Aderência e linhas de matriz na extrusão de alumínio: três defeitos, três causas

Três defeitos superficiais respondem pela maior parte do refugo em um perfil 6xxx: aderência, linhas de matriz e micro-linhas de matriz. Eles se parecem no extrudado e não têm a mesma causa. A aderência é alumínio acumulado no lado de saída da zona de trabalho da matriz e que se desprende sobre o perfil. Uma linha de matriz é estampada na superfície na frente da zona de trabalho, onde o extrudado ainda estrangula a garganta. Uma micro-linha de matriz não é feita pela matriz de forma alguma. É uma sequência de vazios que se abre na própria camada superficial do tarugo. Distingui-los decide quem corrige o problema e se a correção é uma matriz, um tarugo ou um ajuste de prensa.

Os três defeitos e onde cada um começa

Defeito	Como se parece	De onde vem	Quem pode corrigir
Aderência	Linhas de risco intermitentes, de 3 a 12 mm de comprimento, geralmente terminando em uma partícula de alumínio que foi calandrada na superfície	Revestimento de alumínio na metade de saída da zona de trabalho da matriz, que se desprende e se transfere para o extrudado	Ferramentaria (zona de trabalho e nitretação), ajustes de prensa, limpeza do tarugo
Linha de matriz	Sulco ou crista longitudinal contínuo, profundo o suficiente para sobreviver à decapagem, às vezes visível antes da anodização	A frente estrangulada da zona de trabalho, aproximadamente os primeiros 2 mm, onde a superfície é gerada contra o filme de alumínio	Ferramentaria (comprimento da zona de trabalho, acabamento da zona de trabalho, estrangulamento, deflexão da matriz)
Micro-linha de matriz	Linha fina, rasa e contínua. Sobrevive ao polimento. Geralmente vista pela primeira vez após a anodização	Precipitados contendo ferro fraturados e os vazios entre eles, na camada superficial do extrudado	Tarugo e homogeneização, não a matriz

A aderência é o defeito que o operador vê primeiro, porque a partícula fica saliente na superfície e pode ser sentida. Uma linha de matriz é mais fácil de passar despercebida na prensa e muito mais difícil de esconder depois. A micro-linha de matriz é a que devolve um lote de perfis anodizados, porque a decapagem que precede a anodização a abre.

A superfície é formada nos primeiros dois milímetros da zona de trabalho

A zona de trabalho não funciona como uma única superfície. Na entrada, o extrudado é pressionado com força contra a matriz e vedado da atmosfera, e a pele de alumínio que se forma ali é a superfície que o cliente recebe. Atrás desse ponto, o extrudado se afasta à medida que a matriz se deflecte sob carga, o ar chega até ele e um óxido se forma, e o restante da zona de trabalho não faz nada além de calandrar, galgar e riscar a superfície que já foi criada.

Os ensaios por trás disso usaram zonas de trabalho retificadas perpendicularmente à direção de extrusão com 1,1 µm Ra, de 8 mm até um fio de faca. O acúmulo de alumínio na área de trabalho da zona de trabalho mediu cerca de 2 mm em todas as matrizes da série, qualquer que fosse o comprimento total da zona de trabalho. Duas conclusões se seguem. Uma zona de trabalho com menos de cerca de 1 mm não é estável sob carga de extrusão e vibra, e a superfície sai mais rugosa do que com 2 mm, portanto um fio de faca não é um acabamento gratuito. E cada milímetro de zona de trabalho além do estrangulamento adiciona atrito, calor e área de transferência sem melhorar a superfície. Cerca de 2 mm, totalmente estrangulados, deram o melhor acabamento da série.

É também por isso que o acabamento da zona de trabalho importa mais que o comprimento da zona de trabalho na maioria das oficinas. Na temperatura ótima, o filme de alumínio se acomoda dentro dos vales de retificação em vez de ficar acima deles, de modo que a zona de trabalho se comporta como uma superfície lisa e o produto segue o filme em vez das marcas da ferramenta. A 550 °C, o mesmo filme fica saliente nesses vales e o produto assume suas cristas. O perfil de rugosidade da zona de trabalho faz parte da matriz, não é um acabamento aplicado a ela.

450 °C forma a superfície, 550 °C a rompe

A aparência do filme na zona de trabalho depende da temperatura, e é o filme que decide o acabamento. O mesmo tarugo 6063, extrudado na mesma velocidade de saída, produziu três superfícies diferentes ao longo de uma faixa de 200 °C.

