Твердость алюминиевых сплавов

Если честно, каждый раз когда слышу про 'твёрдость алюминиевых сплавов', вспоминаю сколько людей до сих пор путает твёрдость и прочность. Ладно, распишу как есть на практике.

Что на самом деле значит 'твёрдость'

Вот смотришь на сертификат — там твердость алюминиевых сплавов по Бринеллю 95 HB. Кажется, что это много. А потом в цеху этот же сплав идет под штамповку и — трещины. Оказывается, заказчик не учел, что после термички показатель может просесть на 15-20 единиц.

Мы в ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' часто сталкиваемся с тем, что клиенты присылают техзадание с жёсткими требованиями к твёрдости, но без указания условий эксплуатации. Приходится буквально расспрашивать: деталь будет на динамическую нагрузку работать или статическую? В агрессивной среде?

Кстати, про динамику — вот AD33 при заявленных 80 HB после естественного старения может показывать совершенно разные значения в зависимости от скорости охлаждения. Проверяли на прокатных валках — разброс до 12 HB был, хотя химический состав в норме.

Методы контроля — где мы чаще всего ошибаемся

По Бринеллю всё более-менее понятно, но вот с микротвёрдостью вечная проблема. Помню, для авиационного заказа проверяли твердость алюминиевых сплавов 1915 — так там в одном образце разброс от 142 до 158 HV. Оказалось, подготовка шлифовки влияет сильнее, чем думали.

Роквелл — отдельная история. Для листовых материалов часто не подходит, прогибается образец. Пришлось разрабатывать методику с подложкой, особенно для тонкостенных профилей.

Самое сложное — когда приходит партия с нормальными паспортными характеристиками, а при обработке резанием инструмент изнашивается втрое быстрее. Здесь уже смотрим на структурную неоднородность — бывает, что твердость алюминиевых сплавов локально превышает средние значения из-за выделений интерметаллидов.

Влияние легирования — неочевидные моменты

Все знают про магний и кремний как основные упрочнители. Но вот медь — с ней интересно получается. В сплаве 2024 медь даёт хорошее упрочнение, но если переборщить с содержанием — коррозионная стойкость падает катастрофически.

На сайте lianxin-metal.ru мы как раз указываем, что работаем с титано-медными системами — это опыт переносим на алюминиевые сплавы. Например, добавка даже 0.5% титана существенно меняет картину дисперсионного твердения.

Железо — обычно вредная примесь, но в сплавах серии 8000 контролируемое введение железа позволяет управлять твёрдостью без серьёзного ухудшения пластичности. Проводили эксперименты с заказом из автомобильной промышленности — для кронштейнов нужен был баланс твёрдости и ударной вязкости.

Термическая обработка — где кроются основные ошибки

Самая распространённая проблема — недожог при закалке. Кажется, что выдержал температуру, но если скорость нагрева была недостаточной — получаешь нестабильную твердость алюминиевых сплавов по сечению.

А вот с искусственным старением ещё интереснее — для 6061 оптимально 175°C, но если деталь массивная, приходится увеличивать время выдержки почти вдвое. Один раз чуть не забраковали партию переходников, потому что замеряли твёрдость слишком рано — не прошла полная диффузия.

Водное охлаждение против воздушного — вечный спор. Для прессованных профилей иногда специально идём на снижение твёрдости на 5-7 HB, но зато получаем меньше остаточных напряжений. Особенно критично для последующей сварки.

Практические кейсы из нашего опыта

Был заказ на радиаторные пластины — требовалась стабильная твёрдость не менее 75 HB по всей поверхности. Сделали три пробных партии с разными режимами отжига — оказалось, что ключевой фактор не температура, а скорость охлаждения после горячей прокатки.

Для электротехнических шин использовали сплав 1350 — там важна не столько абсолютная твёрдость, сколько её равномерность. Пришлось дорабатывать технологию гомогенизации, потому что стандартный режим давал разброс до 8 HB между краем и серединой слитка.

Самый сложный случай — комбинированные материалы. Когда делаем медно-алюминиевые переходники, приходится отдельно подбирать режимы термички для каждой части. Алюминиевая компонента не должна терять твердость алюминиевых сплавов при пайке, но и медь не должна перегреваться.

Что обычно упускают в спецификациях

Редко кто указывает допустимый разброс твёрдости между разными партиями. А на практике даже при идеальном соблюдении технологии колебания в 3-4 HB неизбежны — из-за исходного сырья в первую очередь.

Ещё момент — направление измерения. Для проката вдоль и поперёк направления прокатки разница может достигать 6-7 HB, особенно в сильно легированных сплавах типа 7075.

И главное — никто не пишет про изменение твёрдости в процессе эксплуатации. Для деталей, работающих на трение, начальные 100 HB через полгода могут упасть до 85-90, и это нормально — происходит естественное старение под нагрузкой.

Выводы, которые не пишут в учебниках

За 12 лет работы с твердость алюминиевых сплавов понял главное — идеальных значений не существует. Каждый раз это компромисс между твёрдостью, пластичностью, коррозионной стойкостью и технологичностью.

Сейчас при подборе материала всегда спрашиваю — а что будет с деталью после механической обработки? Часто после фрезеровки или токарки локально происходит отпуск — и твёрдость падает именно в зоне контакта.

В общем, если резюмировать — твёрдость важный параметр, но далеко не единственный. И гонка за высокими цифрами в сертификате часто приводит к проблемам на стадии изготовления изделия. Лучше иметь стабильные 75 HB, чем прыгающие от 90 до 110.