Термообработка T6 после горячей ковки алюминия: как методы обработки раствором и старения влияют на стабильность размеров компонентов из сплава 6061.

Для большинства покупателей высокоточных изделий, которые заходят в наш цех в Нинбо, разговор о термообработке T6 начинается не с того конца. Они спрашивают о времени и температуре старения, потому что это параметры, которые они могут увидеть на графике печи, и оставляют более сложные вопросы о скорости закалки, остаточных напряжениях и припуске на механическую обработку поставщику. После того, как я снова и снова наблюдал одни и те же дефекты в виде деформации и выхода за пределы допусков при входном контроле, я хочу рассказать, как на самом деле работает протокол T6 для кованой детали из сплава 6061, что делает каждый этап с деталью и где на самом деле определяется необходимая вам стабильность размеров при входном контроле. Если вы покупаетедетали из алюминия, изготовленные методом горячей ковки на заказВ случае конструкционной или прецизионной сборки, именно инженерные решения, лежащие в основе термообработки, определяют, будет ли ваш план входного контроля выполнен безупречно или же он затянется.

Что на самом деле происходит с заготовкой из сплава 6061 при термообработке T6?

T6 — это обозначение из системы термообработки Ассоциации производителей алюминия, описывающее конкретный двухэтапный термический процесс, применяемый к кованой (или иным образом обработанной) детали из сплава 6061. Первый этап,обработка растворомНа первом этапе деталь нагревают примерно до 525–535 градусов Цельсия и выдерживают при этой температуре достаточно долго, чтобы магний-кремнийсодержащие (Mg2Si) и медьсодержащие осадки растворились в однофазном твердом растворе. На втором этапе...искусственное старениеВ ходе этой процедуры деталь нагревают примерно до 175–185 градусов Цельсия в течение 8–12 часов, чтобы осадить легирующие элементы в виде мелкодисперсных упрочняющих фаз по всей алюминиевой матрице. Между этими двумя этапами деталь охлаждают до комнатной температуры, чтобы растворенные легирующие элементы оказались в пересыщенном твердом растворе, где на этапе старения их можно осадить контролируемым образом.

Причина, по которой термообработка T6 является доминирующей для конструкционных компонентов из сплава 6061, заключается в механических характеристиках. Деталь из сплава 6061, закаленная в термообработке T6, достигает предела текучести в диапазоне 200 МПа и предела прочности на растяжение в диапазоне от 200 до 300 МПа, при этом относительное удлинение обычно составляет от 10 до 15 процентов. Без термообработки T6 кованая деталь из сплава 6061 находится в термообработке O или F и примерно вдвое менее прочна, что практически по определению выводит её за рамки конструкционных компонентов. Для покупателей, занимающихся поиском поставщиковкованые детали от производителя, который проводит собственную термообработку.Комплектация T6 редко предлагается в качестве опции; это стандартная комплектация.

Почему вопрос о размерной стабильности действительно имеет значение?

Кованые детали из сплава 6061 обычно обрабатываются с высокой точностью после термообработки, часто в диапазоне IT7-IT8 для элементов, которые соединяются с другими компонентами в сборке. Сочетание стадии закалки (которая создает остаточные напряжения, поскольку поверхность охлаждается быстрее, чем сердцевина) и стадии старения (которая вызывает небольшое, предсказуемое объемное сжатие по мере образования осажденных частиц) означает, что деталь немного смещается между ковкой, термообработкой и окончательной механической обработкой. Покупатель, который рассматривает чертеж после ковки как чертеж после термообработки, увидит смещенные элементы при входном контроле. Правильный подход заключается в том, чтобы спроектировать чертеж после ковки с документированным припуском на механическую обработку, который компенсирует предсказуемое изменение размеров, и проверить этот припуск по фактическим данным термообработки от поставщика, прежде чем утверждать производственный чертеж.

