Как закалить алюминий в домашних условиях

Внедрение сварных алюминиевых конструкций

Дальнейшее внедрение сварных алюминиевых конструкций в различные отрасли машиностроения во многом зависит от раз­работки новых способов сварки алюминиевых сплавов. Раньше алюминиевые сплавы сваривали в основном в нижнем положении из-за высокой жидкотекучести расплавленного алюминия.
В последнее время разработаны новые способы сварки, поз­воляющие сваривать алюминий во всех пространственных положе­ниях. Так в ИЭС им. Е. О. Патона разработан способ импульсной сварки плавящимся электродом.

В научно-исследовательском и конструкторском институте мон­тажной технологии (НИКИМТе) разработан метод сварки труб с применением формирующего давления в их внутренней поло­сти. За рубежом разработан способ механизированной сварки алюминиевых листов большой толщины в вертикальном положе­нии, обеспечивающий получение высококачественных стыковых и угловых швов. Разработка новых способов сварки, как правило, сопровождается созданием соответствующего сварочного оборудо­вания, позволяющего получить новый качественный эффект при изготовлении сварных конструкций.

Учитывая, что проблема очень широка, авторы не ставили себе задачу охватить все вопросы, связанные со сваркой кон­струкций из алюминиевых сплавов, и остановились на вопросах газоэлектрической сварки алюминиевых сплавов. Более детально осветили вопросы сварки трубных узлов и крупногабаритных деталей ответственных конструкций.

Сплавы алюминия в зависимости от назначения делят на дефор­мируемые и литейные. Деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на две группы: неупрочняемые и упрочняемые терми­ческой обработкой. К неупрочняемым термической обработкой относятся сплавы типа магналия (AMrl, АМг2 АМгЗ, АМг5 и АМгб), сплавы АМц, АМцС, а также алюминий АДОО, АДО, АД1 и АД. К упрочняемым термической обработкой относятся сплавы АД31, АДЗЗ, АВ, Д1, Д16, Д18, АК4, АК4-1, АК6, АК8, Д20, В93, В94, В95 и др.

Из деформируемых сплавов изготовляют различные полуфа­брикаты в виде листов (толщиной до 10 мм), плит (толщиной свыше 10 мм), прессованных профилей, поковок, штампованных загото­вок, прутков, проволоки, фольги, труб.

Термически упрочняемые алюминиевые сплавы обладают более высокими прочностными свойствами, чем термически неупрочняе­мые. Однако прочность последних можно повысить путем нагартовки.

Разупрочнение алюминия при сварке

В сварных соединениях термически неупрочняемых сплавов системы А1—Mgнаименьшую прочность имеет металл шва, она составляет обычно 0,85—0,95 прочности основного металла. Во многих случаях этого достаточно, чтобы не предпринимать до­полнительных мер с целью повысить прочность металла шва. Если листы перед сваркой нагартованы, то разупрочнение происходит также и в околошовной зоне. Равнопрочность всех зон сварного соединения и основного металла можно достигнуть прокаткой ро­ликами металла шва и околошовной зоны, а также путем увеличе­ния содержания магния в присадочной проволоке.

Значительно больше проблем возникает в случае необходимо­сти получения сварных соединений, однородных по химическим свойствам с основным металлом термически упрочняемых сплавов. Металл зоны сплавления и околошовной зоны при сварке терми­чески упрочненных алюминиевых сплавов подвергается термиче­ской обработке различных видов: закалке, отжигу, возврату. На рис. 1 приведена зависимость механических свойств сплава типа авиаль (системы А1—Mg—Si) от температуры и продолжи­тельности выдержки. В зависимости от температуры и продолжи­тельности ее воздействия степень разупрочнения различна. В не­которых случаях прочность сварных соединений сплавов, типа авиаль, дуралюмин может составлять лишь 50% прочности основ­ного металла.

Рис. 1. Влияние различных термических циклов на механические свойства сплава САВ-1:

а, б — термические циклы, в — изменение механических свойств

На рис. 2 показаны изменения твердости в сварном соединении труб сплава типа авиаль в поперечном направлении. В зоне свар­ного шва, где температуры достаточно высоки, обычно происходит последующее естественное старение металла с повышением проч­ностных характеристик. В зоне отжига обычно не удается достиг­нуть повышения прочности до уровня основного металла без повторной закалки всего соединения. Однако закалка всего свар­ного соединения (конструкции) возможна далеко не всегда, так как такую операцию трудно выполнить на крупногабаритной конструкции, а также на любой конструкции, имеющей жестко заданные размеры и не имеющей припуска на механическую обра­ботку.

