Что такое процесс экструзии алюминия? 

Алюминиевая экструзия ценится не только за то, что из нее получаются прочные, но легкие детали, но и за гибкость и экономичность конструкции. Он используется в строительстве, аэрокосмической, автомобильной и электронной промышленности и почти везде между ними. Экструзия алюминия относится к тем процессам, которые свидетельствуют о равновесии между инновационными разработками и эффективным производством, которое вот-вот станет одной из доминирующих процедур в обрабатывающей промышленности.

Алюминий - один из самых популярных металлов в современной промышленности, который ценят за его легкий вес, прочность, долговечность и способность противостоять коррозии. Алюминий находит свое отражение в нашей жизни: в строительстве небоскребов в городах, автомобилях, на которых мы ездим, и других гаджетах, которые мы используем в повседневной жизни. Одним из наиболее важных процессов производства, обеспечивающих универсальность, является процесс экструзии алюминия.

Экструзия в широком смысле относится к методам деформации металла, при которых металл продавливается или выдавливается через фильеру подобно зубной пасте. В алюминии длинные непрерывные профили конечной, заранее определенной формы поперечного сечения формируются путем продавливания твердых блоков (известных как заготовки) через уже нагретую фильеру. Эти профили могут быть обычными стержнями, трубами или очень сложными и специально изготовленными в соответствии с требованиями конкретной отрасли.

В этой статье мы узнаем все о процессе экструзии алюминия: его историю, процесс экструзии, типы, области применения, преимущества и ограничения, а также его растущие возможности в будущем производстве.

Историческая справка

Идея экструзии как производственного процесса возникла еще в конце XVIII века. Первым известным экструдером стал британский изобретатель Джозеф Брамах, который запатентовал свой метод в 1797 году. Вместо этого он использовал процесс, в котором податливые металлы, такие как свинец, продавливались через фильеру для формирования длинных, одинаковых на вид деталей, в первую очередь труб. Предварительная подготовка к процессу экструзии была изобретением.

Вплоть до XIX века экструзия более мягких металлов сдерживалась технологией. Настоящий прорыв произошел в начале 220 века, когда были открыты экономичные способы производства алюминия. Приобретение алюминия стало возможным благодаря изобретению в 1886 году Чарльзом Мартином Холлом в США и отдельно Полем Х. Рультом во Франции процесса Холла-Герольта, который позволил снизить цены и наладить крупномасштабное производство. После изобретения алюминия ученые и производители не сразу увидели потенциал, которым обладает экструзия.

Технология экструзии алюминия начала набирать обороты в 20-х годах прошлого века, особенно активно применяясь в Европе и Северной Америке. Широкое применение она получила во время Второй мировой войны, когда промышленности потребовался легкий, но прочный материал для самолетов, военных машин и зданий. С тех пор технология линейного литья была изобретена и распространилась гораздо дальше, чем алюминиевая экструзия, впервые появившаяся в военном секторе.

Что такое экструдированный алюминий?

Экструзия алюминия - это промышленный физический метод, который используется для пластификации твердого алюминия в формы определенной длины и сечения. Идея проста: блок алюминия (заготовка) нагревается до податливой стадии и продавливается под сильным давлением стальной матрицей. При продавливании через штамп алюминий принимает форму отверстия - прямого, полого, сплошного или сложного профиля.

Аналогия, которая лучше всего подходит для экструзии, - это экструзия тюбика зубной пасты. Как зубная паста принимает форму сопла, так и экструдированный алюминий принимает форму фильеры. Преимущество экструзии алюминия заключается в возможности изготовления легких, но прочных деталей точной формы.

Полученные в результате экструдированные профили могут иметь различную длину, а также подвергаться дальнейшей обработке, включая анодирование, порошковое покрытие и финишную обработку. Все эти усовершенствования повышают эксплуатационные характеристики, улучшают износостойкость и внешний вид. Благодаря своей гибкости этот процесс стал одним из видов экструзии, к которому прибегают в различных сферах, таких как строительство, авиационная промышленность, электронная промышленность, транспорт и даже производство потребительских товаров. Это не просто процесс, а жизненно важный мост между родной нержавеющей сталью и поглощенной ею функциональностью, которая определяет современное машиностроение и высокое строительство.

Поэтапный процесс экструзии алюминия

Определение характеристик профиля и выбор сплава

• Инженеры оптимизируют поперечное сечение (форму) и допуски, а затем выбирают сплав (например, сплав 6xxx для использования в архитектурных или автомобильных приложениях), который обеспечивает баланс между прочностью, коррозионной стойкостью, обрабатываемостью и чистотой.
• Первоначальные решения относительно конструкции штампа, загрузки пресса, способа термообработки и стоимости диктуются альтернативными вариантами.

