Отжиг алюминия: полный, частичный, стабилизационный
Алюминиевый горячекатаный лист может требовать дальнейшего уменьшения толщины. В этом случае, его прокатку могут выполнять при комнатной температуре в прокатном стане с одиночной прокатной клетью или многовалковой прокатной клетью (тандемный прокатный стан). Общие принципы холодной и горячей прокаток во многом схожи.
Отжиг алюминия: полный и частичный
До, после или между операциями холодной прокатки алюминиевый лист по различным причинам может потребовать полного или частичного отжига – нагрева и медленного охлаждения – для его умягчения и снятия состояния, которое материал уже получил.
Если отжиг производят до или между операциями холодной прокатки, то отжиг подготавливает металл для дальнейшей холодной прокатки.
Частичный отжиг могут применять после завершения холодной прокатки листа для стабилизации механических свойств материала.
Полный или частичный отжиг может применяться для подготовки листа для последующей механической формовки при изготовлении из него алюминиевых изделий.
Кроме того, отожженное состояние алюминиевого листа может быть по требованию заказчика состоянием его поставки.
Промежуточный отжиг алюминиевых листов
Алюминиевые сплавы могут быть упрочнены путем операций горячей или холодной прокатки до такой степени, которая не нужна конечному изделию, или которая будет препятствовать дальнейшей прокатке и достижению заданного состояния материала.
Термически упрочняемые сплавы могут получить в ходе горячей прокатки существенный нагрев и охлаждение, в результате которых они могут подвергнуться частичной закалке и упрочнению за счет выделения вторичных фаз.
Холодная прокатка, с другой стороны, удлиняет зерна и вызывает остаточные напряжения и деформации. Эти изменения создают сопротивление дальнейшей деформации: говорят, что холоднокатаный лист «наклепался» или «получил полную нагартовку».
Перед дальнейшей прокаткой нежелательное термическое упрочнение или наклеп удаляют путем промежуточного отжига. Промежуточный отжиг может проводиться на любом этапе процесса прокатки.
Рисунок 1 – Промежуточный отжиг в процессе изготовления алюминиевого плоского проката [2]
Полный отжиг алюминиевых сплавов
При полном отжиге сплав нагревают достаточно «горячо» и достаточно долго, чтобы полностью умягчить изделие – достичь полной рекристаллизации.
«Температура рекристаллизации» не является точным термином. Рекристаллизация не происходит мгновенно при точно заданной температуре. Вместо этого, она начинается постепенно, когда температура достигает некоторого эффективного интервала и продолжается до полного завершения в течение длительного времени. Эффективная температура рекристаллизации зависит от сплава и от деформации и обработки, которым он до этого подвергался, а также от длительности выдержки при температуре отжига.
Полный отжиг превращает как термически упрочняемые, так и термически неупрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы в их самое мягкое, самое пластичное состояние. В таком состоянии сплав имеет максимальные возможности для пластической деформации. Это состояние алюминиевых сплавов обозначается буквой «О» в международной классификации.
Для полного отжига термически упрочняемых алюминиевых сплавов металл обычно выдерживают в течение около 2 часов при температуре в интервале 335-370 °С для снятия наклепа или 400-425 °С для снятия термического упрочнения. Затем металл медленно охлаждают со скоростью, которая зависит от типа сплава.
Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы отжигают путем нагрева в течение от получаса до двух часов (чаще всего – в течение часа) при температуре в интервале 335-405 °С. Затем их охлаждают с контролируемой скоростью.
Полный отжиг обеспечивает также условия для снятия остаточных напряжений и может проводится специально с этой целью.
Состояние алюминиевых сплавов Н1 и Н3 получают путем приложения к полностью отожженному металлу определенного количества деформационного упрочнения. Эти состояния так иногда и называют – «прокатанные на заданное состояние».
Таблица 1 – Типичные режимы полного отжига для некоторых популярных деформируемых алюминевых сплавов [1]
Обозначения в таблице 1:
(a) Время в печи не должно быть дольше, чем это необходимо для достижения всеми частями садки температуры отжига. Скорость охлаждения не имеет значения.
