Bewerken: Invloed van temperatuur en spanningen op de extrusiesnelheid van gelegeerd aluminium
Bij overschrijding van een bepaalde uittreesnelheid van het geëxtrudeerde product kunnen er scheuren in het oppervlak van het product ontstaan. De hoogte van deze kritische uittreesnelheid is afhankelijk van de in het product opgewekte temperatuur en spanningen.
A.J. Schornagel
Oppervlaktescheuring van geëxtrudeerde producten kan als volgt worden beschreven. De door extrusie opgewekte vervormingsharding neemt af als de warmteontwikkeling en de daarmee gepaard gaande temperatuurstijging van het geëxtrudeerde metaal toenemen. Zodra de subsoliduslijn wordt bereikt, neemt de taaiheid van het metaal scherp af als gevolg van verbrossing van de korrelgrenzen. Er treedt een sterke daling op van de rek in het gebied van de subsolidustemperatuur. Als de lage rekweerstand in dit temperatuursinterval in aanmerking wordt genomen, dan kan er met recht worden gesproken van een extreem lage breuksterkte.
Temperatuurstijging tijdens extrusie
De temperaturen die ontstaan tijdens extrusie beïnvloeden de snelheid waarmee het proces kan plaatsvinden. Dit is met name het geval voor bij de extrusie van harde aluminiumlegeringen (2xxx en 7xxx). Er ontstaat een complexe thermische toestand zodra de verwarmde billet in de voorverwarmde kamer wordt geladen en extrusie een aanvang neemt. De temperatuur wordt beïnvloed door:
- warmteontwikkeling als gevolg van plastische vervorming;
- warmteontwikkeling als gevolg van inwendige afschuiving en wrijving tussen vervormend metaal en gereedschap;
- warmteoverdracht binnen in de billet;
- warmteoverdracht tussen billet en gereedschap;
- warmte die wordt meegevoerd met het geëxtrudeerde werkstuk.
Deze verschijnselen treden tegelijkertijd op en resulteren in een complexe onderlinge verhouding tussen het materiaal en de procesveranderlijken, dat wil zeggen billet materiaal en temperatuur, wrijving, materiaal en temperatuur van het gereedschap, extrusiesnelheid, vorm van het te extruderen product en afname van het oppervlak.
De productiesnelheid kan worden verhoogd door verhoging van de extrusieratio (dat is de verhouding van de dwarsdoorsnede van de billet tot die van het geëxtrudeerde product) en van de extrusiesnelheid terwijl de extrusiedruk op een aanvaardbaar niveau wordt gehandhaafd. Voor dit doel moet de vloeisterkte van het te extruderen metaal relatief laag worden gehouden, bijvoorbeeld door middel van verhoging van de voorwarmtemperatuur van de billet. De combinatie van hoge billettemperatuur, grote afname van de dwarsdoorsnede en hoge extrusiesnelheid veroorzaakt een aanzienlijke stijging van de temperatuur in het geëxtrudeerde metaal, met name in de nabijheid van het oppervlak, omdat het merendeel van de plastische vervorming en wrijvingsenergie wordt omgezet in warmte. Dit kan aanleiding geven tot oppervlaktedefecten of warmbrosheid, zeker bij de moeilijk te extruderen legeringen van de 2xxx- en 7xxx-reeksen. Met een kenmerkende extrusieratio van 40 : 1, liggen de uittreesnelheden bij extrusie van deze legeringen in de orde van grootte van 0,6 tot 1,2 m/minuut. Afbeelding 1 toont het bereik van de uittreesnelheden die worden aangetroffen bij extrusie van verscheidene aluminiumlegeringen.
Extruderen is een vormgevingstechniek waarbij een vervormbaar materiaal (een aluminiumlegering) onder hoge druk en met een voldoende hoge temperatuur door een matrijs geperst wordt. In de matrijs zitten één of meerdere meer complex gevormde gaten waardoor het gevormde materiaal of het profiel, zijn vorm geeft. Dit kan een massief of een hol profiel zijn. We spreken dan ook van Solid’s of Hollows.
