Термическая обработка алюминиевых профилей

Термическая обработка алюминиевых сплавов

Термическую обработку алюминиевых профилей применяют для модификации свойств алюминиевых сплавов, из которых они сделаны, путем изменения их микроструктуры. Основными упрочняющими механизмами в алюминиевых сплавах являются упрочнение за счет легирования твердого раствора и упрочнение за счет выделений вторичных фаз. Как правило, один из этих механизмов в сплаве является доминирующим. 

Твердый раствор алюминиевых сплавов

Твердый раствор получают нагревом алюминиевого сплава, при котором все имеющиеся в нем фазы растворяются с образованием одной гомогенной фазы – алюминия с растворенными в нем легирующими элементами. С повышением температуры растворимость элементов увеличивается, со снижением температуры – снижается. Механизм упрочнения заключается в том, что при достаточно быстром охлаждении алюминиевого сплава растворенные элементы остаются в атомной решетке алюминия и искажают, упруго деформируют ее. Эта искаженная атомная решетка затрудняет движение дислокаций и, следовательно, пластическую деформацию сплава и тем самым повышает его механическую прочность.   

Старение алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы, которые упрочняются старением, содержат определенное количество растворимых легирующих элементов, например, некоторых комбинаций из меди, магния, кремния, марганца и цинка. При соответствующей термической обработке эти растворенные атомы соединяются в виде очень малых частиц, которые выделяются внутри зерен алюминиевого сплава. Этот процесс и называют старением, так он происходит «сам собой» при комнатной температуре. Для ускорения и достижения большей эффективности упрочнения алюминиевого сплава старение проводят при повышенной температуре, скажем, 200 °С.    

Закалка алюминиевых профилей на прессе

Закалка на прессе является весьма экономически выгодной технологией термической обработки алюминиевых профилей по сравнению с закалкой с отдельного нагрева. При закалке на прессе охлаждение алюминиевых профилей проводят от температуры, с которой они выходят из матрицы. Необходимое условие для закалки на прессе — интервал температур нагрева алюминиевого сплава под закалку должен совпадать с интервалом температур алюминиевых профилей на выходе из пресса. Это, в принципе, выполняется только для «мягких» и «полутвердых» алюминиевых сплавов – технического алюминия, алюминиевых сплавов серий 3ххх и 6ххх, а также малолегированных сплавов серии 5ххх (с магнием до 3 %) и некоторых алюминиевых сплавов серии 7ххх без легирования медью (7020, 7005 (наш 1915), 7003). Эффект закалки для алюминиевых сплавов 3ххх и 5ххх очень незначителен и, как правило, не принимается во внимание. Окончательные механические свойства алюминиевые сплавы 3ххх и 5ххх принимают не в результате термического упрочнения, а при последующей нагартовке, что может включать и операции термической обработки: один или несколько отжигов. Упрочняющей фазой для сплавов серии 6ххх является соединение Mg2Si. Подробнее см. Закалка алюминиевых профилей на прессе

Закалка на прессе сплавов АД31, 6060 и 6063

Все алюминиевые сплавы серии 6ххх могут получать закалку непосредственно на прессе. Для фиксирования растворенных фаз в твердом растворе алюминия необходимо охлаждение алюминиевых профилей на выходе из пресса со скоростью не ниже некоторой критической скорости. Эта скорость зависит от химического состава алюминиевого сплава. Обычно усиленного охлаждения вентиляторами бывает достаточно для большинства алюминиевых профилей, однако иногда бывает необходимым и охлаждение их водой или смесью воздуха и воды. Успешная закалка алюминиевых сплавов серии 6ххх зависит от толщины профиля, а также от типа сплава и его химического состава. В случае чрезмерно массивных алюминиевых профилей, например, из сплава АД33 (6061) и относительно медленной скорости прессования материал на выходе из матрицы может не достигать интервала температур, необходимого для закалки и часть частиц Mg2Si останется не растворенной. Поэтому при последующем воздушном, или даже водяном, охлаждении профилей их полной закалки не получится. В таких случаях применяют отдельный нагрев под закалку в специальных печах – обычно вертикальных с последующим охлаждением  в вертикальных баках с водой. После закалки алюминиевых профилей производят их растяжение на 1,5 – 3 %  для правки и снятия остаточных напряжений.      

