Электроконтактный нагрев алюминиевых труб при закалке

Термическая обработка алюминиевых сплавов предназначена для корректировки характеристик материала с помощью воздействия высоких температур. Различными способами обработки можно добиться широкого разнообразия структуры и свойств.

Сплавы, которые содержат примеси в размере 15-18%, имеют вид твердого раствора. В качестве дополнительных компонентов применяются медь, магний, цинк, кремний и другие вещества, различное сочетание которых и их процентное соотношение прямо пропорционально влияют на свойства материала.

В обычном состоянии алюминиевые сплавы не отличаются высокой прочностью, при этом довольно пластичны. Наиболее неустойчивые сплавы включают в состав большое количество легирующих компонентов, которые влияют на равновесную структуру.

Для упрочнения алюминиевых сплавов применяется методы термообработки. Путем равномерного нагрева, который регламентируется техническими условиями, получают соответствующую структуру, необходимую для начальной стадии распада твердого раствора.

С помощью термообработки можно получить множество типов структуры материала, которые соответствуют требованиям производства. Термическая обработка позволяет создать структуру, не имеющую аналогов.

На сегодняшний день разработано множество методов термообработки алюминиевых изделий, среди которых наибольшую популярность обрели три: отжиг, закалка, старение.

Особенности термообработки алюминиевых сплавов

Алюминий и его сплавы требуют особого подхода к термообработке для достижения определенной прочности и структуры материала. Очень часто применяют несколько методов термообработки. Обычно, после закалки следует старение. Но некоторые типы материалов могут подвергаться старению без закалки.

Такая возможность появляется после отливки, когда компоненты, при повышенной скорости охлаждения, могут придать металлу необходимую структуру и прочность. Это происходит во время литья при температуре около 180 градусов. При такой температуре повышается уровень прочности и твердости, а также снижается степень тягучести.

Каждый из методов термообработки имеет некоторые особенности, которые стоит учитывать при обработке алюминиевых изделий.

Отжиг необходим для придания однородной структуры алюминиевому сплаву. С помощью этого метода состав становиться более однородным, активизируется процесс диффузии и выравнивается размер базовых частиц. Также можно добиться снижения напряжения кристаллической решетки. Температура обработки подбирается индивидуально, исходя из особенностей сплава, необходимых конечных характеристик и структуры материала.

Состав и свойства алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой

Важным этапом отжига является охлаждение, которые можно проводить несколькими способами. Обычно проводят охлаждения в печи или на открытом воздухе. Также применяется поэтапное комбинированное охлаждение, сначала в печи, а потом на воздухе.

От скорости снижения температуры напрямую зависят характеристики готового материала. Быстрое охлаждение способствует образованию перенасыщенности твердого раствора, а медленное – значительного уровня распада твердого раствора.

Закалка требуется для упрочнения материала путем перенасыщения твердого раствора. Этот метод основан на нагреве изделий температурам и быстром охлаждении. Это способствует полноценному растворению составных элементов в алюминии. Используется для обработки деформируемых алюминиевых сплавов.

Для использования этого способа нужно правильно рассчитать температуру обработки. Чем выше степень, тем меньше времени требуется на закалку. При этом стоит подобрать температуру так, чтобы она превышала значение, необходимое для растворимости компонентов, но была меньше границы расплава металла.

Методом старения достигается увеличение прочности алюминиевого сплава. Причем необязательно подвергать изделия искусственному старению, так как возможен процесс естественного старения.

В зависимости от типа старения изменяется скорость структурных изменений. Поэтому искусственное старение более предпочтительно, так как оно позволяет повысить производительность работ. Подбор температуры и времени обработки зависит от свойств материала и характеристик легирующих компонентов.

Правильное сочетание уровня нагрева и времени выдержки позволяет повысить прочность и пластичность. Такой процесс называется стабилизацией.

Методы отжига алюминиевых листов

Отжиг алюминиевых сплавов не является обязательным к применению. Но в некоторых случаях без этого способа термообработки невозможно достичь желаемых характеристик материала.

Причиной применения отжига может стать особое состояние сплава, которое может выражаться в понижении пластичности материала.

Применение отжига рекомендуется при наблюдении трех типов состояний:

1. Свойственное литым изделиям неравновесное состояние связано с разницей температурных режимов. Скорость охлаждения литых изделий значительно превышает рекомендуемую, при которой достигается эффект равновесной кристаллизации.
2. Пластическая деформация. Такое состояние может быть вызвано технологическими требованиями к характеристикам и форме готового изделия.
3. Неоднородная структура материала, вызванная иными методами термообработки, в том числе закалкой и старением. В таком случае происходит выделение одного из легирующих компонентов в интерметаллидную фазу, сопровождающуюся перенасыщением компонентов.

