Экструзия алюминия: нагрев матриц

Экструзионные матрицы для прессования алюминиевых профилей перед загрузкой в пресс обязательно подвергают предварительному нагреву.

 Зачем нагревать матрицы?

Никто не будет спорить, что нагрев матриц является весьма важной частью процесса прессования алюминиевых профилей. Однако при производстве прессованных алюминиевых профилей нагрев матриц, как, впрочем, и другого прессового инструмента, обычно контролируют значительно меньше, чем сам процесс прессования.

Если матрицы не подогревать до нужной температуры, то возрастает риск:

• преждевременного разрушения матрицы,
• неправильного течения металла и
• налипания заготовки к матрице.

На большинстве экструзионных прессов  печи нагрева матриц выставляют на фиксированную температуру в интервале от 450 до 500 ºС.

• Очень мало прессовщиков алюминия измеряют температуру матриц и, тем более, записывают ее.
• Вместе с тем, бесконтактное измерение температуры является в наше время вполне доступным.
• Обычно контроль нагрева матриц ограничивается записью в журнал времени загрузки матрицы в печь и редко – ее расположение в печи.

Печи нагрева матриц

Печь нагрева матриц греет матрицу через ее поверхность – путем конвекции и/или излучения. Внутренние слои матрицы могут нагреваться только за счет передачи тепла от поверхности. Чем толще сталь, тем дольше матрица достигает заданной температуры. Как правило, полые матрицы греют дольше, чем плоские (сплошные), даже если плоская матрица более массивная.

Передача тепла к матрице зависит от нескольких факторов. Чем выше температура окружающего матрицу воздуха или источника теплового излучения, тем больше передача тепла и короче цикл нагрева матрицы. Принудительная циркуляция воздуха является обязательной для печей нагрева матриц, чтобы обеспечивать плотный контакт максимально горячего воздуха с матрицей, в том числе в отверстиях и полостях матрицы.

Перегрева матрицы выше заданной температуры необходимо избегать, так как это приводит к повышенной скорости окисления поверхности матрицы, а также разрушает ее азотированный слой. Кроме того, при перегреве возрастает риск локального снижения твердости материала матрицы. Большие градиенты температуры внутри матрицы могут также вызвать в ней значительные внутренние напряжения, которые, в свою очередь, могут способствовать образованию в ней трещин.

Нагрев матрицы

На большинстве экструзионных прессов, которые производят профили из алюминия и алюминиевых сплавов, нагрев матриц перед установкой их в пресс производят в печах с циркулированной воздушной атмосферой. Заданная температура матрицы достигается обычно приблизительно за 4 часа. Чем дольше матрица находится в такой печи при высокой температуре, тем больше степень ее окисления.

Почему это важно?

Окисление рабочего пояска матрицы

Первой причиной является качество поверхности профиля. Сильно окисленная поверхность рабочего пояска матрицы вряд ли даст высокое качество поверхности отпрессованного профиля. В настоящее время все чаще применяют специальные компьютерные программы для управления нагревом матриц. Такая программа показывает оператору, когда матрица готова для прессования и когда она «сидит» в печи слишком долго. Обычно считается, что восемь часов в печи должно быть максимальным пределом.

Разрушение азотированного слоя

Вторая причина — это влияние нагрева на азотированный слой матрицы.

Азотированный слой рабочего пояска матрицы состоит из двух слоев. На поверхности пояска формируется слой толщиной от 5 до 20 мкм, который состоит из специальных карбонитридов железа. Сразу под этим тонким слоем образуется еще один слой – поддерживающий – толщиной от 0,05 до 0,3 мм, который насыщен азотом. Этот азот находится в твердом растворе стали.

Поясок матрицы окисляется в печи нагрева матриц, при этом азотированный слой удаляется и заменятся оксидом железа. В ходе окисления на поверхности пояска образуются язвы. Эти язвы при последующей щелочной обработке матрицы будут подвергаться воздействию щелочи, что в результате может приводить к отколам стали на пояске.

Окисление пояска матрицы

На рисунке 1 показаны образцы из матричной стали Н13, на которых были выполнены пояски, после чего они были подвергнуты типичной термической обработке для матриц — термическому упрочнению и двойному отпуску — на твердость 47-49 HRC, а затем азотированию по технологии, которую применяют для матриц. Трое из этих образцов подвергали нагреву в печи с циркуляцией воздуха при температуре 480 ºС при длительности нагрева от 2 до 24 часов.

Рисунок 1 — Внешний вид поверхности образцов
после нагрева при 480 ºС:
верхний ряд — после 4 и 24 часа нагрева,
нижний ряд — контрольный образец без нагрева и
образец после нагрева в течение 2-х часов.

При нагреве в атмосфере воздуха полностью избежать окисления стали невозможно, однако степень окисления сильно зависит от длительности нагрева. После двух часов  при температуре 480 ºС образец стал светло-серым. С увеличением длительности выдержки при этой температуре   образцы становятся темнее, а толщина оксидного слоя увеличивается. При нагреве в течение 7 дней на оксидный слой на образце стал буро-коричневым.

Влияние нагрева на азотированный слой

Влияние различной длительности нагрева на азотированный слой показано на рисунке 2 и в таблице.

Рисунок 2 — Твердость по сечению опытных образцов
после нагрева при 480 ºС с различной длительностью

Таблица – Изменение твердости поверхностного слоя пояска матрицы после нагрева различной длительностиС увеличением длительности выдержки в печи толщина оксидного слоя увеличивается, а азотированного слоя уже почти невозможно обнаружить.

Снижение твердости с увеличением длительности нагрева быстро возрастает. После 8 часов нагрева твердость поверхности рабочего пояска снизилась с 1092 до 950 единиц Виккерса.

При нагреве матрицы в течение суток твердость на поверхности падает еще ниже – до 760 единиц Виккерса, а пик максимальной твердости смещается с поверхности внутрь образца. Это , который находится в твердом растворе азотированного слоя, начал диффундировать. Часть азота диффундирует в глубину рабочего пояска, а другая часть – наружу из поверхности рабочего пояска.

При нагреве матрицы в течение 7 суток – что не такая уж и редкость – твердость на поверхности падает уже до 730 единиц Виккерса, а пик твердости уходит еще глубже и величина его снижается.

Эти данные убедительно показывают, что длительный нагрев матриц в печи губителен для них. Он приводит к образованию на рабочих поясках матрицы толстого оксидного слоя, что, в свою очередь, приводит к значительному снижению качества поверхности алюминиевого профиля. Кроме того, вызванное длительным нагревом повреждение рабочих поясков  матриц может существенно сокращать срок их службы.

Источник:
1. A. Castle and I. Avent, Die heating in Production, Aluminum Extrusion Technology Seminar, Chicago, 2004.

См. также:
Экструзия алюминия: корректировка полых матриц
Экструзия алюминия: опрессовка новых матриц