Introduzione all'estrusione nella produzione di acciaio strutturale

L'estrusione è un processo di deformazione in massa che costringe il metallo attraverso una die a creare un prodotto lungo con una sezione trasversale coerente. Nell'industria dell'acciaio strutturale, l'estrusione è utilizzata per produrre travi, canali, angoli, tubi e altri profili che servono come la spina dorsale di edifici, ponti e quadri industriali.

Panoramica dell'estrusione calda e fredda

Estrusione calda

In estrusione a caldo, il billet in acciaio è riscaldato sopra la sua temperatura di ricristallizzazione & n. 8212; in genere tra 900° C e 1200°C per gli acciai strutturali. A queste temperature elevate, la resistenza alla resa del materiale scende in modo significativo, consentendo la deformazione con requisiti di forza più bassi. Il processo di lavorazione a caldo elimina anche i difetti precedenti di fusione o forgia, affina la struttura del grano grande e permette la produzione di forma di

Estrusione a freddo

L'estrusione a freddo, anche indicata come formatura a freddo o pressatura a freddo, viene effettuata a temperatura ambiente o vicina. L'assenza di riscaldamento esterno provoca un significativo indurimento del lavoro durante la deformazione. Questo indurimento aumenta la forza e la durezza, spesso eliminando la necessità di un trattamento termico successivo.

Meccanica di processo e comportamento dei materiali

Deformazione e flusso

Durante l'estrusione a caldo, lo stress di flusso dell'acciaio è ridotto di oltre l'80% rispetto alla temperatura ambiente. Questo permette di maggiori rapporti di estrusione (rapporto di area di billet all'area del prodotto)— a volte superiore a 40:1 in un unico passaggio. La deformazione è più uniforme, e il materiale può riempire completamente le cavità dietrusione. Tuttavia, il controllo della temperatura di uscita è fondamentale; se la billetta si raffredda troppo, si verifica la rottura o la superficie di riempimento incomple può

Evoluzione microstrutturale

La microstruttura risultante consiste in grani equiassi, grani fini che migliorano la duttilità e la durezza. Al contrario, l'estrusione a freddo produce granuli allungati e temprati orientati alla direzione del flusso metallico. Questa anisotropia può portare a proprietà meccaniche direzionali di resistenza meccanica inferiore&8212;

Vantaggi dell'estrusione calda

  • Le forze di formatura redotte:[ I requisiti di forza possono essere 25–40% più bassi dell'estrusione fredda per prodotti equivalenti, consentendo presse più piccole e investimenti di capitale più bassi.
  • Potere produrre profili grandi e complessi:[ Le sezioni in acciaio strutturale estruso a caldo possono avere spessori a parete superiori a 25 mm e larghezze superiori a 500 mm, che sono difficili o impossibili da raffreddore.
  • Duttilità e formabilità migliorate:[ Il materiale riscaldato può subire una deformazione grave senza screpolare, permettendo forme intricate come flange affusolate o sezioni cave.
  • Lower tool wear:[ Poiché l'acciaio è più morbido, l'usura degli utensili è generalmente meno aggressivo, prolungando la vita di morire, soprattutto per carburo di tungsteno o H13 stampi acciaio.
  • Capacità di elaborare leghe dure-deformali:[ acciai a bassa resistenza (HSLA) ad alta resistenza, acciai inossidabili e persino acciai per utensili possono essere estrusi caldi senza carichi di presse eccessivi.

Vantaggi dell'estrusione a freddo

  • Finitura superficiale eccellente:[ L'estrusione a freddo produce una superficie liscia e priva di ossido che spesso soddisfa i requisiti finali dell'aspetto senza macinare o raccolgarsi.
  • Aumentata forza attraverso l'indurimento del lavoro:[] I punti di forza di trazione e di ustione possono aumentare di 30–50% rispetto alla condizione as-annealed, permettendo l'uso di gradi di acciaio a basso costo per soddisfare le esigenze di resistenza.
  • Più precisione dimensionale e ripetibilità:[[] I profili estrusi a freddo tengono tolleranze più strette, spesso eliminando le operazioni di lavorazione secondarie e riducendo i rottami.
  • Nessuna scala o decarburazione:[] Il riscaldamento in estrusione calda produce scala di ossido di ferro (scala del fango) e uno strato superficiale decarburato che deve essere rimosso, aggiungendo costi e perdita di materiale.
  • tempi di ciclo più rapidi (per le parti piccole): Senza tempo di riscaldamento, l'estrusione a freddo può raggiungere alti tassi di produzione, soprattutto per componenti come bulloni, perni e piccole staffe.

Sfide e limitazioni

Sfide di estrusione calda

L'inconveniente primario di estrusione calda è l'alto consumo energetico necessario per riscaldare le billette a 1200° C. I forni a gas o i riscaldatori ad induzione sono comuni, e le perdite termiche da radiazione e convezione possono essere significative. Inoltre, la scalatura dell'ossidazione consuma 1–3% del peso della billetta e richiede la descaling (spesso da parte alta pressione)

Sfide di estrusione a freddo

L'estrusione a freddo richiede forze di pressa eccezionalmente elevate, che possono superare 2000 tonnellate per profili di grandi dimensioni. Ciò richiede robuste, presse ad alta densità e costosi materiali die (spesso acciaio ad alta velocità o carburo cementato). L' lubrificazione è critica; fosfato o o ossalato, i rivestimenti di conversione elevati combinati con sapone o cera sono comuni, ma questi costi e richiedono la manipolazione chimica.

