СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЯ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR THERMAL TREATMENT OF ITEM OUT OF ALUMINIUM ALLOY AND FACILITY FOR IMPLEMENTATION OF THIS PROCEDURE

Данное изобретение относится к способу термической обработки изделия из алюминиевого сплава, включающему в себя стадию термообработки предварительным старением, а также к устройству для его осуществления.
Предпосылки создания изобретения
Изделия из алюминиевых сплавов, изготовленные из поддающихся термообработке алюминиевых сплавов, используют в ряде различных областей применения, требующих относительно высокой прочности, высокой вязкости и коррозионной стойкости, таких как фюзеляжи воздушных летательных аппаратов, детали транспортных средств и прочие области применения.
Для производства изделия из алюминиевого сплава, например листа или плиты, алюминиевый сплав подвергают либо литью в кристаллизатор с прямым охлаждением в виде слитков, либо непрерывному литью в виде толстого полосового материала, а затем горячей прокатке и/или холодной прокатке до желаемой толщины. После этого изделие подвергают термообработке на твердый раствор. Термообработка на твердый раствор означает нагрев металла до подходящей высокой температуры (например, 450-580°С) с тем, чтобы вызвать растворение с переходом в твердый раствор всех растворимых легирующих компонентов, выделившихся из основного металла во время горячей и/или холодной прокатки. Чтобы удержать такие компоненты в твердом растворе, металл быстро закаливают до температуры окружающей среды, получая твердый пересыщенный раствор. Затем металл обычно подвергают старению или дисперсионному твердению, выдерживая его при комнатной температуре или при более высокой температуре для ускорения этого явления в течение некоторого периода времени с тем, чтобы вызвать спонтанное образование тонкодисперсных выделений посредством диффузии атомов в пересыщенном твердом растворе, в результате чего они образуют мелкодисперсные скопления или «зоны».
Также известно, что свойства изделия из алюминиевого сплава могут быть дополнительно улучшены путем дальнейшей термической обработки изделия после закалки. Во время этой термообработки так называемым «предварительным старением» некоторые атомы в пересыщенном твердом растворе выходят из структуры кристаллической решетки и образуют зародыши для образования мелкодисперсных скоплений (кластеров). Это способствует стабилизации микроструктуры.
В US-3135633 раскрыта такая термообработка предварительным старением или «стабилизирующая» термообработка для улучшения механических свойств алюминий-магний-кремниевых сплавов. В процессе такой обработки деформированные легированные продукты непрерывно пропускают через первую печь с тем, чтобы перевести соответствующие легирующие элементы в твердый раствор, а затем через закалочную камеру и вторую печь, подвергая их стабилизирующей обработке предварительным старением. Указывается, что промежуток времени между закалкой и предварительным старением должен составлять менее десяти минут. Чтобы обеспечить быстрый нагрев сплава через несколько минут после закалки, вторую печь нагревают путем принудительной циркуляции горячего воздуха.
Термообработка предварительным старением также описана в ЕР-0805879-В1. В раскрытом там способе металл нагревают непосредственно до пиковой температуры, составляющей в интервале от 100 до 300°С, предпочтительно в интервале от 130 до 270°С, выдерживают при такой температуре в течение очень короткого времени выдержки, а затем охлаждают непосредственно до уровня ниже заданной конечной температуры. Поэтому такую обработку в данной области техники также называют «всплеском» температуры, поскольку профиль графика температуры в зависимости от времени для такого процесса напоминает в целом треугольный, заостренный или слегка округленный пик. Сообщается, что такая обработка улучшает пластичность сплавов серии АА6ххх в состоянии Т4, одновременно максимизируя упрочняющий отклик при сушке краски.
Другой способ, включающий в себя термообработку предварительным старением, раскрыт в ЕР-0480402-А1. Этот известный способ заключается в том, что лист из алюминиевого сплава закаливают после термообработки на твердый раствор, дают листу спокойно «вылежаться» при комнатной температуре в течение менее чем 60 минут и выдерживают лист при температуре 50-150°С в течение периода времени 10-500 минут.
В ЕР-0679199-А1 также раскрыта стадия предварительного старения или предварительного отпуска при температуре от 70 до 150°С в промежутке между закалкой после термообработки на твердый раствор и стадий старения.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является дальнейшее усовершенствование способов термической обработки изделий из алюминиевых сплавов с целью дальнейшего улучшения свойств готового продукта.