Рис. 2. Изменение твердости в сварном соединении труб из сплава типа авиаль (1-18 — номера точек измерения)

Следует отметить, что в тех многочисленных случаях (напри­мер, при сварке конструкций из сплавов авиаль, дуралюмин), когда для снижения склонности сварных швов к трещинообразонию приходится применять сварочную проволоку, отличающуюся по химическому составу от основного металла (например, значительно увеличивая в сварочной проволоке по сравнению с основ­ным металлом процент содержания кремния), получить металл шва, равнопрочный основному металлу, невозможно. Ожидаемое снижение прочности сварных соединений следует учитывать при назначении допустимых нагрузок на конструкцию.

В последнее время получили распространение самозакаливаю­щиеся алюминиевые сплавы. Эти сплавы стареют очень медленно и достигают нормальной прочности примерно через три месяца. Самозакаливающиеся сплавы относятся к системе А1—Zn—Mg. Для повышения предела текучести сплавы подвергают искусствен­ному старению при 100° С в течение 90—100 ч. Сплавы такого типа, например, содержащие 4,5% Zn, 1,5% Mg, до 3% Мп и 0,2% Cr, в состоянии после искусственного старения имеют предел текуче­сти 28—33 кГ/мм2, предел прочности при растяжении 36— 41 кГ/мм2. После сварки и искусственного старения при 100— 110° С в течение четырех суток предел прочности достиг 34— 39 кГ/мм2, при этом угол изгиба составил 130—160°. Однако при хороших прочностных показателях сплав обладает склонностью к образованию трещин в шве и зоне сплавления.

Положительное влияние на уменьшение склонности к обра­зованию трещин оказывает применение присадки типа СвАК5. Из самозакаливающихся сплавов наибольшей стойкостью против образования кристаллизационных трещин обладают сплавы си­стемы Аl—Zn—Mgс повышенным содержанием магния (6,5%) и небольшими добавками меди.

Повышения прочности сварных соединений сплава В95 дости­гают термической обработкой, однако не удается получить проч­ность сварных соединений выше 80% прочности основного металла при низком уровне пластичности.

Отжиг алюминия

Необходимое условие для закалки на прессе — интервал температур нагрева алюминиевого сплава под закалку должен совпадать с интервалом температур алюминиевых профилей на выходе из пресса. Это, в принципе, выполняется только для «мягких» и «полутвердых» алюминиевых сплавов – технического алюминия, алюминиевых сплавов серий 3ххх и 6ххх, а также малолегированных сплавов серии 5ххх (с магнием до 3 %) и некоторых алюминиевых сплавов серии 7ххх без легирования медью (7020, 7005 (наш 1915), 7003). Эффект закалки для алюминиевых сплавов 3ххх и 5ххх очень незначителен и, как правило, не принимается во внимание. Окончательные механические свойства алюминиевые сплавы 3ххх и 5ххх принимают не в результате термического упрочнения, а при последующей нагартовке, что может включать и операции термической обработки: один или несколько отжигов. Упрочняющей фазой для сплавов серии 6ххх является соединение Mg2Si.

Закалка на прессе алюминиевых профилей из сплавов АД31, 6060 и 6063

Все алюминиевые сплавы серии 6ххх могут получать закалку непосредственно на прессе. Для фиксирования растворенных фаз в твердом растворе алюминия необходимо охлаждение алюминиевых профилей на выходе из пресса со скоростью не ниже некоторой критической скорости. Эта скорость зависит от химического состава алюминиевого сплава. Обычно усиленного охлаждения вентиляторами бывает достаточно для большинства алюминиевых профилей, однако иногда бывает необходимым и охлаждение их водой или смесью воздуха и воды. Успешная закалка алюминиевых сплавов серии 6ххх зависит от толщины профиля, а также от типа сплава и его химического состава. В случае чрезмерно массивных алюминиевых профилей, например, из сплава АД33 (6061) и относительно медленной скорости прессования материал на выходе из матрицы может не достигать интервала температур, необходимого для закалки и часть частиц Mg2Si останется не растворенной. Поэтому при последующем воздушном, или даже водяном, охлаждении профилей их полной закалки не получится. В таких случаях применяют отдельный нагрев под закалку в специальных печах – обычно вертикальных с последующим охлаждением в вертикальных баках с водой. После закалки алюминиевых профилей производят их растяжение на 1,5 – 3 % для правки и снятия остаточных напряжений.

