Aluminium-Extrusionsprozess und Leistungskontrolle: Technisches Branchenwissen

Die Aluminiumextrusion ist ein zentraler plastischer Umformprozess in der Aluminiumverarbeitungsindustrie. Es produziert Architektur- und Industrieprofile mit vordefinierten Querschnittsformen und -abmessungen, indem es axialen Druck auf Aluminiumlegierungsbarren ausübt, um sie durch die Hohlräume der Matrize zu drücken. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Materialausnutzung, eine hohe Umformeffizienz und eine dichte Produktmikrostruktur aus und seine Produkte werden häufig im Baugewerbe, im Schienenverkehr, bei Fahrzeugen mit neuer Energie, in der Elektrik und Elektronik, in der Luft- und Raumfahrt und in anderen Bereichen eingesetzt. Durch die Abstimmung der Parameter des Extrusionsprozesses und der Prozesssteuerung werden direkt die Mikrostruktur, die mechanischen Eigenschaften, die Maßhaltigkeit und die Oberflächenqualität extrudierter Profile bestimmt, was ein konzentriertes Abbild der technischen Kernkompetenzen von Aluminiumverarbeitungsunternehmen darstellt.

I. Kernextrusionsprozessablauf und wichtige Zusammenhänge

Das Strangpressen von Aluminium ist ein systematischer Prozess mit prozessübergreifender Zusammenarbeit, der in drei Phasen unterteilt werden kann: Vorbehandlung des Knüppels, Strangpressen und Nachbehandlung des Strangpressens. Die Prozessgenauigkeit jedes einzelnen Gliedes bestimmt gemeinsam die Qualität des Endprodukts.

1. Billet-Vorbehandlungsprozess

(1) Homogenisierungsbehandlung

Beim halbkontinuierlichen Gießen sind Aluminiumlegierungsbarren anfällig für Mikrostrukturfehler wie intragranulare Segregation, grobe Zweitphasen und konzentrierte innere Spannungen. Direktextrusion führt zu ungleichmäßigem Verformungswiderstand, schlechter Oberflächenqualität und großen Leistungsschwankungen. Bei der Homogenisierungsbehandlung wird der Barren auf eine Temperatur unterhalb der Soliduslinie erhitzt und über einen langen Zeitraum gehalten (bei Legierungen der Serie 6xxx normalerweise 540–580 Grad, Haltedauer 4–12 Stunden). Es eliminiert die Entmischung der Zusammensetzung durch Atomdiffusion und löst und scheidet grobe intermetallische Verbindungen auf, wodurch die Plastizität und die Gleichmäßigkeit der Verformung des Barrens erheblich verbessert werden, was eine Voraussetzung für die Gewährleistung der Extrusionsqualität ist.

(2) Vorwärmen von Billet und Matrize

Die Heiztemperatur des Knüppels muss entsprechend dem Legierungssystem eingestellt werden: 460–530 Grad für 6xxx-Knetaluminiumlegierungen und 400–480 Grad für 7xxx-Aluminiumlegierungen mit hoher Festigkeit. Das Prinzip besteht darin, eine gute Plastizität der Legierung zu gewährleisten und gleichzeitig ein Überbrennen zu vermeiden. Währenddessen werden der Extrusionsbehälter und die Düse synchron vorgeheizt. Die Matrizentemperatur liegt im Allgemeinen 10 bis 30 Grad unter der Knüppeltemperatur, um den plötzlichen Anstieg des Umformwiderstands und den durch den Temperaturabfall verursachten Thermoschock der Matrize zu reduzieren.

2. Extrusionsformprozess

Je nach Metallfluss- und Spannungseigenschaften werden gängige Extrusionsverfahren in drei Kategorien unterteilt, die sich an unterschiedliche Produktpositionierungen anpassen:

Direktextrusion: Das am weitesten verbreitete Verfahren. Der Barren bewegt sich mit dem Strangpressschaft vorwärts und die Richtung des Metallflusses stimmt mit dem Strangpressschaft überein. Es zeichnet sich durch eine einfache Bedienung und einen bequemen Werkzeugwechsel aus, weist jedoch einen großen Reibungswiderstand an der Behälterwand auf und es gibt gewisse Unterschiede in der Mikrostruktur und den Eigenschaften zwischen Kopf und Ende des Profils.