Следующей задачей является упрощение устройства, необходимого для осуществления такой термической обработки, в частности обработки предварительным старением, после термообработки на твердый раствор.
Настоящее изобретение решает одну или более из вышеупомянутых задач. Предпочтительные варианты воплощения описаны и конкретизированы в данном описании.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения
Как следует из дальнейшей части описания, за исключением особо оговоренных случаев, все обозначения сплавов и обозначения состояний представляют собой обозначения Алюминиевой ассоциации в стандартах и данных по алюминию и регистрационных записях, публикуемых Алюминиевой ассоциацией.
Согласно одному из аспектов данного изобретения предложен способ термической обработки изделия из алюминиевого сплава, имеющего основную поверхность, включающий в себя последовательные стадии, на которых: а) подвергают изделие термообработке на твердый раствор, b) закаливают изделие предпочтительно путем одной из закалки при оросительном охлаждении и закалки погружением в воду или иные закалочные среды и с) подогревают закаленное изделие на стадии термообработки предварительным старением и при этом термообработку предварительным старением проводят при сопряжении основной поверхности изделия из алюминиевого сплава с основной поверхностью нагревательной плиты.
Данное изобретение основано на осознании того, что термообработка предварительным старением особенно эффективна в том случае, если ее выполняют непосредственно после стадии закалки изделия, завершающей термообработку на твердый раствор, для получения более стабилизированной микроструктуры изделия из алюминиевого сплава без протекания существенного естественного упрочнения при старении. Более предпочтительно обработку предварительным старением осуществляют в течение одного часа после стадии закалки, но обычно эту временную задержку сокращают до минут и, возможно даже, до секунд. По этой причине проведение термической обработки в печи не даст идеальных результатов, поскольку изделие должно быть перемещено в печь, и ему потребуется некоторое время для достижения желаемой температуры. Поэтому данное изобретение предлагает способ без использования печи для обработки предварительным старением изделия из алюминиевого сплава, поскольку такую обработку предварительным старением осуществляют вне какой-либо печи. Вместо печи изделие из алюминиевого сплава поддерживают поблизости от нагревательной плиты или сопряженным с ней и тем самым быстро нагревают для выполнения обработки предварительным старением. Максимальная температура предварительного старения может быть достигнута в течение нескольких минут, поскольку происходит перенос тепла от нагревательной плиты к изделию из алюминиевого сплава. Нагревательная плита предпочтительно уже нагрета до желательной температуры перед стадией предварительного старения.
Изделие из алюминиевого сплава, в отношении которого выполняется данный способ, предпочтительно представляет собой катаный продукт, обычно тонкую плиту или лист, имеющие толщину самое большее 15 мм, а предпочтительно в интервале от 1,5 до 6 мм.
Данный способ может быть использован для обработки любого поддающегося термообработке алюминиевого сплава, в частности алюминиевых сплавов серий АА6ххх, АА2ххх или АА7ххх. Наиболее предпочтительно изделие из алюминиевого сплава выбрано из группы сплавов серий АА6013, АА6011, АА6016, АА2024, АА2524, АА2219, АА7074, АА7075, АА7050 или АА7055.
Нагревательную плиту предпочтительно также изготавливают из алюминиевого сплава, имеющего большую теплоемкость и более высокую температуру плавления, чем подвергаемое термообработке изделие из алюминиевого сплава. В частности, могут быть использованы алюминиевые сплавы серии АА5ххх, такие как, например, АА5026, и сплавы серии АА3ххх. В этом варианте воплощения толщина нагревательной плиты является по меньшей мере такой же, как и толщина изделия из алюминиевого сплава. Специалист сможет оптимизировать толщину нагревательной плиты в зависимости от толщины изделия из алюминиевого сплава, а также желаемой температуры и продолжительности термообработки предварительным старением.
В другом варианте воплощения нагревательную плиту изготавливают из стали.
Существует несколько путей нагрева нагревательной плиты перед стадией предварительного старения. В одном из вариантов нагревательную плиту помещают в печь, используемую для термообработки на твердый раствор, вместе с изделием из алюминиевого сплава. Преимущество данного способа заключается в том, что для нагрева нагревательной плиты не требуется ни дополнительного оборудования, ни времени. И изделие из алюминиевого сплава, и нагревательную плиту предпочтительно поддерживают по существу горизонтальными, при этом изделие из алюминиевого сплава просто помещают поверх нагревательной плиты перед поступлением в печь, используемую для термообработки на твердый раствор.