Отливка и крещение заготовки

• Заготовки (цилиндры) из алюминия вырезаются из длинных бревен.
• Чтобы преодолеть эти внутренние различия в микроструктуре, заготовки подвергаются процессу гомогенизации (тепловой выдержки) для выравнивания внутренней микроструктуры, что помогает выровнять поток в процессе экструзии и уменьшить такие проблемы, как появление разрывов на боковых поверхностях.

Скальп или пила Проверьте заготовку

• Внешний металл заготовки может быть скальпирован (снят тонкий металл) для удаления поверхностных включений.
• Длина пресса обрезается в соответствии с его возможностями; поверхности проверяются на отсутствие трещин и пористости.

Нагрейте заготовку

• Заготовки нагреваются до нормальной температуры 400-500 °C (в зависимости от сплава), при этом металл размягчается, но не плавится.
• Правильная температура сводит к минимуму образование гребней, гарантирует поток и поддерживает постоянное давление, а также обеспечивает хорошее качество поверхности.

Изготовление штампов и оснастки

• Штамп из закаленной стали ("форма" поперечного сечения) подготавливается, полируется и предварительно нагревается (часто ~430-500 °C), чтобы уменьшить тепловой удар и способствовать равномерному течению металла.
• Инструментарий - это бекеры, болтеры и глухой блок, где плунжер ударяется о поверхность заготовки.

Смажьте и подготовьте пресс

• Контейнер, матрица и макетный блок предварительно обрабатываются; наносится подходящая смазка (графит, стекло или специальные смазки в зависимости от сплава/процесса).
• Оценка правильности выравнивания позволит уменьшить линии штампа, эксцентриситет и несимметричный износ подшипников.

Загрузка заготовок и контроль качества Запуск пресса

• Горячая заготовка помещается в контейнер пресса.
• При прямой экструзии плунжер вынужден проталкивать заготовку через неподвижную поверхность фильеры; при непрямой экструзии происходит прижатие неподвижной фильеры к неподвижной заготовке (трение уменьшается, а поверхность становится лучше).

Прорывная экструзия, стабильная

• Прорыв - это начальный момент, при котором металл приобретает форму профиля. Операторы: Операторы стабилизируют скорость движения плунжера (обычно порядка мм/с) и давление, а также поддерживают размеры и качество поверхности.
• Постоянный поток необходим, так как слишком высокая скорость может привести к разрыву, а слишком низкая - к холодным кругам или подбору штампа.

Подборочка на столе

• Непрерывный профиль извлекается из матрицы и укладывается на стол для раскатки. Под профиль подкладывается съемник для предотвращения провисания и скручивания.
• Правильная опора не изгибается (не прогибается) и не имеет смещения размеров.

Быстрое охлаждение (немедленная закалка)

• Термообрабатываемые сплавы могут быть охлаждены до получения желаемой микроструктуры путем закалки профиля сразу после выхода из него воздухом, туманом, спреем или водой.
• Интенсивность закалки выбирается для поддержания баланса между потенциалом прочности и контролем искажений.

Температура обработки для охлаждения

После закалки профили охлаждаются на столе до тех пор, пока их можно обрабатывать без отпечатков и деформации.

Мягкое, контролируемое охлаждение сводит к минимуму остаточное напряжение.

Растяжка / выпрямление

• Профили удлиняются (обычно ~0,5-процентная деформация) для устранения изгибов, скручивания и остаточных напряжений.
• Этот процесс выпрямляет и закрепляет прямолинейность, а также сохраняет стабильность размеров деталей после обработки.

Уменьшение длины

• В зависимости от желаемой длины длинная прядь распиливается на отрезки коммерческой длины (например, 3 м или 8 м) или на отрезки, близкие к сетке, которые впоследствии подвергаются более тщательной обработке.
• Концы маркируются и отслеживаются с помощью индикации.

Термообработка (при необходимости)

• T5: Проведите испытание на резку после закалки и не наносите ничего (возрастная закалка). Обычный отжиг происходит при температуре 160 8200 градусов Цельсия в течение нескольких часов (рецепты зависят от сплава/спецификации).
• Термическая обработка раствором (500-545 °C (зависит от сплава), быстрая закалка, затем искусственное старение (160-190 °C) для получения более высокой прочности.
• Рецепты оптимизированы для интересующего вас свойства и искажения.