Вышеуказанные проблемы могут устранятся методом отжига. Нормализация структуры и состояния алюминиевого сплава сопровождается повышением пластичности. В зависимости от типа неравновесного состояния подбираются различные методы отжига.

На сегодняшний день выделяют три режима отжига:

1. Гомогенизация. Предназначен для обработки литых слитков. В процессе термической обработки слитков при высоких температурах достигается равномерная структура. Это позволяет упростить процесс проката с уменьшением количества производственных расходов. В некоторых случаях может применяться для повышения качества деформированных изделий. Температура отжига соблюдается в пределах 500 градусов с последующей выдержкой. Охлаждение можно проводить несколькими способами.
2. Рекристаллизация. Применяется для восстановления деформированных деталей. При этом требуется предварительная обработка прессом. Температура отжига варьируется в диапазоне от 350 до 500 градусов. Время выдержки не превышает 2-х часов. Скорость и способ охлаждения не имеет особых рамок.
3. Гетерогенизация. Дополнительная отжиг после других методов термообработки. Этот метод необходим для разупрочнения алюминиевых сплавов. Данный метод обработки позволяет понизить степень прочность с одновременным повышением уровня пластичности. Отжиг производится примерно при 400 градусах Цельсия. Выдержка обычно составляет 1-2 часа. Этот тип отжига значительно улучшает эксплуатационные характеристики металла и повышают степень сопротивления коррозии.

Закалка алюминиевых отливов

Закалка подходит не для всех типов алюминиевых сплавов. Для успешного структурного изменения, сплав должен содержать такие компоненты как медь, магний, цинк, кремний или литий. Именно эти вещества способны полноценно растворится в составе алюминия, создав структуру, имеющую отличные от алюминия свойства.

Данный тип термообработки проводиться при интенсивном нагреве, позволяющем составным элементам раствориться в сплаве, с дальнейшим интенсивным охлаждением до обычного состояния.

Термические превращения в сплавах 6060, 6063, АД31

При выборе температурного режима следует ориентироваться на количество меди. Также, нужно учитывать свойства литых изделий.

В промышленных условиях температура нагрева под закалку колеблется в диапазоне от 450 до 560 градусов. Выдержка изделий при такой температуре обеспечивает расплавление компонентов в составе. Время выдержи зависит от типа изделия, для деформированных обычно не превышает более часа, а для литых – от нескольких часов до двух суток.

Скорость охлаждения при закалке необходимо подбирать так, чтобы состав алюминиевого сплава не подвергался распаду. На промышленном производстве охлаждение проводят с помощью воды. Однако такой способ не всегда оптимально подходит, так как при охлаждении толстых изделий происходит неравномерное снижение температуры в центре и по краям изделия. Поэтому для крупногабаритных и сложных изделий применяются другие методы охлаждения, которые подбираются индивидуально.

Старение алюминиевых сплавов

Старение проводится для улучшения прочностных характеристик изделия. Этот вид термической обработки заключается в выдержке в условиях обычного температурного режима.

Повышение прочности достигается путем распада твердого раствора, что необходимо после закалки, так как закалка приводит к пресыщенности металла.

Существует два способа старения алюминиевых сплавов: естественное и искусственное.

Естественное старение происходит без предварительного нагрева при обычных температурах. Это может происходить в условиях обычного склада или промышленного помещения, где температура воздуха не превышает 30 градусов.

Естественное старение возможно из-за особого свойства алюминия, которое называется «свежезакаленное состояние». Свойства изделий значительно отличаются сразу после закалки и после некоторого времени пребывания на складе.

Искусственное старение проводится путем нагрева изделий до температуры 200 градусов. Это активирует процесс диффузии, что способствует улучшенному растворению составных элементов. Выдержка составляет от нескольких часов до нескольких суток.

Следует отметить, что искусственно состаренные сплавы можно вернуть к изначальному состоянию. Для этого нужно нагреть изделие до 250 градусов с выдержкой до одной минуты. Выдержка должна проводится в селитряной ванне в строго определенное время, с точностью до нескольких секунд.

Причем подобный возврат можно выполнять несколько раз, без потери прочности материала, но с небольшим изменением свойств. Возврат состаренного металла обычно проводят с целью восстановления пластичности, необходимой для изменения формы изделия.

