摘要：通过SEM 和光电直读光谱仪等，研究了6005A和6060铝合金挤压型材麻面缺陷。结果表明：麻面缺陷的成分与基体一致；颗粒位置成分与基体明显不同，主要含有O、C、Fe、Si元素。麻面缺陷主要是模具工作带粘铝造成，任何促进模具工作带粘铝的因素均会造成拉毛缺陷，在保证铸棒质量的前提下，拉毛颗粒的产生与合金成分无直接影响。适当的均火处理有利于表面拉毛减轻。
关键词：铝合金；型材；麻面缺陷；挤压
铝合金挤压材，特别是铝型材在挤压过程中，其表面上经常会产生一种“麻点”的缺陷，生产中称为“麻面” [1]。铝合金型材麻面是指在型材表面出现的密度不等、带有拖尾、非常细小的瘤状物，手感明显，有尖刺的感觉，氧化或电泳表面处理后，常呈现黑色的颗粒状粘附在产品表面。在大截面型材挤压生产中，受铸锭组织、挤压温度、挤压速度、模具复杂程度等影响，更易产生该缺陷[2-4]。麻面缺陷在型材表面预处理工序(尤其是碱蚀工序)大部分细小的颗粒可以去除，少部分粒径大、粘附牢固的颗粒则残留在型材表面，影响最终产品外观质量。在普通的建筑门窗型材产品中，顾客对不严重的麻面缺陷一般可以接受，但对于力学性能和装饰性能要求并重或更侧重于装饰性能的工业型材，顾客一般不接受该缺陷，尤其是与底色不一致的麻面缺陷(黑色渣点)[5-9]。我厂长期出现挤压型材拉毛、颗粒表面缺陷，经平光氧化或电泳处理后难以消除，严重影响制品表面质量，降低生产合格率。为分析拉毛颗粒的形成机理，通过对不同合金成分与挤压工艺下的缺陷位置进行形貌与成分分析，对比缺陷处与基体的差异，提出有效解决拉毛、颗粒的合理方案，并进行尝试试验。
要解决型材麻面缺陷，必须清楚麻面缺陷的形成机制。在挤压过程中，模具工作带粘铝是造成挤出铝材表面产生麻面缺陷的主要原因。这是因为铝材的挤压过程是在450℃左右的高温下进行的，如果加上变形热、摩擦热的作用，金属在流出模孔时的温度会更高。当制品流出模孔时，由于处于高温状态，金属与模具工作带存在粘铝现象[11]。这种粘结的形式往往是: 粘结—撕开—再粘结—再撕开的反复过程，而制品又是向前流动着的，从而在制品表面出现了许多小麻点，造成了挤压制品表面的麻面缺陷。这种粘结现象又与铸锭质量、模子工作带的表面状况、挤压温度、挤压速度、变形程度以及金属的变形抗力等因素有关。
通过前期调研了解到冶金纯净度、模具状态、挤压工艺、成分(难溶杂质相)、生产状况等因素可能影响表面拉毛颗粒。试验选用6005A和6060两种合金棒材挤压相同断面，通过直读光谱仪、SEM的检测手段对拉毛颗粒位置进行形貌与成分分析，并与周围正常基体的对比。
(1)拉毛缺陷又称麻面或毛刺。是一种点状缺陷，在型材表面出现的不规则的蝌蚪状、点状划伤缺陷，缺陷起始于划伤条纹，至缺陷脱落为止，在划道的末尾积累成金属豆。拉毛尺寸一般在1-5mm，经氧化处理后呈暗黑色，最终影响型材美观，如图1红色圈内。
(2)表面颗粒又称金属豆或吸附颗粒。铝合金型材表面附有球状灰黑色硬质颗粒金属，结构疏松。在铝合金型材表面分能擦掉和擦不掉二种。尺寸一般小于0.5mm，手触有粗糙感，前段不带有划道，经氧化后与基体差别不大，如图1黄色圈内。
试验结果与分析
2.1表面拉毛缺陷
