La extrusión de aluminio es un proceso central de formación de plástico en la cadena de la industria de procesamiento de aluminio. Produce perfiles arquitectónicos e industriales con formas y dimensiones de sección transversal predefinidas aplicando presión axial a palanquillas de aleación de aluminio para forzarlas a través de las cavidades de la matriz. Este proceso presenta una alta utilización de material, alta eficiencia de conformado y una microestructura densa del producto, y sus productos se utilizan ampliamente en la construcción, el tránsito ferroviario, vehículos de nueva energía, electricidad y electrónica, aeroespacial y otros campos. La combinación de los parámetros del proceso de extrusión y el control del proceso determinan directamente la microestructura, las propiedades mecánicas, la precisión dimensional y la calidad de la superficie de los perfiles extruidos, lo cual es un reflejo concentrado de la capacidad técnica central de las empresas de procesamiento de aluminio.
I. Flujo del proceso de extrusión central y vínculos clave
La extrusión de aluminio es un proceso sistemático con colaboración de múltiples procesos, que se puede dividir en tres etapas: pretratamiento de la palanquilla, conformación por extrusión y tratamiento post-extrusión. La precisión del proceso de cada eslabón determina conjuntamente la calidad del producto final.
1. Proceso de pretratamiento de palanquilla
(1) Tratamiento de homogeneización
Durante la fundición semicontinua, los lingotes de aleación de aluminio son propensos a sufrir defectos de microestructura, como segregación intragranular, segundas fases gruesas y tensión interna concentrada. La extrusión directa provocará una resistencia a la deformación desigual, una calidad superficial deficiente y grandes fluctuaciones en el rendimiento. El tratamiento de homogeneización implica calentar el tocho a una temperatura por debajo de la línea solidus y mantenerlo durante un tiempo prolongado (para aleaciones de la serie 6xxx, generalmente entre 540 y 580 grados, durante 4 a 12 horas). Elimina la segregación de la composición mediante difusión atómica y disuelve y precipita compuestos intermetálicos gruesos, mejorando significativamente la plasticidad y la uniformidad de la deformación del tocho, que es el requisito previo para garantizar la calidad de la extrusión.
(2) Precalentamiento de palanquilla y matriz
La temperatura de calentamiento de la palanquilla se establecerá de acuerdo con el sistema de aleación: 460~530 grados para aleaciones de aluminio forjado 6xxx y 400~480 grados para aleaciones de aluminio de alta resistencia 7xxx. El principio es garantizar una buena plasticidad de la aleación evitando al mismo tiempo una combustión excesiva. Mientras tanto, el contenedor de extrusión y la matriz se precalentarán sincrónicamente. La temperatura del troquel es generalmente de 10 a 30 grados más baja que la temperatura del tocho, para reducir el aumento repentino de la resistencia al conformado y el choque térmico del troquel causado por la caída de temperatura.
2. Proceso de formación por extrusión
Según las características de flujo y tensión del metal, los procesos de extrusión convencionales se dividen en tres categorías, adaptándose a diferentes posicionamientos del producto:
Extrusión directa: El proceso más utilizado. El tocho avanza con el vástago de extrusión y la dirección del flujo de metal es consistente con el vástago de extrusión. Presenta una operación simple y un cambio conveniente de matriz, pero tiene una gran resistencia a la fricción en la pared del contenedor y existen ciertas diferencias en la microestructura y propiedades entre la cabeza y la cola del perfil.
Extrusión indirecta: El troquel se mueve sincrónicamente con el vástago de extrusión. No hay deslizamiento relativo entre el metal y el contenedor de extrusión, lo que resulta en una baja resistencia a la fricción, una deformación uniforme y una baja fuerza de extrusión. Es adecuado para aleaciones de alta resistencia y perfiles industriales de alta precisión, pero la estructura del equipo es compleja y el costo de mantenimiento es alto.
Extrusión isotérmica: Al preestablecer el gradiente de temperatura axial del tocho y regular la velocidad de extrusión en tiempo real, la temperatura del metal en la zona de deformación se mantiene constante. Resuelve completamente la contradicción de acoplamiento entre velocidad y temperatura, y logra una microestructura y propiedades uniformes a lo largo de todo el perfil. Es el proceso habitual para perfiles industriales de alta gama.
El parámetro central del proceso de extrusión es larelación de extrusión(la relación entre el área de la sección transversal del contenedor de extrusión y el área de la sección transversal del perfil), que refleja el grado de deformación. La proporción de extrusión de los perfiles arquitectónicos suele ser de 20 a 50, y la de los perfiles estructurales industriales puede alcanzar de 50 a 100. Una relación de extrusión insuficiente dará lugar a un efecto de refinamiento del grano débil y una resistencia baja, mientras que una relación excesiva está limitada por el tonelaje del equipo y la resistencia de la matriz.