Изменение размеров состоит из трех компонентов. Во-первых,Искажение, вызванное закалкой, которая является геометрической и зависит от формы детали, изменения толщины сечения и скорости закалки. Во-вторых,вызванное старением объемное сокращение, которая составляет примерно от 0,1 до 0,3 процента линейной и равномерна по всей детали, поэтому ее можно компенсировать равномерным коэффициентом усадки в ковочном штампе. В-третьих,послемеханическая деформацияЭто происходит из-за снятия остаточных напряжений в процессе черновой обработки, когда материал удаляется с ограниченной поверхности. Третий компонент определяет, получит ли покупатель детали, прошедшие окончательную проверку, или детали, не прошедшие ее, и именно для устранения этого компонента и существует этап снятия напряжений T651.

Диапазон рабочих температур раствора: от 525 до 535 градусов Цельсия.

Стандартная температура термической обработки для сплава 6061 находится в диапазоне от 525 до 535 градусов Цельсия. Нижняя граница диапазона определяется необходимостью полного растворения осажденных частиц Mg2Si; ниже примерно 520 градусов Цельсия растворение является неполным, и деталь после старения будет обладать недостаточной прочностью. Верхняя граница диапазона определяется начальной температурой плавления медьсодержащих фаз, которая начинается примерно при 580 градусах Цельсия; выше примерно 540 градусов Цельсия резко возрастает риск эвтектического плавления границ зерен, и деталь не пройдет испытания на пластичность, даже если она кажется металлургически исправной.

Обычно время выдержки при заданной температуре составляет от 30 до 60 минут на каждый дюйм максимальной толщины сечения после достижения деталью заданной температуры. Для сечения толщиной 25 мм обычно требуется 30 минут; для сечения толщиной 100 мм — примерно 60 минут; для сечения толщиной 200 мм — от 90 до 120 минут. Если термообработка выполняется с использованием одного фиксированного времени для всех толщин сечения, то либо происходит недостаточная выдержка толстых сечений, либо передержка тонких, что проявляется при механических испытаниях.

Равномерность температуры в печи — наиболее недооцененная характеристика во всей цепочке термообработки T6. Печь, в которой температура в рабочей зоне колеблется на плюс-минус 10 градусов Цельсия, производит детали, находящиеся в разных точках кривой термической обработки, что означает, что некоторые детали проходят надлежащую термообработку, а другие — нет, даже если они были изготовлены из одной и той же партии. Отраслевой стандарт для аэрокосмической и прецизионной термообработки — это...АМС 2750, который устанавливает требования к равномерности температуры в печах для термообработки на уровне плюс-минус 5 градусов Цельсия или лучше для алюминиевых сплавов. Поставщик, который может документально подтвердить равномерность температуры в печи в соответствии с этим стандартом, считается поставщиком, качество термообработки которого подлежит аудиту.

Этап закалки: с него начинается большинство отказов хладагентов T6.

На стадии закалки растворенные легирующие элементы оказываются в растворе при комнатной температуре, и именно на этой стадии создается большая часть остаточных напряжений, вызывающих деформацию после механической обработки. Скорость охлаждения в критическом температурном диапазоне, примерно от 400 до 200 градусов Цельсия для сплава 6061, должна быть достаточно высокой, чтобы подавить преждевременное осаждение Mg2Si, которое привело бы к недосостаренной и мягкой детали после стадии старения. Если скорость охлаждения слишком низкая, осадки образуются во время закалки, а не во время контролируемой стадии старения, и деталь никогда не достигнет пиковой прочности, независимо от продолжительности старения.

