Анодирование алюминия: влияние матриц и технологии прессования

Введение

Особенности микроструктуры материала алюминиевых профилей – алюминиевых сплавов – очень часто являются причиной неоднородности внешнего вида их анодированной поверхности. Причинами такой неоднородности микроструктуры являются нарушения технологии производства алюминиевых профилей – от литья слитков-столбов, от которых отрезаются исходные заготовки для экструзионного пресса и до технологии термической обработки при закалке на прессе и в печи искусственного старения.

В предыдущей части – части 1 – было рассмотрено влияние технологии литья слитков-столбов на микроструктуру алюминиевых профилей.

В этой части – части 2 – будет рассмотрено влияние технологии прессования профилей на качество поверхности анодированных алюминиевых профилей.

Температура и деформация

Микроструктура алюминиевых профилей и последующее качество поверхности после их анодирования зависит от различных технологических параметров на всем протяжении их производства. Величина температуры, длительность выдержки при ней, скорость нагрева и охлаждения, а также скорость деформации и связанный с ней рост температуры являются основными технологическими параметрами, которые влияют на формирование микроструктуры готовых алюминиевых профилей (рисунок 1).


Рисунок 1 – Изменение температуры в процессе производства
анодированных алюминиевых профилей

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые профили производят чаще всего из сплавов серии 6ххх, у которых основными легирующими элементами являются магний и кремний (рисунок 2).

Рисунок 2 – Основные сплавы для производства алюминиевых профилей

Из сплавов 6060 и 6063 (аналогов отечественного АД31) изготавливают практически все профили для оконных рам и дверей, а также навесных фасадов.

Компания Hydro Aluminium применяет свои внутренние алюминиевые сплавы с более узкими интервалами содержания легирующих элементов и примесей, чем у обычных сплавов, таких как 6060, 6063, 6005, 6082. Это обеспечивает, кроме прочего, более высокую стабильность свойств профилей (рисунок 3).


Рисунок 3 – Химический состав внутренних алюминиевых сплавов
компании Hydro Aluminium [2]

Перерекристаллизация зеренной структуры

Для многих деформируемых алюминиевых характерно явление рекристаллизации. Это явление заключается в том, что вытянутая, слоистая зеренная структура, которая возникает в ходе их пластической обработки, самопроизвольно переходит в равноосную рекристаллизованную зеренную структуру (рисунок 4).

а) — Зеренная литая структура слитка


б) Деформированная нерекристаллизованная зеренная структура
прессованного алюминиевого профиля


в) Полностью рекристаллизованная зеренная структура
прессованного алюминиевого профиля

Рисунок 4 – Рекристаллизация зеренной структуры
профилей из алюминиевого сплава 606035 [1]

В зависимости от уровня легирования алюминиевого сплава и степени пластической деформации, которую получил материал в процессе экструзии профиля , рекристаллизация зеренной структуры может быть полной и неполной. Неполная рекристаллизация может быть причиной неоднородностей поверхности профиля в виде пятен и полос.

Зависимость степени рекристаллизации материала алюминиевых профилей от степени легирования и уровня прочности (в порядке роста склонности к частичной рекристаллизации) [1] (по сплавам – см. рисунки 2 и 3):

— малолегированный вариант алюминиевого сплава 6060 — сплав 606035 (F22):

  • обычно полная рекристаллизация (см. рисунок 3в);

— высоколегированный вариант алюминиевого сплава 6060 — сплав 606090 (F25):

  • полная рекристаллизация тонкостенных профилей;
  • частичная рекристаллизация толстостенных профилей;

— суженный вариант алюминиевого сплава 6005 — сплав 600540 (F27):

  • обычно полная рекристаллизация тонкостенных профилей;
  • частичная рекристаллизация толстостенных профилей;

— суженный вариант алюминиевого сплава 6082 — сплав 608250 (F31) (рисунок 5):

  • обычно полная рекристаллизация поверхностного слоя;
  • деформированная слоистая структура во внутренних слоях профилей.


Рисунок 5 – Профиль из алюминиевого сплава 608250 [1]:
полностью рекристаллизованная зеренная структура в поверхностных слоях;
слоистая деформированная нерекристаллизованная зеренная структура в центральных слоях

Технология прессования: нагрев заготовки

Нагрев заготовки для последующего прессования на экструзионном прессе (рисунок 6)  выполняют со следующими целями [1]:

  • Растворение частиц Mg2Si. Недостаточное растворение частиц  Mg2Si оказывает отрицательное влияние на прочность алюминиевого профиля. Кроме того, при неполном растворении этих частиц в алюминиевой матрице различные участки поверхности профиля по разному воспринимают щелочное травление, которое выполняется перед анодированием. Это приводит к различиям анодированной поверхности по степени блеска или матовости.
  • Размягчение алюминия с тем, чтобы сделать возможным его прессование без разрушения экструзионной матрицы, то есть снизить его сопротивление пластическому деформированию.
  • Типичные температуры нагрева заготовок перед прессованием из различных сплавов (см. рисунок 3):
    — сплав 606035: 470-480 °С
    — сплав 608250: 490-500 °С


Рисунок 6 – Схема экструзионного пресса для прямого прессования алюминия [1]

Конструкция экструзионных матриц

  • Конструкция матрицы оказывает большое влияние на качество поверхности профилей.
  • Конструкция матрицы влияет на микроструктуру:
    — размер зерен;
    — ориентация зерен (текстура):
    — попадание в профиль наружной оболочки заготовки (зоны обратной сегрегации) с химическим составом, который сильно отличается от основного металла (см. подробнее здесь). Это происходит, в частности, при слишком коротком пресс-остатке (рисунок 7).
  • Для полых матриц очень важно оптимизировать высоту и ширину «спиц» (мостиков), которые поддерживают оправку в заданном положении. Слишком длинные или толстые «спицы» могут приводит к значительной неоднородности микроструктуры и образованию полос (рисунок 8).
  • Причиной возникновения этих полос является значительные различия в степени пластической деформации в местах сварочных швов и остальных участках трубы (рисунок 9).
  • Неоднородность пластической деформации приводит к неоднородной перекристаллизации деформированных зерен (рисунок 10). Это становится особенно явным после щелочного травления поверхности профилей перед их анодированием.

Рисунок 7 – Схема попадания материала сегрегационной зоны слитка
в готовый профиль при уменьшении толщины пресс-остатка [1]


Рисунок 8 – Продольные сварочные швы на алюминиевой трубе,
отпрессованной на матрице портхол, после анодирования [1]

Рисунок 9 – Схема формирования продольных сварочных швов
при прессовании алюминиевой трубы на матрице типа «портхол» [1]


Рисунок 10 – Микроструктура материала вблизи продольного сварочного шва трубы,
изготовленной на матрице типа «портхол» [1]

См. также часть 3 о влиянии на качество поверхности анодированного профиля химического состава заготовки.

Источники

1. Tom Hauge, Hydro Aluminium, IHAA Symposium, 2014, New York.
2. Материалы сайта https://www.hydro.com