Термообработка алюминиевых сплавов

Термообработка алюминиевых сплавов

Цель данной статьи рассмотреть возможные варианты применения оборудования для различных видов термообработки изделий из алюминиевых сплавов. В данной статье не рассматривается оборудование для получения отливок и печи на газовом топливе.

Термообработку алюминиевых сплавов производят для получения необходимой структуры и соответственно механических свойств, как на стадии заготовки, так и уже в готовых изделиях.

Для термообработки существует пять основных видов манипуляций со свойственными им методами нагрева и охлаждения. Чтобы получить нужные физические свойства применяют тот или иной вид термообработки.

Отжиг первого рода

Предусмотрен для снятия литейных или термических остаточных напряжений, устранение наклёпа, при таком нагреве в структуре металла не происходит фазовых превращений.

Отжиг второго рода

Предусмотрен для изменения структуры материала посредством перекристаллизации. Заготовки нагревают выше критических температур и медленно охлаждают. В результате изменяется размер зёрен, их форма, распределение частиц вторых фаз.

Закалка алюминиевых сплавов предназначена для закрепления неравновесных (метастабильных) структурных состояний. Свежезакаленое изделие мягкое, как после отжига сталей, его можно деформировать. Но по истечении 4-6 дней металл самоупрочняется.

Исходная структура до закалки	Структура после закалки

Схема изменения строения сплава алюминия, содержащего 4% Cu (после закалки)

Отпуск (старение) предназначен для придания нужных свойств изделиям. В зависимости от температуры происходит упрочнение или разупрочнение.

Общая информация о печах

Отличительные особенности алюминиевых сплавов, такие как значительно большая теплоёмкость, точность нагрева в пределах ±3С, теплопроводность, структура, температура плавления, концентрации легирования не всегда позволяют использовать электропечи для термообработки сталей. Эти особенности необходимо учитывать при выборе оборудования для термообработки сплавов на основе алюминия. Для термической обработки алюминиевых сплавов применяются низкотемпературные печи, характерным признаком которых является передача большей части тепла нагреваемым изделиям усиленной конвекцией , поэтому применяются мощные вентиляторы перемешивания газа в печи и распределённой схемы направления конвекционных потоков. В зависимости от типа производства электропечи могут быть периодического (садочного типа) так и непрерывного действия (проходные).

Камерные электропечи с неподвижным подом применяются отжига, закалки, старения мелких и средних деталей в мелко и среднесерийном производстве. Преимущество таких печей в доступности и надежности. Недостаток — в отсутствии механизации.

Камерные электропечи с выкатным подом применяют для термической обработки крупногабаритных отливок, профилей, поковок преимущественно под отжиг, отпуск или старение и т.д. Преимущества подобных печей в возможности загрузки больших партий заготовок. Недостаток таких конструкций, в больших занимаемых площадях. В случае применения подобных печей затруднительно производить операцию закалки из-за подстуживания заготовок во время выката пода и выгрузки.

Шахтные электропечи получили широкое распространение для термообработки фасонного литья. Эти печи минимально занимают площадь цеха, имеют относительно высокую производительность, чем камерные. Широкий ассортимент специальных печей. Вертикальная электропечь закалки профилей. Нагрев под сушку после окрашивания. Печь с выкаткатным подом для закалки подвесных листов, здесь ниже пода размещают закалочный бак.

Конвейерные электропечи широко применяются для термической обработки сплавов. Толкательные или рольганговые печи. Здесь заготовки загружают в контейнер, который по направляющим проталкивают либо катят через всю тепловую камеру. Преимущество проходных печей в том, что они легко соединяются другими установками в агрегаты и линии. Эти печи применяют, как правило, в крупносерийном производстве.

Особенности конструкции установок для проведения отжига

После первичного нагрева, для некоторых видов отжига, необходима фиксированная скорость охлаждения, меньше, чем на воздухе. Для этого на печи должны быть отверстия, закрываемые во время прогрева и выдержки. Во время охлаждения, деталей с печью, эти отверстия приоткрываются и через них поступает воздух, нагнетаемый вентилятором.