Закалка в воде при комнатной температуре обычно обеспечивает критическую скорость охлаждения для тонких профилей, но та же закалка на толстом профиле создает резкий температурный градиент между поверхностью и сердцевиной, что приводит к остаточным напряжениям и деформации после закалки. Полимерные закалочные среды, как правило, растворы полиалкиленгликоля (ПАГ) с концентрацией от 10 до 25 процентов, широко используются для кованого сплава 6061, поскольку концентрацию можно регулировать для обеспечения необходимой скорости охлаждения для заданной толщины профиля. Более высокая концентрация обеспечивает более медленную закалку и меньшее остаточное напряжение за счет некоторого снижения пиковой прочности; более низкая концентрация обеспечивает более быструю закалку и более высокую пиковую прочность за счет большей деформации.

Горячая вода (от 60 до 80 градусов Цельсия) — еще один вариант, который достаточно замедляет закалку, чтобы уменьшить остаточные напряжения, и иногда используется для толстостенных кованых изделий, где риск деформации перевешивает снижение прочности. Закалка на воздухе, как правило, неприемлема для сплава 6061, поскольку скорость охлаждения слишком низка, чтобы предотвратить преждевременное осаждение; деталь останется в мягком, неспущенном состоянии независимо от того, как долго она будет подвергаться последующему старению.

Из нашего цеха:Наиболее распространенная причина поломки при термообработке T6, которую мы наблюдаем на поступающих кованых изделиях, — это не недогрев или перегрев. Это деформация, вызванная неконтролируемой скоростью закалки, когда поставщик использовал холодную воду, поскольку это стандартный режим, а изменение толщины сечения кованого изделия привело к возникновению градиентов остаточных напряжений, которые деформировали деталь во время первой черновой обработки в цехе покупателя. Решением проблемы редко является увеличение цикла закалки; это более эффективный протокол закалки, соответствующий фактической толщине сечения.

Цикл старения: от 175 до 185 градусов Цельсия в течение 8-12 часов.

Для сплава 6061 в термообработке Т6 стандартный цикл искусственного старения составляет от 175 до 185 градусов Цельсия в течение 8–12 часов, в зависимости от конкретных целевых свойств и практики печи поставщика. Кривая старения имеет классическую форму дисперсионного упрочнения: твердость возрастает в течение первых 6–8 часов по мере образования бета-штрих-преципитатов Mg2Si, стабилизируется на пике примерно через 8–12 часов, а затем медленно снижается после 16–20 часов по мере начала перестарения.

Недостаточное старение (менее 6 часов) приводит к снижению прочности и твердости детали ниже пикового значения. Избыточное старение (более 20 часов) приводит к снижению прочности в пользу термической стабильности, что иногда является преднамеренным компромиссом для работы в условиях высоких температур, но редко соответствует требованиям заказчика высокоточных изделий. Заказчик, которому необходима как максимальная прочность при температуре T6, так и предсказуемое изменение размеров, должен проводить старение до пикового значения, которое составляет примерно 10 часов при 180 градусах Цельсия для большинства калибровок печей, и допускать отклонение времени старения не более чем на плюс-минус 1 час.

Равномерность температуры в печи во время старения так же важна, как и во время обработки раствором, но по другой причине. Во время старения деталь выдерживается в течение многих часов, и 10-градусный температурный градиент по всей партии приводит к эффективному градиенту времени старения, поскольку детали с более высокой температурой стареют быстрее. В результате детали в одной и той же партии находятся в разных точках кривой старения, что является именно тем видом несоответствия, который приводит к провалу приемочных испытаний партии.

T651: Температура закалки, которую следует выбирать покупателям прецизионных часов по умолчанию.

T651 — это вариант стали T6 с термической обработкой для снятия напряжений: деталь проходит те же этапы растворения и закалки, затем растягивается (обычно на 1–3% остаточной пластической деформации вдоль основного направления ковки) для снятия остаточных напряжений, возникших в результате закалки, и, наконец, подвергается старению до состояния стали T6. Растягивание преобразует большую часть остаточных напряжений в равномерное сжимающее напряжение, которое не смещает деталь во время последующей обработки, поскольку сжимающее напряжение фиксируется микроструктурой, а не накапливается в виде упругой деформации.