Любой из типов термообработки широко используется в промышленности. Благодаря чему у производителей есть возможность получения материалов, полностью соответствующих требованиям производства. Причем такая обработка сплавов позволяет значительно улучшить свойства алюминия и получить материал, не имеющий аналогов.

Главное условие при термообработке – соблюдение требований и рекомендаций к температурному режиму обработки и времени выдержки. Малейшие отклонения могут привести к необратимым изменениям свойств материала.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

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.

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 три группы:

▪ с малыми критическими скоростями охлаждения – самозакаливающиеся сплавы, охлаждаемые при закалке на воздухе (сплавы систем А1–Zn–Mg, А1–Мg–Si, А1–Мg–Li);

▪ с большими критическими скоростями охлаждения (сплавы сис-

тем А1–Cu–Mg, А1–Мg–Si–Cu, А1–Zn–Mg–Cu);

▪ малочувствительные к изменению скоростей охлаждения (теплопрочные сплавы системы А1–Сu–Mn 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 о 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 о С для полного удаления селитры с поверхности. Время пребывания в промывочном баке садки листов естественно стареющих сплавов не должно превышать 1-2 мин с тем, чтобы предотвратить падение пластичности, связанное со старением при этих температурах.

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.

Для ряда алюминиевых сплавов перерыв между закалкой и искусственным старением приводит 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 регламентируется.

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.

Для сплавов АД31, АДЗЗ, АД35, АВ, Д20 и ВАД23 пластичность после закалки практически не зависит от времени вылеживания после закалки. Скорость естественного старения сильно зависит от температуры даже в интервале от –10 до +25 о С. Снижение температуры на 5 о С уменьшает скорость старения примерно вдвое. Поэтому для сохранения высокой пластичности сплавы перед деформацией целесообразно сохранять при температурах ниже комнатной, например в холодильниках [4].

Технология термической обработки прессованных изделий

Прессованные изделия (прутки, профили, панели) производят из различных сортов технического алюминия и сплавов, упрочняемых и не упрочняемых термической обработкой.

Профили во всех состояниях правят растяжением на 1–3 % на правильных растяжных машинах. При этой операции наряду с приданием прямолинейности снимаются остаточные напряжения. Профили из сплавов, упрочняемых термической обработкой, правят после закалки. Прутки обычно правят не растяжением, а в роликовых машинах (мелкие) или гибом (более крупные).

Режимы термической обработки во многом определяются структурным состоянием полуфабрикатов. Большую часть прессованных полуфабрикатов получают методом прямого прессования без смазки. В этих условиях наблюдается неоднородность деформаций по сечению. Из-за трения на поверхности раздела между полуфабрикатом и матрицей при течении металла поверхностные слои затормаживаются, что приводит к воз-

никновению остаточных напряжений. При этом поверхностные слои полуфабриката растянуты, а осевые сжаты.

Большие силы трения между поверхностью слитка и контейнером пресса вызывают смещение внутренней части слитка относительно наружных слоев с образованием двух объемов деформации. В центральной зоне деформация осуществляется в условиях всестороннего неравномерного сжатия и зерна вытягиваются без разрушения границ.

При прессовании в сплавах протекают процессы распада, которые возрастают с увеличением физической степени деформации. В ряде случаев это приводит к тому, что сразу после прессования средние слои рекристаллизованы, а периферийные претерпевают лишь полигонизацию из-за тормозящего влияния частиц дисперсных фаз на рекристаллизацию. Последующий нагрев под закалку приводит к рекристаллизации периферийных слоев, в которых из-за малого числа центров образуется крупнокристаллический ободок с пониженными механическими свойствами.

В зависимости от температурно-скоростных режимов прессования,

в горячепрессованных полуфабрикатах после термообработки можно получить самые разнообразные структуры (от нерекристаллизованной до полностью рекристаллизованной).

Наибольшие прочностные свойства имеют полуфабрикаты с нерекристаллизованной структурой.

Прутки и профили из сплавов алюминия, не упрочняемых термической обработкой, поставляют в горячепрессованном или отожженном состоянии. Отжиг применяют в том случае, если пластичность горячепрессованных полуфабрикатов не удовлетворяет требованиям заказчика, и проводят по тем же режимам, которые были описаны выше для листов.

