Для получения необходимых прочностных характеристик алюминиевые профили после экструзии подвергаются различным видам термической обработки. Термическая обработка алюминия – это процесс, с помощью которого повышается прочность и жесткость определенной подгруппы алюминиевых сплавов, а именно обработанных и литых сплавов, подвергающихся дисперсионной закалке. К дисперсионно укрепляемым алюминиевым сплавам относятся серии 2ХХХ, 6ХХХ, 7ХХХ и 8ХХХ. Кроме того, термообработка может понадобиться для деталей, подвергшихся деформационному укреплению во время процесса экструзии (или прессования).
К типичным термическим обработкам алюминия относят отжиг, гомогенизацию, термическую обработку растворением, естественное и искусственное старение (последнее также имеет определение «дисперсионное укрепление»). Температура печи зависит от определённого процесса, который используется в конкретном случае, и колеблется между 115 и 540°С. Важно помнить о значительных различиях при термообработке алюминия и стали.
Отжиг
Отжиг – это процесс высокотемпературной обработки, приводящий к изменению физических, а в некоторых случаях и химических свойств материалов, для повышения пластичности и уменьшения жесткости, чтобы сделать его более подходящим для работы. Упрочнение или деформационное упрочнение способствует повышению сопротивления алюминиевых сплавов разрушению и развитию пластической деформации. Это происходит, когда формирование алюминиевого сплава производится пластической деформацией, при которой зернистым структурам алюминия приходится совершать продвижение и взаимодействие между собой вдоль кристаллографической плоскости, которая еще называют «плоскостью скольжения».
Поскольку происходит все больше и больше пластической деформации, остается все меньше и меньше плоскостей скольжения, которые легко деформировать. В результате для достижения дальнейшей деформации требуется большее усилие. Когда деталь достигла этого состояния, ее называют закаленной. Целью отжига является существенное восстановление кристаллической зернистой структуры, восстановление плоскостей скольжения и возможность продолжать формировать деталь, не применяя чрезмерной силы. Для отжига закаленных алюминиевых сплавов, металл нужно нагревать от 298°С до 410°С в течение определённого периода, который может исчисляться как тридцатью минутами, так и тремя часами. Выбор продолжительности нагрева и температурного режима обуславливается размерами и химическим составом сплава деталей, подлежащих отжигу.
Отжиг также снимает внутреннее напряжение, образующееся в детали во время процессов холодной обработки металла, таких как ковка или литьё, стабилизирует габариты деталей и справляется с вопросами, возникающими как результат внутренней деформации (например, искривление). Кроме того, отжиг может быть успешно выполнен на алюминиевом сплаве, который считается не поддающимся термической обработке. Он обычно используется для работы с кованым, экструдированными или литыми алюминиевыми деталями.
Гомогенизация
Гомогенизация – это процесс нагрева металла до температуры, очень близкой к точке плавления, а затем медленное охлаждение. Гомогенизация используется для того, чтобы осаждаемые элементы более равномерно перераспределялись по всей алюминиевой части. Зачастую это нужно, когда у нас в работе детали из литого алюминиевого сплава. При остывании детали сначала происходит охлаждение внешнего края, непосредственно контактирующего с формой. В результате образуется оболочка из алюминиевых зерен или кристаллов. Так как деталь продолжает охлаждаться внутри, результатом является достаточно чистый металл у поверхности и на некоторых участках вблизи центра. Легирующие элементы образуют осадок, в результате чего зерна алюминия фиксируются на месте. Часть литья заканчивается тем, что одни области оказываются мягкими, а другие – крепкими. Это разделение между частями можно уменьшить, а полученную часть сделать более пригодной для формовки через гомогенизацию.
Алюминиевую деталь гомогенизируют путем её нагревания до температуры немного меньше, чем точка плавления, которая обычно колеблется от 480°С до 537°С. После того, как вся деталь достигнет этой температуры гомогенизации, она должна медленно остыть. В результате мы получим литую деталь, у которой будет однородная внутренняя структура.
Термическая обработка растворением
Для процесса отжига скорость, с которой происходит охлаждение детали, не является важным фактором. А вот в другом подобном процессе, называемом термообработкой растворением, ее значение велико. В этом процессе термической обработки растворяются элементы, ответственные за старение (со временем усложняющее работу с металлической частью). Затем эти растворенные элементы становятся сфероидами, а в окончательном результате мы получим гомогенизированную структуру. Для сохранения эффекта, достигнутого в процессе высокотемпературной обработки, а именно зафиксировать окончательное распределение растворенных элементов в сплаве, деталь нужно подвергнуть закаливанию или быстрому охлаждению. Тогда с деталью гораздо легче работать. Однако, спустя некоторое время эти зафиксированные элементы снова будут выпадать в осадок, что повлечет за собой старение.
Точная температура для термической обработки растворением определяется составом сплава алюминия, но обычно находится в промежутке от 440°С до 526°С. В том случае, когда такая температура не достигается, процесс термообработки растворением не будет успешным: при слишком низкой температуре крепость будет потеряна; при слишком высокой - деталь может потерять цвет, критические элементы могут расплавиться или внутри детали может возникнуть повышенное напряжение.
Когда деталь достигнет этого узкого окна для целевой температуры, её нужно замочить. Время замачивания может колебаться от десяти минут (для тонких деталей) до двенадцати часов (для более крупных и толстых деталей). Однако специалисты по термообработке имеют общее правило: один час на каждый дюйм поперечного сечения толщины.
Дальше идет фаза гашения. Цель закаливания здесь состоит в том, чтобы «заморозить» захваченные элементы на месте или достаточно быстро охладить алюминиевую деталь, чтобы легирующие элементы не могли выпадать в осадок во время охлаждения детали. Вода является наиболее распространенным и обычно самым эффективным закаливателем для алюминиевых сплавов.
Любая формовка, которую необходимо выполнить после процесса растворения, должна быть произведена очень быстро после завершения закалки. В противном случае начнется естественное старение и с деталью станет труднее работать. Это противоположно тому, что происходит с термически обработанными сталями, которые чрезвычайно хрупки и тверды после закаливания.
Естественное старение
С течением времени элементы, растворённые в процессе термообработки алюминиевых сплавов, начинают выпадать в осадок. Таким образом, зерна фиксируются на месте, что, в свою очередь, ведёт к увеличению естественной прочности алюминия и называется старением.
Температурный режим, необходимый для процесса естественного старения, элементарен – нужна просто комнатная температура; весь процесс длится до 5 дней. Заметим, что девяносто процентов отвердения происходит в 1-й день. Поэтому нужно достаточно быстро начинать процесс формовки алюминиевых деталей после прохождения процесса термообработки растворением.
Искусственное старение
Для некоторых алюминиевых сплавов необходимым условием для достижения максимально возможной твёрдости является полное выделение растворенных элементов. Не каждый алюминиевый сплав способен обрести достаточный уровень твердости во время естественного старения при температуре помещения. Некоторые из них могут затвердеть только до определенной точки, но это можно искусственным старением.
При дисперсионном укреплении алюминий нагревается от 115°С до 237°С. После этого он замачивается в течение от шести до двадцати четырех часов, после чего охлаждается до комнатной температуры. Результат будет характеризоваться значительным увеличением предела текучести алюминия, несколько меньшим увеличением прочности на разрыв и снижением пластичности.