Особенности конструкции термического оборудования для упрочнения алюминиевых сплавов

Нагрев под закаливание деталей является ответственной операцией, и успешное осуществление её зависит в основном от равномерного распределения температуры в нагревательной камере и возможности ее регулирования в ограниченных пределах (±3℃) . Диапазон температур под закалку составляет 500-550 ℃ . Если металл перегреть, то по периметру зёрен образуется жидкая фаза, происходит усадка, появляется микропористость, с значительным снижением прочности и пластичности. Нагреватели должны размещаться в потокообразующих каналах. Управляющий нагревом прибор «Термодат» должен иметь механизм сведения температуры (точной подстройки) в диапазоне 480-530℃, что обеспечит необходимую точность нагрева под закалку (±3℃).

Особенности приемов термообработки

После прогрева и выдержки перемещение заготовок из печи в закалочный бак необходимо провести максимально быстро, не дольше 5-7 сек. Охлаждение должно вестись максимально интенсивно. Начинать охлаждение необходимо с температуры выдержки. Это означает что время переноса деталей из печи нагрева в закалочный бак (вода) должно быть минимально, этого можно достичь механизацией перемещения садки в закалочный бак. Закалочный бак должен иметь мощную систему перемешивания воды, большую мощность теплообменника охлаждения.

Отличие упрочнения алюминиевых сплавов, относительно сталей в том, что они набирают твёрдость не сразу, а постепенно, в течение нескольких суток при комнатной температуре. Эффект повышения твёрдости после закалки называется старение. На практике процесс старения по времени сокращают подогревом до 160 С° и выдержкой — 4-10 ч. в специальной камере. Некоторые марки, преимущественно сложнолегированные, при комнатной температуре не набирают необходимой твёрдости и прочности. Для таких материалов необходимы корректировки величин нагрева под старение до оптимальных значений. ООО «НПП Станкоматика» может изготовить электротермическое оборудование для термообработки необходимой производительности с желаемым уровнем автоматизации или комплектации.

Термическая обработка алюминиевых сплавов

Для термически обрабатываемых алюминиевых сплавов типа дуралюминов проводят закалку, старение, обработку на «возврат», отжиг. В исходном состоянии сплав имеет структуру твердого раствора легирующих элементов в алюминии и фазы типа CuAl₂, CuMgAl₂ по границам зерен.

Нагрев при закалке обычно ведут до температуры 500-510°С, выдержка при этой температуре и охлаждение в воде. При быстром охлаждении в воде фаза CuAl₂не успевает выделиться, и при комнатной температуре фиксируется неравновесное состояние сплава, представляющего собой однородный пересыщенный α- твердый раствор меди в алюминии. Свежезакаленный сплав обладает высокой пластичностью (δ=20%) и низкой твердостью и прочностью (σ =300 МПа).

Старение. Пересыщенный α-твердый раствор метастабилен (неустойчив). Через некоторое время после закалки (по окончанию инкубационного периода) избыточные элементы будут стремиться выделиться из пересыщен­ного твердого раствора. На этом явлении и основан процесс "старения" алюминиевых сплавов.

При нормальной температуре +20°С (процесс естественного старения) в пересыщенном твер­дом растворе начинается диффузия атомов меди к некоторым определенным плоскостям кристаллической решетки. Зоны с повышенной концентрацией меди представляют собой пластинки или диски толщиной в несколько атомных слоев (2–3) и протяженностью или диаметром до 20–50 атомных слоев. Эти зоны принято называть зонами Гинье–Престона (Г-П), по имени уче­ных, впервые установивших их существование. Образование зон Г-П ведет к искажению кристаллической решетки, что сопровождается повышением прочности и снижением пластич­ности сплавов.

Процесс естественного старения практически закан­чивается по истечения 5-7 суток. Сплав при этом приобретает максимальную прочность, остающуюся в дальнейшем постоянной. Время инкубационного периода варьируется в зависимости от состава сплава, но всегда составляет не менее 2-3 часов. В это время сплав сохраняет высокую пластичность, хо­рошо обрабатывается давлением, что используется на практике для проведения таких технологических операций, как клепка, правка и т.д. При температурах ниже 0 0 С процесс старения замедляется и при температурах ниже -50 0 С практически прекращается, что позволяет при этих температурах длительное время сохранять струк­туру однородного пересыщенного твердого раствора, обладающе­го высокой пластичностью.

