第 1 章：挤压铝概述

挤压铝是一种金属成型工艺，涉及将预热或冷铝坯通过具有特定横截面形状的模具轮廓。它是一种制造铝制部件的方法，从具有必要宽度、高度和厚度的二维轮廓开始。型材的第三个尺寸由后挤出加工确定，其中包括将型材拉到跳动台上并将其切割成适当的长度。铝型材

铝的两种挤压方式是热镦和冷镦。在热镦中，钢坯被加热到比其熔化温度低约25%。使用冷镦时，坯料在室温下挤出。两种挤出方法都有其优点。热镦是一个更快的过程，而冷镦可以生产更耐用和持久的产品。

挤压铝是更具成本效益的制造工艺。它能够生产具有出色公差、精度和准确度的产品。每个拉伸轮廓都具有相同的尺寸，从个拉伸零件到最后一个拉伸零件，长度或尺寸没有任何变化。

铝因其重量轻、强度高和耐腐蚀性而备受青睐。在其纯净形式中，它是柔软的，强度低。为了提高其机械性能，它通常与铜、镁、锰和硅等元素形成合金。此外，还可以对其进行热处理，以进一步提高强度和延展性并达到适当的平衡。

金属挤压的次发展发生在 1700 年代后期，当时英国发明家和锁匠约瑟夫·布拉马 （Joseph Bramah） 申请了成型工艺的项专利。该工艺最初用于制造铅管和电缆的铅护套。这种早期的挤压工艺可以加工软金属。

更硬、更坚固的金属，如铝，需要更高的成型温度和压力。直到 1894 年亚历山大·迪克 （Alexander Dick） 引入热挤压工艺，铝才被用作挤压材料。

如今，铝型材被广泛使用，全球市场规模超过 670 亿美元，预计从 2020 年到 2027 年每年将增长 3.8%。挤压铝的主要应用领域是建筑和施工、汽车和运输、消费品以及电气和能源等领域。

第2章 铝的特性

铝是用于挤压成型的最常用金属。这种金属具有独特的机械性能组合，例如高强度、低密度和良好的可加工性。这些品质在所有温度下几乎都是恒定的。此外，其他理想的特性，如导电性、反射率、顺磁性等，进一步扩大了其应用领域。

高强度重量比：铝因其重量轻、强度高而广受欢迎。它的密度大约是钢的三分之一。根据等级的不同，铝合金的强度比钢高五倍。由于这种特性，铝被广泛用于航空航天和汽车应用。

耐腐蚀性：与大多数金属相比，铝具有固有的高耐腐蚀性。这归因于它倾向于在其表面形成致密的氧化物层。这使得铝在添加涂层后适用于户外应用。

电导率：铝的导电性约为铜的61%。在某些应用中，由于其密度较低且成本较低，因此比铜更受欢迎。利用这些特性的应用是低成本输电线路。

导热：铝的导热性是黄铜的两倍，是钢的四倍。这使得铝广泛用于电子和电气元件的散热器应用。

延展性和加工性：即使在室温下也可以很容易地形成铝。除了挤压，铝还可以通过轧制、拉伸、冲压和锻造来形成。

低温韧性：与钢相比，铝在低温下保持其韧性。低温通常会使金属在脆性断裂下失效。铝的机械性能在所有温度下几乎都是恒定的。

弹性和冲击强度：铝因其天然的韧性而具有很高的回弹性和冲击强度。铝制零件可以吸收突然的力或冲击，并且可以因动态载荷而弹性弯曲。

非磁性：与钢不同，铝不是铁磁性的，而是顺磁性的。这意味着它在受到强磁场时不会获得磁荷。这使得铝适用于发射高电磁场的电子和电气外壳和部件。此外，除了其导电性外，铝还可用于制造电磁场屏蔽。

反射系数：铝在 200 至 400 nm 范围内具有更高的反射率，比金和银好得多。铝膜涂层通常应用于玻璃上以代替银来制作镜子。根据其表面处理，铝可以在可见光谱波长上反射约 90% 的光。

可回收性：铝很容易回收，而不会损失任何理想的性能。回收铝所需的能源仅为生产原始产品所消耗能源的 5% 左右。

第 3 章：铝挤压的好处

挤压工艺有其优点，当与铝的性能相结合时，可以生产出具有独特品质的产品。这些品质对制造商和最终用户都有好处。挤压工艺主要用于生产具有复杂截面的零件。此外，它还可以处理其他成型工艺难以处理的脆性材料。

