Processo de extrusão de alumínio e controle de desempenho: conhecimento técnico da indústria

A extrusão de alumínio é um processo central de formação de plástico na cadeia da indústria de processamento de alumínio. Ela produz perfis arquitetônicos e industriais com formatos e dimensões transversais predefinidos, aplicando pressão axial a tarugos de liga de alumínio para forçá-los através das cavidades da matriz. Este processo apresenta alta utilização de material, alta eficiência de formação e microestrutura de produto densa, e seus produtos são amplamente utilizados na construção, trânsito ferroviário, veículos de novas energias, elétrica e eletrônica, aeroespacial e outros campos. A correspondência dos parâmetros do processo de extrusão e o controle do processo determinam diretamente a microestrutura, as propriedades mecânicas, a precisão dimensional e a qualidade da superfície dos perfis extrudados, o que é um reflexo concentrado da capacidade técnica central das empresas de processamento de alumínio.

I. Fluxo do processo de extrusão principal e links principais

A extrusão de alumínio é um processo sistemático com colaboração multiprocessos, que pode ser dividido em três etapas: pré-tratamento do tarugo, conformação por extrusão e tratamento pós-extrusão. A precisão do processo de cada link determina em conjunto a qualidade do produto final.

1. Processo de pré-tratamento de tarugo

(1) Tratamento de homogeneização

Durante a fundição semicontínua, os lingotes de liga de alumínio são propensos a defeitos microestruturais, como segregação intragranular, segundas fases grosseiras e tensão interna concentrada. A extrusão direta levará a uma resistência desigual à deformação, baixa qualidade da superfície e grandes flutuações de desempenho. O tratamento de homogeneização envolve aquecer o tarugo a uma temperatura abaixo da linha solidus e mantê-lo por um longo tempo (para ligas da série 6xxx, geralmente 540 ~ 580 graus, mantendo por 4 ~ 12 horas). Elimina a segregação da composição por difusão atômica e dissolve e precipita compostos intermetálicos grosseiros, melhorando significativamente a plasticidade e a uniformidade de deformação do tarugo, que é o pré-requisito para garantir a qualidade da extrusão.

(2) Pré-aquecimento de tarugos e matrizes

A temperatura de aquecimento do tarugo deve ser definida de acordo com o sistema de liga: 460 ~ 530 graus para ligas de alumínio forjado 6xxx e 400 ~ 480 graus para ligas de alumínio de alta resistência 7xxx. O princípio é garantir uma boa plasticidade da liga evitando queima excessiva. Enquanto isso, o recipiente de extrusão e a matriz devem ser pré-aquecidos de forma síncrona. A temperatura da matriz é geralmente 10 ~ 30 graus mais baixa que a temperatura do tarugo, de modo a reduzir o aumento repentino da resistência de formação e o choque térmico da matriz causado pela queda de temperatura.

2. Processo de formação de extrusão

De acordo com as características de fluxo e tensão do metal, os principais processos de extrusão são divididos em três categorias, adaptando-se aos diferentes posicionamentos do produto:

Extrusão Direta: O processo mais utilizado. O tarugo avança com a haste de extrusão e a direção do fluxo do metal é consistente com a haste de extrusão. Possui operação simples e troca conveniente da matriz, mas possui grande resistência ao atrito na parede do recipiente e há certas diferenças na microestrutura e nas propriedades entre a cabeça e a cauda do perfil.

Extrusão Indireta: A matriz se move sincronizadamente com a haste de extrusão. Não há deslizamento relativo entre o metal e o recipiente de extrusão, resultando em baixa resistência ao atrito, deformação uniforme e baixa força de extrusão. É adequado para ligas de alta resistência e perfis industriais de alta precisão, mas a estrutura do equipamento é complexa e o custo de manutenção é alto.

Extrusão Isotérmica: Ao predefinir o gradiente de temperatura axial do tarugo e regular a velocidade de extrusão em tempo real, a temperatura do metal na zona de deformação é mantida constante. Resolve completamente a contradição de acoplamento entre velocidade e temperatura e realiza microestrutura e propriedades uniformes ao longo de todo o comprimento do perfil. É o processo principal para perfis industriais de alta qualidade.

