Proces extrúzie hliníka a kontrola výkonu: Technické znalosti odvetvia

Extrúzia hliníka je základným procesom tvárnenia plastov v reťazci priemyslu spracovania hliníka. Vyrába architektonické a priemyselné profily s preddefinovanými tvarmi a rozmermi prierezu aplikovaním axiálneho tlaku na predvalky z hliníkovej zliatiny, aby sa pretlačili cez dutiny formy. Tento proces sa vyznačuje vysokým využitím materiálu, vysokou účinnosťou tvárnenia a hustou mikroštruktúrou produktu a jeho produkty sú široko používané v stavebníctve, železničnej doprave, nových energetických vozidlách, elektrotechnike a elektronike, letectve a iných oblastiach. Zosúladenie parametrov procesu extrúzie a riadenia procesu priamo určuje mikroštruktúru, mechanické vlastnosti, rozmerovú presnosť a kvalitu povrchu extrudovaných profilov, čo je koncentrovaným odrazom základnej technickej spôsobilosti podnikov na spracovanie hliníka.

I. Priebeh procesu vytláčania jadra a kľúčové prepojenia

Extrúzia hliníka je systematický proces s multiprocesnou spoluprácou, ktorý možno rozdeliť do troch etáp: predúprava predvalkov, tvarovanie extrúziou a úprava po extrúzii. Presnosť procesu každého spoja spoločne určuje kvalitu konečného produktu.

1. Proces predbežnej úpravy predvalkov

(1) Homogenizačná úprava

Počas polokontinuálneho liatia sú ingoty z hliníkovej zliatiny náchylné na defekty mikroštruktúry, ako je intragranulárna segregácia, hrubé druhé fázy a koncentrované vnútorné napätie. Priama extrúzia povedie k nerovnomernému odporu proti deformácii, zlej kvalite povrchu a veľkým výkyvom výkonu. Homogenizačné spracovanie zahŕňa zahriatie polotovaru na teplotu pod čiarou solidus a jeho dlhodobé udržiavanie (pre zliatiny série 6xxx, zvyčajne 540 ~ 580 stupňov, udržiavanie 4 ~ 12 hodín). Odstraňuje segregáciu zloženia prostredníctvom atómovej difúzie a rozpúšťa a zráža hrubé intermetalické zlúčeniny, čím sa výrazne zlepšuje plasticita a deformačná rovnomernosť predvalku, čo je predpokladom pre zabezpečenie kvality vytláčania.

(2) Predhrievanie predvalkov a matrice

Teplota ohrevu predvalkov sa nastaví podľa systému zliatin: 460 ~ 530 stupňov pre 6xxx tvárnené hliníkové zliatiny a 400 ~ 480 stupňov pre 7xxx vysokopevnostné hliníkové zliatiny. Princípom je zabezpečiť dobrú plasticitu zliatiny a zároveň zabrániť prepáleniu. Medzitým sa extrúzna nádoba a matrica musia predhrievať synchrónne. Teplota matrice je vo všeobecnosti o 10 ~ 30 stupňov nižšia ako teplota predvalkov, aby sa znížilo náhle zvýšenie odolnosti proti tvarovaniu a tepelný šok matrice spôsobený poklesom teploty.

2. Proces tvarovania vytláčaním

Podľa charakteristík toku kovu a napätia sú hlavné procesy extrúzie rozdelené do troch kategórií, ktoré sa prispôsobujú rôznym polohám produktu:

Priama extrúzia: Najpoužívanejší proces. Predvalok sa pohybuje dopredu s vytláčacou stopkou a smer toku kovu je konzistentný s vytláčacou stopkou. Vyznačuje sa jednoduchou obsluhou a pohodlnou výmenou matrice, ale má veľký trecí odpor na stene nádoby a existujú určité rozdiely v mikroštruktúre a vlastnostiach medzi hlavou a koncom profilu.

Nepriama extrúzia: Forma sa pohybuje synchrónne s driekom vytláčania. Medzi kovom a extrúznou nádobou nedochádza k žiadnemu relatívnemu kĺzaniu, čo má za následok nízky odpor trenia, rovnomernú deformáciu a nízku extrúznu silu. Je vhodný pre vysokopevnostné zliatiny a vysoko presné priemyselné profily, ale štruktúra zariadenia je zložitá a náklady na údržbu sú vysoké.

Izotermická extrúzia: Prednastavením axiálneho teplotného gradientu predvalku a reguláciou rýchlosti extrúzie v reálnom čase sa teplota kovu v deformačnej zóne udržiava konštantná. Úplne rieši rozpor spojenia medzi rýchlosťou a teplotou a realizuje rovnomernú mikroštruktúru a vlastnosti po celej dĺžke profilu. Je to hlavný proces pre špičkové priemyselné profily.

