Les causes des motifs en peau de tigre et en peau d'orange sur les disques en aluminium utilisés dans les ustensiles de cuisine lors de l'estampage et de l'étirement

1. Introduction: Impacts industriels des défauts de texture de surface sur les disques en aluminium pour ustensiles de cuisine

Disques en aluminium pour ustensiles de cuisine (principalement constitué de 3003, 5052, et 1100 alliages, avec une épaisseur de 0,8 à 3,0 mm) développent souvent deux défauts de surface typiques après l'estampage et l'étirage: “rayures de tigre” (périodique, motifs clairs et foncés en forme de bande avec un espacement de 2 à 5 mm) et “zeste d'orange” (irrégulier, surfaces rugueuses inégales avec une rugosité Ra >1.6µm). Leurs dangers se reflètent sous trois aspects:

Échec de l'apparence: Non-respect des normes de l'industrie pour les surfaces des ustensiles de cuisine (“aucun motif visible, Ra ≤0,8 μm”) (par ex., GB/T 32073-2015 Ustensiles de cuisine en aluminium et alliage d'aluminium), avec un taux de défauts maximum de 25%;

Risques de performance: Les taches d'huile et les micro-organismes s'accumulent facilement dans les zones texturées, et concentration locale de stress (le stress dans les zones à rayures tigrées est 30% plus élevé que dans les zones normales) réduit la résistance à la corrosion des ustensiles de cuisine (durée de vie du test au brouillard salin raccourcie de 40%);

Pertes de coûts: Les défauts augmentent le taux de reprise, augmenter le coût unitaire de traitement de 15-20% (par ex., une usine d'ustensiles de cuisine subit des pertes annuelles dépassant 2 millions de yuans à cause de la peau d'orange).

L'essence de ces deux défauts réside dans déformation plastique inégale du matériau, mais leurs mécanismes de formation diffèrent, nécessitant une traçabilité précise à partir de plusieurs dimensions. Notamment, l'analyse de ces défauts est un élément clé pour résoudre les problèmes liés au traitement des disques en aluminium pour les ustensiles de cuisine..

2. Définition et différenciation des caractéristiques des rayures de tigre et de la peau d'orange

(1) Rayures de tigre

Caractéristiques d'apparence: Rayures périodiques claires et sombres réparties dans la direction du dessin, apparaissant principalement sur les pièces embouties (par ex., parois latérales du pot). L'espacement des rayures diminue à mesure que la profondeur de dessin augmente (2espacement en mm à 50 mm de profondeur, 1.2espacement en mm à 80 mm de profondeur);

Indicateurs de test: Visible à l'oeil nu (observé sous un angle de 45° sous lumière naturelle), avec un écart d'épaisseur >8% dans les zones rayées (≤5% dans les zones normales). L'observation métallographique montre que l'orientation des grains dans les zones de rayures est disposée de manière directionnelle.;

Scénario typique: Très répandu lors du traitement de pots emboutis (rapport de tirage >2.0) en utilisant 3003 Disques en aluminium O-temper.

(2) Peau d'Orange

Caractéristiques d'apparence: Surfaces rugueuses irrégulières et inégales, texture semblable à celle de la peau d'orange, apparaissant principalement sur les pièces embouties peu profondes (par ex., fonds de poêles à frire) ou pièces estampées, avec une hauteur inégale de 0,05 à 0,2 mm;

Indicateurs de test: Rugosité de surface Ra >1.6µm (les ustensiles de cuisine qualifiés nécessitent un Ra ≤0,8 μm), avec une sensation granuleuse distincte au toucher. L'observation microscopique révèle un grand nombre de minuscules protubérances (0.1-0.5mm de diamètre) sur la surface;

Scénario typique: Très répandu lors du traitement des poêles à frire à parois minces (épaisseur <1.2mm) en utilisant 5052 Disques en aluminium trempé H14.

