RU EN
+7 (495) 268 0444

Навесные фасады. Красивые решения


Алюминиевые профили: технология изготовления

В настоящее время прессованные профили широко применяются в строительстве зданий, особенно, в ограждающих конструкциях: окнах, дверях, перегородках, светопрозрачных и вентилируемых фасадах. Цель этой статьи – познакомить с особенностями технологии алюминиевых профилей, которые нужно учитывать при их разработке и применении. Особое внимание уделяется тому, как технология производства алюминиевых профилей влияет на точность их размеров и формы, а также механические свойства.   

1. Экструзия алюминия

Прессованные алюминиевые профили называют также экструдированными профилями. Процесс экструзии может также применяться и к другим цветным металлам, например, к латуни и бронзе и даже к нержавеющим сталям и титану. Однако именно с алюминием процесс экструзии получил широкое распространение. Это связано, в частности, с относительно низкой температурой экструзии алюминия и его сплавов – около 500 ºС.

1.1. Алюминий и сталь

Процесс экструзии дает возможность изготавливать алюминиевые профили шириной от 10 до 800 мм при практически неограниченном диапазоне возможных форм поперечного сечения. Стоимость инструмента для изготовления нового экструдированного алюминиевого профиля в десятки раз меньше, чем для изготовления катаного стального профиля. Новый экструзионный инструмент представляет собой новую матрицу – часто просто диск из специальной инструментальной стали с прорезями.

Кроме того, время простоя экструзионного пресса при смене матрицы пренебрежимо мало по сравнению со временем, которое затрачивается для замены валков прокатного стана при производстве катаных стальных профилей.

Поэтому алюминиевые профили обычно изготавливают под заказ для выполнения конкретных функций в конструкции или изделии. При этом для того, чтобы проект был рентабельным необязательно изготавливать «заоблачное» количество профилей, что часто бывает со стальной прокатной продукцией. Важной особенностью процесса экструзии алюминиевых профилей является то, что они могут иметь очень тонкие элементы – стенки и полки, по сравнению с общими габаритными размерами [1].            

1.2. Метод прямого прессования

Известны несколько различных методов экструзии. Алюминиевые профили обычно изготавливают методом прямой экструзии (прямого прессования) (рисунок 1).

Процесс прямой экструзии (прямого прессования)

Рисунок 1 – Процесс прямой экструзии (прямого прессования) [2]

Специально для экструзии из алюминиевого расплава нужного химического состава отливают длинные цилиндрические слитки («столбы»). Обычно для этого применяют специальные полунепрерывные литейные машины.

Эти столбы режут на более короткие цилиндрические отрезки – заготовки. Иногда холодные столбы режут на заготовки, каждую из которых затем нагревают  перед загрузкой в пресс. Однако чаще, резке подвергают уже нагретые столбы непосредственно перед загрузкой заготовки в пресс.

Нагретая заготовка загружается в подогретый контейнер пресса. Гидравлический поршень давит специальным штоком (пресс-штемпелем) в задний торец заготовки и выдавливает металл через отверстия матрицы, который уже в виде профиля двигается дальше по выходному и приемному столам пресса. Форма отверстия матрицы и ее внутренняя конструкция определяют форму профиля. Процесс экструзии продолжается пока в контейнере не останется 10-15 % заготовки. Эта часть заготовки называется пресс-остатком и идет в отходы на переплавку. Полная непрерывная длина профиля на выходе из пресса может достигать 40 м и более. 

1.3. Отношение прессования (вытяжка)

Отношение прессования – это отношение площади заготовки к площади прессуемого профиля. Для алюминиевого сплава АД31 и его зарубежных аналогов сплавов 6060 и 6063 оптимальное отношение прессования лежит в интервале от 30 до 50.

Слишком малое отношение прессования (например, 7 и менее) будет причиной резкого падения механических свойств профилей. Слишком высокое отношение прессования (например, 80 и выше) приведет к слишком большому давлению на заготовку, что может привести к чрезмерным прогибам матрицы и ее излому.      

1.4. Экструзионные прессы

Экструзионные прессы отличаются по диаметрам своих контейнеров и усилиями, которые они обеспечивают на пресс-штемпеле: диаметры – от 100 до 700 мм, усилия – от 1000 до 12000 тонн. Диаметр контейнера обычно на несколько миллиметров больше диаметра заготовки, например, 155 и 152 мм. Требуемое давление от пресс-штемпеля на заготовку зависит от отношения прессования и алюминиевого сплава.  

