Streaking on Anodized Extrusions

Введение

Дефект «streaking» является одним из распространенных дефектов анодированных профилей из алюминиевых сплавов серии 6ххх, например, сплавов 6060 и 6063. Обычно он проявляется уже после анодирования, что затрудняет выявление его причины. Сущность этого дефекта в том, что на поверхности профиля визуально видны узкие полосы с различным контрастом блеска или матовости как между ними самими, так и по сравнению с окружающей нормальной анодированной поверхностью. Пример этого дефекта анодирования представлен на рисунке 1.

Fig. 1 – Streak defects in an anodized extrusion with arrows indicating streak bands [1]

Причины полосчатых дефектов

Известны, как минимум, три причины возникновения дефекта «полосчатость»:

Металл из поверхностной зоны слитка
Прессовые сварные швы
Неправильная конструкция матрицы

Металл из поверхности слитка

Первая причина – попадание в поверхность профиля металла поверхностной, так называемой сегрегационной зоны исходного слитка, обогащенного интерметаллидами и оксидами.

Fig. 2 – Inverse Segregation Zone (ISZ) or “billet skin” [2]

Прессовые сварные швы

Вторая причина – технологические, «прессовые» сварные швы профиля, продольные и поперечные. Поперечные швы возникают при обычной практике прессования заготовок «стык в стык», когда металл двух последовательных заготовок сваривается непосредственно в матрице и в него попадает металл поверхностного слоя из заднего конца предыдущей заготовки. Продольные швы возникают на полых профилях при соединении потоков металла после прохождения смежных портов матрицы. При стыковке двух заготовок материал загрязнения из заднего конца заготовки могут попадать и в продольные швы. Для устранения первых двух причин применяют:

более качественные слитки с минимальной толщиной сегрегационной зоны и
увеличенную толщину пресс-остатка.

Fig. 3 – [2]

Fig. 4 – [2]

Fig. 5 [3]

Конструкция матрицы

Более сложной является третья причина, связанная с недостатками конструкции матрицы.

В этом случае полосы возникают из-за сильных различий в пластической деформации или ее скорости в различных зонах сечения профилей со сложным или полым сечением (Fig. ).
В результате возникают зоны металла с резко отличающимися характеристиками микроструктуры, такими как:
– размер зерна
– ориентация зерен
– размер и количество выделений вторичных фаз.
При щелочном травлении продольные сварные швы травятся неоднородно и поэтому они почти всегда видны. Это может происходить даже без участия загрязненного металла из поверхностного слоя.
Одной из причин чрезмерной неоднородности течения металла может являться неоптимальная конструкции матрицы, в том числе:
– по размерам, форме или расположению сварочных камер (рис. )
– конфигурация длины рабочих поясков (рис. ).

Fig. 6 – Some examples of die streaking and typical areas where it might occur [1]

Fig. 7 [2]

Fig. 8 – Sharp changes in bearing may cause streaks, due to uneven flow of the
metal or to inadequate filling of the die opening. Variations in bearing
lengths at the junction points must be properly blended to prevent streaking.
Three different types of blending processes [3]

Оптика полосчатости

Оптическая сущность полосчатости заключается в том, что разные полосы имеют различную степень блеска или матовости. Блеск и матовость поверхности зависят от ее отражательных свойств, которые, в первую очередь, зависят от микротопографии поверхности. Эта топография определяется различными поверхностными несовершенствами, которые образуются в основном при травлении.

Часто поверхность дефектных полос имеет более грубую струкутуру, чем у нормальной поверхности и поэтому выглядит более матовой, так ее поверхностные несовершенства увеличивают диффузионную часть отраженного света. При анодировании алюминиевого профиля оксидный слой образуется на поверхности исходного металла. Оптические свойства поверхности после анодирования в основном зависят от топографии поверхности исходного металла и мало зависит от самой оксидной пленки, потому что она является прозрачной.

Fig. 9 – Schematic diagram showing specular reflection of light from a rough surface [1]

Fig. 10 – Relationship between arithmetical mean roughness (Ra) and glossiness (Gs) [1]

Матовое травление

Цель щелочного травления алюминия перед анодированием – получить гомогенную матовую поверхность. Травление меняет микроструктуру и оптические свойства поверхности за счет создания дополнительных поверхностных несовершенств:

ямок травления
канавок границ зерен
ступенек травления зерен.