3. Proceso de tratamiento post-extrusión
(1) Temple en línea
La temperatura del perfil que sale de la matriz es cercana a la temperatura de tratamiento de la solución, por lo que es necesario enfriarlo y templarlo inmediatamente para que los elementos de la aleación se disuelvan en la matriz de aluminio en un estado sobresaturado, creando las condiciones para el posterior fortalecimiento por envejecimiento. Los métodos de enfriamiento se dividen en tres categorías: enfriamiento por aire, enfriamiento por agua nebulizada y enfriamiento por agua, correspondientes a diferentes temperaturas del producto:
Temperamento T5: Al adoptar enfriamiento por aire o enfriamiento por agua nebulizada con una velocidad de enfriamiento moderada, combinado con un envejecimiento artificial posterior, tiene una buena precisión de formación y se usa ampliamente en perfiles decorativos arquitectónicos.
Temperamento T6: Al adoptar agua tibia o un fuerte enfriamiento por nebulización de agua con una velocidad de enfriamiento rápida y un tratamiento de solución suficiente, tiene mayor resistencia después del envejecimiento y se utiliza para perfiles industriales de soporte de carga.
La velocidad de enfriamiento deberá coincidir con la composición de la aleación: un enfriamiento insuficiente provocará una precipitación prematura de la segunda fase y reducirá el efecto de fortalecimiento del envejecimiento; Un enfriamiento excesivo generará fácilmente grandes tensiones internas, provocando deformación y agrietamiento del perfil.
(2) Estiramiento, Alisado y Acabado
El perfil templado tiene tensiones internas residuales y defectos de flexión/torsión. Una camilla aplica una deformación por tracción de 0,5% ~ 2% para eliminar la tensión y corregir la rectitud y la precisión dimensional. Después de eso, el aserrado de longitud fija, el envejecimiento artificial y el tratamiento de la superficie (anodizado, recubrimiento electroforético, recubrimiento en polvo, etc.) se llevan a cabo según los requisitos.
(3) Envejecimiento artificial
El envejecimiento artificial es el proceso central de calentar el perfil a una temperatura determinada y mantenerlo, de modo que la solución sólida sobresaturada precipite fases de refuerzo a escala nanométrica, mejorando significativamente la resistencia. Los procesos típicos incluyen: envejecimiento T5 de la aleación 6063 a 170~180 grados durante 6~8 horas; Envejecimiento T6 de aleación 6061 a 175 grados durante 8 a 10 horas. El control preciso de la temperatura y el tiempo de envejecimiento es el medio principal para ajustar la combinación de resistencia y plasticidad.
II. Mecanismo de parámetros del proceso sobre microestructura y propiedades.
El proceso de extrusión es un proceso de deformación en caliente con acoplamiento de múltiples campos de temperatura, velocidad y deformación. Los parámetros del proceso determinan en última instancia la microestructura y las propiedades del perfil cambiando el comportamiento de recristalización y el estado de precipitación de la segunda fase.
1. Parámetro de temperatura
El aumento de la temperatura del tocho mejorará la plasticidad de la aleación y reducirá la resistencia a la deformación, lo que favorece la formación de secciones transversales complejas. Sin embargo, cuando la temperatura excede el valor crítico, provocará un engrosamiento del grano, una recristalización excesiva e incluso defectos de quemado excesivo, lo que provocará una disminución de las propiedades mecánicas en forma de acantilado. Al mismo tiempo, el trabajo de deformación plástica durante la extrusión se convertirá en calor, lo que hará que la temperatura de salida del perfil sea significativamente mayor que la temperatura inicial del tocho. Cuanto más rápida sea la velocidad de extrusión, más evidente será el efecto de aumento de temperatura, que es la principal dificultad del control del proceso.
2. Velocidad de extrusión
La velocidad de extrusión deberá adaptarse dinámicamente a la temperatura: una velocidad demasiado rápida provocará calor de deformación concentrado, defectos superficiales como desgarros y piel de naranja en el perfil, y una gran diferencia de temperatura entre el núcleo y la superficie, lo que dará como resultado una microestructura y propiedades desiguales; una velocidad demasiado lenta conducirá a una baja eficiencia de producción y el perfil permanecerá en la zona de alta temperatura durante mucho tiempo, lo que es propenso al crecimiento de grano recristalizado. La industria generalmente adopta la estrategia de combinación de "baja temperatura + extrusión rápida" o "alta temperatura + extrusión lenta" y combina la tecnología de extrusión isotérmica para lograr el equilibrio entre eficiencia y calidad.