O parâmetro central do processo de extrusão é otaxa de extrusão(a relação entre a área da seção transversal do recipiente de extrusão e a área da seção transversal do perfil), que reflete o grau de deformação. A taxa de extrusão de perfis arquitetônicos é geralmente de 20 a 50, e a de perfis estruturais industriais pode chegar a 50 a 100. Uma relação de extrusão insuficiente levará a um fraco efeito de refinamento de grãos e baixa resistência, enquanto uma relação excessiva é limitada pela tonelagem do equipamento e pela resistência da matriz.

3. Processo de tratamento pós-extrusão

(1) Têmpera On-line

A temperatura do perfil que sai da matriz é próxima à temperatura de tratamento da solução, portanto ele precisa ser resfriado e temperado imediatamente para fazer com que os elementos da liga se dissolvam na matriz de alumínio em estado supersaturado, criando condições para posterior fortalecimento por envelhecimento. Os métodos de resfriamento são divididos em três categorias: resfriamento a ar, resfriamento por névoa de água e resfriamento a água, correspondendo a diferentes têmperas do produto:

Temperamento T5: Adotando resfriamento a ar ou resfriamento por névoa de água com taxa de resfriamento moderada, combinado com subsequente envelhecimento artificial, possui boa precisão de conformação e é amplamente utilizado em perfis decorativos arquitetônicos.

Temperamento T6: Adotando água morna ou têmpera com névoa de água forte com taxa de resfriamento rápida e tratamento de solução suficiente, possui maior resistência após o envelhecimento e é usado para perfis industriais de suporte de carga.

A taxa de resfriamento deve corresponder à composição da liga: o resfriamento insuficiente levará à precipitação prematura da segunda fase e reduzirá o efeito de envelhecimento; o resfriamento excessivo gerará facilmente grandes tensões internas, causando deformação e trincas no perfil.

(2) Endireitamento e acabamento por estiramento

O perfil temperado apresenta tensão interna residual e defeitos de flexão/torção. Uma deformação de tração de 0,5% ~ 2% é aplicada por uma maca para eliminar o estresse e corrigir a retilineidade e a precisão dimensional. Depois disso, o corte de comprimento fixo, o envelhecimento artificial e o tratamento de superfície (anodização, revestimento eletroforético, revestimento em pó, etc.) são realizados de acordo com os requisitos.

(3) Envelhecimento Artificial

O envelhecimento artificial é o processo central de aquecer o perfil a uma temperatura definida e mantê-lo, de modo que a solução sólida supersaturada precipite fases de fortalecimento em escala nanométrica, melhorando significativamente a resistência. Os processos típicos incluem: envelhecimento T5 da liga 6063 a 170 ~ 180 graus por 6 a 8 horas; Envelhecimento T6 da liga 6061 a 175 graus por 8 a 10 horas. O controle preciso da temperatura e do tempo de envelhecimento é o principal meio para ajustar a correspondência entre resistência e plasticidade.

II. Mecanismo de Parâmetros de Processo em Microestrutura e Propriedades

O processo de extrusão é um processo de deformação a quente com acoplamento multicampo de temperatura, velocidade e deformação. Os parâmetros do processo determinam, em última análise, a microestrutura e as propriedades do perfil, alterando o comportamento de recristalização e o estado de precipitação da segunda fase.

1. Parâmetro de temperatura

Aumentar a temperatura do tarugo melhorará a plasticidade da liga e reduzirá a resistência à deformação, o que conduz à formação de seções transversais complexas. No entanto, quando a temperatura excede o valor crítico, causará engrossamento dos grãos, recristalização excessiva e até defeitos de queima excessiva, levando a um declínio semelhante ao de um penhasco nas propriedades mecânicas. Ao mesmo tempo, o trabalho de deformação plástica durante a extrusão será convertido em calor, tornando a temperatura de saída da matriz do perfil significativamente superior à temperatura inicial do tarugo. Quanto mais rápida for a velocidade de extrusão, mais óbvio será o efeito do aumento da temperatura, que é a principal dificuldade do controle do processo.

