Aluminium extrusieproces en prestatiecontrole: technische kennis van de industrie

Aluminiumextrusie is een kernproces voor het vormen van kunststof in de keten van de aluminiumverwerkende industrie. Het produceert architecturale en industriële profielen met vooraf gedefinieerde vormen en afmetingen in de dwarsdoorsnede door axiale druk uit te oefenen op knuppels van aluminiumlegeringen om ze door matrijsholten te dwingen. Dit proces kenmerkt zich door een hoog materiaalgebruik, een hoge vormefficiëntie en een dichte productmicrostructuur. De producten worden veel gebruikt in de bouw, spoorwegvervoer, nieuwe energievoertuigen, elektrische en elektronische apparatuur, ruimtevaart en andere gebieden. De afstemming van extrusieprocesparameters en procescontrole bepaalt rechtstreeks de microstructuur, mechanische eigenschappen, maatnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit van geëxtrudeerde profielen, wat een geconcentreerde weerspiegeling is van de technische kerncapaciteiten van aluminiumverwerkende bedrijven.

I. Kernextrusieprocesstroom en belangrijkste verbindingen

Aluminiumextrusie is een systematisch proces met samenwerking tussen meerdere processen, dat kan worden onderverdeeld in drie fasen: voorbehandeling van knuppels, extrusievorming en behandeling na extrusie. De procesprecisie van elke schakel bepaalt mede de kwaliteit van het eindproduct.

1. Voorbehandelingsproces van knuppels

(1) Homogenisatiebehandeling

Tijdens semi-continu gieten zijn blokken van aluminiumlegeringen gevoelig voor microstructuurdefecten zoals intragranulaire segregatie, grove tweede fasen en geconcentreerde interne spanning. Directe extrusie zal leiden tot ongelijkmatige vervormingsweerstand, slechte oppervlaktekwaliteit en grote prestatieschommelingen. De homogenisatiebehandeling houdt in dat de knuppel wordt verwarmd tot een temperatuur onder de soliduslijn en deze gedurende een lange tijd wordt vastgehouden (voor legeringen uit de 6xxx-serie, meestal 540 ~ 580 graden, 4 ~ 12 uur). Het elimineert samenstellingssegregatie door atomaire diffusie, en lost grove intermetallische verbindingen op en precipiteert, waardoor de plasticiteit en vervormingsuniformiteit van de knuppel aanzienlijk worden verbeterd, wat een voorwaarde is voor het garanderen van de extrusiekwaliteit.

(2) Voorverwarmen van knuppels en matrijzen

De verwarmingstemperatuur van de knuppel moet worden ingesteld volgens het legeringssysteem: 460 ~ 530 graden voor 6xxx gesmeed aluminiumlegeringen, en 400 ~ 480 graden voor 7xxx aluminiumlegeringen met hoge sterkte. Het principe is om een ​​goede plasticiteit van de legering te garanderen en tegelijkertijd oververbranding te voorkomen. Ondertussen zullen de extrusiecontainer en de matrijs synchroon worden voorverwarmd. De matrijstemperatuur is over het algemeen 10 ~ 30 graden lager dan de knuppeltemperatuur, om de plotselinge toename van de vormweerstand en de thermische schok van de matrijs veroorzaakt door temperatuurdaling te verminderen.

2. Extrusievormproces

Afhankelijk van de metaalvloei- en spanningskenmerken worden reguliere extrusieprocessen onderverdeeld in drie categorieën, die zich aanpassen aan verschillende productpositioneringen:

Directe extrusie: Het meest gebruikte proces. De knuppel beweegt vooruit met de extrusiesteel en de metaalstroomrichting komt overeen met de extrusiesteel. Het beschikt over een eenvoudige bediening en gemakkelijke matrijswissel, maar heeft een grote wrijvingsweerstand op de containerwand en er zijn bepaalde verschillen in microstructuur en eigenschappen tussen de kop en de staart van het profiel.

Indirecte extrusie: De matrijs beweegt synchroon met de extrusiestam. Er is geen relatieve verschuiving tussen het metaal en de extrusiecontainer, wat resulteert in een lage wrijvingsweerstand, uniforme vervorming en lage extrusiekracht. Het is geschikt voor legeringen met hoge sterkte en industriële profielen met hoge precisie, maar de structuur van de apparatuur is complex en de onderhoudskosten zijn hoog.

Isotherme extrusie: Door de axiale temperatuurgradiënt van de knuppel vooraf in te stellen en de extrusiesnelheid in realtime te regelen, wordt de metaaltemperatuur in de vervormingszone constant gehouden. Het lost de koppelingstegenstelling tussen snelheid en temperatuur volledig op en realiseert uniforme microstructuur en eigenschappen over de volledige lengte van het profiel. Het is het reguliere proces voor hoogwaardige industriële profielen.