Процесс старения при высоких температурах (искусст­венное старение) протекает значительно быстрее, и сложнее по сравнению с естественным процессом. Процесс идет в три стадии: Первая стадия, как и в случае естественного старения, состоит в образовании зон Г – П, которые имеют ту же имеют ту же природу, что при естественном старении, но обладают большими размерами. Вторая стадия старения – образование новой промежуточной θ’ – фазы.по составу и кристаллическому строению близкой к θ – фазе (твердому раствору алюминия в интерметаллическом соединении CuAl₂). θ’ – фаза представляет собой мелкодисперсные частицы когерентно связанной с твердым раствором, т.е. на границе раздела имеются общие атомы, которые одновременно принадлежат обеим фазам. Мелкодисперсные частички θ’ – фазы, когерентно связанные с основным твердым раствором, еще способны упрочнять сплав.

Третья стадия старения заключается в разрыве когерент­ной связи, в образовании стабильной θ – фазы и в ее укрупнении. Максимум прочности при старении будет соответствовать пер­вой стадии и будет меньше во второй стадия старения. Третья ста­дия старения всегда связана с разупрочнением.

Как видно из кривых, при искусственном старении дуралюмина его прочность вначале возрастает, а затем начинает падать. Чем выше температура старения, тем быстрее достигается максимум прочности. Следовательно, для достижения максимальной прочности время старения при искусственном старении необходимо ограничивать.

Обработка на «возврат».Обработку проводят в течение I – 2 минут в селитро­вой ванне (расплав смеси двух солей 55% KNO₃ и 45% NaNO₃) при температуре 250 0 С с последующим быстрым охлаж­дением в воде. При этом зоны Г-П растворятся в твердом растворе, и свойства сплава вновь возвратятся к свежезакаленному со­стоянию. Время полного разупрочнения при обра­ботке на "возврат" очень невелико и исчисляется минутами, а иногдапосле кратковременного нагрева дои долями минут. Продолжительная выдержка ведет к повышению прочности вследствие искусственного старения Обработанный на "возврат" дуралюмин обладает низкой проч­ностью и высокой пластичностью. С течением времена такой дуралюмин стареет подобно свежезакаленному.

Наибольшее распространение получили сплавы составов:

В равновесном состоянии эти сплавы представляют собой низколегированный твердый раствор и интерметаллидные фазы CuAl₂ (θ-фаза), Mg₂Si, Al₂CuMg, (S-фаза), Al₆CuMg₄ (Т-фаза), Al₃Mg₂, Al₂Mg₃Zn₃ (Т-фаза) и др.

К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся технический алюминий АД1, АД, алюминиево-марганцевые сплавы АМц и АМц1. Это высокопластичные и коррозионностойкие сплавы, обладают хорошей свариваемостью.

Группа сплавов системы Аl-Mg: АМг1, АМг2, АМг3, АМг5В и АМг6. В сварных соединениях эти сплавы способны сохранять до 95% прочности основного металла при высокой пластичности и коррозионной стойкости, однако характеристики прочности у этой группы сплавов относительно невысоки.

Термически упрочняемые деформируемые сплавы подразделяются на следующие группы:

—дуралюмины – сплавы на основе системы А1-Cu-Mg: Д1, Д16, Д19, ВАД1, ВД17, М40, Д18;

—авиали – сплавы на основе системы А1-Mg-Si и А1-Cu-Mg-Si: АВ, АД31, АД33, АД35 и АК6, АК1, АК8. Данные сплавы обладают хорошей коррозионной стойкостью, технологичностью, достаточно высокой пластичностью, способностью подвергаться цветному анодированию;

— сплавы на основе системы Аl-Cu-Mg-Fe-Ni: АК2, АК4, АК4-1;

— сплавы на основе системы Аl – Zn – Mg-Cu: В93, В95, В96, В94.

— сплавы на основе системы Аl-Cu-Mn: Д20, 1201, Д21, ВАД23 (Аl-Cu-Mn-Li-Cd). Сплавы обладают средней прочностью, высокой технологической пластичностью, хорошо свариваемые. Коррозионная стойкость под напряжением удовлетворительная. Сплавы способны работать в широком интервале температур.

— сплавы на основе системы А1-Mg – Zn: В92, В92Ц, АЦМ, 1911,1915.

Сплавы имеют высокую прочность при комнатной и криогенной температурах, удовлетворительную свариваемость и хорошую общую коррозионную стойкость. При сварке этих сплавов удается получить соединения с прочностью 80-90% прочности основного металла в закаленном и состаренном состоянии. Однако с повышением температуры сплавы системы А1-Mg – Zn разупрочняются и подвержены коррозии под напряжением и расслаивающей коррозии.

