Термическое упрочнение алюминиевых сплавов 6ххх

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.

Пресс-эффект

Температура рекристаллизации некоторых сплавов алюминия с марганцем, хромом, никелем, цирконием, титаном и другими переходными металлами, подвергнутых по определенным режимам горячей, а в некоторых случаях и холодной обработке давлением, превышает обычно назначаемую температуру нагрева под деформацию или закалку. Поэтому после закалки и старения таких сплавов в них сохраняется нерекристаллизованная (полигонизованная) структура с высокой плотностью дислокаций, что значительно повышает прочность по сравнению с рекристаллизованной структурой. Это явление получило название структурного упрочнения.Структурное упрочнение по существу является высокотемпературной термо-механической обработкой.

В результате структурного упрочнения значения σ0,2 и σв повышаются до 30 — 40%. Наиболее сильно структурное упрочнение проявляется в прессованных полуфабрикатах (прутки, профили, трубы), поэтому это явление применительно к ним называют пресс-эффектом.

Источник: www.metmk.com.ua

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.

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:

Свойственное литым изделиям неравновесное состояние связано с разницей температурных режимов. Скорость охлаждения литых изделий значительно превышает рекомендуемую, при которой достигается эффект равновесной кристаллизации.
Пластическая деформация. Такое состояние может быть вызвано технологическими требованиями к характеристикам и форме готового изделия.
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:

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.
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.
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.

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.

Выбор параметров режима

Метод сварки неплавящимся электродом применяют для изделий из алюминиевых сплавов толщиной до 12 мм. При сварке металла толщиной от 1 до 6 мм применяют вольфрамовые электроды диаметром от 1 до 5 мм. Сварочный ток (А) определяют по формуле:

Iсв=(60?65)dэ,

где dэ — диаметр электрода, мм

Питание дуги осуществляется от источника переменного тока с осциллятором, что помогает разрушить окисную пленку. Напряжение холостого хода источника должно быть повышенным. Надежность газовой защиты дуги и сварочной ванны зависит от диаметра и формы сопла горелки, расстояния сопла от поверхности свариваемого изделия.

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.

Трудности при сварке

Температура плавления окисной пленки значительно выше, чем алюминия, и она расплавляется позже. Это затрудняет формирование шва
Высокая теплопроводность алюминия требует увеличения сварочного тока в 1,2-1,5 раза по сравнению, например, со сваркой стали
Образуются значительные остаточные деформации, что требует специальных мер и приспособлений
Окисная пленка не растворяется в жидком алюминии. Это мешает формированию шва и служит причиной появления в нем металлических включений
При нагреве алюминия и его сплавов нет явных признаков их перехода в жидкое состояние. Это требует высокой квалификации сварщика

Несплавление кромок алюминиевых конструкций

Подготовка к сварке. Резка и подготовка кромок ведутся механическим способом. На ширину 100-150 мм их обезжиривают ацетоном, авиационным бензином, уайт-спиритом или другим растворителем. Окисленную пленку удаляют механически или химическим травлением. При механической обработке свариваемые кромки на ширину 25-30 мм зачищают наждачной бумагой, шабером и металлической щеткой из нержавеющей проволоки. Зачистку проводят непосредственно перед сваркой.

Химическое травление проводят в течение 0,5-1 мин в реактиве, состоящем из 50 г едкого натра и 45 г фтористого натрия на 1 л воды. После травления следует промывка в проточной воде, а затем осветление в 30-35%-ном растворе азотной кислоты (для алюминия и сплавов типа АМц) или в 25%-ном растворе ортофосфорной кислоты (для сплавов типа АМг и В-95). После повторной промывки необходима сушка до полного испарения влаги.

Алюминиевую сварочную проволоку перед сваркой также обрабатывают. Сначала ее обезжиривают, а затем подвергают травлению в 15%-ном растворе едкого натра в течение 5-10 мин при температуре 60-70°С. После этого промывают в холодной воде и сушат 10-30 мин при температуре 300°С.

Подготовленные к сварке материалы сохраняют свои свойства в течение 3-4 дней. Затем на поверхности вновь образуется окисная пленка

ПОДКЛАДКИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВЫТЕКАНИЯ МЕТАЛЛА ИЗ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

Техника сварки

Ручной аргонодуговой сваркой W-электродом выполняют стыковые, угловые и тавровые соединения. Конструкции толщиной до 10 мм сваривают «углом вперед», а более 10 мм — «углом назад». Угол между присадочной проволокой и горелкой должен составлять 90°. Проволоку подают короткими возвратно-поступательными движениями. Поперечные колебания W-электрода недопустимы.

Изделия толщиной до 4 мм включительно сваривают за один проход на стальной подкладке. При толщине от 4 до 6 мм сварку выполняют с двух сторон, а при толщине 6-12 мм подготавливают кромки с V-образной или Х-образной разделкой.

Подачу аргона начинают за 3-5 с до возбуждения дуги, а прекращают через 5-7 с после окончания сварки.

Чтобы снизить вероятность окисления металла шва, размеры сварочной ванны нужно выдерживать минимальными.