Temperatura do tarugo	O que o filme de alumínio faz na zona de trabalho	Resultado no perfil
350 °C	O Mg2Si é rejeitado como precipitados grosseiros, de modo que as pequenas partículas duras que raspam a zona de trabalho desaparecem. A tensão de escoamento é maior, a pressão de extrusão é maior e a matriz se deflecte mais, o que permite maior acúmulo de alumínio	A rugosidade aumenta e a dispersão se amplia. Bandas grosseiras de alumínio no estrangulamento se imprimem na superfície
425 a 475 °C	O filme se acomoda dentro dos vales de retificação da zona de trabalho em vez de ficar acima deles. A zona de trabalho se comporta como uma superfície lisa, e partículas finas de (Fe,Mn)Al3 e Mg2Si a raspam e limpam	Superfície mais lisa da série, cerca de 0,5 µm Ra conforme extrudado. Esta é a faixa industrial para 6063
550 °C	O filme fica saliente na superfície retificada como cristas. Ele se encrua e é resfriado pela matriz, tornando-se mais duro que o extrudado que passa sobre ele	O perfil assume a forma das cristas, e uma forte aderência se acumula na saída da zona de trabalho

Acabamento superficial em função da temperatura do tarugo para 6063, a uma velocidade de saída de 1 m/s. Três tarugos foram extrudados em cada temperatura, com as zonas de trabalho limpas antes do primeiro. O acabamento conforme extrudado no ótimo foi de aproximadamente 0,5 µm Ra.

A parte útil é a forma da curva, não o número absoluto. Há um ótimo no meio, e ambas as extremidades falham por motivos próprios: frio demais, e as partículas que raspariam a zona de trabalho ficam retidas como precipitados grosseiros enquanto a matriz se deflecte mais; quente demais, e o filme cresce em cristas mais duras que o produto. Mover uma matriz de 500 °C para 575 °C piora a aderência, não melhora, porque o filme se alonga, lasca em ambos os lados e então risca o extrudado até que ele também se transfira.

Aderência: dois mecanismos, três alavancas

A aderência se forma de uma de duas maneiras. Na primeira, a adesão entre a matriz e o extrudado é aproximadamente igual à resistência coesiva do alumínio na superfície, de modo que lascas se transferem de um lado para o outro entre a zona de trabalho e o perfil até se aglomerarem em um depósito. Esse é o mecanismo de stick-slip, e é comum quando uma matriz nova é comissionada. Na segunda, o alumínio se acumula na saída da zona de trabalho, encrua à medida que é arrastado, alonga-se na direção de extrusão e finalmente lasca, deixando um risco profundo com o depósito em sua extremidade. No 6063, a segunda é a usual.

A severidade segue a temperatura e a taxa de deformação em conjunto, de modo que uma temperatura isolada não define um ponto de operação seguro. A forma publicada é uma linha no plano temperatura–taxa de deformação: a superfície permanece aceitável enquanto a taxa de deformação compensada por temperatura Z permanece abaixo de ln Z = aT − b. As constantes dependem da liga, da condição de fundição, da homogeneização, do projeto da matriz e da temperatura da matriz, e é por isso que um limiar copiado de outra planta raramente se transfere. A forma, sim.

Três alavancas ficam no lado da ferramenta. A nitretação da zona de trabalho altera a superfície que o alumínio vê. Um material de matriz não molhante, como uma pastilha de sialon, elimina a própria adesão. O resfriamento da matriz reduz a temperatura da zona de trabalho sem tocar no tarugo. Mais duas ficam a montante: um tratamento de homogeneização que esferoidiza a fase de ferro, e um tarugo no qual nenhum Mg2Si grosseiro permaneça na camada superficial. Uma esferoidização incompleta após uma homogeneização curta é suficiente para piorar a aderência em condições que de outra forma passariam.

As micro-linhas de matriz são um defeito de tarugo, não um defeito de matriz

Uma matriz polida, operada na temperatura ideal, ainda produz linhas de matriz. Elas são mais finas e rasas do que as de uma land rugosa, e o setor as chama de micro-linhas de matriz, mas o nome esconde o fato de que a matriz não as está produzindo.

A sequência ocorre na camada superficial do tarugo. Precipitados grosseiros contendo ferro se alinham com o fluxo à medida que o material entra na zona de cisalhamento fora da zona de metal morto. Próximo à garganta da matriz eles são cisalhados e fraturados, vazios se abrem entre os fragmentos e se ligam em um cordão, e quando esse cordão atinge a superfície ele se lê como uma linha de risco fina. A mesma camada superficial também capta pequenas partículas de Mg2Si liberadas onde o material de movimento lento na face da matriz encontra o fluxo mais rápido atrás dele, e é por isso que o efeito se concentra nos primeiros décimos de milímetro abaixo da superfície e em nenhum outro lugar da seção.

Nada disso responde ao aço para matriz. O polimento não pode remover um vazio abaixo da superfície, a nitretação não pode fechá-lo, e um grau mais limpo ou um revestimento não o afeta. As alavancas são a homogeneização, a qualidade superficial do tarugo e o projeto da matriz na face, e este é o único defeito na página em que uma matrizaria deve devolver o problema ao fornecedor do tarugo.

