» » Технология термической обработки листов термически упрочняемых алюминиевых сплавов
20.01.2015

В зависимости от требований заказчика листы из термически упрочняемых алюминиевых сплавов могут быть поставлены в отожженном или закаленном и состаренном состоянии. Некоторые сплавы поставляют также в нагартованном состоянии.
Листы из термически упрочняемых алюминиевых сплавов подвергают полному или сокращенному отжигу. Сплавы марок Д1, Д16, Д19, ВАД1 можно также нагревать для снятия технологического наклепа.
Полным отжигом называется отжиг, при котором обеспечивается достаточно полное протекание процессов распада твердого раствора и коагуляции выделяющихся фаз; в нагартованном металле при этом протекает также рекристаллизация. Обычно его проводят при температурах 350—430° С. При полном отжиге материал независимо от исходного состояния полностью разупрочняется, поскольку температура отжига выше температуры начала рекристаллизации. Отожженный материал способен выдержать холодную обработку давлением с высокими степенями деформации. Полный отжиг может быть использован и как промежуточный, и как окончательный вид термической обработки.
При отжиге плакированных полуфабрикатов протекает диффузия легирующих элементов, чаще всего это медь и магний, в плакирующий слой. При этом коррозионная стойкость листов значительно понижается, особенно если медь продиффундирует на всю глубину плакирующего слоя. Поэтому время выдержки при полном отжиге плакированных листов должно быть минимально возможным.
Технология термической обработки листов термически упрочняемых алюминиевых сплавов

Рис. 34 иллюстрирует кинетику диффузии легирующих элементов в плакировку на примере сплава Д1. Хотя приведенные данные получены при нагреве листов под закалку, они могут быть использованы и для оценки максимально допустимой продолжительности отжига, поскольку в процессе охлаждения после отжига глубина проникновения легирующих элементов из сердцевины листа в плакировку изменяется мало.
Некоторые сплавы (Д1, Д16, Д19, ВАД1, М40, В95 и др.) могут поставляться упрочненными нагартовкой после закалки или закалки и старения со степенями деформации 7—15%. В этом случае применять полный отжиг не рекомендуется, так как указанные степени деформации могут соответствовать критическим, и отжиг будет вызывать резкий рост зерна.
При охлаждении с температуры полного отжига на воздухе или в воде происходит подкалка материала. Поэтому скорости охлаждения после полного отжига регламентируют — сначала проводят медленное охлаждение вместе с печью (со скоростью не более 30° С/ч) до достаточно низких температур (150—260° С в зависимости от сплава), а затем уже охлаждение на воздухе.
Сокращенный отжиг осуществляется при температурах, обеспечивающих необходимую скорость протекания диффузионных и коагуляционных процессов при распаде твердого раствора, но в то же время не приводящих к подкалке и последующему старению при охлаждении на воздухе. Эти температуры составляют 290—320° С для сплава В92ц и 350—370° С для остальных сплавов. Этот тип отжига применяют для повышения пластичности полуфабрикатом, упрочненных закалкой и последующим старением, а также для снятия остаточных напряжении. Сокращенному отжигу обычно подвергают полуфабрикаты и детали, закалка и старение которых осуществляются на машиностроительных заводах. Отжиг проводят после предварительной механической обработки полуфабрикатов с целью уменьшения поводок и корабления после нон механической обработки.
Время выдержки при сокращенном отжиге составит 2—4 ч для всех полуфабрикатов, кроме плакированных Оно значительно выше, чем при полном отжиге. Тем не менее из-за высоких скоростей охлаждения общее время цикла сокращенного отжига значительно меньше, чем полного. При отжиге плакированных листов выдержка не должна превышать 20 мин из-за опасности снижения коррозионной стойкости.
В целях снятия технологического наклепа для сплавов ДI, Д16, Д19, ВАД1, АК4-1 рекомендуется нагрев при температурах 250—280° С в течение 1—4 ч с последующим охлаждением на воздухе или в воде. Пластичность после такого нагрева несколько ниже, чем после сокращенного отжига.
Для снятия технологического наклепа в полуфабрикатах из сплавов Д1, Д16, Д19, ВАД1 можно при менять также кратковременный нагрев (1—2 мин) в селитровой ванне с температурой 350—380° С с последующим охлаждением в воде. Этот вид термической обработки также позволяет получить достаточную пластичность, обеспечивающую возможность продолжения холодной деформации.
Листы из термически упрочняемых сплавов подвергают также закалке и старению. При закалке неотожженных листов, а также в деталях, изготовленных из них с применением пластической деформации, при нагреве наряду с процессами растворения протекают также процессы рекристаллизации. Величина рекристаллизованного зерна очень сильно зависит от степени пластическом деформации и скорости нагрева под закалку. Для получения мелкого зерна необходимо вести нагрев с максимально возможной скоростью и избегать критических степеней деформации при обработке перед закалкой.
Особое внимание обращается на выбор времени выдержки при закалке плакированных листов и деталей. Из-за диффузии меди в плакирующий слой возможно снижение коррозионной стойкости и ухудшение внешнего вида листов (см. рис. 34) Поэтому время выдержки плакированных изделии при температуре закалки должно быть минимальным.
Листы алюминиевых сплавов под закалку нагревают обычно либо в воздушных печах с циркуляцией воздуха, либо в селитровых ваннах. Из-за опасности пережога температуру воздуха в воздушных печах и селитры в селитровых ваннах поддерживают равной температуре нагрева под закалку. Из за этого возникает неопределенность в выборе момента начала отсчета времени выдержки, так как нагрев изделий в области температур, близких к закалочным, происходит очень медленно. Температуру начала отсчета времени выдержки выбирают несколько ниже закалочной.
Технология термической обработки листов термически упрочняемых алюминиевых сплавов

