As causas dos padrões de pele de tigre e casca de laranja em discos de alumínio usados em utensílios de cozinha durante estampagem e estiramento

1. Introdução: Impactos industriais de defeitos de textura superficial em discos de alumínio para utensílios de cozinha

Discos de alumínio para utensílios de cozinha (feito principalmente de 3003, 5052, e 1100 ligas, com uma espessura de 0,8-3,0 mm) frequentemente desenvolvem dois defeitos superficiais típicos após estampagem e desenho: “listras de tigre” (periódico, padrões claros e escuros em forma de tira com espaçamento de 2 a 5 mm) e “casca de laranja” (irregular, superfícies ásperas irregulares com rugosidade Ra >1.6μm). Seus perigos são refletidos em três aspectos:

Falha na aparência: Falha em atender aos padrões da indústria para superfícies de utensílios de cozinha (“sem padrões visíveis, Ra ≤0,8μm”) (por exemplo, GB/T 32073-2015 Utensílios de cozinha de alumínio e liga de alumínio), com uma taxa máxima de defeitos de 25%;

Riscos de desempenho: Manchas de óleo e microorganismos acumulam-se facilmente nas áreas texturizadas, e concentração de tensão local (estresse em áreas com listras de tigre é 30% maior do que em áreas normais) reduz a resistência à corrosão dos utensílios de cozinha (vida útil do teste de névoa salina reduzida em 40%);

Perdas de custos: Defeitos aumentam a taxa de retrabalho, aumentando o custo unitário de processamento em 15-20% (por exemplo, uma fábrica de utensílios de cozinha sofre perdas anuais superiores a 2 milhões de yuans devido à casca de laranja).

A essência desses dois defeitos reside em deformação plástica irregular do material, mas seus mecanismos de formação diferem, exigindo rastreabilidade precisa de múltiplas dimensões. Notavelmente, analisar esses defeitos é uma parte fundamental para resolver problemas no processamento de discos de alumínio para utensílios de cozinha.

2. Definição e diferenciação de características de listras de tigre e casca de laranja

(1) Listras de tigre

Recursos de aparência: Listras claras e escuras periódicas distribuídas ao longo da direção do desenho, aparecendo principalmente em peças repuxadas (por exemplo, paredes laterais do vaso). O espaçamento das listras diminui à medida que a profundidade do desenho aumenta (2espaçamento mm a 50 mm de profundidade, 1.2espaçamento de mm a 80 mm de profundidade);

Indicadores de teste: Visível a olho nu (observado em um ângulo de 45° sob luz natural), com um desvio de espessura >8% em áreas de listras (≤5% em áreas normais). A observação metalográfica mostra que a orientação dos grãos nas áreas de listras é organizada de maneira direcional;

Cenário Típico: Altamente prevalente no processamento de potes de repuxo profundo (proporção de desenho >2.0) usando 3003 Discos de alumínio com têmpera O.

(2) Casca de laranja

Recursos de aparência: Superfícies ásperas irregulares e irregulares, semelhante à textura de casca de laranja, aparecendo principalmente em peças rasas (por exemplo, fundos de frigideira) ou peças estampadas, com uma altura irregular de 0,05-0,2 mm;

Indicadores de teste: Rugosidade superficial Ra >1.6μm (utensílios de cozinha qualificados requerem Ra ≤0,8μm), com uma sensação granular distinta quando tocado. A observação microscópica revela um grande número de pequenas saliências (0.1-0.5mm de diâmetro) na superfície;

Cenário Típico: Altamente prevalente no processamento de frigideiras de paredes finas (grossura <1.2milímetros) usando 5052 Discos de alumínio com têmpera H14.

3. Principais causas das listras de tigre: Flutuações periódicas de tensão e deformação direcional

(1) Diferenças direcionais na microestrutura do material

Orientação irregular de grãos: Durante a laminação de discos de alumínio, velocidade de rolamento irregular (por exemplo, Flutuação de ±5% na velocidade do laminador a frio) faz com que os grãos se alinhem direcionalmente ao longo da direção de laminação (grau de textura >0.8). Durante a estampagem e desenho, grãos direcionais sofrem facilmente “guia de lote” na direção do estresse, formando bandas de deformação periódica. Quando o espaçamento dessas bandas de deformação interfere no comprimento de onda da reflexão da luz (400-760nm), aparecem listras alternadas de tigre claras e escuras.