Pereosnastka.ru

Дюралюмины
Дюралюмины

Вследствие невысокой прочности двойные алюминиевые сплавы находят ограниченное применение. Основными материалами для деталей летательных аппаратов и двигателей являются сплавы, упрочняемые термической обработкой. Типичную группу этих сплавов составляют дюралюмины.

Дюралюмины являются высокопрочными алюминиево-медны-ми сплавами с улучшающими добавками марганца, магния и кремния. В них присутствует также вредная примесь железа. Некоторые виды дюралюминов содержат цинк и другие элементы.

Основным легирующим элементом в дюралюминах является медь. В сплавах алюминия с медью, как известно, присутствует химическое соединение СиА12. Кроме того, алюминий с медью образуют ограниченные твердые растворы с переменной растворимостью, растущей с повышением температуры.

При нагревании химическое соединение переходит в твердый раствор, а при медленном охлаждении выделяется из него. При быстром охлаждении выделение химического соединения не происходит и образуется неравновесная, или метастабильная струк-тУра пересыщенного твердого раствора. Это явление используется при упрочняющей термической обработке сплавов типа дюралюминов, состоящей из закалки и старения (естественного и искусственного).

Естественное старение алюминиево-медных сплавов протекает беспрепятственно при полном отсутствии железа в алюминии. Однако алюминий, применяемый при выплавке сплавов, всегда содержит некоторое количество железа, которое образует нерастворимое в алюминии химическое соединение Cu2FeAl7, называемое фазой N. При этом ограничивается образование фазы СиА12, способной переходить в твердый раствор при закалке и упрочнять сплав при естественном старении. Чтобы вернуть сплаву способность естественно стареть, в него необходимо ввести 0,5—1,5% магния. Тогда вместо нерастворимой фазы N образуется хорошо растворимое соединение CuMgAl2, называемое фазой S и являющееся весьма эффективным упрочнителем. При этом железо связывается в нерастворимом соединении FeAl3, не мешающем естественному старению. При исследовании в микроскоп фаза N наблюдается в виде продолговато-округлых включений черного цвета, a FeAl3 — в форме игл.

Влияние железа и магния на способность алюминиевых сплавов к естественному старению иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 149.

Закаленные дюралюмины могут быть упрочнены и при помощи искусственного старения, т. е. нагрева до 150—250° и выдержки в течение нескольких часов.

Термическая обработка дюралюминов состоит из закалки и старения. При выборе температуры закалки дюралюминов можно руководствоваться диаграммой сплавов А1—СиА12. Однако следует иметь в виду, что под влиянием магния и других добавок линии фазовых превращений этой диаграммы смещаются в сторону пониженных температур и концентраций. Так, например, введение 0,8% магния и 0,5% кремния уменьшает предельную растворимость меди в алюминии примерно на 10% и снижает эвтектическую температуру с 548 до 515 °С.

Этот порок возникает в результате оплавления и окисления тончайших прослоек эвтектического состава, образующихся между зернами твердого раствора вследствие дендритной ликвации при ускоренном охлаждении и кристаллизации жидкого сплава в обычных производственных условиях.

При температуре закалки сплав выдерживается с целью полного растворения упрочняющей фазы и получения однородного твердого раствора. Затем следует быстрое охлаждение. При этом фиксируется пересыщенный пластичный твердый раствор.

Упрочнение закаленного сплава достигается последующим естественным старением. Искусственное старение для упрочнения дюралюминов применяется значительно реже. Упрочнение дюралюминия при естественном старении не связано с распадом твердого раствора и выделением из него упрочняющей фазы. Механизм упрочнения при естественном старении является совершенно другим.

В закаленном сплаве, находящемся в состоянии однородного твердого раствора, атомы меди размещаются в узлах кристаллической решетки, равномерно распределяясь по всему объему твердого раствора. При естественном старении эти атомы диффундируют к некоторым узлам решетки алюминия, распределенным в плоскости куба, и создают обогащенные медью области, по соотношению компонентов близкие к химическому соединению CuA12. Однако химическое соединение при этом не образуется и из твердого раствора не выделяется. Эти области представляют собой плоские округлые скопления медных атомов, именуемые зонами Гинье—Престона. Они имеют толщину в 2—3 атомных слоя. Диаметр их изменяется в зависимости от температуры естественного старения и составляет от 50 до 600 кХ.

