Temperatura de extrusión del aluminio: la ventana, la serie de aleación y lo que le cuesta al dado
Cada serie de aleación tiene un rango de temperatura de extrusión, y el rango es estrecho. Por debajo, la prensa se queda sin presión; por encima, la superficie falla o el metal empieza a fundirse en los límites de grano. La ventana la fija el sólidus, ajustado a la baja por el tratamiento de homogeneización, y se desplaza con la serie de aleación en más de 100 °C. Esta página expone los rangos publicados, el salto que las aleaciones 6xxx muestran en su solvus y lo que realmente cuesta en producción un control deficiente de la temperatura.
Los rangos, por serie de aleación
Las tres temperaturas que importan son el sólidus, la permanencia de homogeneización y el rango de extrusión. La homogeneización de las aleaciones comerciales es normalmente de 20 a 50 °C por debajo del sólidus y lo más cercana posible a la temperatura inicial de trabajo en caliente, por lo que las cifras siguientes se siguen unas a otras.
| Serie de aleación | Sólidus (°C) | Homogeneización (°C) | Extrusión (°C) |
|---|---|---|---|
| 1XXX | 640 a 650 | 560 a 605 | 450 a 550 |
| 2XXX | 500 a 650 | 480 a 530 | 400 a 480 |
| 3XXX | 630 a 645 | 530 a 620 | 480 a 520 |
| 5XXX | 570 a 630 | 380 a 550 | 400 a 480 |
| 6XXX | 580 a 620 | 560 a 600 | 430 a 500 |
| 7XXX | por encima de 500 | 400 a 500 | 390 a 450 |
Temperaturas típicas de sólidus, homogeneización y extrusión por serie de aleación. El rango de extrusión es la temperatura de la palanquilla al inicio de la carrera, no la temperatura en el dado.
Dos cosas de esa tabla deciden cómo se opera una prensa. El rango 7xxx, de 390 a 450 °C, está unos 60 °C por debajo del rango 6xxx y se solapa con la región en la que el 6xxx aún es demasiado rígido para extruirse bien. Y la amplitud de la ventana no es proporcional a la temperatura: el 2xxx abarca 80 °C, el 6xxx abarca 70 °C y el 7xxx abarca 60 °C, pero la ventana del 7xxx es la que está limitada por la fusión incipiente en el extremo superior, porque su sólidus está apenas por encima del rango de trabajo.
El 6xxx tiene un salto en el solvus
En las aleaciones 6xxx el límite que importa no es la temperatura de la palanquilla, sino la temperatura que alcanza el perfil a la salida del dado. Ese límite se desplaza según si el Mg y el Si están en solución cuando la palanquilla entra en el dado. Si la palanquilla se calienta directamente hasta el rango de trabajo y se mantiene por debajo del solvus, el Mg2Si sigue presente como partículas y el perfil falla antes. Si la palanquilla supera el solvus, o se sobrecalienta y se enfría rápidamente, el Mg y el Si están en solución y el perfil puede correr de 20 a 30 °C más caliente antes de la fusión incipiente.
| Aleación | Límite del perfil con Mg2Si presente | Límite del perfil con Mg y Si en solución |
|---|---|---|
| 6060 | 590 °C | 620 °C |
| 6063 | 591 °C | 612 °C |
| 6082 | 570 °C | 595 °C |
Temperatura superficial del perfil a la que falla la superficie, para palanquillas calentadas por debajo y por encima del solvus. El solvus es de aproximadamente 475 °C para el 6060 y de aproximadamente 540 °C para el 6082.
Ese es un punto de la práctica de prensa, no una curiosidad metalúrgica. Un taller que precalienta directamente a 460 °C el 6060 está procesando la aleación con partículas presentes y lo paga con un techo más bajo, aunque 460 °C esté cómodamente dentro del rango publicado de 430 a 500 °C. El límite superior lo fija lo que el metal lleva a la matriz, no la tabla.
