L’extrusion d’aluminium est un processus de formage de plastique essentiel dans la chaîne industrielle de transformation de l’aluminium. Elle produit des profilés architecturaux et industriels avec des formes et des dimensions prédéfinies en appliquant une pression axiale sur les billettes en alliage d'aluminium pour les forcer à travers les cavités de la filière. Ce processus se caractérise par une utilisation élevée des matériaux, une efficacité de formage élevée et une microstructure de produit dense, et ses produits sont largement utilisés dans la construction, le transport ferroviaire, les véhicules à énergies nouvelles, l'électricité et l'électronique, l'aérospatiale et d'autres domaines. La correspondance des paramètres du processus d'extrusion et du contrôle du processus détermine directement la microstructure, les propriétés mécaniques, la précision dimensionnelle et la qualité de surface des profilés extrudés, ce qui reflète de manière concentrée la capacité technique de base des entreprises de transformation de l'aluminium.
I. Flux du processus d'extrusion de noyau et liens clés
L'extrusion d'aluminium est un processus systématique avec une collaboration multi-processus, qui peut être divisé en trois étapes : le prétraitement des billettes, le formage par extrusion et le traitement post-extrusion. La précision du processus de chaque maillon détermine conjointement la qualité du produit final.
1. Processus de prétraitement des billettes
(1) Traitement d'homogénéisation
Lors de la coulée semi-continue, les lingots d'alliage d'aluminium sont sujets à des défauts de microstructure tels que la ségrégation intragranulaire, des secondes phases grossières et des contraintes internes concentrées. L'extrusion directe entraînera une résistance à la déformation inégale, une mauvaise qualité de surface et d'importantes fluctuations de performances. Le traitement d'homogénéisation consiste à chauffer la billette à une température inférieure à la ligne solidus et à la maintenir pendant une longue période (pour les alliages de la série 6xxx, généralement entre 540 et 580 degrés, pendant 4 à 12 heures). Il élimine la ségrégation de la composition par diffusion atomique, dissout et précipite les composés intermétalliques grossiers, améliorant considérablement la plasticité et l'uniformité de la déformation de la billette, condition préalable pour garantir la qualité de l'extrusion.
(2) Préchauffage des billettes et des matrices
La température de chauffage des billettes doit être réglée en fonction du système d'alliage : 460 ~ 530 degrés pour les alliages d'aluminium corroyé 6xxx et 400 ~ 480 degrés pour les alliages d'aluminium à haute résistance 7xxx. Le principe est d'assurer une bonne plasticité de l'alliage tout en évitant une surcombustion. Pendant ce temps, le conteneur d'extrusion et la filière doivent être préchauffés de manière synchrone. La température de la matrice est généralement inférieure de 10 à 30 degrés à la température de la billette, afin de réduire l'augmentation soudaine de la résistance de formage et le choc thermique de la matrice provoqué par la chute de température.
2. Processus de formage par extrusion
Selon les caractéristiques d'écoulement et de contrainte du métal, les procédés d'extrusion traditionnels sont divisés en trois catégories, s'adaptant aux différents positionnements des produits :
Extrusion directe: Le procédé le plus utilisé. La billette avance avec la tige d'extrusion et la direction du flux de métal est cohérente avec la tige d'extrusion. Il se caractérise par un fonctionnement simple et un changement de matrice pratique, mais présente une grande résistance au frottement sur la paroi du conteneur et il existe certaines différences de microstructure et de propriétés entre la tête et la queue du profilé.
Extrusion indirecte: La filière se déplace de manière synchrone avec la tige d'extrusion. Il n'y a pas de glissement relatif entre le métal et le récipient d'extrusion, ce qui entraîne une faible résistance au frottement, une déformation uniforme et une faible force d'extrusion. Il convient aux alliages à haute résistance et aux profilés industriels de haute précision, mais la structure de l'équipement est complexe et le coût de maintenance est élevé.
Extrusion Isotherme: En préréglant le gradient de température axial de la billette et en régulant la vitesse d'extrusion en temps réel, la température du métal dans la zone de déformation est maintenue constante. Il résout complètement la contradiction de couplage entre la vitesse et la température et réalise une microstructure et des propriétés uniformes sur toute la longueur du profilé. Il s’agit du procédé courant pour les profils industriels haut de gamme.
Le paramètre central du processus d'extrusion est lerapport d'extrusion(le rapport entre la surface de la section transversale du conteneur d'extrusion et la surface de la section transversale du profilé), qui reflète le degré de déformation. Le taux d'extrusion des profilés architecturaux est généralement de 20 à 50 et celui des profilés structurels industriels peut atteindre 50 à 100. Un taux d'extrusion insuffisant entraînera un faible effet de raffinement du grain et une faible résistance, tandis qu'un rapport excessif est limité par le tonnage de l'équipement et la résistance de la matrice.
