Экструзия алюминия — это основной процесс формования пластмасс в цепочке перерабатывающей промышленности алюминия. Он производит архитектурные и промышленные профили с заданными формами и размерами поперечного сечения, применяя осевое давление к заготовкам из алюминиевого сплава, чтобы протолкнуть их через полости матрицы. Этот процесс отличается высоким использованием материала, высокой эффективностью формования и плотной микроструктурой продукта, а его продукция широко используется в строительстве, железнодорожном транспорте, транспортных средствах на новых источниках энергии, электротехнике и электронике, аэрокосмической и других областях. Сопоставление параметров процесса экструзии и управление процессом напрямую определяют микроструктуру, механические свойства, точность размеров и качество поверхности экструдированных профилей, что является концентрированным отражением основных технических возможностей предприятий по переработке алюминия.
I. Процесс основной экструзии и ключевые связи
Экструзия алюминия — это систематический процесс с участием нескольких процессов, который можно разделить на три этапа: предварительная обработка заготовок, экструзионное формование и постэкструзионная обработка. Точность процесса каждого звена совместно определяет качество конечного продукта.
1. Процесс предварительной обработки заготовок
(1) Обработка гомогенизацией
Во время полунепрерывного литья слитки алюминиевых сплавов склонны к дефектам микроструктуры, таким как внутризеренная сегрегация, крупные вторые фазы и концентрированные внутренние напряжения. Прямая экструзия приведет к неравномерной устойчивости к деформации, плохому качеству поверхности и большим колебаниям производительности. Обработка гомогенизацией включает нагрев заготовки до температуры ниже линии солидуса и выдержку ее в течение длительного времени (для сплавов серии 6ххх обычно 540–580 градусов, выдержка 4–12 часов). Он устраняет сегрегацию состава за счет атомной диффузии, растворяет и осаждает крупные интерметаллические соединения, существенно улучшая пластичность и однородность деформации заготовки, что является необходимым условием обеспечения качества экструзии.
(2) Предварительный нагрев заготовки и матрицы
Температура нагрева заготовки должна быть установлена в соответствии с системой сплавов: 460–530 градусов для деформируемых алюминиевых сплавов 6ххх и 400–480 градусов для высокопрочных алюминиевых сплавов 7ххх. Принцип состоит в том, чтобы обеспечить хорошую пластичность сплава, избегая при этом пережога. При этом экструзионный контейнер и матрица должны предварительно нагреваться синхронно. Температура матрицы обычно на 10–30 градусов ниже температуры заготовки, чтобы уменьшить внезапное увеличение сопротивления формованию и тепловой удар матрицы, вызванный падением температуры.
2. Процесс экструзионного формования
В соответствии с характеристиками текучести металла и напряжений основные процессы экструзии делятся на три категории, адаптирующиеся к различному позиционированию продукта:
Прямая экструзия: наиболее широко используемый процесс. Заготовка движется вперед вместе со штоком экструзии, а направление потока металла соответствует штоку экструзии. Он отличается простотой эксплуатации и удобной сменой матрицы, но имеет большое сопротивление трению о стенки контейнера, а также существуют определенные различия в микроструктуре и свойствах между головной и хвостовой частью профиля.
Непрямая экструзия: Матрица движется синхронно с экструзионным стержнем. Между металлом и экструзионным контейнером отсутствует относительное скольжение, что приводит к низкому сопротивлению трения, равномерной деформации и низкой силе экструзии. Он подходит для высокопрочных сплавов и высокоточных промышленных профилей, но конструкция оборудования сложна, а стоимость обслуживания высока.
Изотермическая экструзия: Задавая осевой градиент температуры заготовки и регулируя скорость экструзии в реальном времени, температура металла в зоне деформации поддерживается постоянной. Он полностью решает противоречие между скоростью и температурой и обеспечивает однородную микроструктуру и свойства по всей длине профиля. Это основной процесс для высококачественных промышленных профилей.
Основным параметром процесса экструзии являетсякоэффициент экструзии(отношение площади поперечного сечения экструзионного контейнера к площади поперечного сечения профиля), отражающее степень деформации. Коэффициент экструзии архитектурных профилей обычно составляет 20–50, а промышленных конструкционных профилей может достигать 50–100. Недостаточный коэффициент экструзии приведет к слабому эффекту измельчения зерна и низкой прочности, тогда как чрезмерный коэффициент ограничивается тоннажем оборудования и прочностью матрицы.
