термическая обработка сплавов алюминия

Когда говорят про термическую обработку сплавов алюминия, многие сразу представляют график из учебника: нагрев, выдержка, охлаждение. На практике же всё упирается в детали, которые в тех же учебниках часто опускают. Например, для кованых изделий из алюминиевых сплавов, с которыми мы работаем на производстве, критична не столько сама температура закалки, сколько скорость и равномерность нагрева под закалку, особенно если сечение поковки большое и неоднородное. Слишком быстрый нагрев — риск возникновения остаточных напряжений ещё до закалки, слишком медленный — перерасход энергии и возможный рост зерна. Это та самая ?кухня?, которую понимаешь только после нескольких неудачных партий.

Отжиг после ковки: снять напряжения, но не перестараться

Возьмём, к примеру, наш стандартный процесс для поковок из сплава типа АК6 или Д16. После ковки на гидравлическом прессе заготовка, естественно, идёт на отжиг. Цель — снять наклёп и напряжения, чтобы дальше можно было нормально точить и, главное, проводить упрочняющую термообработку. Здесь частый промах — гнаться за максимальной пластичностью и ставить температуру отжига на верхнем пределе диапазона. Да, напряжения снимет, но может начаться коагуляция выделений, и потом при закалке не получишь нужного уровня упрочнения. Мы на своём опыте в ООО Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство пришли к тому, что для ответственных поковок лучше делать неполный отжиг, особенно если дальше планируется механическая обработка и последующее старение. Подробнее о нашем подходе можно прочитать на странице https://www.jyybdz.ru.

Конкретный пример: делали крупную поковку из алюминиево-магниевого сплава. После ковки отожгли при 420°C, как по стандартной рекомендации. Мехобработка прошла нормально, но после закалки и искусственного старения твёрдость ?плясала? по объёму детали. Разброс был неприемлемый. Стали разбираться. Оказалось, из-за высокой температуры отжига успели вырасти дисперсные частицы, которые при последующем нагреве под закалку уже не полностью растворились. В итоге потенциал упрочнения был использован не на 100%. Пришлось пересмотреть режим, снизив температуру отжига и точнее контролируя скорость нагрева в печи.

Именно поэтому на нашем предприятии, где годовой объём поковок достигает 5000 тонн, так важно иметь отдельные, хорошо контролируемые печи для отжига. Универсальная печь ?и для нагрева под ковку, и для отжига? — это почти гарантия технологических компромиссов. Нагревательная печь должна быстро и мощно греть металл под деформацию, а отжигательная — обеспечивать точный и равномерный термический цикл по всему объёму садки. Это базовое, но критичное разделение.

Закалка: самый ответственный и ?нервный? этап

Собственно, термическая обработка алюминиевых сплавов в смысле упрочнения — это в первую очередь закалка. И здесь главный враг — низкая скорость охлаждения. Для большинства дуралюминов интервал между извлечением из печи и погружением в закалочную среду должен быть минимальным. На словах просто, на деле — целая история. Особенно для крупногабаритных поковок сложной формы. Пока её краном вытащишь из печи, переместишь к ванне… время идёт.

Мы для таких случаев используем печи, расположенные максимально близко к закалочным ёмкостям, а сам процесс перемещения стараемся максимально механизировать и отработать до секунд. Задержка даже в 20-30 секунд для массивной поковки может привести к выделению избыточных фаз по границам зёрен и резкому падению коррозионной стойкости и прочности после старения. Вода — самый распространённый закалочный агент, но её температура тоже важна. Ледяная вода даст высокие остаточные напряжения, тёплая (50-60°C) может не обеспечить нужной скорости. Ищем баланс, часто эмпирически, под конкретную конфигурацию изделия.

Ещё один нюанс — нагрев под закалку. Температура должна быть строго в определённом диапазоне, плюс-минус несколько градусов. Перегрев чреват пережогом, недогрев — неполным растворением фаз. Контроль по термопарам — обязательно. Но термопара измеряет температуру в печи, а не в сердцевине массивной поковки. Поэтому выдержка — не просто цифра из справочника, а расчётная величина, зависящая от сечения. Иногда для особо толстых изделий мы идём на ступенчатый нагрев, чтобы избежать коробления и обеспечить прогрев по сечению.

