알루미늄 압출의 픽업 및 다이 라인: 세 가지 결함, 세 가지 원인

6xxx 프로파일의 스크랩 대부분은 세 가지 표면 결함, 즉 픽업, 다이 라인, 마이크로 다이 라인에서 발생합니다. 압출재 위에서는 비슷해 보이지만 원인은 동일하지 않습니다. 픽업은 다이 랜드의 출구 측에 알루미늄이 쌓여 프로파일로 떨어져 나오는 현상입니다. 다이 라인은 압출재가 아직 스로트를 막고 있는 랜드 전면에서 표면에 각인되는 것입니다. 마이크로 다이 라인은 다이에 의해 만들어지는 것이 전혀 아닙니다. 이는 빌렛 자체의 표면층에서 열리는 일련의 보이드입니다. 이들을 구별하는 것이 문제를 누가 해결할지, 그리고 해결책이 다이인지, 빌렛인지, 프레스 설정인지를 결정합니다.

세 가지 결함과 각 결함의 시작 지점

결함	외관	발생원	해결 주체
픽업	간헐적인 스코어 라인, 길이 3~12mm, 보통 표면에 압착된 알루미늄 플레이크로 끝남	다이 랜드의 출구 절반에 알루미늄 코팅이 형성되어 떨어져 나와 압출재로 전이됨	다이 샵(랜드 및 질화), 프레스 설정, 빌렛 청정도
다이 라인	연속적인 종방향 홈 또는 융기, 에칭 후에도 남을 만큼 깊고, 아노다이징 전에 육안으로 보이는 경우도 있음	랜드의 막힌 전면부, 대략 첫 2mm, 알루미늄 필름에 대항하여 표면이 생성되는 곳	다이 샵(랜드 길이, 랜드 마감, 초크, 다이 처짐)
마이크로 다이 라인	미세하고 얕은 연속 라인. 폴리싱 후에도 남음. 보통 아노다이징 후에 처음 발견됨	압출재 표면층에서 파괴된 철 함유 석출물과 그 사이의 보이드	빌렛 및 균질화, 다이가 아님

픽업은 작업자가 가장 먼저 발견하는 결함입니다. 플레이크가 표면 위로 돌출되어 만져지기 때문입니다. 다이 라인은 프레스에서 놓치기 쉽고 이후에 숨기기가 훨씬 어렵습니다. 마이크로 다이 라인은 아노다이징된 프로파일을 대량 반품하게 만드는 결함입니다. 아노다이징 전의 에칭이 이를 드러내기 때문입니다.

표면은 랜드의 첫 2밀리미터에서 형성된다

랜드는 하나의 표면으로 작동하지 않습니다. 입구에서는 압출재가 다이에 강하게 눌려 대기로부터 밀봉되고, 그곳에서 형성되는 알루미늄 스킨이 고객이 받는 표면이 됩니다. 그 지점 뒤에서는 하중을 받아 다이가 처지면서 압출재가 떨어져 나가고 공기가 닿아 산화물이 형성되며, 랜드의 나머지 부분은 이미 만들어진 표면을 압착하고 갈고 긁는 역할만 합니다.

이를 뒷받침한 실험에서는 압출 방향에 수직으로 연마된 랜드를 사용했으며, 표면 거칠기는 1.1 µm Ra이고 길이는 8mm에서 칼날 끝까지 다양했습니다. 랜드의 작업 영역에 쌓인 알루미늄은 총 랜드 길이에 관계없이 시리즈의 모든 다이에서 약 2mm로 측정되었습니다. 두 가지 결과가 따릅니다. 약 1mm 미만의 랜드는 압출 하중 하에서 불안정하고 채터링이 발생하며, 표면이 2mm일 때보다 더 거칠게 나오므로 칼날 끝이 공짜 마감이 아닙니다. 그리고 초크 이후의 랜드 1밀리미터마다 마찰, 열, 전이 면적이 추가되지만 표면은 개선되지 않습니다. 완전히 초크된 약 2mm가 시리즈에서 최상의 마감을 제공했습니다.