Заказчику, планирующему обрабатывать детали с жесткими допусками (плоскостность менее 0,05 мм на 100 мм, параллельность менее 0,02 мм или соответствие стандарту IT6), следует выбрать сплав T651, а не T6, поскольку обработка только сплавом T6 оставляет остаточные напряжения, которые снимаются во время первого чернового прохода и вызывают деформацию при чистовой обработке. Разница в стоимости сплава T651 по сравнению со сплавом T6 невелика на уровне термообработки, поскольку операция растяжения добавляет всего несколько секунд к циклу и требует небольших инвестиций в оборудование, но снижение процента брака при входном контроле обычно более чем компенсирует затраты.

Припуск на механическую обработку: место соединения термической обработки и чертежа.

Практический припуск на механическую обработку кованой детали из сплава 6061, проходящей термообработку до температуры T6, составляет примерно от 1,5 до 3,0 мм на обработанную поверхность для деталей малого и среднего размера (длина более 200 мм), и пропорционально больше для деталей большего размера. Припуск должен компенсировать три источника изменения размеров: деформацию, вызванную закалкой (обычно от 0,1 до 0,5 мм на каждые 100 мм длины, в зависимости от толщины сечения), объемное сжатие, вызванное старением (примерно от 0,1 до 0,3 процента, то есть от 0,2 до 0,6 мм на 200 мм длины), и вариативность настроек станка.

Правильный способ зафиксировать припуск — измерить первые 5–10 производственных деталей на координатно-измерительной машине до начала механической обработки, сравнить измерения с чертежом ковки и скорректировать ковочный штамп или припуск на механическую обработку, если характер деформации выходит за пределы согласованного диапазона. Это самый важный этап в цепочке термообработки для обеспечения стабильности размеров, поскольку он превращает процесс ковки и термообработки из статистического «черного ящика» в контролируемую операцию. Поставщик, который может предоставить данные по первому образцу, полученные с помощью координатно-измерительной машины, в состоянии после ковки и термообработки, — это поставщик, к которому можно предъявлять жесткие требования по допускам входного контроля. Для покупателей, диверсифицирующих свою деятельность в смежные областипрограммы ковки и обработки поверхности нержавеющей сталиПри этом применяется та же дисциплина, что и в первой статье: одного сертификата термообработки недостаточно, базовыми размерами являются установленные законом технические условия.

Распространенные ошибки при смешивании сплавов, от которых покупателям следует отказаться.

В процессе термообработки сплавов Т6 постоянно встречаются две ошибки смешивания. Первая — это одновременная загрузка сплавов 6061 и 6063 в один и тот же цикл обработки в печи. Эти два сплава имеют разные температуры растворения (6061 около 530 градусов Цельсия, 6063 около 525 градусов Цельсия) и разные кривые старения (6061 около 180 градусов Цельсия, 6063 около 190 градусов Цельсия), и один цикл обработки в печи не может быть оптимальным для обоих. В результате один сплав находится в состоянии пиковой температуры отпуска, а другой — в состоянии, близком к отпуску, и покупатель обнаруживает проблему при механических испытаниях. Решение заключается в том, чтобы требовать отдельные циклы обработки в печи для каждого сплава, даже если стоимость одного цикла выше.

Вторая ошибка — замена сплава 6063 на 6061 (или наоборот) на чертеже покупателя, в котором сплав не указан точно. Сплав 6063 имеет более низкое содержание меди, чем 6061, и не может достичь того же уровня прочности в термообработке Т6; покупатель, получивший 6063 вместо 6061, увидит прочность на растяжение примерно на 20–30 процентов ниже, чем указано в спецификации. Решение заключается в том, чтобы требовать сертификат заводских испытаний (в соответствии с EN 10204 3.1) для каждой партии термообработки и проводить выборочную проверку сплава при входном контроле с использованием портативного рентгенофлуоресцентного анализатора.