(b) Эти режимы отжига предназначены для снятия эффектов нагрева на твердый раствор и включает охлаждение от температуры отжига до 260 ºС со скоростью около 30 ºС в час. Скорость последующего охлаждения не имеет значения.
Отжиг при 345 ºС с последующим неконтролируемым охлаждением может применяться для снятия эффектов холодной деформационной обработки или частичного снятия эффектов термической обработки.
(c) Эти режимы отжига предназначены для снятия эффектов нагрева на твердый раствор и включает охлаждение с неконтролируемой скоростью до 205 ºС или ниже с последующим повторным нагревом до 230 ºС в течение 4 часов.
Отжиг при 345 ºС с последующим неконтролируемым охлаждением может применяться для снятия эффектов холодной деформационной обработки или для того, чтобы частично снять эффекты термической
(d)Скорость охлаждения до 205 ºС или ниже не более 30 ºС в час.
Частичный отжиг алюминиевых сплавов
Как следует из названия этого вида отжига, частичный отжиг является частью полного отжига. Этот вид отжига применяется только к термически неупрочняемым деформируемым алюминиевым сплавам. Его задача – подвергнуть деформационно упрочненный – наклепанный – нагартованный металл такому нагреву и при такой выдержке, чтобы получить заданные механические свойства между полностью мягким и полностью наклепанным состояниями.
Эти промежуточные состояния обозначают «H2X» и называют «нагартованный и частично отожженные».
Качество частично отожженного изделия требует тщательного технологического контроля.
На рисунке 2 показано изменение предела текучести в зависимости от температуры и длительности отжига для двух термически неупрочняемых сплавов (1100 и 5052). Эти сплавы были первоначально подвергнуты холодной деформационной обработке до состояния H18. Из этих графиков видно, что путем выбора подходящей комбинации температуры и длительности отжига можно получать механические свойства, которые находятся между величинами для нагартованного состояния и состояния после полного отжига. Также видно, что предел текучести больше зависит от температуры отжига, чем от его длительности.
Рисунок 2 – Графики изотермического отжига сплавов 1100-Н18 и 5052-Н18 [1]
Стабилизационный отжиг алюминиевых сплавов
Некоторые термически неупрочняемые алюминиево-магниевые сплавы, такие как 5052, 5456, 5083 и 5086, а также сплав 3004 достигают высокой прочности из-за внутренних напряжений, которые они получают в результате прокатки. Однако из-за тенденции магния выделяться из твердого раствора, исходное состояние этих сплавов является неустойчивым и они могут страдать так называемым «размягчающим старением» – постепенной потерей со временем некоторой прочности, причем при комнатной температуре. Такие сплавы, если их не стабилизировать, могут также быть подвержены непредсказуемым размерным изменениям.
Для предотвращения таких явлений в этих сплавах из подвергают стабилизационному отжигу. Этот отжиг заключается в нагреве сплавов до относительно невысокой температуры – обычно около 180 С. После стабилизации порочность, твердость и размеры при комнатной температуре не изменяются.
Методы отжига алюминиевых листов
Отжиг проводят в конвективных печах отжига. Чтобы избежать окисления остатков смазки или образования оксида магния на магний-содержащих сплавах, отжиг может проводиться в сухой, инертной атмосфере, такой как газообразный азот.
Методы отжига можно подразделить на два общих подхода – садочный отжиг и непрерывный отжиг.
Садочный отжиг
Садочный отжиг означает загрузку в печь садки, обычно партии бухт, и выдерживание и их там до окончания процесса. При садочном отжиге тепло, которое поступает от атмосферы печи к наружным слоям бухты, должно распространяться к внутренним слоям бухты. Поэтому для достижения отжига всеми слоями бухты требуется значительное время.
Непрерывный отжиг
При непрерывном отжиге несмотанный лист проходит через печь так, что вся поверхность листа подвергается нагреву печной атмосферой. Этот нагрев происходит быстро, что дает также возможность образования более дисперсной зеренной структуры сплава.
