Processo di estrusione dell'alluminio e controllo delle prestazioni: conoscenze tecniche del settore

L’estrusione dell’alluminio è un processo fondamentale di formatura della plastica nella catena industriale della lavorazione dell’alluminio. Produce profili architettonici e industriali con forme e dimensioni di sezione trasversale predefinite applicando una pressione assiale alle billette in lega di alluminio per forzarle attraverso le cavità dello stampo. Questo processo presenta un elevato utilizzo dei materiali, un'elevata efficienza di formatura e una microstruttura densa del prodotto, e i suoi prodotti sono ampiamente utilizzati nell'edilizia, nel trasporto ferroviario, nei veicoli a nuova energia, nel settore elettrico ed elettronico, nell'aerospaziale e in altri campi. La corrispondenza dei parametri del processo di estrusione e il controllo del processo determinano direttamente la microstruttura, le proprietà meccaniche, l'accuratezza dimensionale e la qualità della superficie dei profili estrusi, che è un riflesso concentrato della capacità tecnica fondamentale delle imprese di lavorazione dell'alluminio.

I. Flusso del processo di estrusione del nucleo e collegamenti chiave

L'estrusione dell'alluminio è un processo sistematico con collaborazione multiprocesso, che può essere suddiviso in tre fasi: pretrattamento della billetta, formatura per estrusione e trattamento post-estrusione. La precisione del processo di ciascun collegamento determina congiuntamente la qualità del prodotto finale.

1. Processo di pretrattamento della billetta

(1) Trattamento di omogeneizzazione

Durante la colata semicontinua, i lingotti in lega di alluminio sono soggetti a difetti microstrutturali come segregazione intragranulare, seconde fasi grossolane e stress interno concentrato. L'estrusione diretta comporterà una resistenza alla deformazione irregolare, una scarsa qualità della superficie e grandi fluttuazioni delle prestazioni. Il trattamento di omogeneizzazione prevede il riscaldamento della billetta a una temperatura inferiore alla linea del solidus e il suo mantenimento per un lungo periodo (per le leghe della serie 6xxx, solitamente 540~580 gradi, mantenimento per 4~12 ore). Elimina la segregazione della composizione attraverso la diffusione atomica e dissolve e precipita i composti intermetallici grossolani, migliorando significativamente la plasticità e l'uniformità di deformazione della billetta, che è il prerequisito per garantire la qualità dell'estrusione.

(2) Preriscaldamento della billetta e dello stampo

La temperatura di riscaldamento della billetta deve essere impostata in base al sistema della lega: 460~530 gradi per le leghe di alluminio lavorato 6xxx e 400~480 gradi per le leghe di alluminio ad alta resistenza 7xxx. Il principio è quello di garantire una buona plasticità della lega evitando la sovracombustione. Nel frattempo, il contenitore di estrusione e la matrice verranno preriscaldati in modo sincrono. La temperatura dello stampo è generalmente inferiore di 10~30 gradi rispetto alla temperatura della billetta, in modo da ridurre l'improvviso aumento della resistenza alla formatura e lo shock termico dello stampo causato dal calo di temperatura.

2. Processo di formatura per estrusione

In base alle caratteristiche di flusso e sollecitazione del metallo, i processi di estrusione tradizionali sono suddivisi in tre categorie, adattandosi al diverso posizionamento del prodotto:

Estrusione diretta: Il processo più utilizzato. La billetta si muove in avanti con lo stelo di estrusione e la direzione del flusso del metallo è coerente con lo stelo di estrusione. Presenta un funzionamento semplice e un comodo cambio dello stampo, ma presenta un'elevata resistenza all'attrito sulla parete del contenitore e sono presenti alcune differenze nella microstruttura e nelle proprietà tra la testa e la coda del profilo.

Estrusione indiretta: La filiera si muove in sincronia con lo stelo di estrusione. Non vi è alcuno scorrimento relativo tra il metallo e il contenitore di estrusione, con conseguente bassa resistenza all'attrito, deformazione uniforme e bassa forza di estrusione. È adatto per leghe ad alta resistenza e profili industriali di alta precisione, ma la struttura dell'attrezzatura è complessa e i costi di manutenzione sono elevati.

Estrusione isotermica: Preimpostando il gradiente termico assiale della billetta e regolando la velocità di estrusione in tempo reale, la temperatura del metallo nella zona di deformazione viene mantenuta costante. Risolve completamente la contraddizione di accoppiamento tra velocità e temperatura e realizza microstruttura e proprietà uniformi su tutta la lunghezza del profilo. È il processo tradizionale per i profili industriali di fascia alta.

