Екструдирането на алуминий е основен процес на формоване на пластмаса във веригата на алуминиевата промишленост. Той произвежда архитектурни и индустриални профили с предварително зададени форми и размери на напречното сечение чрез прилагане на аксиален натиск върху заготовки от алуминиева сплав, за да ги прокара през кухините на матрицата. Този процес се характеризира с високо използване на материала, висока ефективност на формоване и плътна микроструктура на продукта, а неговите продукти се използват широко в строителството, железопътния транзит, новите енергийни превозни средства, електричеството и електрониката, космическото пространство и други области. Съгласуването на параметрите на процеса на екструдиране и контрола на процеса директно определят микроструктурата, механичните свойства, точността на размерите и качеството на повърхността на екструдираните профили, което е концентрирано отражение на основните технически възможности на предприятията за обработка на алуминий.
I. Поток на процеса на екструдиране на ядрото и ключови връзки
Екструзията на алуминий е систематичен процес с многопроцесно сътрудничество, който може да бъде разделен на три етапа: предварителна обработка на заготовката, формоване чрез екструдиране и обработка след екструдиране. Прецизността на процеса на всяка връзка заедно определя качеството на крайния продукт.
1. Процес на предварителна обработка на заготовките
(1) Хомогенизиращо третиране
По време на полунепрекъснато леене блоковете от алуминиеви сплави са предразположени към микроструктурни дефекти, като вътрезърнеста сегрегация, груби вторични фази и концентрирано вътрешно напрежение. Директното екструдиране ще доведе до неравномерна устойчивост на деформация, лошо качество на повърхността и големи колебания в производителността. Обработката с хомогенизиране включва нагряване на заготовката до температура под линията на солидус и задържането й за дълго време (за сплави от серия 6xxx, обикновено 540~580 градуса, задържане за 4~12 часа). Той елиминира сегрегацията на състава чрез атомна дифузия и разтваря и утаява груби интерметални съединения, като значително подобрява пластичността и равномерността на деформацията на заготовката, което е предпоставка за осигуряване на качество на екструзията.
(2) Предварително нагряване на заготовката и матрицата
Температурата на нагряване на заготовката трябва да бъде зададена според системата на сплавта: 460~530 градуса за ковани алуминиеви сплави 6xxx и 400~480 градуса за алуминиеви сплави с висока якост 7xxx. Принципът е да се осигури добра пластичност на сплавта, като същевременно се избягва прегаряне. Междувременно контейнерът за екструдиране и матрицата трябва да бъдат предварително загрети синхронно. Температурата на матрицата обикновено е с 10~30 градуса по-ниска от температурата на заготовката, така че да се намали внезапното увеличение на съпротивлението на формоване и термичният шок на матрицата, причинен от спад на температурата.
2. Процес на формоване чрез екструдиране
Според характеристиките на потока на метала и напрежението, основните процеси на екструдиране се разделят на три категории, адаптиращи се към различното позициониране на продукта:
Директно екструдиране: Най-широко използваният процес. Заготовката се движи напред с екструзионното стебло и посоката на металния поток е в съответствие с екструзионното стъбло. Той се характеризира с проста работа и удобна смяна на матрицата, но има голяма устойчивост на триене по стената на контейнера и има определени разлики в микроструктурата и свойствата между главата и опашката на профила.
Индиректно екструдиране: Матрицата се движи синхронно с екструдера. Няма относително плъзгане между метала и контейнера за екструдиране, което води до ниско съпротивление на триене, равномерна деформация и ниска сила на екструдиране. Подходящ е за високоякостни сплави и високопрецизни индустриални профили, но структурата на оборудването е сложна и разходите за поддръжка са високи.
Изотермична екструзия: Чрез предварително задаване на аксиалния температурен градиент на заготовката и регулиране на скоростта на екструдиране в реално време, температурата на метала в зоната на деформация се поддържа постоянна. Той напълно разрешава противоречието на свързване между скорост и температура и реализира еднаква микроструктура и свойства по цялата дължина на профила. Това е основният процес за индустриални профили от висок клас.
Основният параметър на процеса на екструдиране есъотношение на екструзия(съотношението на площта на напречното сечение на екструзионния контейнер към площта на напречното сечение на профила), което отразява степента на деформация. Коефициентът на екструдиране на архитектурните профили обикновено е 20 ~ 50, а този на индустриалните структурни профили може да достигне 50 ~ 100. Недостатъчното съотношение на екструзия ще доведе до слаб ефект на рафиниране на зърното и ниска якост, докато прекомерното съотношение е ограничено от тонажа на оборудването и якостта на матрицата.
