Термообработка алюминиевых сплавов
Термическая обработка алюминиевых сплавов предназначена для корректировки характеристик материала с помощью воздействия высоких температур. Различными способами обработки можно добиться широкого разнообразия структуры и свойств.
Сплавы, которые содержат примеси в размере 15-18%, имеют вид твердого раствора. В качестве дополнительных компонентов применяются медь, магний, цинк, кремний и другие вещества, различное сочетание которых и их процентное соотношение прямо пропорционально влияют на свойства материала.
В обычном состоянии алюминиевые сплавы не отличаются высокой прочностью, при этом довольно пластичны. Наиболее неустойчивые сплавы включают в состав большое количество легирующих компонентов, которые влияют на равновесную структуру.
Для упрочнения алюминиевых сплавов применяется методы термообработки. Путем равномерного нагрева, который регламентируется техническими условиями, получают соответствующую структуру, необходимую для начальной стадии распада твердого раствора.
С помощью термообработки можно получить множество типов структуры материала, которые соответствуют требованиям производства. Термическая обработка позволяет создать структуру, не имеющую аналогов.
На сегодняшний день разработано множество методов термообработки алюминиевых изделий, среди которых наибольшую популярность обрели три: отжиг, закалка, старение.
Особенности термообработки алюминиевых сплавов
Алюминий и его сплавы требуют особого подхода к термообработке для достижения определенной прочности и структуры материала. Очень часто применяют несколько методов термообработки. Обычно, после закалки следует старение. Но некоторые типы материалов могут подвергаться старению без закалки.
Такая возможность появляется после отливки, когда компоненты, при повышенной скорости охлаждения, могут придать металлу необходимую структуру и прочность. Это происходит во время литья при температуре около 180 градусов. При такой температуре повышается уровень прочности и твердости, а также снижается степень тягучести.
Каждый из методов термообработки имеет некоторые особенности, которые стоит учитывать при обработке алюминиевых изделий.
Отжиг необходим для придания однородной структуры алюминиевому сплаву. С помощью этого метода состав становиться более однородным, активизируется процесс диффузии и выравнивается размер базовых частиц. Также можно добиться снижения напряжения кристаллической решетки. Температура обработки подбирается индивидуально, исходя из особенностей сплава, необходимых конечных характеристик и структуры материала.
Состав и свойства алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой
Важным этапом отжига является охлаждение, которые можно проводить несколькими способами. Обычно проводят охлаждения в печи или на открытом воздухе. Также применяется поэтапное комбинированное охлаждение, сначала в печи, а потом на воздухе.
От скорости снижения температуры напрямую зависят характеристики готового материала. Быстрое охлаждение способствует образованию перенасыщенности твердого раствора, а медленное – значительного уровня распада твердого раствора.
Закалка требуется для упрочнения материала путем перенасыщения твердого раствора. Этот метод основан на нагреве изделий температурам и быстром охлаждении. Это способствует полноценному растворению составных элементов в алюминии. Используется для обработки деформируемых алюминиевых сплавов.
Для использования этого способа нужно правильно рассчитать температуру обработки. Чем выше степень, тем меньше времени требуется на закалку. При этом стоит подобрать температуру так, чтобы она превышала значение, необходимое для растворимости компонентов, но была меньше границы расплава металла.
Методом старения достигается увеличение прочности алюминиевого сплава. Причем необязательно подвергать изделия искусственному старению, так как возможен процесс естественного старения.
В зависимости от типа старения изменяется скорость структурных изменений. Поэтому искусственное старение более предпочтительно, так как оно позволяет повысить производительность работ. Подбор температуры и времени обработки зависит от свойств материала и характеристик легирующих компонентов.
Правильное сочетание уровня нагрева и времени выдержки позволяет повысить прочность и пластичность. Такой процесс называется стабилизацией.
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.
Закалка алюминиевых отливов
Закалка подходит не для всех типов алюминиевых сплавов. Для успешного структурного изменения, сплав должен содержать такие компоненты как медь, магний, цинк, кремний или литий. Именно эти вещества способны полноценно растворится в составе алюминия, создав структуру, имеющую отличные от алюминия свойства.
Данный тип термообработки проводиться при интенсивном нагреве, позволяющем составным элементам раствориться в сплаве, с дальнейшим интенсивным охлаждением до обычного состояния.
Термические превращения в сплавах 6060, 6063, АД31
При выборе температурного режима следует ориентироваться на количество меди. Также, нужно учитывать свойства литых изделий.
В промышленных условиях температура нагрева под закалку колеблется в диапазоне от 450 до 560 градусов. Выдержка изделий при такой температуре обеспечивает расплавление компонентов в составе. Время выдержи зависит от типа изделия, для деформированных обычно не превышает более часа, а для литых – от нескольких часов до двух суток.