3. Processus de traitement post-extrusion
(1) Trempe en ligne
La température du profilé sortant de la filière est proche de la température de traitement de la solution, il doit donc être refroidi et trempé immédiatement pour que les éléments d'alliage se dissolvent dans la matrice d'aluminium dans un état sursaturé, créant ainsi les conditions d'un renforcement ultérieur par vieillissement. Les méthodes de refroidissement sont divisées en trois catégories : refroidissement par air, refroidissement par brouillard d'eau et refroidissement par eau, correspondant aux différentes températures du produit :
Tempérament T5: Adoptant un refroidissement par air ou par brouillard d'eau avec un taux de refroidissement modéré, combiné à un vieillissement artificiel ultérieur, il a une bonne précision de formage et est largement utilisé dans les profils décoratifs architecturaux.
humeur T6: Adoptant de l'eau chaude ou une forte trempe par brouillard d'eau avec un taux de refroidissement rapide et un traitement de solution suffisant, il a une résistance plus élevée après vieillissement et est utilisé pour les profils industriels porteurs.
La vitesse de refroidissement doit correspondre à la composition de l'alliage : un refroidissement insuffisant entraînera une précipitation prématurée de la deuxième phase et réduira l'effet de renforcement par vieillissement ; un refroidissement excessif générera facilement des contraintes internes importantes, provoquant une déformation et une fissuration du profilé.
(2) Lissage et finition par étirement
Le profilé trempé présente des contraintes internes résiduelles et des défauts de flexion/torsion. Une déformation en traction de 0,5 % à 2 % est appliquée par une civière pour éliminer les contraintes et corriger la rectitude et la précision dimensionnelle. Ensuite, le sciage à longueur fixe, le vieillissement artificiel et le traitement de surface (anodisation, revêtement électrophorétique, revêtement en poudre, etc.) sont effectués selon les besoins.
(3) Vieillissement artificiel
Le vieillissement artificiel est le processus central qui consiste à chauffer le profilé à une température définie et à le maintenir, de sorte que la solution solide sursaturée précipite des phases de renforcement à l'échelle nanométrique, améliorant ainsi considérablement la résistance. Les processus typiques incluent : le vieillissement T5 de l'alliage 6063 à 170~180 degrés pendant 6~8 heures ; Vieillissement T6 de l'alliage 6061 à 175 degrés pendant 8 à 10 heures. Le contrôle précis de la température et du temps de vieillissement est le principal moyen d’ajuster l’adéquation de la résistance et de la plasticité.
II. Mécanisme des paramètres de processus sur la microstructure et les propriétés
Le procédé d'extrusion est un procédé de déformation à chaud avec couplage multi-champs de température, vitesse et déformation. Les paramètres du procédé déterminent finalement la microstructure et les propriétés du profil en modifiant le comportement de recristallisation et l'état de précipitation de la deuxième phase.
1. Paramètre de température
L'augmentation de la température de la billette améliorera la plasticité de l'alliage et réduira la résistance à la déformation, ce qui favorise la formation de sections transversales complexes. Cependant, lorsque la température dépasse la valeur critique, elle provoque un grossissement des grains, une recristallisation excessive et même des défauts de combustion excessive, entraînant une baisse abrupte des propriétés mécaniques. Dans le même temps, le travail de déformation plastique lors de l’extrusion sera converti en chaleur, rendant la température de sortie de filière du profilé nettement plus élevée que la température initiale de la billette. Plus la vitesse d’extrusion est rapide, plus l’effet d’augmentation de la température est évident, ce qui constitue la principale difficulté du contrôle des processus.
2. Vitesse d'extrusion
La vitesse d'extrusion doit être adaptée de manière dynamique à la température : une vitesse trop rapide entraînera une chaleur de déformation concentrée, des défauts de surface tels que des déchirures et une peau d'orange sur le profil, et une grande différence de température entre le noyau et la surface, entraînant une microstructure et des propriétés inégales ; une vitesse trop lente entraînera une faible efficacité de production et le profil restera longtemps dans la zone de température élevée, ce qui est sujet à la croissance des grains recristallisés. L'industrie adopte généralement la stratégie correspondante « basse température + extrusion rapide » ou « haute température + extrusion lente », et combine la technologie d'extrusion isotherme pour atteindre l'équilibre entre efficacité et qualité.