Литые заготовки для прессования из сплавов, упрочняемых термической обработкой, обычно гомогенизируют, хотя в большинстве случаев это снижает прочностные свойства прессованных полуфабрикатов в долевом направлении и повышает в поперечном и высотном направлениях.

В прессованных изделиях иногда наблюдается строчечное расположение растворимых фаз, которые при растворении образуют микропустоты. При такой структуре разрушение в поперечном изломе происходит по ступенчатой площадке, соответствующей ослабленным местам в поверхностях, параллельных оси прессования. Такие структуры излома похожи на изломы шифера и поэтому получили название «шиферного» излома. Гомогенизация уменьшает или совсем устраняет шиферность. Грубая шиферность в структуре излома прутков не является признаком брака, но понижает пластичность и вязкость в поперечном направлении.

Прессованные полуфабрикаты из сплавов, упрочняемых термической обработкой, поставляют после закалки и естественного или искусст-

венного старения. Между операциями закалки и старения обычно проводят правку с остаточной деформацией 1–4 %.

Выбирая величину остаточной деформации при правке, необходимо избегать критических степеней деформации. Так, например, критическая деформация для сплава АК4-1 составляет 3–6 %. Поэтому его правку растяжением необходимо проводить с остаточной деформацией 1,5–2,5 %, чтобы избежать роста зерна. Деформация после закалки обычно интенсифицирует процесс искусственного старения.

Рассмотренные условия закалки лучше всего обеспечивают вертикальные закалочные агрегаты, в которых закалочный бак расположен непосредственно под нагревательной печью.

Для закалки длинномерные прессованные изделия последовательно погружают в бак со скоростями 0,3–1 м/с в зависимости от площади поперечного сечения и уровня возникающих закалочных остаточных напряжений. Для повышения коррозионной стойкости полуфабрикатов в воду добавляют 0,02–0,04 % бихромата или хромата калия или натрия.

Технология термической обработки труб

Трубы изготавливают из алюминиевых сплавов, упрочняемых и не упрочняемых термообработкой. Сортамент труб, выпускаемых промышленностью, насчитывает более 1200 видов. Из-за разнообразия сортамента для получения труб используют различные технологические схемы: горячее и холодное прессование, прокатку и протяжку труб.

При изготовлении прессованных труб из термически упрочняемых алюминиевых сплавов параметры технологического процесса выбирают таким образом, чтобы сохранить в полуфабрикатах нерекристаллизованную структуру и получить, соответственно, более высокий уровень механических свойств. С этой целью прессование ведут при повышенных температурах слитка и контейнера.

Термическая стабильность нерекристаллизованной структуры зависит от режимов гомогенизации. Способность прессованных полуфабрикатов к рекристаллизации возрастает с увеличением температуры и времени гомогенизации. Гомогенизированные слитки обеспечивают термическую стабильность прессованной структуры только при прессовании с коэффициентами вытяжки не более 25–30.

При прессовании труб с толщиной стенки менее 6 мм (коэффициенты вытяжки 40–50) рекристаллизация происходит чаще всего при нагреве

под закалку даже при использовании негомогенизированной заготовки. В этом случае для предотвращения рекристаллизации целесообразно повышать температуру прессования до 420–470 о С, а содержание марганца в сплавах Д1, Д16 поддерживать на верхнем уровне по техническим условиям.

При производстве горячепрессованных тонкостенных труб из сплава АВ предотвратить рекристаллизацию не удастся. Для получения мелкого рекристаллизованного зерна необходимо проводить гомогенизацию слитков с последующим медленным охлаждением и соответствующим образом выбирать режимы прессования.

Холодным прессованием можно получать трубы из литой или прессованной заготовки.

Трубы из термически не упрочняемых сплавов поставляют в отожженном или нагартованном состоянии; трубы из термически упрочняемых сплавов – в закаленном или закаленном и искусственно состаренном состоянии.

После термообработки в обоих случаях получают мелкозернистую рекристаллизованную структуру. Трубы производят по следующей технологической схеме: литье полой или сплошной заготовки, гомогенизация (если это необходимо), прессование трубной заготовки, холодная деформация, термообработка, отделка. Подавляющее большинство труб изготавливают из технического алюминия (сплав АД1) и поставляют в отожженном состоянии (АД1М). При малых степенях холодной деформации перед отжигом (менее 20 %) получается крупнокристаллическая структура. Мелкое зерно может быть получено при использовании для прессования заготовки, гомогенизированной при 570–600 о С в течение 12 ч; дополнительно необходимо снизить температуру нагрева слитков перед прессованием до 280–300 о С и повысить степень холодной деформации перед окончательным отжигом хотя бы до 30 %. Промежуточных отжигов для повышения пластичности не требуется. Окончательный отжиг труб проводят при 380–420 о С с временем выдержки 10 мин.