Скорость охлаждения при закалке необходимо подбирать так, чтобы состав алюминиевого сплава не подвергался распаду. На промышленном производстве охлаждение проводят с помощью воды. Однако такой способ не всегда оптимально подходит, так как при охлаждении толстых изделий происходит неравномерное снижение температуры в центре и по краям изделия. Поэтому для крупногабаритных и сложных изделий применяются другие методы охлаждения, которые подбираются индивидуально.
Старение алюминиевых сплавов
Старение проводится для улучшения прочностных характеристик изделия. Этот вид термической обработки заключается в выдержке в условиях обычного температурного режима.
Повышение прочности достигается путем распада твердого раствора, что необходимо после закалки, так как закалка приводит к пресыщенности металла.
Существует два способа старения алюминиевых сплавов: естественное и искусственное.
Естественное старение происходит без предварительного нагрева при обычных температурах. Это может происходить в условиях обычного склада или промышленного помещения, где температура воздуха не превышает 30 градусов.
Естественное старение возможно из-за особого свойства алюминия, которое называется «свежезакаленное состояние». Свойства изделий значительно отличаются сразу после закалки и после некоторого времени пребывания на складе.
Искусственное старение проводится путем нагрева изделий до температуры 200 градусов. Это активирует процесс диффузии, что способствует улучшенному растворению составных элементов. Выдержка составляет от нескольких часов до нескольких суток.
Следует отметить, что искусственно состаренные сплавы можно вернуть к изначальному состоянию. Для этого нужно нагреть изделие до 250 градусов с выдержкой до одной минуты. Выдержка должна проводится в селитряной ванне в строго определенное время, с точностью до нескольких секунд.
Причем подобный возврат можно выполнять несколько раз, без потери прочности материала, но с небольшим изменением свойств. Возврат состаренного металла обычно проводят с целью восстановления пластичности, необходимой для изменения формы изделия.
Любой из типов термообработки широко используется в промышленности. Благодаря чему у производителей есть возможность получения материалов, полностью соответствующих требованиям производства. Причем такая обработка сплавов позволяет значительно улучшить свойства алюминия и получить материал, не имеющий аналогов.
Главное условие при термообработке – соблюдение требований и рекомендаций к температурному режиму обработки и времени выдержки. Малейшие отклонения могут привести к необратимым изменениям свойств материала.
Источник
Способ упрочнения алюминиевых сплавов это
Алюминий, для того чтобы использоваться в строительстве, должен отвечать требованиям по прочности. В строительстве применяются легированный алюминий и сплавы алюминия, которые прошли упрочнение термообработкой и нагартовкой. Насчитывают около 300 вариаций сплавов алюминия с другими элементами.
Мы перечислим самые распространенные и эффективные способы упрочнения алюминия.
Упрочнение алюминия путем добавления дополнительных компонентов (легирования)
Алюминиевые сплавы с различными химическими компонентами применяют для деталей конструкций и силовых элементов. Все эти сплавы разделяют на деформируемые и литейные. В строительстве используются в основном деформируемые сплавы из алюминия. Они в свою очередь делятся на сплавы, которые подвергаются термической обработке (упрочняемые) и те, которые по своим свойствам подвергаться ей не могут (неупрочняемые). К первым относятся многокомпонентные сплавы, в основе которых помимо алюминия и магния присутствуют либо кремний, либо медь, либо цинк. Ко вторым относят технический алюминий и двухкомпонентные (на основе алюминий-марганец и алюминий-магний) сплавы.
Каждый из легирующих элементов имеет свои специфические свойства: марганец и магний повышают механические свойства, а также марганец улучшает антикоррозионные свойства, а магний уменьшает массу сплава, однако при очень большом содержании может снизить величину модуля упругости. Медь чаще всего применяется в дюралиминах (группе высокопрочных сплавов из алюминия) и значительно повышает прочность, но понижает пластичность и антикоррозионные свойства. Медь советуют добавлять вместе с магнием. Кремний придает жидкотекучесть, легкоплавкость, однако также уменьшает пластичность. Цинк хорошо упрочняет алюминий, его также советуют добавлять вместе с магнием.
Помимо вышеперечисленных элементов, в сплавы в виде легирующих добавок вводятся хром, ванадий, титан, цирконий, и пр.
Все тройные и многокомпонентные алюминиевые сплавы имеют более-менее определенный химический состав, Просто легированные сплавы, как правило, не используются при изготовке конструкций. Их составляющие компоненты подобраны главным образом для того, чтобы получить эффективный состав упрочняющих фаз, который после подвергания специальной термической обработке позволил бы как можно больше повысить прочность сплава и сохранить при этом хорошие технологические свойства. Способность к прессованию, прокатке, сварке, резке и стойкости против коррозии. Закалка изделий с последующим старением (отпуском0 является специальным способом термической обработки, которая придает сплаву больше прочности. Также многокомпонентные сплавы могут упрочняться методом нагартовки.