Предпочтительно нагревательную плиту и изделие поддерживают при расположении их основных поверхностей одна вблизи другой во время всех трех стадий термообработки на твердый раствор, закалки и предварительного старения. Это означает, что изделие может быть закалено путем орошения или охлаждения только с одной стороны. Вместе с тем преимущество такого метода заключается в том, что изделие будет подогреваться для выполнения обработки предварительным старением сразу же после того, как была окончена закалка, потоком тепла от незакаленной нагревательной плиты к изделию из алюминиевого сплава.
Альтернативно, алюминиевую плиту закаливают с обеих сторон и помещают ее на нагревательную плиту для выполнения желательной обработки предварительным старением.
Альтернативно, нагревательная плита может быть помещена в печь, используемую для термообработки на твердый раствор, до того, как изделие из алюминиевого сплава подвергнуто термообработке на твердый раствор. После того как нагревательная плита нагрета, ее можно держать поблизости от закалочного приспособления во время термообработки на твердый раствор и закалки изделия из алюминиевого сплава. Поскольку максимальная температура при обработке предварительным старением обычно ниже, чем температура термообработки на твердый раствор, может даже оказаться целесообразным позволить нагревательной плите остыть перед тем, как она «примет» изделие из алюминиевого сплава. После закалки изделие из алюминиевого сплава предпочтительно поднимают на нагревательную плиту.
Еще один альтернативный вариант касается электрического нагрева нагревательной плиты, например, посредством нагревательных спиралей, расположенных внутри этой нагревательной плиты. В этом варианте воплощения является предпочтительным нагревать плиту до желательной температуры предварительного старения до того, как будет проводиться такая обработка предварительным старением.
Обычный путь поддержания основной поверхности изделия из алюминиевого сплава близко к основной поверхности нагревательной плиты будет заключаться в размещении их горизонтально одна поверх другой. Однако из объема охраны данного изобретения не исключаются также компоновки, при которых изделие и плита совмещены вертикально.
Чтобы защитить поверхность изделия из алюминиевого сплава и обеспечить небольшой зазор между нагретой плитой и изделием из алюминиевого сплава, между каждым изделием из алюминиевого сплава и каждой нагревательной плитой для сопряжения их друг с другом размещают защитный слой. Такой слой предпочтительно имеет толщину вплоть до 5 мм, а обычно толщину в примерно 2 мм и выполнен из ткани или полотна, изготовленных из изоляционного материала, такого как стеклоткань, керамика, стекловата, минеральная вата или, для более низких температур, тканый или нетканый полимерный материал. Использование защитного слоя также вызовет небольшую задержку подогрева изделия из алюминиевого сплава, приводящую к тому, что при операции закалки изделию позволяют быстро остыть до температуры ниже 100°С перед получением тепла от нагревательной плиты для выполнения термообработки предварительным старением.
Возможно также использование более чем одной нагревательной плиты. В предпочтительном варианте воплощения во время стадии предварительного старения изделие из алюминиевого сплава удерживают проложенным между двумя нагревательными плитами. Такая компоновка служит выпрямлению изделия, благодаря чему может отпасть необходимость в дополнительной операции по выравниванию или растяжению.
Согласно альтернативному варианту воплощения два изделия из алюминиевого сплава подвергают термической обработке одновременно, удерживая их близко к противоположным сторонам одной нагревательной плиты.
Термообработку предварительным старением согласно изобретению осуществляют перед доведением изделия из алюминиевого сплава до его конечного состояния посредством искусственного старения. Типичное конечное состояние будет представлять собой состояние, выбранное из группы, включающей Т6, Т79, Т78, Т77, Т74, Т73 и Т8. В качестве примера, подходящим состоянием Т73 было бы состояние Т7351, а подходящим состоянием Т74 было бы состояние Т7451.
В одном из вариантов после термообработки предварительным старением и перед окончательной обработкой старением изделие из алюминиевого сплава может быть необязательно подвергнуто растяжению или сжатию либо какой-либо иной холодной деформационной обработке с целью снятия напряжений или улучшения механических свойств, например выравниванию продуктов в виде листов или тонких плит. В результате операции растяжения изделие предпочтительно удлиняется не более чем на 8% от его длины непосредственно перед операцией растяжения, а предпочтительно в интервале от 1 до 5%. В частности, изделия из алюминиевых сплавов серий АА6ххх и АА2ххх также могут быть подвергнуты операции холодной прокатки с обжатием при холодной прокатке в интервале вплоть до 20% для улучшения достижимых механических свойств в конечном состоянии.