이것이 대부분의 샵에서 랜드 마감이 랜드 길이보다 더 중요한 이유이기도 합니다. 최적 온도에서 알루미늄 필름은 연마 골 위에 서지 않고 골 안쪽에 자리 잡으므로 랜드가 매끄러운 표면처럼 작동하고 제품은 공구 자국이 아닌 필름을 따라갑니다. 550 °C에서는 동일한 필름이 골 위로 돌출되어 제품이 그 융기를 그대로 받습니다. 랜드의 거칠기 프로파일은 다이의 일부이지, 다이에 적용된 마감이 아닙니다.

450 °C는 표면을 만들고, 550 °C는 표면을 깨뜨린다

랜드 위의 필름 모양은 온도에 따라 달라지며, 필름이 마감을 결정합니다. 동일한 6063 빌렛을 동일한 출구 속도로 200 °C 범위에 걸쳐 실행했을 때 세 가지 다른 표면이 생성되었습니다.

빌렛 온도	랜드 위에서 알루미늄 필름의 거동	프로파일 결과
350 °C	Mg2Si가 조대 석출물로 배출되어 랜드를 긁는 작은 경질 입자가 사라집니다. 유동 응력이 높아지고 압출 압력이 상승하며 다이 처짐이 커져 알루미늄 축적이 증가합니다.	거칠기가 증가하고 산포가 넓어집니다. 초크 내 조대 알루미늄 밴드가 표면에 전사됩니다.
425 ~ 475 °C	필름이 랜드의 연마 골 위에 서지 않고 골 안쪽에 자리 잡습니다. 랜드가 매끄러운 표면처럼 작동하고, 미세한 (Fe,Mn)Al3 및 Mg2Si 입자가 랜드를 깨끗하게 긁어냅니다.	시리즈 중 가장 매끄러운 표면, 압출 상태에서 약 0.5 µm Ra. 이것이 6063의 산업적 범위입니다.
550 °C	필름이 연마 표면 위로 융기처럼 돌출됩니다. 가공 경화되고 다이에 의해 급랭되어 그 위를 지나가는 압출재보다 단단해집니다.	프로파일이 융기 모양을 그대로 받고, 랜드 출구에 심한 픽업이 축적됩니다.

6063의 빌렛 온도에 따른 표면 조도, 출구 속도 1 m/s. 각 온도에서 세 개의 빌렛을 실행했으며 첫 번째 전에 랜드를 청소했습니다. 최적 조건에서 압출 상태의 마감은 약 0.5 µm Ra였습니다.

유용한 부분은 절대 수치가 아니라 곡선의 모양입니다. 중간에 최적점이 있고 양쪽 끝은 각자의 이유로 실패합니다. 너무 차가우면 랜드를 긁어야 할 입자가 조대 석출물로 고정되고 다이가 더 처지며, 너무 뜨거우면 필름이 제품보다 단단한 융기로 성장합니다. 다이를 500 °C에서 575 °C로 옮기면 픽업이 개선되지 않고 악화됩니다. 필름이 늘어나 양쪽에서 박리된 후 압출재를 긁어 결국 전이되기 때문입니다.

픽업: 두 가지 메커니즘, 세 가지 레버

픽업은 두 가지 방식 중 하나로 형성됩니다. 첫째, 다이와 압출재 사이의 접착력이 표면에서 알루미늄의 응집 강도와 거의 같아져 플레이크가 랜드와 프로파일 사이를 오가며 전이되어 축적물로 응집됩니다. 이것이 스틱-슬립 메커니즘이며 신규 다이 시운전 시 흔합니다. 둘째, 알루미늄이 랜드 출구에 쌓여 끌리면서 가공 경화되고 압출 방향으로 늘어나 마침내 박리되어 깊은 스코어와 그 끝에 축적물을 남깁니다. 6063에서는 두 번째가 일반적입니다.

