Adherencias y líneas de matriz en la extrusión de aluminio: tres defectos, tres causas
Tres defectos superficiales explican la mayor parte de la chatarra en un perfil 6xxx: adherencias, líneas de matriz y microlíneas de matriz. Se parecen en el extruido y no tienen la misma causa. La adherencia es aluminio que se acumula en el lado de salida del apoyo de la matriz y se desprende sobre el perfil. Una línea de matriz se estampa en la superficie en la parte frontal del apoyo, donde el extruido todavía estrangula la garganta. Una microlínea de matriz no la produce la matriz en absoluto. Es una cadena de huecos que se abre en la propia capa superficial de la palanquilla. Distinguirlas decide quién soluciona el problema y si la solución es una matriz, una palanquilla o un ajuste de la prensa.
Los tres defectos y dónde se origina cada uno
| Defecto | Cómo se ve | De dónde proviene | Quién puede solucionarlo |
|---|---|---|---|
| Adherencia | Líneas de rayado intermitentes, de 3 a 12 mm de longitud, que suelen terminar en una partícula de aluminio embutida en la superficie | Recubrimiento de aluminio en la mitad de salida del apoyo de la matriz, que se desprende y se transfiere al extruido | Taller de matrices (apoyo y nitruración), ajustes de la prensa, limpieza de la palanquilla |
| Línea de matriz | Surco o cresta longitudinal continuo, lo bastante profundo para sobrevivir al ataque químico, a veces visible antes del anodizado | La parte frontal estrangulada del apoyo, aproximadamente los primeros 2 mm, donde la superficie se genera contra la película de aluminio | Taller de matrices (longitud del apoyo, acabado del apoyo, estrangulamiento, deflexión de la matriz) |
| Microlínea de matriz | Línea fina, poco profunda y continua. Sobrevive al pulido. Suele verse por primera vez después del anodizado | Precipitados con hierro fracturados y los huecos entre ellos, en la capa superficial del extruido | Palanquilla y homogeneización, no la matriz |
La adherencia es el defecto que el operador ve primero, porque la partícula sobresale de la superficie y se puede palpar. Una línea de matriz es más fácil de pasar por alto en la prensa y mucho más difícil de ocultar después. La microlínea de matriz es la que devuelve un lote de perfiles anodizados, porque el ataque químico previo al anodizado la abre.
La superficie se forma en los dos primeros milímetros del apoyo
El apoyo no funciona como una sola superficie. En la entrada, el extruido se presiona con fuerza contra la matriz y queda sellado de la atmósfera, y la piel de aluminio que se forma allí es la superficie que recibe el cliente. Detrás de ese punto, el extruido se separa a medida que la matriz se deflecta bajo carga, el aire llega hasta él y se forma un óxido, y el resto del apoyo no hace más que embutir, engomar y rayar la superficie que ya se ha creado.
Los ensayos en que se basa esto utilizaron apoyos rectificados perpendiculares a la dirección de extrusión con 1,1 µm Ra, desde 8 mm hasta un filo de cuchillo. La acumulación de aluminio en la zona de trabajo del apoyo midió unos 2 mm en todas las matrices de la serie, cualquiera que fuera la longitud total del apoyo. Se derivan dos resultados. Un apoyo de menos de aproximadamente 1 mm no es estable bajo la carga de extrusión y vibra, y la superficie sale más rugosa que con 2 mm, por lo que un filo de cuchillo no es un acabado gratuito. Y cada milímetro de apoyo más allá del estrangulamiento añade fricción, calor y área de transferencia sin mejorar la superficie. Unos 2 mm, completamente estrangulados, dieron el mejor acabado de la serie.
Esa es también la razón por la que el acabado del apoyo importa más que la longitud del apoyo en la mayoría de los talleres. A la temperatura óptima, la película de aluminio se asienta dentro de los valles de rectificado en lugar de sobresalir por encima de ellos, de modo que el apoyo se comporta como una superficie lisa y el producto sigue la película en lugar de las marcas de la herramienta. A 550 °C, la misma película sobresale de esos valles y el producto adopta sus crestas. El perfil de rugosidad del apoyo forma parte de la matriz, no es un acabado aplicado a ella.