3. Grado de deformación
Según la teoría de la deformación plástica, aumentar la relación de extrusión aumentará la densidad de dislocación, promoverá la recristalización dinámica, refinará la estructura del grano y mejorará las propiedades integrales de resistencia y plasticidad del perfil. Cuando la relación de extrusión es inferior a 10, el efecto de refinamiento del grano no es obvio y es probable que se produzcan defectos en los anillos de grano grueso; Una relación de extrusión excesiva provocará un fuerte aumento en la fuerza de extrusión, que está limitada por el tonelaje del equipo y la resistencia del troquel.
4. Régimen de enfriamiento y envejecimiento
La velocidad de enfriamiento determina directamente el grado de tratamiento de la solución: cuanto más rápida es la velocidad de enfriamiento, mayor es la concentración de la solución sólida sobresaturada y más dispersas son las fases de refuerzo precipitadas después del envejecimiento, lo que da como resultado una mayor resistencia. Para las aleaciones de la serie 6xxx, la velocidad de enfriamiento crítica es de aproximadamente 1 a 5 grados/s. Por debajo de este valor, la fase Mg₂Si precipita previamente y pierde su efecto fortalecedor.
El proceso de envejecimiento determina el estado de precipitación de las fases de refuerzo: el envejecimiento insuficiente conduce a una precipitación insuficiente de las fases de refuerzo y a una resistencia baja; el envejecimiento máximo alcanza la resistencia máxima pero con plasticidad disminuida; El envejecimiento excesivo provoca un engrosamiento de las fases de refuerzo, una resistencia reducida y una plasticidad mejorada. El régimen correspondiente se seleccionará de acuerdo con los requisitos de desempeño del producto.
III. Métodos de control precisos para indicadores básicos de desempeño
El control del rendimiento de los productos extruidos de aluminio se centra en cuatro dimensiones fundamentales: propiedades mecánicas, precisión dimensional, calidad de la superficie y resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica.
1. Control de propiedad mecánica
Las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, límite elástico, alargamiento después de la fractura) son los indicadores centrales de los perfiles industriales. La ruta de control de todo el proceso incluye:
Control de fuente de composición: Controlar con precisión el contenido de elementos de refuerzo en la aleación, como controlar el contenido total de Mg y Si y la relación Mg/Si en aleaciones de la serie 6xxx para garantizar una formación suficiente de fase de refuerzo de Mg₂Si; Controle estrictamente los elementos impurezas como Fe y Cu para evitar fases frágiles que reduzcan la plasticidad.
Adecuación de la homogeneización: Asegure una composición y microestructura uniformes del tocho y elimine las fluctuaciones locales de rendimiento.
Coincidencia del proceso de extrusión: Controle la temperatura de extrusión y la relación de extrusión razonables para garantizar una recristalización dinámica suficiente y un refinamiento del grano.
Control de circuito cerrado de enfriamiento y envejecimiento: Asegúrese de que la velocidad de enfriamiento del enfriamiento cumpla con el estándar y controle con precisión la uniformidad de la temperatura y el tiempo de mantenimiento del horno de envejecimiento para lograr una precipitación óptima de las fases de fortalecimiento.
2. Control de precisión dimensional
La precisión dimensional de los perfiles de aluminio se ve afectada por muchos factores, como la matriz, el equipo y el proceso. Los puntos de control incluyen:
Dimensión de la matriz: adopte mecanizado de alta precisión y pulido de espejo, diseñe una longitud de soporte de rodamiento y una estructura de ojo de buey razonables para compensar la diferencia en la velocidad del flujo de metal.
Dimensión del proceso: estabilizar la temperatura y la velocidad de extrusión para evitar la deformación de la sección transversal causada por un caudal desigual; Controle la cantidad de estiramiento del alisado elástico para evitar la desviación dimensional.
Dimensión del equipo: asegure la precisión de la alineación del extrusor y la rectitud del riel guía para reducir la torsión y flexión causada por el espacio libre del equipo.
La precisión dimensional de los perfiles industriales de alta gama puede alcanzar el grado IT6 ~ IT7, cumpliendo con los requisitos de ensamblaje de precisión.
3. Control de calidad de la superficie
Los problemas comunes de las superficies incluyen rayones, picaduras, rayas, ampollas, etc. Las medidas principales de prevención y control son:
Mejorar la calidad metalúrgica de las palanquillas para reducir defectos de fundición como poros e inclusiones.
Mantenga el contenedor de extrusión y el troquel con regularidad, limpie los residuos de la superficie y las virutas de aluminio y mantenga la base del rodamiento del troquel en un estado de espejo.
Optimice la combinación de velocidad y temperatura de extrusión para evitar el desgarro de la superficie causado por un caudal excesivo de metal.
Optimice la estructura de transporte de la mesa de descarga y el lecho de enfriamiento para reducir los rayones mecánicos.