3. Principales causes des rayures de tigre: Fluctuations de contraintes périodiques et déformation directionnelle

(1) Différences directionnelles dans la microstructure matérielle

Orientation inégale des grains: Lors du laminage de disques en aluminium, vitesse de roulement inégale (par ex., Fluctuation de ± 5 % de la vitesse du laminoir à froid) amène les grains à s'aligner dans le sens du laminage (degré de texture >0.8). Pendant l'estampage et le dessin, les grains directionnels subissent facilement “bordereau de lot” dans le sens de la contrainte, former des bandes de déformation périodiques. Lorsque l'espacement de ces bandes de déformation interfère avec la longueur d'onde de réflexion de la lumière (400-760nm), des rayures de tigre claires et foncées alternées apparaissent.

Exemple: En raison des fluctuations de la vitesse de laminage à froid (20m/min → 22 m/min) de 3003 Disques en aluminium O-temper dans une usine, le degré de texture atteint 0.85, et l'incidence des rayures tigrées dans les pots emboutis a augmenté de 5% à 32%.

Distribution périodique des particules de deuxième phase: Dans 3003 alliage d'aluminium, Particules AlFeSi de deuxième phase (1-3µm de diamètre) peut former des agrégats périodiques (2-5espacement en mm) pendant le roulage. Pendant le dessin, la concentration de contraintes se produit facilement dans la matrice autour des particules, former des bandes de déformation cohérentes avec la période de distribution des particules. Lorsque la fraction volumique des particules >1.2%, l'incidence des rayures tigrées augmente considérablement (28% incidence à 1.5% fraction volumique, seulement 8% à 1.0%).

(2) Fluctuations périodiques des paramètres de processus

Changements palpitants dans la vitesse de dessin: Si la pression du système hydraulique dans une machine à dessiner hydraulique est instable (Fluctuation de ± 0,5 MPa), la vitesse de dessin changera de manière pulsée (par ex., 1.0m/s → 1,2 m/s → 1,0 m/s). Quand la vitesse augmente fortement, le taux de déformation locale du matériau dépasse le taux de récupération dynamique (environ 0,8 m/s pour 3003 O-température), formation “bandes de surdéformation”; quand la vitesse chute brusquement, la déformation ralentit pour se former “bandes de déformation faibles”. L'apparition alternée de ces bandes forme des rayures tigrées..

Données de laboratoire: Lorsque la vitesse de dessin fluctue de ± 10 %, l'incidence des rayures tigrées augmente de 6% à 21%.

Déséquilibre périodique de la force du support de flan: Si la force du serre-flan fluctue périodiquement avec la course d'estampage (par ex., Fluctuation de force de ± 15 % causée par l'usure du mécanisme de support de flan à came), la vitesse d'écoulement du matériau du bord du disque en aluminium changera périodiquement. Formes à vitesse d'écoulement rapide “bandes épaisses”, tandis qu'une vitesse d'écoulement lente se forme “bandes fines”. La différence d'épaisseur conduit à une réflectivité lumineuse différente, présentation de motifs à rayures. Exemple: Lorsque la force du serre-flan varie de 5 000 N à 5 750 N., l'écart d'épaisseur de la paroi latérale du pot augmente de 5% à 12%, ce qui donne des rayures de tigre évidentes.

(3) Défauts périodiques des moules

Usure périodique des surfaces de moule: Si la surface du poinçon présente des rayures périodiques (espacement conforme à la course d'estampage, environ 3-5 mm) à cause d'une lubrification insuffisante, les rayures seront “copié” sur la surface du disque en aluminium pendant le dessin, former des rayures de tigre mécaniques. Lorsque la rugosité de la surface du moule Ra augmente de 0,4 μm à 1,2 μm, l'incidence de ces rayures de tigre augmente de 3% à 18%.

Mauvaise ventilation périodique dans les cavités de moisissures: Si les trous d'aération du moule sont répartis périodiquement (par ex., un trou de φ1 mm tous les 4 mm) et certains trous sont bouchés, la pression dans la cavité changera périodiquement (-0.01MPa → -0.03MPa) pendant le dessin, conduisant à des différences dans la densité de formation locale du matériau et à la formation de rayures claires et foncées.

