Алюминиевые деформируемые сплавы Химсостав Механические свойства

Алюминий и алюминиевые сплавы

Алюминий как конструкционный материал редко применяется в чистом виде. Малое количество (иногда меньше 1 %) других элементов могут значительно изменить его свойства, физические и механические. Одним из основных свойств конструкционных металлов является их прочность. Нелегированный алюминий имеет предел прочности около 90 МПа. За счет деформационного наклепа (нагартовки) эта величина может возрастать до 200 МПа. Однако добавление в чистый алюминий небольших количеств цинка, меди и магния делает его высокопрочным алюминиевым сплавом с пределом прочности более 550 МПа.
Алюминиевые сплавы делятся на две категории: деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы обрабатываются в заданную форму с помощью деформации (экструзии, прокатки, ковки, штамповки, волочения). Литейные сплавы разливают в литейные формы.

Термическое и деформационное упрочнение

Свойства алюминиевого сплава зависят не только от его химического состава, но и от истории его термической и деформационной обработок.

Деформируемые алюминиевые сплавы, прочность которых можно увеличивать с помощью термической обработки, называются термически упрочняемыми сплавами. К этим сплавам относятся все сплавы серий 2ххх, 6ххх и 7ххх. Иногда к этим сплавам применяют также и деформационную обработку, как до, так и после термической обработки.

Алюминиевые сплавы серий 1ххх, 3ххх и 5ххх не способны повышать свою прочность под воздействием термической обработки. Их прочностные свойства повышают деформационной обработкой (нагартовкой).

Большинство литейных алюминиевых сплавов являются термически упрочняемыми. Нагартовке литейные алюминиевые сплавы обычно не подвергают из-за их малой пластичности.

Поставщик

Лист 6060 поставляется толщиной от 0,5 мм до 10 мм включительно. Наиболее распространены листы шириной 1200 мм — 1500 мм и длиной 3 — 4 метра. Под заказ поставляются полуфабрикаты любых параметров. Вся продукция сертифицирована. Качество гарантировано неукоснительным соблюдением технологии производства. При необходимости Вы получите исчерпывающую консультацию. Доступность товара и оперативность доставки обеспечивают представительствами, расположенными Москве, Санкт-Петербурге, городах Восточной Европы.

Состояния алюминиевых сплавов

Уровень механических свойств любого алюминиевого сплава определяют два основных фактора:

• химический состав сплава, то есть содержание в процентах, как легирующих элементов, так и примесей;
• состояние сплава, то есть обработка, которую получил сплав в процессе изготовления готового алюминиевого продукта, деформационная и термическая.

Для состояний, которые достигаются в основном термической обработкой обозначение состоит из заглавной буквы Т и одной или нескольких цифр, например, Т66.

Для состояний, которые достигаются деформационной обработкой, применяются обозначения, которые состоят из заглавной буквы Н и одной или нескольких цифр, например, Н14.

Готовый алюминиевый продукт: сплав + состояние

При задании алюминиевого сплава как конструкционного материала обязательно указывают как обозначение алюминиевого сплава, так и состояние которое он получил в готовом продукте, например, в прессованном алюминиевом профиле. Указание для конструкционного материала только алюминиевого сплава без указания состояния не имеет смысла.

В отечественных стандартах, европейских и американских стандартах применяют различные формы совместного обозначения сплава и состояния: слитное, через пробел и через дефис.

Например, в действующем в настоящее время ГОСТ 22233-2001 для профилей из сплава АД31 применяют обозначение «АД31Т1» (между обозначением сплава и обозначением состояния нет пробела). Это означает, что профиль из алюминиевого сплава АД31 был подвергнут полной закалке и искусственному старению.

Для профилей из зарубежных алюминиевых сплавов 6060 и 6063 применяется обозначения сплава и состояния, которые приняты в европейских стандартах, то есть через пробел, например, 6060 Т6. Это также означает, что профиль из сплава 6060 был подвергнут полной закалке и искусственному старению.

В американской технической литературе и американских нормативных документах применяют написание сплава и состояния через дефис (не тире!), например, 6063-Т6.

Модификации

Алюминиевый сплав 6063А

• 0,15-0,35 % Fe; 0,30-0,6 % Si; 0,6-0,9 % Mg
• Прочностные свойства немного выше, чем у сплава 6063 (на 15-25 МПа для состояния Т6) без снижения качества анодирования

Алюминиевый сплав 6463

• 0,15 % Fe; 0,20 % Cu
• Прочностные свойства чуть ниже, чем у сплава 6063
• Применяется для получения блестящей анодированной поверхности.

