Закалка алюминиевых профилей на прессе

 

Закалкой алюминиевого сплава называют нагрев сплава до подходящей температуры в течение достаточного времени для полного перехода одного или нескольких растворимых компонентов сплава в твердый раствор и затем охлаждение материала достаточно быстро для удержания этих компонентов в твердом растворе.

Закалка с отдельного печного нагрева

Классическая закалка алюминиевых сплавов происходит путем отдельно нагрева изделия в печи и затем быстрого его охлаждения в баке с водой, а также другими способами охлаждения.  Закалка входит в качестве необходимой операции при обработке алюминиевых сплавов  на состояния Т3, Т4, Т6, Т7, Т8 и Т9 в зависимости от последующего режима старения.

Неполная закалка алюминиевых сплавов

Вместе с тем, на практике уже давно для профилей из некоторых алюминиевых сплавов закалку производят не с отдельного нагрева, а с нагрева горячей обработки изделия, чаще всего с температуры прессования непосредственно на выходе из пресса.

Необходимо отметить, что обычно в стандартах этот вопрос излагается очень туманно и неоднозначно. Закалку с температуры горячей деформации называют неполной закалкой и обозначают Т5. Под полной закалкой понимают только закалку с отдельного нагрева с обозначением Т6. О какой-либо возможности достигать состояния полной закалки без отдельного печного нагрева нигде не упоминается.

Без должного контроля нагрева и охлаждения профилей на прессе их закалка действительно может быть неполной. Причинами неполной закалки могут быть:

• недостаточно полное растворение упрочняющих компонентов сплава при нагреве заготовки и/или последующем деформационном разогреве металла в ходе прессования;
• недостаточно быстрое охлаждение профилей после выхода из матрицы и поэтому преждевременное выпадение упрочняющих компонентов их твердого раствора (cм. Fig. 1).

Алюминиевые сплавы для полной закалки на прессе

Из всех стандартов только американский стандарт ASTM B 807 регламентирует процедуру закалки алюминиевых сплавов непосредственно на прессе. При этом он ограничивает возможность получения закалки на прессе довольно узким кругом  сплавов из серий 6ххх и 7ххх. Оно и понятно, так как такая термическая обработка возможна только для тех сплавов, чей химический состав позволяет практически это сделать.

К алюминиевым сплавам, которые можно «официально» закаливать на прессе, стандарт относит следующие:

• 6005, 6005А, 6105;
• 6061, 6262, 6351;
• 6060, 6063, 6101, 6463;
• 7004, 7005;
• 7029, 7046, 7116, 7129, 7146.

Для этих сплавов закалка на прессе является более дешевым альтернативным процессом вместо дорогостоящей закалки с отдельного печного нагрева. Таким образом можно достигать состояния алюминиевых сплавов  Т3, Т4, Т6, Т7, Т8 и Т9.

Некоторые из указанных «американских» сплавов являются чисто американскими и не имеют аналогов, например, в европейском стандарте EN 573-3. Это относится, например, к сплавам 7004, 7046, 7146.

С другой стороны, это список не содержит «европейского» сплава 6082, который в Европе также закаливают на прессе. Судя по содержанию магния и кремния, а также марганца, условия закалки для сплава 6082 близки к условиям закалки сплава 6351.

Что говорит ASTM B 807

Стандарт ASTM B 807 требует при применении закалки алюминиевых профилей на прессе необходимо жестко контролировать три следующих технологических параметра:

1) температура заготовки при загрузке ее в пресс:

• различная для различных групп сплавов, от 510 до 555 ºС ;

2) максимальный интервал времени между выходом профиля из матрицы и входом его в зону закалки:

• от 45 до 90 секунд в зависимости от толщины профиля;

3) минимальная скорость охлаждения профиля в зоне закалки до достижения им температуры 200 ºС:

• от 70 ºС/мин для сплава 6060;
• до 500 ºС/мин для сплава 6061 .

Температура заготовки при загрузке ее в пресс

Температура заготовки в начале прессования должна не ниже и не выше, чем указано в таблице 1 для соответствующего сплава.  При этом необходимо иметь в виду, что температура поверхности заготовки или столба может значительно отличаться от температуры их центральной части. Необходимо иметь данные о соответствии этой видимой температуры и итоговой металлургической структурой, а также прочностными свойствами. После выхода из печи нагрева заготовка должна быть загружена  в пресс как можно быстрее, во избежание ее подстуживания до температуры ниже минимальной величины, указанной для данного сплава в таблице 1.