Indirekte Extrusion: Die Matrize bewegt sich synchron mit dem Extrusionsschaft. Es gibt kein relatives Gleiten zwischen dem Metall und dem Extrusionsbehälter, was zu einem geringen Reibungswiderstand, einer gleichmäßigen Verformung und einer geringen Extrusionskraft führt. Es eignet sich für hochfeste Legierungen und hochpräzise Industrieprofile, allerdings ist der Anlagenaufbau komplex und die Wartungskosten hoch.

Isotherme Extrusion: Durch die Voreinstellung des axialen Temperaturgradienten des Barrens und die Regelung der Extrusionsgeschwindigkeit in Echtzeit wird die Metalltemperatur in der Verformungszone konstant gehalten. Es löst den Kopplungswiderspruch zwischen Geschwindigkeit und Temperatur vollständig und sorgt für eine gleichmäßige Mikrostruktur und gleichmäßige Eigenschaften über die gesamte Länge des Profils. Es ist das gängige Verfahren für hochwertige Industrieprofile.

Der Kernparameter des Extrusionsprozesses ist dieExtrusionsverhältnis(das Verhältnis der Querschnittsfläche des Extrusionsbehälters zur Querschnittsfläche des Profils), das den Grad der Verformung widerspiegelt. Das Extrusionsverhältnis von Architekturprofilen beträgt normalerweise 20 bis 50, und das von Industriestrukturprofilen kann 50 bis 100 erreichen. Ein unzureichendes Extrusionsverhältnis führt zu einem schwachen Kornfeinungseffekt und geringer Festigkeit, während ein zu hohes Verhältnis durch die Tonnage der Ausrüstung und die Stärke der Matrize begrenzt wird.

3. Nachbehandlungsprozess nach der Extrusion

(1) Online-Abschreckung

Die Temperatur des aus der Matrize austretenden Profils liegt nahe an der Lösungsbehandlungstemperatur, daher muss es sofort abgekühlt und abgeschreckt werden, damit sich die Legierungselemente in einem übersättigten Zustand in der Aluminiummatrix auflösen und so Bedingungen für eine anschließende Alterungsverfestigung geschaffen werden. Die Kühlmethoden werden in drei Kategorien unterteilt: Luftkühlung, Wassernebelkühlung und Wasserkühlung, entsprechend den unterschiedlichen Produkttemperaturen:

T5-Temper: Durch Luftkühlung oder Wassernebelkühlung mit mäßiger Abkühlrate in Kombination mit anschließender künstlicher Alterung weist es eine gute Formgenauigkeit auf und wird häufig in dekorativen Architekturprofilen verwendet.

T6-Temper: Durch Abschrecken mit warmem Wasser oder starkem Wassernebel mit schneller Abkühlgeschwindigkeit und ausreichender Lösungsbehandlung weist es nach der Alterung eine höhere Festigkeit auf und wird für tragende Industrieprofile verwendet.

Die Abkühlgeschwindigkeit muss der Legierungszusammensetzung entsprechen: Eine unzureichende Abkühlung führt zu einer vorzeitigen Ausscheidung der zweiten Phase und verringert den Alterungsverfestigungseffekt; Übermäßige Abkühlung führt leicht zu großen inneren Spannungen, die zu Verformungen und Rissen im Profil führen.

(2) Streckbegradigung und Endbearbeitung

Das abgeschreckte Profil weist innere Eigenspannungen und Biege-/Verdrehfehler auf. Durch eine Spannvorrichtung wird eine Zugverformung von 0,5 % bis 2 % ausgeübt, um Spannungen zu beseitigen und Geradheit und Maßhaltigkeit zu korrigieren. Danach werden je nach Bedarf Fixlängensägen, künstliche Alterung und Oberflächenbehandlung (Eloxieren, Elektrotauchlackieren, Pulverbeschichten usw.) durchgeführt.