Источники: 1) Aluminum and Aluminum Alloys, ed. J. R. Devis 2) EN 573-3 3) EN 755-2

В Справочник деформируемых сплавов

См. также: Сплав АД31 и его зарубежные аналоги Алюминиевые профили из сплава АД31 (6063) Алюминиевые сплавы 6060, 6063 и АД31

Алюминиевые сплавы для алюминиевых профилей

Российский СП 128.13330.2012 (актуализированный СНиП 2.03.06-85) предписывает для применения в строительных алюминиевых профилях следующие деформируемые алюминиевые сплавы: АД31, 6060, 6063, АД33, АВ, 1915, 1925, В95.

Еврокод 9 применяет для алюминиевых профилей сплавы 5083, 5454, 5754, 6060, 6061, 6063, 6005А, 6106, 6082, 7020.

Российский СП 128.13330.2012 и европейский Еврокод 9 «пересекаются» на сплавах 6060, 6063, АД33 (6082) и, частично на сплавах 1915 и 1925 (7020).

Заметим, что Еврокод 9 не применяет высокопрочных сплавов, таких как 7075, (аналог сплава В95). Кроме того, Еврокод рекомендует для алюминиевых профилей три сплава серии Al-Mg (5ххх). В СП 128.13330.2012 подобные сплавы для профилей отсутствуют.

Технологические свойства

Прессуемость

Прессуемость сплава 6060 по сравнению с другими сплавами серии 6ххх [4]

Свариваемость

• Хорошо сваривается дуговой сваркой в среде инертного газа, в частности, аргонно-дуговой сваркой, как неплавящимся электродом (GTAW-TIG), так и плавящимся электродом (GMWA-MIG).
• Обычный сварочный сплав – 4043.

Гомогенизация

580-585 °С в течение не менее 2 часов.

Отжиг

420 °С.

Температура закалки

510 °С.

Искусственное старение

185 °С в течение 5 часов.

Сплавы для профилей ограждающих конструкций

Профили для ограждающих конструкций зданий – окон, дверей, фасадов – отличаются сложной формой поперечного сечения, в том числе, довольно тонкими стенками и полками, пазами для уплотнителей и термовставок. Кроме того, эти профили требуют повышенной точности размеров поперечного сечения, а также формы, поперечной и продольной. Поэтому для их изготовления применяются обычно только алюминиевые сплавы 6060 и 6063 (АД31).

Содержание основных легирующих элементов этих сплавов – магния и кремния – показано на рисунке 1. Для сравнения приведены другие сплавы серии 6ххх – среднелегированный сплав 6005 и высоко легированные сплавы 6061 и 6082.

Рисунок 1 – Магний и кремний в сплавах серии 6ххх

Основные преимущества алюминиевых сплавов серии 6060, 6063 и АД31 заключаются в том, что они легко прессуются и способны подвергаться полной закалке прямо на прессе с достижением максимально прочного состояния Т6 с применением только воздушного охлаждения.

Три стадии термического упрочнения на прессе

При обычном термическом упрочнении на прессе алюминиевый сплав 6063 получает свою полную прочность – состояние Т6 – в ходе трехступенчатого процесса термического упрочнения (рисунок 1): 1-я стадия: растворение частиц Mg2Si в заготовке до выхода из матрицы; 2-я стадия: закалка на прессе – фиксирование растворенного магния и кремния в твердом растворе; 3-я стадия: искусственное старение – равномерное выделение мельчайших частиц Мg2Si в объеме профиля.

Рисунок 1 – Три стадии термического упрочнения алюминиевых профилей на прессе

Роль магния и кремния в сплавах серии 6ххх

Магний и кремний являются главными легирующими элементами во всех алюминиевых сплавах серий 6ххх. Магний и кремний входят в соединение силицид магния (Mg2Si) в соотношении 1,73 к 1 (рисунок 1). Именно силицид магния делает алюминиевые сплавы 6ххх термически упрочняемыми. Уровень прочностных свойств этих алюминиевых сплавов зависит в основном от количества, величины и однородности распределения кластеров или частиц Mg2Si в алюминии.

По содержанию в сплаве магния определяют количество кремния, которое он «свяжет» в силициде магния: %Si = %Mg/1,73. Например, если содержание магния в сплаве составляет 0,45 %, то для образования силицида магния необходимо 0,45/1,73 = 0,26 % кремния. Часть кремния связывается с железом и марганцем в первичных частицах Al(FeMn)Si, которые образуются еще при разливке столбов. Это количество кремния оценивают как треть или четверть от суммарного содержания железа и марганца: 1/4 (Fe + Mn). Остальной кремний – избыточный.

