Table of Contents

Введение в экструзию при производстве структурной стали

Экструзия — это процесс деформации сыпучих материалов, который заставляет металл через штамп создавать длинный продукт с последовательным поперечным сечением. В структурной сталелитейной промышленности экструзия используется для производства балок, каналов, углов, труб и других профилей, которые служат основой зданий, мостов и промышленных рамок. Два основных маршрута & #8212; горячая экструзия и холодная экструзия & #8212; принципиально отличаются по температуре, поведению материала и результирующим характеристикам продукта. Выбор правильного метода напрямую влияет на стоимость, скорость производства, механические свойства и размерные допуски. Этот анализ обеспечивает подробное сравнение обоих процессов, охватывающих механику процессов, материаловедение, последствия инструментальных средств и сценарии реального применения.

Обзор горячей и холодной экструзии

Горячая экструзия

При горячей экструзии стальная заготовка нагревается выше температуры перекристаллизации & #8212; обычно между 900 & #176; C и 1200 & #176; C для конструкционных сталей. При этих повышенных температурах прочность материала значительно падает, что позволяет деформировать материал с более низкими требованиями к силе. Процесс горячей обработки также устраняет предыдущие дефекты литья или ковки, очищает структуру зерна и позволяет производить очень большие поперечные сечения и сложные геометрии, которые были бы непрактичными при комнатной температуре. Общие марки конструкционной стали, такие как ASTM A36, A572 или европейский S235 / S355, часто экструдируются горячими, когда окончательная форма велика или замысловата.

Холодная экструзия

Холодная экструзия, также называемая холодным образованием или холодным прессованием, осуществляется при температуре окружающей среды или вблизи нее. Отсутствие внешнего нагрева приводит к значительному закалке во время деформации. Это закалка напряжения увеличивает прочность и твердость, часто устраняя необходимость в последующей термообработке. Холодная экструзия обычно ограничивается меньшими поперечными сечениями и более простыми формами, потому что требуемые силы прессования намного выше. Однако процесс дает отличную поверхность (Ra 0.8 & #8211; 1,6 & #181;m), жесткие допуски размеров ( & # 177; 0,05 мм или лучше) и улучшенную усталостную стойкость из-за сжимающих остаточных напряжений на поверхности.

Механика процессов и материальное поведение

Деформация и поток

При горячей экструзии расходное напряжение стали снижается более чем на 80% по сравнению с комнатной температурой. Это позволяет увеличить коэффициенты экструзии (отношение площади заготовки к площади продукта)— иногда превышающие 40:1 за один проход. Деформация более однородна, и материал может полностью заполнять вымершие полости. Однако контроль температуры выхода имеет решающее значение; если заготовка слишком сильно охлаждается, может произойти растрескивание или неполное наполнение. При холодной экструзии давление потока высокое, ограничивая практическое отношение экструзии примерно 4:1 до 6:1. Зона деформации испытывает интенсивный стриж, а трение между заготовкой и стенками заготовки становится доминирующим фактором, влияющим на силу и качество поверхности.

Микроструктурная эволюция

Горячая экструзия способствует динамической перекристаллизации и рафинированию зерна, особенно когда скорость деформации и температура тщательно контролируются. Полученная микроструктура состоит из равномерных, тонких зерен, которые повышают пластичность и прочность. И наоборот, холодная экструзия производит удлиненные, закаленные зерна, ориентированные в направлении потока металла. Эта анизотропия может привести к направленным механическим свойствам— более высокая прочность в продольном направлении, но более низкая поперечная прочность. Если не правильно снятые напряжения, холодноэкструдированные компоненты могут также сохранять внутренние остаточные напряжения, которые вызывают искажение во время обработки или сварки.