Exemplo: Devido às flutuações da velocidade de laminação a frio (20m/min → 22m/min) de 3003 Discos de alumínio com têmpera O em uma fábrica, o grau de textura alcançado 0.85, e a incidência de listras de tigre em vasos profundos aumentou de 5% para 32%.

Distribuição Periódica de Partículas de Segunda Fase: Em 3003 liga de alumínio, Partículas de segunda fase AlFeSi (1-3μm de diâmetro) pode formar agregados periódicos (2-5espaçamento mm) durante o rolamento. Durante o desenho, concentração de tensão ocorre facilmente na matriz ao redor das partículas, formando faixas de deformação consistentes com o período de distribuição de partículas. Quando a fração volumétrica das partículas >1.2%, a incidência de listras de tigre aumenta significativamente (28% incidência em 1.5% fração volumétrica, apenas 8% no 1.0%).

(2) Flutuações periódicas nos parâmetros do processo

Mudanças pulsantes na velocidade de desenho: Se a pressão do sistema hidráulico em uma trefiladeira hidráulica for instável (Flutuação de ±0,5MPa), a velocidade de desenho mudará de maneira pulsante (por exemplo, 1.0m/s → 1,2 m/s → 1,0 m/s). Quando a velocidade aumenta acentuadamente, a taxa de deformação local do material excede a taxa de recuperação dinâmica (aproximadamente 0,8 m/s para 3003 O-temperamento), formando “bandas de sobredeformação”; quando a velocidade cai drasticamente, deformação desacelera para formar “bandas de deformação fracas”. A aparência alternada dessas faixas forma listras de tigre.

Dados laboratoriais: Quando a velocidade de desenho flutua em ±10%, a incidência de listras de tigre aumenta de 6% para 21%.

Desequilíbrio periódico da força do suporte em branco: Se a força do suporte do blank flutuar periodicamente com o curso de estampagem (por exemplo, ±15% de flutuação de força causada pelo desgaste do mecanismo de suporte do blank tipo came), a velocidade de fluxo do material da borda do disco de alumínio mudará periodicamente. Formulários de velocidade de fluxo rápido “bandas grossas”, enquanto a velocidade de fluxo lenta se forma “bandas finas”. A diferença de espessura leva a diferentes refletividades da luz, apresentando padrões de listras. Exemplo: Quando a força do suporte do blank flutua de 5000N a 5750N, o desvio da espessura da parede lateral do pote aumenta de 5% para 12%, resultando em listras de tigre óbvias.

(3) Defeitos Periódicos de Moldes

Desgaste periódico das superfícies do molde: Se a superfície do punção apresentar arranhões periódicos (espaçamento consistente com o curso de estampagem, aproximadamente 3-5 mm) devido à lubrificação insuficiente, os arranhões serão “copiado” na superfície do disco de alumínio durante o desenho, formando listras mecânicas de tigre. Quando a rugosidade da superfície do molde Ra aumenta de 0,4 μm para 1,2 μm, a incidência de tais listras de tigre aumenta de 3% para 18%.

Má ventilação periódica em cavidades de molde: Se os orifícios de ventilação do molde forem distribuídos periodicamente (por exemplo, um furo de φ1mm a cada 4mm) e alguns buracos estão bloqueados, a pressão da cavidade mudará periodicamente (-0.01MPa→ -0.03MPa) durante o desenho, levando a diferenças na densidade de formação local do material e formando listras claras e escuras.