 Таблица 1 – Температура заготовки для прессования [1]

 Пауза между выходом металла из матрицы и закалкой

Максимальное интервал времени между выходом прессуемого профиля из матрицы и входом его в закалочную зону не должен превышать величины, указанные в таблице 2. Максимально допустимое время между выходом металла из матрицы и входом его в закалочную зону обычно определяют по самой тонкой части профиля.

Выполнение этого условия зависит от скорости прессования, а также длительности технологического простоя пресса при перезагрузке заготовки. Как видно из таблицы 2, минимальная пауза между выходом металла из матрицы и началом его закалки составляет 45 секунд. Этого времени  вполне достаточно для перезагрузки заготовки в прессе и прохождения 1-1,5 метров от матрицы до входа в охлаждающее устройство на прессе.

Таблица 2 – Допустимая пауза между выходом металла из матрицы и
началом его закалки [1]

Минимально допустимая скорость закалки

При закалке профиль должен достичь температуры ниже 200 ºС за заданное короткое время, величина которого зависит от сплава. Выполнение этого требования зависит от скорости охлаждения профиля в закалочной зоне пресса.  Минимальная скорость охлаждения для различных групп сплавов должна соответствовать указанным таблице 3. При этом должен быть исключен повторный отогрев металла.

Таблица 3 – Минимальная скорость охлаждения металла в закалочной зоне [1]

Корректировка технологических параметров

Указанные выше требования к температурным и временным параметрам могут быть сужены в указанных пределах с учетом специфики производственного оборудования, а также условий прессования, например, отношения прессования (вытяжки) и формы поперечного сечения профиля. Эти изменения должны иметь статистическое подтверждение по прочностным и другим свойствам профилей.

Организация контроля технологии закалки на прессе

Профили могут считаться закаленными на прессе, если при этом обеспечивается должный контроль необходимых технологических параметров, а также их регистрация и хранение.

Контроль температуры заготовки перед прессованием

Контроль технологии должен обеспечивать исключение перегрева металла или его вредного загрязнения печной атмосферой. Например, индукционный нагрев требует замеров градиентов температуры вдоль заготовки. При применении прямого газового нагрева необходимо правильно расположить термопары из-за возможной неоднородности температуры поверхности.

Контроль температуры перед пресованием должны включать, как минимум:

• температуру заготовки в печи нагрева и
• температуру заготовки на выходе из печи непосредственно перед загрузкой в пресс.

Контроль температуры металла после выхода из пресса

После выхода из пресса контрольными точками замера температуры профиля являются, как минимум:

• температура металла на входе в закалочное устройство;
• температура металла на выходе из закалочного устройства.

Контроль временных параметров

Контролируют и регистрируют следующие временные параметры:

• время от выхода заготовки из печи нагрева и началом прессования;
• время между выходом металла из пресса и его входом в закалочное устройство;
• время нахождения профиля в закалочном устройстве.

Контроль скорости охлаждения

Применяют следующие методы охлаждения:

• прохождение профиля через воду или смесь воды и гликоля в стоячей волне;
• погружение профиля закалочный бак;
• подачу на профиль воды из спрейеров;
• подачу на профиль водовоздушной смеси;
• подачу на профиль сжатого воздуха;
• комбинация указанных выше методов;
• другие методы.

Закалка сплавов 6060 и 6061

Для понимания сущности закалки на прессе полезно сравнить ее условия для сплавов 6060 и 6061. На рисунке схематически показаны различия необходимых скоростей охлаждения этих сплавов для обеспечения закалки, то есть создания твердого раствора магния и кремния за счет предотвращения выпадения частиц Mg₂Si.

Рекомендуемые методы охлаждения и минимальные скорости охлаждения указаны в таблице 4. Как видно, для профилей из сплава 6060 с тонкими стенками, например, большинства строительных системных профилей, достаточно охлаждения вентиляторами на выходном столе пресса. Для профилей из сплава 6061 толщиной до 10 мм достаточно охлаждения водовоздушной смесью, а для профилей с большей толщиной необходимо уже водяное спрейерное охлаждение.

 Fig. 1 – Схема различных режимов охлаждения и области выделения грубых частиц Mg₂Si для сплавов 6060 и 6061

Таблица 4 – Рекомендуемые скорости закалки и способы охлаждения для закалки на прессе сплавов 6060 и 6061

Источник:

1. ASTM B807/B807M-20  Standard Practice for Extrusion Press Solution Heat Treatment for Aluminum Alloys