Закалка катанки из алюминиевого сплава АВЕ

Алюминиевые сплавы упрочняют термической обработкой, состоящей из закалки и старения. Цель закалки — получить в сплаве предельно неравновесное фазовое состояние — пересыщенный твердый раствор с максимально возможным содержанием легирующих элементов [1–3].

Основными легирующими элементами сплава АВЕ являются магний и кремний. Сплав АВЕ относится к деформируемым сплавам. Кроме основных компонентов присутствуют так же марганец, медь и хром. Наличие этих элементов приводит к дополнительному упрочнению сплавов после естественного или искусственного старения. Благотворное влияние марганца и хрома заключается в повышении коррозионной стойкости сплавов. Марганец и хром препятствуют, кроме того, образованию выделений из твердого раствора по границам зерен. В отличие от указанных элементов медь вызывает снижение коррозионной стойкости, т.е. к увеличению склонности к межкристаллитной коррозии в искусственно состаренном состоянии.

Закалка обеспечивает, с одной стороны, повышение, по сравнению с равновесным состоянием после отжига, твердости и прочности при сохранении пластичности, а с другой — возможность дальнейшего упрочнения при старении.

Высокая пластичность сплава АВЕ после закалки позволяет подвергать катанку волочению, так как легирующие элементы находятся в твердом растворе. При старении структура сплавов приближается к равновесной в результате распада пересыщенного твердого раствора и образования мелкодисперсных частиц. При этом повышаются твердость, прочность, снижается пластичность, возрастает сопротивление коррозии.

Закалка деформируемых сплавов заключается в нагреве до 520 — 530°C и выдержке при температуре, когда вторичная фаза полностью растворится в твердом растворе, и последующем быстром охлаждении до температуры 20°C. В результате закалки структура, равновесная при температуре нагрева, фиксируется при температуре 20°C, так как при быстром охлаждении не происходит распад твердого раствора. После закалки получается пересыщенный твердый раствор.

Охлаждение при закалке производится со скоростью больше критической — минимальной скорости охлаждения, при которой не происходит распад пересыщенного твердого раствора. В промышленности большинство алюминиевых сплавов при закалке охлаждают в воде с температурой до 40°C. Скорость охлаждения тонкостенных изделий в холодной воде (600...800°C/c) значительно превосходит критические скорости охлаждения сплавов (10...120 °C/c). Такие условия охлаждения обеспечивают значительную прокаливаемость. Изделия из алюминиевых сплавов прокаливаются насквозь в толщинах 120..150 мм.

Пересыщенный твердый раствор закаленного сплава отличается повышенным уровнем свободной энергии. Распад твердого раствора, происходящий при старении, приближает фазовое состояние к равновесному.

Основными параметрами старения являются температура и продолжительность выддержки. Старение может развиваться без нагрева при 20°C — естественное старение или искусственное старение при повышенных температурах 160—170°С в течение 10—12 ч. Старение приводит к структурным изменениям, вызывающим упрочнение за счет выделения Mg2S.

Критическая скорость закалки сплава АВЕ равна 17 °С/с [4]. Реализовать такую скорость закалки способами, опубликованными в [5], можно только для бухт определенного размера. На рис. 1 представлено изменение температуры центрального слоя бухты при охлаждении водой с температурой 20°С. Закалка завершается при охлаждении до 150°С [3]. При толщине стенки бухты 160 мм (кривая 1) температура от 520 до 150°С падает за 21 с, т.е. скорость закалки составляет 17 °С/с. При толщине стенки бухты 200 мм (кривая 2) скорость закалки — 12 °С/с, что меньше критической.

Исходные данные: коэффициент заполнения бухты 0,866; плотность сплава 2700 кг/м³, с учетом коэффициент заполнения бухты — 2350 кг/м³; теплоемкость 796 Дж/(кг °С), с учетом коэффициент заполнения бухты 689 Дж/(кг·°С); теплопроводность сплава 171 Вт/(м·°С) с учетом [5] — 60 Вт/(м·°С). Коэффициент теплопередачи при скорости струи 15 м/с: 7·104 Вт/(м² °С) [6]. Размер бухты для кривой 1 (рис. 1): внешний радиус — 670 мм, внутренний — 510 мм; высота 900 мм, масса — 1248 кг.

Была применена конечно-разностная схема в цилиндрической системе координат, сетка 80х80, шаг по времени 0,01 с.

На рис. 2 представлен аппарат для закалки бухты алюминиевой катанки.

Аппарат состоит из корпуса 1 и крышки 2. Бухта 5, находящаяся на поддоне, после нагрева в печи до 520°С помещается в аппарат. В форсунки под давлением подается вода, скорости капельной струи должна быть не менее 15 м/с. Форсунки расположены со всех сторон бухты. Закалка длится 20 с, толщина стенки бухты не должна быть более 160 мм.

Литература
1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка. — М.: Металлургия, 1993.
2. И. Н. Фридляндер, К. В. Чуистов, А. Л. Березина, Н. Н. Колобнев. Алюминий-литиевые сплавы. Структура и свойства. — Киев: Наукова думка, 1992.
3. Воронцова Л.А., Маслов В.В., Пешков И.Б. Алюминий и алюминиевые сплавы в электротехничесих изделиях. — М.: Энергия, 1971. — 224 с.
4. Машиностроение. Справочник. Энциклопедия. Под ред. Фролова К.В. т. 2-3, 2001.
5. Ковригин Л.А., Бармина О.В. Управление в ходе технологического процесса скоростью охлаждения бухты катанки из алюминиевого сплава. «Кабель-news», №12-1, 2009г.
6. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. — М: Высш. шк., 1988. — 479 с.