De kernparameter van het extrusieproces is deextrusie verhouding(de verhouding van het dwarsdoorsnedeoppervlak van de extrusiecontainer tot het dwarsdoorsnedeoppervlak van het profiel), dat de mate van vervorming weerspiegelt. De extrusieverhouding van architecturale profielen is gewoonlijk 20 ~ 50, en die van industriële structurele profielen kan 50 ~ 100 bereiken. Een onvoldoende extrusieverhouding zal leiden tot een zwak korrelverfijningseffect en een lage sterkte, terwijl een overmatige verhouding wordt beperkt door het tonnage van de apparatuur en de matrijssterkte.

3. Behandelingsproces na extrusie

(1) Online blussen

De temperatuur van het profiel dat de matrijs verlaat, ligt dicht bij de temperatuur van de oplossingsbehandeling, dus het moet onmiddellijk worden gekoeld en geblust om de legeringselementen in een oververzadigde toestand in de aluminiummatrix te laten oplossen, waardoor omstandigheden worden gecreëerd voor daaropvolgende verouderingsversterking. Koelmethoden zijn onderverdeeld in drie categorieën: luchtkoeling, watermistkoeling en waterkoeling, overeenkomend met verschillende producttemperaturen:

T5 temperatuur: Door gebruik te maken van luchtkoeling of watermistkoeling met een gematigde koelsnelheid, gecombineerd met daaropvolgende kunstmatige veroudering, heeft het een goede vormnauwkeurigheid en wordt het veel gebruikt in architecturale decoratieve profielen.

T6 temperatuur: Door gebruik te maken van warm water of sterke watermistblussing met een snelle afkoelsnelheid en voldoende oplossingsbehandeling, heeft het een hogere sterkte na veroudering en wordt het gebruikt voor dragende industriële profielen.

De afkoelsnelheid moet overeenkomen met de samenstelling van de legering: onvoldoende koeling zal leiden tot voortijdige neerslag van de tweede fase en het verouderingsversterkende effect verminderen; overmatige koeling zal gemakkelijk grote interne spanningen veroorzaken, waardoor vervorming en barsten van het profiel ontstaan.

(2) Stretchen en afwerken

Het uitgedoofde profiel vertoont restinterne spanningen en buig-/draaifouten. Een trekvervorming van 0,5%~2% wordt toegepast door een brancard om spanning te elimineren en de rechtheid en maatnauwkeurigheid te corrigeren. Daarna worden het zagen op vaste lengte, kunstmatige veroudering en oppervlaktebehandeling (anodiseren, elektroforetisch coaten, poedercoaten, etc.) naar behoefte uitgevoerd.

(3) Kunstmatige veroudering

Kunstmatige veroudering is het kernproces van het verwarmen van het profiel tot een bepaalde temperatuur en het vasthouden ervan, zodat de oververzadigde vaste oplossing versterkingsfasen op nanoschaal neerslaat, waardoor de sterkte aanzienlijk wordt verbeterd. Typische processen zijn onder meer: ​​T5-veroudering van 6063-legering bij 170 ~ 180 graden gedurende 6 ~ 8 uur; T6-veroudering van 6061-legering bij 175 graden gedurende 8 ~ 10 uur. De nauwkeurige controle van de verouderingstemperatuur en -tijd is het belangrijkste middel om de afstemming van sterkte en plasticiteit aan te passen.

II. Mechanisme van procesparameters voor microstructuur en eigenschappen

Het extrusieproces is een heet vervormingsproces met multi-veldkoppeling van temperatuur, snelheid en vervorming. Procesparameters bepalen uiteindelijk de microstructuur en eigenschappen van het profiel door het herkristallisatiegedrag en de precipitatietoestand van de tweede fase te veranderen.

1. Temperatuurparameter

Het verhogen van de knuppeltemperatuur zal de plasticiteit van de legering verbeteren en de vervormingsweerstand verminderen, wat bevorderlijk is voor het vormen van complexe dwarsdoorsneden. Wanneer de temperatuur echter de kritische waarde overschrijdt, zal dit vergroving van de korrels, overmatige herkristallisatie en zelfs oververbrandingsdefecten veroorzaken, wat leidt tot een klifachtige achteruitgang van de mechanische eigenschappen. Tegelijkertijd wordt het plastische vervormingswerk tijdens de extrusie omgezet in warmte, waardoor de matrijsuitlaattemperatuur van het profiel aanzienlijk hoger wordt dan de initiële knuppeltemperatuur. Hoe sneller de extrusiesnelheid, hoe duidelijker het temperatuurstijgingseffect, wat de kernprobleem is van procesbeheersing.

