Технология отжига листов термически не упрочняемых алюминиевых сплавов

И отжига слитков для снятия напряжений

Отжиг слитков проводят для устранения или уменьшения денд­ритной ликвации компонентов, снятия остаточных напряжений, возникающих в процессе литья и формирования структуры, обеспечивающей наилучшие технологические свойства. В соот­ветствии с этим различают следующие виды отжига слитков: а) гомогенизационный; б) для уменьшения остаточных напря­жений; в) гетерогенизирующий. Эта классификация условна, (так как при отжиге может происходить несколько процессов.

Основные параметры режима гомогенизационного отжига — температура и время выдержки. Скорости нагрева имеют не­существенное значение. Влияние скорости охлаждения более значительно и будет рассмотрено ниже.

Температуру гомогени­зационного отжига выбирают разной в зависимости от состава сплава, но близкой к температуре равновесного или неравновес­ного солидуса.

Выдержка при температуре гомогенизации приводит к рас­творению избыточных фаз и выравниванию химического со­става по объему ячеек. Скорость гомогенизации существенно зависит от дисперсности неравновесных фаз. Чем мельче денд­ритные ячейки и тоньше частички неравновесных фаз, тем с большей скоростью и полнотой протекают процессы раство­рения.

Изменение структуры слитка после гомогенизации оказы­вает наследственное влияние на свойства деформированных полуфабрикатов. Пластичность, ударная вязкость, выносли­вость существенно повышаются. Уровень прочностных характе ристик зависит от степени распада твердого раствора с выделе­нием соединений алюминия с марганцем, хромом, цирконием и с другими тугоплавкими элементами с малой растворимостью. Если степень распада достаточно велика, то прочностные ха­рактеристики полуфабрикатов, полученных с использованием высоких степеней деформации, несколько снижаются. На уро­вень прочностных характеристик массивных прессованных полу­фабрикатов гомогенизация влияет меньше.

Слитки режут обычно после гомогенизации, при которой высокие термические напряжения, свойственные литому слитку, снимаются. Иногда гомогенизацию не проводят, а напряжения перед резкой необходимо снять. Тогда применяют отжиг слит­ков при температурах 275—350 °С в течение 1—3 ч. Такая об­работка достаточна для устранения остаточных напряжений, и опасность растрескивания слитков при резке снимается. Этот температурный интервал для большинства алюминиевых спла­вов соответствует минимальной устойчивости твердого раствора. Поэтому при отжиге происходит распад пересыщенных растворов в слитке, и сплавы разупрочняются. 

Общая схема производства плит и листов из алюминиевых                сплавов.

Состояние полуфабрикатов из алюминиевых деформируемых сплавов обозначают цифро-буквенной маркировкой: М —мяг­кий, отожженный;            Т —закаленный и естественно состаренный; Т1—закаленный и искусственно состаренный; Н — нагартован­ный; 1/4Н — нагартованный на четверть; П (или 1/2П)—полу-нагартованный (в отличие от этого обозначения буква П, вхо­дящая в марку сплава, означает, что сплав проволочный); HI — усиленно нагартованный (нагартовка листов примерно 20%); ТН-—закаленный, естественно состаренный и нагартованный; Т1Н — закаленный, нагартованный и искусственно состаренный; Т1Н1—закаленный, нагартованный на 15—20% и искусст­венно состаренный.

 

Технология отжига листов термически не упрочняемых алюминиевых сплавов

Единственный вид термической обработки алюминиевых сплавов, не упрочняемых термической обработкой,— отжиг, а спо­соб упрочнения - нагартовка при холодной деформации.

Применительно к рассматриваемой группе сплавов исполь­зуют высокий и низкий отжиги.

Высокий отжиг. Высокий отжиг проводят при повышенных температурах и времени выдержки, достаточном для полного разупрочнения сплавов, вызываемого рекристаллизацией. Эту операцию применяют как промежуточную термообработку для снятия нагартовки после прокатки или как окончательную тер­мообработку для получения полуфабрикатов с высоким уров­нем пластических свойств. При назначении режимов высокого отжига необходимо учитывать возможный рост зерен (собирательная рекристаллизация), неблагоприятно.влияющий на механические свойства сплавов.