3. Degré de déformation
Selon la théorie de la déformation plastique, l'augmentation du taux d'extrusion augmentera la densité de dislocation, favorisera la recristallisation dynamique, affinera la structure des grains et améliorera les propriétés globales de résistance et de plasticité du profil. Lorsque le taux d'extrusion est inférieur à 10, l'effet de raffinement du grain n'est pas évident et des défauts d'anneaux de grains grossiers sont susceptibles de se produire ; un taux d'extrusion excessif entraînera une forte augmentation de la force d'extrusion, qui est limitée par le tonnage de l'équipement et la résistance de la matrice.
4. Régime de trempe et de vieillissement
La vitesse de refroidissement par trempe détermine directement le degré de traitement de la solution : plus la vitesse de refroidissement est rapide, plus la concentration de la solution solide sursaturée est élevée et plus les phases de renforcement précipitées après vieillissement sont dispersées, ce qui entraîne une résistance plus élevée. Pour les alliages de la série 6xxx, la vitesse de refroidissement critique est d'environ 1 à 5 degrés/s. En dessous de cette valeur, la phase Mg₂Si précipite par avance et perd son effet fortifiant.
Le processus de vieillissement détermine l'état de précipitation des phases de renforcement : un sous-vieillissement conduit à une précipitation insuffisante des phases de renforcement et à une faible résistance ; le vieillissement maximal atteint la résistance maximale mais avec une plasticité diminuée ; un vieillissement excessif entraîne un grossissement des phases de renforcement, une résistance réduite et une plasticité améliorée. Le régime correspondant doit être sélectionné en fonction des exigences de performance du produit.
III. Méthodes de contrôle précises pour les indicateurs de performance de base
Le contrôle des performances des produits extrudés en aluminium se concentre sur quatre dimensions principales : les propriétés mécaniques, la précision dimensionnelle, la qualité de surface, la résistance à la corrosion et la conductivité électrique.
1. Contrôle des propriétés mécaniques
Les propriétés mécaniques (résistance à la traction, limite d'élasticité, allongement après rupture) sont les principaux indicateurs des profilés industriels. Le chemin de contrôle complet du processus comprend :
Contrôle des sources de composition: Contrôler avec précision la teneur en éléments de renforcement dans l'alliage, par exemple en contrôlant la teneur totale en Mg et Si et le rapport Mg/Si dans les alliages de la série 6xxx pour assurer une formation suffisante de phase de renforcement Mg₂Si ; contrôler strictement les éléments d'impuretés tels que Fe et Cu pour éviter les phases fragiles réduisant la plasticité.
Adéquation de l’homogénéisation: Assurer une composition et une microstructure uniformes de la billette et éliminer les fluctuations locales des performances.
Correspondance du processus d'extrusion: Contrôlez la température d'extrusion et le rapport d'extrusion raisonnables pour assurer une recristallisation dynamique et un raffinement du grain suffisants.
Contrôle en boucle fermée de trempe et de vieillissement: Assurez-vous que le taux de refroidissement de trempe répond à la norme et contrôlez avec précision l'uniformité de la température et le temps de maintien du four de vieillissement pour obtenir une précipitation optimale des phases de renforcement.
2. Contrôle de précision dimensionnelle
La précision dimensionnelle des profilés en aluminium est affectée par de nombreux facteurs tels que la matrice, l'équipement et le processus. Les points de contrôle comprennent :
Dimension de la matrice : adoptez un usinage de haute précision et un polissage miroir, concevez une longueur de roulement raisonnable et une structure de hublot pour compenser la différence de vitesse d'écoulement du métal.
Dimension du processus : stabiliser la température et la vitesse d'extrusion pour éviter la déformation transversale causée par un débit inégal ; contrôler la quantité d'étirement du redressage par étirement pour éviter les écarts dimensionnels.
Dimension de l'équipement : assurez la précision de l'alignement de l'extrudeuse et la rectitude du rail de guidage pour réduire la torsion et la flexion causées par le dégagement de l'équipement.
La précision dimensionnelle des profilés industriels haut de gamme peut atteindre le niveau IT6~IT7, répondant aux exigences d'assemblage de précision.
3. Contrôle de la qualité des surfaces
Les problèmes de surface courants comprennent les rayures, les piqûres, les stries, les cloques, etc. Les principales mesures de prévention et de contrôle sont les suivantes :
Améliorer la qualité métallurgique des billettes pour réduire les défauts de coulée tels que les pores et les inclusions.
Entretenez régulièrement le conteneur d'extrusion et la matrice, nettoyez les débris de surface et les copeaux d'aluminium et maintenez le support de la matrice dans un état miroir.
Optimisez l'adéquation de la vitesse et de la température d'extrusion pour éviter les déchirures de surface causées par un débit de métal excessif.
Optimisez la structure de transport de la table de déchargement et du lit de refroidissement pour réduire les rayures mécaniques.