Преимущества горячей экструзии

  • Сниженные силы формирования: Требования к силе могут быть на 25–40% ниже, чем холодная экструзия для эквивалентных продуктов, что позволяет использовать меньшие прессы и снижать капитальные вложения.
  • Способность производить большие и сложные профили: Горячие экструдированные секции из конструкционной стали могут иметь толщину стенок более 25 мм и ширину более 500 мм, которые трудно или невозможно получить в холодном виде.
  • Улучшенная пластичность и формообразуемость: Нагретый материал может подвергаться серьезной деформации без растрескивания, что позволяет создавать сложные формы, такие как конические фланцы или полые секции.
  • Низкий износ инструмента: Поскольку сталь мягче, износ инструмента, как правило, менее агрессивен, продлевая жизнь, особенно для карбида вольфрама или гибнет инструментальная сталь H13.
  • Способность обрабатывать труднодеформируемые сплавы: Высокопрочные низколегированные (HSLA) стали, нержавеющие стали и даже инструментальные стали могут экструдироваться горячими без чрезмерных нагрузок пресса.

Преимущества холодного экструзии

  • Передняя поверхность отделки: Холодная экструзия дает гладкую, без оксида поверхность, которая часто отвечает требованиям окончательного внешнего вида без шлифования или маринования.
  • Увеличение прочности за счет упрочнения работы: Удельная и прочность на растяжение могут увеличиться на 30–50% по сравнению с отожженным состоянием, что позволяет использовать более дешевые марки стали для удовлетворения требований к прочности.
  • Более точная и повторяемость размеров: Профили с холодной экструдировкой имеют более жесткие допуски, часто исключая вторичные операции обработки и уменьшая количество лома.
  • Никакой шкалы или декарбюрации: Нагрев в горячей экструзии производит шкалу оксида железа (мельничная шкала) и декарбюрированный поверхностный слой, который должен быть удален, добавляя стоимость и потерю материала. Холодная экструзия полностью избегает этих дефектов.
  • Быстрый цикл (для небольших деталей): Без времени нагрева холодная экструзия может достигать высоких производственных показателей, особенно для таких компонентов, как болты, штифты и небольшие скобки.

Проблемы и ограничения

Горячие экструзионные вызовы

Основным недостатком горячей экструзии является высокое потребление энергии, необходимое для нагрева заготовок до 1200°С. Газовые печи или индукционные обогреватели являются общими, и тепловые потери от излучения и конвекции могут быть значительными. Кроме того, масштабирование окисления потребляет 1–3% массы заготовки и требует дескальирования (часто струями воды высокого давления) перед экструзией. Используемая смазка (обычно на основе графита или стекла) может быть экологически вредной и должна управляться. Рост зерна может произойти, если заготовка слишком долго живет при температуре или если температура выхода слишком высока, снижая вязкость. Наконец, горячая экструзия часто требует операции шероховатости или распилки для удаления выброшенной (неэкстрированной части заготовки), добавляя этапы процесса.

Холодная экструзия вызовы

Холодная экструзия требует исключительно высоких сил прессования, которые могут превышать 2000 тонн для больших профилей. Это требует надежных, высокожестких прессов и дорогих материалов для штамповки (часто высокоскоростной стали или цементированного карбида). Смазка имеет решающее значение; фосфатные или оксалатные конверсионные покрытия в сочетании с мылом или воском являются общими, но они добавляют стоимость и требуют химической обработки. Риск растрескивания и разрыва сдвига резко возрастает, когда экструзионное отношение превышает предел пластичности материала & #8217. Холодная экструзия также менее подходит для высокотемпературных применений обслуживания, потому что закаленная конструкция может смягчаться или перекристаллизоваться, если подвергается воздействию повышенных температур во время сварки или обслуживания. Кроме того, процесс ограничен симметричными, относительно простыми поперечными сечениями, чтобы избежать отказа от несбалансированных нагрузок.