Эти скопления атомов меди вызывают искажение решетки твердого раствора и упрочнение сплава при старении.

Теория естественного старения хорошо объясняет явление так называемого возврата. Обработка на возврат состоит в нагреве закаленного и подвергнутого естественному старению дюралюминия примерно до 270 °С и выдержке при этой температуре в течение около 30 сек. При этом наблюдается возврат материала к свойствам свежезакаленного сплава — низкой твердости и высокой пластичности.

Сущность этого явления состоит в диффузионном рассасывании зон, обогащенных медью, и в новом образовании, как и после закалки, однородного твердого раствора.

Наилучшее упрочнение дюралюминия при термической обработке наблюдается только в том случае, когда все параметры режима этого процесса выдерживаются с безукоризненной тщательностью. Особенно важным является точное поддержание температуры закалки. Это достигается применением в качестве нагревающих сред селитровых ванн, использованием электрического обогрева этих ванн, автоматической регулировкой температур и непрерывным механизированным перемешиванием селитры.

Длительность выдержки при нагреве под закалку выбирается от 3 до 5 минут для тонких полуфабрикатов и деталей и до 30 минут для более массивных, имеющих толщину до 10—15 мм.

Охлаждение при закалке обычно проводится в холодной проточной воде. Для устранения короблений проводят правку изделий.

Преимущественное применение естественного, а не искусственного старения дюралюминов может быть обосновано при помощи графиков, приведенных на рис. 152. Как видно из этих графиков, наибольшее упрочнение дюралюминия может быть достигнуто при естественном старении, т. е. в результате выдержки закаленного сплава при обычной температуре 20 °С. Упрочнение в результате искусственного старения, проводимого при температуре 100, 150 и 200 °С, оказывается менее значительным.

Продолжительность естественного старения зависит от температуры помещения, в котором оно проводится, и составляет 5—7 суток. Задержка естественного старения путем снижения температуры часто используется на практике, например, с целью приостановки твердения при необходимости пластической деформации в случае правки изделия или при другой операции.

Естественное старение алюминиевых сплавов

Упрочняющая термическая обработка алюминиевых сплавов основана на изменении растворимости соединений в основном алюминиевом растворе, а конкретно для сплавов на изменении растворимости соединения в алюминии.

Рис. 391. Диаграмма состояния

Как видно из рис. 392, медь растворяется при комнатной температуре в количестве около а максимальная растворимость при эвтектической температуре равна Любой сплав, содержащий до , можно перевести в однофазное состояние соответствующим нагревом. Это состояние фиксируется быстрым охлаждением.

Необходимая скорость охлаждения при закалке определяется скоростью выпадения избыточных фаз из переохлажденного и пересыщенного твердого раствора. Для этой цели строят диаграммы изотермического превращения переохлажденного твердого раствора (С-образные диаграммы), пример которой приведен на рис. 393. Согласно этой диаграмме максимальная скорость превращения наблюдается вблизи

Полученный таким образом твердый раствор при содержании в нем меди более является пересыщенным. В таком пересыщенном и неустойчивом твердом растворе происходят изменения, в конечном итоге приводящие к выделению соединения и

сохранению в растворе лишь соответствующего равновесной системе количества меди Этот процесс называется старением. Если этот процесс происходит при комнатной температуре, то он называется естественным старением, а если при искусственном повышении температуры — то искусственным старением. Таким образом, видно, что термическая обработка алюминиевых сплавов состоит из двух циклов — закалки и старения.

Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе, — процессы, подготавливающие выделение, и непосредственно процессы выделения. Превращение, при котором происходят только процессы выделения, называется дисперсионным твердением (без сложных подготовительных процессов, о которых речь идет дальше).

Рис. 392. Диаграмма состояния

Рис. 393. Диаграмма изотермического распада переохлажденного твердого раствора в алюминиевых сплавах (указано начало распада):

Теоретические вопросы, связанные с закалкой алюминиевых сплавов, относительно просты: в процессе закалки фиксируется пересыщенный твердый раствор. Важно, чтобы охлаждение было достаточно быстрым.

Микроструктура хорошо иллюстрируется и объясняет фазовые изменения, вызванные закалкой.

