Анодирование алюминия: роль литой структуры заготовки

Микроструктура как источник дефектов анодируемых профилей

Особенности микроструктуры материала алюминиевых профилей – алюминиевых сплавов – очень часто являются причиной неоднородности внешнего вида их анодированной поверхности. Причинами такой неоднородности микроструктуры являются нарушения технологии производства алюминиевых профилей – от литья слитков-столбов, от которых отрезаются исходные заготовки для экструзионного пресса и до технологии термической обработки при закалке на прессе и в печи искусственного старения. Причины этого дефекта лежат в технологии изготовления профилей, а проявляется он уже в процессе анодирования.

Основными причинами возникновения проблем, которые связаны с микроструктурой алюминиевых профилей являются:

  • обратная (инверсная) сегрегация легирующих элементов в слитке;
  • неполная гомогенизация структуры слитка;
  • неоднородная перерекристаллизация деформированной зеренной структуры по сечению профиля;
  • неполная или неоднородная закалка профилей на прессе;
  • нарушения технологии искусственного старения профилей (недостаривание или перестаривание);
  • повышенное содержание таких примесей, как цинк, железо, Kupfer.

Технология производства анодированных алюминиевых профилей

Микроструктура алюминиевых профилей и последующее качество поверхности после их анодирования зависит от различных технологических параметров на всем протяжении их производства:

  • качество шихты и обработка расплава;
  • литье слитков-столбов;
  • гомогенизация слитков;
  • нагрев слитков;
  • экструзия профилей;
  • закалка профилей на прессе;
  • искусственное старение профилей;
  • подготовка поверхности профилей (обезжиривание, травление, осветление);
  • анодирование профилей и наполнение пор анодного покрытия.

Схема изменения температуры при производстве алюминиевых профилей показана на рисунке 1. Величина температуры, длительность выдержки при ней, а также скорость ее изменения при нагреве и охлаждении являются основными технологическими параметрами, которые влияют на формирование микроструктуры готовых алюминиевых профилей.

Bild 1 – Изменение температуры в процессе производства
анодированных алюминиевых профилей

Алюминиевые профили производят, allgemein, из сплавов серии 6ххх, у которых основными легирующими элементами являются магний и кремний. Интервалы содержания этих элементов в самых популярных в Европе и США алюминиевых сплавах представлены на рисунке 2.

Bild 2 – Популярные сплавы для производства алюминиевых профилей

Из сплавов 6060 und 6063 (аналог отечественного АД31) изготавливают практически все профили для оконных рам и дверей, а также навесных фасадов, светопрозрачных и вентилируемых. Сплав 6005А применяют, если требуется несколько более повышенная прочность. Legierungen 6061 (АД33) и 6082 (АД35) чаще применяют для несущих строительных конструкций, которые требуют повышенной прочности. Сравнительная прочность различных алюминиевых сплавов представлена на рисунке 3.

Bild 3 – Сравнительная прочность деформируемых алюминиевых сплавов

Зона обратной сегрегации слитка

При кристаллизации алюминиевых слитков из алюминиевых сплавов неизбежно возникает поверхностный слой с повышенным содержанием легирующих элементов и примесей. Этот слой называют зоной обратной сегрегации. В случае, z.B, слитков из сплава 6060 он имеет повышенное содержание магния, кремния и железа (рисунок 4).


Bild 4 – Микроструктура слитка-столба из алюминиевого сплава серии 6ххх

Современным методом литья слитков-столбов является так называемый метод «Hot-Top» (рисунок 5). На рисунке показана схема литья методом Hot-Top на примере одного слитка-столба. Современные литейные машины могут одновременно отливать несколько десятков, а то и более сотни, слитков-столбов.


Bild 5 – Литье слитка-столба методом Hot-Top

Особенности литья слитков этим методом – ограничение теплоотдачи сверху расплава, а также применение систем смазки кристаллизатора смесью газа и специального масла обеспечивают минимальную толщину обратного сегрегационного слоя снаружи слитков (рисунок 6).

Bild 6 – Зона обратной сегрегации в слитках-столбах из сплава 6060
при литье столбов методом Hot-Top

При нарушениях технологии прессования металл из этого сегрегационного слоя может попадать в готовый алюминиевый профиль (см. часть 2). Поскольку его химических состав значительного отличается от химического состава основного металла, то это вызывает разного рода неоднородности свойств профилей, einschließlich, неоднородность внешнего вида анодированной поверхности.

Bild 7 – Сегрегационная оболочка заготовки собирается в задней ее части.
При слишком тонком пресс-остатке (менее 15 % длины заготовки)
материал зоны обратной сегрегации может попадать в профиль

Гомогенизация слитков

Важным технологическим этапом является гомогенизация слитков. Она заключается в выдержке слитков при температуре около 580 °С в течение нескольких часов и достаточно быстром принудительном охлаждении (см. Bild 1).

При гомогенизации слитков важно обеспечивать:

  • Максимально полное превращение частиц AlFeSi из beta-фазы в alfa-фазу. При этом происходит переход от крупных грубых частиц к более мелким и более округлым (рисунок 8).
  • Высокая степень перехода частиц AlFeSi из beta-фазы в alfa-фазу обеспечивает благоприятно влияет на прессуемость заготовки, а также на качество анодированной поверхности за счет более равномерного и однородного щелочного травления поверхности профиля.
  • На размер и распределение интерметаллических частиц, z.B, частиц Mg2Und, влияет длительность выдержки слитков при температуре гомогенизации, а также скорость охлаждения слитков после гомогенизации. beispielsweise, для слитков из сплава 6060 оптимальными параметрами гомогенизации считаются: температура гомогенизации 585 ºS, выдержка при этой температуре около 5 часов и охлаждение после выдержки со скоростью около 300 ºС в час в специальной камере охлаждения.

Bild 8 – Измельчение и округление железосодержащих частиц
литой структуры сплава 6060 в результате гомогенизации слитка

Cm. продолжение:

  • часть 2: влияние конструкции матрицы и технологии экструзии;
  • часть 3: влияние химического состава материала заготовки.

Eine Quelle:

1. Tom Hauge, Hydro Aluminium, IHAA Symposium 2014, New York