3. Процесс постэкструзионной обработки
(1) Онлайн-закалка
Температура профиля на выходе из штампа близка к температуре обработки на раствор, поэтому его необходимо немедленно охладить и закалить, чтобы элементы сплава растворились в алюминиевой матрице в пересыщенном состоянии, создав условия для последующего старения. Методы охлаждения делятся на три категории: воздушное охлаждение, охлаждение водяным туманом и водяное охлаждение, соответствующие различным температурам продукта:
Т5 Закалка: Применение воздушного или водяного охлаждения с умеренной скоростью охлаждения в сочетании с последующим искусственным старением обеспечивает хорошую точность формовки и широко используется в архитектурных декоративных профилях.
Т6 Закалка: Закалка в теплой воде или сильном водяном тумане с быстрой скоростью охлаждения и достаточной обработкой раствором обеспечивает более высокую прочность после старения и используется для несущих промышленных профилей.
Скорость охлаждения должна соответствовать составу сплава: недостаточное охлаждение приведет к преждевременному выделению второй фазы и снизит эффект старения; чрезмерное охлаждение легко создаст большое внутреннее напряжение, вызывающее деформацию и растрескивание профиля.
(2) Растягивающееся выпрямление и финишная обработка
Закаленный профиль имеет остаточные внутренние напряжения и дефекты изгиба/скручивания. Растягивающая деформация в размере 0,5–2% применяется с помощью подрамника для устранения напряжения и корректировки прямолинейности и точности размеров. После этого в соответствии с требованиями выполняются распиловка фиксированной длины, искусственное старение и обработка поверхности (анодирование, электрофоретическое покрытие, порошковое покрытие и т. д.).
(3) Искусственное старение
Искусственное старение — это основной процесс нагрева профиля до заданной температуры и его выдерживания, в результате чего перенасыщенный твердый раствор выделяет наномасштабные упрочняющие фазы, что значительно повышает прочность. Типичные процессы включают: старение Т5 сплава 6063 при температуре 170–180 градусов в течение 6–8 часов; Старение T6 сплава 6061 при температуре 175 градусов в течение 8–10 часов. Точный контроль температуры и времени старения является основным средством регулирования соответствия прочности и пластичности.
II. Механизм изменения параметров процесса на микроструктуру и свойства
Процесс экструзии представляет собой процесс горячей деформации с многополюсной связью температуры, скорости и деформации. Параметры процесса в конечном итоге определяют микроструктуру и свойства профиля, изменяя характер рекристаллизации и состояние выделения второй фазы.
1. Температурный параметр
Повышение температуры заготовки улучшит пластичность сплава и снизит сопротивление деформации, что способствует формированию сложных сечений. Однако превышение температуры критического значения приведет к укрупнению зерна, чрезмерной рекристаллизации и даже дефектам пережога, что приведет к резкому падению механических свойств. В то же время работа пластической деформации во время экструзии будет преобразована в тепло, в результате чего температура на выходе из матрицы профиля значительно превысит начальную температуру заготовки. Чем выше скорость экструзии, тем более очевиден эффект повышения температуры, что является основной трудностью управления процессом.
2. Скорость экструзии
Скорость экструзии должна динамически согласовываться с температурой: слишком высокая скорость приведет к концентрированию тепла деформации, поверхностным дефектам, таким как разрывы и апельсиновая корка на профиле, а также к большой разнице температур между сердцевиной и поверхностью, что приведет к неравномерной микроструктуре и свойствам; слишком медленная скорость приведет к низкой эффективности производства, а профиль длительное время будет находиться в зоне высоких температур, что склонно к рекристаллизованному росту зерен. В отрасли обычно применяется стратегия соответствия «низкая температура + быстрая экструзия» или «высокая температура + медленная экструзия» и сочетается технология изотермической экструзии для достижения баланса между эффективностью и качеством.
3. Степень деформации
Согласно теории пластической деформации, увеличение коэффициента выдавливания приведет к увеличению плотности дислокаций, будет способствовать динамической рекристаллизации, измельчит зеренную структуру, улучшит комплексные свойства прочности и пластичности профиля. Когда коэффициент экструзии меньше 10, эффект измельчения зерна не очевиден, и склонны к возникновению крупных дефектов колец зерен; чрезмерная степень экструзии приведет к резкому увеличению силы экструзии, которая ограничена тоннажем оборудования и прочностью матрицы.