2. Extrusiesnelheid

De extrusiesnelheid moet dynamisch worden afgestemd op de temperatuur: een te hoge snelheid zal leiden tot geconcentreerde vervormingswarmte, oppervlaktedefecten zoals scheuren en sinaasappelschil op het profiel, en een groot temperatuurverschil tussen de kern en het oppervlak, resulterend in ongelijkmatige microstructuur en eigenschappen; een te lage snelheid zal leiden tot een lage productie-efficiëntie, en het profiel blijft lange tijd in de hoge temperatuurzone, wat gevoelig is voor herkristalliseerde korrelgroei. De industrie hanteert over het algemeen de bijpassende strategie van "lage temperatuur + snelle extrusie" of "hoge temperatuur + langzame extrusie", en combineert isothermische extrusietechnologie om het evenwicht tussen efficiëntie en kwaliteit te bereiken.

3. Vervormingsgraad

Volgens de plastische vervormingstheorie zal het verhogen van de extrusieverhouding de dislocatiedichtheid verhogen, dynamische herkristallisatie bevorderen, de korrelstructuur verfijnen en de uitgebreide eigenschappen van sterkte en plasticiteit van het profiel verbeteren. Wanneer de extrusieverhouding kleiner is dan 10, is het korrelverfijningseffect niet duidelijk en kunnen grove korrelringdefecten optreden; Een te hoge extrusieverhouding zal een scherpe toename van de extrusiekracht veroorzaken, die wordt beperkt door het tonnage van de apparatuur en de sterkte van de matrijs.

4. Afschrik- en verouderingsregime

De afkoelsnelheid bepaalt rechtstreeks de mate van oplossingsbehandeling: hoe sneller de afkoelsnelheid, hoe hoger de concentratie van de oververzadigde vaste oplossing, en hoe meer verspreid de versterkingsfasen die na veroudering worden neergeslagen, resulterend in een hogere sterkte. Voor legeringen uit de 6xxx-serie bedraagt ​​de kritische koelsnelheid ongeveer 1~5 graden/s. Beneden deze waarde slaat de Mg2Si-fase vooraf neer en verliest het versterkende effect.

Het verouderingsproces bepaalt de precipitatietoestand van versterkingsfasen: te weinig veroudering leidt tot onvoldoende precipitatie van versterkingsfasen en lage sterkte; piekveroudering bereikt de maximale sterkte maar met verminderde plasticiteit; oververoudering veroorzaakt verruwing van de versterkingsfasen, verminderde sterkte en verbeterde plasticiteit. Het overeenkomstige regime moet worden geselecteerd op basis van de productprestatie-eisen.

III. Nauwkeurige controlemethoden voor kernprestatie-indicatoren

De prestatiecontrole van geëxtrudeerde aluminiumproducten richt zich op vier kerndimensies: mechanische eigenschappen, maatnauwkeurigheid, oppervlaktekwaliteit en corrosieweerstand en elektrische geleidbaarheid.

1. Mechanische eigendomscontrole

Mechanische eigenschappen (treksterkte, vloeigrens, rek na breuk) zijn de kernindicatoren van industriële profielen. Het volledige procesbesturingspad omvat:

Compositiebronbeheer: nauwkeurig het gehalte aan versterkende elementen in de legering controleren, zoals het controleren van het totale gehalte aan Mg en Si en de Mg/Si-verhouding in legeringen uit de 6xxx-serie om voldoende vorming van de Mg₂Si-versterkingsfase te garanderen; Controleer strikt onzuiverheidselementen zoals Fe en Cu om brosse fasen te voorkomen die de plasticiteit verminderen.

Homogenisatie Geschiktheid: Zorg voor een uniforme samenstelling en microstructuur van de knuppel en elimineer lokale prestatieschommelingen.

Extrusieprocesmatching: Controleer een redelijke extrusietemperatuur en extrusieverhouding om voldoende dynamische herkristallisatie en korrelverfijning te garanderen.

Afschrikken-verouderen met gesloten luscontrole: Zorg ervoor dat de afkoelsnelheid aan de norm voldoet en controleer nauwkeurig de temperatuuruniformiteit en de houdtijd van de verouderingsoven om een ​​optimale neerslag van de versterkingsfasen te bereiken.

2. Dimensionale nauwkeurigheidscontrole

De maatnauwkeurigheid van aluminiumprofielen wordt beïnvloed door vele factoren, zoals matrijs, apparatuur en proces. De controlepunten omvatten:

Matrijsafmeting: Gebruik uiterst nauwkeurige bewerking en spiegelpolijsten, ontwerp een redelijke lagerlandlengte en patrijspoortstructuur om het verschil in metaalstroomsnelheid te compenseren.