Een pers(1) drukt een voorverwarmde staaf aluminium(2) met hoge druk door een extrusiematrijs(3). Het materiaal neemt daardoor de vorm aan van de doorsnede van de extrusiematrijs. Het extrusieprofiel(4) wordt vervolgens door een trekinrichting verder gevoerd en gekoeld met lucht. Direct na het extruderen vindt er een trekproces plaats, dit noemen we ‘strekken’ hiermee wordt het profiel gerecht door net over de 0.2 % rekgrens te trekken, hierdoor wordt het profiel recht. Nu kan het profiel op lengte worden gezaagd en een warmtebehandeling ondergaan. Zie www.alex-profiles.com
Spanningen als gevolg van extrusie
Bij uittrede van de geëxtrudeerde producten treden er dynamische trekspanningen op in hun oppervlak. Het niveau van zulke spanningen stijgt met toenemende uittreesnelheid. Een stijging van de uittreesnelheid kan dus leiden tot verlaging van de breuksterkte. Er kan dus een moment komen waarbij de uittreesnelheid dermate hoog is dat de hierbij opgewekte trekspanningen in het oppervlak de waarde van de breeksterkte overstijgen en er scheuren beginnen te ontstaan op het oppervlak van het werkstuk. Verlaging van de uittreesnelheid resulteert in verlaging van de hoeveelheid opgewekte warmte die gepaard gaat met verlaging van de temperatuur enerzijds en verlaging van de trekspanningen anderzijds. De breuksterkte wordt niet overschreden en er doen zich geen scheuren voor in het werkstukoppervlak. Theoretische en praktische studies van temperatuurverdeling bij de extrusie van aluminiumlegeringen zijn uitgevoerd onder condities waarbij de kamer en het gereedschap een temperatuur bezaten van respectievelijk lager, gelijk of boven die van de aanvankelijke billettemperatuur. Voor de onderzochte experimentele condities, werd er gevonden dat de stijging van de temperatuur onder adiabatische condities ongeveer 95°C zou bedragen. Voor praktische doeleinden kan worden aangenomen dat, bij extrusie van hoogvaste legeringen, de maximum temperatuurstijging die zal optreden niet meer zal zijn dan 100°C. Met de zachte legeringen, waarvoor lagere specifieke drukken zijn vereist, zal de temperatuurstijging onder normale productie omstandigheden niet meer bedragen dan 50°C. Er zijn computerprogramma’s ontwikkeld voor het voorspellen van de temperatuur bij het extruderen van staf en buis van uiteenlopende legeringen. Zoals is te zien op afbeelding 2, welke is gebaseerd op theoretische voorspellingen en experimentele resultaten, neemt de producttemperatuur toe naarmate de extrusie voortloopt. De temperatuur aan het oppervlak van het product is hoger dan die in het binnenste van het product. Daarom kan de oppervlaktetemperatuur van het product pas tegen het eind van de extrusiecyclus de kritische temperatuur bereiken waarbij warmbrosheid kan optreden. De temperatuur van het geëxtrudeerde product zoals het uit de matrijs tevoorschijn komt, is een van de essentiële factoren die de kwaliteit van het product beïnvloeden. De ideale procedure voor het vaststellen van de maximum extrusiesnelheid dient derhalve te bestaan uit het meten van deze temperatuur en het resultaat gebruiken bij het besturen van de plunjersnelheid. Deze methode is voorgesteld door tal van onderzoekers, maar het probleem van accurate en continue meting van de temperatuur van het geëxtrudeerde product blijft lastig. Methodes om de producttemperatuur te meten met behulp van diverse typen contactthermokoppels. of via stralingspyrometrie, zijn tot op heden onpraktisch gebleken. Een systeem geopperd voor isotherme extrusie, waarbij de variatie van de plunjersnelheid welke nodig is voor het handhaven van de producttemperatuur binnen de gestelde grenswaarden, kon worden geprogrammeerd. Bij persen die zijn ontworpen op grond van dit principe, wordt de