Hlavným parametrom procesu extrúzie jeextrúzny pomer(pomer plochy prierezu extrúznej nádoby k ploche prierezu profilu), ktorý odráža stupeň deformácie. Pomer vytláčania architektonických profilov je zvyčajne 20 ~ 50 a pomer priemyselných konštrukčných profilov môže dosiahnuť 50 ~ 100. Nedostatočný pomer vytláčania povedie k slabému efektu zjemnenia zrna a nízkej pevnosti, zatiaľ čo nadmerný pomer je obmedzený tonážou zariadenia a pevnosťou lisovnice.

3. Proces úpravy po pretlačovaní

(1) On-line kalenie

Teplota profilu na výstupe z matrice je blízka teplote spracovania roztoku, preto je potrebné ho ihneď ochladiť a ochladzovať, aby sa zliatinové prvky rozpustili v hliníkovej matrici v presýtenom stave, čím sa vytvorili podmienky pre následné spevnenie starnutím. Spôsoby chladenia sú rozdelené do troch kategórií: chladenie vzduchom, chladenie vodnou hmlou a chladenie vodou, ktoré zodpovedajú rôznym teplotám produktov:

T5 Temper: Prijatie chladenia vzduchom alebo chladenia vodnou hmlou s miernou rýchlosťou chladenia v kombinácii s následným umelým starnutím má dobrú presnosť tvarovania a je široko používané v architektonických dekoratívnych profiloch.

T6 Temper: Prijatie teplej vody alebo silnej vodnej hmly kalenie s rýchlou rýchlosťou chladenia a dostatočnou úpravou roztoku, má vyššiu pevnosť po starnutí a používa sa na nosné priemyselné profily.

Rýchlosť ochladzovania musí zodpovedať zloženiu zliatiny: nedostatočné ochladzovanie povedie k predčasnému vyzrážaniu druhej fázy a zníži účinok zosilňovania starnutia; nadmerné ochladzovanie ľahko vytvorí veľké vnútorné napätie, ktoré spôsobí deformáciu a praskanie profilu.

(2) Narovnávanie a konečná úprava

Kalený profil má zvyškové vnútorné napätie a chyby v ohybe/krútení. Ťahová deformácia 0,5 % ~ 2 % je aplikovaná napínačom, aby sa eliminovalo napätie a správna rovnosť a rozmerová presnosť. Potom sa podľa požiadaviek vykonáva pílenie s pevnou dĺžkou, umelé starnutie a povrchová úprava (eloxovanie, elektroforetické lakovanie, práškové lakovanie atď.).

(3) Umelé starnutie

Umelé starnutie je základným procesom zahrievania profilu na nastavenú teplotu a jeho udržiavania, takže presýtený tuhý roztok vyzráža fázy spevňovania v nanoúrovni, čím sa výrazne zvyšuje pevnosť. Typické procesy zahŕňajú: starnutie T5 zliatiny 6063 pri 170~180 stupňoch počas 6~8 hodín; Starnutie T6 zliatiny 6061 pri 175 stupňoch počas 8 ~ 10 hodín. Presná kontrola teploty a času starnutia je základným prostriedkom na nastavenie zosúladenia pevnosti a plasticity.

II. Mechanizmus procesných parametrov na mikroštruktúru a vlastnosti

Proces extrúzie je proces deformácie za horúca s viacpoľovou väzbou teploty, rýchlosti a deformácie. Procesné parametre v konečnom dôsledku určujú mikroštruktúru a vlastnosti profilu zmenou rekryštalizačného správania a precipitačného stavu druhej fázy.

1. Parameter teploty

Zvýšením teploty predvalkov sa zlepší plasticita zliatiny a zníži sa deformačný odpor, čo vedie k vytváraniu zložitých prierezov. Keď však teplota prekročí kritickú hodnotu, spôsobí to zhrubnutie zrna, nadmernú rekryštalizáciu a dokonca defekty prepálenia, čo vedie k poklesu mechanických vlastností v tvare útesu. Súčasne sa plastická deformačná práca počas vytláčania premení na teplo, čím sa výstupná teplota profilu výrazne zvýši ako počiatočná teplota predvalkov. Čím vyššia je rýchlosť vytláčania, tým zreteľnejší je efekt zvýšenia teploty, čo je základná obtiažnosť riadenia procesu.