2. Velocidade de extrusão

A velocidade de extrusão deve ser combinada dinamicamente com a temperatura: velocidade muito rápida levará a calor de deformação concentrado, defeitos superficiais como rasgos e casca de laranja no perfil e grande diferença de temperatura entre o núcleo e a superfície, resultando em microestrutura e propriedades irregulares; velocidade muito lenta levará a baixa eficiência de produção e o perfil permanecerá na zona de alta temperatura por muito tempo, o que é propenso ao crescimento de grãos recristalizados. A indústria geralmente adota a estratégia de combinação de "baixa temperatura + extrusão rápida" ou "alta temperatura + extrusão lenta" e combina tecnologia de extrusão isotérmica para alcançar o equilíbrio entre eficiência e qualidade.

3. Grau de deformação

De acordo com a teoria da deformação plástica, aumentar a taxa de extrusão aumentará a densidade de deslocamento, promoverá a recristalização dinâmica, refinará a estrutura do grão e melhorará as propriedades abrangentes de resistência e plasticidade do perfil. Quando a taxa de extrusão é inferior a 10, o efeito de refinamento do grão não é óbvio e é provável que ocorram defeitos no anel de grão grosso; a taxa de extrusão excessiva causará um aumento acentuado na força de extrusão, que é limitada pela tonelagem do equipamento e pela resistência da matriz.

4. Regime de têmpera e envelhecimento

A taxa de resfriamento de têmpera determina diretamente o grau de tratamento da solução: quanto mais rápida a taxa de resfriamento, maior a concentração da solução sólida supersaturada e mais dispersas as fases de reforço precipitadas após o envelhecimento, resultando em maior resistência. Para ligas da série 6xxx, a taxa crítica de resfriamento é de cerca de 1 a 5 graus/s. Abaixo deste valor, a fase Mg₂Si precipita antecipadamente e perde o efeito de fortalecimento.

O processo de envelhecimento determina o estado de precipitação das fases de reforço: o subenvelhecimento leva à precipitação insuficiente das fases de reforço e à baixa resistência; o pico de envelhecimento atinge a resistência máxima, mas com diminuição da plasticidade; o envelhecimento excessivo provoca o endurecimento das fases de reforço, redução da resistência e melhoria da plasticidade. O regime correspondente será selecionado de acordo com os requisitos de desempenho do produto.

III. Métodos de controle precisos para indicadores essenciais de desempenho

O controle de desempenho de produtos extrudados de alumínio concentra-se em quatro dimensões principais: propriedades mecânicas, precisão dimensional, qualidade da superfície e resistência à corrosão e condutividade elétrica.

1. Controle de Propriedade Mecânica

As propriedades mecânicas (resistência à tração, resistência ao escoamento, alongamento após fratura) são os principais indicadores dos perfis industriais. O caminho de controle de processo completo inclui:

Controle de origem de composição: Controlar com precisão o conteúdo dos elementos de reforço na liga, como controlar o teor total de Mg e Si e a relação Mg/Si nas ligas da série 6xxx para garantir a formação suficiente da fase de reforço de Mg₂Si; controlar rigorosamente os elementos de impureza, como Fe e Cu, para evitar fases quebradiças, reduzindo a plasticidade.

Adequação de Homogeneização: Garantir composição e microestrutura uniformes do tarugo e eliminar flutuações locais de desempenho.

Correspondência de processos de extrusão: Controle a temperatura de extrusão e a taxa de extrusão razoáveis ​​para garantir recristalização dinâmica suficiente e refinamento de grãos.

Controle de circuito fechado de extinção e envelhecimento: Certifique-se de que a taxa de resfriamento de têmpera atenda ao padrão e controle com precisão a uniformidade da temperatura e o tempo de retenção do forno de envelhecimento para obter a precipitação ideal das fases de fortalecimento.

2. Controle de precisão dimensional

A precisão dimensional dos perfis de alumínio é afetada por muitos fatores, como matriz, equipamento e processo. Os pontos de controle incluem:

Dimensão da matriz: Adote usinagem de alta precisão e polimento de espelho, projete um comprimento de terreno de rolamento razoável e estrutura de vigia para compensar a diferença na velocidade do fluxo de metal.