Низкий отжиг. При низком отжиге, который проводится при сравнительно низких температурах, в металле происходит полигонизация, а рекристаллизация не успевает пройти полностью. Как известно, процесс рекристаллизации протекает во времени, и поэтому при заданной температуре отжига, варьируя время выдержки, можно регулировать степень снятия нагартовки от предыдущей деформации. При низком отжиге наблюдается ча­стичное разупрочнение и некоторое повышение пластичности. Его применяют только как окончательную термообработку для обеспечения требований потребителя по механическим и физи­ко-химическим свойствам полуфабрикатов. Режимы высокого и низкого отжига для сплавов, не упрочняемых термической об­работкой, приведены в таблице 1.

 

 

Таблица 1. Режимы высокого (числитель) и низкого (знаменатель) отжига листов из неупрочняемых термической обработкой сплавов

 

Сплав	tнр, 0С	tотж, 0С	tвыд, мин, при толщине, мм
			< 6	> 6
АД00, АД0, АД1, АД	150-200	300-500 150-300	2-10 60-180	10-30 60-180
АМц	~300	300-500 200-300	2-10 60-180	10-30 60-180
АМr1, АМr2	~300	350-420 150-180	2-10 60-180	10-30 60-180
АМr3	~280	350-420 250-300	2-10 60-180	10-30 60-180
АМr4, АМr5, АМr6, АМr6-1-1	~280 270-300	300-350 310-335	30-120 30-120	30-180 30-180

              

                  Технология термической обработки листов               

                       термически упрочняемых сплавов

В зависимости от требований заказчика листы из термически упрочняемых алюминиевых сплавов могут быть поставлены в отожженном или закаленном и состареннрм состояниях. 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 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.

Некоторые сплавы (Д1, Д16, Д19, ВАД1, М40, В95 и дру­гие) 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.

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 деформируемых сплавов. Этот тип отжига применяют для повышения пластичности полуфабрикатов, упрочненных закал­кой и последующим старением, а также для снятия остаточных напряжений. Сокращенному отжигу обычно подвергают полу­фабрикаты и детали, закалка и старение которых осуществля­ются на машиностроительных заводах. Отжиг проводят после предварительной механической обработки полуфабрикатов для уменьшения поводок и коробления после окончательной механической обработки.

Время выдержки при сокращенном отжиге составляет 2—4 ч для всех полуфабрикатов, кроме плакированных.

Листы из термически упрочняемых сплавов подвергают 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 процессы рекристаллизации. Величина рекристалли-зованного зерна очень сильно зависит от степени пластической 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. По­этому время выдержки плакированных изделий при темпера­туре закалки должно быть минимальным.

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.

Температура нагрева под закалку полуфабрикатов из алюминиевых сплавов приведена в табл. 2, продолжительность выдержки— в табл. 3.

После выдержки при температуре нагрева под закалку из­делие переносят в закалочную среду. Время переноса листов из печи в закалочную среду существенно влияет на механические и особенно коррозионные свойства листов после старения.

Таблица 2. Режимы закалки и старения алюминиевых сплавов.

 

Марка стали	**Температура начала отсчета выдержки tнвыд, 0С	tвыд, 0С	tстар., 0С	tстар, ч
АД31, АД33	510	515-530	20	240-260
АД35, АВ*	510	515-530	160-170	10-12
АК6*, АК6-1	510	515-525	150-165	6-12
АК8*	490	495-505	150-165	4-12
АК4, АК4-1	520	525-535	190-200	7-24
Д1	490	495-510	20	³96
Д16	480	485-503	20	³96
Д16* (листы)	490	495-505	185-195	7-13
Д19	490	495-505	185-195	12-14
Д19 (листы)	495	500-508	185-195	12-14
ВД17	490	495-505	20	³96
ВАД1	500	503-508	20	³96
М40	504	504-510	20	³96
Д20	525	530-540	200-220	8-12
Д21	515	520-530	180-190	15-17
ВАД23	510	515-520	195-205	7-10
В92Ц	445	450-470	20	³72
В93	445	450-465	-	-
В95, В96, В96Ц	460	465-475	135-145	15-17

* Сплавы подвергают искусственному и естественному старению.

