Технологическое окно прессования сплава 6060

Сплавы 6060 и 6063

Алюминиевый сплав 6060 является наиболее популярным среди прессовщиков алюминиевых профилей, прутков и труб. Ближайший “родственник” сплава 6060 – алюминиевый сплав 6063.

Fig. 1 –  Graph of %Mg and %Si contents for various 6000 series extrusion alloys [1]

Алюминиевый сплав 6060 – это “разбавленный” сплав 6063: в нем меньше магния и кремния. Поэтому технологическое окно прессования – оптимальные паараметры прессования – этих сплавов рассмотрим на примере сплава 6060. Для сплава 6063 отличия будут минимальными.

Нагрев заготовки для прессования

Цель нагрева заготовки  – снизить напряжение течения сплава для прессования с максимальной скоростью и получения хорошей поверхности и заданных механических свойств алюминиевых профилей.

Температура нагрева должна быть достаточной для растворения частиц β’-Mg₂Siв  ходе прессования. Это обеспечивает достижение оптимальных механических свойств алюминиевых профилей при их последующей закалке на прессе и искусственном старении.

Типичная температура нагрева для малолегированных сплавов этой серии, таких как сплав 6060, составляет от 430 до 470 °С в зависимости от того, насколько сложным для прессования является сечение профиля, типа сплава, уровня заданных механических свойств и качества поверхности готовых алюминиевых профилей.

Применяют два основных типа нагрева заготовок – в газовых туннельных печах и индукционных печах.

Индукционный нагрев заготовок

В последнем случае нагрев происходит очень быстро: заготовка достигает заданной температуры за считанные минуты. Такой быстрый нагрев дает мало времени для изменения гомогенизированной микроструктуры слитка. Это  может отрицательно влиять на прессуемость сплава, но является полезным для механических свойств профилей.

Гомогенизированная микроструктура содержит в основном относительно малые частицы β’-Mg₂Si, а также магний и кремний в твердом растворе. Магний и кремний в растворе, остающиеся в растворе, будет увеличивать напряжение горячего течения заготовки и поэтому снижать скорость прессования.

Вместе с тем, быстрый подъем температуры через интервал от 200 до 450 °С является полезным, так как исключает образование грубых частиц  β-Mg₂Si. Эти грубые частицы β-Mg₂Si не успевают раствориться при прессовании и нужно избегать их образования для того, чтобы получить оптимальные механические свойства.

Газовый нагрев заготовок

При газовом нагреве ситуация почти обратная. Медленный подъем температуры позволяет гомогенизированной микроструктуре измениться настолько, что магний и кремний могут выпасть из раствора в виде частиц β’-Mg₂Si. Это снижает напряжение горячего течения заготовки и допускает более высокие скорости прессования.

Отрицательный фактор газового нагрева заключается в возможном снижении конечных механических свойств. Медленный или долгий нагрев до температуры 400 °С способствует огрублению частиц  β’-Mg₂Si. При температуре  около 400 °С начинают образовываться частицы  β-Mg₂Si. Грубые частицы  β’-Mg₂Si требуют для растворения более высокой температуры на выходе из пресса, а частицы β-Mg₂Si вообще не успевают раствориться за время прессования. Пониженное содержание растворенных частиц Mg₂Si в растворе приведет к тому, что после искусственного старения уровень прочностных свойств будет ниже оптимального.

Нагрев заготовки при остановке пресса

По тем же причинам при слишком долгом пребывании заготовки при повышенной температуре (например, в связи с остановкой пресса) происходит разрушение оптимизированной гомогенизацией микроструктуры заготовки и это приводит к пониженной прессуемости заготовки и низким механическим свойствам профилей после последующего искусственного старения.

Прессование алюминиевых профилей

Алюминиевые профили (и трубы) из сплавов серии 6ххх прессуют почти исключительно методом прямого прессования. При этом методе заготовка, находящаяся в контейнере, под воздействием гидравлического усилия выдавливается (экструдируется) через одно или несколько отверстий в неподвижной матрице.

Заготовку нагревают до температуры от 450 до 500 °С в зависимости от сплава, формы поперечного сечения профиля и отношения прессования (вытяжки). Нагретую заготовку загружают в контейнер, подогретый до 420 – 470 °С. Гидравлический пресс задвигает пресс-штемпель в контейнер и выдавливает заготовку под давлением около 700 МПа через одно или несколько отверстий матрицы. Горячий метал заготовки продавливается через матрицу и образует длинный (метров до 50) алюминиевый профиль с поперечным сечением, который идентичен выходному отверстию матрицы. Иногда все то, что выходит из матрицы, называют по-научному “экструдатом”, а чаще – “плетью” и несколькими “плетями”.

Технологическое окно прессования

Технологическое окно прессования алюминиевых профилей определяют три основных фактора-ограничения (рисунок ниже).Рисунок – Технологическое окно прессования алюминиевого сплава 6060

Максимальное усилие пресса

Максимальное усилие пресса задает при заданной температуре заготовки максимально возможную скорость прессования (красная линия). Эта линия сдвигается влево при применении более мягких (менее легированных) сплавов. Более твердые сплавы, более высокое отношение прессования или более сложное сечение алюминиевого профиля сдвигают эту предельную линию вправо. Более высокой температурой заготовки может достичь более высокой скорости прессования, если это позволят другие факторы.

Качество поверхности алюминиевых профилей

Синяя линия задает границу между « плохим» и приемлемым качеством  поверхности прессованного алюминиевого профиля в координатах «температура заготовки» и «скорость прессования». Эта граница смещается вправо при применении «мягких» сплавов, которые позволяют более высокие скорости прессования и температуры нагрева заготовки до появления на профилях неприемлемых поверхностных дефектов.

Сложные алюминиевые профили, высокое отношение прессования и «твердые» сплавы  смещают эту границу влево. Кроме того, смещение влево уменьшает вероятность появления на профилях таких поверхностных дефектов как задиры и  налипы. Чтобы избежать этих дефектов прессованных алюминиевых профилей снижают скорость прессования и температуру нагрева заготовки. Грубые частицы β-Mg₂Si, образовавшиеся при медленном охлаждении после гомогенизации или при слишком медленном нагреве заготовки, также смещают эту синию линию влево.

Механические свойства алюминиевых профилей

Требования по механическим свойствам готовых алюминиевых профилей также накладывают некоторые ограничения на параметры прессования. Зеленая линия представляет границу между “адекватными” и “неадекватными” механическими свойствами. Эта линия сдвигается вправо при прессовании заготовки с грубыми частицами β-Mg₂Si, прессовании «толстых» профилей и тогда, когда требуются повышенные механические свойства. В этих случаях для выполнения требований по механическим свойствам необходимо увеличивать скорость прессования и повышать температуру заготовки. Можно сказать, что это дает поступление в заготовку дополнительной энергии, которая необходима для растворения частиц грубых частиц β-Mg₂Si.

Для заготовок, в микроструктуре которых преобладают частицы β”-Mg₂Siи β’-Mg₂Si, для тонкостенных алюминиевых профилей и профилей без требований по механическим свойствам зеленая линия смещается влево. Тем самым снижаются ограничения на скорость прессования и температуры заготовки, а требуемые механические свойства алюминиевых профилей легко достигаются.

Источники:

1. Basic metallurgy: 6000 series extrusion alloys – Comalco