Подходит ли алюминиевая полоса высокой твердости H18 с цветным покрытием для штамповки?

Абстрактный

Алюминиевые полосы с цветным покрытием высокой твердости H18 широко используются в наружной отделке, аккумуляторных аксессуарах, электронном экранировании и упаковочной промышленности благодаря превосходной устойчивости поверхности к атмосферным воздействиям, устойчивости к царапинам и структурной жесткости. Однако промышленные производители постоянно сталкиваются с путаницей по поводу его технологичности при штамповке. В этой статье анализируются внутренние механические свойства подложек из закаленного алюминия H18, структурные дефекты пленок органических цветных покрытий и реальные случаи неудач при штамповке. В нем делается вывод, что алюминиевые полосы с цветным покрытием H18 подходят только для вырубки с низкой деформацией и штамповки с мелким изгибом и совершенно несовместимы с глубокой вытяжкой, отбортовкой и сложной профилирующей штамповкой. Также предлагаются соответствующие целевые меры по совершенствованию процесса штамповки для снижения рисков отслаивания покрытия и растрескивания подложки.

1. Основное определение состояния H18 и механических свойств подложки.

Согласно стандарту отпуска алюминиевых сплавов, разработанному Алюминиевой ассоциацией, H18 представляет собой полный деформационный отпуск без промежуточного отжига. В отличие от закалок частичной закалки Н12, Н14 и Н16, алюминиевые полосы Н18 получают сверхвысокую твердость за счет однократной холодной прокатки со степенью технологической деформации более 75 %, без последующей термообработки для восстановления пластичности. Для основных подложек из чистого алюминия серии 1000 и алюминиево-марганцевых сплавов 3003, используемых для цветного покрытия, механические параметры демонстрируют очевидные ограничения для пластической формовки: алюминий 1060 H18 имеет удлинение при разрыве всего от 1% до 3%, а алюминий 3003 H18 достигает только 4–5%. Напротив, традиционный алюминий H14, предпочитаемый для штамповки, имеет удлинение более 12%.

Еще одним критическим ограничением является высокое растягивающее остаточное напряжение внутри подложек H18. Сильное накопление дислокаций решетки во время холодной прокатки делает материал склонным к концентрации напряжений под действием внешнего сдвига и растягивающей силы. Как только локальная деформация превысит 5%, микротрещины сначала появятся на краю полосы, а затем в течение миллисекунд распространяются по подложке. Эта присущая ему хрупкость является основным барьером, ограничивающим штамповку с большой деформацией, независимо от слоя поверхностного цветного покрытия.

2. Дополнительные риски штамповки, вызванные структурами цветного покрытия.

По сравнению с голыми алюминиевыми полосами H18, изделия с цветным покрытием имеют трехслойную композитную структуру, включающую химическую конверсионную пленку, грунтовочное покрытие и верхнее атмосферостойкое покрытие с обеих сторон. Общая толщина покрытия колеблется от 18 до 35 мкм, что создает два уникальных риска отказа при штамповке, которых нет в чистом алюминии.

Сначала покрытие когезивным пилингом. Покрытия из органического полиэстера и фторуглерода, используемые для промышленных алюминиевых полос, имеют гораздо меньшее удлинение (менее 2%), чем алюминиевые подложки. При штамповочном изгибе поверхностное покрытие не может следовать за незначительной пластической деформацией алюминиевой матрицы, что приводит к поперечному растрескиванию и отслаиванию при изгибе галтелей. Даже при мелкой штамповке с деформацией менее 3% на поверхности покрытия появятся видимые микротрещины, что снизит атмосферостойкость и коррозионную стойкость готовых изделий и вызовет раннее появление ржавчины при эксплуатации на открытом воздухе.

Во-вторых, адгезия плесени и царапины на поверхности. Гладкое отвержденное цветное покрытие имеет низкий коэффициент поверхностного трения. При штамповке под высоким давлением между поверхностью покрытия и стальными формами возникает локальная вакуумная адгезия. Непрерывная подача приведет к образованию необратимых царапин на покрытии, которые невозможно устранить последующей обработкой. В массовом производстве этот дефект может увеличить процент брака более чем на 18% без обработки поверхности пресс-формы.

