향을 미칩니다. 압출 속도의 영향. 트랙 6005 합금의 경우, 시험 범위 내에서 압출 속도가 증가하고, 출구 온도가 상승하며, 표면 인발 입자 수가 증가하고 기계 라인이 증가함에 따라 무거워집니다. 압출 속도는 급격한 속도 변화를 피하기 위해 가능한 한 안정적으로 유지해야 합니다. 과도한 압출 속도와 높은 출구 온도는 마찰 증가 및 심각한 입자 인발로 이어질 수 있습니다. 압출 속도가 인발 현상에 미치는 영향의 구체적인 메커니즘은 후속적인 추적 및 검증이 필요합니다.
(7) 주조봉의 표면 품질 또한 인발 입자 발생에 영향을 미치는 중요한 요인입니다. 주조봉의 표면은 거칠고, 톱질 흔적, 기름 얼룩, 먼지, 부식 등이 있으며, 이러한 모든 요인은 인발 입자 발생 가능성을 높입니다.
4 결론
(1) 인장결함의 조성은 기지의 조성과 일치하며, 입자위치의 조성은 기지의 조성과 현저히 다르며, 주로 O, C, Fe, Si 원소로 구성되어 있다.
(2) 인발 입자 결함은 주로 알루미늄이 금형 가공 벨트에 달라붙어 발생합니다. 알루미늄이 금형 가공 벨트에 달라붙는 것을 촉진하는 모든 요인은 인발 결함을 유발합니다. 주조 봉재의 품질을 보장한다는 전제 하에, 인발 입자의 발생은 합금 조성에 직접적인 영향을 미치지 않습니다.
(3) 적절한 균일한 화염 처리가 표면 당김을 줄이는 데 도움이 됩니다.
게시 시간: 2024년 9월 10일