Отделка поверхности (опционально)

• Анодирование образует защитное, коррозионностойкое покрытие из закаленного оксида (которое может быть прозрачным или цветным).
• Внешнее покрытие порошковой краской или лаком обеспечивает цвет и дополнительную защиту.
• Механическая отделка (браширование, полировка, дробеструйная обработка) изменяет внешний вид и ощущения.

Обработка и изготовление (по мере необходимости)

Профили обрабатываются на станках с ЧПУ, перфорируются, сверлятся, нарезаются резьбой или гнутся.

Приспособления обеспечивают повторяемость контроля допусков на тонких или сложных участках.

Испытания и контроль качества

• Двухмерные инспекции: толщина стенок, ширина/высота, прямолинейность, изгиб, плоскостность и расположение отверстий.
• Проверка поверхности: линии штампа, пикировка, дребезг, апельсиновая корка, ямки, разводы.
• Механические испытания: твердость, растяжение/упругость/удлинение (согласно спецификации), адгезия покрытий и анодная толщина пленки.
• Металлография и электропроводность: Испытания проводятся там, где этого требуют авиационные/автомобильные стандарты.

Тюнинг и обслуживание штампов

Если контроль размеров или качество поверхности не поддаются контролю, длина подшипников и баланс потока могут быть изменены; штампы могут быть отполированы и, если это абсолютно не требуется, азотированы; штампы полируются и очищаются.

• Хорошая диета увеличит срок службы и постоянство.
• Обработка и переработка лома
• Обрезки заготовок (проталкиваемые концы заготовок, которые не могут быть проточены) и обрезки обрезков восстанавливаются сплавом и перерабатываются.
• Экструзия очень экологична, так как отходы возвращаются в литье.

Упаковка и логистика

• Профили упаковываются в пленку, укладываются на стеллажи, а затем защищаются прокладками/пленками, чтобы избежать повреждений и потертостей при транспортировке.
• Для обеспечения полной прослеживаемости на этикетках записывается информация о сплаве, закалке, партии и термообработке.

Почему каждый шаг имеет значение

• Контроль температуры (потока, корпуса, емкости) - это мера контроля расхода.
• Закалка и выдержка - это предельные механические свойства
• Профили чистые, с жесткими допусками, обработанные и, в некоторых случаях, вытянутые.
• Техническое обслуживание и переработка лома осуществляются по конкурентоспособным ценам, а сам процесс является экологически чистым.
• Нормальные параметры (до консультации): заготовка400-500C; предварительный нагрев в штампе 430-500C; термообработка раствором 500-545C, старение 160-200C. Реальные значения зависят от сплава, геометрии профиля, размера и спецификации пресса.

Компоненты, используемые при экструзии алюминия

Экструзия алюминия предполагает выбор правильного алюминиевого сплава, отвечающего механическим, термическим и коррозионным требованиям. Свойства, необходимые для различных отраслей промышленности, отличаются, поэтому выбор сплавов определяется прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью и возможностью термообработки.

Серия 1000 (практически чистый алюминий)

• Состав: Алюминий 99%+
• Преимущества: Прекрасное антикоррозийное свойство, хорошая тепло- и электропроводность, мягкость и пластичность
• Приложения: Электротовары, химическое оборудование, архитектурные декоративные ленты

Серия 3000 (сплавы Al-Mn)

• Преимущества: Материал хорошо противостоит коррозии, обладает умеренной прочностью и хорошо формуется
• Приложения: Кровля, сайдинг, водостоки, банки для напитков, архитектурные панели

Серия 5000 (Al-Mg сплавы)

• Преимущества: Хорошая устойчивость к коррозии, средняя прочность (высокая) коррозионная стойкость, не поддается термообработке
• Приложения: Морские, автомобильные опорные панели, транспорт, резервуары для хранения химикатов

Серия 6000 (сплавы Al-Mg-Si)

• Преимущества: Отличное соотношение прочности и веса, способность противостоять коррозии, возможность термообработки
• Приложения:  Изделия аэрокосмической конструкции, автозапчасти, архитектурные экструзии, перила и оконные рамы

Серия 7000 (сплавы Al-Zn-Mg-Cu)

• Характеристики: высокопрочная, с умеренной коррозионной стойкостью, поддается термообработке
• Приложения: конструктивные детали, подвергающиеся высоким нагрузкам, высокопроизводительные спортивные аксессуары

Allothers Speciality Alloys

• Подгонянный: Используется для определения теплопроводности, электропроводности или декорирования
• Применение: Электронные радиаторы, различные транспортные детали, необычные архитектурные решения.
• Примечание: Выбор сплава влияет на температуру экструзии, конструкцию пресс-формы и последующую термообработку.