Стадия 2 – закалка на прессе

На второй стадии требуется охладить горячий прессованный, выходящий из матрицы, достаточно быстро до температуры, близкой к комнатной. Это необходимо чтобы задержать весь растворенный силицид магния (Mg2Si) в твердом растворе охлаждаемого профиля. Необходимая скорость охлаждения пропорциональна количеству Mg2Si, который содержится в сплаве серии 6ххх.

Для сплава 6063 (АД31), который с содержит 0,8 % Mg2Si, скорость охлаждения в интервале температур от 450 до 200 °С должна быть не менее 50-60 °С в минуту. Для сплава 6061 (АД33) с содержанием 1,4 % Mg2Si скорость охлаждения в том же интервале температур должна быть не менее 550 °С.

Это значит, что профиль из сплава 6063 может охлаждаться до температуры 200 °С в течение 4-5 минут, а у профиля из сплава 6061 (АД33) это должно происходить за 25-30 секунд.

Важность скорости охлаждения после прессования объясняется следующим образом. На выходе из матрицы весь силицид магния растворен в алюминии. В критическом интервале температур от 450 до 200 °С в этом алюминии возникает сильная склонность к бесконтрольному выделению в себе частиц Mg2Si. Если такое выделение происходит, то оно полностью исключает возможность полной закалки на прессе. Эту склонность к выделению обычно называют как «чувствительность к закалке» и она в основном зависит от содержания Mg2Si.

Рисунок 3 схематически показывает весь процесс термического упрочнения с закалкой на прессе алюминиевого сплава 6063 (АД31) и, в том числе – сущность чувствительности закалке.

Рисунок 3 – Схема термического упрочнения с закалкой на прессе сплава 6063 (АД31)

Область слева от фронта выделения Mg2Si показывает, что все частицы Mg2Si растворены в алюминии. Область справа от этого служит для указания относительных размеров и интенсивности выделившихся частиц Mg2Si.

Прессованный профиль, который получает полную закалку на прессе – проходит охлаждение, например, по пунктирной линии, получает состояние Т1 или Т4 по международной классификации. В этом состоянии профиль очень пластичен и может подвергаться, например, гибке на малые радиусы.

Алюминиевый сплав 6060

• Имеет минимальное содержание магния 0,35 %, а кремния — 0,30 %
• «Разбавленный» вариант сплава 6063
• В состоянии Т6 обеспечивает прессованным профилям (толщиной до 3 мм) минимальную прочность 190 МПа
• Легко прессуется даже при очень сложных поперечных сечениях профилей.
• Хорошо формуется, например, гибкой, в состоянии Т4 – после закалки и естественного старения.
• Применятся в окнах, дверях, фасадах, а также при изготовлении поручней, ограждений, мебели, спортивного инвентаря.
• Хорошо подходит для анодирования – защитного и декоративного.

Алюминиевые сплавы 6063 и АД31

• Минимальное содержание магния 0,45 %, а кремния — 0,20 %
• Повышенный минимум магния обеспечивает более высокую, чем у сплава 6060 прочность: в состоянии Т6 – до 215 МПа
• Повышенное содержание магния снижает скорость прессования: на 15-20 % по сравнению со сплавом 6060
• Область применения – та же, что и у сплава 6060, кроме сложных и тонкостенных профилей, когда рекомендуют применять сплав 6060.

Типичное применение

• Ограждающие строительные конструкции, такие как окна, фасадные конструкции, входы в магазины, зимние сады.
• Внутренние перегородки, лестницы, ограждения, поручни.
• Теплорассеивающие элементы («гребенки») электронных приборов, в том числе, компьютеров.
• Гибкие сборочные системы, элементы машиностроительного оборудования.
• Детали кузовов грузовых автомобилей.
• Внутреннее оборудование пассажирских вагонов.
• Ирригационные, нагревательные и холодильные трубы.
• Мебель и офисное оборудование.

Старение алюминиевых сплавов: естественное и искусственное

Обычно естественное старение начинается сразу после закалки с относительно высокой скоростью, которая затем постепенно снижается (рисунок 2). В зависимости от сплава для достижения состояния Т4 может потребоваться несколько недель, как, например, для сплава 6060 при минимуме содержания магния и кремния. Для сплава 6063 с максимальным содержанием магния и кремния этот процесс практически заканчивается приблизительно в течение недели.

