Какие сплавы алюминия не требуют термической обработки

Закалка алюминиевых профилей на прессе

Скорость охлаждения алюминиевых профилей – закалка – сразу после выхода из пресса должна быть достаточно быстрой, чтобы задержать магний и кремний в твердом растворе. Это обеспечивает достижение максимальных механических свойств материала профиля за счет их выделения при последующем упрочнении старением.

Необходимая скорость охлаждения твердого раствора легирующих элементов – магния и кремния в алюминии – для обеспечения эффекта закалки зависят от размеров поперечного сечения алюминиевого профиля и способов его охлаждения:

• спокойным воздухом,
• вентиляторами,
• водяным туманом,
• водяным спрейерным охлаждением или
• в потоке воды.

На рисунке и в таблице показаны минимально допустимые скорости охлаждения алюминиевых профилей для различных сплавов серии 6ххх. Для алюминиевых профилей из сплава 6060 (алюминиевого сплава АД31) обычно бывает достаточно охлаждения на спокойном воздухе или вентиляторами, тогда как для профилей из сплава 6061 необходимо спрейерное охлаждение водой или охлаждение в потоке воды.

Сплавы алюминия

Эти материалы могут подвергаться закалке – она увеличивает прочность и дает возможность в будущем упрочнять заготовку старением.

(Картинка 1)

Закалка приводит к образованию пересыщенного раствора легирующих веществ в матричном растворе основного металла с неравновесной структурой. Технология закалки заключается в следующем:

• Алюминиевый сплав нагревается до температуры полного или частичного растворения в алюминии избыточных интерметаллидных фаз.
• Выдерживается при этой температуре.
• Быстро охлаждается до температуры 18-20 градусов.

Чем больше степень пересыщения легирующими элементами, тем выше показатель прочности сплава.

Посредством искусственного или естественного старения неустойчивое состояние переводится к устойчивому, а прочность возрастает при одновременном снижении уровня пластичности.

Старение алюминиевых сплавов

Старение сплавов серии 6ххх производят для повышения механических свойств алюминиевых профилей. Степень этого повышения свойств зависит от типа сплава и условий старения. Эти условия различаются для:

• естественного старения, которое происходит “само собой” при комнатной температуре, и
• искусственного старения, которое проводят при повышенных температурах, около 160-200 ºС.

Прочность сплавов серии 6ххх прямо связана с их способностью сопротивляться движению дислокаций в ходе деформирования. При приложении к материалу напряжений в нем образуются и двигаются дислокации. С увеличением напряжений количество и плотность дислокаций, двигающихся в материале, возрастает до тех пор, пока, наконец, материал не разрушается.

Движение дислокаций тормозится из-за присутствия частиц Mg2И и поэтому прочность состаренного алюминиевого сплава возрастает. Размеры и плотность этих частиц контролируются параметрами старения. Небольшое количество мелких частиц β”-Mg2И мало могут сделать, чтобы остановить дислокации, которые двигаются через материал, но когда их много они препятствуют движению дислокаций и это повышает прочность материала.

Если же частицы вырастают слишком большими (β’-Mg2И и β-Mg2И), их становится слишком мало из-за ограниченного содержания Mg и Si в алюминии. В этом случае дислокации легко обходят эти частицы и прочность материала снижается.

Это демонстрирует схематический график типичного искусственного старения на рисунке ниже.

термическая обработка алюминевого сплава 6060 (АД31)

Пик прочностных свойств достигается при большом количестве мелких частиц β”-Mg2И. Для сплавов 6ххх типичными параметрами искусственного старения являются температура 170 ºС при выдержке 8 часов или 185 ºС при выдержке 6 часов.

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.

Закалка на прессе алюминиевых профилей из 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.

Т-состояния алюминиевых сплавов

Различным вариантам параметров старения соответствуют различные обозначения состояния алюминиевых сплавов:

• Т1 – охлажденый после прессования до комнатной температуры и естественно состаренный;
• Т4 – после прессования закаленный с отдельного нагрева и естественно состаренный;
• Т5 – охлажденный после прессования до комнатной температуры и искусственно состаренный до максимума прочностных свойств;
• Т6 – после прессования закаленный с отдельного нагрева и искусственно состаренный до максимума прочностных свойств.

Для обозначения других обработок старением, которые специально разработаны для получения механических свойств, которые отличаются от максимальных прочностных свойств. Например, состояния Т52 и Т591 применяются для алюминиевых профилей, которые подвергаются гибке, а состояние Т7 – для профилей, которые применяются при повышенных температурах.

Методы отжига алюминиевых листов

Отжиг алюминиевых сплавов не является обязательным к применению. Но в некоторых случаях без этого способа термообработки невозможно достичь желаемых характеристик материала.

Причиной применения отжига может стать особое состояние сплава, которое может выражаться в понижении пластичности материала.

Применение отжига рекомендуется при наблюдении трех типов состояний:

1. Свойственное литым изделиям неравновесное состояние связано с разницей температурных режимов. Скорость охлаждения литых изделий значительно превышает рекомендуемую, при которой достигается эффект равновесной кристаллизации.
2. Пластическая деформация. Такое состояние может быть вызвано технологическими требованиями к характеристикам и форме готового изделия.
3. Неоднородная структура материала, вызванная иными методами термообработки, в том числе закалкой и старением. В таком случае происходит выделение одного из легирующих компонентов в интерметаллидную фазу, сопровождающуюся перенасыщением компонентов.

Вышеуказанные проблемы могут устранятся методом отжига. Нормализация структуры и состояния алюминиевого сплава сопровождается повышением пластичности. В зависимости от типа неравновесного состояния подбираются различные методы отжига.

На сегодняшний день выделяют три режима отжига:

1. Гомогенизация. Предназначен для обработки литых слитков. В процессе термической обработки слитков при высоких температурах достигается равномерная структура. Это позволяет упростить процесс проката с уменьшением количества производственных расходов. В некоторых случаях может применяться для повышения качества деформированных изделий. Температура отжига соблюдается в пределах 500 градусов с последующей выдержкой. Охлаждение можно проводить несколькими способами.
2. Рекристаллизация. Применяется для восстановления деформированных деталей. При этом требуется предварительная обработка прессом. Температура отжига варьируется в диапазоне от 350 до 500 градусов. Время выдержки не превышает 2-х часов. Скорость и способ охлаждения не имеет особых рамок.
3. Гетерогенизация. Дополнительная отжиг после других методов термообработки. Этот метод необходим для разупрочнения алюминиевых сплавов. Данный метод обработки позволяет понизить степень прочность с одновременным повышением уровня пластичности. Отжиг производится примерно при 400 градусах Цельсия. Выдержка обычно составляет 1-2 часа. Этот тип отжига значительно улучшает эксплуатационные характеристики металла и повышают степень сопротивления коррозии.

Растяжение и вылеживание профилей

Обычная практика изготовления прессованных алюминиевых профилей включает их растяжение от 0,5 % до 3 % и затем вылеживание с задержкой на сутки искусственного старения для профилей из малолегированных сплавов 6ххх (не более 0,9 % Mg2И), например, алюминиевые сплавы АД31, 6060 и 6063. Это способствует достижению оптимальных механических свойств профилей после старения.

Однако такая задержка для более высокопрочных алюминиевых сплавов (содержание Mg2И более 0,9 %), например, 6061, может привести к пониженным механическим свойствам материала алюминиевых профилей. Эти сплавы содержат медь в количестве не менее 0,1 %, которая противодействует влиянию задержки искусственного старения на конечные механические свойства термически упрочненных алюминиевых профилей.