2. Термическая обработка алюминиевых профилей

Большинство алюминиевых профилей производятся из термически упрочняемых алюминиевых сплавов. Это означает, что для того, чтобы получить заданный уровень прочности, они должны быть нагреты до температуры под закалку, закалке (быстрому охлаждению) и упрочнению старением (естественным или искусственным).

2.1. Закалка на прессе

Самое простое решение для закалки профилей, которые имеют достаточно высокую температуру – это охлаждение их вентиляторами или ускоренными потоками воздуха непосредственно на выходном и приемном столе экструзионного пресса. Такого охлаждения вполне достаточно для закалки, например, тонкостенных оконных профилей из сплавов АД31 или 6060 и 6063. Для более легированных сплавов серии 6ххх, например, АД33 (6061) и АД35 (6082) требуется охлаждение водовоздушной смесью или даже водой в зависимости от толщины профиля. Проблемой при повышенной скорости охлаждения является коробление профилей по сечению и длине. Закалку на прессе иногда называют неполной закалкой, в результате которой достигается состояние профилей Т5.

2.2. Закалка с отдельного нагрева

Закалка на прессе затруднительна для толстых профилей из высоколегированных сплавов серии 6ххх и в принципе не возможна для сплавов серий 2ххх и 7ххх. Эти сплавы требуют очень большой скорости охлаждения, а также строго контроля температуры закалки.  Такие профили после порезки их на мерные длины подвергают повторному нагреву до температуры полного растворения упрочняющих частиц. В сплавах серии 6ххх такими частицами являются частицы силицида магния (Mg2Si). Закалку профилей производят в специальных закалочных баках с водой, вертикальных или горизонтальных. Понятно, что такие алюминиевые профили стоят дороже, чем те, которые закаливаются прямо на прессе. Закалку с отдельного нагрева называют также полной закалкой. При должном контроле температуры профилей на выходе из матрицы полная закалка (Т6) может достигаться и при закалке на прессе.

2.3 Упрочнение старением

Для большинства алюминиевых профилей заключительная стадия термической обработки заключается в выдержке их несколько часов при температуре 170-200 ºС. Эта операция называется искусственным старением. Она производится после операции правки растяжением.

Если после закалки профили выдерживаются некоторое время (до нескольких месяцев) при комнатной температуре, то эта операция называется естественным старением. Механические свойства профилей после естественного старения ниже, чем после искусственного старения, но пластические характеристики, например, относительное удлинение, выше.

Механизм упрочнения старением заключается в следующем. В результате закалки профиля легирующие элементы сплава оказываются в твердом растворе алюминия. Затем эти легирующие элементы постепенно выделяются из раствора в виде микроскопических твердых кластеров. Эти кластеры препятствуют движению дислокаций под воздействием напряжений. Поэтому прочность алюминиевого сплава возрастает. С увеличением температуры этот процесс ускоряется.

2.4. Состояния профилей

Состояние профилей – это краткая информация об истории обработки алюминиевых профилей – обычно термической обработки (Т), но иногда и механической (Н).  

Например, ГОСТ 22233-2001, для строительных алюминиевых профилей применяет смешанную систему обозначения состояний (отечественная + международная):

3. Правка профилей

Алюминиевые профили имеют тенденцию к короблению, которое может происходить уже просто на выходе из пресса, а охлаждение при закалке еще более усугубляет эту проблему. Подразделяют два основных вида коробления профилей:

От общего прогиба избавляются путем правки растяжением на растяжной машине в линии пресса до резки на мерные длины и термической обработки в печи старения. Обычно это достигается при растяжении с остаточной деформацией от 1 до 3 %.

Искривление поперечного сечения характерно для тонкостенных профилей. Бывают случаи, когда тонкостенный профиль можно без проблем отпрессовать, но из-за слишком тонких стенок и сложной формы ему нельзя обеспечить состояние Т6, так как при интенсивном охлаждении он будет подвергаться сильному короблению. В таких случаях, снижают скорость охлаждения при закалке и снижают требования к механическим свойствам, например, Т5 вместо Т6.

4. Экструзия алюминиевых профилей

Один экструзионный пресс может иметь более тысячи экструзионных матриц. Их изготавливают из специальных теплостойких инструментальных сталей. 

4.1. Сплошные профили

На рисунке 2 показана так называемая сплошная матрица. На такой матрице прессуют сплошные профили, то есть профили, которые не имеют полостей. Размеры отверстия (прорези) матрицы задают толщину профиля.

