Il processo di estrusione è una delle tecniche di deformazione plastica più utilizzate nella produzione industriale di semilavorati metallici. Il principio è diretto: un massello di metallo, chiamato billetta, viene forzato attraverso un’apertura sagomata, la matrice, fino a ottenere un profilo a sezione costante con le caratteristiche geometriche e meccaniche richieste. Dietro questa apparente semplicità, però, c’è un insieme di parametri che incide in modo decisivo sulla qualità del risultato.
In questo articolo vediamo come funziona il processo, quali variabili devono essere controllate, quali difetti possono comparire e quali materiali si prestano meglio a questa lavorazione. L’obiettivo è offrire una panoramica tecnica utile a chi progetta o gestisce processi produttivi in ambito metallurgico, andando oltre la sola descrizione di base.
Il principio meccanico del processo di estrusione
Nel processo di estrusione, il metallo è sottoposto a una compressione triassiale molto elevata all’interno di un contenitore chiuso. Questo stato di sforzo è particolarmente favorevole, perché consente deformazioni anche molto importanti senza arrivare alla frattura del materiale, persino nel caso di leghe che, in altre condizioni di lavorazione, risulterebbero relativamente fragili.
Il pistone spinge la billetta contro la matrice, la cui apertura riproduce la sezione del profilo da ottenere. Poiché le pareti del contenitore impediscono al metallo di espandersi lateralmente, il materiale è costretto a fluire attraverso la matrice, uscendo con la forma desiderata. La lunghezza del prodotto estruso dipende dal volume della billetta iniziale e dal rapporto tra la sezione di entrata e quella di uscita.
Estrusione diretta e indiretta: le due configurazioni principali
Le due configurazioni principali del processo si distinguono per la direzione relativa del movimento tra pistone e matrice. Questa differenza incide sull’attrito, sulla forza richiesta alla pressa e sull’omogeneità del prodotto finale.
Estrusione diretta
Nell’estrusione diretta, detta anche estrusione a pistone avanzante, il pistone spinge la billetta nella stessa direzione del flusso del metallo verso la matrice fissa. È la configurazione più diffusa, ma comporta un attrito significativo tra la billetta e le pareti del contenitore. Questo attrito aumenta la forza necessaria alla pressa e genera calore durante l’avanzamento.
Man mano che la billetta procede, l’effetto dell’attrito contribuisce a rendere meno uniforme la struttura del profilo, soprattutto nel confronto tra la testa e la coda dell’estruso.
Estrusione inversa (indiretta)
Nell’estrusione inversa, la billetta resta ferma mentre la matrice, montata su un pistone cavo, avanza contro di essa. Il metallo fluisce quindi in direzione opposta rispetto al movimento del pistone. L’assenza di scorrimento relativo tra billetta e contenitore riduce quasi del tutto l’attrito, con una diminuzione della forza necessaria del 25-30% rispetto all’estrusione diretta.
Questa configurazione favorisce anche una struttura più omogenea lungo il profilo, con un gradiente termico più contenuto tra testa e coda.
I parametri tecnici che governano il processo di estrusione
La qualità del prodotto estruso non dipende solo dal tipo di pressa o dalla configurazione adottata. Entrano in gioco diversi parametri operativi, da calibrare in base al materiale, alla geometria del profilo e alla velocità di produzione richiesta.
Temperatura di preriscaldo e velocità di estrusione
La temperatura di preriscaldo della billetta è uno dei parametri più delicati. Deve essere abbastanza alta da portare il materiale in condizioni plastiche — quindi sopra la temperatura di ricristallizzazione nel caso della lavorazione a caldo — ma non tanto elevata da provocare fusione localizzata in superficie. Quando questo accade, sul profilo possono comparire fessurazioni a “pelle di serpente”.
Per l’alluminio e le sue leghe la temperatura tipica è compresa tra 400 e 500°C; per il rame e i suoi derivati si sale a 800-900°C; per l’acciaio si lavora oltre i 1.100°C.
Anche la velocità di estrusione deve essere bilanciata rispetto alla temperatura. Se è troppo elevata, il calore generato dalla deformazione plastica e dall’attrito può surriscaldare il metallo vicino alla matrice, peggiorando la finitura superficiale e accelerando l’usura dell’utensile. Se invece è troppo bassa, possono verificarsi soste produttive e un raffreddamento non controllato della billetta all’interno del contenitore.
Il rapporto di estrusione
Il rapporto di estrusione è il rapporto tra l’area della sezione trasversale della billetta nel contenitore e l’area della sezione del profilo estruso. Per l’alluminio i valori tipici vanno da 10:1 a oltre 100:1. Per materiali più resistenti, come il rame o l’acciaio, i rapporti massimi sono più bassi, a causa delle pressioni in gioco.
Un rapporto di estrusione elevato permette di ottenere profili più sottili o con sezioni più complesse, ma richiede una forza maggiore e genera un incremento di temperatura interno più marcato. Per questo va valutato già nella progettazione della matrice, tenendo conto sia della pressa disponibile sia delle proprietà termomeccaniche del materiale.
I componenti critici della pressa di estrusione
La pressa di estrusione lavora in condizioni severe. I suoi componenti sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche e termiche intense, e la loro progettazione incide direttamente sia sulla vita utile degli utensili sia sulla qualità del profilo estruso.