Чтобы сохранить схожесть состава, перерабатываемый алюминиевый лом, содержащий тот же сплав, часто используется повторно.

Краткая справочная таблица материалов для экструзии алюминия

Ниже приведена техническая таблица вероятных распространенных алюминиевых сплавов, используемых в экструзии, основные свойства и установленные параметры экструзии:

Виды алюминиевой экструзии 

Процесс экструзии алюминия может осуществляться различными способами, и это зависит от необходимой прочности изделия, морфологии формы и эффективности производства. В основном это такие виды:

• Горячая экструзия: Это самый распространенный способ, при котором алюминиевые заготовки нагреваются до температуры 400-500 °C и продавливаются через штамп. В результате нагрева металл становится мягким, а значит, течет свободно и с меньшим давлением. С его помощью можно изготовить широкий спектр профилей, используемых в строительстве, автомобилестроении и общем машиностроении.
• Холодная экструзия: При комнатной температуре или близкой к ней этот метод предполагает более высокую нагрузку, но более прочные изделия, которые имеют более тонкую обработку и более точные размеры. Он находит широкое применение в таких отраслях, как электроника и аэрокосмическая промышленность, и состоит из прецизионных компонентов.
• Прямая экструзия: Здесь заготовка и плунжер движутся в одном направлении, продавливая алюминий через матрицу. Это простой и удобный метод, который применяется чаще всего.
• Непрямая экструзия: В этом случае штамп движется в направлении, противоположном движению заготовки. Это минимизирует трение и повышает однородность, обеспечивая более гладкие поверхности и увеличивая срок службы инструмента.
• Ударная экструзия: Она широко применяется при производстве тонких и полых изделий, например, банок, труб и корпусов, а также при ударной экструзии для придания формы алюминию с использованием высоких скоростей.

Применение алюминиевой экструзии

1. Строительство и архитектура

Алюминиевые экструзии обычно используются в строительстве в таких областях, как оконные рамы, навесные фасады, кровля, разделение и перила. Они долговечны, могут быть анодированы или покрыты порошковой краской и эстетически привлекательны.

2. Автомобильная промышленность

Значительная часть экструдированного алюминия, связанная с безопасностью, используется в системах управления при столкновениях, бамперах, рейлингах и элементах шасси. Эти компоненты делают автомобили легче и обеспечивают прочность конструкции, а значит, повышают топливную экономичность и безопасность пассажиров.

3. Аэрокосмический сектор

Другие области применения алюминиевых экструзий в аэрокосмической промышленности включают в себя полозья сидений самолета, конструкцию фюзеляжа и внутреннюю структуру салона. Они играют важную роль в обеспечении безопасности авиаперевозок, поскольку отличаются надежностью и стабильностью.

4. Электроника и электротехника

Алюминий также обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет использовать его экструзию в теплоотводах, корпусах и кабелеукладчиках. Они помогают в нагреве такого оборудования, как компьютеры, светодиодные системы и промышленная электроника.

5. Транспорт и железные дороги

В качестве примера можно привести экструзии, используемые в вагонах поездов, системах метро и морских сооружениях, благодаря их прочности, легкости и устойчивости к суровым условиям, в которых они оказываются.

6. Товары народного потребления

Повседневные изделия, такие как мебель, спортивное оборудование, лестницы и кухонная техника, обычно изготавливаются с использованием экструдированных алюминиевых профилей, обеспечивающих долговечность, удобство в обращении и внешний вид.

Преимущества алюминиевой экструзии 

1. Гибкость конструкции

Экструзия алюминия позволяет создавать формы и профили, которые в других условиях были бы сложными или немыслимыми и не могли бы быть созданы с помощью других производственных процессов. Поперечные сечения также могут быть подобраны таким образом, чтобы соответствовать определенным функциональным или эстетическим требованиям.

2. Сильный и легкий вес

Соотношение прочности и веса алюминия очень хорошее, и экструдированные детали из этого металла прочные и не тяжелые. Это особенно полезно в автомобильной, аэрокосмической и транспортной промышленности, где легкость приводит к повышению эффективности и производительности.

3. Устойчивость к коррозии

Алюминий имеет естественный защитный слой, образующийся в результате образования оксидов, а на экструзии можно наносить анодирование и порошковое покрытие, что еще больше увеличивает прочность и срок службы изделий, которые постоянно находятся на открытом воздухе или в других суровых условиях.