2. Rýchlosť vytláčania

Rýchlosť vytláčania musí byť dynamicky prispôsobená teplote: príliš vysoká rýchlosť povedie ku koncentrovanému deformačnému teplu, povrchovým defektom, ako je roztrhnutie a pomarančová kôra na profile, a veľký teplotný rozdiel medzi jadrom a povrchom, čo bude mať za následok nerovnomernú mikroštruktúru a vlastnosti; príliš nízka rýchlosť povedie k nízkej efektivite výroby a profil zostane dlhý čas v zóne vysokej teploty, ktorá je náchylná na rast rekryštalizovaných zŕn. Priemysel vo všeobecnosti prijíma stratégiu „nízka teplota + rýchle vytláčanie“ alebo „vysoká teplota + pomalé vytláčanie“ a kombinuje technológiu izotermického vytláčania na dosiahnutie rovnováhy medzi účinnosťou a kvalitou.

3. Stupeň deformácie

Podľa teórie plastickej deformácie zvýšenie extrúzneho pomeru zvýši hustotu dislokácie, podporí dynamickú rekryštalizáciu, zjemní štruktúru zŕn a zlepší komplexné vlastnosti pevnosti a plasticity profilu. Keď je pomer vytláčania menší ako 10, efekt zjemnenia zrna nie je zrejmý a sú náchylné na výskyt defektov hrubého zrna; nadmerný pomer vytláčania spôsobí prudké zvýšenie vytláčacej sily, ktorá je obmedzená tonážou zariadenia a pevnosťou lisovnice.

4. Režim kalenia a starnutia

Rýchlosť chladenia kalením priamo určuje stupeň spracovania roztoku: čím vyššia je rýchlosť chladenia, tým vyššia je koncentrácia presýteného tuhého roztoku a tým viac rozptýlené spevňovacie fázy sa vyzrážajú po starnutí, čo vedie k vyššej pevnosti. Pre zliatiny série 6xxx je kritická rýchlosť chladenia približne 1~5 stupňov/s. Pod touto hodnotou sa fáza Mg₂Si vopred vyzráža a stráca spevňujúci účinok.

Proces starnutia určuje stav precipitácie spevňujúcich fáz: nedostatočné starnutie vedie k nedostatočnému vyzrážaniu spevňujúcich fáz a nízkej pevnosti; vrchol starnutia dosahuje maximálnu pevnosť, ale so zníženou plasticitou; nadmerné starnutie spôsobuje zhrubnutie spevňujúcich fáz, zníženie pevnosti a zlepšenie plasticity. Zodpovedajúci režim sa vyberie podľa požiadaviek na výkon výrobku.

III. Presné metódy kontroly základných ukazovateľov výkonnosti

Kontrola výkonu hliníkových extrudovaných výrobkov sa zameriava na štyri hlavné rozmery: mechanické vlastnosti, rozmerová presnosť, kvalita povrchu a odolnosť proti korózii a elektrická vodivosť.

1. Kontrola mechanických vlastností

Mechanické vlastnosti (pevnosť v ťahu, medza klzu, predĺženie po pretrhnutí) sú hlavnými ukazovateľmi priemyselných profilov. Cesta úplného riadenia procesu zahŕňa:

Ovládanie zdroja kompozície: Presná kontrola obsahu spevňujúcich prvkov v zliatine, ako je kontrola celkového obsahu Mg a Si a pomeru Mg/Si v zliatinách radu 6xxx, aby sa zabezpečila dostatočná tvorba spevňujúcej fázy Mg2Si; prísne kontrolovať prvky nečistôt, ako je Fe a Cu, aby sa predišlo krehkým fázam znižujúcim plasticitu.

Adekvátnosť homogenizácie: Zabezpečte jednotné zloženie a mikroštruktúru predvalku a eliminujte lokálne výkyvy výkonu.

Priraďovanie procesu vytláčania: Kontrolujte primeranú extrúznu teplotu a extrúzny pomer, aby ste zabezpečili dostatočnú dynamickú rekryštalizáciu a zjemnenie zrna.

Riadenie s uzavretou slučkou kalenia a starnutia: Zabezpečte, aby rýchlosť chladenia pri kalení spĺňala normu, a presne kontrolujte rovnomernosť teploty a čas zdržania pece na starnutie, aby sa dosiahlo optimálne vyzrážanie fáz spevňovania.

2. Kontrola rozmerovej presnosti

Rozmerová presnosť hliníkových profilov je ovplyvnená mnohými faktormi, ako sú matrica, vybavenie a proces. Kontrolné body zahŕňajú:

Rozmery matrice: Prijmite vysoko presné obrábanie a zrkadlové leštenie, navrhnite primeranú dĺžku ložiska a štruktúru otvoru, aby ste kompenzovali rozdiel v rýchlosti toku kovu.