심각도는 온도와 변형률 속도에 함께 따르므로 온도만으로는 안전한 작동점을 정의할 수 없습니다. 공개된 형태는 온도-변형률 속도 평면의 선입니다. 온도 보상 변형률 속도 Z가 ln Z = aT − b 미만으로 유지되는 동안 표면이 허용 가능한 상태를 유지합니다. 상수는 합금, 주조 상태, 균질화, 다이 설계 및 다이 온도에 따라 달라지므로 다른 공장에서 복사한 임계값은 거의 전이되지 않습니다. 형태는 전이됩니다.

툴링 측면에 세 가지 레버가 있습니다. 랜드의 질화는 알루미늄이 보는 표면을 바꿉니다. 사이알론 인서트와 같은 비젖음성 다이 재료는 접착 자체를 제거합니다. 다이 냉각은 빌렛을 건드리지 않고 랜드 온도를 낮춥니다. 업스트림에 두 가지가 더 있습니다. 철 상을 구상화하는 균질화 처리와 표면층에 조대 Mg2Si가 남지 않은 빌렛입니다. 짧은 균질화 후 불완전한 구상화는 다른 조건에서는 통과할 상황에서 픽업을 악화시키기에 충분합니다.

마이크로 다이 라인은 다이 결함이 아닌 빌렛 결함입니다

광택 다이를 최적 온도에서 운전해도 다이 라인은 여전히 발생합니다. 거친 랜드에서 생기는 것보다 더 미세하고 얕으며, 업계에서는 이를 마이크로 다이 라인이라고 부르지만, 이 명칭은 다이가 그것을 만들지 않는다는 사실을 가리고 있습니다.

이 현상은 빌렛의 표층에서 진행됩니다. 소재가 데드 메탈 존 바깥의 전단 영역으로 들어가면서 조대한 철 함유 석출물이 유동 방향으로 정렬됩니다. 다이 스로트 근처에서 이들은 전단·파괴되고, 파편 사이로 보이드가 열려 연결되며, 그 연결부가 표면에 도달하면 미세한 스코어 라인으로 나타납니다. 같은 표층은 다이 면의 느린 유동 소재가 뒤쪽의 빠른 유동과 만나는 곳에서 방출된 작은 Mg2Si 입자도 흡착하는데, 이것이 이 효과가 표면 아래 수십 분의 1밀리미터 구간에 집중되고 단면의 다른 곳에는 나타나지 않는 이유입니다.

이 중 어느 것도 다이 강으로 해결되지 않습니다. 폴리싱은 표면 아래 보이드를 제거할 수 없고, 질화는 그것을 닫을 수 없으며, 더 청정한 등급이나 코팅도 그것에 영향을 주지 않습니다. 해결 수단은 균질화, 빌렛 표면 품질, 그리고 다이 면의 다이 설계이며, 이 페이지의 결함 중 다이 공장이 문제를 빌렛 공급사로 되돌려야 하는 유일한 항목입니다.

아노다이징 후에 나타나는 것

아노다이징은 이 결함들을 만들지 않고 드러냅니다. 에칭은 일정량의 금속을 제거하며, 표면의 한 밴드와 다음 밴드 사이의 미세조직 차이가 톤 차이로 나타납니다. 아노다이징 후 다이 공장에 접수되는 대부분의 클레임은 다른 곳에서 시작된 것입니다.