4. Режим закалки и старения.
Скорость закалочного охлаждения напрямую определяет степень обработки раствора: чем выше скорость охлаждения, тем выше концентрация пересыщенного твердого раствора и тем более дисперсны упрочняющие фазы, выделяющиеся после старения, что приводит к более высокой прочности. Для сплавов серии 6xxx критическая скорость охлаждения составляет около 1–5 град/с. Ниже этого значения фаза Mg₂Si выделяется заранее и теряет упрочняющий эффект.
Процесс старения определяет состояние выделения упрочняющих фаз: недостарение приводит к недостаточному выделению упрочняющих фаз и низкой прочности; пик старения достигает максимальной прочности, но с пониженной пластичностью; перестарение вызывает укрупнение фаз упрочнения, снижение прочности и улучшение пластичности. Соответствующий режим выбирается в соответствии с требованиями к характеристикам изделия.
III. Методы точного контроля основных показателей эффективности
Контроль характеристик экструдированных алюминиевых изделий фокусируется на четырех основных параметрах: механических свойствах, точности размеров, качестве поверхности, коррозионной стойкости и электропроводности.
1. Механический контроль имущества
Механические свойства (предел прочности, предел текучести, удлинение после разрушения) являются основными показателями промышленных профилей. Полный путь управления процессом включает в себя:
Управление исходным кодом композиции: Точно контролировать содержание упрочняющих элементов в сплаве, например, контролировать общее содержание Mg и Si и соотношение Mg/Si в сплавах серии 6xxx, чтобы обеспечить достаточное образование упрочняющей фазы Mg₂Si; строго контролировать примесные элементы, такие как Fe и Cu, чтобы избежать появления хрупких фаз, снижающих пластичность.
Адекватность гомогенизации: Обеспечить однородный состав и микроструктуру заготовки и устранить локальные колебания производительности.
Согласование процесса экструзии: Контролируйте разумную температуру экструзии и коэффициент экструзии, чтобы обеспечить достаточную динамическую рекристаллизацию и измельчение зерна.
Закалка-старение с замкнутым контуром управления: Убедитесь, что скорость закалочного охлаждения соответствует стандарту, и точно контролируйте однородность температуры и время выдержки в печи старения для достижения оптимального выделения фаз упрочнения.
2. Контроль точности размеров.
На точность размеров алюминиевых профилей влияет множество факторов, таких как штамп, оборудование и процесс. К контрольным точкам относятся:
Размер штампа: применение высокоточной механической обработки и зеркальной полировки, проектирование разумной длины опорной площадки и конструкции иллюминатора, чтобы компенсировать разницу в скорости потока металла.
Размер процесса: стабилизировать температуру и скорость экструзии, чтобы избежать деформации поперечного сечения, вызванной неравномерной скоростью потока; Контролируйте степень растяжения и выпрямления, чтобы предотвратить отклонение размеров.
Размеры оборудования: Обеспечьте точность выравнивания экструдера и прямолинейность направляющей, чтобы уменьшить скручивание и изгиб, вызванное зазором оборудования.
Точность размеров высококачественных промышленных профилей может достигать уровня IT6~IT7, что соответствует требованиям точной сборки.
3. Контроль качества поверхности
К частым проблемам на поверхности относятся царапины, ямки, полосы, вздутия и т. д. Основными мерами профилактики и контроля являются:
Улучшите металлургическое качество заготовок, чтобы уменьшить дефекты литья, такие как поры и включения.
Регулярно обслуживайте экструзионный контейнер и матрицу, очищайте поверхность от мусора и алюминиевой стружки, а также поддерживайте опорную площадку матрицы в зеркальном состоянии.
Оптимизируйте соответствие скорости и температуры экструзии, чтобы избежать разрывов поверхности, вызванных чрезмерной скоростью потока металла.
Оптимизируйте структуру транспортировки разгрузочного стола и охлаждающего стола, чтобы уменьшить механические царапины.
4. Коррозионная стойкость и контроль электропроводности.