450 °C crea la superficie, 550 °C la rompe
El aspecto de la película sobre el apoyo depende de la temperatura, y la película es lo que decide el acabado. La misma palanquilla 6063, extruida a la misma velocidad de salida, produjo tres superficies diferentes en un intervalo de 200 °C.
| Temperatura de la palanquilla | Qué hace la película de aluminio sobre el apoyo | Resultado en el perfil |
|---|---|---|
| 350 °C | El Mg2Si se rechaza como precipitados gruesos, por lo que desaparecen las pequeñas partículas duras que barren el apoyo. La tensión de fluencia es mayor, la presión de extrusión es mayor y la matriz se deflecta más, lo que permite que se acumule más aluminio | La rugosidad aumenta y la dispersión se amplía. Bandas gruesas de aluminio en la garganta se imprimen en la superficie |
| 425 a 475 °C | La película se asienta dentro de los valles de rectificado del apoyo en lugar de sobresalir por encima de ellos. El apoyo se comporta como una superficie lisa, y las partículas finas de (Fe,Mn)Al3 y Mg2Si lo barren hasta dejarlo limpio | La superficie más lisa de la serie, aproximadamente 0,5 µm Ra tal como se extruye. Este es el intervalo industrial para 6063 |
| 550 °C | La película sobresale de la superficie rectificada en forma de crestas. Se endurece por deformación y la matriz la templa, por lo que se vuelve más dura que el extruido que pasa sobre ella | El perfil adopta la forma de las crestas y se acumula una fuerte adherencia en la salida del apoyo |
Acabado superficial frente a temperatura de la palanquilla para 6063, a una velocidad de salida de 1 m/s. Se extruyeron tres palanquillas a cada temperatura, con los apoyos limpios antes de la primera. El acabado tal como se extruye en el óptimo fue de aproximadamente 0,5 µm Ra.
Lo útil es la forma de la curva, no el valor absoluto. Hay un óptimo en el medio, y ambos extremos fallan por su propia razón: demasiado frío, y las partículas que barrerían el apoyo quedan atrapadas como precipitados gruesos mientras la matriz se deflecta más; demasiado caliente, y la película crece formando crestas más duras que el producto. Pasar una matriz de 500 °C a 575 °C empeora la adherencia, no la mejora, porque la película se alarga, se desprende por ambos lados y luego raya el extruido hasta que este también se transfiere.
Adherencia: dos mecanismos, tres palancas
La adherencia se forma de una de dos maneras. En la primera, la adhesión entre la matriz y el extruido es aproximadamente igual a la resistencia cohesiva del aluminio en la superficie, por lo que las escamas se transfieren de un lado a otro entre el apoyo y el perfil hasta aglomerarse en un depósito. Ese es el mecanismo de stick-slip, y es común cuando se pone en servicio una matriz nueva. En la segunda, el aluminio se acumula en la salida del apoyo, se endurece por deformación al ser arrastrado, se alarga en la dirección de extrusión y finalmente se desprende, dejando un surco profundo con el depósito en su extremo. En 6063, la segunda es la habitual.
La severidad depende de la temperatura y la velocidad de deformación conjuntamente, por lo que una temperatura por sí sola no define un punto de operación seguro. La forma publicada es una línea en el plano temperatura–velocidad de deformación: la superficie se mantiene aceptable mientras la velocidad de deformación compensada por temperatura Z permanezca por debajo de ln Z = aT − b. Las constantes dependen de la aleación, la condición de colada, la homogeneización, el diseño de la matriz y la temperatura de la matriz, por lo que un umbral copiado de otra planta rara vez se transfiere. La forma sí.
Tres palancas están del lado de la herramienta. La nitruración del apoyo cambia la superficie que ve el aluminio. Un material de matriz no humectante, como una pastilla de sialón, elimina la adhesión misma. El enfriamiento de la matriz reduce la temperatura del apoyo sin tocar la palanquilla. Otras dos están aguas arriba: un tratamiento de homogeneización que esferoidice la fase con hierro, y una palanquilla en la que no quede Mg2Si grueso en la capa superficial. Una esferoidización incompleta tras una homogeneización corta basta para empeorar la adherencia en condiciones que de otro modo pasarían.
Las microlíneas de matriz son un defecto de la palanquilla, no de la matriz
Un dado pulido, operado a la temperatura óptima, sigue produciendo líneas de dado. Son más finas y superficiales que las de un land rugoso, y la industria las llama micro-líneas de dado, pero el nombre oculta el hecho de que el dado no las produce.
La secuencia ocurre en la capa superficial de la palanquilla. Los precipitados gruesos portadores de hierro se alinean con el flujo a medida que el material entra en la zona de cizalladura fuera de la zona de metal muerto. Cerca de la garganta del dado se cizallan y fracturan, se abren huecos entre los fragmentos que se enlazan en una cadena, y cuando esa cadena alcanza la superficie se lee como una fina línea de rayado. La misma capa superficial también recoge pequeñas partículas de Mg2Si liberadas donde el material de movimiento lento sobre la cara del dado se encuentra con el flujo más rápido detrás, por lo que el efecto se concentra en las primeras décimas de milímetro bajo la superficie y en ningún otro lugar de la sección.
Nada de esto responde al acero del dado. El pulido no puede eliminar un hueco bajo la superficie, la nitruración no puede cerrarlo, y un grado más limpio o un recubrimiento no lo tocan. Las palancas son la homogeneización, la calidad superficial de la palanquilla y el diseño del dado en la cara, y este es el único defecto de la página donde un taller de dados debería devolver el problema al proveedor de palanquilla.