易于创建复杂的横截面。可以制造复杂的零件，前提是它在整个长度上具有相同的横截面。与其他成型工艺相比，生产更复杂零件的运营成本增加是最小的。

形成脆性材料的能力：挤出生产的零件没有撕裂和裂纹，因为金属具有有利于塑性流动的配置。这是由于作用在钢坯上的力对腔室和模具产生的高压应力。

尺寸精度高：与铸造和轧制相比，铝型材可以以严格的公差生产。现在可以使用计算机数值模拟对金属流动进行建模，以预测挤出物的尺寸和轮廓。

可以形成无缝空心部件：空心型材可以通过模具和芯轴的组合挤压铝来制造。这些型材不需要机械接头或焊缝，而机械接头或焊缝是产品的潜在弱点。

实心型材：创建的实体型材没有闭合的空腔，但具有一个或多个孔。它们具有简单的设计、吸引人的外观和非凡的强度。

操作的灵活性。当从一种挤出机型材更改为另一种挤出型材时，只需对工艺参数进行小幅调整，这只需要在生产中进行极少或几乎不需要中断。

良好的表面光洁度。二次操作可以很容易地集成起来，以创建各种饰面。产品的表面可以抛光或抛光以获得镜面般的表面，也可以拉丝以获得哑光效果。除了抛光，铝型材还可以进行阳极氧化、喷漆、粉末涂层、电镀或层压。

标准表面处理是磨机表面处理，即对产品进行去毛刺和清洁，并准备进行阳极氧化、粉末喷涂或其他二次表面处理。喷砂是在阳极氧化之前完成的常见表面处理。阳极氧化饰面的类型包括透明和黑色，这是最常见的阳极氧化饰面，也可提供定制颜色。

阳极氧化是一种与底层铝结合的饰面，具有无与伦比的附着力。饰面化学稳定，无毒;和耐热。阳极氧化的厚度为 6 μm 至 18 μm，有黑色或透明两种颜色，可定制颜色。阳极氧化工艺的局限性在于挤压的长度，因为长时间挤压的铝不适合阳极氧化槽。静电喷涂涂层还用于涂覆挤压铝，并生产各种颜色的更高质量的产品。

第 4 章：铝挤压中需要考虑的因素

挤压被归类为一种块状成型工艺，其中成型金属的表面积与体积比发生显着变化。这是通过在柱塞、冲头、工具和模具的帮助下使钢坯承受压缩力来实现的。为了产生具有可预测晶粒结构的所需轮廓，应用塑性理论来确定金属塑性变形力学的力学。

形成的产品很大程度上取决于几个变量。主要变量是挤出压力，它受其他因素的影响，如温度、挤出比和挤出速度。下面枚举了拉伸变量。

挤出工艺类型：两大类是直接的和间接的。直接挤压是柱塞行程和金属流动方向相同的过程，而间接挤压则相反。每个过程都有其优点和缺点。已经开发了其他类型的铝挤压技术，例如静压和冲击挤压。

挤出压力：挤压压力克服了启动金属流动所需的压力，并克服了坯料与模具和腔室之间的界面摩擦。范围从 800 MPa 到 1200 MPa。

坯料与模具或腔体与模具之间的摩擦：前者发生在间接挤压中，而后者发生在直接挤压中。消除或最小化摩擦，以控制金属流动并降低压缩所需的功率。

模具类型和设计：模具是使金属变形的部件。模具设计决定了金属在挤压过程中的机械工作。挤出模具可以是实心模具、半空心模具或空心模具。

润滑：挤压高强度铝合金需要润滑。这是为了帮助金属，因为钢坯在腔室上滑动，金属通过模具变形。润滑通常是一种专有配方，通常由油、石墨或玻璃粉制成。

铝合金的种类：不同的铝合金需要不同的挤压参数。铝合金按系列指定，根据主要合金元素进行分类。铝合金列举如下：

挤压使用最广泛的合金是 6xxx 系列合金。

1xxx：99% 铝

2xxx：带铜

3xxx：含锰

5xxx：含镁

6xxx：含镁和硅

7xxx：含锌

温度：铝挤压通常在高温下进行，称为热挤压。高温增强了金属流动性，生产出无缺陷的挤出物。然而，使用高温的缺点是氧化速率增加。铝热挤压的范围为705°F至932°F（375°C至500°C）。

挤出比：这被定义为坯料和模具开口横截面积之间的比率。挤出比越大，变形越大。这需要更高的挤出压力。此外，更高的变形会导致更高的出口温度。

挤出速度：这是金属流过模具的速度。更高的挤出速度需要较高的挤出压力，并导致更高的出口温度。较慢的速度为温度流动和消散提供了充足的时间。挤压速度平衡，以保持金属的适当温度。

钢坯长度：对于给定的坯料直径，坯料长度限制了挤出物的长度、轮廓和挤出比。此外，坯料长度也会影响所需的挤出压力。坯料越长，所需的挤出压力就越高。

第5章 不同的铝挤压工艺

铝型材的制造始于生产送入挤压机的铝坯。铝是从铝土矿中提炼出来的，可以生产氧化铝或氧化铝。然后通过还原过程将氧气从铝中分离出来，以产生纯铝。然后将原生铝熔炼成锭，用于制造钢坯和再生铝。