werkslag verdeeld in zones, elk met een vooraf ingestelde snelheid. Bij een pers voor extrusie van hoogvaste legeringen werd een tijdsbesparing van 60% geclaimd. Besparingen zullen lager uitvallen met makkelijker te extruderen legeringen. De solidustemperatuur is van enige invloed op de maximum toelaatbare uittreesnelheid. Hoe hoger de solidustemperatuur des te hoger ligt de temperatuur waarbij er scheuring kan gaan optreden. De solidustemperatuur van commerciële legeringen kan binnen wijde grenzen variëren. Solidustemperaturen van hooggelegeerde typen zoals 2024, 2014 en 7075 ligt rond 500°C en voor laaggelegeerde typen zoals 6063 of 5006 tussen 620 en 640°C. Hoge solidustemperaturen doen de scheurinitiatietemperatuur opschuiven naar hogere waarden, waardoor het extrusieproces ook bij hogere temperaturen kan plaatsvinden zonder gevaar voor scheurvorming, met andere woorden een hogere solidustemperatuur bevordert hogere uittreesnelheden. Er zij echter opgemerkt dat solidustemperatuur en vervormingsweerstand geen onafhankelijke factoren zijn. Beide parameters hangen af van de chemische samenstelling van de legering in kwestie. Als regel kan worden aangehouden dat hoe hoger de vervormingsweerstand van een legering, des te lager is zijn solidustemperatuur. Bij de extrusie van aluminiumlegeringen, kunnen temperatuurswisselingen in het tevoorschijn komend product worden verminderd door een temperatuursgradiënt aan te leggen in de billet. De billet wordt op zodanige wijze in de kamer geplaatst, dat het hete uiteinde als eerste wordt geëxtrudeerd, terwijl de temperatuur van het koelere uiteinde stijgt tijdens extrusie. Deze handelwijze is niet geheel bevredigend wegens de betrekkelijk hoge thermisch geleidbaarheid van aluminiumlegeringen. Als er zich vertragingen voordoen in de extrusievoortgang, vertoont de temperatuur de neiging om uniform over de gehele lengte van de billet te verdelen. Een betere methode is het met water afschrikken van de aanvoertafel naar de kamer. Een andere benadering voor het verhogen van de extrusiesnelheid is koelen van de matrijs met water of met stikstof. Voor beheersing en voorspellen van variaties in plunjersnelheid tijdens extrusie, kunnen computersimulaties behulpzaam zijn voor het voorspellen van de temperatuurstijging die tijdens het proces optreedt. Het doel van een dergelijke computergestuurde snelheidscontrole is het bereiken van maximale extrusiesnelheden met minimale variaties in de temperatuur van het geëxtrudeerde product.
Extrusiesnelheid
De extrusiesnelheid hangt in hoge mate af van de vloeisterkte van de legering onder de procescondities die op hun beurt afhangen van de extrusietemperatuur en reksnelheid. Uittreesnelheden liggen tamelijk hoog voor zachte (5xxxen 6xxx- legeringen), maar zijn vrij laag voor hardere legeringen zoals 7075 en 2024.
Temperatuurstijging en temperatuurverdeling tijdens extrusie zijn veel bestudeerde onderwerpen. Afbeelding 3 toont de invloed van extrusieratio en plunjersnelheid op de temperatuurstijging. De extrusieratio R, wordt bepaald door het beginoppervlak dat vervorming ondergaat te delen door het uiteindelijke vervormde oppervlak van het werkstuk:
R = A0/Af
Omdat het volume tijdens extrusie constant blijft, kan de extrusieratio ook worden bepaald uit de lengtetoename. Een extrusieratio van 4 op 1 geeft aan dat de lengte met ongeveer een factor vier is toegenomen. De hoogte van de uittreesnelheid waarbij achteruitgang van de oppervlaktekwaliteit van het product begint op te treden, kan worden beschouwd als de maximum toelaatbare uittreesnelheid. Deze achteruitgang van de kwaliteit van het productoppervlak gaat vooraf aan het scheurinitiatieproces en vormt dus een zichtbare waarschuwing dat de maximumsnelheid is bereikt.
