ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОДБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ИСКУССТВЕННОГО СТАРЕНИЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AlMgSi ПО КРИТЕРИЮ ТВЕРДОСТИ

АННОТАЦИЯ

Процесс термической обработки низколегированных алюминиевых сплавов системы AlMgSi, именуемый искусственным старением, предназначен для корректировки физических характеристик сплава, за счет воздействия на него высокими температурами в течение определенного количества времени. Как правило, технология и техпроцесс искусственного старения подбираются в зависимости от геометрических характеристик образцов, подвергающихся старению, концентрации в них легирующих элементов, а также технологических возможностей организации процесса искусственного старения в целом.

Искусственное старение низколегированных алюминиевых сплавов, по сути представляющее собой процесс закаливания, можно охарактеризовать некоей аналитической моделью, которая хоть и описана в ряде исследований и ресурсов, имеет весьма общий вид, что затрудняет объективную оценку критериев эффективности рассматриваемого процесса, в частности – критерия HW.

К значительному повышению точности результатов научных исследований по данной теме, авторами предлагается интервальный метод исследования процесса искусственного старения низколегированных алюминиевых сплавов, на примере экспериментального закаливания образцов из сплава EN AW-6063 по ГОСТ 4784-2019. Для этого, было произведено несколько опытных закаливаний алюминиевых образцов длиной 3,5 м и с прямоугольным сечением 5x40мм, после чего, была измерена твердость каждого из них и сформирована графическая зависимость t-HW, для изотермических условий искусственного старения. Полученная графическая характеристика условно разделяется на интервалы исследования, каждый из которых характеризует ту или иную фазу течения процесса искусственного старения.

ABSTRACT

The process of heat treatment of low-alloy aluminum alloys of the AlMgSi system, called as an artificial aging, is designed to correct the physical characteristics of the alloy, due to exposure to high temperatures for a certain amount of time. As a rule, the technology and technological process of artificial aging are selected depending on the geometric characteristics of the samples undergoing aging, the concentration of alloying elements in them, as well as the technological capabilities of the organization of the artificial aging process as a whole. Artificial aging of low–alloy aluminum alloys, which is essentially a hardening process, can be characterized by a certain analytical model, which, although described in a number of studies and resources, has a very general appearance, which makes it difficult to objectively assess the effectiveness criteria of the process under consideration, in particular, the HW criterion.

To significantly improve the accuracy of the results of scientific research on this topic, the authors propose an interval method for studying the process of artificial aging of low-alloy aluminum alloys, using the example of experimental hardening of samples from the alloy EN AW-6063 according to GOST 4784-2019. To do this, several experimental hardening of aluminum samples with a length of 3.5 m and a rectangular cross section of 5x40mm was performed, after which the hardness of each of them was measured and a graphical dependence t-HW was formed for isothermal conditions of artificial aging. The resulting graphical characteristic is conditionally divided into study intervals, each of which characterizes a particular phase of the artificial aging process.

Ключевые слова: Алюминий, сплав, низколегированный сплав, система сплава AlMgSi, твердость, вебстер, печь, время, час, график, искусственное старение, закалка.

Keywords: Aluminium, alloy, low alloy, AlMgSi alloy system, hardness, webster, furnace, time, hour, schedule, artificial aging, hardening.

Введение

Приблизительно 70 % объема низколегированного алюминия находится в постоянном обороте экструзионного и штамповочного производства. Преимущественно, это сплавы семейства 6ххх, среди которых наиболее распространенными являются сплавы EN AW-6060/6063, а также сплавы 6005А и 6061. Ключевой особенностью данных сплавов является их деформируемость и термическая упрочняемость, обеспечиваемая технологической операцией искусственного старения. В ходе данного процесса, алюминиевые изделия получают необходимый предел прочности, а также сопутствующие характеристики – относительное удлинение и гомогенность.

Объекты исследования

Образцы сплава алюминия EN AW-6063 по ГОСТ 4784-2019, пронумерованные, в форме экструдированных профилей, длины 3,5 м прямоугольного сечения 5х40мм. Печь старения, с регулируемым интервалом термического режима [180-225]°C. Твердомер Вебстера.

Постановка задачи исследования

Задача исследования заключалась в получении универсальных ссылочных данных для значений твердости низколегированных алюминиевых сплавов, достигаемых за различные промежутки времени закалки, что позволит существенно повысить точность прогнозирования успешности процесса искусственного старения.

Методика исследования

В рамках исследования рассматривался ряд условий организации процесса искусственного старения тестовых образцов (см. выше) в соответствующих печах старения. Переменным критерием в данном случае выступала длительность старения. Каждый опыт проводился в изотермических условиях, для температурного режима 220°С. По извлечению каждого образца из печи, измерялась его твердость в Вебстерах (HW) (табл.1).