4. Principales causes de la peau d'orange: Inégalités plastiques locales et micro-saillies

(1) Aspect matériel: Microstructure inégale et répartition des particules dures

Différence excessive de taille de grain: Processus de recuit inapproprié des disques en aluminium (par ex., 3003 Température O recuite à 320 ℃ < norme 340-360℃, temps de maintien 0,5h < standard 1h30) conduit à une taille de grain inégale (grain maximum 50μm, grain minimum 10μm). Pendant le dessin, les gros grains subissent facilement “glissement intragranulaire”, tandis que les petits grains sont difficiles à déformer en raison de leur résistance élevée à la déformation, formant une surface semblable à une peau d'orange avec “saillies à gros grains et dépressions à petits grains”.

Données mesurées: Lorsque la différence de granulométrie >40µm, l'incidence de la peau d'orange atteint 45%; quand la différence <20µm, l'incidence est seulement 12%.

Présence de particules dures et d'inclusions: Particules dures formées par des éléments tels que Fe et Si dans les alliages d'aluminium (par ex., Phase AlFeSi, dureté HV180, dureté matricielle HV30) ou inclusions étrangères (par ex., particules d'oxyde d'aluminium, 5-10µm de diamètre) sont difficiles à déformer avec la matrice lors du dessin et “faire monter” la matrice environnante pour former de minuscules saillies. Lorsque la teneur en particules dures >0.7% (3003 norme d'alliage ≤0,6%), l'incidence de la peau d'orange augmente de 15% à 38%.

Épaisseur inégale du film d'oxyde: Épaisseur inégale du film d'oxyde sur la surface du disque en aluminium (5µm → 12 µm) en raison d'un prétraitement inapproprié (par ex., Fluctuation du temps de lavage aux alcalis 10 s → 20 s) conduit à une résistance élevée à la déformation dans les zones de film épais et à une surdéformation facile dans les zones de film mince, formant une surface inégale. Dans une usine, en raison d'une température inégale dans le réservoir de lavage alcalin (50℃ → 60℃), la différence d'épaisseur du film d'oxyde a atteint 8 μm, et le taux de peau d'orange dépassé 40%.

(2) Aspect du processus: Concentration de contraintes locales et défaillance de la lubrification

Rapport de tirage local excessif: Pendant l'estampage et le dessin, si la courbure locale de la cavité du moule est trop grande (par ex., R=2mm < standard 5 mm au niveau de la connexion de la poignée du pot), le rapport de tirage local atteindra 2.8 (dépassant de loin le 3003 Limite de température O de 2.2). Locale “surdéformation plastique” du matériau forme des saillies ridées, qui se chevauchent pour présenter la peau d'orange. Exemple: Lorsque le filet du bord de la poêle R=3mm, le rapport de tirage local est 2.5, et le taux de peau d'orange est 28%; quand R=6mm, le rapport de tirage est 1.8, et le taux baisse à 9%.

Différence de friction locale causée par une lubrification inégale: Pulvérisation inégale de lubrifiant (par ex., pulvérisation locale manquée) augmente le coefficient de frottement de 0.05 (normale) à 0.18 (zones non lubrifiées). Le matériau dans les zones non lubrifiées frotte directement contre le moule, produire “déformation par traînée” et formant des saillies irrégulières. Dans une usine d'ustensiles de cuisine, en raison du blocage de la buse du pulvérisateur automatique, le taux de couverture de lubrification a diminué de 98% à 85%, et le taux de peau d'orange est passé de 12% à 35%.

Insuffisance locale de la force du support de flan: Déviation de parallélisme du serre-flan (>0.1mm/100mm) provoque une force locale insuffisante du serre-flan (par ex., 3000N < norme 5000N dans une certaine zone). Le matériau dans cette zone coule trop vite, formation “saillies accumulées” qui créent des différences de hauteur avec les zones normales environnantes, présentant une forme de peau d'orange.