铝坯供应给制造工厂，通过各种金属成型工艺制造最终用途零件。铝挤压通常涉及加热坯料以增加金属的可塑性。然后将加热的钢坯装入圆柱形腔室中，一端是柱塞，另一端是模具。柱塞通过机械或液压驱动以产生足够的压缩力。施加压力使坯料塑性变形，迫使其流过模具。设置可能因所使用的挤出工艺类型而异。

铝型材可以通过不同的工艺生产。这些可以根据对坯料施加压力的方法进行分类，如下所述。

直接挤出：这是铝挤压最常见的方法。在此过程中，将加热的坯料放入腔室中，并通过柱塞压力推动模具。在柱塞和坯料之间放置一个假块或预热板，以防止后者在接触柱塞表面时变冷。金属流动的方向与冲压行程或行程的方向相同。坯料发生塑性变形，并在模具的壁和开口上滑动。摩擦力由接触点产生，这显着增加了柱塞压力。挤出工艺的压力-位移曲线如下图所示。

如图所示，在挤出开始时，所需的压力开始迅速增加到其峰值，称为突破压力。一旦开始流动，压力就会降低，稳态挤出继续进行。当装载的坯料几乎被消耗殆尽时，挤压压力达到最小值，然后随着剩余的坯料被压实而急剧上升。剩余的未挤压的坯料称为坯料或弃料，占坯料的 5% 至 15%。

间接挤出：与直接挤压工艺相比，模具不是将坯料压在模具上，而是压在坯料上。一个空心柱塞连接到模具上，压缩铝坯，迫使其流动。金属流动的方向与柱塞行进的方向相反。关于产生的摩擦力，由于坯料和腔室之间没有相对位移，所以坯料和挤出机腔之间没有摩擦。

如图所示，所需的压力仅上升到稳态挤压压力。间接挤出被证明是一种比直接挤出更节能的工艺。尽管有这种优势，但间接挤压不能替代直接挤出。这是因为需要使用空心柱塞，与实心压力机相比，空心柱塞较弱。这限制了可用于压缩坯料的载荷。因此，该工艺仅适用于生产小截面的挤出物。

静压挤出：该过程涉及使用工作流体迫使钢坯通过模具。在此过程中，工作流体被压缩到完全包围坯料的密封腔内，但锥形端除外，该端最初安装在模具开口上。可以通过用柱塞或柱塞压压流体或在腔室内泵送更多流体来实现增压。前者称为恒速挤出，而后者称为恒压挤出。油通常用作工作流体，具有改良的性能，可抵抗由于成型和压缩产生的热量而导致的高温降解。

静压挤出提供了直接和间接挤出的两全其美。该工艺解决了直接挤压过程中产生的高摩擦力问题以及间接工艺对横截面积的限制。然而，它们也存在一些缺点，例如由于每个挤出周期的准备时间较长而导致的产量较低，以及在高压下密封困难。较低的产量是额外的钢坯锥形工艺以及每个循环所需的流体注入和去除的结果。在某些设置中，不是去除流体，而是保留丢弃物以防止挤出流体突然释放。由于冷加工，这种丢弃物通常更坚硬，需要额外的压缩才能挤出。密封困难来自腔室和柱塞之间的密封更紧密以及坯料和模具之间的密封。

铝挤压通常在高压下进行，以增加金属塑性流动的趋势。然而，其他技术使该过程能够在室温下完成。

热挤压：热挤压是在铝的再结晶温度以上进行的，此时其微观结构开始发生变化。这反过来又改变了其机械性能，例如强度、延展性和硬度。将金属挤压到其再结晶温度以上会降低所需的压力，因为材料在这种状态下具有更高的延展性。此外，金属变形不会导致加工硬化。加工硬化进一步硬化铝，使其更难成型或挤压。为了控制产品的机械性能，必须控制其冷却速率。对于某些合金，进行二次热处理以增强其机械性能。

冷挤压：与热挤压相比，冷挤压是在再结晶温度以下进行的，通常在室温下进行。金属最初处于室温。当它被压缩时，连续变形会产生热量。冷挤压的优点是优异的硬度和强度、更低的氧化、更好的表面光洁度和更紧密的公差。

下面列举的是根据金属流动方向相对于柱塞运动对挤压工艺的分类。

正向挤出：在此过程中，柱塞或冲头的行程与金属流动方向相同。柱塞将钢坯推过横截面较小的模具。正向挤出工艺包括直接挤出和静压挤出。

向后挤压：向后挤压过程涉及沿金属流相反方向行进的柱塞。钢坯或金属段塞彼此之间没有位移。反向挤压工艺是间接挤压和冲击挤压工艺。

侧向挤压：在横向挤压工艺中，柱塞垂直取向，而挤出物水平流动。这基本上是对正向挤压工艺的修改，以节省空间或提高柱塞的加压效率。