Потребление энергии и воздействие на окружающую среду

В расходе энергии горячей экструзии преобладает нагрев заготовки. Для типичной экструзии конструкционной стали нагрев может потребовать 1,5–2,5 ГДж на тонну заготовки, в зависимости от эффективности печи. Дополнительная энергия необходима для дескальзирования водяных насосов, систем охлаждения и термообработки после экструзии (если требуется). В целом, углеродный след горячей экструзии выше, хотя современные регенеративные горелки и рекуперация отработанного тепла могут повысить эффективность. Холодная экструзия потребляет гораздо меньше тепловой энергии, но больше механической энергии на единицу деформации. Однако, поскольку процесс исключает последующую термическую обработку и удаление шкалы, общая стоимость энергии на готовую деталь может быть ниже для более мелких компонентов. Анализ жизненного цикла 2018 года Исследовательской группой по экструзии стали в Университете Шеффилда обнаружил, что холодная экструзия снижает CO₂ выбросы на 25–35% для производства больших объемов структурных крепежных деталей и небольших секций.

Соображения по шинам и оборудованию

Умирать и носить

Горячие экструзионные штампы обычно изготавливаются из инструментальной стали H13 (горячая рабочая сталь) с твердостью 45–50 HRC. Они должны выдерживать высокие температуры и тепловую езду. Для очень высоких производственных циклов могут использоваться суперсплавы на основе никеля или даже керамические вставки. Жизненный цикл в горячей экструзии измеряется в тысячах циклов перед переделкой или заменой. Холодные экструзионные штампы, напротив, испытывают чрезвычайно высокое контактное давление (до 2500 МПа) и требуют материалов с высокой прочностью на сжатие и износостойкостью. Общим выбором являются инструментальная сталь D2 (58–62 HRC), высокоскоростная сталь M2 или карбид вольфрама. Правильная смазка и обработка поверхности (например, TiN-покрытие) необходимы для предотвращения смазывания и забивания. Жизненный цикл холодного экструзионного штампа может варьироваться от 10 000 до 100 000 деталей для простых форм, но значительно падает

Выбор прессы

Горячие экструзионные прессы медленнее (скорость тарана 50–200 мм/с), но требуют значительной длины хода для размещения длинных заготовок. Гидравлические прессы доминируют в этом поле. Холодные экструзионные прессы обычно являются механическими или гидравлическо-механическими гибридными машинами, предназначенными для высокой скорости (300–600 мм/с) и высокого тоннажа. Выбор зависит от требуемого размера детали, сложности и объема производства. Для конструкционного производства стали горячая экструзия почти всегда используется для больших секций (фланги, тяжелые каналы), в то время как холодная экструзия зарезервирована для более мелких, точных компонентов (монтажные кронштейны, рельсовые зажимы, резьбовые вставки).

Качество и целостность поверхности

Поверхностная отделка и дефекты

Горячие экструдированные поверхности покрыты слоем оксидной шкалы, который должен быть удален (маринованием или выстрелом) перед покраской или оцинковкой. На нижней металлической поверхности может проявляться незначительная шероховатость (Ra 3–12µm) из-за следов штамповки и узоров смазки. Холодные экструдированные поверхности обычно гладкие и свободные от масштаба, при значениях Ra ниже 1,6 µm. Однако холодные экструдированные части могут развить поверхностное растрескивание, если материал имеет низкую пластичность или если смазочный слой разрушается. Внутренние дефекты, такие как экструзионные разрывы или центральные разрывы, чаще встречаются при горячей экструзии, если температура и скорость не оптимизированы.

Механические свойства

Горячая экструдированная конструкционная сталь обычно имеет прочность на выходе, близкую к первоначальной спецификации заготовки (например, 250–400 МПа) с удлинением 20–30%. Материал является изотропным, если рекристаллизация завершена. Холодная экструдированная сталь может достигать прочности на выходе 500–800 МПа с уменьшенным удлинением (10–15%). Упрочнение работы создает градиент прочности через поперечное сечение, причем поверхность является наиболее твердой. Это может быть полезно для износостойкости, но может осложнить последующую сварку или формирование. Часто отжиг с рельсом напряжения при 150–250°С применяется к холодным экструдированным частям для стабилизации размеров без значительной потери прочности.