(3) Aspect moisissure: Rugosité de surface et défauts de cavité

Rugosité excessive de la surface du moule: Polissage insuffisant de la surface de la matrice (Ra = 1,6 μm > norme 0,4 μm) rend sa surface rugueuse “imprimé” sur la surface du disque en aluminium, formant une peau d'orange conforme à la texture du moule. Résultats mesurés: Lorsque le moule Ra = 0,8 μm, le disque en aluminium fini Ra=1,2 μm (zeste d'orange); lorsque Ra = 0,2 μm, le produit fini Ra = 0,6 μm (qualifié).
Minuscules cavités dans les cavités de moisissures: De minuscules cavités restant dans la cavité du moule en raison d'erreurs de traitement (par ex., Fraisage CNC de minuscules dépressions résiduelles, profondeur 0,05 mm) empêcher le matériau de remplir les dépressions pendant l'étirage, formation “saillies inversées”. La superposition de multiples dépressions présente une forme de peau d'orange. Dans une usine de moules, à cause de l'usure de la fraise, le taux de dépression de la cavité atteint 15%, conduisant à un taux de peau d'orange supérieur à 30% dans les ustensiles de cuisine.

5. Vérification des dossiers de l'industrie: Identification des causes et solutions

Cas 1: Rayures de tigre sur des pots emboutis avec 3003 Disques en aluminium O-Temper

Phénomène problématique: Rayures claires et foncées espacées de 3 mm sur les parois latérales du pot, 28% taux de défauts;

Enquête sur les causes:

1. Fluctuation de la vitesse du laminoir à froid ± 8 %, degré de texture du disque en aluminium 0.88 (norme ≤0,7);

1. Fluctuation de pression de la machine à dessiner hydraulique ± 0,8 MPa, vitesse de dessin pulsée;

Mesures de vérification: Ajustez la stabilité de la vitesse de laminage à froid à ± 2 %, remplacer les joints du système hydraulique (fluctuation de pression réduite à ±0,2MPa);

Résultat: Le taux de rayure du tigre réduit à 6%, répondant aux normes de l'industrie.

Cas 2: Écorces d'orange sur des poêles peu profondes avec 5052 Disques en aluminium trempé H14

Phénomène problématique: Fond de poêle Ra=2,2μm, rugueux au toucher, 35% taux de défauts;

Enquête sur les causes:

1. Température de recuit 310℃ (en dessous de la norme 370-390℃), différence de taille de grain 55μm;

1. Surface du moule Ra = 1,2 μm (dépassant la norme);

Mesures de vérification: Ajuster le processus de recuit (380℃ × 2h), polir le moule à Ra = 0,2 μm;

Résultat: Taux de peau d'orange réduit à 10%, Ra stabilisé à 0,7-0,8μm.

6. Orientations en matière de prévention axée sur la cause (Application étendue)

Fin du matériau: Contrôler la teneur en Fe dans 3003 alliage ≤0,6%, différence de taille de grain après recuit ≤20μm, épaisseur du film d'oxyde 5-8μm (déviation ±1 μm);

Fin du processus: Maintenir la stabilité de la vitesse de dessin ±5 %, fluctuation de la force du support de flan ±5 %, taux de couverture du lubrifiant ≥98 %;

Fin du moule: Assurer la surface du moule Ra ≤0,4 μm, pas de cavités dans la cavité, espacement uniforme des trous de ventilation (≤3mm) et pas de blocage.

Ces mesures de prévention sont cruciales pour résoudre les problèmes liés au traitement des disques en aluminium pour ustensiles de cuisine et améliorer la qualité des produits..

7. Conclusion

La principale cause des rayures de tigre dans l'estampage et l'étirage des disques en aluminium pour ustensiles de cuisine est déformation inégale causée par des facteurs périodiques (orientation des grains, fluctuations du processus, défauts périodiques de moisissure); tandis que la peau d'orange est causée par micro-saillies induites par des facteurs non périodiques (grains inégaux, particules dures, déséquilibre des processus locaux). Traquer les causes de ces deux défauts nécessite d’intégrer la microstructure du matériau, paramètres de processus, et conditions de moisissures. À travers “contrôle quantitatif + ajustement ciblé”, le taux de défauts peut être efficacement réduit, assurer la protection de la qualité de surface des ustensiles de cuisine en aluminium. La résolution de ces défauts de texture est une étape clé dans la résolution globale des problèmes liés au traitement des disques en aluminium pour ustensiles de cuisine..