В трубах из сплава АМц, полученных из негомогенизированных слитков, при отжиге вырастает крупное зерно, что значительно снижает пластичность.

Эффективное измельчение зерна труб достигается при использовании для прессования гомогенизированных при 620–640 о С заготовок. Гомогенизация устраняет внутрикристаллитную ликвацию – основную причину чрезмерного роста зерна. В этом случае отжиг труб можно проводить в воздушных конвективных печах.

Электроконтактный нагрев до оптимальных температур 420–450 о С происходит в течение 25–40 с, достаточна выдержка в течение 1–1,5 мин.

Отжиг в конвективных печах осуществляется при температурах 350–420 о С с выдержкой в течение 10 мин.

Сплав АМц не упрочняется при термообработке, и повышение механических свойств достигается нагартовкой (АМцН).

Сплавы АМг2 и АМг3 высокотехнологичны и допускают суммарную степень холодной деформации (при прокатке и волочении) до 99,5 %.

Сплавы АМг5 и АМг6 относятся к труднодеформируемым, суммарная холодная деформация их не должна превышать 50–60 %. Поэтому при деформации используют промежуточные разупрочняющие отжиги при 390–420 о С в течение 3 ч.

При производстве труб из термически упрочняемых сплавов АВ и АД31 на структуру и свойства в закаленном и отожженном состоянии сильно влияет гомогенизация слитков. Применение гомогенизированных при температурах выше 520 о С заготовок обеспечивает получение мелкозернистой рекристаллизованной структуры.

Для предотвращения роста зерна при термической обработке степень холодной деформации при волочении труб после последнего промежуточного отжига должна быть не менее 15–20 %.

Отжиг сплавов АД31 и АВ проводят при температуре 420–450 о С с выдержкой в течение 1 ч. Температура закалки равна (520 ±5) о С. Искусственное старение сплава АВ проводят при (157 ±3) о С с выдержкой в течение 12 ч. Режим старения труб сплава АД31 – (160 ±5) о С в течение 10 ч.

Прессованную заготовку отжигают при 420–450 о С в течение 2 ч (Д1, Д16) или при 350–390 о С в течение 1,5 ч (1915).

Сплав Д16 особенно склонен к межкристаллитной коррозии. Поэтому при закалке необходимо быстро переносить трубы из нагревательной печи в закалочный бак и обеспечивать резкую закалку. Температура воды в закалочном баке не должна превышать 30 о С.

Садку труб для обеспечения хорошего омывания поверхности водой рассредоточивают. Трубы, полученные волочением, имеют большую склонность к межкристаллитной коррозии, чем катаные. Это объясняется влиянием смазки, применяемой при волочении. Для повышения коррозионной стойкости труб в закалочную воду добавляют 0,02–0,04 % хромпика.

Сплавы Д1, Д16, 1915 закаливают с температуры (503 ±5) о С, (500 ±5) о С, (450 ±10) о С соответственно. Время выдержки зависит от толщины стенки трубы. Трубы из сплава 1915 подвергают ступенчатому

старению по двум режимам: а) 100 о С, 10 ч + 160 о С, 4 ч; б) 100 о С, 24 ч + + 150 о С, 10 ч.

Технология термической обработки поковок и штамповок

Для изготовления поковок и штамповок применяют сплавы, не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Чаще всего заготовками для ковки и штамповки служат слитки круглого сечения либо промежуточные прессованные заготовки. При производстве мелких штамповок используют также катаную заготовку.

Сложность закалки поковок и особенно штамповок связана с большими габаритами и непростой формой полуфабрикатов. Сочетание в одном полуфабрикате тонких и массивных сечений приводит к сложному закону распределения напряжений при закалке и вызываемому этой причиной короблению. Для снижения поводок и коробления уменьшают интенсивность охлаждения при закалке, подогревая воду в закалочном баке.

Тонкостенные детали охлаждают при закалке в следующих средах:

▪ в кипящей воде или в водных растворах полимеров – штамповки из сплава АК4-1 с толщиной стенки до 8 мм;

▪ в воде при температуре 90 о С – штамповки из сплава АК6 с толщиной стенки до 50 мм;

▪ в воде при температуре 75–85 о С – штамповки из сплава В93 и детали из них;

▪ в воде при температуре 80 о С – штамповки из сплава АК8 с толщиной стенки до 30 мм.