(3) Künstliches Altern

Bei der künstlichen Alterung handelt es sich um den Kernprozess, bei dem das Profil auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und gehalten wird, sodass die übersättigte feste Lösung Verfestigungsphasen im Nanomaßstab ausscheidet und so die Festigkeit deutlich verbessert. Typische Prozesse umfassen: T5-Alterung der 6063-Legierung bei 170–180 Grad für 6–8 Stunden; T6-Alterung der 6061-Legierung bei 175 Grad für 8–10 Stunden. Die genaue Kontrolle von Alterungstemperatur und -zeit ist das wichtigste Mittel zur Anpassung der Abstimmung von Festigkeit und Plastizität.

II. Mechanismus der Prozessparameter auf Mikrostruktur und Eigenschaften

Der Extrusionsprozess ist ein Heißverformungsprozess mit Mehrfeldkopplung von Temperatur, Geschwindigkeit und Verformung. Prozessparameter bestimmen letztendlich die Mikrostruktur und Eigenschaften des Profils, indem sie das Rekristallisationsverhalten und den Ausscheidungszustand der zweiten Phase verändern.

1. Temperaturparameter

Eine Erhöhung der Knüppeltemperatur verbessert die Plastizität der Legierung und verringert den Verformungswiderstand, was die Bildung komplexer Querschnitte begünstigt. Wenn die Temperatur jedoch den kritischen Wert überschreitet, führt dies zu einer Kornvergröberung, übermäßiger Rekristallisation und sogar zu Überbrennfehlern, was zu einem klippenartigen Rückgang der mechanischen Eigenschaften führt. Gleichzeitig wird die plastische Verformungsarbeit beim Strangpressen in Wärme umgewandelt, wodurch die Austrittstemperatur des Profils aus der Matrize deutlich über der Ausgangstemperatur des Barrens liegt. Je höher die Extrusionsgeschwindigkeit, desto offensichtlicher ist der Temperaturanstiegseffekt, der die Hauptschwierigkeit der Prozesssteuerung darstellt.

2. Extrusionsgeschwindigkeit

Die Extrusionsgeschwindigkeit muss dynamisch an die Temperatur angepasst werden: Eine zu hohe Geschwindigkeit führt zu konzentrierter Verformungswärme, Oberflächenfehlern wie Rissen und Orangenhaut am Profil sowie zu großen Temperaturunterschieden zwischen Kern und Oberfläche, was zu ungleichmäßiger Mikrostruktur und ungleichmäßigen Eigenschaften führt. Eine zu langsame Geschwindigkeit führt zu einer geringen Produktionseffizienz und das Profil bleibt lange Zeit in der Hochtemperaturzone, was zu rekristallisiertem Kornwachstum neigt. Die Industrie verwendet im Allgemeinen die passende Strategie „Niedertemperatur + schnelle Extrusion“ oder „Hochtemperatur + langsame Extrusion“ und kombiniert isotherme Extrusionstechnologie, um ein Gleichgewicht zwischen Effizienz und Qualität zu erreichen.

3. Verformungsgrad

Gemäß der Theorie der plastischen Verformung führt eine Erhöhung des Extrusionsverhältnisses zu einer Erhöhung der Versetzungsdichte, einer Förderung der dynamischen Rekristallisation, einer Verfeinerung der Kornstruktur und einer Verbesserung der umfassenden Festigkeits- und Plastizitätseigenschaften des Profils. Wenn das Extrusionsverhältnis weniger als 10 beträgt, ist der Kornverfeinerungseffekt nicht offensichtlich und es besteht die Gefahr, dass grobe Kornringdefekte auftreten. Ein übermäßiges Extrusionsverhältnis führt zu einem starken Anstieg der Extrusionskraft, der durch die Tonnage der Ausrüstung und die Stärke der Matrize begrenzt wird.