При загрузке изделий в печь следят за тем, чтобы они могли свободно со всех сторон обтекаться потоками горячего воздуха или селитры. Плотная укладка не допускается. Температуру садки контролируют со стороны входящего и выходящего воздуха. Кроме того, следят за температурой воздуха. Время выдержки фиксируют по показаниям термопар со стороны выхода воздушного потока из рабочего пространства печи, т.е. по минимальной температуре садки. Температуру листов и деталей, нагреваемых в селитровых ваннах, принимают равной температуре селитры. Так как алюминиевые сплавы при температуре около 500° С обладают невысокой прочностью и легко деформируются, при комплектовании садки следует принимать меры для предотвращения ее деформации под действием собственного веса.
Температура нагрева под закалку полуфабрикатов из алюминиевых сплавов приведена в табл. 7. а продолжительность выдержки - в табл. 8.
Технология термической обработки листов термически упрочняемых алюминиевых сплавов

В табл. 8 продолжительность выдержки при температуре нагрева под закалку в воздушных печах в некотором диапазоне значений. Если изделия в садке хорошо обдуваются воздухом со всех сторон, то выбирают значения, соответствующие нижнему уровню.
В связи с ограничением времени переноса полуфабрикатов при закалке в термосдаточных отделениях цехов металлургических заводов широко применяют закалочные агрегаты, в которых закалочный бак расположен непосредственно под печью. В таких агрегатах после нагрева и выдержки длинномерные изделия (листы, трубы, профили) сразу погружаются в закалочный бак с определенной скоростью. Таким образом, в рассматриваемом случае происходит последовательная закалка, когда различные части изделия охлаждаются в Разные моменты времени.
Естественно, что между частью изделия, находящейся в печи и нагретой до ее температуры, и его частью, погруженной в закалочный бак и имеющей низкую температуру, существует переходная зона. В этой зоне протекают процессы распада твердого раствора, которые также могут вызвать нежелательные изменения структуры. Этот дефект практически устраняется увеличением скорости погружения. Поэтому при закалке листов в условиях металлургических заводов скорость погружения должна быть не меньше определенного предела, обычно она составляет 0,3—0,4 м/с.
Скорость охлаждения при закалке обеспечивает фиксацию пересыщенного твердого раствора, но она не должна быть очень велика во избежание сильного коробления и высокого уровня остаточных термических напряжений.
Как уже отмечалось ранее, минимальная скорость охлаждения, при которой еще не распадается Пересыщенный твердый раствор, называется критической скоростью охлаждения при закалке В первом приближении критические скорости охлаждения могут быть определены из С-образных диаграмм.
В отличие от сталей диаграммы изотермического распада раствора в алюминиевых сплавах оценивают по изменению механических, а не физических свойств. С этой целью после выдержки при температуре, рекомендованной для нагрева под закалку, образцы быстро охлаждают до заданной температуры изотермической обработки, выдерживают разное время и охлаждают в воде. После этого образцы подвергают старению по режиму, приводящему к наибольшему упрочнению Если при изотермической выдержке прошел распад твердого раствора, то эффект старения будет меньше, чем после полной закалки. По результатам эксперимента строят кривые, которые отражают снижение прочностных свойств после старения на заданный уровень. Для при мера на рис. 35 приведены кривые снижения временного разрыву на 2% листов из сплавов Д16 и 1915. Чем правее расположена линия начала распада раствора ем меньше критическая скорость охлаждения. Так, в частности, для листов, данные для которых приведены на рис. 35, критическая скорость охлаждения составляет 55° С/с (из сплава Д16) и 6° С/с (из сплава 1915).