На рис. 394, а и б представлена структура отожженного сплава . На фоне алюминиевого твердого раствора (почти чистого алюминия) видны включения На рис. 394, в приведена микроструктура того же сплава после закалки. Структура состоит из гомогенного твердого раствора. Нагрев до температуры закалки привел к полному растворению включений а охлаждение при закалке зафиксировало (насколько можно судить по микроструктуре) пересыщенный твердый раствор.

Познакомимся вначале с тем, как изменяются свойства сплава при старении.

В отожженном состоянии сплав имеет предел прочности . В свежезакаленном состоянии (т. е. при испытании сразу после закалки) предел прочности несколько выше

и составляет примерно 250 МПа. После старения предел прочности значительно возрастает и достигает 400 МПа.

При естественном старении (20 °С) прочность становится максимальной через 4—5 сут. после закалки, причем скорость упрочнения в первые часы значительно меньше, чем в последующие, но затем интенсивность упрочнения убывает.

Рис. 394. Структура сплава : а — в отожженном состоянии, Х900: б — то же, X 120; в — в закаленном состоянии. X 100

Типичный ход кривой упрочнения при естественном старении показан на рис. 395.

Начальный период, характеризующийся отсутствием или весьма слабым повышением прочности, называется инкубационным. Инкубационный период имеет важное технологическое значение, так как в этот момент сплав обладает большой способностью к пластической деформации и закаленные детали можно подвергать разнообразным технологическим операциям, связанным с деформацией (расклепке заклепок, гибке, отбортовке и т. д.). Через способность пластически деформироваться начинает резко уменьшаться, и эти операции становятся неосуществимыми.

Рис. 395. Изменение прочности при естественном старении алюминиевого сплава: 1 — закаленное состояние; 2 — отожженное состояние

Скорость старения сильно зависит от температуры (рис. 396): повышение температуры ускоряет процесс. Однако получаемая максимальная прочность тем ниже, чем выше температура старения. Кроме того, в результате старения при температуре выше явно отмечается разупрочнение сплава при выдержке более той, которая вызывает максимальное упрочнение, и тем скорее, чем выше температура.

При температурах ниже комнатной старение замедляется и при можно считать, что закаленное состояние практически устойчиво и старение не происходит.

Естественно, состаренное состояние сплава является неустойчивым. Если недолго выдержать подвергнутый естественному старению алюминиевый сплав при 200-250 °С, то он разупрочняется, выделившиеся дисперсные частицы избыточной фазы растворятся и сплав получит свойства, характерные для свежезакаленного состояния, так как он вновь приобретает способность к естественному старению (рис. 397).

Рис. 396. Кривые старения дюралюминия при различных температурах

Это явление (т. е. возвращение к свежезакаленному состоянию после кратковременного нагрева) называется возвратом.

Рассмотрим процессы, протекающие при старении сплава

Закалка фиксирует пересыщенный твердый раствор, поэтому вероятнее всего предположить, что в процессе старения выделяется избыточная фаза и что выделение ее в мелкодисперсном состоянии и вызывает изменение свойств.

Однако имеющийся экспериментальный материал не подтверждает эту первоначальную теорию, хотя по микроструктуре (под оптическим микроскопом) нельзя обнаружить выделений.

Вторая фаза (т. е. выделение из твердого раствора) отчетливо обнаруживается после искусственного старения при температуре выше (рис. 398). Однако когда металлографически обнаруживается вторая фаза, сплав не имеет максимальной прочности, так как продолжительность старения (отпуска) была значительно больше той, при которой (при данной температуре старения) получаются максимальные свойства.

Таким образом, металлографический анализ опровергает простую теорию выделения избыточной фазы. Однако, может быть, выделяющиеся частицы настолько мелки, что не могут быть обнаружены под микроскопом? Рентгеноструктурный анализ показывает также,

что при старении, когда сплав достигает максимальной прочности, избыточная фаза отсутствует.

Приведенные данные показывают, что при естественном старении не происходит выделений в обычном смысле, и упрочнение не связано с распадом твердого раствора.

Современные представления о механизме старения, подтверждаемые особым методом рентгеноструктурного анализа, таковы: в процессе естественного старения происходят подготовительные процессы к выделению, само же выделение может произойти лишь при более высоких температурах, обеспечивающих достаточную скорость атомным перемещением (диффузии).

Рис. 397. Кривые старения после возврата к свежеэ а кален ному состоянию (кратковременный нагрев при 230 °С.)