图2为6005A合金表面拉毛缺陷显微组织形貌，拉毛前段有台阶状的划伤，并以堆叠状瘤状物收尾，出现瘤状物后表面归于正常。拉毛缺陷位置手触不光滑，有尖刺感，粘附或堆积在型材表面。通过挤压试验整体观察6005A和6060挤压型材中拉毛形貌相近，制品尾端多于头端；不同之处在于6005A整体拉毛尺寸较小，划伤深度减弱，这可能与合金成分、铸棒状态、模具条件发生改变有关。100X下观察，拉毛处前端有明显划伤痕迹，沿挤压方向拉长，收尾瘤状颗粒形状不规则。500X下，拉毛前端为沿挤压方向台阶状划伤(本缺陷尺寸约120μm)，尾端瘤状颗粒上呈现明显的堆叠痕迹。
为分析拉毛成因，分别使用直读光谱仪和EDX对三种合金成分的缺陷位置及基体进行了成分分析，表1为6005A型材的测试结果。EDX结果表明，拉毛颗粒堆叠位置成分与基体基本相近。此外，在拉毛缺陷及周围处堆积了一些细小的杂质颗粒，杂质颗粒中含C、O(或Cl)、或Fe、Si、S。
经对6005A精致氧化挤压型材的拉毛缺陷分析可知：拉毛颗粒尺寸较大(1-5mm)，表面多呈堆叠形貌，前段有台阶状的划伤；成分与Al基体接近，并在其周围分布会有含Fe、Si、C、O的异质相。说明三种合金的拉毛形成机制相同。
挤压过程中，金属流动摩擦会促使模具工作带温度升高，在工作带入口的刃口处形成“粘铝层”，同时铝合金中过剩Si及Mn、Cr等其他元素易与Fe形成置换固溶体，均会促使在模具工作带入口“粘铝层”的形成。随着金属向前流动，与工作带之间相互摩擦，在某一位置出现不断粘结-撕开-粘结的往复现象，导致金属在此位置不断叠加，当颗粒增大到一定尺寸时，会被流动的制品拉走并在金属表面形成划伤痕迹，残留于金属表面在划伤末端形成拉毛颗粒。因此可以认为拉毛颗粒的形成主要与模具工作带粘铝有关。其周围分布的异质相可能来源于润滑油、氧化物或灰尘颗粒以及铸锭粗糙表面带来的杂质。
但6005A试验结果中拉毛数量较少、程度较轻，一方面由于模具工作带出口处进行倒角，并对工作带进行仔细抛光，减少粘铝层厚度；另一方面与过剩Si含量有关，根据直读光谱成分结果可知，Si除了与Mg结合Mg2Si外剩余的Si以单质形式出现。
2.2 表面小颗粒
低倍目视，颗粒细小(≤0.5mm)，手触不光滑，有尖刺感，粘附在型材表面。100X下观察，表面小颗粒随机分布，无论有无划痕均有小尺寸颗粒依附在表面；500X下，无论表面沿着挤压方向有无明显台阶状的划伤，但仍附着许多颗粒，颗粒尺寸大小不一，最大颗粒尺寸约15μm，小的颗粒约5μm。
通过6060合金表面颗粒与完好基体的成分分析，颗粒主要由O、C、Si、Fe元素组成，铝含量非常低。几乎所有的颗粒中均含有O、C元素。各颗粒组成略有不同。其中，a颗粒接近10μm，相比基体Si、Mg、O明显偏高；c处, Si、O、Cl明显偏高；d、f颗粒含有高的Si、O、Na；e颗粒含有Si、Fe、O，h颗粒是含Fe化合物。
6060颗粒结果与此类似，但因6060中本身Si、Fe含量低，相应的表面颗粒中Si、Fe含量也偏低；6060颗粒中C含量相比较低。
表面颗粒可能不是单一的小颗粒，也会以许多形状不同的小颗粒聚集形式存在，且不同颗粒中不同元素的质量百分比有所差异。认为颗粒主要由两种组成，一种是AlFeSi、单质Si等析出物，来源于铸锭中的FeAl3或AlFeSi(Mn)等高熔点杂质相，或是在挤压过程中析出相。另一种是粘附的外来物。
2.3 铸锭表面粗糙度的影响
试验中发现，6005A铸棒车皮后表面粗糙并沾有灰尘，有两根铸棒的局部位置车削刀痕深最深，对应挤压后拉毛数量明显增加，且单个拉毛尺寸较大，如图7所示。而6005A铸棒未车皮，表面粗糙度较低，拉毛数量降低；此外，由于没有多余的切削液附着在铸棒车痕里，相应颗粒中C含量降低，证明铸棒表层的车削痕(增大铸棒表面粗糙度)在一定程度上会加重拉毛、颗粒形成。
