Aluminium warmtebehandelen

Extrusie van aluminium

door Ellen Vaders | sep 27, 2016 | aluminium expertise, extruderen, extrusie, kneedlegering, legeringskeuze, profiel, toestand

Aluminium extrusie: thermomechanisch omvormen van aluminium

Aluminium extrusie is een plastisch vormgevingsproces waarin een voorverwarmd stuk aluminium, de billet, wordt omgevormd tot een langwerpig halffabrikaat met een constante dwarsdoorsnede, het profiel. De aluminium billet wordt daarbij door een plunjer met grote kracht door een één of meer matrijsopeningen geperst. De vorm van de opening in de matrijs bepaalt de profielvorm.

Extrusie is een veelzijdig proces waarmee een scala aan productvormen kan worden gerealiseerd. Met extrusie kunnen bijvoorbeeld kleine profielen met een typische afmetingen van enkele millimeters en een gewicht van enkele grammen per meter worden geproduceerd tot en met extreem grote en zware profielen met typische afmetingen van circa 1 meter en een gewicht van meer dan 100 kg/m. Profielen kunnen onderverdeeld worden in volprofielen en holle profielen. Bij volprofielen is de vorm vastgelegd door de buitencontour van het profiel. In holprofielen zijn er daarnaast één of meer holtes in de profieldoorsnde, een holle ruimte omsloten door aluminium. Veel van de aluminium kneedlegeringen kunnen door extrusie gevormd worden.

Legeringen

De legeringen voor extrusie zijn onderverdeeld in niet-verouderbare legeringen en legeringen die na extrusie kunnen worden warmte behandeld, veelal met als doel een verhoging van de sterkte. De verschillende legeringen hebben specifieke toevoegingen om de eigenschappen van met materiaal te beïnvloeden. De verschillende hoofdlegeringsgroepen worden toegelicht in de online aluminium training. De legeringselementen hebben effect op de extrudeerbaarheid. Zo heeft bijvoorbeeld de toevoeging van magnesium een sterk negatief effect op het vloeigedrag. Er is dan een hogere perskracht nodig om het materiaal te vervormen. Ook zal de toevoeging van legeringselementen het materiaal eerder doen smelten als de temperatuur oploopt. In de tabel is de verwerkbaarheid van veel voorkomende extrusielegeringen weergegeven, gerangschikt op basis van de relatieve extrudeerbaarheid ten opzicht van de zeer veel toegepaste legering EN-AW 6060.

Proces

Aluminium extrusie is een thermomechanisch vormgevingsproces. Dat wil zeggen dat het omvormen van de billet gebeurt door vervorming van het materiaal bij verhoogde temperatuur. De verhoogde temperatuur is noodzakelijk om het aluminium in een zachte, kneedbare toestand te brengen, zodat het omvormen mogelijk wordt. Tijdens het extrusieproces warmt het materiaal verder op door vervormingsenergie en wrijving, waarbij de temperatuur kan oplopen tot 450-550°C en soms zelfs nog hoger. De maximum procestemperatuur wordt begrensd door het punt waar de eerste legeringsfasen in het aluminium beginnen te smelten.

Als deze temperatuur wordt benaderd dan gaat de oppervlaktekwaliteit van het profiel sterk achteruit door de vorming van extrusiestrepen en/of “pick-up” : dit zijn kleine deeltjes aluminium die op het oppervlak vastkleven. Boven deze temperatuur verliest het materiaal zijn sterkte en zal het profiel oppervlaktefouten gaan vertonen of zelfs gaan scheuren. Bij een te lage temperatuur is  het aluminium onvoldoende kneedbaar en is er onvoldoende perskracht om het materiaal door de matrijs te persen. Ook zal bij een te lage temperatuur het aluminium niet in de juiste “toestand” komen, waardoor na de warmtebehandeling niet de vereiste sterktewaarden zullen worden behaald. Het procesvenster is dus een samenspel van vervorming en temperatuur. Dit kan schematisch worden weergegeven in een “limietdiagram” zoals hierboven is weergeven. Het optimum bevindt zich bovenin het limietdiagram, waarbij de extrusieproductiviteit optimaal is, met behoud van goede producteigenschappen. Voor de verschillende legeringen, met hun specifieke verwerkingseigenschappen zoals hierboven beschreven, zal het limietdiagram verschillend zijn. Ook de matrijsuitvoering gerelateerd aan de profielvorm, heeft uitwerking op het diagram en dus op de optimale procesomstandigheden.