Рисунок 2 – Старение алюминиевых сплавов (не в масштабе) [3]

Через некоторое время после закалки – нескольких часов или суток, в зависимости от сплава и производственных условий – профили, которые должны быть состарены искусственно, помещают в печь старения. Типичный режим искусственного старения для профилей из сплава 6060 – нагрев до температуры 180 ºС и выдержка в течение 5 часов для достижения состояний Т6, а также Т5 или Т66. При этом стараются попасть в максимум прочности на кривой старения.

При более длительной выдержке прочность профилей снижается и тогда получается перестаренное

состояние Т7. Это состояние обеспечивает повышенную электрическую проводимость. При более короткой выдержке материал получает
недостаренное
состояние, например, Т64.

Механические свойства

Нормируемые механические свойства

Таблица 2 – Требования EN 755-2:2016 к механическим свойствам прессованных прутков, труб и профилей из сплава 6060

Типичные механические свойства

См. таблицу 2:

• предел прочности при растяжении
• предел текучести (0,2 %)
• удлинение (А)
• прочность на сдвиг
• твердость по Викерсу

Таблица 2 – Типичные механические свойства сплава 6060 [1]

Коэффициент Пуассона

0,33

Модуль упругости (модуль Юнга)

• при растяжении и сжатии – 69000 МПа
• при сдвиге – 26000 МПа.

Состояния профилей из сплавов 6060, 6063 и АД31

Состояние алюминиевого сплава отражает историю обработки материала алюминиевого изделия или полуфабриката (деформационную и/или термическую). Химический состав сплава и его состояние однозначно определяют структуру материала и его механические свойства.

ГОСТ 22233-2001 применяет для сплава АД31 следующие состояния:

• Т – закаленное и естественно состаренное;
• Т1 – закаленное и искусственно состаренное;
• Т5 – не полностью закаленное и искусственно состаренное;
• Т1(22) и Т1(25) – закаленное и искусственно состаренное повышенной прочности.

Для международных сплавов 6060 и 6063 применяются следующие состояния:

• Т4 – закаленное и естественно состаренное;
• Т6 – закаленное и искусственно состаренное;
• Т5 – не полностью закаленное и искусственно состаренное;
• Т64 — закаленное и искусственно состаренное (недостаренное);
• Т66 — закаленное и искусственно состаренное повышенной прочности.

Состояние Т5

Неполная закалка профилей может возникать в следующих случаях:

• при закалке на прессе от температуры ниже температуры полного растворения легирующих элементов;
• при недостаточно высокой скорости охлаждения профиля на выходе из пресса;
• при «щадящем» охлаждении тонкостенных или сложных профилей для предотвращения их коробления.

Состояния Т4 и Т6

Формально состояния Т4 и Т6 включают закалку с отдельного печного нагрева. Однако на практике эти состояния получают путем закалки на прессе. В этом случае, в отличие от состояния Т5, должен производиться контроль температуры профилей на выходе из матрицы и скорости охлаждения профилей.

Состояние Т66

Состояние Т66 – это состояние Т6 с повышенными прочностными свойствами. Эти повышенные механические свойства достигаются за счет специальных мероприятий, например, более строгого контроля скорости охлаждения профилей или более узкого интервала химического состава сплава.

Cтадия 1 – растворение частиц Mg2Si в алюминии

Первая стадия термического упрочнения требует таких температурно-временных условий прессования, которые обеспечивают полное растворение всех частиц Mg2Si в твердом растворе алюминия на момент выхода профиля из матрицы.

Это может достигаться на прессе двумя путями: 1) Нагрев заготовки до температуры не менее 500 ºС и выход профиля из матрицы при температуре не менее 500 ºС. 2) Нагрев заготовки до температуры 430-455 ºС и прессование с большой скоростью, чтобы получить температуру профиля на выходе из матрицы не менее 500 ºС (рисунок 2).

Рисунок 2 – Условия прессования сплава 6063 для оптимального сочетания производительности, прочности и качества поверхности

Второй вариант дает более высокую производительность без повреждения поверхности прессуемого профиля. Чтобы в полной мере применять этот вариант нужно иметь:

• достаточное усилие на пресс-штемпеле;
• достаточно высокую скорость прессования;
• достаточно высокое отношение прессования (вытяжку);
• должным образом гомогенизированную заготовку;
• возможность нагрева заготовки до температуры 425-455 °С за менее чем 20 минут.

Длительный нагрев заготовки, особенно в интервале температур 260-425 °С, приводит к потере прочности будущего профиля из-за укрупнения частиц Mg2Si, если заготовку затем перед прессованием не нагревают по крайней мере до 500 °С.