Алюминиевые сплавы 6060, 6063 и АД31

Сплавы для алюминиевых профилей

Изготовление прессованных алюминиевых профилей из сплавов серии 6ххх (самый технологичный и потому популярный из них – алюминиевый сплав 6060 по стандартам EN и ISO (его частичный аналог – алюминиевый сплав АД31 по ГОСТ 4784-97) сопровождается сложной комбинацией нескольких термических процессов. Поэтому без понимания основ металлургии этих сплавов вряд ли можно достичь стабильно высокого качества алюминиевых профилей.

Роль магния и кремния в сплавах 6060, 6063 и АД31

Алюминиевый сплав 6060, а также
алюминиевый сплав 6063 и
их аналог – алюминиевый сплав АД31

являются типичными термически упрочняемыми алюминиевыми сплавами. Они достигают своей прочности за счет термической обработки, а не деформационного упрочнения. Ключевыми элементами этих алюминиевых сплавов являются магний (Mg) и кремний (Si), которые образуют частицы Mg₂Si. Эти частицы могут принимать несколько форм, которые обычно объединяют в три основных категории:

β”-Mg₂Si – самые мелкие частицы Mg₂Si, которые имеют стержневидную форму и вносят основной вклад в прочностные свойства, когда имеют большую плотность распределения;
β’-Mg₂Si – укрупненная версия стержневидных выделений, которые вырастают из β”-категории. Эти частицы дают пренебрежимо малый вклад в повышение прочностных свойств;
β-Mg₂Si – самые крупные частицы Mg₂Si, которые имеют кубическую форму и из-за своих больших размеров не дают никакого вклада в повышение прочностных свойств.

Большинство алюминиевых сплавов серии 6ххх, в которую входят сплавы 6060, 6063 и АД31, «сконструированы» так, чтобы иметь сбалансированные («стехиометрические») содержания магния и кремния, то есть в тех пропорциях, в которых они содержатся в силициде магния Mg₂Si. На рисунке ниже показана граничная линия для сбалансированного химического состава.

Рисунок 1 – Сравнение химического состава алюминиевых сплавов 6ххх

Избыток кремния предпочтительнее, чем избыток магния по следующим причинам:

избыточный магний не дает прироста прочностных свойств готового изделия;
избыточный магний повышает напряжение течения сплава и делает прессование сплава более трудным;
избыточный кремний повышает эффективность искусственного старения и таким образом повышает прочностные свойства готового изделия

Влияние легирования

Железо

Железо всегда присутствует в алюминиевых сплавах и чаще всего образует в комбинации с кремнием и алюминием интерметаллиды AlFeSi. Эти интерметаллиды не влияют на прочностные свойства сплава, но при неправильной термической обработке сплава могут отрицательно повлиять на его прессуемость. Точный контроль содержания железа важен при анодировании профилей. Различное содержание железа может давать различия в оттенках цвета или степени матовости анодированной поверхности.

Марганец

Марганец добавляют в сплавы 6ххх по нескольким причинам.

Марганец сокращает длительность гомогенизации, способствуя ускорению превращения частиц β-AlFeSi в α- AlFeSi.
Он предотвращает рост грубых зерен в ходе термических обработок с отдельного нагрева высокопрочных сплавов, таких как, 6061 и 6082.
Еще одна польза от марганца заключается в том, что его добавки повышают вязкие свойства сплава, так как он помогает предотвращать выпадение свободного кремния на границах зерен.

В самых прочных алюминиевых сплавах серии 6ххх, которые имеют повышенное содержание марганца (более 0,1 %), он снижает прессуемость, а также повышает чувствительность к закалке.

Хром

Хром действует во многом аналогично марганцу, но его влияние на чувствительность к закалке более существенно.

Медь

Добавки меди способствуют улучшению качества механической обработки (резки, фрезеровки и т.п.) прессованных профилей.
Небольшое содержание меди снижает отрицательное влияние временной задержки выполнения операции искусственного старения на уровень прочностных свойств сплавов повышенной прочности, например, 6061.
При содержании меди более 0,2 % снижается коррозионная стойкость сплавов серии 6ххх.

Цинк

Цинк не оказывает никакого отрицательного влияния на механические свойства сплавов серии 6ххх.
Однако при содержании более 0,03 % цинк может быть причиной дефекта, заключающегося в выборочном (дифференцированном) травлении поверхности профилей при их анодировании.

Термические превращения в сплавах 6060, 6063 и АД31

Сплавы серии 6ххх достигают максимальной прочности в ходе следующей последовательности термических обработок:

нагрев в ходе прессования до полного растворения всех частиц в алюминии или отдельный нагрев с той же целью;
охлаждение со скоростью, которая зависит от химического состава сплава;
упрочнение старением за счет выделения частиц избыточной фазы.

Максимальные механические свойства алюминиевых профилей достигают при жестком контроле температуры в процессе всего их производства. Именно от температуры зависят характеристики частиц Mg₂Si. На рисунке 2 представлена температурная история процесса производства прессованных алюминиевых профилей из сплавов 6ххх. Все структурные превращения происходят с участием магния и кремния.

Рисунок 2 – Схема изменения температуры в процессе производства алюминиевых профилей