Dimensão do processo: Estabilize a temperatura e a velocidade da extrusão para evitar deformação transversal causada por vazão irregular; controle a quantidade de alongamento do endireitamento para evitar desvio dimensional.

Dimensão do equipamento: Garanta a precisão do alinhamento da extrusora e a retilineidade do trilho-guia para reduzir torções e dobras causadas pela folga do equipamento.

A precisão dimensional dos perfis industriais de alta qualidade pode atingir o grau IT6 ~ IT7, atendendo aos requisitos de montagem de precisão.

3. Controle de qualidade de superfície

Problemas comuns de superfície incluem arranhões, buracos, estrias, bolhas, etc. As principais medidas de prevenção e controle são:

Melhore a qualidade metalúrgica dos tarugos para reduzir defeitos de fundição, como poros e inclusões.

Faça a manutenção do recipiente de extrusão e da matriz regularmente, limpe os detritos superficiais e lascas de alumínio e mantenha a base do rolamento da matriz em um estado espelhado.

Otimize a correspondência entre velocidade de extrusão e temperatura para evitar rasgos na superfície causados ​​por taxa excessiva de fluxo de metal.

Otimize a estrutura de transporte da mesa de descarga e do leito de resfriamento para reduzir riscos mecânicos.

4. Resistência à corrosão e controle de condutividade elétrica

Resistência à corrosão: Reduz a tendência à corrosão eletroquímica controlando a uniformidade da estrutura dos grãos e reduzindo as segundas fases grosseiras; combinado com tratamentos de superfície, como anodização e revestimento eletroforético, a resistência à névoa salina e à resistência ácido-base pode ser bastante melhorada.

Condutividade elétrica: Para perfis de alumínio para condução elétrica, é necessário controlar o teor de elementos de impureza e reduzir a distorção da rede; ao mesmo tempo, evite o engrossamento da segunda fase causado pelo envelhecimento excessivo, de modo a garantir o equilíbrio entre condutividade e resistência.

4. Defeitos de qualidade comuns e soluções de prevenção

V. Tendências de desenvolvimento de tecnologia da indústria

Com a atualização da demanda da fabricação downstream de ponta, a tecnologia de extrusão de alumínio continua a evoluir em direção a alta precisão, alto desempenho, baixa carbonização e inteligência.

Extrusão Integrada de Secções Transversais Grandes e ComplexasA demanda de áreas como chassis de veículos de nova energia e carrocerias de vagões de transporte ferroviário promove a popularização de extrusoras de grande tonelagem de 10.000 toneladas, realizando a formação integrada de grandes perfis de seção transversal complexa, oca porosa e de paredes finas, substituindo a montagem de soldagem tradicional e melhorando a resistência estrutural e o nível de leveza.

Tecnologia de extrusão para ligas de alta resistência e tenacidadeAvanços na tecnologia de extrusão para ligas de alumínio de alta resistência 7xxx, 2xxx e ligas de alumínio-lítio atendem à demanda de leveza dos veículos aeroespaciais e de novas energias. As principais dificuldades residem no controle da fissuração por deformação e na melhoria da uniformidade da microestrutura. Extrusão indireta, extrusão isotérmica, aquecimento gradiente e outras tecnologias tornaram-se configurações padrão.

Linhas de produção de extrusão inteligentesAtravés de gêmeo digital, medição on-line de temperatura por infravermelho, inspeção visual de dimensões e outras tecnologias, é realizado o controle de circuito fechado em tempo real dos parâmetros de extrusão; combinado com o algoritmo de IA para otimizar o design da matriz e a correspondência dos parâmetros do processo, a tentativa e erro manual é reduzida e o rendimento e a eficiência da produção são significativamente melhorados.

Processo de extrusão verde e com baixo teor de carbonoPromover tecnologias de poupança de energia, como aquecimento por indução eletromagnética e recuperação de calor residual, para reduzir o consumo de energia no processo de extrusão; desenvolver processos de extrusão de fluxo curto, cancelar o link de reaquecimento do tarugo e usar diretamente o calor residual da fundição para extrusão, o que pode reduzir o consumo abrangente de energia em mais de 30%.