Старение алюминиевых профилей: искусственное и естественное

Заключительной операцией термической обработки алюминиевых профилей является старение, естественное или искусственное. Естественное старение происходит само собой в течение некоторого времени, разного для различных алюминиевых сплавов – от нескольких недель до нескольких месяцев. Искусственное старение производят в специальных печах старения.

Склонность к трещинообразованию

Существенным затруднением при сварке алюминиевых сплавов является склонность их к образованию трещин. Некоторые сплавы склонны к образованию горячих трещин, возникающих в период кристаллизации металла сварочной ванны, в других образуются холодные трещины, обнаруживаемые иногда спустя несколько месяцев после сварки.

Трещины всех типов чрезвы­чайно опасны для конструкций, так как могут привести к внезап­ному и полному их разрушению.

Горячие трещины выявлять несколько проще, так как все сварные швы при изготовлении конструкций подвергают различ­ным методам контроля. Холодные трещины особенно опасны тем, что возникают в конструкциях, эксплуатируемых или находя­щихся на хранении как бездефектные. Разрушения от холодных трещин наступают неожиданно. В некоторых случаях растрески­вание протекает в коррозионной среде. Поэтому все алюминиевые сплавы, прежде чем использовать для изготовления конструкций, необходимо тщательно исследовать на склонность к образованию горячих и холодных трещин.

Склонность алюминиевых сплавов к образованию трещин уве­личивается с увеличением количества в них легирующих элемен­тов, с повышением их прочности. Это относится к таким сплавам, как В95, В96, М40, 01915, 01911, 01063, ВАД23 и др.

Трещины при сварке возникают при достижении предельной деформации в металле шва или в зоне взаимной кристаллизации. В результате неравномерного распределения температур при сварке также в отдельных зонах металла возникают растягиваю­щие напряжения. При остывании шва растягивающие напряжения возникают в зоне, где при нагреве была максимальная температура. В высоколегированных сплавах по границам зерен образуются эвтектики, которые в момент кристаллизации зерен остаются жидкими, имеют низкую прочность и при приложении растягиваю­щих напряжений легко разрушаются.

Возникновение трещин

Возможность возникновения трещин помимо химического со­става сплава определяется также другими факторами, задающими величину и темп развития деформации в определенные промежутки времени. Величина и темп развития деформации металла на различных этапах нагрева и охлаждения зависят от режима сварки, условий охлаждения и жесткости закрепления.

Холодные трещины в алюминиевых сплавах могут быть не только металлургического происхождения, но и возникать от не­правильного применения некоторых технологических операций. Например, проковка сварных швов может приводить к образова­нию трещин, иногда не выходящих на поверхность металла. Выяв­ление таких дефектов затруднительно, поэтому в случае необхо­димости проведения подобных операций требуется тщательное предварительное исследование.

Чистый алюминий марок AB0000, АВ000, АВОО не склонен к образованию горячих трещин. Стойкость к образованию трещин снижается при увеличении содержания кремния, а также может снижаться или повышаться в зависимости от содержания железа. Алюминий других марок проявляет склонность к образованию трещин особенно при сварке листов и плит большой толщины. Подавление склонности к образованию горячих трещин в сплавах, содержащих до 0,35% Si, достигается таким содержа­нием железа, что выдерживается отношение Fe: Si&gt,= 0,5. При более высоком содержании кремния соединение без трещин может быть получено при соотношении указанных элементов больше единицы.