Procesdimensie: Stabiliseer de extrusietemperatuur en -snelheid om vervorming in de dwarsdoorsnede veroorzaakt door een ongelijkmatige stroomsnelheid te voorkomen; controleer de rekhoeveelheid bij het strekken om maatafwijkingen te voorkomen.

Apparatuurafmetingen: Zorg voor de uitlijningsnauwkeurigheid van de extruder en de rechtheid van de geleiderail om draaien en buigen veroorzaakt door speling van de apparatuur te verminderen.

De maatnauwkeurigheid van hoogwaardige industriële profielen kan de kwaliteit IT6 ~ IT7 bereiken en voldoet aan de eisen van precisieassemblage.

3. Oppervlaktekwaliteitscontrole

Veelvoorkomende oppervlakteproblemen zijn krassen, putjes, strepen, blaren, enz. De belangrijkste preventie- en controlemaatregelen zijn:

Verbeter de metallurgische kwaliteit van knuppels om gietfouten zoals poriën en insluitsels te verminderen.

Onderhoud de extrusiecontainer en de matrijs regelmatig, ruim oppervlakteresten en aluminiumspanen op en houd de matrijslagerland in een spiegelstaat.

Optimaliseer de afstemming van extrusiesnelheid en temperatuur om scheuren van het oppervlak veroorzaakt door een te hoge metaalstroomsnelheid te voorkomen.

Optimaliseer de transportstructuur van de afvoertafel en het koelbed om mechanische krassen te verminderen.

4. Corrosiebestendigheid en controle van elektrische geleidbaarheid

Corrosieweerstand: Verminder de neiging tot elektrochemische corrosie door de uniformiteit van de korrelstructuur te controleren en grove tweede fasen te verminderen; gecombineerd met oppervlaktebehandelingen zoals anodiseren en elektroforetisch coaten kan de zoutsproeibestendigheid en zuur-base-bestendigheid aanzienlijk worden verbeterd.

Elektrische geleidbaarheid: Voor aluminiumprofielen voor elektrische geleiding is het noodzakelijk om het gehalte aan onzuiverheidselementen te controleren en roostervervorming te verminderen; vermijd tegelijkertijd verruwing van de tweede fase veroorzaakt door oververoudering, om het evenwicht tussen geleidbaarheid en sterkte te waarborgen.

IV. Veelvoorkomende kwaliteitsdefecten en preventieoplossingen

V. Trends in de ontwikkeling van industriële technologie

Met de toenemende vraag vanuit hoogwaardige downstream-productie blijft de aluminium-extrusietechnologie evolueren naar hoge precisie, hoge prestaties, lage carbonisatie en intelligentie.

Geïntegreerde extrusie van grote complexe doorsnedenDe vraag vanuit gebieden zoals nieuwe energievoertuigchassis en carrosserieën voor spoorvervoer bevordert de popularisering van extruders met een groot tonnage van 10.000 ton, waardoor geïntegreerde vorming van grote dunwandige, poreuze holle en complexe dwarsdoorsnedeprofielen wordt gerealiseerd, ter vervanging van traditionele lasassemblage, en verbetering van de structurele sterkte en het lichtgewichtniveau.

Extrusietechnologie voor legeringen met hoge sterkte en hoge sterkteDoorbraken in de extrusietechnologie voor 7xxx, 2xxx aluminiumlegeringen met hoge sterkte en aluminium-lithiumlegeringen ondersteunen de lichtgewichtvraag van ruimtevaart- en nieuwe energievoertuigen. De kernproblemen liggen in het beheersen van vervormingsscheuren en het verbeteren van de uniformiteit van de microstructuur. Indirecte extrusie, isotherme extrusie, gradiëntverwarming en andere technologieën zijn standaardconfiguraties geworden.

Intelligente extrusieproductielijnenDoor middel van een digitale tweeling, online infraroodtemperatuurmeting, visuele dimensie-inspectie en andere technologieën, wordt real-time gesloten-luscontrole van extrusieparameters gerealiseerd; gecombineerd met een AI-algoritme om het matrijsontwerp en de afstemming van procesparameters te optimaliseren, worden handmatige vallen en opstaan ​​verminderd en worden de opbrengst en productie-efficiëntie aanzienlijk verbeterd.

Groen en koolstofarm extrusieprocesBevorderen van energiebesparende technologieën zoals elektromagnetische inductieverwarming en restwarmteterugwinning om het energieverbruik tijdens het extrusieproces te verminderen; extrusieprocessen met een korte stroomsnelheid ontwikkelen, de koppeling voor het opnieuw verwarmen van knuppels opheffen en direct gebruik maken van de restwarmte van het gieten voor extrusie, waardoor het totale energieverbruik met meer dan 30% kan worden verminderd.