Главный интерес в данном исследовании представляла связь между временем (длительностью) искусственного старения образцов и их твердостью после завершения оного. Предполагалось фиксирование соответствующих данных в сводную таблицу, использование которой в дальнейшем, в качестве ссылочного материала для общего случая имело бы место быть.

Как оказалось, к определенному моменту времени процесса искусственного старения образцов, твердость сплава достигает своих пиковых значений [1, pp. 2-3]. Этому моменту предшествует интервал увеличения твердости сплава, ориентировочную длительность которого (6 часов) удалось установить с помощью сравнения показателей твердости образцов №2 и №4, старение которых длилось 5 и 7 часов соответственно (табл.1). Кроме того, в определенном диапазоне интервала увеличения твердости наблюдалась стабилизация твердости сплава. Это наводит на мысль о том, что в процессе искусственного старения низколегированных алюминиевых сплавов вовсе необязательно выжидать утвержденную точку пиковой твердости, т.к. вероятнее всего, она находится практически на одном уровне значений для интервала стабильной твердости, и не всегда в его начальных промежутках.

По прохождению интервала стабильной твердости при старении наступает интервал «перестаривания». Данный интервал в большинстве случаев имеет отрицательный эффект, а её последствия необратимы: сплав, перешедший в фазу перестаривания теряет в твердости, при этом его повторное закаливание уже никак не компенсирует эти потери (Рис. 1) [2, с. 69 ;3, сс. 52-53]:

Рисунок 1. Изменение твердости сплава в процессе искусственного старения

В ходе исследования, для каждого случая (опыта) фиксировалось два параметра – время (длительность) искусственного старения и твердость сплава в Вебстерах. Ниже представлена таблица с зарегистрированными значениями:

Таблица 1.

Результаты опыта, проведенного в рамках исследования

На основании полученных данных, был построен соответствующий график (Рис. 2):

Рисунок 2. Графическое представление результатов проведенных экспериментов

На рис.2. видно, что в интервале времени [4…6] часов твердость сплава растет. Интервал [6…8] часов условно можно рассматривать как интервал стабильной твердости, т.к. в этом временном промежутке твердость сплава остается практически неизменной. Кроме того, максимальное значение HW в интервале стабильной твердости принимается как пиковая твердость сплава в целом. Наконец, после 8 часов искусственного старения, было зафиксировано понижение твердости сплава, что охарактеризовало данный временной интервал как перестаривание. Точка пиковой твердости была достигнута на 7-час закалки и составила 9.5 HW.

Практическая значимость проведенного исследования

Проведенное исследование позволило:

1. Выявить и обозначить уточненные длительности интервала увеличения твердости, а также интервалов стабильной твёрдости и перестаривания для низколегированных алюминиевых сплавов системы AlMgSi, на примере сплава EN AW-6063

2. Определить точку пиковой твердости, что позволило существенно сократить время технологического ожидания на производстве при расположении оной ранее точки, установленной стандартом предприятия (если ранее, точкой пиковой твердости считалась твердость, достигаемая после 8 часов закалки, то в настоящем исследовании удалось выяснить, что практически, значение максимальной твердости достигается уже на 7-час процесса искусственного старения – прим. авт.).

Заключение

Данное исследование было направлено, в первую очередь, на поиск и определение оптимальных временных интервалов искусственного старения низколегированных алюминиевых сплавов.

Применение описанного подхода к исследованию процесса искусственного старения на фактическом алюминиевом производстве позволило сократить совокупную длительность процесса искусственного старения (закалки) алюминиевой продукции на 1 час. Очевидно, это положительно сказывается на экономии как трудовых, так и энергетических ресурсов, затрачиваемых в рассматриваемом процессе.

Результаты данного исследования могут оказаться весьма полезными к изучению и практическому применению специалистами производственных линий предприятий по изготовлению алюминиевой продукции из низколегированных алюминиевых сплавов системы AlMgSi.

Список литературы:

1. Alammar, A. (2017). Aluminium Alloy General Age Hardening Time effect on age hardening. 10.13140/RG.2.2.14357.63205// Experiment Findings, March 2017.
2. Бер Л. Б. О стадиях старения алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2013. №4.
3. Ибрахимов Ф.Ф. STUDY OF THE DEPENDENCE BETWEEN THE CRITERIA OF THE HARDNESS OF ALUMINUM ALLOY EN AW-6063, THE DURATION OF HEAT TREATMENT AND THE GEOMETRIC CHARACTERISTICS OF  SAMPLES ON THE EXAMPLE OF ANALYSING THE PROCESS OF ARTIFICIAL AGING// Proceedings of the XXVII International Multidisciplinary Conference «Prospects and Key Tendencies of Science in Contemporary World». Bubok Publishing S.L., Madrid, Spain. 2023. DOI:10.32743/SpainConf.2023.1.27.352188