Типичная сплошная экструзионная матрица

Рисунок 2 – Типичная сплошная экструзионная матрица [2]

4.1.1. Рабочие пояски матриц

«Толстые» участки профиля стремятся выходить из матрицы быстрее, чем «тонкие» участки. Поэтому, если не предпринять специальных мер, то профиль выйдет из матрицы сильно искривленным вдоль своей длины. Чтобы противостоять этому явлению конструктор матрицы замедляет течение металла в «толстых» участках путем увеличения длины рабочего пояска (размер «х» на рисунке 2). Однако, практически никогда профили не выходят из матрицы полностью прямолинейными. Поэтому всегда необходимо проводить правку профилей растяжением.

4.1.2. Скругление углов

Условия работы матрицы улучшаются, а ее срок службы возрастает, если все углы профиля скруглены с радиусом не менее 0,3 мм. В матрицах не применяют абсолютно острые углы без насущной на то необходимости. Острые углы повышают риск излома матрицы и ограничивают скорость прессования профилей.  

4.1.3. «Язык» в сплошной матрице

Давление, которое действует на входной плоскости матрицы («зеркале матрицы») является очень высоким и достигает 700 Н/мм2. Если профиль включает элементы, которые показаны на рисунке 3 («языки»), то есть большая вероятность, что матрица сломается по линии Y из-за большого давления на площадку X. Для таких элементов применяют специальный коэффициент а, который вычисляется как:

 Языки в сплошной матрице

Рисунок 3 – «Языки» в сплошной матрице [2]

При самых благоприятных условиях, например, для профилей из сплава 6060/6063 или марок алюминия (и при скругленных углах) максимальная величина коэффициента а не должна превышать 3,0. Эта величина последовательно снижается для [2]:

Если коэффициент а превышает критическую величину для данного сплава, то профиль прессуют как полузамкнутый на мостиковой матрице или матрице «портхол» (см. ниже раздел 4.3).

4.2. Полые профили

Полые профили – это профили, которые имеют одну или несколько полостей. Их прессуют на так называемых комбинированных матрицах. Эти матрицы состоят из двух частей: собственно матрицы и рассекателя с оправкой (рисунок 4). Обычно применяют мостиковые матрицы и матрицы «портхол», которые отличаются конструкцией рассекателя.

Экструзия полого профиля через комбинированную матрицу

Рисунок 4 – Экструзия полого профиля через комбинированную матрицу [2]

Наружная поверхность профиля формируется отверстием матрицы, а внутренняя поверхность – оправкой. Полая матрица стоит дороже сплошной, а скорость прессования через полые матрицы несколько ниже, чем через сплошные матрицы. Поэтому стоимость полых профилей может быть выше, чем сплошных [2].

4.3. Полузамкнутые профили

Мостиковые матрицы или матрицы «портхол» применяют для прессования полузамкнутых профилей, которые нельзя получить на сплошных матрицах (см. 4.1.3 ). В этом случае оправка комбинированной матрицы формирует заштрихованную область на рисунке 5.

Полузамкнутый профиль

Рисунок 5 – Полузамкнутый профиль [2]

4.4. Сварные продольные швы

При экструзии полого или полузамкнутого профиля пластичный алюминий течет несколькими потоками через рассекатель, которые затем снова соединяются перед выходом из матрицы. Поэтому получаемый полый профиль содержит сварные швы. Пример полого профиля с продольными сварными швами (S) показан на рисунке 6.

Сварные швы в полом профиле

Рисунок 6 – Сварные швы в полом профиле [2]

Обычно их практически не видно и многие потребители даже не подозревают об их существовании. Однако конструктор должен знать о них, так как они представляют собой потенциальные линии с ослабленной прочностью по всей длине профиля. В этих местах у профиля иногда могут быть проблемы, особенно, если скорость прессования слишком высокая. Одной из таких проблем является проявление этих линий на профилях после щелочного травления и анодирования.  

4.5. Шовные и бесшовные трубы

Для изготовления полых профилей без сварных швов применяют прессование с внутренней оправкой (рисунок 7).

Прессование бесшовной трубы

Рисунок 7 – Прессование бесшовной трубы [2]

Эта технология требует специальных прошивных прессов и поэтому обычно применяется только для бесшовных труб, для которых даже малый риск от присутствия сварных швов является неприемлемым. Трубы, которые прессуют на комбинированных матрицах, мостиковых или портхол, не являются бесшовными, хотя их продольные сварные швы практически трудно обнаружить.   

Источники:

1. Aluminum structure - A Guide to Their Specifications and Design / J. Randolph Kissell, Robert L. Ferry, 2002.

2. Aluminium Design and Construction / John Dwight - Taylor & Francis Group., 1999.

Ваше сообщение успешно отправлено

Ваше сообщение успешно отправлено

Ваше сообщение успешно отправлено