Lo que aparece después del anodizado
El anodizado no crea estos defectos, los revela. El ataque elimina una cantidad controlada de metal, y cualquier diferencia en la microestructura entre una banda de la superficie y la siguiente se convierte en una diferencia de tono. La mayoría de las reclamaciones que llegan a un taller de dados después del anodizado se originaron en otro lugar.
| Lo que ve el cliente | Origen | Qué verificar |
|---|---|---|
| Veta que sigue la dirección de extrusión, generalmente en la cara ancha | Zona de piel del lingote o segregación superficial. La zona de piel puede alcanzar hasta 15 mm de profundidad, y el flujo más rápido hacia las partes anchas de la sección la lleva a la superficie | Origen de la palanquilla y práctica de colada, descascarillado, disposición del dado respecto al diámetro del contenedor |
| Veta que coincide con un rasgo del dado, a veces con una diferencia de tamaño de grano | Diseño del dado. Las diferencias locales en la velocidad de deformación cambian la temperatura y la microestructura en esa banda | Disposición de los apoyos y puertos, no la palanquilla. El tratamiento mecánico del perfil no lo eliminará |
| Veta a lo largo de una línea de soldadura | Soldadura en un dado hueco o de placa alimentadora. El cambio de microestructura es mayor que el debido solo al diseño del dado | Equilibrio de la cámara de soldadura y los puertos |
| Veta o banda oscura cerca del extremo posterior de la longitud | El pisón se acercó demasiado y la piel de la palanquilla se convirtió en el núcleo de la extrusión | Espesor de descarte respecto al diámetro de la palanquilla |
| Manchas oscuras y rugosas a intervalos, más blandas que el resto | Enfriamiento local en la mesa de salida, seguido de recalentamiento en el rango de precipitación de Mg2Si a unos 400 °C | Contacto con bloques de soporte de carbono, velocidad de enfriamiento después de la prensa. No recuperable una vez formado |
| Aspecto granulado, galvanizado | Zinc en la aleación o en el baño de ataque. Notable por encima de 0,03 % Zn y peor hacia 0,1 % | Origen del metal, química y temperatura del baño de ataque |
Lo que el taller de dados puede corregir y lo que no
Dentro del taller de dados: longitud del land y estrangulamiento, acabado del land y dirección del pulido, nitruración, temperatura y enfriamiento del dado, alivio de apoyos, y el soporte detrás del dado que decide cuánto se deflecta. Fuera de él: micro-líneas de dado, vetas de zona de piel, spangle, puntos calientes de la mesa de salida, y pick-up impulsado por una palanquilla fría o una capa superficial gruesa de Mg2Si.
La prueba que los separa es barata. Un defecto que sobrevive a un dado recién pulido y recién nitrurado, operado dentro de la ventana de 425 a 475 °C, no es un problema del dado. Gastar en un grado más limpio o más duro en ese punto no cambia nada en el perfil.
Qué implica esto para un pedido de acero para hileras
El pick-up es un problema de adhesión en el apoyo, y el apoyo es el único lugar en la prensa donde el acero hace el trabajo. Por eso el apoyo se opera a 46 a 50 HRC y por eso se nitrura a una capa de 0,10 a 0,20 mm sobre un acero para trabajo en caliente al cromo en lugar de un grado para trabajo en frío. El programa 1.2344 ESR está en la página de suministro de extrusión 1.2344 ESR H13, el grado en sí en la página del acero para herramientas H13, y la capa en la página de nitruración de acero para herramientas.
Lo que el grado no hace vale la pena decirlo claramente. No reemplaza la homogeneización, no rescata un land demasiado corto, y no elimina una micro-línea de dado. Cuando el defecto ya se ha atribuido a la palanquilla, un acero diferente solo traslada el costo. El apoyo que se desgasta está en la página de longitud de apoyo de hilera, los mecanismos que consumen un dado en la página de desgaste de dados, el conjunto alrededor del apoyo en la página de tipos de dados y utillaje, y el grado por componente en la página de selección de acero para dados de extrusión.
Antes de usar esto como especificación de superficie
Las cifras de esta página provienen de ensayos controlados en 6063 con utillaje de dado partido, no de una prensa de producción. La temperatura óptima, la longitud mínima del land y las bandas de rugosidad cambian con la aleación, la sección, la temperatura del dado y la prensa, y las constantes de la relación de pick-up son específicas de la aleación y la condición de colada. Los valores están aquí para mostrar qué variable mueve la superficie y en qué dirección. La condición superficial final se confirma en el trabajo.
Fuente, Extrusion of Aluminium Alloys, T. Sheppard, Kluwer Academic Publishers, 1999, secciones 6.4 y 6.7.