4. Экономическая эффективность

Экструзия обеспечивает массовое производство стандартных профилей высокоэффективным и экономичным способом с минимальными потерями материала. Переработка алюминиевого лома в процессе производства также снижает расходы.

5. Устойчивость

Алюминий может быть переработан на 100 процентов без потери своих свойств. В процессе экструзии используются остатки заготовок и лома, которые могут быть использованы повторно для обеспечения экологичности производства.

6. Разнообразие в отраслях

Экструдированный алюминий находит применение в строительстве, автомобилестроении, аэрокосмической промышленности, электронике и потребительских товарах, что делает его одним из самых гибких материалов для решения различных инженерных задач.

Ограничения алюминиевой экструзии

Как и в любом другом процессе, в экструзии есть свои сложности:

• Затраты на запуск: Изготовление штампов - это сложный и дорогостоящий процесс.
• Ограничение по размеру: Очень большие детали могут оказаться непрактичными с точки зрения возможностей пресса.
• Дефекты поверхности: Плохой контроль температуры или давления может привести к появлению трещин или неравномерному покрытию.
• Потеря материальных отходов: В процессе экструзии происходит потеря части материала заготовки.

Несмотря на эти недостатки, научные исследования и технологические разработки постоянно снижают негативные последствия.

Будущее и алюминий с инновациями в области алюминиевой экструзии

Заводы по экструзии алюминия меняются под влиянием технологических изменений. Среди тенденций стоит отметить рост членства в Коммунистической партии Китая.

• Робототехника и автоматизация: Робототехника и автоматизация становятся основой точной обработки, позволяя отказаться от человеческих действий.
• Передовые сплавы: Достижения в области создания более прочных и специфических алюминиевых сплавов расширяют сферу их применения.
• Устойчивые практики: Повышение уровня переработки и эффективного использования энергии при экструзии.
• Экструзионная 3D-печать: Это сочетание экструзии и аддитивного производства для быстрого создания прототипов.

Поскольку промышленности требуются легкие, прочные и экологичные материалы, алюминиевая экструзия становится еще более активным участником мировой экономики.

Заключение

Технологии экструзии алюминия составляют основу современного производства и используются для создания прочных, легких и универсальных деталей и компонентов, применяемых в самых разных отраслях. С помощью специализированных фильер производители могут экструдировать сильно нагретые заготовки алюминия в непрерывные профили, имеющие очень точные размеры и сложную форму. Процесс может быть очень гибким, и с его помощью можно изготавливать как простые прутки или трубы, так и сложные архитектурные или автомобильные профили.

Экструзия имеет следующие основные преимущества: Гибкость дизайна: Экструзия позволяет создавать широкий спектр конструкций. Прочность и вес: Экструдированный материал обеспечивает высокое соотношение прочности и веса. Коррозионная стойкость: Экструзия позволяет получать материалы с высокой коррозионной стойкостью. Экономичность: экструзия экономична. Переработка: экструзия может быть использована повторно. Экструзия применяется во множестве областей: строительстве, транспорте, аэрокосмической промышленности, электронике и потребительских товарах, что свидетельствует о ее важности в повседневной жизни и промышленных инновациях.

Хотя у экструзии алюминия есть и недостатки, особенно стоимость исходных фильер и ограничение по размерам, благодаря постоянным усилиям по автоматизации, разработке сплавов и контролю процессов потенциал этой формы производства растет. Поскольку промышленность все больше ориентируется на легкие, прочные и экологически чистые продукты, экструзия алюминия становится ключевым игроком, занимающим лидирующие позиции в отрасли.

Часто задаваемые вопросы 

1. В чем заключается принцип экструзии алюминия?

Это позволяет изготавливать длинные алюминиевые конструкции определенной формы для обеспечения точности, прочности и легкости конкретного приложения.

2. В каких отраслях часто используется алюминиевая экструзия?

Экструдированные алюминиевые детали широко используются в строительстве, автомобильной, аэрокосмической, электронной, транспортной промышленности и производстве потребительских товаров.

3. В чем отличие между горячей и холодной экструзией?

При горячей экструзии используются более теплые заготовки для обеспечения более легкой ликвидности платформы, в то время как холодная экструзия осуществляется при температуре, близкой к комнатной, что позволяет получать более сложные и тонко настроенные профили.

4. Подлежит ли алюминиевая экструзия вторичной переработке?

Алюминий может быть переработан полностью, без снижения качества, а материал, потерявший при экструзии, может быть переработан эффективно.