4. Principais causas da casca de laranja: Desigualdade Plástica Local e Micro-Saliências

(1) Aspecto Material: Microestrutura irregular e distribuição de partículas duras

Diferença excessiva no tamanho do grão: Processo de recozimento inadequado de discos de alumínio (por exemplo, 3003 O-temperamento recozido a 320℃ < padrão 340-360°C, tempo de espera 0,5h < padrão 1,5h) leva a tamanho de grão irregular (grão máximo 50μm, grão mínimo 10μm). Durante o desenho, grãos grandes sofrem facilmente “deslizamento intragranular”, enquanto grãos pequenos são difíceis de deformar devido à alta resistência à deformação, formando uma superfície semelhante a uma casca de laranja com “grandes saliências de grãos e pequenas depressões de grãos”.

Dados medidos: Quando a diferença no tamanho do grão >40μm, a incidência da casca de laranja atinge 45%; quando a diferença <20μm, a incidência é apenas 12%.

Presença de partículas duras e inclusões: Partículas duras formadas por elementos como Fe e Si em ligas de alumínio (por exemplo, Fase AlFeSi, dureza HV180, dureza da matriz HV30) ou inclusões estrangeiras (por exemplo, partículas de óxido de alumínio, 5-10μm de diâmetro) são difíceis de deformar com a matriz durante o desenho e “empurrar para cima” a matriz circundante para formar pequenas saliências. Quando o conteúdo de partículas duras >0.7% (3003 padrão de liga ≤0,6%), a incidência de casca de laranja aumenta de 15% para 38%.

Espessura irregular do filme de óxido: Espessura irregular da película de óxido na superfície do disco de alumínio (5µm → 12 µm) devido ao pré-tratamento inadequado (por exemplo, flutuação do tempo de lavagem alcalina 10s → 20s) leva a alta resistência à deformação em áreas de filme espesso e fácil superdeformação em áreas de filme fino, formando uma superfície irregular. Em uma fábrica, devido à temperatura irregular no tanque de lavagem alcalina (50℃ → 60 ℃), a diferença de espessura do filme de óxido atingiu 8μm, e a taxa de casca de laranja excedeu 40%.

(2) Aspecto do Processo: Concentração de tensão local e falha de lubrificação

Taxa de desenho local excessiva: Durante a estampagem e desenho, se a curvatura local da cavidade do molde for muito grande (por exemplo, R=2mm < padrão 5mm na conexão da alça da panela), a taxa de desenho local alcançará 2.8 (excedendo em muito o 3003 Limite de temperatura O de 2.2). Local “superdeformação plástica” do material forma saliências enrugadas, que se sobrepõem para apresentar casca de laranja. Exemplo: Quando o filé da borda da frigideira R=3mm, a proporção de desenho local é 2.5, e a taxa de casca de laranja é 28%; quando R=6mm, a proporção de desenho é 1.8, e a taxa cai para 9%.

Diferença de atrito local causada por lubrificação irregular: Pulverização irregular de lubrificante (por exemplo, pulverização local perdida) aumenta o coeficiente de atrito de 0.05 (normal) para 0.18 (áreas não lubrificadas). O material em áreas não lubrificadas esfrega diretamente contra o molde, produzindo “deformação por arrasto” e formando saliências irregulares. Em uma fábrica de utensílios de cozinha, devido ao bloqueio do bico pulverizador automático, a taxa de cobertura de lubrificação diminuiu de 98% para 85%, e a taxa de casca de laranja aumentou de 12% para 35%.

Insuficiência Local da Força do Suporte do Branco: Desvio de paralelismo do suporte do blank (>0.1mm/100mm) causa força local insuficiente no suporte do blank (por exemplo, 3000N < padrão 5000N em uma determinada área). O material nesta área flui muito rápido, formando “saliências acumuladas” que criam diferenças de altura com as áreas normais circundantes, apresentando formato de casca de laranja.