Подогрев воды снижает интенсивность отвода тепла в области высоких температур, и поэтому уровень термических напряжений и соответствующее ему коробление уменьшаются.

Повышение температуры охлаждающей воды приводит к некоторому снижению механических свойств. Уменьшение поводок и коробления при закалке в нагретой воде позволяет проводить эту операцию термообработки после окончательной механической обработки, за исключением особо точных мест, где оставляют припуск 2-3 мм.

Чтобы обеспечить равномерное охлаждение деталей, особенно массивных, необходимо энергично перемешивать воду, для этого продувают сжатый воздух, перекачивают воду или перемещают детали в ванне. При размещении изделий в садке между ними должны быть зазоры, достаточные для свободного прохождения воды. Детали укладывают в несколько слоев в шахматном порядке.

Горячепрессованные заготовки под ковку и штамповку из многих алюминиевых сплавов имеют структурное упрочнение (пресс-эффект). При последующей горячей деформации (прокаткой, ковкой, штамповкой) стабильность структуры, как правило, снижается. Тем не менее часто при

штамповке стабильность структуры оказывается достаточной для предотвращения рекристаллизации при закалке. Структура таких изделий, как и прессованных, полигонизована, а структурное упрочнение сохраняется [4].

3.6. Защитные атмосферы.

Брак при термической обработке. Методы контроля

Плотная окисная пленка на поверхности алюминия и его сплавов препятствует взаимодействию металла с воздухом и другими газами при низких температурах. Однако при повышенных температурах влага и соединения аммиака и серы разрушают защитную окисную пленку, вступая в реакцию с металлом.

При взаимодействии влаги с алюминием образуется атомарный водород, который легко диффундирует внутрь металла и выделяется в нем в молекулярной форме. Это может вызвать образование пузырей на поверхности полуфабрикатов, высокотемпературное окисление, пористость и потемнение поверхности.

Нагрев сплава типа Д16 в атмосферах гелия, водорода, природного газа, сухих кислорода, азота и воздуха, влажных азота и углекислого газа, а также в смесях влажного воздуха с 26 % СО 2 , влажного воздуха с фтором и воздуха с 50% продуктов сгорания природного газа не приводит к падению механических свойств. Нагрев в атмосферах, содержащих пары воды, окислы серы и аммиак, способствует к резкому снижению механических свойств этого сплава (табл. 3.8).

Наиболее распространенная атмосфера печей при термической обработке алюминиевых сплавов – сухой воздух. Кислород воздуха при высоких температурах окисляет находящуюся на поверхности металла смазку, образуя нагар в виде пятен.

Для предотвращения этих явлений применяют «светлый» отжиг в защитной атмосфере. Чаще всего используют бедный экзотермический газ, получаемый при сжигании жидкого или газообразного топлива в специальных газогенераторах. Для уменьшения влажности экзогаза его охлаждают в холодильно-компрессорных агрегатах. Таким образом, получают газ с точкой росы 5–8 о С. Более полного осушения газа достигают, пропуская его через адсорбер – силикагель или цеолит. Пропущенный через адсорбер газ имеет точку росы (–40)–(–60) о С.

Влияние атмосферы закалочной печи на механические свойства листов

Владельцы патента RU 2628870:

Изобретение относится к исследованию свойств материалов с помощью электрических измерений и может быть использовано для неразрушающего контроля структуры изделий из алюминиевых сплавов. Сущность: способ включает определение удельной электропроводимости материала и анализ полученных значений. При этом для каждого типоразмера трубы и марки сплава определяют минимальное базовое значение удельной электропроводимости с учетом поправок на радиус кривизны поверхности и толщину стенки трубы (γ_Б), а также эталонную разницу ее значений в пределах измерений удельной длины трубы (Δγ). Осуществляют последовательные измерения удельной электропроводимости после термической обработки по всей длине наружной поверхности трубы через определенные равные промежутки. Сравнивают полученные значения с допустимыми. При наличии показателей электропроводимости, соответствующих базовому значению и эталонной разнице, судят об отсутствии пережога в структуре материала трубы. Технический результат: упрощение, повышение точности и способности выявления локального пережога. 1 табл.

Изобретение относится к исследованию свойств материала с помощью электрических измерений и может быть использовано для неразрушающего контроля структуры изделий из алюминиевых сплавов.