Il parametro principale del processo di estrusione è ilrapporto di estrusione(il rapporto tra l'area della sezione trasversale del contenitore di estrusione e l'area della sezione trasversale del profilo), che riflette il grado di deformazione. Il rapporto di estrusione dei profili architettonici è solitamente 20~50, mentre quello dei profili strutturali industriali può raggiungere 50~100. Un rapporto di estrusione insufficiente porterà ad un debole effetto di affinamento del grano e ad una bassa resistenza, mentre un rapporto eccessivo è limitato dal tonnellaggio dell'attrezzatura e dalla resistenza dello stampo.

3. Processo di trattamento post-estrusione

(1) Quenching in linea

La temperatura del profilo in uscita dallo stampo è prossima alla temperatura di trattamento della solubilizzazione, pertanto necessita di essere raffreddato e temprato immediatamente per far sì che gli elementi di lega si dissolvano nella matrice di alluminio in stato sovrasaturo, creando le condizioni per un successivo rafforzamento per invecchiamento. I metodi di raffreddamento sono suddivisi in tre categorie: raffreddamento ad aria, raffreddamento ad acqua nebulizzata e raffreddamento ad acqua, corrispondenti a diverse temperature del prodotto:

T5 Temperamento: Adottando il raffreddamento ad aria o il raffreddamento a nebbia d'acqua con una velocità di raffreddamento moderata, combinato con il successivo invecchiamento artificiale, ha una buona precisione di formatura ed è ampiamente utilizzato nei profili decorativi architettonici.

Temperamento T6: Adottando acqua calda o un forte raffreddamento con acqua nebulizzata con una velocità di raffreddamento rapida e un trattamento sufficiente della soluzione, ha una maggiore resistenza dopo l'invecchiamento e viene utilizzato per profili industriali portanti.

La velocità di raffreddamento deve corrispondere alla composizione della lega: un raffreddamento insufficiente porterà alla precipitazione prematura della seconda fase e ridurrà l'effetto di rafforzamento dell'invecchiamento; un raffreddamento eccessivo genererà facilmente grandi tensioni interne, causando deformazioni e fessurazioni del profilo.

(2) Stiratura e finitura elastica

Il profilo temprato presenta tensioni interne residue e difetti di piegatura/torsione. Una deformazione a trazione dello 0,5%~2% viene applicata da un barella per eliminare lo stress e correggere la rettilineità e l'accuratezza dimensionale. Successivamente vengono eseguiti, a seconda delle esigenze, il taglio a lunghezza fissa, l'invecchiamento artificiale e il trattamento superficiale (anodizzazione, rivestimento elettroforetico, rivestimento a polvere, ecc.).

(3) Invecchiamento artificiale

L'invecchiamento artificiale è il processo principale che consiste nel riscaldare il profilo a una temperatura prestabilita e nel mantenerlo, in modo che la soluzione solida sovrasatura precipiti fasi di rinforzo su scala nanometrica, migliorando significativamente la resistenza. I processi tipici includono: invecchiamento T5 della lega 6063 a 170~180 gradi per 6~8 ore; Invecchiamento T6 della lega 6061 a 175 gradi per 8~10 ore. Il controllo preciso della temperatura e del tempo di invecchiamento è il mezzo fondamentale per regolare la corrispondenza tra resistenza e plasticità.

II. Meccanismo dei parametri di processo su microstruttura e proprietà

Il processo di estrusione è un processo di deformazione a caldo con accoppiamento multicampo di temperatura, velocità e deformazione. I parametri di processo determinano in ultima analisi la microstruttura e le proprietà del profilo modificando il comportamento di ricristallizzazione e lo stato di precipitazione della seconda fase.

1. Parametro di temperatura

L'aumento della temperatura della billetta migliorerà la plasticità della lega e ridurrà la resistenza alla deformazione, il che favorisce la formazione di sezioni trasversali complesse. Tuttavia, quando la temperatura supera il valore critico, ciò causerà un ingrossamento del grano, un'eccessiva ricristallizzazione e persino difetti di combustione eccessiva, portando a un declino vertiginoso delle proprietà meccaniche. Allo stesso tempo, il lavoro di deformazione plastica durante l'estrusione verrà convertito in calore, rendendo la temperatura di uscita dello stampo del profilo significativamente più alta della temperatura iniziale della billetta. Maggiore è la velocità di estrusione, più evidente è l'effetto dell'aumento della temperatura, che rappresenta la difficoltà principale del controllo del processo.