Сплавы системы А1—Мп применяют только с содержанием 1,2—1,6% Мп (сплав АМц). Этот сплав относится к числу хорошо сваривающихся. Тонкие листы (до 3 мм) свариваются без трещин. При сварке листов большей толщины склонность к образованию горячих трещин зависит также от содержания железа и кремния. У сплавов типа АМц, содержащих более 0,2% Fe, при соотноше­нии Fe: Si&gt, 1 склонность к образованию трещин близка к нулю. При содержании более 0,2% Siдолжно сохраняться соотношение Fe: Si&gt, 1.

Сплавы системы А1—Mgобладают меньшей склонностью к об­разованию горячих трещин, чем сплавы систем А1—Си и А1—Si. Наибольшая склонность к образованию трещин наблюдается при сварке тавровых проб сплава, содержащего 1—2% и 2,5 — 3,9% Mgпри испытаниях на образцах крестовой пробы [17, 121]. Для предотвращения образования трещин необходимо применять при­садочный материал с большим содержанием магния.

К термически упрочняемым сплавам системы А1—Mg—Siотносятся применяемые в СССР сплавы АВ, АК6-1 и АКВ. Упроч­нение этих сплавов достигается за счет выделения фазы Mg2Siпри старении. Особенностями свариваемости таких сплавов яв­ляются повышенная склонность к образованию горячих трещин в процессе сварки и разупрочнение в околошовной зоне. Наиболь­шую склонность к образованию горячих трещин проявляют сплавы, содержащие 0,2—2% Siи 0,2—1,5% Mg. Склонность к образованию горячих трещин определяется наличием легкоплавкой трой­ной эвтектики А1—Mg—Mg2Si, а также двойных эвтектик А1—Mg2Siи А1—Si, расширяющих интервал твердожидкого состояния сплава.

Использование присадочных материалов

В сварных соединениях сплавов типа авиаль значительное уменьшение склонности к образованию горячих трещин может быть достигнуто при использовании присадочных материалов с со­держанием 4,5—6,0% Si. При этом склонность к образованию трещин, определяемая по крестовой пробе, уменьшается с 60% до 0. Таким присадочным материалом может быть проволока СвАК5.

Применение присадочных проволок, содержащих не­сколько процентов магния, например, АМг6, также исключает образование трещин в шве, но одновременно с этим интенсивно развиваются околошовные трещины. Это связано с более широким интервалом твердо-жидкого состояния и большей линейной усад­кой металла шва, выполненного таким присадочным материалом. При сварке сплава такого типа с применением присадочной про­волоки, содержащей 5% Si, получаются швы, пониженные меха­нические свойства которых не могут быть повышены термической обработкой.

При сварке деталей из сплава типа АВ хорошие результаты получены при использовании присадочного материала, содержа­щего 0,9% Mg, 2,3—3,5% Si, а также 0,25% Ті, 0,4% Мп или 0,2% Сг. Испытаниями на крестовой пробе трещины не обнару­жены. Швы, выполненные с помощью этой присадки, имеют один цвет с основным металлом после анодирования в отличие от швов, выполненных с присадкой СвАК5. Сплавы АК6 и АК8, со­держащие 2,2 и 4,3% Cu, склонны к образованию горячих трещин при сварке крестовой пробы. Эта склонность уменьшается при вве­дении в них 0,08—0,15% Ті.

К сплавам системы А1—Си относятся литейные АЛ7, АЛ 12 и деформируемый Д20. Сваривающийся сплав Д20 содержит 0,4— 0,8% Мп и 0,1—0,2% Ті. Последний значительно измель­чает зерно металла шва. Для повышения стойкости против трещин в сплаве должно быть не более 0,3% Fe, 0,2% Siи 0,05% Mg.

Дуралюмины относятся к системам Аl—Cu—Mg—Mn и Аl— Cu—Mg—Mn—Si. Основные марки дуралюмина Д1, Д6, Д16, 3125, АК8, ВД17. При сварке эти сплавы обладают повышенной склонностью к образованию трещин, а их сварные соединения имеют пониженные значения механических свойств в зоне сплавле­ния со швом.

Применением присадочных проволок типа СвАК5 и В61 можно снизить вероятность образования трещин при любом способе сварки. Существенное значение при этом имеет правильный подбор режимов сварки. Низкая пластичность шва и зоны сплавления обусловлена тем, что по границам оплавленных зерен распола­гаются хрупкие прослойки интерметаллидов.