Одним из основных дефектов термической обработки изделий из алюминиевых сплавов является пережог, вызывающий неисправимый брак. Пережог в алюминиевых деформируемых сплавах может возникать в процессе гомогенизации слитков, при нагреве их перед деформацией, в очаге деформации, нагреве полуфабрикатов под закалку и при различных технологических и эксплуатационных нагревах. Пережог наступает при нагреве сплава выше температуры неравновесного солидуса, т.е. выше температуры начала оплавления легкоплавких эвтектик, которые располагаются по границам зерен и внутри них. Структурные изменения, вызываемые оплавлением и последующей кристаллизацией оплавленных микрообъемов, сопровождаются развитием пористости, оказывают негативное влияние на физико-механические, технологические, коррозионные свойства. Начальные стадии пережога полуфабрикатов при закалке, не ухудшая механических свойств, уменьшают ударную вязкость, работу разрушения образца с трещиной, усиливают чувствительность материала к образованию закалочных трещин. Развитие пережога вызывает резкое снижение механических свойств, а в отдельных случаях приводит к полному разрушению материала, авариям при работе конструкций и механизмов. Кроме того, еще одним негативным фактором появления пережога является его локальность, т.е. пережог может появляться только в отдельных зонах изделий. Особенно локальность пережога проявляется при закалке длинномерных тонкостенных изделий, в частности труб, электроконтактным способом, при котором нагрев под закалку осуществляется за максимально короткий промежуток времени. В этом случае локальные утонения стенки трубы, имеющей значения толщины в минусовом допуске, потенциально наиболее подвержены пережогу при нагреве под закалку даже при небольшом повышении значения температуры, близкой к верхней границе допустимого температурного интервала. Поэтому выявление пережога, особенно в особо ответственных деталях, имеет важное значение и является весьма сложной задачей.

Известен металлографический метод определения пережога посредством контроля микроструктуры (ГОСТ 27637-88). Недостатком известного способа является необходимость вырезки контрольного образца из тела изделия, что не позволяет гарантировать отсутствие пережога во всем его объеме.

Известен способ идентификации металлов и сплавов с использованием нейросети, в котором осуществляют предварительно обучение нейросети комплексу характеристик — образу, которые она могла бы распознавать, при этом в качестве таких характеристик используют электрические параметры процессов, возникающих в результате воздействия на электрохимическую ячейку трапециевидных импульсов напряжения, а затем на входы обученной нейросети подают значения электрических параметров процессов, возникающих в электрохимической ячейке с исследуемым образцом при воздействии на электрохимическую ячейку трапециевидных импульсов напряжения, и на выходе получают данные с обученной нейросети, идентифицирующие исследуемый образец (Патент РФ №2281487, публ. 10.08.2006) — прототип.

Недостатком прототипа является необходимость применения сложного узкоспециализированного оборудования, что ограничивает применение способа в промышленных условиях.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка неразрушающего способа диагностики структуры труб из алюминиевых сплавов, позволяющего осуществлять серийный контроль в промышленных условиях.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является простота и точность измерений, а также высокая способность выявления локального пережога.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе диагностики структуры тонкостенных труб из алюминиевых сплавов, включающем определение удельной электропроводимости материала и анализ полученных значений, согласно изобретению для каждого типоразмера трубы и марки сплава дополнительно определяют минимальное базовое значение удельной электропроводимости (γ_Б) с учетом поправок на средства измерения, радиус кривизны поверхности и толщину стенки трубы, а также определяют эталонную разницу значений удельной электропроводимости в пределах измерений удельной длины трубы (Δγ), при этом осуществляют последовательные измерения удельной электропроводимости на наружной поверхности трубы в состоянии поставки через определенные равные промежутки в осевом направлении, по крайней мере, в одной плоскости, сравнивают полученные значения с допустимыми и при наличии показателей удельной электропроводимости, соответствующих минимальному базовому значению (γ_Б) и эталонной разнице (Δγ), судят об отсутствии пережога в структуре материала трубы.

Способ реализуется следующим образом.

Способ основан на изменении значений удельной электрической проводимости при наличии в структуре пережога полуфабрикатов, подвергнутых нагреву при высоких температурах.