Самыми распространенными видами термической обработки являются отжиг, отпуск (старение), закалка и термическая обработка вместе с другими видами воздействий – механическими, химическими, ударными, ультразвуковыми.
Рассмотрим более детально каждый из видов.
Отжиг. Во время отжига отсутствуют фазовые превращения, и зависимо от начального состояния металла и нужных качеств может происходить в виде рекристаллизации, гомогенизации и возврата (отжига) для снятия остаточных напряжений. Сплавы подвергают отжигу с целью переведения структуры металла из неустойчивого состояния в устойчивое, однородное, которое характеризуется мелкозернистостью.
Во время отжига почти восстанавливаются имевшиеся до деформации или старения физические и механические свойства. Однако при этом уменьшается прочность и увеличивается пластичность и ударная вязкость. Это используют во время технологических операций по изготовлению алюминиевых конструкций с применением отдельных термообрабатываемых сплавов.
Закалка. Так называют процесс, применяющейся к сплавам, которые в твердом состоянии проходят фазовые изменения. Эти процессы способствуют увеличению прочности. Они основываются на том, что при нагревании сплава выше предельной линии растворимости и ниже температуры солидуса наблюдается ɑ — твердый раствор. При воздействии нормальных температур он неустойчив и в процессе старения из него выделяются элементы, которые в комплексе с алюминием образуют химические соединения – упрочнители.
Старение (отпуск). Это название важной производственной операции, во время которой кристаллическая решетка приводится в более устойчивое состояние. Тонкие пластинчатые образования, выделяющиеся в процессе старения, носят название зоны Гинье-Престона. Это зоны, где наблюдается повышенная концентрация растворенного компонента. Они располагаются внутри кристалла. В зависимости от того, при какой температуре происходит процесс отпуска, различают естественное и искусственное старение (отпуск). При естественном старении продукты выдерживаются при низких и нормальных температурах, и искусственное предполагает повышение температуры до 432-473 K.
Прочность, получаемая путем естественного отпуска, набирается за 5-7 суток. Сроки отпуска при искусственном старении зависят от состава сплава и требований к нему.
Время выдержки при нагреве составляет от 15 до 200 минут и колеблется в зависимости от максимальной толщины требуемого профиля. Нагрев (термообработка) изделий происходит в электрических вертикальных печах, имеющих круглое или прямоугольное сечение камеры. Под этими печами находятся баки со средой, в которой металлические профили поддаются обработке.
На рисунке наглядно представлено влияние термообработки на прочностные и структурные параметры упрочненного алюминия.
Исходя из того, в каком режиме и каким способом алюминиевые профили и листы подвергались термической обработке, они обозначаются следующими буквами: отожженные — М, закаленные и естественно состаренные — Т, закаленные и искусственно состаренные – Т1. Горячепрессованные профили и горячекатаные листы специальной буквой не обозначаются.
Упрочнение сплавов на основе алюминия методом холодного деформирования
При использовании способа холодного деформирования нагартовка осуществляется путем прокатки через валки. Разрушение межкристаллических прослоек и запрессовывание нагартовкой усадочных пор и пузырей, которое происходит в результате холодного деформирования, обеспечивает более плотный контакт внутри кристаллитов.
От степени нагартовки зависит, насколько повышается прочность сплава, и как уменьшаются его пластические свойства.
Этот способ повышения механической прочности получил широкое распространение при работе с неупрочняемыми сплавами на основе алюминий-магний, которые, как понятно по их названию, не поддаются термической обработке, о которой шла речь в начале статьи. Наиболее эффективным считается упрочнять такие сплавы после обжатия на 20%.
Заметим, что повышая степень нагартовки, мы получаем меньшую интенсивность изменения прочности. Также стоит заметить, что разница, существующая между пределом прочности и текучести при больших степенях деформации, ведет к плохой штампуемости, гибке и снижению других технологических характеристиках используемого металла.
Также разница между этими величинами и низкая пластичность не позволяют использовать высокий предел текучести, потому что в этом случае расчетное сопротивление будет назначаться по временному сопротивлению разрыву. Поэтому было решено выпускать листы, нагартованные на 10-15%, и толщиной не более 10 мм.
Метод холодного деформирования не позволяет получать большую толщину листов, потому что она ограничена трудностью создания больших усилий на валках, особенно во время деформирования высокопрочных сплавов.
Для алюминиевых листов тоже существует своя маркировка, в зависимости от степени нагартовки: нагартованные – Н, и полунагартованные, соответственно – П.
Александр Рыбаков
Источники использованные при написании статьи:
1. И. Н. Артемьева «Алюминиевые конструкции»
Источник