3. Процес на обработка след екструдиране
(1) Онлайн охлаждане
Температурата на профила, излизащ от матрицата, е близка до температурата на обработка на разтвора, така че трябва да се охлади и охлади незабавно, за да накара елементите на сплавта да се разтворят в алуминиевата матрица в свръхнаситено състояние, създавайки условия за последващо стареене. Методите за охлаждане са разделени на три категории: въздушно охлаждане, охлаждане с водна мъгла и водно охлаждане, съответстващи на различните температури на продукта:
T5 Темпер: Приемайки въздушно охлаждане или охлаждане с водна мъгла с умерена скорост на охлаждане, комбинирано с последващо изкуствено стареене, има добра точност на формоване и се използва широко в архитектурни декоративни профили.
T6 Темпер: Приемайки охлаждане с топла вода или силна водна мъгла с бърза скорост на охлаждане и достатъчна обработка с разтвор, той има по-висока якост след стареене и се използва за носещи промишлени профили.
Скоростта на охлаждане трябва да съответства на състава на сплавта: недостатъчното охлаждане ще доведе до преждевременно утаяване на втората фаза и ще намали ефекта на укрепване на стареенето; прекомерното охлаждане лесно ще генерира голямо вътрешно напрежение, причинявайки деформация и напукване на профила.
(2) Разтягане на изправяне и довършване
Закаленият профил има остатъчно вътрешно напрежение и дефекти при огъване/усукване. Деформация на опън от 0,5%~2% се прилага от разтегач, за да се елиминира напрежението и да се коригира правотата и точността на размерите. След това се извършва рязане с фиксирана дължина, изкуствено състаряване и повърхностна обработка (анодиране, електрофоретично покритие, прахово покритие и др.) Съгласно изискванията.
(3) Изкуствено стареене
Изкуственото стареене е основният процес на нагряване на профила до зададена температура и задържането му, така че пренаситеният твърд разтвор да утаи фази на укрепване в наномащаб, значително подобрявайки здравината. Типичните процеси включват: T5 стареене на сплав 6063 при 170~180 градуса за 6~8 часа; T6 стареене на сплав 6061 при 175 градуса за 8~10 часа. Прецизният контрол на температурата и времето на стареене е основното средство за регулиране на съвпадението на здравина и пластичност.
II. Механизъм на параметрите на процеса върху микроструктурата и свойствата
Процесът на екструзия е процес на гореща деформация с многополево свързване на температура, скорост и деформация. Параметрите на процеса в крайна сметка определят микроструктурата и свойствата на профила чрез промяна на поведението на рекристализация и състоянието на утаяване на втората фаза.
1. Температурен параметър
Увеличаването на температурата на заготовката ще подобри пластичността на сплавта и ще намали устойчивостта на деформация, което е благоприятно за образуване на сложни напречни сечения. Въпреки това, когато температурата надвиши критичната стойност, това ще причини огрубяване на зърното, прекомерна рекристализация и дори дефекти при прегаряне, което води до подобно на скала намаляване на механичните свойства. В същото време работата на пластичната деформация по време на екструзията ще се преобразува в топлина, което прави изходната температура на профила на матрицата значително по-висока от първоначалната температура на заготовката. Колкото по-висока е скоростта на екструдиране, толкова по-очевиден е ефектът на повишаване на температурата, което е основната трудност при контрола на процеса.
2. Скорост на екструдиране
Скоростта на екструдиране трябва да бъде динамично съобразена с температурата: твърде високата скорост ще доведе до концентрирана деформационна топлина, повърхностни дефекти като разкъсване и портокалова кора на профила и голяма температурна разлика между сърцевината и повърхността, което води до неравномерна микроструктура и свойства; твърде ниската скорост ще доведе до ниска производствена ефективност и профилът остава в зоната с висока температура за дълго време, което е предразположено към растеж на рекристализирани зърна. Индустрията обикновено възприема стратегията за съвпадение на „ниска температура + бърза екструзия“ или „висока температура + бавна екструзия“ и комбинира изотермична технология за екструзия, за да постигне баланса между ефективност и качество.