Одним из наиболее распространенных сплавов системы Аl— Zn—Mg—Cu является сплав В95. Для повышения коррозионной стойкости листы из спла­вов В95 плакированы сплавом, содержащим 3,5% MgZn2.

Сплав В95 склонен к образованию горячих и холодных тре­щин. Последние наблюдаются только при газовой сварке. Для сварки сплава В95 применяют присадочный материал химического состава: 6% Mg, 3% Zn, 1,5% Cu, 0,2% Mn, 0,2% Ті, 0,25% Cr или 5% Mg, 0,2—1,5% Cu, 10% Zn, 0,2% Mn, 0,2% Ті, 0,25% Cr, остальное Аl. Можно также использовать сплавы, содержащие 3% Mg, 6% Zn, 0,5—1% Ті или 8—10% Mg, остальное Аl.

Закалка и старение алюминия и алюминиевых сплавов

Закалке и старению подвергаются как деформируемые, так и литейные сплавы, содержащие легирующие элементы, образующие при старении упрочняющие частицы. Нагрев под закалку производится до температур, обеспечивающих необходимое насыщение сплава легирующими элементами. Чрезмерное повышение температуры может привести к росту зерна и оплавлению неравновесных эвтектик на границах зерен и к снижению механических свойств. В то же время выдержка при температуре нагрева должна обеспечить наиболее полное растворение интерметаллидных фаз, она зависит от величины частиц ннтерметаллндных фаз и характера их распределения в исходном состоянии.

Для деформируемых сплавов выдержки при нагреве выбирают значительно меньшими, чем для литейных, так как в первом случае исходная структура состоит из более дисперсных включений вторичных фаз. Охлаждение при закалке проводят со скоростью выше критической. Критическая скорость охлаждения зависит от устойчивости переохлажденного твердого раствора. Например, закалка сплава Д16 осуществляется в воде, а тонкостенных деталей из А1 — Zn — Mg — на воздухе. Практически в большинстве случаев алюминиевые сплавы охлаждаются в воде.

Рис. 16.1. Структура сплава Д16 после закалки с температурой: a — 530° С, б — 560° С, в — закалка с 505° С, 4- старение при 300° С

После закалки образуется пересыщенный твердый раствор и различное количество первичных выделений (рис. 16.1, а).

Исправление дефектов

Газоэлектрическая сварка металлов является сложным технологическим процессом, в ходе которого возможно появление дефектов, не допустимых по условиям работы сварных конструкций. Необходимость исправлений дефектов определяют по результатам дефектоскопического контроля согласно техническим условиям на приемку сварных соединений.

Удаление дефектного участка шва следует производить в зависимости от размера сварного соединения пневматическим зубилом, шарошкой, шабером, но ни в коем случае не абразивным инструментом, так как абразив остается в металле шва и качество поверхности выборки получается неудовлетворительным.

Форма разделки дефектного места должна иметь плавный переход к окружающим участкам сварного соединения. Перед подваркой проводят дополнительный контроль дефектного места, чтобы подтвердить устранение дефекта. Подварку выполняют ручной или полуавтоматической сваркой с соблюдением всех требовачий подготовки деталей и материалов к сварке. После подварки производят окончательный контроль согласно техническим условиям на приемку сварных соединений. При сварке деталей из термически упрочняемых алюминиевых сплавов следует иметь в виду, что каждая подварка при исправлении дефектного участка шва приводит к снижению прочности сварного соединения из-за дополнительного разупрочнения металла в зоне термического влияния при повторных нагревах. Поэтому при сварке термически упрочняемых сплавов необходимо в каждом отдельном случае рассматривать вопрос о допустимости более чем однократной подварки или допустимости подварки вообще.

Старение алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы, которые упрочняются старением, содержат определенное количество растворимых легирующих элементов, например, некоторых комбинаций из меди, магния, кремния, марганца и цинка. При соответствующей термической обработке эти растворенные атомы соединяются в виде очень малых частиц, которые выделяются внутри зерен алюминиевого сплава. Этот процесс и называют старением, так он происходит «сам собой» при комнатной температуре. Для ускорения и достижения большей эффективности упрочнения алюминиевого сплава старение проводят при повышенной температуре, скажем, 200 °С.