고객이 보는 것	원인	확인할 사항
압출 방향을 따르는 줄무늬, 보통 넓은 면에 발생	잉곳 셸 존 또는 표면 편석. 셸 존은 최대 15 mm 깊이까지 이어질 수 있으며, 단면의 넓은 부분으로의 빠른 유동이 이를 표면으로 끌어냅니다	빌렛 공급원 및 주조 공정, 스캘핑, 컨테이너 직경 대비 다이 레이아웃
다이 형상과 일치하는 줄무늬, 때로 결정립 크기 차이 동반	다이 설계. 변형률 속도의 국부적 차이가 해당 밴드의 온도와 미세조직을 변화시킵니다	빌렛이 아니라 베어링 레이아웃과 포트. 프로파일의 기계적 처리는 이를 제거하지 못합니다
웰드 라인을 따르는 줄무늬	중공 다이 또는 피더 플레이트 다이의 웰드. 미세조직 변화가 다이 설계만으로 인한 것보다 큽니다	웰드 챔버 및 포트 밸런스
길이 후단 근처의 줄무늬 또는 어두운 밴드	램이 너무 가까이 접근하여 빌렛 스킨이 압출재의 중심부가 된 경우	빌렛 직경 대비 디스카드 두께
간격을 두고 나타나는 어둡고 거친 패치, 나머지보다 무름	런아웃 테이블에서의 국부적 급냉 후 약 400 °C의 Mg2Si 석출 구간으로 재가열	카본 지지 블록과의 접촉, 프레스 후 냉각 속도. 일단 형성되면 복구 불가
결정립이 거칠고 아연 도금된 듯한 외관	합금 또는 에칭 배스 내 아연. 0.03 % Zn 초과 시 두드러지며 0.1 %에 가까울수록 악화	금속 공급원, 에칭 배스 화학 조성 및 온도

다이 공장이 해결할 수 있는 것과 없는 것

다이 공장 내부: 랜드 길이와 초크, 랜드 마감과 폴리싱 방향, 질화, 다이 온도와 다이 냉각, 베어링 릴리프, 그리고 다이의 처짐량을 결정하는 다이 뒤쪽 지지. 외부: 마이크로 다이 라인, 셸 존 줄무늬, 스팽글, 런아웃 테이블로 인한 핫 스폿, 차가운 빌렛 또는 조대한 Mg2Si 표층으로 인한 픽업.

이들을 구분하는 시험은 저렴합니다. 새로 폴리싱하고 새로 질화한 다이를 425~475 °C 구간에서 운전했을 때 살아남는 결함은 다이 문제가 아닙니다. 그 시점에서 더 청정하거나 경도가 높은 등급에 투자해도 프로파일에는 아무 변화가 없습니다.

이것이 다이 강재 주문에 주는 시사점

픽업은 베어링의 점착 문제이며, 베어링은 프레스에서 강재가 실제로 일을 하는 유일한 부위입니다. 그래서 베어링이 46~50 HRC로 운전되고, 냉간 금형강이 아닌 크롬 열간 금형강에 0.10~0.20 mm의 케이스로 질화되는 것입니다. 1.2344 ESR 프로그램은 1.2344 ESR H13 압출 공급 페이지에, 등급 자체는 H13 공구강 페이지에, 케이스는 공구강 질화 페이지.

이 등급이 하지 않는 일은 분명히 밝힐 가치가 있습니다. 균질화를 대체하지 않고, 너무 짧은 랜드를 구제하지 않으며, 마이크로 다이 라인을 제거하지 않습니다. 결함이 이미 빌렛으로 추적된 경우, 다른 강재는 비용만 옮길 뿐입니다. 마모되는 베어링은 다이 베어링 길이 페이지에, 다이를 소모시키는 메커니즘은 다이 마모 페이지에, 베어링 주변의 스택은 다이 유형 및 툴링 페이지에, 부품별 등급은 압출 다이 강재 선정 페이지.

이것을 표면 사양으로 사용하기 전에

이 페이지의 수치는 생산 프레스가 아닌 분할 다이 툴링을 통한 6063의 통제된 시험에서 나온 것입니다. 최적 온도, 최소 랜드 길이, 조도 범위는 모두 합금, 단면, 다이 온도, 프레스에 따라 달라지며, 픽업 관계식의 상수는 합금과 주조 상태에 특정한 값입니다. 이 값들은 어떤 변수가 표면을 변화시키고 어느 방향으로 움직이는지를 보여주기 위한 것입니다. 최종 표면 상태는 실제 작업에서 확인됩니다.

출처: Extrusion of Aluminium Alloys, T. Sheppard, Kluwer Academic Publishers, 1999, 섹션 6.4 및 6.7.