4. Résistance à la corrosion et contrôle de la conductivité électrique
Résistance à la corrosion : réduire la tendance à la corrosion électrochimique en contrôlant l'uniformité de la structure des grains et en réduisant les secondes phases grossières ; combinée à des traitements de surface tels que l'anodisation et le revêtement électrophorétique, la résistance au brouillard salin et la résistance acide-base peuvent être considérablement améliorées.
Conductivité électrique : Pour les profilés en aluminium destinés à la conduction électrique, il est nécessaire de contrôler la teneur en impuretés et de réduire la distorsion du réseau ; en même temps, évitez le grossissement de la deuxième phase provoqué par un vieillissement excessif, afin d'assurer l'équilibre entre conductivité et résistance.
IV. Défauts de qualité courants et solutions de prévention
| Type de défaut | Cause fondamentale | Solution de prévention et de contrôle |
|---|---|---|
| Cloques superficielles/desquamation | Pores et cavités de retrait dans les billettes ; huile résiduelle ou copeaux d'aluminium dans le conteneur d'extrusion | Améliorer la qualité du moulage des billettes ; nettoyer le récipient d'extrusion et la matrice avant l'extrusion ; contrôler la température de chauffage des billettes pour éviter une combustion excessive |
| Anneau à gros grains / grossissement des grains | Température d'extrusion trop élevée ; taux d'extrusion trop faible ; degré de déformation insuffisant | Réduire la température des billettes et des matrices ; augmenter le taux d'extrusion ; optimiser la vitesse d'extrusion pour inhiber la croissance des grains de recristallisation |
| Propriétés mécaniques non qualifiées | Vitesse de refroidissement par trempe insuffisante ; déviation du régime de vieillissement; ségrégation de composition | Augmenter l'intensité du refroidissement par trempe ; calibrer l'uniformité de la température du four vieillissant ; assurer une homogénéisation suffisante des billettes |
| Torsion / pliage de profil | Conception déraisonnable du terrain de support de matrice ; débit de métal irrégulier ; mauvais étirement, redressement | Optimiser les hublots de matrice et les terrains d'appui ; ajuster la température et la vitesse d'extrusion ; contrôler avec précision la quantité et la direction de l'étirement |
| Rayures de surface/marques de traînée | Usure du support de matrice ; saillies dures sur la table de déchargement et le lit de refroidissement | Polir ou remplacer les matrices régulièrement ; nettoyer les surfaces de contact des équipements de transport ; optimiser la structure du guide de décharge |
V. Tendances du développement technologique de l'industrie
Avec l'augmentation de la demande de la fabrication haut de gamme en aval, la technologie d'extrusion d'aluminium continue d'évoluer vers une haute précision, des performances élevées, une faible carbonisation et une intelligence.
Extrusion intégrée de grandes sections complexesLa demande dans des domaines tels que les châssis de véhicules à énergie nouvelle et les carrosseries de wagons de transport ferroviaire favorise la popularisation des extrudeuses de grand tonnage de 10 000 tonnes, réalisant le formage intégré de grands profils creux poreux à parois minces et à section transversale complexe, remplaçant l'assemblage de soudage traditionnel et améliorant la résistance structurelle et le niveau de légèreté.
Technologie d'extrusion pour alliages à haute résistance et haute ténacitéLes percées dans la technologie d'extrusion pour les alliages d'aluminium à haute résistance 7xxx, 2xxx et les alliages aluminium-lithium répondent à la demande de légèreté des véhicules aérospatiaux et à énergies nouvelles. Les principales difficultés résident dans le contrôle des fissures de déformation et l’amélioration de l’uniformité de la microstructure. L'extrusion indirecte, l'extrusion isotherme, le chauffage par gradient et d'autres technologies sont devenues des configurations standards.
Lignes de production par extrusion intelligentesGrâce au jumeau numérique, à la mesure de la température infrarouge en ligne, à l'inspection visuelle des dimensions et à d'autres technologies, un contrôle en boucle fermée en temps réel des paramètres d'extrusion est réalisé ; combiné à un algorithme d'IA pour optimiser la conception des matrices et la correspondance des paramètres de processus, les essais et erreurs manuels sont réduits et le rendement et l'efficacité de la production sont considérablement améliorés.
Processus d'extrusion vert et à faible teneur en carbonePromouvoir les technologies d'économie d'énergie telles que le chauffage par induction électromagnétique et la récupération de la chaleur résiduelle pour réduire la consommation d'énergie dans le processus d'extrusion ; développer des processus d'extrusion à court débit, annuler le lien de réchauffage des billettes et utiliser directement la chaleur résiduelle de coulée pour l'extrusion, ce qui peut réduire la consommation d'énergie globale de plus de 30 %.