(3) Aspecto do molde: Rugosidade superficial e defeitos de cavidade

Rugosidade excessiva da superfície do molde: Polimento insuficiente da superfície da matriz (Ra = 1,6μm > padrão 0,4μm) faz com que sua superfície áspera seja “impresso” na superfície do disco de alumínio, formando casca de laranja consistente com a textura do molde. Resultados medidos: Quando o molde Ra=0,8μm, o disco de alumínio acabado Ra = 1,2 μm (casca de laranja); quando Ra = 0,2 μm, o produto acabado Ra = 0,6 μm (qualificado).
Pequenas cavidades em cavidades de molde: Pequenas cavidades remanescentes na cavidade do molde devido a erros de processamento (por exemplo, Fresagem CNC de pequenas depressões residuais, profundidade 0,05 mm) evitar que o material preencha as depressões durante o estiramento, formando “saliências reversas”. A superposição de múltiplas depressões apresenta formato de casca de laranja. Em uma fábrica de moldes, devido ao desgaste da fresa, a taxa de depressão da cavidade atingiu 15%, levando a uma taxa de casca de laranja superior 30% em utensílios de cozinha.

5. Verificação de Caso da Indústria: Identificação de Causas e Soluções

Caso 1: Listras de tigre em potes profundos com 3003 Discos de alumínio O-Temper

Fenômeno Problemático: Listras claras e escuras com espaçamento de 3 mm nas paredes laterais do vaso, 28% taxa de defeito;

Investigação de Causa:

1. Flutuação da velocidade do laminador a frio ±8%, grau de textura do disco de alumínio 0.88 (padrão ≤0,7);

1. Flutuação de pressão da máquina de trefilação hidráulica ±0,8MPa, velocidade de desenho pulsante;

Medidas de verificação: Ajuste a estabilidade da velocidade de laminação a frio para ±2%, substituir as vedações do sistema hidráulico (flutuação de pressão reduzida para ±0,2MPa);

Resultado: Taxa de listras de tigre reduzida para 6%, atendendo aos padrões da indústria.

Caso 2: Casca de laranja em frigideiras rasas com 5052 Discos de alumínio com têmpera H14

Fenômeno Problemático: Fundo da frigideira Ra=2,2μm, áspero ao toque, 35% taxa de defeito;

Investigação de Causa:

1. Temperatura de recozimento 310℃ (abaixo do padrão 370-390℃), diferença de tamanho de grão 55μm;

1. Superfície do molde Ra=1,2μm (excedendo o padrão);

Medidas de verificação: Ajustar o processo de recozimento (380℃ × 2h), molde polonês para Ra = 0,2 μm;

Resultado: Taxa de casca de laranja reduzida para 10%, Ra estabilizado em 0,7-0,8 μm.

6. Instruções de prevenção orientadas para causas (Aplicação estendida)

Fim do material: Controle o conteúdo de Fe em 3003 liga ≤0,6%, diferença de tamanho de grão após recozimento ≤20μm, espessura do filme de óxido 5-8μm (desvio ±1μm);

Fim do Processo: Mantenha a estabilidade da velocidade de desenho ±5%, flutuação da força do suporte do blank ±5%, taxa de cobertura de lubrificante ≥98%;

Extremidade do molde: Garanta a superfície do molde Ra ≤0,4μm, sem cavidades na cavidade, espaçamento uniforme dos orifícios de ventilação (≤3 mm) e sem bloqueio.

Estas medidas de prevenção são cruciais para resolver problemas no processamento de discos de alumínio para utensílios de cozinha e melhorar a qualidade do produto.

7. Conclusão

A principal causa das listras de tigre na estampagem e estampagem de discos de alumínio para utensílios de cozinha é deformação irregular causada por fatores periódicos (orientação dos grãos, flutuações do processo, defeitos periódicos do molde); enquanto a casca de laranja é causada por micro-saliências induzidas por fatores não periódicos (grãos irregulares, partículas duras, desequilíbrio do processo local). Rastrear as causas desses dois defeitos requer a integração da microestrutura do material, parâmetros de processo, e condições do molde. Através “controle quantitativo + ajuste direcionado”, a taxa de defeito pode ser efetivamente reduzida, fornecendo proteção para a qualidade da superfície de utensílios de cozinha de alumínio. Resolver esses defeitos de textura é um passo fundamental para resolver de forma abrangente os problemas no processamento de discos de alumínio para utensílios de cozinha..

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