Старение: где проявляется мастерство

После закалки идёт старение — искусственное или естественное. Вот здесь, пожалуй, больше всего возможностей для управления свойствами. Искусственное старение (улучшение) мы проводим в электрических печах с точным поддержанием температуры. Для сплава Д16, например, классический режим — 190°C, 12-14 часов. Но это ?книжный? вариант.

На практике режим старения часто корректируют под конкретные требования к изделию. Нужна максимальная прочность — можно немного снизить температуру и увеличить время. Важнее коррозионная стойкость и стабильность размеров — применяют режимы ступенчатого старения. Это уже высший пилотаж в термической обработке алюминиевых сплавов. Мы, к примеру, для одной партии ответственных деталей, которые должны были работать в условиях знакопеременных нагрузок, экспериментировали с двухступенчатым старением: сначала невысокая температура для формирования множества центров выделений, потом более высокая — для их роста до оптимального размера. Результат по усталостной прочности был заметно лучше, чем после стандартного одноступенчатого цикла.

Контроль после старения — обычно твёрдость. Но твёрдость — это интегральный показатель. Бывает, твёрдость в норме, а микроструктура показывает признаки перестаривания или, наоборот, недодеражки. Поэтому для новых или критичных сплавов и режимов мы всегда делаем металлографический анализ. Это дороже и дольше, но позволяет избежать скрытых дефектов.

Проблемы на стыке технологий: мехобработка после термообработки

Часто забывают, что термическая обработка сплавов алюминия — не конечная точка, а звено в цепи. После закалки и старения деталь почти всегда идёт на токарную или фрезерную обработку. И здесь возникает проблема остаточных напряжений от термообработки. Если они значительные, в процессе снятия стружки деталь может повести, она коробится.

Мы с этим сталкивались при обработке крупных поковок после закалки в воде. Решение — введение дополнительной операции стабилизирующего отпуска (низкотемпературного отжига) после закалки, но до чистовой мехобработки. Это снимает пик напряжений, деталь становится более ?послушной? в станке. Да, это дополнительная операция и затраты, но в итоге выходит дешевле, чем брак из-за коробления на финишной стадии. Наше оборудование, включая горизонтальные токарные станки, позволяет работать с такими предварительно стабилизированными заготовками с высокой точностью.

Ещё момент — сама резка. Перегретый при точении алюминий может локально ?отпуститься?, образуя мягкие зоны. Поэтому режимы резания, охлаждающие эмульсии — всё это должно быть согласовано с финальной термообработкой изделия. Технолог по термообработке и технолог-механик должны работать в связке, а не просто передавать деталь по цеху ?по наряду?.

Взгляд на перспективу и типичные ошибки

Глядя на наш парк оборудования — электрошлаковый переплав, ковочный пресс, печи для отжига и улучшения — понимаешь, что качественная термическая обработка алюминиевых сплавов возможна только при контроле всей цепочки. Нельзя сделать хорошую поковку из некондиционной заготовки, и нельзя получить идеальные свойства после термообработки, если поковка была сделана с нарушениями.

Самая распространённая ошибка новичков в нашей сфере — формальный подход. ?Поставил в печь по режиму, вынул — и готово?. Не готово. Нужно постоянно задаваться вопросами: а как реально прогрелась деталь? Какой был теплосъём при закалке? Не было ли локальных сквозняков у ванны? Как хранились закалённые детали до старения (при естественном старении это особенно важно)?

Другая ошибка — слепое следование стандартам на сплав. Стандарт даёт диапазон, а конкретную точку в этом диапазоне нужно находить под своё изделие, своё оборудование, свои требования по свойствам. Это и есть ремесло. Например, для поковок, работающих под высокой статической нагрузкой, мы можем сместить акцент в сторону большей пластичности, немного ?недовыдерживая? искусственное старение. А для деталей, где важна стабильность размеров при нагреве, наоборот, проводим более полное старение, даже с некоторой потерей прочности на разрыв.

В конечном счёте, успех определяется вниманием к мелочам и пониманием физики процессов, происходящих в металле. Не печь делает термообработку, а человек, который этой печью управляет, зная, что происходит внутри алюминиевого сплава на каждом этапе. И это знание приходит только с опытом, иногда и горьким, когда партия идёт в брак. Но именно такие случаи и учат больше всего, заставляя глубже вникать в суть, казалось бы, давно известных процессов вроде термической обработки алюминиевых сплавов.