В зависимости от величины критической скорости охлаждения все алюминиевые сплавы можно разделить из следующей три группы:
1) с малыми критическими скоростями охлаждения — самозакаливающиеся сплавы, охлаждаемые при закалке на воздухе; к ним относятся сплавы систем Al—Zn—Mg, Al—Mg—Si, Al —Mg—Li;
2) с большими критическими скоростями охлаждения; это сплавы систем Al—Cu—Mg, Al—Mg—Si—Cu, Al —Zn—Mg—Cu;
3) малочувствительные к изменению скоростей охлаждения; это теплопрочные сплавы системы Al—Cu—Mn с добавлением и без добавления титана и сплава АК4-1 системы Al—Cu—Mg—Fe—Ni.
В качестве среды при закалке листов алюминиевых сплавов обычно используют проточную воду. Для достаточно резкого охлаждения листов ее температуру поддерживают в пределах 10—40° С Количество воды выбирают из такого расчета, чтобы после погружения садки и ее охлаждения температура воды не превышала 50° С.
При нагреве садки листов в селитровой ванне ее выдерживают 2—3 с над ванной для стока селитры, а затем быстро переносят в закалочный бак.
После полного охлаждения в закалочном баке лист промывают в промывочном баке с проточной водой при температуре 40—60° С для полного удаления селитры , поверхности. Время пребывания в промывочном бакe садки листов естественно стареющих сплавов не должно превышать 1—2 мин с тем, чтобы предотврати падение пластичности, связанное со старенном при этих температурах.
Технология термической обработки листов термически упрочняемых алюминиевых сплавов

После закалки алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой, подвергают старению. В процессе старения изменяются размеры полуфабрикатов и изделий из-за объемных изменений при выделении упрочняющих фаз. Поэтому необходимо предусмотреть возможность свободного перемещения изделий садки, а механическую обработку проводить после старения.
Режимы старения деталей и полуфабрикатов из алюминиевых сплавов указаны в табл. 7. Приведенные данные не охватывают всего многообразия применяемых режимов старения, так как они могут различаться для разных полуфабрикатов одного и того же сплава. Для жаропрочных сплавов температура старения должна быть выше температуры эксплуатации. Поэтому температура старения этих сплавов определяется условиями работы изделия. Так. в частности, для сплава ВАД23 установлено три режима старения: 1) 157—165° С, 10—16 ч 2) 195—205 С, 7—10 ч; 3) 140—150 C, 18—24 ч. Для сплавов В92ц, В93 применяют ступенчатое старение.
В последние годы резко возросли требования к характеристикам конструктивной прочности материалов вязкости разрушения и скорости распространения трещины. При искусственном старении на максимальную прочность высокопрочные сплавы, особенно системы алюминии — цинк — магний — медь, имеют пониженные значения пластичности, вязкости разрушения и стойкости к коррозии под напряжением. Перестаривание, называемое «смягчающим» старением, приводит к изменениям структуры, когда когерентность матрицы и метастабильных интерметаллических фаз частично или полностью устраняется. Это сопровождается некоторым снижением прочности и повышением вязкости разрушения и коррозионной стойкости. Поэтому для ряда сплавов введены режимы смягчающего старения.
В производственных условиях иногда возникает необходимость прервать режим старения. Тогда после возобновления старения сумма времен выдержек должна соответствовать приведенной в таблице.
По техническим причинам между закалкой и искусственным старением обычно проходит какой-то промежуток времени. Таким образом, искусственному старению предшествует естественное. Этот перерыв между закалкой и искусственным старением приводит для ряда алюминиевых сплавов к снижению временного сопротивления разрыву полуфабрикатов в искусственно состаренном состоянии на 15—20 МПа, а для некоторых сплавов наблюдается еще большее снижение. Поэтому величина такого перерыва регламентирована.