В другом своем аспекте настоящее изобретение относится к продукту, полученному способом согласно данному изобретению. Конечный продукт может быть, например, применен для наружной обшивки фюзеляжей воздушных летательных аппаратов.
В еще одном аспекте изобретения предложено устройство для термической обработки изделия из алюминиевого сплава, включающее в себя а) печь для термообработки на твердый раствор, b) участок закалки, с) нагревательную плиту для подогрева изделия на стадии термообработки предварительным старением при сопряжении основной поверхности изделия с основной поверхностью нагревательной плиты. Преимущество такого устройства заключается в том, что оно не требует второй печи для термообработки предварительным старением.
Описание чертежей
Вышеупомянутые и другие признаки и преимущества способа термической обработки согласно изобретению станут очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов его воплощения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематическое изображение оборудования для термической обработки согласно уровню техники;
фиг.2 представляет собой схематическое изображение оборудования для термической обработки с использованием способа согласно первому варианту воплощения изобретения;
фиг.3 представляет собой график зависимости температуры от времени для способа согласно первому варианту воплощения;
фиг.4 представляет собой вид в поперечном сечении компоновки изделия из алюминиевого сплава и нагревательной плиты согласно первому варианту воплощения;
фиг.5 представляет собой вид в поперечном сечении компоновки двух изделий и нагревательной плиты согласно второму варианту воплощения;
фиг.6 представляет собой схематическое изображение оборудования для термической обработки с использованием способа согласно третьему варианту воплощения изобретения;
фиг.7 представляет собой вид в поперечном сечении компоновки изделия/нагревательных плит согласно еще одному варианту воплощения.
На фиг.1 представлено известное из уровня техники оборудование для термической обработки изделия 1 из алюминиевого сплава. Изделие 1, выходящее из прокатного стана, подвергают термообработке на твердый раствор в непрерывной горизонтальной печи 4. Изделие транспортируют через эту печь на роликах 6. После термообработки на твердый раствор изделие 1 закаливают при помощи сопел 8а, 8b, которые разбрызгивают охлаждающую воду на верхнюю и нижнюю поверхности изделия. Для подогрева изделия 1 с целью термообработки предварительным старением в конце линии предусматривают еще одну горизонтальную печь 10. Следовательно, для осуществления известного из уровня техники способа требуются две печи. Печь 10 предварительного старения должна быть специально оборудована средствами принудительной циркуляции горячего воздуха для обеспечения быстрого подогрева изделия 1.
Оборудование, реализующее способ согласно первому варианту воплощения изобретения, представлено на фиг.2. Плиту 1, выходящую из стана, опять же подвергают термообработке в горизонтальной печи 4. Однако во время этой обработки ее располагают поверх нагревательной плиты 12. После термообработки на твердый раствор изделие 1 остается на нагревательной плите в то время, как претерпевает закалку. Поэтому для закалки изделия 1 используют только верхние сопла 8а. Затем компоновку изделия/плиты транспортируют на роликах 6. Поскольку плита 12 имеет такую же или большую толщину, чем изделие 1, и выполнена из материала с высокой теплоемкостью и хорошей теплопроводностью, плита 12 будет подогревать изделие 1 сразу же после того, как закалка прекращена. Скорость нагрева и максимальная достигаемая изделием температура будут зависеть от толщины и состава нагревательной плиты 12 по отношению к толщине и составу изделия 1. Толщина нагревательной плиты предпочтительно составляет примерно 40 мм, т.е. она толще, чем изделие 1, при этом она предпочтительно изготовлена из алюминиевого сплава серии АА5ххх или серии АА3ххх.