Рис. 398. Структура сплава , закаленного и искусственного состаренного при

Начальный период старения (назовем его первой стадией старения) заключается в том, что в пересыщенном твердом растворе атомы второго компонента (в данном случае атомы меди), расположенные в свежезакаленном сплаве в случайных местах, собираются в определенных местах кристаллической решетки. В результате этого процесса внутри кристалла образуются зоны повышенной концентрации растворенного компонента, так называемые зоны Гинье—Престона (зоны Г. П.)

Атомы меди на этой стадии старения из раствора не выделились, поэтому среднее значение параметра решетки не изменилось, Однако в местах повышенной концентрации второго компонента параметр должен быть иной, чем в обедненных местах, это создает

большие напряжения в кристалле и дробит блоки мозаики, что и приводит к повышению твердости.

Зоны Г. П. представляют собой тонкие пластинчатые, дискообразные образования толщиной в несколько атомных слоев и протяженностью в несколько десятков атомных слоев.

Содержание меди в зонах повышенное, но еще не отвечает формуле

Дальнейшее развитие процесса старения заключается в увеличении зон (толщина их достигает 1—4 нм и диаметр 20—30 нм) и повышении содержания в них меди до стехиометрического соотношения. Принято первые маленькие зоны называть зонами , а вторые большие, зонами Г. принципиальной разницы между которыми нет. Процесс старения, связанный с образованием зон называют также зонным старением, отмечая тем самым отличие от следующей стадии старения, которое по этой терминологии именуется фазовым старением.

После образования зон повышение температуры или увеличения выдержки при повышенных температурах, например приводит к преобразованию зон в фазу, обозначаемую через 0. Это уже выделения, т. е. новая фаза, которая имеет отличную решетку от твердого раствора, но и от стабильной -фазы и когерентно связанную с маточным твердым раствором. При дальнейшем повышении температуры -фаза превращается в стабильную -фазу и происходит ее коагуляция.

В простых сплавах (или в таких же сплавах, но с небольшим количеством магния — дюралюминий) процесс зонного старения протекает при комнатных температурах и приводит к максимальному упрочнению (см. рис. 396); при температурах зонное старение переходит в фазовое, а оно не приводит к получению максимальной прочности. При еще более высоких температурах происходит перерождение -фазы в -фазу (или прямое образование -фазы из твердого раствора), что дает еще меньшее упрочнение.

При каждой температуре старения образуются зоны разного размера, поэтому образовавшиеся при комнатной температуре зоны Г.П. малого размера оказываются при более высокой температуре (например, при неустойчивыми и «рассасываются» («растворяются»), так как при этой температуре устойчивыми являются образования большего размера. Следовательно, если нагреть естественно состаренный сплав до 150—200 °С, то ранее образовавшиеся участки небольшого размера «растворятся» и сплав возвратится в исходное свежезакаленное состояние. Этим объясняется явление возврата.

В заключение описания процессов старения следует отметить следующее. Во-первых, не всегда состояние старения с образованием зон Г. П. соответствует максимуму прочности, в некоторых

алюминиевых сплавах максимум прочности наблюдается при образовании метастабильной фазы 0.

Во-вторых, необязательно, чтобы процесс охватывал все три стадии он может начаться с непосредственного выделения -фазы и даже -фазы.

В-третьих, деление старения на естественное, протекающее при , искусственное, протекающее при есть деление технологическое, а не физическое, физическая классификация основана на процессах, происходящих при старении, и с этой точки зрения старение следует делить на зонное и фазовое . Фридляндер). Для дюралюминия ; естественное старение и зонное, как и искусственное и фазовое, одно и то же; но для других сплавов уже при комнатной температуре возможно образование фаз, а для других при комнатной температуре вообще старение (упрочнение) не происходит.

Алюминиевые профили: сплавы и состояния

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.

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.

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.

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.

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.

Алюминиевые сплавы 6060, 6063 и АД31

Химический состав алюминиевых сплавов 6060 и 6063 по EN 573 и сплава АД31 по ГОСТ 4784 показан в таблице 1. Отметим повышенный уровень примесей в сплаве АД31, в том числе, за счет сокращения количества значащих цифр.

Таблица 1 — Химический состав сплавов АД31, 6060 и 6063

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.

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.

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.

Состояние Т64

Недостаренное состояние (см. рисунок 2). В этом состоянии материал имеет пониженную по сравнению с состоянием Т6 прочность, но более высокую пластичность. Материал в состоянии Т64 применяют, например, для гибки профилей.