Таблица 3. Продолжительность выдержки при нагреве под закалку алюминиевых сплавов в воздушных печах (числитель) и селитровых ваннах (знаменатель)

 

Вид полуфабриката	l, мм	tвыд, мин
Листы плакированные	<1,4 1,5-1,9 2,0-4,0 4,1-6,0 6,1-10	10-15/5 15-20/7 20-25/10 30-35/15 35-40/20
Листы неплакированные, трубы холоднодеформированные, плиты горячекатанные,         профили, прутки, полосы и втулки горячепрессованные	<1,2 1,3-3,0 3,1-5,0 5,1-10 11-20 21-30 31-50 51-75 76-100 101-150 151-200	10-20/5 15-30/10 20-45/15 30-60/20 35-75/25 45-90/30 60-120/40 100-150/50 120-180/70 150-210/80 180-240/90
Штамповки и поковки	<2,5 2,6-5,0 5,1-15 16-30 31-50 51-75 76-100 101-150 151-200	15-30/10 20-45/15 30-50/25 40-60/40 60-150/50 150-210/60 180-240/90-180 210-360/120-240 240-440/180-300

 

Тонкие листы подстуживаются больше, чем толстые плиты, у которых запас аккумулированного тепла больше. Поэтому время переноса для листов и плит толщиной до 50 мм ограничивается 15 с, а при больших толщинах 30 с. Для листов и плит сплавов В95, В96 и В96ц, особенно склонных к коррозионному растрескиванию, время переноса независимо от толщины не должно превышать 15 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.

В зависимости от величины критической скорости охлажде­ния все алюминиевые сплавы можно разделить на следующие три группы:

1) с малыми критическими скрростями охлаждения — само­закаливающиеся сплавы, охлаждаемые при закалке на воз­духе; к ним относятся сплавы систем А1—Zn—Mg,  Al—Mg—Si,  Al—Mg—Li;

2) с большими критическими скоростями.охлаждения; это сплавы системы А1—Сu—Mg, Al—Mg—Si—Сu, Al—Zn—-Mg-Cu;    

3) малочувствительные к изменению скоростей охлаждения; это теплопрочные сплавы системы А1—Сu—Мn с добавлением и без добавления титана и сплав АК4-1 системы А1—Сu—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.

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. 2.

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 вязкозсти разрушения и коррозионной стойкости. Поэтому для некоторых сплавов введены режимы смягчающего старения.

Допустимый перерыв между закалкой и искусственным старением, обеспечивающий получение высоких механических свойств, различен для разных сплавов. Он не ограничен для сплавов АК8, АК4, Д16, Д19, ВАД23 и В92ц. Для сплавов же АД31, АДЗЗ, АД35 и АВ перерыв не должен превышать 1 ч. Для сплавов АК6, АК4-1, Д1 допустимый перерыв составляет 6—24 ч.

Сплавы алюминия в свежезакаленном состоянии обладают высокой пластичностью, сопоставимой с их. пластичностью в отожженном состоянии. Поэтому возможно проведение раз­личных технологических операций, связанных с пластической деформацией материала. Период времени после закалки, в ко­тором сплав сохраняет пластичность, зависит от природы сплава. При большом времени выдержки пластичность из-за старения ухудшается.

Скорость естественного старения сильно зависит от температуры даже в интервале от (—10) до (+ 25) °С. Снижение тем­пературы на 5 °С уменьшает скорость старения примерно вдвое. Поэтому для сохранения высокой пластичности целесо­образно сплавы перед деформацией сохранять при температу­рах ниже комнатной, например в холодильниках.