Старение алюминиевых профилей: искусственное и естественное

Заключительной операцией термической обработки алюминиевых профилей является старение, естественное или искусственное. Естественное старение происходит само собой в течение некоторого времени, разного для различных алюминиевых сплавов – от нескольких недель до нескольких месяцев. Искусственное старение производят в специальных печах старения. Типичные режимы термической обработки для некоторых алюминиевых сплавов 6ххх приведены в таблице 1.  

termicheskaya-obrabotka-alyuminievyx-splavov-6000Таблица 1

Термическая обработка алюминиевых сплавов Al-Zn-Mg

Алюминиевые сплавы Al-Zn-Mg без легирования медью (7020, 7005 (1915), 7003) также относят к «полутвердым» сплавам. Их успешно применяют при изготовлении кузовов вагонов, несущих, в том числе, сварных, конструкций. Эти алюминиевые сплавы успешно подвергаются упрочнению старением, если температура профилей на выходе из пресса составляет хотя бы 400 °С. Чаще всего их применяют вообще без принудительного охлаждения в виду их склонности к коррозии под напряжением. Вместе с тем, например, алюминиевый сплав 1915 обеспечивает даже в горячепрессованном состоянии с естественным старением от 30 до 35 суток предел прочности более 315 МПа.

Закалка алюминиевых профилей с отдельного нагрева

Алюминиевые сплавы AlCuMg и AlZnMgCu, а также сплавы серии AlMg при содержании магния более 3 % относят к труднопрессуемым. Алюминиево-магниевые сплавы не подвергаются термическому упрочнению, а процесс термического упрочнения алюминиевых сплавов AlCuMg и AlZnMgCu(2ххх и 7ххх) значительно отличается от термической обработки сплавов 6ххх, которые всегда закаливают на прессе. Закалку этих сплавов, например, сплавов 7075 и 2024 (Д16),  производят только с отдельного нагрева, чаще всего в вертикальных печах, с последующей быстрой закалкой в вертикальных ваннах-баках с водой. Заключительную операцию термической обработки — операцию старения — проводят или при комнатной температуре (естественное старение) или при заданной повышенной температуре в течение необходимого времени (искусственное старение).

Закалка твердых алюминиевых сплавов

В таблице 2 представлены упрочняющие фазы термически упрочняемых твердых сплавов. При печном нагреве под закалку они растворяются в твердом растворе. Процесс нагрева включает выдержку при заданной температуре для достижения почти гомогенного твердого раствора. Скорость охлаждения алюминиевых профилей от температуры закалки должна превышать некоторую критическую скорость, разную для разных алюминиевых сплавов, чтобы получить максимальные прочностные свойства и сопротивление межкристаллитной в состаренном состоянии. Например, для сплава 7075 скорость охлаждения должна быть не менее чем 300 °С/c в температурном интервале от 400 до 280 °С.  В закаленном состоянии алюминиевые сплавы, упрочняемые старением, являются нестабильными. При старении алюминиевых сплавов выделяются субмикроскопические частицы вторичной фазы, которые образуют нерегулярную дислокационную структуру. За счет формирования этой структуры и происходит упрочнение сплава. Размер и распределение этих выделений определяет оптимальные механические свойства алюминиевого сплава. Типичные режимы термической обработки некоторых твердых алюминиевых сплавов приведены в таблице 3. Длительность нагрева зависит от толщины алюминиевых профилей.             

uprochnyayushchie-fazy-alyuminievyx-splavov-2000-7000                                                                    Таблица 2 rezhimy-termicheskoy-obrabotky-alyuminievyx-splavov-2000-7000                                                                   Таблица 3

Источники:
1. Saha P.
2. Aluminium and Aluminium Alloys: ASM, 1993

Запись опубликована в рубрике Термическая обработка. Добавьте в закладки постоянную ссылку.