Игра скорости и температуры: углубленный анализ процессов «низкой температуры и высокой скорости» и «высокой температуры и низкой скорости» при экструзии алюминиевого сплава

1. Определение процесса и основной принцип

1.1 Низкотемпературная ​ ​​ высокоскоростная ​ ​​ экструзия​

Низкотемпературная высокоскоростная экструзия — это производственный процесс, который сочетает в себе относительно низкие температуры заготовок с высокой скоростью экструзии. В этом методе существует обратная зависимость между «низкой температурой» и «высокой скоростью»: по мере снижения температуры заготовки скорость экструзии может быть увеличена. Для типичных экструдированных сплавов, таких как алюминиевый сплав 6063, диапазон температур низкотемпературной экструзии обычно поддерживается на уровне примерно 440–460 ° C, а скорость экструзии может достигать 30–50 метров в минуту.

Основной принцип низкотемпературной высокоскоростной экструзии заключается в том, как более низкие температуры подавляют перегрев во время деформации, создавая оптимальные условия для быстрой экструзии. Крайне важно отметить, что термин «низкая температура» конкретно относится к температуре заготовки на входе в матрицу, в то время как экструдированный продукт на выходе из матрицы должен по-прежнему достигать оптимального температурного диапазона для обработки твердым раствором (например, 515–525 ° C для сплава 6063), чтобы гарантировать механические свойства продукта.

1.2 Высокотемпературная ​ ​​ низкоскоростная ​ ​​ экструзия​

С другой стороны, высокотемпературная низкоскоростная экструзия относится к комбинации производственных процессов, при которой скорость экструзии снижается при более высоких температурах заготовки. Диапазон температур для высокотемпературной экструзии обычно контролируется в пределах 500-520°C, а скорость экструзии должна быть строго ограничена до более низкой скорости.

Основная логика высокотемпературной и низкоскоростной экструзии заключается в том, что более высокая температура снижает сопротивление деформации металла, что облегчает формовку, но также сопряжено с риском перегрева, поэтому необходимо снизить скорость, чтобы контролировать повышение температуры и обеспечить равномерную подачу металла.

2. Основные различия между этими двумя процессами

Технологический ​ параметр​	Низкотемпературная ​ ​​ высокоскоростная ​ ​​ экструзия​	Высокотемпературная низкоскоростная экструзия
Температура заготовки	440~460℃(нижний)	500~520℃(выше)
Скорость экструзии	30~50 м/мин (быстро)	значительно ниже, чем низкотемпературный высокоскоростной (медленный)
Температура на выходе	Температура должна достигать 515–525°С (при нагреве за счет деформации).	550~575℃
Первичный ​ применимый ​ сплав​	Сплавы с хорошей экструзией (например, 6063)	Сплавы с плохой экструзией (например, высокопрочные алюминиевые сплавы группы 2 и группы 7)
Техническая сложность	Требуется точный контроль температуры с соблюдением строгих требований к оборудованию.	Относительно зрелый, но неэффективный

3. Технологические характеристики и механизмы

3.1 Технические характеристики и проблемы низкотемпературной высокоскоростной экструзии

Характеристики:

Исключительно высокая эффективность производства: скорость экструзии может в 2-3 раза превышать скорость традиционных процессов, что значительно увеличивает производственную мощность.

Относительно низкое энергопотребление : температура нагрева заготовки низкая, а затраты на электроэнергию экономятся.

Использование тепла деформации для повышения температуры. Тепло деформации от высокоскоростной экструзии умело используется для достижения температуры обработки твердого раствора на выходе профиля без дополнительного нагрева.

Технические проблемы:

Проблема соответствия возможностей закалки: для высокоскоростной экструзии требуется последующее оборудование для онлайн-закалки (с воздушным охлаждением, распылением, с водяным охлаждением), чтобы иметь достаточную производительность; в противном случае профили не смогут достичь требуемых основных механических свойств.

Риск перегрева хвостовой части: во время высокоскоростной экструзии, особенно на последней стадии, температура заготовки может быстро повыситься из-за интенсивного нагрева при деформации, что может привести к перегреву металла и прожогу. Это может привести к появлению поверхностных трещин или даже дефектов «вытягивания» профиля, что приведет к увеличению количества брака.

Потребность в охлаждении пресс-формы: для решения проблемы перегрева, вызванного высокоскоростной экструзией, часто применяется технология охлаждения жидким азотом. В рабочую зону формы впрыскивается жидкий азот для снижения температуры зоны деформации и отвода тепла деформации. В то же время азот также может защитить поверхность профиля и уменьшить окисление.

3.2 Технические характеристики и риски высокотемпературной и низкоскоростной экструзии

Характеристики:

Сопротивление деформации невелико: металл имеет хорошую текучесть при высокой температуре, давление экструзии снижается, а производительность оборудования относительно низкая.

Подходит для твердодеформируемых сплавов: для высокопрочных алюминиевых сплавов, таких как серии 2 и 7, высокая температура является необходимым условием их экструзии.

Технический ​ риск ​:

Риск огрубления зерна: когда температура формы превышает 525 ℃ и охлаждение недостаточно, продукт склонен к образованию крупнозернистой структуры, что серьезно влияет на механические свойства.

Недостаточный твердый раствор: если температура слишком высока, но не контролируется должным образом, это может привести к неполному твердому растворению элементов сплава, таких как магний и кремний, тем самым снижая твердость и прочность сплава.

Свободные линии потока: для полых профилей, экструдированных с использованием гребнечесальной головки, если скорость экструзии слишком высокая или слишком высокая температура, недостаточная подача металла может привести к образованию рыхлых структур вдоль линий потока. При последующей щелочной очистке эти дефекты подвержены воздействию коррозии, что влияет на качество поверхности и результаты последующей обработки.