Rozmer procesu: Stabilizácia teploty a rýchlosti vytláčania, aby sa zabránilo deformácii prierezu spôsobenej nerovnomerným prietokom; ovládajte množstvo napínania narovnávania, aby ste zabránili rozmerovej odchýlke.

Rozmery zariadenia: Zabezpečte presnosť zarovnania extrudéra a priamosť vodiacej koľajnice, aby ste znížili krútenie a ohýbanie spôsobené vôľou zariadenia.

Rozmerová presnosť špičkových priemyselných profilov môže dosiahnuť stupeň IT6 ~ IT7, čo spĺňa požiadavky na presnú montáž.

3. Kontrola kvality povrchu

Bežné problémy s povrchom zahŕňajú škrabance, jamky, pruhy, pľuzgiere atď. Základné preventívne a kontrolné opatrenia sú:

Zlepšite metalurgickú kvalitu predvalkov, aby ste znížili chyby odlievania, ako sú póry a inklúzie.

Pravidelne udržiavajte vytláčaciu nádobu a matricu, čistite povrchové úlomky a hliníkové triesky a udržiavajte plochu ložiska matrice v zrkadlovom stave.

Optimalizujte prispôsobenie rýchlosti vytláčania a teploty, aby ste predišli trhaniu povrchu spôsobenému nadmerným prietokom kovu.

Optimalizujte dopravnú štruktúru vynášacieho stola a chladiaceho lôžka, aby ste znížili mechanické škrabance.

4. Kontrola odolnosti proti korózii a elektrickej vodivosti

Odolnosť proti korózii: Znížte tendenciu elektrochemickej korózie riadením rovnomernosti štruktúry zŕn a znížením hrubých druhých fáz; v kombinácii s povrchovými úpravami, ako je eloxovanie a elektroforetické nanášanie, je možné výrazne zlepšiť odolnosť proti soľnému postreku a acidobázickú odolnosť.

Elektrická vodivosť: Pri hliníkových profiloch na elektrické vedenie je potrebné kontrolovať obsah prímesových prvkov a znižovať skreslenie mriežky; zároveň sa vyhnite zhrubnutiu druhej fázy spôsobenému nadmerným starnutím, aby sa zabezpečila rovnováha medzi vodivosťou a pevnosťou.

IV. Bežné chyby kvality a riešenia prevencie

V. Trendy rozvoja priemyselných technológií

So zvyšujúcim sa dopytom po špičkovej nadväzujúcej výrobe sa technológia vytláčania hliníka naďalej vyvíja smerom k vysokej presnosti, vysokému výkonu, nízkej karbonizácii a inteligencii.

Integrované vytláčanie veľkých zložitých prierezovDopyt z oblastí, ako sú podvozky nových energetických vozidiel a karosérie koľajových vozidiel, podporuje popularizáciu 10 000-tonových veľkotonážnych extrudérov, realizujúcich integrované tvarovanie veľkých tenkostenných, pórovitých dutých a zložitých profilov prierezu, ktoré nahrádzajú tradičné zváracie zostavy a zlepšujú štrukturálnu pevnosť a úroveň nízkej hmotnosti.

Technológia extrúzie pre vysokopevnostné a vysokopevnostné zliatinyPrelomy v technológii vytláčania pre vysokopevnostné hliníkové zliatiny 7xxx, 2xxx a hliníkovo-lítiové zliatiny podporujú dopyt po nízkej hmotnosti leteckých a nových energetických vozidiel. Ťažkosti jadra spočívajú v riadení deformačného praskania a zlepšovaní jednotnosti mikroštruktúry. Nepriama extrúzia, izotermická extrúzia, gradientový ohrev a ďalšie technológie sa stali štandardnými konfiguráciami.

Inteligentné extrúzne výrobné linkyProstredníctvom digitálneho dvojčaťa, on-line infračerveného merania teploty, vizuálnej kontroly rozmerov a ďalších technológií sa realizuje riadenie parametrov vytláčania v uzavretej slučke v reálnom čase; v kombinácii s algoritmom AI na optimalizáciu návrhu lisovnice a porovnávania parametrov procesu sa zníži počet manuálnych pokusov a omylov a výrazne sa zlepší výťažnosť a efektívnosť výroby.

Zelený a nízkouhlíkový proces extrúziePodporovať energeticky úsporné technológie, ako je elektromagnetické indukčné ohrievanie a rekuperácia odpadového tepla, aby sa znížila spotreba energie v procese extrúzie; vyvinúť procesy extrúzie s krátkym prietokom, zrušiť prepojenie ohrievania predvalkov a priamo použiť odpadové teplo z odlievania na extrúziu, čo môže znížiť celkovú spotrebu energie o viac ako 30 %.