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, медь.

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.

Рисунок 1 – Изменение температуры в процессе производства
анодированных алюминиевых профилей

Алюминиевые профили производят, как правило, 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.

Рисунок 2 – Популярные сплавы для производства алюминиевых профилей

Из сплавов 6060 и 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. Сплавы 6061 (АД33) и 6082 (АД35) чаще применяют для несущих строительных конструкций, которые требуют повышенной прочности. Сравнительная прочность различных алюминиевых сплавов представлена на рисунке 3.

Рисунок 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, например, слитков из сплава 6060 он имеет повышенное содержание магния, кремния и железа (рисунок 4).

Рисунок 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.

Рисунок 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).

Рисунок 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, в том числе, неоднородность внешнего вида анодированной поверхности.

Рисунок 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. рисунок 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, например, частиц Mg₂Si, влияет длительность выдержки слитков при температуре гомогенизации, а также скорость охлаждения слитков после гомогенизации. Например, для слитков из сплава 6060 оптимальными параметрами гомогенизации считаются: температура гомогенизации 585 ºС, выдержка при этой температуре около 5 часов и охлаждение после выдержки со скоростью около 300 ºС в час в специальной камере охлаждения.

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

См. продолжение:

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

Источник:

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