La matrice
La matrice è l’elemento che definisce la sezione trasversale del profilo. Viene realizzata in acciai per lavorazioni a caldo altamente legati, in grado di resistere alle temperature e alle pressioni di esercizio conservando durezza e resistenza all’usura. La geometria dell’imbocco, in particolare l’angolo con cui il metallo entra nell’apertura, influenza il flusso del materiale, la distribuzione delle pressioni e la finitura superficiale dell’estruso.
Nel caso di profili cavi o con sezioni complesse, le matrici incorporano un mandrino, o “porthole die”, che divide il flusso del metallo e lo ricongiunge attorno alle zone cave. In queste configurazioni, la qualità delle linee di giunzione — le cosiddette “saldature di estrusione” — dipende da temperatura, pressione e velocità di estrusione.
Il contenitore e il pistone
Il contenitore ospita la billetta preriscaldata e la mantiene confinata durante la deformazione. È soggetto a cicli termici intensi e deve assicurare la tenuta laterale necessaria a impedire fuoriuscite di metallo lungo le pareti.
Il pistone, invece, trasmette alla billetta la forza generata dalla pressa. Nei sistemi moderni è realizzato con tolleranze strette, così da limitare la perdita di materiale tra pistone e contenitore e migliorare l’efficienza con cui la forza viene trasformata in pressione utile.
Flusso del metallo e difetti nel processo di estrusione
Il flusso del metallo all’interno del contenitore e attraverso la matrice è uno degli aspetti più complessi da controllare. È anche uno dei fattori che incidono maggiormente sulla qualità interna del profilo. Quando il flusso non è regolare, possono formarsi difetti strutturali non sempre visibili in superficie, ma rilevanti per le proprietà meccaniche del prodotto.
Il difetto di tubo (pipe defect)
Il difetto di tubo è tra i problemi più critici dell’estrusione diretta. Si manifesta nella fase finale della corsa, quando nel contenitore rimane poco materiale. In questa condizione, impurità superficiali della billetta, ossidi e contaminazioni possono essere trascinati dal flusso verso il centro del profilo, generando una zona eterogenea nell’ultimo tratto dell’estruso.
Per prevenirlo, si lascia normalmente un “fondello”, cioè un residuo di billetta nel contenitore da scartare alla fine del ciclo. La sua lunghezza dipende dal rapporto di estrusione e dalla qualità della superficie della billetta.
Cricche superficiali e finitura
Le cricche superficiali, trasversali o longitudinali, sono spesso legate a un equilibrio non corretto tra temperatura e velocità di estrusione. Le cricche trasversali si formano quando la temperatura è troppo bassa e il materiale non raggiunge una plasticità sufficiente. Le cricche longitudinali, così come le fessurazioni a “pelle di serpente”, compaiono invece quando il calore generato dalla deformazione supera la soglia critica del materiale in prossimità della matrice.
Un’usura della matrice o una lubrificazione insufficiente possono inoltre provocare striature longitudinali continue. In questi casi la finitura superficiale peggiora, anche se le proprietà meccaniche non risultano necessariamente compromesse.
Materiali e lubrificazione nel processo di estrusione
I metalli non si comportano tutti allo stesso modo durante l’estrusione. Anche le strategie di lubrificazione cambiano sensibilmente in base al materiale lavorato.
L’alluminio e le sue leghe sono tra i materiali più adatti a questo processo, grazie alla buona duttilità a caldo, all’ampia gamma di sezioni ottenibili e alla possibilità di raggiungere rapporti di estrusione molto elevati. Per approfondire le specificità dell’estrusione dell'alluminio — dai parametri di processo alle leghe più utilizzate — rimandiamo all’articolo dedicato.
Il rame e i suoi derivati richiedono temperature più alte e tollerano rapporti di estrusione inferiori, ma permettono di ottenere profili con elevata conducibilità elettrica e buona resistenza alla corrosione.
L’acciaio è il materiale più impegnativo. Le temperature necessarie, superiori a 1.100°C, rendono inutilizzabili i lubrificanti convenzionali. La soluzione tecnica consolidata è la lubrificazione con vetro fuso, nota come processo Séjournet: un disco di vetro posizionato davanti alla matrice fonde per effetto del calore e forma un film lubrificante uniforme tra metallo e matrice. Questo strato riduce l’attrito e protegge termicamente la matrice, aumentandone in modo significativo la vita utile.
Dal profilo estruso al componente finito
L’estrusione produce un semilavorato che, nella maggior parte dei casi, richiede lavorazioni successive per raggiungere le caratteristiche finali previste dall’applicazione. Il profilo viene normalmente tagliato a misura, raddrizzato per correggere le deformazioni da raffreddamento, sottoposto a trattamento termico quando necessario e infine lavorato meccanicamente nelle zone che richiedono tolleranze strette.
Nel caso dell’alluminio, il trattamento termico post-estrusione — in genere l’invecchiamento artificiale — è una fase essenziale per molte leghe delle serie 6000 e 7000. La qualità microstrutturale del profilo estruso condiziona direttamente la risposta al trattamento.
Per i prodotti finali destinati ad applicazioni strutturali, la verifica degli estrusi in alluminio comprende di norma prove meccaniche e controlli dimensionali lungo l’intera lunghezza del profilo.
Se stai valutando un processo di estrusione per un’applicazione specifica o hai bisogno di supporto tecnico nella progettazione di un ciclo produttivo, il team di Monterosa Swiss può affiancarti nell’analisi dei parametri di progetto e nella scelta della soluzione più adatta alle esigenze produttive.