El control de temperatura es producción, no pulcritud
Como la ventana es estrecha, la precisión del control determina la velocidad. Las cifras publicadas son contundentes: con un control de más o menos 20 °C, la velocidad de prensa constante óptima cae alrededor de un 10 por ciento frente a una pasada perfectamente isotérmica. Si el control se desvía a más o menos 50 °C, la cifra es una reducción del 50 por ciento. Lo que importa es la temperatura de salida de la matriz, y no es la misma que la temperatura de la palanquilla en el horno, porque el trabajo de deformación añade calor a lo largo de la carrera.
Por eso vale la pena la instrumentación de la extrusión isotérmica. Para mantener constante la temperatura de salida mientras la palanquilla se enfría contra el contenedor y se calienta bajo deformación, el émbolo debe reducir su velocidad a lo largo de la carrera, y por eso las rampas de velocidad se programan en lugar de fijarse. Una prensa que funciona a una velocidad de émbolo constante no es, por definición, isotérmica.
La presión máxima ocupa parte de la ventana
El otro límite es la capacidad de la prensa, y no es la carga en régimen estacionario. Se necesita una presión de perforación o máxima para poner en movimiento la palanquilla, y está por encima de la cifra en régimen estacionario que dan los cálculos habituales. Al incluir la presión máxima, la relación de extrusión máxima disponible a una presión y velocidad de émbolo dadas cae casi un 40 por ciento frente a la cifra calculada solo con la presión en régimen estacionario. Por lo tanto, una prensa que parece adecuada según el valor en régimen estacionario puede quedarse corta de capacidad al inicio de cada carrera, lo que se manifiesta como un bloqueo en una palanquilla larga o una aleación dura, más que como un límite de presión limpio.
Lo que la ventana hace a la matriz
La matriz está en el extremo caliente de todo esto. En una prensa de aluminio, el apoyo de la matriz trabaja a unos 1050 °F (565 °C) sin lubricación, frente a un metal que se adhiere al acero, y la temperatura de trabajo es lo que obliga a elegir el grado: el H13 y su equivalente europeo 1.2344 se usan en todo el mundo porque mantienen la dureza y la resistencia al revenido a esa temperatura, y porque responden a la nitruración. Un grado que sería adecuado para una matriz de trabajo en frío pierde su dureza en el apoyo y se deforma, y el perfil se desvía antes de que la matriz muestre desgaste visible.
El vínculo también funciona en sentido contrario. Todo lo que eleva la temperatura de salida acorta la vida de la matriz: una temperatura de palanquilla más alta, un émbolo más rápido, un apoyo más largo, una matriz más fría que debe ser calentada por el trabajo. La página de superficie de este sitio expone qué ocurre cuando el apoyo se calienta demasiado; la página de desgaste expone lo que pierde el apoyo.
Qué implica esto para un pedido de acero para hileras
El grado de extrusión es un acero de trabajo en caliente al cromo, AISI H13 y su equivalente europeo 1.2344, suministrado recocido para que el taller de matrices pueda mecanizarlo, templarlo y revenirlo, y nitrurar el apoyo. El programa 1.2344 ESR para utillaje de extrusión está en la página de suministro de extrusión 1.2344 ESR H13, el grado en la página del acero para herramientas H13, y la capa en la página de nitruración de acero para herramientas. Lo que se desprende de la superficie cuando la matriz trabaja demasiado caliente está en la página de líneas de arrastre y del troquel, el apoyo que controla el aporte de calor en la página de longitud de apoyo de hilera, el grado por componente en el página de selección de acero para dados de extrusión, y la corrección que sigue a una prueba en el página de corrección de matrices de extrusión.
Antes de ajustar una prensa con estos rangos
Estos son rangos publicados para aleaciones comerciales, no ajustes para una prensa o un perfil concretos. La temperatura de extrusión que funciona en un trabajo dado depende de la aleación, la relación de extrusión, la forma, el contenedor y la matriz, y el rango publicado es la envolvente, no el objetivo. Los límites de temperatura del perfil corresponden a las aleaciones y condiciones de precalentamiento específicas de la fuente. Los ajustes finales se establecen en la prensa.
Fuente: Extrusion of Aluminium Alloys, T. Sheppard, Kluwer Academic Publishers, 1999, tabla 5.1 y secciones 5.1 a 5.10, con la temperatura de trabajo del apoyo de Aluminum Extrusion Technology, P. K. Saha, ASM International, 2000.