Закалка на прессе профилей из сплава 6063

Прочность, контроль размеров и производительность являются тремя главными факторами, которые принимают во внимание при решении производить конкурентный алюминиевый профиль.

Алюминиевые сплавы группируются в две категории – термически неупрочняемые и термически упрочняемые. К термически неупрочняемым сплавам относят сплавы серии 1ххх, 3ххх и 5ххх, которые достигают своей полной прочности при последующей деформации при комнатной температуре. Термически упрочняемые сплавы – сплавы серий 2ххх, 4ххх, 6ххх и 7ххх – получают свою полную прочность за счет:

• закалки профилей от температуры на выходе из матрицы (состояние Т5);
• закалки профилей от температуры отдельного печного нагрева в специальных баках с водой (состояние Т6).

Алюминиевый сплав 6063

Сплавы серии 6ххх имеют в качестве основного упрочняющего компонента частицы силицида магния Mg₂Si. Растворимость частиц Mg₂Si в твердом растворе алюминия с ростом температуры возрастает – при комнатной температуре она составляет 0,2 %, а в близи температуры плавления – 1,9 %. Содержание магния и кремния, которое обычно выражается в виде содержания Mg₂Si, составляет 0,5-1,4 % для популярного сплава 6063.

Полная прочность сплава 6063 достигается, когда частицы Mg₂Si имеют размер не более, чем 0,25 мкм. Эти частицы полностью теряют свой упрочняющий эффект, когда принимают размеры более 2,5 мкм. Поэтому, когда мы видим в структуре алюминиевого профиля частицы Mg₂Si размером, скажем, 30 мкм, то его высокой прочности не может быть и речи.

Три стадии термического упрочнения на прессе

При обычном термическом упрочнении на прессе алюминиевый сплав 6063 получает свою полную прочность – состояние Т6 – в ходе трехступенчатого процесса термического упрочнения (рисунок 1):
1-я стадия: растворение частиц Mg₂Si в заготовке до выхода из матрицы;
2-я стадия: закалка на прессе – фиксирование растворенного магния и кремния в твердом растворе;
3-я стадия: искусственное старение – равномерное выделение мельчайших частиц Мg₂Si в объеме профиля.

Рисунок 1 – Три стадии термического упрочнения алюминиевых профилей на прессе [1]

Cтадия 1 – растворение частиц Mg₂Si в алюминии

Первая стадия термического упрочнения требует таких температурно-временных условий прессования, которые обеспечивают полное растворение всех частиц Mg₂Si в твердом растворе алюминия на момент выхода профиля из матрицы.

Это может достигаться на прессе двумя путями:
1) Нагрев заготовки до температуры не менее 500 ºС и выход профиля из матрицы при температуре не менее 500 ºС.
2) Нагрев заготовки до температуры 430-455 ºС и прессование с большой скоростью, чтобы получить температуру профиля на выходе из матрицы не менее 500 ºС (рисунок 2).

Рисунок 2 – Условия прессования сплава 6063 для оптимального сочетания производительности, прочности и качества поверхности [1]

Второй вариант дает более высокую производительность без повреждения поверхности прессуемого профиля. Чтобы в полной мере применять этот вариант нужно иметь:

• достаточное усилие на пресс-штемпеле;
• достаточно высокую скорость прессования;
• достаточно высокое отношение прессования (вытяжку);
• должным образом гомогенизированную заготовку;
• возможность нагрева заготовки до температуры 425-455 °С за менее чем 20 минут.

Длительный нагрев заготовки, особенно в интервале температур 260-425 °С, приводит к потере прочности будущего профиля из-за укрупнения частиц Mg₂Si, если заготовку затем перед прессованием не нагревают по крайней мере до 500 °С.

Стадия 2 – закалка на прессе

На второй стадии требуется охладить горячий прессованный, выходящий из матрицы, достаточно быстро до температуры, близкой к комнатной. Это необходимо чтобы задержать весь растворенный силицид магния (Mg₂Si) в твердом растворе охлаждаемого профиля. Необходимая скорость охлаждения пропорциональна количеству  Mg₂Si, который содержится в сплаве серии 6ххх.

Для сплава 6063, который с содержит 0,8 % Mg₂Si, скорость охлаждения в интервале температур от 450 до 200 °С должна быть не менее 55 °С (100F) в минуту. Для сплава 6061 с содержанием 1,4 % Mg₂Si скорость охлаждения в том же интервале температур должна быть не менее 650 °С (1200F) в минуту.

Это значит, что профиль из сплава 6063 может охлаждаться до температуры 200 °С в течение 4-5 минут, а у профиля из сплава 6061 это должно происходить за 25-30  секунд.

Важность скорости охлаждения после прессования объясняется следующим образом. На выходе из матрицы весь силицид магния растворен в алюминии. В критическом интервале температур от 450 до 200 °С в этом алюминии возникает сильная склонность к бесконтрольному выделению в себе частиц Mg₂Si. Если такое выделение происходит, то оно полностью исключает возможность полной закалки на прессе. Эту склонность к выделению обычно называют как «чувствительность к закалке» и она в основном зависит от содержания Mg₂Si.

Рисунок 3 схематически показывает весь процесс термического упрочнения с закалкой на прессе алюминиевого сплава 6063 и,  в том числе – сущность чувствительности закалке.

Рисунок 3 – Схема термического упрочнения с закалкой на прессе сплава 6063 [1]

Область слева от фронта выделения Mg₂Si показывает, что все частицы Mg₂Si растворены в алюминии. Область справа от этого  служит для указания относительных размеров и интенсивности выделившихся частиц Mg₂Si.

Прессованный профиль, который получает полную закалку на прессе – проходит охлаждение, например, по пунктирной линии, получает состояние Т1 или Т4 по международной классификации. В этом состоянии профиль очень пластичен и может подвергаться, например, гибке на малые радиусы.

Стадия 3 – искусственное старение

Искусственное старение алюминиевых сплавов:

•  Дополнительная выдержка профилей в состояниях Т1 и Т4 при повышенной температуре в течение нескольких часов. Это называется “искусственное старение”. Для искусственного старения сплава 6063 обычно применяют выдержку при температуре 175-180 °С в течение 5-6 часов.
• Искусственно состаренные профили получают состояние Т5 или Т6 и их прочность на 50 % выше чем в состояниях Т1 или Т4.
• Профили в остояниях Т1 и Т4 называют “естественно состаренными”. Они набирвают свою заданную прочность через 2-3 недели.

В печи искусственного старения задают строгий контроль температуры: ±3 °С. Это необходимо, чтобы обеспечить однородную прочность по всей садке профилей в печи.

Скорость охлаждения после искусственного старения для прочности алюминиевых профилей особого значения не имеет.

Источник:

1. Carl V. Lynch, Aluminum Extrusion Technology Seminar, Chicago, 1969