(2)表面颗粒有时呈单一的小颗粒，也有时以聚集形式存在，其成分与基体明显不同，主要含有O、C、Fe、Si元素。其中部分颗粒以O、C元素为主，部分颗粒以O、C、Fe、Si为主，因此推断表面颗粒有两种来源：一种是AlFeSi、单质Si等析出物并在表面粘附O、C等杂质，另一种是粘附的外来物。颗粒氧化后被腐蚀掉，因尺寸小，对表面无影响或影响很小。
(3)富含C、O元素的颗粒主要来源于润滑油、铸锭表面粘附的灰尘、泥土、空气等。润滑油主要成分为C、O、H、S等，灰尘泥土主要组元为SiO2。表面颗粒的O含量普遍偏高，由于出工作带瞬间处于高温状态，由于颗粒的比表面积大，与空气接触后容易吸附空气中O原子而发生氧化，导致O含量较基体偏高。
(4)Fe、Si等主要来源于铸锭中的氧化物、老皮及杂质相(高熔点或均火未充分消除的第二相)。Fe元素来源于铝锭中的Fe，形成FeAl3或AlFeSi(Mn)等高熔点杂质相，在均质过程中无法固溶，或未被充分转化；Si在熔铸过程中以Mg2Si或Si的过饱和固溶体形式存在于铝基体中，在对铸棒进行热挤压过程中，过剩的Si可能会析出。Si在450℃时在铝中的溶解度为0.48%，500℃时0.8%(wt%)。6005中Si含量过剩约0.41%，析出Si可能是浓度起伏导致的聚集析出。
(5)模具工作带粘铝是造成拉毛的主要原因。挤压模具内属于高温高压环境，金属流动摩擦会促使模具工作带温度升高，在工作带入口的刃口处形成“粘铝层”，同时铝合金中过剩Si及Mn、Cr等其他元素易与Fe形成置换固溶体，均会促使在模具工作带入口“粘铝层”的形成。金属流过“粘铝层”属于内摩擦(金属内部的滑移剪切)，金属由于内摩擦发生变形发生加工硬化，促使底层金属与模具粘成一体。同时模具工作带由于受到压力后，变形成为喇叭状，工作带的刃口部分接触型材形成的粘铝类似于车刀的刀屑瘤，在粘铝的形成是一个成长和脱落的动态过程，不断有颗粒被型材带出，粘附在型材表面上，形成拉毛缺陷。如果直接流出工作带，瞬间吸附在型材表面，这种热粘贴在表面的小颗粒为“吸附颗粒”。如果一些微粒会被挤出的铝合金拉断，在经过工作带时部分颗粒粘结在工作带表面，造成型材表面划伤，尾端为堆叠的铝基体，工作带中间粘铝量多时(粘结牢靠)，会加重表面擦划伤。
(6)挤压速度对拉毛有很大影响，挤压速度的影响。就跟踪的6005合金而言，试验范围内挤压速度增加，出口温度随之增加，表面拉毛颗粒数量增多且随着机械纹加重而加重。应尽量保持挤压速度稳定，避免速度忽快忽慢。挤压速度过快、出口温度过高会导致摩擦加重，拉毛颗粒严重。挤压速度对拉毛现象的影响具体机理需要后续跟踪验证。
(7)铸棒的表面质量也是影响拉毛颗粒的重要因素。铸棒表面粗糙，有锯削飞边，有油污、灰尘、腐蚀等，都加重了拉毛颗粒倾向。
(1)拉毛缺陷的成分与基体一致；颗粒位置成分与基体明显不同，主要含有O、C、Fe、Si元素。
(2)拉毛颗粒缺陷主要是模具工作带粘铝造成，任何促进模具工作带粘铝的因素均会造成拉毛缺陷，在保证铸棒质量的前提下，拉毛颗粒的产生与合金成分无直接影响。
(3)适当的均火处理有利于表面拉毛减轻。
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