Consumo energetico e impatto ambientale

Per una tipica estrusione in acciaio, il riscaldamento può richiedere 1.5–2.5 GJ per tonnellata di billet, a seconda dell'efficienza del forno.

Considerazioni di utensili e attrezzature

Materiali e usura

Le forme di estrusione a caldo sono generalmente realizzate in acciaio per utensili H13 (acciaio per lavori a caldo) con una durezza di 45–50 HRC. Essi devono sopportare alte temperature e cicli termici. Per le piste di produzione molto elevate, i superalloy a base di nichel o anche gli inserti in ceramica possono essere utilizzati.

Selezione della stampa

Le presse a estrusione a caldo sono più lente (velocità a raggi di 50–200 mm/s) ma richiedono una lunghezza di corsa sostanziale per accogliere i biglietti lunghi. Le presse idrauliche dominano questo campo. Le presse a estrusione a freddo sono tipicamente macchine ibride meccaniche o meccaniche progettate per l'alta velocità (300–600 mm/s) e per l'alto tonnellaggio.

Qualità e Integrità superficiale

Finitura e difetti di superficie

Le superfici estruse a caldo sono coperte con uno strato di scala di ossido che deve essere rimosso (da pickling o shot blasting) prima di verniciare o galvanizzare. La superficie metallica sottostante può mostrare ruvidità minore (Ra 3–12 µm) a causa di segni di die e lubrificanti. Le superfici estruse a freddo sono tipicamente liscia e libera di scala, con valori Ra inferiori a 1.6 µm.

Proprietà meccaniche

L'acciaio strutturale estruso a caldo ha una resistenza di resa vicina alle specifiche originali del billet (ad esempio, 250–400 MPa) con allungamento di 20–30%. Il materiale è isotropico se la ricristallizzazione è completa. L'acciaio estruso a freddo può raggiungere i rendimenti di 500–800 MPa con ridotta allungamento (10–15).

Applicazioni nella produzione di acciaio strutturale

Quando usare l'estrusione calda

  • Grandi travi e colonne portanti:[ W-shapes, H-piles e travi cellulari personalizzati dove l'altezza del web supera i 300 mm.
  • Parti cavi complessi:[ Sezioni cave quadrate e rettangolari (SHS/RHS) con spessore della parete superiore a 10 mm.
  • Pezzi di trasmissione e estremità svasate:[[ Supporti di cuscinetti a ponte, connettori a torre, e profili di costruzione dove lo spessore cambia lungo la lunghezza.
  • Ambienti di servizio ad alta temperatura:[ Componenti per centrali elettriche o forni industriali che saranno sottoposti a condizioni di strisciamento; materiale estruso a caldo mantiene la sua struttura di grano migliore.

Quando usare l'estrusione fredda

  • Parti di collegamento di precisione:[[ bulloni ad alta resistenza, dadi, piastre di ancoraggio e ancoraggi di cuneo utilizzati nelle connessioni in acciaio-acciaio o acciaio-concrete.
  • Raccordi strutturali piccoli:[] Brackets, clevises, cinghie di tubazione e pannelli solari che richiedono tolleranze strette e nessuna finitura secondaria.
  • Componenti del telaio automotive:[ Bracci sospensioni, trame e sottotelai che beneficiano di una maggiore resistenza dall'indurimento del lavoro.
  • Applicazioni marine e offshore:[ Chiusura in acciaio resistente alla corrosione e piccole sezioni in cui la scala superficiale sarebbe dannosa per la verniciatura aderente.

Avanzamenti recenti e approcci ibridi

La ricerca industriale sta sviluppando metodi ibridi che combinano i vantaggi di entrambi i processi. Un esempio è l'estrusione calda], eseguita a temperature intermedie (400–700°C) dove l'acciaio è abbastanza morbido per una riduzione moderata ma abbastanza fredda per evitare la scagliatura grave.

Considerazioni sui costi

L'analisi dei costi estensiva è generalmente inferiore a quella delle unità di utensili, ma la differenza di costo totale tra le parti di estrusione a caldo e quelle a freddo (ad esempio, a causa di un'analisi dei costi più bassi) è trascurabile a volumi moderati (ad esempio, a causa di un'analisi dei costi più bassi, a causa di un'elevata percentuale di costi, a causa di un'elevata percentuale di costi.

Conclusioni

L'estrusione calda e fredda occupano ciascuno una nicchia distinta nella produzione di acciaio strutturale. L'estrusione calda rimane il metodo preferito per le grandi, complesse, o sezioni pesanti dove la formabilità e la deformazione economica superano la qualità della superficie e la precisione dimensionale. L'estrusione a freddo eccelle nella produzione di componenti di piccole e medie dimensioni con finitura superficiale superiore, maggiore resistenza attraverso l'indurimento del lavoro e tolleranze strette che eliminano la lavorazione secondaria.