3. Степен на деформация
Според теорията на пластичната деформация, увеличаването на съотношението на екструзия ще увеличи плътността на дислокацията, ще насърчи динамичната рекристализация, ще усъвършенства структурата на зърната и ще подобри цялостните свойства на здравина и пластичност на профила. Когато коефициентът на екструзия е по-малък от 10, ефектът на усъвършенстване на зърното не е очевиден и са склонни да се появят пръстени с груби зърна; прекомерното съотношение на екструзия ще доведе до рязко увеличаване на силата на екструзия, която е ограничена от тонажа на оборудването и здравината на матрицата.
4. Режим на закаляване и стареене
Скоростта на охлаждане при закаляване директно определя степента на обработка на разтвора: колкото по-бърза е скоростта на охлаждане, толкова по-висока е концентрацията на пренаситения твърд разтвор и толкова по-диспергирани са укрепващите фази, утаени след стареене, което води до по-висока якост. За сплави от серия 6xxx критичната скорост на охлаждане е около 1~5 градуса /s. Под тази стойност Mg₂Si фазата се утаява предварително и губи укрепващия ефект.
Процесът на стареене определя състоянието на утаяване на фазите на укрепване: недостатъчното стареене води до недостатъчно утаяване на фазите на укрепване и ниска якост; пиковото стареене достига максимална якост, но с намалена пластичност; прекомерното стареене причинява загрубяване на укрепващите фази, намалена здравина и подобрена пластичност. Съответният режим трябва да бъде избран според изискванията за ефективност на продукта.
III. Прецизни методи за контрол на основните показатели за ефективност
Контролът на производителността на алуминиевите екструдирани продукти се фокусира върху четири основни измерения: механични свойства, точност на размерите, качество на повърхността и устойчивост на корозия и електрическа проводимост.
1. Контрол на механичните свойства
Механичните свойства (якост на опън, граница на провлачване, удължение след счупване) са основните показатели на индустриалните профили. Контролният път на целия процес включва:
Контрол на източника на състава: Прецизно контролиране на съдържанието на укрепващи елементи в сплавта, като контролиране на общото съдържание на Mg и Si и съотношението Mg/Si в сплави от серия 6xxx, за да се осигури достатъчно образуване на Mg₂Si укрепваща фаза; стриктно контролирайте примесните елементи като Fe и Cu, за да избегнете крехките фази, намаляващи пластичността.
Адекватност на хомогенизирането: Осигурете еднакъв състав и микроструктура на заготовката и елиминирайте локалните колебания в производителността.
Съвпадение на процеса на екструдиране: Контролирайте разумна температура на екструдиране и съотношение на екструдиране, за да осигурите достатъчна динамична рекристализация и усъвършенстване на зърното.
Управление със затворен цикъл на охлаждане и стареене: Уверете се, че скоростта на охлаждане при охлаждане отговаря на стандарта и прецизно контролирайте еднородността на температурата и времето на задържане на пещта за стареене, за да постигнете оптимално утаяване на укрепващите фази.
2. Контрол на точността на размерите
Точността на размерите на алуминиевите профили се влияе от много фактори като матрица, оборудване и процес. Контролните точки включват:
Размери на матрицата: Приемете високопрецизна машинна обработка и огледално полиране, проектирайте разумна дължина на носещата повърхност и структура на отвора, за да компенсирате разликата в скоростта на потока на метала.
Размер на процеса: Стабилизиране на температурата и скоростта на екструдиране, за да се избегне деформация на напречното сечение, причинена от неравномерна скорост на потока; контролирайте степента на разтягане при изправяне на разтягане, за да предотвратите отклонение в размерите.
Размер на оборудването: Осигурете точността на подравняване на екструдера и изправеността на водещата релса, за да намалите усукването и огъването, причинено от хлабината на оборудването.
Точността на размерите на индустриалните профили от висок клас може да достигне клас IT6~IT7, отговаряйки на изискванията за прецизен монтаж.
3. Контрол на качеството на повърхността
Често срещаните повърхностни проблеми включват драскотини, вдлъбнатини, ивици, мехури и т.н. Основните мерки за предотвратяване и контрол са:
Подобрете металургичното качество на заготовките, за да намалите дефектите при леене като пори и включвания.
Поддържайте редовно контейнера за екструдиране и матрицата, почиствайте повърхностните остатъци и алуминиевите стружки и поддържайте земята, носеща матрицата, в огледално състояние.
Оптимизирайте съответствието на скоростта на екструдиране и температурата, за да избегнете разкъсване на повърхността, причинено от прекомерна скорост на металния поток.
Оптимизирайте транспортната структура на разтоварващата маса и охлаждащото легло, за да намалите механичните драскотини.