Содержание железа

Размер и распределение ямок травления зависит в основном от размеров и распределения в поверхностном слое интерметаллидных фаз: первичных частиц Al₃Fe, α-AlFeSi и β-AlFeSi и вторичной фазы Mg₂Si. Железосодержащие частицы имеют более высокий электрохимический потенциал, чем окружающий их алюминий, поэтому растворяются не они, а алюминий вокруг них. При достаточно длительном травлении эти частицы полностью выпадают и размер ямок часто больше, чем их исходный размер, иногда до 10 мкм в диаметре. Поэтому содержание железа в сплаве и оказывает значительное влияние на оптический вид поверхности после травления. Напротив, частицы Mg₂Si действуют как аноды, что приводит к полному их вытравливанию с образованием ямок, повторяющих форму частиц. Поэтому малый размер частиц β-Mg₂Si и их высокая плотность распределения дают значительный вклад в формирование матовой поверхности, в том, числе в ямках от первичных Fe-частиц. Такая высокая плотность мелких частиц Mg₂Si достигается эффективной закалкой и искусственным старением профилей.

Fig. 11 – Morphology of (a) intermetallics (arrowed) in a metallographically prepared anodized
surface and (b) etch pits (arrowed) in an anodized section [1]

Границы зерен

Другим важным параметром микроструктуры поверхности, влияющим на ее оптические свойства, являются канавки границ зерен. Обычно границы зерен более восприимчивы к щелочному травлению. Однако, оказывается, что внутри на «полосчатой» поверхности канавки границ зерен еле видны, тогда как на нормальной поверхности – границы зерен глубокие и видны очень четко. Эту «смазанность» канавок границ зерен считают одной из причин, почему дефектные полосы выглядят светлее: мелкие канавки уменьшают долю диффузионной части отраженного света.

Fig. 12 – Morphology of grain boundary grooves in an anodized extrusion with a bright streak in
(a) streaked region (LOM), (b) normal region (LOM) [1]

Ступенчатые зерна

Еще одним элементом микроструктуры поверхности, влияющим на ее оптические свойства, являются так называемые ступеньки травления зерен. Дело в том, что при прессовании алюминиевых сплавов образуются некоторые предпочтительные ориентации зерен, то есть определенная текстура зерен. Установлено, что в дефектных полосах большинство зерен ориентировано в направлении прессования, а на нормальной поверхности зерна ориентированы случайным образом. Различие в текстуре дефектных и нормальных участков приводит к различной интенсивности отражения света.

Fig. 13 – LOM image of cross-section of an anodized extrusion showing surface defects
due to a pronounced attack on a particular crystal plane
with arrows show the grain etching steps [1]

Заключение

Происхождение полосчатых дефектов на поверхности анодированных профилей обусловлено разницей в интенсивности и диффузном отражении света по сравнению с окружающим материалом из-за неоднородного распределения дефектов поверхности.
Несовершенства поверхности, состоящие из ямок травления, канавок по границам зерен и ступеней травления зерен, создаются на поверхности экструзии во время щелочного травления. Ямки травления образуются либо растворением алюминиевой матрицы, окружающей богатые железом интерметаллические частицы, либо прямым растворением частиц силицида магния.
Размер, количество и распределение этих интерметаллидов определяют морфологию ямок травления. Преимущественное химическое воздействие на границы зерен приводит к образованию борозд по границам зерен.
Размер зерен и характеристики границ зерен оказывают большое влияние на глубину канавок. Кроме того, ярко направленное химическое воздействие на определенные кристаллические плоскости приводит к образованию ступеней травления зерен.
Ообразование и выраженность поверхностных дефектов зависят от особенностей микроструктуры до травления. Неоднородная микроструктура образуется за счет локализации деформации, вызванной неравномерным течением металла.
Геометрия отверстий матрицы, а также длина рабочего пояска матрицы определяют течение металла и также оказывают влияние на образование полос.
Конструкция экструзионной матрицы является ключевым фактором в возникновении и контроле образования полос.

Источники:

X. Zhang et al, Aluminum Extrusion Technology Seminar, 2008.
Influence of Al Microstructure on Hard Anodising Quality – Profile Material / Tom Hauge, Hydro Aluminium // IHAA Symposium, 25th of September 2014, New York
Aluminum Extrusion Technology / P. Saha