Hiernaast is een voorbeeld getoond van de limietdiagrammen voor twee legeringen met verschillende verwerkingseigenschappen. Duidelijk is te zien dat een moeilijk verwerkbare legering een kleiner procesvenster heeft met een lagere optimale productiviteit. Een ander effect van het thermomechanisch omvormen is de uitwerking op de kristalstructuur van het aluminium. Afhankelijk van de legering zal het materiaal kunnen rekristalliseren, waarbij de door extrusie sterk vervormde metaalstructuur zich herstelt en er zich “nieuwe” kristallen zullen vormen. Als gevolg van de procesomstandigheden kan de grootte van deze nieuwe kristallen op verschillende plaatsen in het profiel verschillend zijn. Dit uit zich dan vooral na het (met name decoratief) anodiseren van profielen, waar de onderliggende kristalstructuur zich op het zichtvlak manifesteert als ongewenste langsstrepen. Door een goede combinatie van matrijsontwerp, legeringskeuze en procesomstandigheden kan het risico op het optreden van dit fenomeen worden voorkomen.

Nadat het profiel de extrusiepers verlaat wordt het materiaal afgekoeld. Afhankelijk van het type profiel en de legering wordt dit bewerkstelligd met geforceerde lucht of water. Dit laatste kan in de vorm van mist- of nevelkoeling, of voor zeer zware profielen, door middel van een staande golf in een waterbak waar het profiel doorheen wordt geleid. Door het koelen is het profiel sneller handelbaar. Het belangrijkste is echter dat de microstructuur wordt “ ingevroren” waardoor de sterkte van het profiel gunstig beïnvloed wordt. De navolgende warmtebehandeling, het verouderen maakt dit proces van versterken voor een veredelbare legering compleet. Deze procesroute is voor veel legeringen uit de 6000 en 7000-klasse toepasbaar (niet voor de 5000 reeks). Voor zwaardere profielen of specifieke legeringen (in bijv. de 2000 & 7000 reeks) kan het product onvoldoende snel worden
afgekoeld. In dat geval vindt er een tussenstap plaats, waarbij het profiel in een aparte oven nogmaals wordt opgewarmd tot een hoge temperatuur ca. 550°C en daarna wordt afgeschrikt in een vloeistofbad. Aansluitend kan het profiel dan worden verouderd: het gedurende enkele uren gloeien van het materiaal op een verhoogde temperatuur (typisch rond 200°C) waardoor de sterkte van het product aanzienlijk toeneemt.

Zoals je leest vereist het produceren van kwalitatief hoogwaardige profielen proceskennis. Tevens is een gedegen inzicht in de eigenschappen van de extrudeerbare aluminiumlegeringen benodigd.

Andrew den Bakker, Hartelijk dank voor het delen van je kennis!
Wil je dat Andrew contact met jou opneemt? mail Andrew direct.

Welke van de bovenstaande onderwerpen is voor jouw een ‘eye’ opener of wil je meer van weten? Laat het alsjeblieft weten in het commentaarveld hieronder. De eerste 3 krijgen een super aanbod voor de net nieuwe online training: aluminium legeringen meer info.

Ik zie je reactie tegemoet!
Wil je op de hoogte gehouden worden over Aluminium? schrijf je nu in en ontvang 1x per maand de update.