4. Устойчивост на корозия и контрол на електропроводимостта
Устойчивост на корозия: Намаляване на склонността към електрохимична корозия чрез контролиране на еднаквостта на структурата на зърната и намаляване на грубите вторични фази; комбинирани с повърхностни обработки като анодиране и електрофоретично покритие, устойчивостта на солен спрей и киселинно-алкалната устойчивост могат да бъдат значително подобрени.
Електрическа проводимост: За алуминиеви профили за електрическа проводимост е необходимо да се контролира съдържанието на примесни елементи и да се намали изкривяването на решетката; в същото време избягвайте загрубяването на втората фаза, причинено от прекомерно стареене, за да осигурите баланса между проводимост и сила.
IV. Често срещани дефекти в качеството и решения за предотвратяване
| Тип дефект | Основна причина | Решение за превенция и контрол |
|---|---|---|
| Повърхностни мехури / лющене | Пори и свиваеми кухини в заготовки; остатъчно масло или алуминиеви стружки в контейнер за екструдиране | Подобряване на качеството на леене на заготовки; почистете контейнера за екструдиране и матрицата преди екструдиране; контролирайте температурата на нагряване на заготовката, за да избегнете прегаряне |
| Едрозърнест пръстен / едрозърнесто зърно | Прекалено висока температура на екструдиране; твърде малък коефициент на екструзия; недостатъчна степен на деформация | Намалете температурата на заготовката и матрицата; увеличаване на коефициента на екструдиране; оптимизирайте скоростта на екструзия, за да попречите на растежа на рекристализацията на зърната |
| Неквалифицирани механични свойства | Недостатъчна скорост на охлаждане при охлаждане; отклонение от режима на стареене; разделяне на състава | Увеличете интензивността на охлаждане при закаляване; калибриране на температурната равномерност на пещта за стареене; осигурете достатъчна хомогенизация на заготовката |
| Усукване / огъване на профил | Неразумно проектиране на носещата земя; неравномерен дебит на метала; неправилно разтягане изправяне | Оптимизиране на илюминаторите на щампите и лагерните площадки; регулирайте температурата и скоростта на екструдиране; прецизно контролирайте количеството и посоката на разтягане |
| Повърхностни драскотини / следи от влачене | Износване на опорната повърхност на матрицата; твърди издатини на разтоварващата маса и охлаждащото легло | Редовно полирайте или подменяйте матриците; почистете контактните повърхности на транспортното оборудване; оптимизирайте структурата на водача за изпускане |
V. Тенденции в развитието на индустриалните технологии
С надграждането на търсенето от висок клас производство надолу по веригата, технологията за екструдиране на алуминий продължава да се развива към висока прецизност, висока производителност, ниска карбонизация и интелигентност.
Интегрирано екструдиране на големи сложни напречни сеченияТърсенето от области като нови енергийни шасита на превозни средства и каросерии на железопътни транзитни вагони насърчава популяризирането на 10 000-тонни екструдери с голям тонаж, реализирайки интегрирано формоване на големи тънкостенни, порести кухи профили със сложно напречно сечение, заменяйки традиционния заваръчен монтаж и подобрявайки структурната здравина и лекото ниво.
Екструзионна технология за сплави с висока якост и висока якостПробивите в технологията на екструдиране за 7xxx, 2xxx високоякостни алуминиеви сплави и алуминиево-литиеви сплави подкрепят лекото търсене на аерокосмически и нови енергийни превозни средства. Основните трудности се крият в контролирането на деформационните пукнатини и подобряването на еднородността на микроструктурата. Индиректното екструдиране, изотермичното екструдиране, градиентното нагряване и други технологии се превърнаха в стандартни конфигурации.
Интелигентни производствени линии за екструдиранеЧрез дигитален близнак, он-лайн инфрачервено измерване на температурата, визуална инспекция на размерите и други технологии, се реализира затворен контрол в реално време на параметрите на екструзията; комбиниран с AI алгоритъм за оптимизиране на дизайна на матрицата и съвпадение на параметрите на процеса, ръчните опити и грешки са намалени, а добивът и ефективността на производството са значително подобрени.
Екологичен и нисковъглероден процес на екструдиранеНасърчаване на енергоспестяващи технологии като електромагнитно индукционно нагряване и оползотворяване на отпадна топлина за намаляване на потреблението на енергия в процеса на екструдиране; разработете процеси на екструдиране с къс поток, отменете връзката за повторно нагряване на заготовката и директно използвайте отпадъчната топлина от леярството за екструдиране, което може да намали общата консумация на енергия с повече от 30%.