3. Классификационное суждение об адаптивности штамповки.

3.1 Применимые сценарии штамповки с низкой деформацией

Алюминиевые полосы с цветным покрытием H18 полностью подходят для вырубки, прошивки, прямой неглубокой гибки с радиусом изгиба ≥ 3-кратной толщины полосы, а также плоской обрезки штамповки с деформацией менее 3%. Типичные случаи применения включают заглушку электронных прокладок, обрезку плоских рекламных панелей и изгиб прямоугольной крышки аккумуляторного отсека под одним углом. В этих процессах материал выдерживает только напряжение сдвига без явной деформации растяжения. Данные массового производства показывают, что при использовании полированных форм и смазок для штамповки на водной основе уровень брака готовой продукции можно контролировать ниже 1,2%, что соответствует промышленным стандартам качества. Между тем, высокая твердость отпуска H18 гарантирует, что штампованные детали не будут отскакивать и деформироваться после формования, решая проблему нестабильности размеров заготовок из мягкого алюминия.

3.2 Неприменимые сценарии штамповки большой деформации

Не рекомендуются все процессы штамповки, требующие растягивающе-пластической деформации, включая глубокую вытяжку, многоугольную отбортовку, сферическое профилирование и гибку с узким радиусом (радиус изгиба <2 толщины полосы). В ходе испытаний на глубокую вытяжку алюминиевых полос с цветным покрытием 3003 H18 с глубиной вытяжки 8 мм 92% заготовок пострадали от одновременного разрушения подложки и отслаивания покрытия на большой площади в области галтели матрицы. Основная причина – двойной отказ: деформация подложки при растяжении превышает предел удлинения, а пластичность покрытия не может координировать деформацию матрицы. Кроме того, категорически запрещено повторное вторичное тиснение. Накопление остаточных напряжений после первой штамповки еще больше снизит пластичность основы, что приведет к самопроизвольному растрескиванию в течение 72 часов после обработки.

4. Оптимизация процесса для качественного штамповочного производства.

Для предприятий, которые должны использовать алюминий с цветным покрытием H18 для штамповки с низкой деформацией, четыре целевых изменения могут снизить риски, связанные с качеством. Сначала отполируйте полости пресс-формы до Ra≤0,2 мкм и проведите обработку алмазоподобным углеродным покрытием DLC, чтобы исключить появление царапин и адгезию покрытия. Во-вторых, используйте смазочные материалы на водной основе с низкой вязкостью вместо масляных смазок. Масляные смазочные материалы вызывают изменение цвета покрытия и нарушение адгезии при высоких температурах штамповки. В-третьих, контролируйте скорость штамповки ниже 15 ударов в минуту. Высокоскоростная штамповка создаст мгновенное ударное напряжение и приведет к растрескиванию кромок. В-четвертых, перед штамповкой на краях полосы вырежьте зарезервированные насечки для снятия напряжений, чтобы снять остаточное напряжение при холодной прокатке и предотвратить разрыв кромок.

5. Заключение и предложения по выбору материалов.

Подводя итог, можно сказать, что алюминиевые полосы высокой твердости H18 с цветным покрытием не всегда подходят для штамповки. Они являются предпочтительным материалом для штампованных деталей с низкой деформацией и высокой жесткостью, не требующих сложной формы, благодаря отличным характеристикам предотвращения отскока и неповрежденному поверхностному покрытию. Однако он непригоден для любых процессов штамповки средней и большой пластической деформации. Для сложных штампованных заготовок производителям следует заменить материалы на алюминиевые полосы с закаленным цветным покрытием H14 или H16, которые уравновешивают твердость и пластичность. Для деталей, предназначенных для длительного использования вне помещений, требующих как прочности поверхности, так и качества формовки, модели из сплава, такого как алюминий с цветным покрытием 3005 H16, являются более экономичной альтернативой.