铝合金挤压型材拉毛及颗粒缺陷的研究

马 旭，程雪婷，肖 栋，程仁寨，王 丹，任伟才

（1.山东南山铝业股份有限公司，烟台265700；2.烟台南山学院，烟台265700）

0 前言

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、挤压速度及模具复杂程度等因素的影响，更易产生该缺陷[2-4]。型材表面上的麻面缺陷可以采用预处理工序（尤其是碱蚀工序）将大部分细小的颗粒去除，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。对于普通的建筑门窗型材产品，顾客对不严重的麻面缺陷一般可以接受，但对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）[4-5]。拉毛、颗粒为麻面缺陷的常见形式。本文针对拉毛、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，提出了有效解决拉毛、颗粒缺陷的合理方案，并进行了尝试试验。

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压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[6]。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[7]。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拉毛、颗粒缺陷[8]。这种粘结现象又与铸锭质量、模具工作带的表面状况、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。

1 试验材料与方法

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会影响到表面拉毛、颗粒缺陷。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等检测手段对拉毛、颗粒位置进行形貌与成分分析，并与周围正常基体进行对比。

为了明确区分拉毛与颗粒两种缺陷的形貌，其定义如下：

（1）拉毛缺陷又称麻面或毛刺，是一种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1～5 mm 之间，经氧化处理后呈暗黑色，最终会影响型材美观，如图1 中小圈所示。

（2）颗粒缺陷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0.5 mm，手触有粗糙感，前端不带有划道，经氧化后与基体差别不大，如图1 中大圈所示。

图1 挤压型材表面缺陷

2 试验结果与分析

2.1 表面拉毛缺陷

图2 为6005A 合金表面拉毛缺陷的显微组织形貌。拉毛前端有台阶状的划伤，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，制品尾端拉毛多于头端；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。100倍下观察发现，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。500倍下观察发现，拉毛前端为沿挤压方向台阶状划伤（本缺陷尺寸约120 μm），尾端瘤状颗粒上呈现明显的堆叠痕迹。

图2 6005A合金拉毛缺陷的表面形貌

为分析拉毛成因，分别使用直读光谱仪和EDX对合金成分的缺陷位置及基体进行了成分分析，表1为其中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。

表1 6005A合金缺陷处化学成分（质量分数/%）

通过对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（1～5 mm），表面多呈堆叠形貌，其前端有台阶状的划伤；成分与Al 基体接近，并在其周围分布有含Fe、Si、C、O 的异质相。说明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等其它元素易与Fe 形成置换固溶体，均会促使模具工作带入口处“粘铝层”的形成[9-11]。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[12]。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，一方面是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，减少了粘铝层厚度；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结合形成Mg2Si外，剩余的Si以单质形式出现。

2.2 表面颗粒缺陷

图3为6060合金颗粒缺陷的表面形貌。6060铝型材在挤压过程中容易出现较多的颗粒缺陷。低倍目视，颗粒细小（≤0.5 mm），手触不光滑，有尖刺感，粘附在型材表面。100倍下观察发现，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上；500倍下观察发现，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15 μm，小的颗粒约5 μm。

图3 6060合金缺陷的表面形貌

通过6060 合金表面颗粒位置与完好基体的成分分析（见表2），发现颗粒主要由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，相比基体其Si、Mg、O 明显偏高；c颗粒， 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 颗粒含有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2 6060合金表面缺陷处化学成分（质量分数%）

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，是在挤压过程中的析出相；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4所示。而6005A铸棒未车皮时，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、颗粒缺陷的形成。

图4 6005A合金车铸棒车皮表面及对应的型材表面

3 讨论

（1）拉毛缺陷的成分与基体基本一致。它是挤压过程中的外来颗粒、铸锭表层老皮等堆积在挤压筒壁或模具死区的杂质，被带到金属表面或模具工作带粘铝层中，随着制品向前流动造成表面擦划伤，并在堆积到一定尺寸时被制品带出形成拉毛[10]。氧化后拉毛缺陷被腐蚀掉，因尺寸较大，导致该处有坑状缺陷。

（2）表面颗粒缺陷有时呈单一的小颗粒，有时也以聚集形式存在，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，这是由于型材在出工作带瞬间处于高温状态，加之颗粒的比表面积大，与空气接触后容易吸附空气中的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Al-FeSi（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 ℃时为0.8%。6005A 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，在工作带的刃口处形成“粘铝层”。同时铝合金中过剩Si 及Mn、Cr 等其它元素易与Fe 形成置换固溶体，亦会促使在模具工作带刃口处“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），金属由于内摩擦产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。粘铝层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）挤压速度对拉毛缺陷有很大影响。就跟踪的6005A合金而言，试验范围内挤压速度增加，出口温度随之增加，表面拉毛缺陷数量增多且随着机械纹的加重而加重。因此，在实际生产中，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。

（7）铸棒的表面质量也是影响拉毛及颗粒缺陷的重要因素。铸棒表面粗糙，有锯削飞边、油污、灰尘、腐蚀等，这些因素均会加重拉毛、颗粒缺陷的出现。

4 结论

（1）拉毛缺陷的成分与基体一致；颗粒缺陷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，任何促使模具工作带粘铝的因素均会造成表面缺陷。在保证铸棒质量的前提下，拉毛、颗粒缺陷的产生与合金成分无直接影响。

（3）对铸棒进行适当的均火处理有利于减轻表面拉毛、颗粒缺陷的产生。