4. Abschreck- und Alterungsregime

Die Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken bestimmt direkt den Grad der Lösungsbehandlung: Je schneller die Abkühlgeschwindigkeit, desto höher die Konzentration der übersättigten festen Lösung und desto dispergierter sind die nach der Alterung ausgeschiedenen Verfestigungsphasen, was zu einer höheren Festigkeit führt. Bei Legierungen der Serie 6xxx liegt die kritische Abkühlgeschwindigkeit bei etwa 1 bis 5 Grad pro Sekunde. Unterhalb dieses Wertes fällt die Mg₂Si-Phase im Voraus aus und verliert ihre festigende Wirkung.

Der Alterungsprozess bestimmt den Ausscheidungszustand der Verfestigungsphasen: Unteralterung führt zu unzureichender Ausfällung der Verfestigungsphasen und geringer Festigkeit; Spitzenalterung erreicht die maximale Festigkeit, jedoch mit verminderter Plastizität; Überalterung führt zu einer Vergröberung der Festigungsphasen, einer verringerten Festigkeit und einer verbesserten Plastizität. Das entsprechende Regime muss entsprechend den Produktleistungsanforderungen ausgewählt werden.

III. Präzise Kontrollmethoden für zentrale Leistungsindikatoren

Die Leistungskontrolle von Aluminium-Strangpressprodukten konzentriert sich auf vier Kerndimensionen: mechanische Eigenschaften, Maßhaltigkeit, Oberflächenqualität sowie Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit.

1. Mechanische Eigentumskontrolle

Mechanische Eigenschaften (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung) sind die Kernindikatoren industrieller Profile. Der vollständige Prozesssteuerungspfad umfasst:

Quellcodeverwaltung für die Komposition: Präzise Steuerung des Gehalts an Verstärkungselementen in der Legierung, z. B. Steuerung des Gesamtgehalts an Mg und Si und des Mg/Si-Verhältnisses in Legierungen der 6xxx-Serie, um eine ausreichende Bildung der Mg₂Si-Verfestigungsphase sicherzustellen; Kontrollieren Sie Verunreinigungselemente wie Fe und Cu streng, um spröde Phasen zu vermeiden, die die Plastizität verringern.

Angemessenheit der Homogenisierung: Sorgen Sie für eine einheitliche Zusammensetzung und Mikrostruktur des Knüppels und eliminieren Sie lokale Leistungsschwankungen.

Anpassung des Extrusionsprozesses: Kontrollieren Sie eine angemessene Extrusionstemperatur und ein angemessenes Extrusionsverhältnis, um eine ausreichende dynamische Rekristallisation und Kornverfeinerung sicherzustellen.

Abschreck-Alterungsregelung mit geschlossenem Regelkreis: Stellen Sie sicher, dass die Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken dem Standard entspricht, und steuern Sie die Temperaturgleichmäßigkeit und Haltezeit des Alterungsofens genau, um eine optimale Ausfällung der Verstärkungsphasen zu erreichen.

2. Maßgenauigkeitskontrolle

Die Maßhaltigkeit von Aluminiumprofilen wird von vielen Faktoren wie Werkzeug, Ausrüstung und Prozess beeinflusst. Zu den Kontrollpunkten gehören:

Matrizenabmessungen: Hochpräzisionsbearbeitung und Hochglanzpolieren, angemessene Lagerflächenlänge und Bullaugenstruktur entwerfen, um den Unterschied in der Metallflussgeschwindigkeit auszugleichen.

Prozessdimension: Extrusionstemperatur und -geschwindigkeit stabilisieren, um Querschnittsverformungen durch ungleichmäßige Fließgeschwindigkeit zu vermeiden; Kontrollieren Sie den Dehnungsgrad des Dehnungsglättens, um Maßabweichungen zu vermeiden.

Geräteabmessungen: Stellen Sie die Ausrichtungsgenauigkeit des Extruders und die Geradheit der Führungsschiene sicher, um Verdrehungen und Biegungen aufgrund des Gerätespiels zu reduzieren.

Die Maßgenauigkeit hochwertiger Industrieprofile kann die Güteklasse IT6~IT7 erreichen und erfüllt damit die Anforderungen der Präzisionsmontage.

3. Oberflächenqualitätskontrolle

Häufige Oberflächenprobleme sind Kratzer, Grübchen, Streifen, Blasen usw. Die wichtigsten Präventions- und Kontrollmaßnahmen sind:

Verbessern Sie die metallurgische Qualität von Knüppeln, um Gussfehler wie Poren und Einschlüsse zu reduzieren.