4. Control de resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica
Resistencia a la corrosión: Reducir la tendencia a la corrosión electroquímica controlando la uniformidad de la estructura del grano y reduciendo las segundas fases gruesas; Combinado con tratamientos superficiales como anodizado y recubrimiento electroforético, la resistencia a la niebla salina y la resistencia ácido-base se pueden mejorar considerablemente.
Conductividad eléctrica: Para perfiles de aluminio para conducción eléctrica, es necesario controlar el contenido de elementos de impureza y reducir la distorsión de la red; al mismo tiempo, evite el engrosamiento de la segunda fase causado por el envejecimiento excesivo, para garantizar el equilibrio entre conductividad y resistencia.
IV. Defectos de calidad comunes y soluciones de prevención
| Tipo de defecto | Causa principal | Solución de prevención y control |
|---|---|---|
| Ampollas/descamación superficiales | Poros y cavidades de contracción en palanquillas; Aceite residual o virutas de aluminio en el contenedor de extrusión. | Mejorar la calidad de la fundición de palanquillas; limpiar el contenedor de extrusión y morir antes de la extrusión; Controle la temperatura de calentamiento de la palanquilla para evitar que se queme demasiado. |
| Anillo de grano grueso / engrosamiento de grano | Temperatura de extrusión excesivamente alta; relación de extrusión demasiado pequeña; grado de deformación insuficiente | Reducir la temperatura del tocho y del troquel; aumentar la relación de extrusión; optimizar la velocidad de extrusión para inhibir el crecimiento del grano de recristalización |
| Propiedades mecánicas no calificadas | Velocidad de enfriamiento de enfriamiento insuficiente; desviación del régimen de envejecimiento; segregación de composición | Aumentar la intensidad del enfriamiento; calibrar la uniformidad de la temperatura del horno de envejecimiento; garantizar una homogeneización suficiente de la palanquilla |
| Torsión/flexión de perfiles | Diseño irrazonable de la tierra que soporta la matriz; caudal de metal desigual; alisado de estiramiento inadecuado | Optimizar los ojos de buey y los terrenos de rodamiento; ajustar la temperatura y velocidad de extrusión; controlar con precisión la cantidad y dirección del estiramiento |
| Arañazos superficiales/marcas de arrastre | Desgaste de la tierra que soporta la matriz; Protuberancias duras en la mesa de descarga y en la cama de enfriamiento. | Pula o reemplace las matrices con regularidad; limpiar las superficies de contacto del equipo transportador; optimizar la estructura de la guía de descarga |
V. Tendencias de desarrollo tecnológico de la industria
Con la mejora de la demanda de la fabricación de alta gama, la tecnología de extrusión de aluminio continúa evolucionando hacia alta precisión, alto rendimiento, baja carbonización e inteligencia.
Extrusión integrada de grandes secciones transversales complejasLa demanda de campos como chasis de vehículos de nueva energía y carrocerías de vehículos de transporte ferroviario promueve la popularización de extrusoras de gran tonelaje de 10.000 toneladas, logrando la formación integrada de grandes perfiles de sección transversal complejos, huecos porosos y de paredes delgadas, reemplazando el ensamblaje de soldadura tradicional y mejorando la resistencia estructural y el nivel de peso ligero.
Tecnología de extrusión para aleaciones de alta resistencia y tenacidadLos avances en la tecnología de extrusión para aleaciones de aluminio de alta resistencia 7xxx, 2xxx y aleaciones de aluminio-litio respaldan la demanda de peso ligero de los vehículos aeroespaciales y de nuevas energías. Las principales dificultades radican en controlar el agrietamiento por deformación y mejorar la uniformidad de la microestructura. La extrusión indirecta, la extrusión isotérmica, el calentamiento gradual y otras tecnologías se han convertido en configuraciones estándar.
Líneas de producción de extrusión inteligentesA través del gemelo digital, la medición de temperatura infrarroja en línea, la inspección visual de dimensiones y otras tecnologías, se logra el control de circuito cerrado en tiempo real de los parámetros de extrusión; Combinado con un algoritmo de IA para optimizar el diseño de la matriz y la coincidencia de parámetros del proceso, se reduce el ensayo y error manual y se mejora significativamente el rendimiento y la eficiencia de la producción.
Proceso de extrusión ecológico y bajo en carbonoPromover tecnologías de ahorro de energía, como el calentamiento por inducción electromagnética y la recuperación de calor residual, para reducir el consumo de energía en el proceso de extrusión; desarrollar procesos de extrusión de flujo corto, cancelar el enlace de recalentamiento de palanquillas y utilizar directamente el calor residual de la fundición para la extrusión, lo que puede reducir el consumo total de energía en más del 30%.