O que aparece após a anodização

A anodização não cria esses defeitos, ela os revela. O ataque remove uma quantidade controlada de metal, e qualquer diferença de microestrutura entre uma faixa da superfície e a seguinte se torna uma diferença de tom. A maioria das reclamações que chegam a uma matrizaria após a anodização começou em outro lugar.

O que o cliente vê	Origem	O que verificar
Estria seguindo a direção de extrusão, geralmente na face larga	Zona de pele do lingote ou segregação superficial. A zona de pele pode atingir até 15 mm de profundidade, e o fluxo mais rápido para as partes largas da seção a leva à superfície	Origem do tarugo e prática de fundição, esfolamento, layout da matriz em relação ao diâmetro do container
Estria que corresponde a uma característica da matriz, às vezes com diferença de tamanho de grão	Projeto da matriz. Diferenças locais na taxa de deformação alteram a temperatura e a microestrutura naquela faixa	Layout de bearing e portas, não o tarugo. Tratamento mecânico do perfil não a removerá
Estria ao longo de uma linha de solda	Solda em matriz oca ou de feeder-plate. A mudança de microestrutura é maior do que a do projeto da matriz isoladamente	Câmara de solda e balanceamento das portas
Estria ou faixa escura perto da extremidade traseira do comprimento	O êmbolo avançou demais e a pele do tarugo tornou-se o núcleo da extrusão	Espessura de descarte em relação ao diâmetro do tarugo
Manchas escuras e rugosas em intervalos, mais macias que o restante	Resfriamento local na mesa de saída, seguido de reaquecimento na faixa de precipitação de Mg2Si a cerca de 400 °C	Contato com blocos de suporte de carbono, taxa de resfriamento após a prensa. Não recuperável uma vez formado
Aspecto granulado, galvanizado	Zinco na liga ou no banho de ataque. Perceptível acima de 0,03 % Zn e pior em direção a 0,1 %	Origem do metal, química e temperatura do banho de ataque

O que a matrizaria pode corrigir, e o que não pode

Dentro da matrizaria: comprimento de land e choke, acabamento da land e direção de polimento, nitretação, temperatura e resfriamento da matriz, alívio de bearing, e o suporte atrás da matriz que decide o quanto ela deflete. Fora dela: micro-linhas de matriz, estrias de zona de pele, spangle, pontos quentes da mesa de saída, e pick-up causado por um tarugo frio ou uma camada superficial grosseira de Mg2Si.

O teste que os separa é barato. Um defeito que sobrevive a uma matriz recém-polida e recém-nitretada, operada dentro da janela de 425 a 475 °C, não é um problema de matriz. Gastar em um grau mais limpo ou mais duro nesse ponto não muda nada no perfil.

Como uma matriz é corrigida, e o que registrar quando isso ocorre, está em página de correção de matriz de extrusão. A janela de prensagem que define a temperatura do mancal está na página de temperatura de extrusão.

O que isso significa para um pedido de aço para matrizes

O pick-up é um problema de aderência no bearing, e o bearing é o único lugar na prensa onde o aço está fazendo o trabalho. É por isso que o bearing opera a 46 a 50 HRC e por que é nitretado com uma camada de 0,10 a 0,20 mm em um aço para trabalho a quente ao cromo em vez de um grau para trabalho a frio. O programa 1.2344 ESR está no página de fornecimento de extrusão 1.2344 ESR H13, o grau em si no página do aço ferramenta H13, e a camada no página de nitretação de aço ferramenta.

O que o grau não faz merece ser dito claramente. Ele não substitui a homogeneização, não salva uma land curta demais, e não remove uma micro-linha de matriz. Onde o defeito já foi rastreado até o tarugo, um aço diferente apenas desloca o custo. O bearing que se desgasta está no página de comprimento de apoio da matriz, os mecanismos que consomem uma matriz no página de desgaste de matriz, o conjunto ao redor do bearing no página de tipos de matrizes e ferramental, e o grau por componente no página de seleção de aço para matriz de extrusão.

Antes de usar isto como especificação de superfície

Os números nesta página vêm de ensaios controlados em 6063 com ferramental de matriz dividida, não de uma prensa de produção. A temperatura ideal, o comprimento mínimo de land e as faixas de rugosidade mudam com a liga, a seção, a temperatura da matriz e a prensa, e as constantes na relação de pick-up são específicas para a liga e a condição de fundição. Os valores estão aqui para mostrar qual variável move a superfície e em qual direção. A condição final da superfície é confirmada no trabalho.

Fonte, Extrusion of Aluminium Alloys, T. Sheppard, Kluwer Academic Publishers, 1999, seções 6.4 e 6.7.