4. Научное обоснование выбора процесса: синергетический контроль температуры и скорости.

4.1 Диаграмма пределов экструзии и окно процесса

Температура экструзии и скорость экструзии не являются независимыми переменными, они демонстрируют взаимосвязанную зависимость, как показано на рисунке ниже.

Чрезмерно низкая температура сжатия или слишком низкая скорость сжатия → Сила сжатия превышает возможности оборудования → Сжатия трудно достичь.

Чрезмерная скорость экструзии или повышенная температура → На изделии появляются такие дефекты, как поверхностные трещины и адгезия → Несоответствие стандартам качества.

Следовательно, температуру экструзии и скорость экструзии необходимо контролировать в области между кривой производительности экструзии и кривой качества поверхности продукта, что является возможным технологическим окном.

4.2 Скорость Доминантный ​ расход Равномерность ​​

Исследования показывают, что скорость экструзии существенно влияет на однородность течения металла больше, чем температура. Если взять в качестве примера профили направляющих рельсов автомобильной крыши, то когда скорость экструзии увеличивается с 4 мм/с до 6 мм/с, стандартное отклонение скорости (SDV) в поперечном сечении выходного профиля матрицы резко возрастает с 10,56 мм/с до 24,11 мм/с, что указывает на усиление неравномерности скорости потока. Исследования высокопрочных алюминиевых сплавов 7-й серии также подтверждают, что низкоскоростная экструзия (<0,3 мм/с) приводит к минимальному повышению температуры и равномерному потоку, тогда как скорости, превышающие 0,3 мм/с, вызывают резкое увеличение теплоты трения, что может привести к неравномерности скорости поперечного сечения и изгибу профиля.

4.3 Оптимизация температурного окна

Различные сплавы имеют свои оптимальные температурные диапазоны. Для высокопрочных сплавов Al-Zn-Mg-Cu-Zr диапазон 390-430 ℃ обеспечивает оптимальную пластичность материала и умеренное давление экструзии. Температуры ниже 350 ℃ приводят к чрезмерному сопротивлению, а температуры выше 470 ℃ несут риск перегорания. Напротив, в сплаве 6063 используется как низкотемпературная высокоскоростная обработка (440–460 ℃ для заготовок), так и высокотемпературная низкоскоростная обработка (500–520 ℃), причем первая представляет собой более продвинутую философию производства.

5. Данные сравнения производительности

Недавние исследования предоставили количественные данные об эффективности двух процессов. Исследования обработки алюминиевого сплава AA6063 с использованием нового процесса самоизгиба с торсионным каналом (TCSE) показывают, что:

Индекс производительности ​​	Эффект повышения температуры заготовки	Эффект увеличения скорости экструзии
Средняя твердость ​​	Увеличение на 55,9%	Рост на 19,5%
Предельная ( прочность на разрыв UTS)	Рост на 12,5%	Рост на 7,1%
Применимая ​ сцена​	Предпочтительно, когда требуется высокая кривизна (≥328,67 мм).	Предпочтительно, когда требуется малая кривизна (≤328,67 мм).

Это демонстрирует, что при определенных требованиях к продукту повышение температуры может значительно улучшить механические свойства более эффективно, чем увеличение скорости. Однако важно также отметить, что чрезмерно высокие температуры могут привести к укрупнению зерна — когда разница температур между зоной деформации и ее окружением превышает 31 К, по краям имеют тенденцию образовываться крупнозернистые слои размером около 400 мкм, что приводит к снижению твердости.

6. Передовые технологии: идеальное состояние изотермической экструзии

Будь то низкотемпературная высокоскоростная или высокотемпературная низкоскоростная экструзия, при традиционной экструзии с постоянной скоростью трудно избежать проблемы неравномерного распределения температуры в профиле. В процессе экструзии трение между слитком и экструзионным цилиндром, а также тепло деформации постепенно повышают температуру заготовки, что приводит к неравномерности микроструктурных свойств в передней и задней части профиля.

Для решения этой проблемы была разработана технология изотермической экструзии. Его основной принцип заключается в контроле скорости экструзии в реальном времени для поддержания постоянной температуры на выходе из матрицы (обычно в пределах ±10°C). Методы достижения изотермической экструзии включают:

градиентного нагрева/охлаждения заготовки Метод : заготовка подвергается температурному градиенту по всей длине, с более высокими температурами на переднем конце и более низкими температурами на заднем конце, тем самым компенсируя повышение температуры, вызванное теплом деформации.

Онлайн-контроль скорости экструзии с обратной связью: система управления экструзией с постоянной температурой Optalex, разработанная Alumac (Дания), обеспечивает повышение средней производительности на 8–10 % и снижение процента брака на 2–3 % за счет постоянного контроля температуры на выходе экструдированных профилей и динамической регулировки скорости экструзии.

Контроль температуры в пресс-форме и оснастке. Технологии включают зональный нагрев/охлаждение экструзионных цилиндров и охлаждение пресс-форм жидким азотом. Внедрение технологии изотермической экструзии эффективно сочетает в себе преимущества низкотемпературного высокоскоростного и высокотемпературного низкоскоростного процессов. Он позволяет работать на низкой скорости на начальном этапе экструзии (когда температура заготовки высока) и автоматически снижает скорость на средних и поздних стадиях (когда температура заготовки повышается из-за тепла деформации), тем самым обеспечивая экструзию с постоянной температурой на протяжении всего процесса. Это обеспечивает однородность качества продукции при максимальной средней скорости экструзии.