2. Velocità di estrusione

La velocità di estrusione deve essere abbinata dinamicamente alla temperatura: una velocità troppo elevata porterà a calore di deformazione concentrato, difetti superficiali come strappi e buccia d'arancia sul profilo e una grande differenza di temperatura tra il nucleo e la superficie, con conseguente microstruttura e proprietà irregolari; una velocità troppo lenta porterà a una bassa efficienza produttiva e il profilo rimarrà a lungo nella zona ad alta temperatura, che è incline alla crescita del grano ricristallizzato. L'industria generalmente adotta la strategia di abbinamento "bassa temperatura + estrusione rapida" o "alta temperatura + estrusione lenta" e combina la tecnologia di estrusione isotermica per raggiungere l'equilibrio tra efficienza e qualità.

3. Grado di deformazione

Secondo la teoria della deformazione plastica, l'aumento del rapporto di estrusione aumenterà la densità delle dislocazioni, promuoverà la ricristallizzazione dinamica, affinerà la struttura dei grani e migliorerà le proprietà complete di resistenza e plasticità del profilo. Quando il rapporto di estrusione è inferiore a 10, l'effetto di affinamento della grana non è evidente e tendono a verificarsi difetti dell'anello di grana grossa; un rapporto di estrusione eccessivo causerà un forte aumento della forza di estrusione, che è limitata dal tonnellaggio dell'attrezzatura e dalla resistenza dello stampo.

4. Regime di tempra e invecchiamento

La velocità di raffreddamento dell'estinzione determina direttamente il grado di trattamento della soluzione: maggiore è la velocità di raffreddamento, maggiore è la concentrazione della soluzione solida sovrasatura e più disperse sono le fasi di rinforzo precipitate dopo l'invecchiamento, con conseguente maggiore resistenza. Per le leghe della serie 6xxx, la velocità di raffreddamento critica è di circa 1~5 gradi/s. Al di sotto di questo valore la fase Mg₂Si precipita anticipatamente e perde l'effetto rinforzante.

Il processo di invecchiamento determina lo stato di precipitazione delle fasi di rinforzo: il sottoinvecchiamento porta ad una precipitazione insufficiente delle fasi di rinforzo e ad una bassa resistenza; il picco di invecchiamento raggiunge la massima resistenza ma con diminuita plasticità; l'invecchiamento eccessivo provoca l'ingrossamento delle fasi di rinforzo, una riduzione della resistenza e una migliore plasticità. Il regime corrispondente sarà selezionato in base ai requisiti di prestazione del prodotto.

III. Metodi di controllo precisi per gli indicatori chiave di prestazione

Il controllo delle prestazioni dei prodotti estrusi in alluminio si concentra su quattro dimensioni fondamentali: proprietà meccaniche, precisione dimensionale, qualità della superficie, resistenza alla corrosione e conduttività elettrica.

1. Controllo delle proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche (resistenza alla trazione, resistenza allo snervamento, allungamento dopo frattura) sono gli indicatori principali dei profili industriali. Il percorso di controllo completo del processo include:

Controllo del codice sorgente della composizione: controllare con precisione il contenuto degli elementi rinforzanti nella lega, ad esempio controllando il contenuto totale di Mg e Si e il rapporto Mg/Si nelle leghe della serie 6xxx per garantire una formazione sufficiente della fase di rinforzo Mg₂Si; controllare rigorosamente gli elementi impuri come Fe e Cu per evitare che fasi fragili riducano la plasticità.

Adeguatezza dell'omogeneizzazione: Garantire composizione e microstruttura uniformi della billetta ed eliminare le fluttuazioni locali delle prestazioni.

Abbinamento del processo di estrusione: Controllare la temperatura di estrusione e il rapporto di estrusione ragionevoli per garantire una ricristallizzazione dinamica e un affinamento del grano sufficienti.

Controllo a circuito chiuso dell'invecchiamento e dell'estinzione: Garantire che la velocità di raffreddamento di raffreddamento soddisfi lo standard e controllare con precisione l'uniformità della temperatura e il tempo di mantenimento del forno di invecchiamento per ottenere una precipitazione ottimale delle fasi di rafforzamento.

2. Controllo della precisione dimensionale

La precisione dimensionale dei profili in alluminio è influenzata da molti fattori quali stampo, attrezzatura e processo. I punti di controllo includono:

Dimensione dello stampo: adottare una lavorazione di alta precisione e una lucidatura a specchio, progettare una lunghezza ragionevole del terreno del cuscinetto e una struttura a oblò per compensare la differenza nella velocità del flusso del metallo.