Warten Sie den Extrusionsbehälter und die Matrize regelmäßig, entfernen Sie Oberflächenreste und Aluminiumspäne und halten Sie die Matrizenlagerfläche in einem spiegelglatten Zustand.

Optimieren Sie die Abstimmung von Extrusionsgeschwindigkeit und -temperatur, um Oberflächenrisse aufgrund einer zu hohen Metallflussrate zu vermeiden.

Optimieren Sie die Förderstruktur des Entladetisches und des Kühlbetts, um mechanische Kratzer zu reduzieren.

4. Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeitskontrolle

Korrosionsbeständigkeit: Reduzieren Sie die Tendenz zur elektrochemischen Korrosion, indem Sie die Gleichmäßigkeit der Kornstruktur kontrollieren und grobe Zweitphasen reduzieren. In Kombination mit Oberflächenbehandlungen wie Eloxieren und elektrophoretischer Beschichtung können die Salzsprühbeständigkeit und die Säure-Base-Beständigkeit erheblich verbessert werden.

Elektrische Leitfähigkeit: Bei Aluminiumprofilen zur elektrischen Leitfähigkeit ist es notwendig, den Gehalt an Verunreinigungselementen zu kontrollieren und die Gitterverzerrung zu reduzieren; Vermeiden Sie gleichzeitig eine durch Überalterung verursachte Vergröberung der zweiten Phase, um das Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit und Festigkeit sicherzustellen.

IV. Häufige Qualitätsmängel und Präventionslösungen

V. Trends in der Technologieentwicklung der Branche

Mit der steigenden Nachfrage aus der High-End-Downstream-Fertigung entwickelt sich die Aluminium-Strangpresstechnologie weiter in Richtung hoher Präzision, hoher Leistung, geringer Karbonisierung und Intelligenz.

Integrierte Extrusion großer komplexer QuerschnitteDie Nachfrage aus Bereichen wie Chassis für neue Energiefahrzeuge und Wagenkästen für den Schienenverkehr fördert die Popularisierung von 10.000-Tonnen-Extrudern mit großer Tonnage, die eine integrierte Formung von großen dünnwandigen, porösen Hohlprofilen und komplexen Querschnittsprofilen realisieren, die traditionelle Schweißmontage ersetzen und die strukturelle Festigkeit und das Leichtgewicht verbessern.

Extrusionstechnik für hochfeste und hochzähe LegierungenDurchbrüche in der Extrusionstechnologie für hochfeste 7xxx- und 2xxx-Aluminiumlegierungen und Aluminium-Lithium-Legierungen unterstützen die Leichtbaunachfrage in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Fahrzeugen mit neuer Energie. Die Hauptschwierigkeiten liegen in der Kontrolle von Verformungsrissen und der Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Mikrostruktur. Indirekte Extrusion, isotherme Extrusion, Gradientenerwärmung und andere Technologien sind zu Standardkonfigurationen geworden.

Intelligente ExtrusionsproduktionslinienDurch digitalen Zwilling, Online-Infrarot-Temperaturmessung, visuelle Dimensionsprüfung und andere Technologien wird eine Echtzeit-Regelung der Extrusionsparameter realisiert; In Kombination mit einem KI-Algorithmus zur Optimierung des Werkzeugdesigns und der Anpassung der Prozessparameter werden manuelle Versuche und Irrtümer reduziert und die Ausbeute und Produktionseffizienz deutlich verbessert.

Grüner und kohlenstoffarmer ExtrusionsprozessFörderung energiesparender Technologien wie elektromagnetischer Induktionserwärmung und Abwärmerückgewinnung, um den Energieverbrauch im Extrusionsprozess zu senken; Entwicklung von Kurzfluss-Extrusionsprozessen, Aufhebung der Knüppel-Nacherwärmungsverbindung und direkte Nutzung der Gussabwärme für die Extrusion, wodurch der Gesamtenergieverbrauch um mehr als 30 % gesenkt werden kann.