Temperatura de extrusão de alumínio: a janela, as séries de liga e o custo para a matriz
Cada série de liga tem uma faixa de temperatura de extrusão, e a faixa é estreita. Abaixo dela, a prensa fica sem pressão; acima dela, a superfície falha ou o metal começa a fundir nos contornos de grão. A janela é definida pelo solidus, ajustada para baixo pelo tratamento de homogeneização, e varia com a série de liga em mais de 100 °C. Esta página apresenta as faixas publicadas, a mudança de patamar que as ligas 6xxx apresentam no seu solvus, e o que um controle de temperatura deficiente custa de fato em produção.
As faixas, por série de liga
As três temperaturas que importam são o solidus, a permanência de homogeneização e a faixa de extrusão. A homogeneização para ligas comerciais é normalmente de 20 a 50 °C abaixo do solidus e o mais próximo possível da temperatura inicial de trabalho a quente, razão pela qual os números abaixo acompanham uns aos outros.
| Série de liga | Solidus (°C) | Homogeneização (°C) | Extrusão (°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 | acima de 500 | 400 a 500 | 390 a 450 |
Temperaturas típicas de solidus, homogeneização e extrusão por série de liga. A faixa de extrusão é a temperatura do tarugo no início do curso, não a temperatura na matriz.
Duas coisas nessa tabela determinam como uma prensa é operada. A faixa 7xxx, de 390 a 450 °C, fica cerca de 60 °C abaixo da faixa 6xxx e se sobrepõe à região em que a 6xxx ainda é rígida demais para extrudar bem. E a largura da janela não é proporcional à temperatura: a 2xxx abrange 80 °C, a 6xxx abrange 70 °C e a 7xxx abrange 60 °C, mas a janela 7xxx é a que é limitada pela fusão incipiente no topo, porque seu solidus está apenas logo acima da faixa de trabalho.
A 6xxx tem uma mudança de patamar no solvus
Nas ligas 6xxx, o limite que importa não é a temperatura do tarugo, mas a temperatura que o perfil atinge na saída da matriz. Esse limite se desloca dependendo de o Mg e o Si estarem em solução quando o tarugo entra na matriz. Se o tarugo é aquecido diretamente até a faixa de trabalho e permanece abaixo do solvus, o Mg2Si ainda está presente como partículas e o perfil falha mais cedo. Se o tarugo passa acima do solvus, ou é superaquecido e resfriado rapidamente, o Mg e o Si estão em solução e o perfil pode operar 20 a 30 °C mais quente antes da fusão incipiente.
| Liga | Limite do perfil com Mg2Si presente | Limite do perfil com Mg e Si em solução |
|---|---|---|
| 6060 | 590 °C | 620 °C |
| 6063 | 591 °C | 612 °C |
| 6082 | 570 °C | 595 °C |
Temperatura da superfície do perfil na qual a superfície falha, para tarugos aquecidos abaixo e acima do solvus. O solvus é de cerca de 475 °C para o 6060 e de cerca de 540 °C para o 6082.
Esse é um ponto de prática de prensa, não uma curiosidade metalúrgica. Uma oficina que pré-aquece diretamente a 460 °C no 6060 está processando a liga com partículas presentes e pagando por isso com um teto mais baixo, embora 460 °C esteja confortavelmente dentro da faixa publicada de 430 a 500 °C. O limite superior é definido pelo que o metal carrega para dentro da matriz, não pelo gráfico.
O controle de temperatura é resultado, não arrumação
Como a janela é estreita, a precisão do controle define a velocidade. Os números publicados são diretos: controle dentro de mais ou menos 20 °C, e a velocidade de prensa constante ótima cai cerca de 10 por cento em relação a uma operação perfeitamente isotérmica. Deixe o controle derivar para mais ou menos 50 °C, e o número é uma redução de 50 por cento. A temperatura de saída da matriz é o que importa, e não é a mesma que a temperatura do tarugo no forno, porque o trabalho de deformação adiciona calor ao longo do curso.
É por isso que a extrusão isotérmica vale a instrumentação. Para manter a temperatura de saída constante enquanto o tarugo esfria contra o container e aquece sob deformação, o pistão precisa desacelerar ao longo do curso, e é por isso que as rampas de velocidade são programadas em vez de fixadas. Uma prensa operando a uma velocidade de pistão constante não é, por definição, isotérmica.
A pressão de pico ocupa parte da janela
O outro limite é a capacidade da prensa, e não é a carga em regime permanente. Uma pressão de pico ou de rompimento é necessária para iniciar o movimento do tarugo, e ela fica acima do valor em regime permanente que os cálculos usuais fornecem. Quando o pico é incluído, a taxa de extrusão máxima disponível a uma dada pressão e velocidade de pistão cai quase 40 por cento em relação ao valor calculado apenas com a pressão em regime permanente. Uma prensa que parece adequada pelo número em regime permanente pode, portanto, ficar sem capacidade no início de cada curso, o que se manifesta como um travamento em um tarugo longo ou uma liga dura, e não como um limite de pressão limpo.
O que a janela faz com a matriz
A matriz fica na extremidade quente de tudo isso. Em uma prensa de alumínio, a zona de trabalho opera a cerca de 1050 °F (565 °C) sem lubrificação, contra um metal que adere ao aço, e a temperatura de trabalho é o que força a escolha do grau: o H13 e seu equivalente europeu 1.2344 são usados no mundo todo porque mantêm dureza e resistência ao revenido nessa temperatura, e porque respondem à nitretação. Um grau que seria adequado para uma matriz de trabalho a frio perde dureza na zona de trabalho e se deforma, e o perfil deriva antes que a matriz mostre desgaste visível.
A relação também funciona no sentido inverso. Tudo o que eleva a temperatura de saída encurta a vida da matriz: temperatura de tarugo mais alta, pistão mais rápido, zona de trabalho mais longa, matriz mais fria que precisa ser aquecida pelo trabalho. A página de superfície deste site descreve o que acontece quando a zona de trabalho fica quente demais; a página de desgaste descreve o que a zona de trabalho perde.
O que isso significa para um pedido de aço para matrizes
O grau para extrusão é um aço cromo para trabalho a quente, AISI H13 e seu equivalente europeu 1.2344, fornecido recozido para que a oficina de matrizes possa usiná-lo, temperá-lo e reveni-lo, e nitretar a zona de trabalho. O programa 1.2344 ESR para ferramental de extrusão está em página de fornecimento de extrusão 1.2344 ESR H13, o grau em página do aço ferramenta H13, e a camada no página de nitretação de aço ferramenta. O que sai da superfície quando a matriz opera quente demais está em página de linhas de pick-up e de molde, a zona de trabalho que controla a entrada de calor em página de comprimento de apoio da matriz, o grau por componente no página de seleção de aço para matriz de extrusão, e a correção que segue um teste no página de correção de matriz de extrusão.
Antes de ajustar uma prensa com base nestas faixas
Estas são faixas publicadas para ligas comerciais, não ajustes para uma prensa ou perfil específico. A temperatura de extrusão que funciona em um dado trabalho depende da liga, da taxa de extrusão, da forma, do container e da matriz, e a faixa publicada é o envelope, não o alvo. Os limites de temperatura do perfil são para as ligas e condições de pré-aquecimento específicas da fonte. Os ajustes finais são estabelecidos na prensa.
Fonte: Extrusion of Aluminium Alloys, T. Sheppard, Kluwer Academic Publishers, 1999, Tabela 5.1 e seções 5.1 a 5.10, com a temperatura de trabalho da zona de trabalho de Aluminum Extrusion Technology, P. K. Saha, ASM International, 2000.