Analisi dell'estrusione di titanio: fattori chiave che influenzano il flusso del metallo

L’estrusione a caldo gioca un ruolo crucialemateriale in titanioelaborazione. Tuttavia, le proprietà fisico-chimiche uniche del titanio e delle leghe di titanio rendono questo processo molto più complesso di quello delle leghe di alluminio, delle leghe di rame o persino dell'acciaio. L'uniformità del flusso del metallo influisce direttamente sulla qualità dei prodotti estrusi. Oggi approfondiremo i fattori chiave che influenzano il flusso del metallo durante l'estrusione del materiale in titanio.

 

 

Le sfide derivanti dalle caratteristiche intrinseche del titanio

 

Le barre e le billette in lega di titanio hanno una bassa conduttività termica, una caratteristica che pone sfide significative durante l'estrusione a caldo. Quando la temperatura del cilindro di estrusione raggiunge i 400 gradi Celsius, la differenza di temperatura tra la superficie e gli strati interni della billetta può raggiungere i 200-250 gradi Celsius. Insieme all'effetto di rafforzamento dell'assorbimento del gas, il metallo sulla superficie e al centro della billetta presenta differenze significative in termini di resistenza e plasticità, con conseguente deformazione estremamente irregolare durante l'estrusione. Ciò comporta un sostanziale ulteriore stress di trazione sullo strato superficiale, che è la causa principale di crepe e fessure sulla superficie dei prodotti estrusi.

 

Inoltre, il materiale di titanio, a 980 gradi e 1030 gradi, forma un eutettico fusibile con materiali per stampi in lega a base di ferro-o nichel-, causando una grave usura dello stampo. Pertanto, attualmente sono necessari lubrificanti per l'estrusione di barre in lega di titanio.

 

Fattori fondamentali che influenzano il flusso dei metalli

 

Metodo di estrusione

Diversi metodi di estrusione influiscono in modo significativo sull'uniformità del flusso del metallo:

L'estrusione inversa è superiore all'estrusione diretta perché cambia la direzione e il grado di attrito tra il metallo e il cilindro di estrusione, riducendo la resistenza di attrito al flusso del metallo e consentendo un flusso più fluido.

L'estrusione a freddo determina un flusso di metallo più uniforme rispetto all'estrusione a caldo. Durante l'estrusione a freddo, il metallo si trova in uno stato freddo, con un'elevata resistenza alla deformazione ma una struttura dei grani interna stabile, che porta a una deformazione relativamente uniforme tra le diverse parti. Durante l'estrusione a caldo, il metallo è ad alta temperatura, riducendo la resistenza alla deformazione, ma una distribuzione non uniforme della temperatura può facilmente portare a un flusso non uniforme.

 

L'estrusione lubrificata è migliore dell'estrusione non lubrificata. Il lubrificante forma una pellicola lubrificante tra il metallo e lo stampo, riducendo l'attrito e la resistenza, con conseguente flusso del metallo più uniforme. Pertanto, il metodo di estrusione influisce principalmente sul flusso del metallo alterando le condizioni di attrito.

 

Velocità di estrusione

L'aumento della velocità di estrusione aggrava le irregolarità del flusso del metallo. Questo perché una velocità eccessiva impedisce al metallo di deformarsi completamente e di coordinare il suo flusso, portando a una distribuzione non uniforme delle sollecitazioni interne. Ad esempio, durante l'estrusione ad alta-velocità, il metallo vicino alla parete interna del cilindro di estrusione scorre lentamente a causa dell'elevato attrito, mentre il metallo al centro scorre rapidamente, creando una differenza significativa.

 

Temperatura di estrusione

Come fattore chiave, l'aumento della temperatura di estrusione riduce la resistenza alla deformazione della billetta ma aggrava il flusso irregolare del metallo. Se il cilindro di estrusione e la testa vengono riscaldati a un livello troppo basso, la differenza di temperatura tra gli strati esterno e interno aumenta, peggiorando ulteriormente il flusso irregolare. Poiché la plasticità e la resistenza del metallo differiscono a temperature diverse, le aree ad alta-temperatura mostrano una migliore plasticità e un flusso più veloce, mentre le aree a bassa-temperatura mostrano il contrario. Inoltre, migliore è la conduttività termica del metallo, più uniforme sarà la distribuzione della temperatura sulla faccia frontale della billetta, con conseguente flusso del metallo più uniforme.

 

Forza del metallo

Alle stesse condizioni, una maggiore resistenza del metallo porta a un flusso più uniforme. I metalli ad alta-resistenza hanno un forte legame dei grani interni, che trasmette meglio lo stress e consente una deformazione coordinata tra le diverse parti; i metalli a bassa-resistenza, a causa del debole legame dei grani, sono soggetti a deformazioni irregolari localizzate.

 

Angolo della matrice

L'angolo della matrice (l'angolo tra la faccia terminale della matrice e l'asse centrale) ha un impatto significativo sulla fluidità del metallo. Un angolo della matrice maggiore determina un flusso di metallo più irregolare. Questo perché un angolo ampio della matrice provoca una distribuzione non uniforme della resistenza mentre il metallo passa attraverso la matrice; il metallo vicino alla parete interna dello stampo sperimenta maggiore resistenza e scorre più lentamente, mentre al centro sperimenta il contrario. Tuttavia, quando si utilizza una matrice multi-foro per l'estrusione, se i fori della matrice sono disposti in modo ragionevole, il flusso del metallo in ciascun foro può diventare più uniforme, migliorando il flusso complessivo.

 

Grado di deformazione

Sia i gradi di deformazione eccessivi che quelli insufficienti portano a un flusso metallico irregolare. Se il grado di deformazione è troppo piccolo, lo stress interno del metallo è basso, insufficiente a promuovere un flusso sufficiente, dando luogo facilmente ad aree localizzate di nessuna deformazione o di deformazione insufficiente. Se il grado di deformazione è troppo grande, lo stress interno è troppo elevato, causando difetti come crepe nel metallo. Inoltre, il metallo vicino alla zona di deformazione scorre più velocemente di quello più lontano.