Для осуществления диагностики устанавливают минимальное базовое значение электропроводимости (γ_Б), соответствующее нормальной структуре термически обработанного материала с высокой степенью вероятности отсутствия пережога. С целью исключения погрешности и получения достоверных результатов измерений предварительно определяют поправку значения γ_Б на кривизну поверхности и толщину стенки трубы. При этом в зависимости от материала и средств измерений поправка может достигать значительной величины. Минимальное базовое значение электропроводимости устанавливают экспериментально для каждого типоразмера трубы с подтверждением результатов контроля микроструктуры металлографическим анализом, обеспечивающим отсутствие пережога. Однако соответствие фактических значений минимальному базовому значению в отдельных случаях не гарантирует отсутствие локального пережога из-за особенностей полученной структуры, различающейся при термической обработки в лабораторных и промышленных условиях, в частности при скоростном нагреве труб под закалку на электроконтактной установке, а также из-за возможной погрешности при климатических колебаниях среды измерений.

Поэтому для обеспечения высокой точности диагностического контроля необходимо определение эталонной разницы значений электропроводимости в пределах измерений удельной длины трубы (Δγ), т.е. разница значений между максимальным и минимальным фактическим значением удельной электропроводимости γ_Б, измеренных в пределах удельной длины одной трубы. Эталонную разницу значений Δγ определяют опытным путем. На натурных образцах в состоянии поставки определяют значения электропроводимости по длине трубы. Из материала контролируемых зон труб вырезают образцы для металлографического исследования микроструктуры. Осуществляют анализ статистических данных с сопоставлением интервала и разницы фактических значений электропроводимости с результатами локального металлографического контроля микроструктуры в установленных зонах трубы. В зонах трубы, имеющих близкие к крайним значениям электропроводимости, подтверждается наличие корреллирующей связи между значениями, не соответствующими эталонной разнице, и наличием пережога в структуре, определенным в результате металлографического контроля. На основе полученных результатов устанавливается эталонная разница значений электропроводимости в пределах измерений удельной длины трубы (Δγ), которая позволяет характеризовать однородность структуры материала по всей длине трубы. После определения значений γ_Б и Δγ осуществляют серийный диагностический контроль труб, для чего определяют количество точек измерений электропроводимости по длине трубы, выполняют измерения в указанных точках, сравнивают полученные фактические значения с базовым, рассчитывают разницу между максимальным и минимальным значением в сравнении с эталонной. При соответствии фактических значений γ_Б и Δγ допустимым судят о качестве структуры изготовленных труб в части отсутствия пережога.

Промышленная применимость изобретения подтверждается примером его конкретного выполнения.

В ходе выполнения опытной работы в промышленных условиях осуществляли диагностику тонкостенных труб из сплава САВ1Т с наружным диаметром 50 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 2200 мм. Предварительно, в лабораторных условиях на натурных образцах определяли поправку на измерительный прибор, кривизну поверхности и толщину стенки, находящуюся в плюсовом поле и составившую 1,5 МСм/м. Полученное минимальное базовое значение γ_Б с учетом поправки составило 26,0 МСм/м. Далее экспериментально, на основе корреляции статистических данных измерений образцов и результатов металлографического анализа микроструктуры было выведено значение эталонной разницы удельной электропроводимости Δγ, составившее 1,8 МСм/м на общую длину трубы. Перед контролем определяли точки для измерений, которые расположили вдоль оси трубы в одной плоскости с интервалом между точками не более 150 мм. Измерение осуществляли вихретоковым измерителем ВИХРЬ-AM. Для проверки применимости заявленного способа и подтверждения полученных результатов на всех трубах был проведен металлографический анализ контроля микроструктуры. Результаты контроля приведены в табл. 1.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет в промышленных условиях с высокой степенью точности осуществлять проверку структуры труб в части отсутствия локального пережога.

Способ диагностики структуры тонкостенных труб из алюминиевых сплавов, включающий определение удельной электропроводимости материала и анализ полученных значений, отличающийся тем, что для каждого типоразмера трубы и марки сплава дополнительно определяют минимальное базовое значение удельной электропроводимости (γ_Б) с учетом поправок на средства измерения, радиус кривизны поверхности и толщину стенки трубы, а также определяют эталонную разницу значений удельной электропроводимости в пределах измерений удельной длины трубы (Δγ), при этом осуществляют последовательные измерения удельной электропроводимости на наружной поверхности трубы в состоянии поставки через определенные равные промежутки в осевом направлении, по крайней мере, в одной плоскости, сравнивают полученные значения с допустимыми и при наличии показателей удельной электропроводимости, соответствующих минимальному базовому значению (γ_Б) и эталонной разнице (Δγ), судят об отсутствии пережога в структуре материала трубы.