Применение в производстве структурной стали

Когда использовать горячий экструзион

  • Большие несущие балки и колонны: W-образы, H-образные и пользовательские сотовые балки, где высота паутины превышает 300 мм.
  • Комплексные полые секции: Квадратные и прямоугольные полые секции (SHS/RHS) с толщиной стенки выше 10 мм.
  • Переходные части и вспыхнувшие концы: Подшипниковые опоры моста, разъемы башенных ножек и профили судостроения, где толщина изменяется по длине.
  • Высокотемпературные сервисные среды: Компоненты для электростанций или промышленных печей, которые будут подвергаться условиям ползучести; горячий экструдированный материал лучше сохраняет свою зерновую структуру.

Когда использовать холодную экструзию

  • Части точного соединения: Высокопрочные болты, гайки, якорные пластины и клиновые якоря, используемые в соединениях сталь-сталь или сталь-бетон.
  • Малые конструктивные фитинги: Кронштейны, защелки, ремни труб и рельсы для монтажа солнечных панелей, требующие жестких допусков и отсутствия вторичной отделки.
  • Автомобильные компоненты шасси: Подвесные рычаги, крестовины и подкадры, которые получают выгоду от повышенной прочности от закалки работы.
  • Морские и морские применения: Коррозионно-стойкие стальные крепежи и небольшие секции, где поверхностный масштаб будет вреден для сцепления краски.

Последние достижения и гибридные подходы

Промышленные исследования активно разрабатывают гибридные методы, которые сочетают в себе преимущества обоих процессов. теплая экструзия , выполняемая при промежуточных температурах (400–700°C) , где сталь достаточно мягкая для умеренного снижения, но достаточно холодная, чтобы избежать сильного масштабирования. Теплая экструзия используется для структурных профилей средней прочности, которые нуждаются в лучшем качестве поверхности, чем горячая экструзия, но без экстремальных сил прессования холодной экструзии. Гидростатическая экструзия окружает заготовку, уменьшая трение кристаллов и обеспечивая более высокие коэффициенты экструзии даже при комнатной температуре. Гидростатическая экструзия была продемонстрирована для высокопрочных стальных стержней и труб с очень однородными свойствами. Кроме того, принятие сервоэлектрических прессов позволяет точно контролировать скорость барана и время пребывания, оптимизируя как горячие, так и холодные экструзионные процессы для конкретных конструкционных стал

Расчеты расходов

Комплексное сравнение затрат должно учитывать сырье, энергию, оснастку, рабочую силу и вторичные операции. Горячая экструзия обычно имеет более низкую стоимость оснастки на единицу, но более высокие затраты на энергию и послеобработку (окрашивание, термообработка). Для типичного структурного H-луча 200×200 мм общая разница в стоимости между горячей и холодной экструзией может быть незначительной при умеренных объемах (10 000–50 000 тонн/год), но холодная экструзия начинает доминировать для небольших высокоточных деталей, произведенных в большом объеме. Детальный анализ общей стоимости владения (TCO) из справочника ASM International ASM показывает, что холодные экструдированные структурные крепежи стоят на 15–25% меньше, чем горячие экструдированные эквиваленты, когда производство превышает 500 000 единиц в год, из-за устраненных этапов термообработки и инспекции.

Заключение

Горячая и холодная экструзия занимают отдельную нишу в производстве конструкционной стали. Горячая экструзия остается предпочтительным методом для больших, сложных или тяжелых секций, где формируемость и экономичная деформация перекрывают качество поверхности и точность размеров. Холодная экструзия превосходит в производстве компонентов малого и среднего размера с превосходной отделкой поверхности, повышенной прочностью за счет упрочнения работы и плотных допусков, которые устраняют вторичную обработку. Выбор между ними должен основываться на систематической оценке размера продукта, класса материала, требуемых механических свойств, объема производства и общих производственных затрат. Новые гибридные подходы обещают размыть границы, предлагая инженерам большую гибкость для адаптации процесса экструзии к конкретным требованиям современных применений конструкционной стали.