Схема процесса: цикл T6 вкратце

Шаг 1: Ковка

Горячая ковка при температуре от 400 до 480 градусов Цельсия для сплава 6061, при этом геометрия детали максимально приближена к окончательной форме, насколько это позволяет процесс ковки. Микроструктура после ковки содержит остаточные напряжения, которые будут компенсированы на этапе обработки.

Шаг 2: Обработка раствором

Температура от 525 до 535 градусов Цельсия в течение 30–60 минут на каждый дюйм максимальной толщины сечения. Равномерность нагрева в печи с точностью до ±5 градусов Цельсия согласно стандарту AMS 2750.

Шаг 3: Закалка

Вода (холодная или горячая), полимер (ПАГ 10–25%) или принудительная подача воздуха, выбор которых зависит от толщины сечения и допустимой деформации. Время переноса из печи до закалки составляет от 15 до 30 секунд.

Шаг 4: Растягивание (только для T651)

Остаточная пластическая деформация от 1 до 3 процентов вдоль основного направления ковки, приложенная в течение 2 часов после закалки и до того, как естественное старение станет существенным.

Шаг 5: Искусственное старение

Температура от 175 до 185 градусов Цельсия в течение 8-12 часов, с равномерностью температуры в печи плюс-минус 5 градусов Цельсия. Время выдержки должно быть в пределах плюс-минус 1 часа от целевого значения.

Шаг 6: Охладите до комнатной температуры.

Охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды. Дополнительного охлаждения не требуется.

Шаг 7: Первый контроль размеров образца

Измерения на координатно-измерительной машине (КИМ) 5-10 деталей из первой производственной партии, сравнение с чертежом ковки, используются для фиксации припуска на механическую обработку для остальной части партии.

Как указать сплав T6 на чертеже кованой детали из сплава 6061

Приведённый ниже пятиэтапный протокол спецификации — это тот протокол, который я подробно объясняю каждому новому покупателю высокоточных изделий при размещении заказа на изготовление поковки из сплава 6061 по индивидуальному заказу. Пропуск любого из пяти этапов приводит к деформации и выходу за пределы допустимых параметров, которые выявляются при входном контроле.

Шаг 1.Перед фиксацией любых других размеров зафиксируйте обозначение сплава (UNS A96061 или эквивалент) и целевую температуру закалки (T6, T651 или T652) в блоке заголовка чертежа. Блок заголовка чертежа является юридически обязательной спецификацией того, что поставщик должен поставить, и указание сплава или температуры закалки, не указанное в блоке заголовка, не имеет юридической силы. Укажите стандарт, которому должна соответствовать термообработка:ASTM B918для термообработки алюминия,AMS 2772для термообработки аэрокосмического класса, илиEN 586-2для европейских покупателей.

Шаг 2.Укажите режим обработки раствором в виде температурного диапазона и правила выдержки, и потребуйте от поставщика указать фактическую температуру печи и время выдержки в сертификате термообработки. Указание диапазона обеспечивает поставщику операционную гибкость, сохраняя при этом деталь в пределах металлургического диапазона.

Шаг 3.Выберите закалочную среду, исходя из максимальной толщины сечения и допустимой деформации. Укажите закалочную среду и максимальное время переноса из печи в закалочную ванну.

Шаг 4.Укажите цикл старения в виде температурно-временного диапазона и потребуйте от поставщика услуг термообработки предоставить отчет о равномерности температуры в печи в соответствии со стандартом AMS 2750 или аналогичным. Поставщик, который не может или не хочет предоставить отчет о равномерности температуры, считается поставщиком, качество термообработки которого не подлежит аудиту.

Шаг 5.Определите протокол контроля размеров на этапе входящего контроля и зафиксируйте припуск на механическую обработку на основе фактических данных о деформации, предоставленных поставщиком, после измерения первых 5-10 производственных деталей. Превратите процесс термообработки из статистического «черного ящика» в контролируемую операцию.

Часто задаваемые вопросы