1
2
2
Профиль температуры, воздействию которой подвергается изделие 1, представлен на фиг.3. Во время термообработки на твердый раствор изделие 1 нагревают до первой температуры Т, которая составляет интервал между 450°С и 580°С, а обычно примерно 530°С. Как известно в данной области техники, металл выдерживают при такой температуре в течение некоторого времени. Во время закалки металл быстро охлаждают до температуры, составляющей 100°С или менее, предпочтительно до комнатной температуры RT. В результате последующего размещения детали поверх нагревательной плиты 12, как показано на фиг.2, изделие будет сразу же подогреваться до температуры Т предварительного старения в интервале от 100°С до 250°С, предпочтительно в интервале от 150 до 250°С. Изделие будет достигать Т в течение нескольких минут и будет предпочтительно выдерживаться при этой температуре в течение периода времени, необходимого для достижения желательного эффекта предварительного старения, и при этом продолжительность такой выдержки будет обычно находиться в интервале вплоть до 30 минут, предпочтительно от 10 до 20 минут. Выбранные температура предварительного старения и продолжительность выдержки будут зависеть от состава алюминиевого сплава, из которого изготовлено изделие. Обработку предварительным старением прекращают, снимая изделие из алюминиевого сплава с нагревательной плиты. Затем изделие охлаждают до температуры окружающей среды посредством охлаждения водой, принудительно подаваемого воздуха или, например, оставляя его на рольганге для остывания за счет свободной конвекции воздуха. Было установлено, что скорость охлаждения после обработки предварительным старением не имеет большого значения.
Наиболее предпочтительно подогрев для достижения эффекта предварительного старения будет начинаться в пределах одной или двух минут, предпочтительно в пределах от 0 до 20 секунд, после охлаждения от термообработки на твердый раствор. Скорость нагрева предпочтительно составляет интервал от 10 до 50°С/мин, поэтому окончательная температура предварительного старения будет достигнута за период в пределах от 1 до 10 минут, предпочтительно 5 минут.
На фиг.4 представлен увеличенный вид в поперечном сечении компоновки изделия/плиты. Между изделием и плитой расположен защитный слой 14 для отделения изделия 1 и плиты 12 друг от друга, а также для обеспечения теплоизоляционного слоя между изделием 1 и плитой 12. Защитный слой 14 предпочтительно имеет толщину примерно 2 мм и выполнен из теплоизоляционного тканого или нетканого материала, такого как стеклоткань, стекловата, минеральная вата или полимерный тканый или нетканый материал. Однако может быть также использован любой другой материал или прокладка любого другого подходящего типа. Хотя это и не показано на фиг.5-7, защитный слой может присутствовать в каждом случае между каждым изделием 1 и каждой нагревательной плитой 12.
Согласно второму варианту воплощения одна нагревательная плита 12 будет проложена между двумя изделиями 1 и 1' из алюминиевого сплава, как показано на фиг.5. Компоновка согласно фиг.5 позволяет осуществлять обработку предварительным старением двух изделий 1 и 1' одновременно. Нагревательная плита 12 должна быть достаточно толстой для того, чтобы накапливать достаточное количество тепла для подогрева обоих изделий с целью выполнения требуемой обработки предварительным старением.
Эти первые два варианта воплощения подходят для непрерывной термической обработки, при которой нагревательную(-ые) плиту(-ы) и изделие(-я) из алюминиевого(-ых) сплава(-ов) удерживают прилегающими друг к другу во время всех стадий термообработки на твердый раствор, закалки и предварительного старения.
Однако в некоторых областях применения целесообразным может оказаться нагрев нагревательной плиты 12 ранее изделия 1 из алюминиевого сплава. Такая компоновка представлена на фиг.6. Здесь плита 12 будет нагреваться до термообработки на твердый раствор изделия 1 в горизонтальной печи 4, а затем откладываться в сторону. После закалки изделие 1 будет подниматься наверх нагревательной плиты 12. Преимущество данного варианта воплощения заключается в том, что плита 12 может быть охлаждена до более низкой температуры предварительного старения в интервале от 100 до 250°С перед приемом изделия 1. Альтернативно, изделие 1 может быть пропущено через печь для термообработки на твердый раствор до нагревательной плиты 12. Вариант воплощения, представленный на фиг.6, также позволяет использовать самонагревающуюся плиту 12, снабженную, например, электрическими спиралями, которую не нужно нагревать в печи.
В другом варианту воплощения, представленному на фиг.7, две нагревательные плиты 12 и 12' будут нагреваться перед стадией предварительного старения, и одна нагревательная плита 12' будет помещена поверх изделия 1. Это будет выпрямлять изделие 1, поэтому дальнейшая вытяжка растяжением может не потребоваться.
После того как изделие охлаждено до температуры окружающей среды, это изделие будет подвергаться дальнейшей обработке старением для получения дисперсно-упрочненного материала с желательным для его применения набором свойств.