Dimensione del processo: stabilizzare la temperatura e la velocità di estrusione per evitare la deformazione della sezione trasversale causata da una portata irregolare; controllare la quantità di allungamento del raddrizzamento allungato per evitare deviazioni dimensionali.

Dimensioni dell'attrezzatura: garantire la precisione dell'allineamento dell'estrusore e la rettilineità del binario di guida per ridurre torsioni e piegature causate dallo spazio dell'attrezzatura.

L'accuratezza dimensionale dei profili industriali di fascia alta può raggiungere il grado IT6~IT7, soddisfacendo i requisiti di assemblaggio di precisione.

3. Controllo della qualità della superficie

I problemi superficiali più comuni includono graffi, cavità, striature, bolle, ecc. Le principali misure di prevenzione e controllo sono:

Migliorare la qualità metallurgica delle billette per ridurre i difetti di fusione come pori e inclusioni.

Mantenere regolarmente il contenitore di estrusione e la matrice, pulire i detriti superficiali e i trucioli di alluminio e mantenere il terreno dei cuscinetti della matrice in uno stato speculare.

Ottimizza la corrispondenza tra velocità di estrusione e temperatura per evitare lacerazioni superficiali causate da un'eccessiva portata del metallo.

Ottimizza la struttura di trasporto della tavola di scarico e del letto di raffreddamento per ridurre i graffi meccanici.

4. Resistenza alla corrosione e controllo della conduttività elettrica

Resistenza alla corrosione: ridurre la tendenza alla corrosione elettrochimica controllando l'uniformità della struttura del grano e riducendo le seconde fasi grossolane; combinato con trattamenti superficiali come anodizzazione e rivestimento elettroforetico, la resistenza alla nebbia salina e la resistenza acido-base possono essere notevolmente migliorate.

Conduttività elettrica: per i profili in alluminio destinati alla conduzione elettrica, è necessario controllare il contenuto di impurità e ridurre la distorsione del reticolo; allo stesso tempo, evitare l'ingrossamento della seconda fase causato da un eccessivo invecchiamento, in modo da garantire l'equilibrio tra conduttività e resistenza.

IV. Difetti di qualità comuni e soluzioni di prevenzione

V. Tendenze dello sviluppo tecnologico del settore

Con l’aumento della domanda da parte della produzione downstream di fascia alta, la tecnologia di estrusione dell’alluminio continua ad evolversi verso alta precisione, alte prestazioni, bassa carbonizzazione e intelligenza.

Estrusione integrata di sezioni trasversali complesse di grandi dimensioniLa domanda proveniente da settori quali i telai dei veicoli ad energia rinnovabile e le carrozzerie dei vagoni ferroviari promuove la diffusione di estrusori di grande tonnellaggio da 10.000 tonnellate, realizzando la formatura integrata di grandi profili cavi a parete sottile, cavi porosi e a sezione trasversale complessa, sostituendo il tradizionale gruppo di saldatura e migliorando la resistenza strutturale e il livello di leggerezza.

Tecnologia di estrusione per leghe ad alta resistenza ed elevata tenacitàLe scoperte rivoluzionarie nella tecnologia di estrusione per le leghe di alluminio ad alta resistenza 7xxx, 2xxx e le leghe di alluminio-litio supportano la domanda di leggerezza dei veicoli aerospaziali e delle nuove energie. Le difficoltà principali risiedono nel controllo delle fessurazioni per deformazione e nel miglioramento dell'uniformità della microstruttura. L'estrusione indiretta, l'estrusione isotermica, il riscaldamento gradiente e altre tecnologie sono diventate configurazioni standard.

Linee di produzione di estrusione intelligentiAttraverso il gemello digitale, la misurazione della temperatura a infrarossi online, l'ispezione visiva delle dimensioni e altre tecnologie, viene realizzato il controllo a circuito chiuso in tempo reale dei parametri di estrusione; combinato con l'algoritmo AI per ottimizzare la progettazione dello stampo e la corrispondenza dei parametri di processo, si riducono tentativi ed errori manuali e la resa e l'efficienza produttiva sono notevolmente migliorate.

Processo di estrusione verde e a basso contenuto di carbonioPromuovere tecnologie di risparmio energetico come il riscaldamento a induzione elettromagnetica e il recupero del calore di scarto per ridurre il consumo di energia nel processo di estrusione; sviluppare processi di estrusione a flusso breve, annullare il collegamento di riscaldamento delle billette e utilizzare direttamente il calore di scarto della fusione per l'estrusione, il che può ridurre il consumo energetico complessivo di oltre il 30%.