Коррозионная стойкость: снижает склонность к электрохимической коррозии за счет контроля однородности зернистой структуры и уменьшения крупных вторых фаз; в сочетании с обработкой поверхности, такой как анодирование и электрофоретическое покрытие, можно значительно улучшить устойчивость к солевому туману и кислотно-щелочную стойкость.
Электропроводность: Для алюминиевых профилей по электропроводности необходимо контролировать содержание примесных элементов и уменьшать искажения решетки; в то же время избегайте огрубления второй фазы, вызванного старением, чтобы обеспечить баланс между проводимостью и прочностью.
IV. Распространенные дефекты качества и решения по их предотвращению
| Тип дефекта | Основная причина | Решение для профилактики и контроля |
|---|---|---|
| Поверхностные волдыри/шелушение | Поры и усадочные полости в заготовках; остаточное масло или алюминиевая стружка в экструзионном контейнере | Улучшить качество литья заготовок; очистите экструзионную емкость и матрицу перед экструзией; контролировать температуру нагрева заготовки, чтобы избежать пережога |
| Крупнозернистое кольцо/укрупнение зерна | Чрезмерно высокая температура экструзии; слишком маленький коэффициент экструзии; недостаточная степень деформации | Уменьшите температуру заготовки и матрицы; увеличить степень экструзии; оптимизировать скорость экструзии для предотвращения роста рекристаллизационных зерен |
| Неквалифицированные механические свойства | Недостаточная скорость закалочного охлаждения; отклонение режима старения; разделение состава | Увеличить интенсивность закалочного охлаждения; откалибровать однородность температуры печи старения; обеспечить достаточную гомогенизацию заготовки |
| Скручивание/изгиб профиля | Необоснованная конструкция опорной площадки штампа; неравномерность подачи металла; неправильное выпрямление растяжки | Оптимизировать иллюминаторы штампов и опорные площадки; регулировать температуру и скорость экструзии; точно контролировать величину и направление растяжения |
| Царапины на поверхности/следы перетаскивания | Износ опорной площадки штампа; твердые выступы на разгрузочном столе и охлаждающем столе | Регулярно полируйте или заменяйте матрицы; очистить контактные поверхности конвейерного оборудования; оптимизировать структуру направляющей разгрузки |
V. Тенденции развития отраслевых технологий
С ростом спроса со стороны высокотехнологичного перерабатывающего производства технология экструзии алюминия продолжает развиваться в направлении высокой точности, высокой производительности, низкой карбонизации и интеллекта.
Комплексная экструзия больших и сложных поперечных сеченийСпрос со стороны таких областей, как шасси новых энергетических транспортных средств и кузова железнодорожных вагонов, способствует популяризации крупнотоннажных экструдеров грузоподъемностью 10 000 тонн, обеспечивающих комплексное формование больших тонкостенных, пористых полых профилей и профилей сложного поперечного сечения, заменяющих традиционную сварную сборку, а также повышающих прочность конструкции и уровень легкости.
Технология экструзии высокопрочных и высокопрочных сплавовПрорыв в технологии экструзии высокопрочных алюминиевых сплавов 7ххх, 2ххх и алюминиево-литиевых сплавов поддерживает спрос на легкий вес для аэрокосмической отрасли и транспортных средств, работающих на новых источниках энергии. Основные трудности заключаются в контроле деформационного растрескивания и повышении однородности микроструктуры. Непрямая экструзия, изотермическая экструзия, градиентный нагрев и другие технологии стали стандартными конфигурациями.
Интеллектуальные экструзионные производственные линииБлагодаря цифровому двойнику, онлайн-измерению инфракрасной температуры, визуальному контролю размеров и другим технологиям реализуется замкнутый цикл управления параметрами экструзии в режиме реального времени; В сочетании с алгоритмом искусственного интеллекта для оптимизации конструкции штампа и согласования параметров процесса количество ручных проб и ошибок сокращается, а производительность и эффективность производства значительно повышаются.
Экологически чистый и низкоуглеродистый процесс экструзииПродвижение энергосберегающих технологий, таких как электромагнитный индукционный нагрев и утилизация отходящего тепла, для снижения потребления энергии в процессе экструзии; разработать процессы экструзии с коротким потоком, отменить звено повторного нагрева заготовок и напрямую использовать отходящее тепло литья для экструзии, что может снизить общее потребление энергии более чем на 30%.
