История применения в строительстве.
Немаловажным фактором, предопределившим широкое внедрение алюминиевых сплавов в строительную практику, стала послевоенная конверсия военно-промышленного комплекса Европы и США, в результате чего образовался огромный излишек алюминия, использовавшегося для самолётов. Когда производство самолётов было свёрнуто, специализированные предприятия были переориентированы на выпуск продукции строительного назначения.
Алюминиевые переплёты окон, в этот период доказали свою конкурентоспособность, благодаря возможности получения разнообразных сечений сложной формы за счёт относительно простых операций обработки горячего металла. В США они впервые были применены ещё до войны — в 1936 году при строительстве библиотеки Кембриджского Университета и гораздо позднее в нашей стране — только в 70-х годах XX столетия при строительстве Института автоматики и телемеханики в Москве.
В настоящее время, профильные системы из алюминиевых сплавов, развитые по номенклатуре изделий, являются общепризнанным мировым лидером для производства стержневых элементов фасадных и кровельных светопрозрачных оболочек.
Алюминиевые сплавы. Химический состав.
Алюминий (Al) — металл серебристо-белого цвета, находится в группе II периодической системы элементов, порядковый номер 13. Относится к группе лёгких цветных металлов. По сравнению со сталью алюминий является мягким пластичным материалом. Плотность его составляет r = 2700 кг/м 3, а модуль упругости E = 71 000 Па, что почти в три раза меньше плотности и модуля упругости стали. Алюминий очень пластичен — удлинение при разрыве достигает 40–50%, но прочность его весьма низка (предел прочности составляет порядка 60–70 МПа). Алюминий имеет очень высокую, даже по сравнению с другими металлами, теплопроводность. Его коэффициент теплопроводности составляет l = 220 Вт/м °С, что почти в 4 раза превышает коэффициент теплопроводности стали. Серьёзным недостатком алюминия, с точки зрения применения в светопрозрачных конструкциях, является относительно высокий коэффициент линейного температурного расширения k= 24,0 ∙ 10–6 С–1, который более чем вдвое превышает аналогичную величину для стекла и стали.
Вследствие низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется крайне редко. Для повышения прочности в него вводят легирующие добавки — магний, марганец, медь, кремний цинк и некоторые другие элементы. Легирование повышает прочность алюминия, но снижает его пластичность и коррозионную стойкость. Поэтому в строительстве применяют мало легированный алюминий малой и средней прочности. Механические, технологические и эксплуатационные свойства алюминиевых сплавов определяются химическим составом и условиями обработки полуфабрикатов.
Все сплавы на основе алюминия подразделяются на два класса деформируемые (обрабатываемые давлением прокаткой, прессованием, штамповкой, гибкой) и литейные. В строительстве используют почти исключительно деформируемые сплавы, из которых изготавливают листы, ленты, профили, трубы и другие полуфабрикаты.
Для производства оконных и фасадных профилей используются сплавы на основе системы Al-Mg-Si, которые по своему химическому составу относятся к деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, заключающейся в закалке и последующем старении.
Сплавы системы Al — Mg — Si отличаются высокой коррозионной стойкостью и пластичностью, что позволяет прессовать из них тонкостенные профили сложного сечения при больших скоростях. Они удовлетворительно свариваются аргоно-дуговой, роликовой и точечной сваркой, хорошо полируются, имеют хороший декоративный вид.
Российские производители алюминиевых профильных систем используют сплав АД-31, зарубежные — сплав AlMgSi(сплав N 6060 в соответствии с «Международным регистром сплавов и химических композиций для алюминиевых сплавов», издаваемым Вашингтонской Ассоциацией Алюминия, сплав EN AW 6060 в соответствии с DIN EN 573) или сплав AlMg 0,7Si N 6063 (сплав EN AW 6063 в соответствии с DIN EN 573). Прочностные характеристики указанных сплавов принципиально не отличаются между собой.
Обработка. Защита от коррозии.
Профили из алюминиевых сплавов для изготовления светопрозрачных конструкций получают методом прессования — путем механического продавливания заготовки, нагретой до определенной температуры, через матрицу с заданным сечением. В современной терминологии, употребляемой зарубежными производителями, по аналогии с ПВХ применяется такое понятие как «экструзия». Поскольку алюминиевые сплавы, используемые для производства оконных профилей очень пластичны, метод прессования (экструзии) позволяет получать профили сложного сечения.
Алюминий и его сплавы легко окисляются на воздухе, образуя на поверхности плёнку окисла толщиной 0,01…0,02 микрона, которая сама по себе, отличается высокой плотностью и прочностью. Это и определяет высокую коррозионную стойкость алюминия.
Профильные системы, изготовленные из алюминиевых сплавов и эксплуатируемые в неагрессивной, слабоагрессивной и среднеагрессивной средах, т.е. в подавляющем большинстве помещений гражданских зданий, можно применять без специальной защиты от коррозии.
Таким образом, при обычных эксплуатационных условиях (в неагрессивной окружающей атмосфере) коррозия алюминия обычно не рассматривается как фактор, способный нанести какой-либо существенный вред сооружению. За счёт образования естественного оксидного слоя считается, что алюминий в этих условиях обладает почти неограниченной долговечностью, что подтверждается хорошим техническим состоянием целого ряда объектов, возведённых в различных странах мира несколько веков назад.
Наиболее выдающийся пример — церковь SanGioacchino в Риме, где архитектор Лоренцо де Росси, уверенный в безграничном сроке службы неокрашенного алюминия, рекомендовал сделать из него купол, сохранившийся в отличном состоянии до сегодняшних дней.
Первым большим показательным проектом с использованием алюминия в строительстве стал концертный зал DortmunderWestfalenhalle, возведённый в Германии в 1951–1952 гг. Конструкции кровли, площадью около 10.000 м2 были выполнены из алюминиевых профилей, находящихся сегодня в безупречном состоянии.
Гостиница «Россия» в центре Москвы, снесённая в 2007 году, до последних дней сохраняла первоначальный вид алюминиевых панелей под «золото», которыми была отделана при строительстве в 1964–1969 гг.
Основным условием возникновения коррозии алюминиевых строительных конструкций является воздействие на них агрессивной атмосферы с высокой концентрацией соединений хлора, фтора или окислов SO2 и NO2 при высокой относительной влажности воздуха f = 60…90% и температуре окружающей среды порядка +20°C.
Такие условия могут возникнуть при возведении зданий на морских побережьях или в экологически загрязнённых промышленных районах, а также при использовании алюминиевых конструкций в зданиях бассейнов, аквапарков и других помещений с высоким уровнем влажности внутреннего воздуха и содержанием в нём соответствующих агрессивных веществ.
В этих условиях развивается так называемая нитевидная коррозия алюминия и его сплавов, которая может появиться уже через 6 месяцев после монтажа конструкций в здании. Коррозия такого типа распространяется по поверхности в форме тонких, прямолинейных, изогнутых или скошенных линий.
Нитевидная коррозия может возникать как на окрашенной, так и на неокрашенной алюминиевой поверхности. На неокрашенной поверхности она развивается в поверхностном слое, не проникая вглубь. При окрашенных поверхностях агрессивная среда проникает под плёнку краски через поры большого размера или другие места повреждений в плёнке. Осмотическое давление и большие объемы продуктов коррозии вызывают отделение плёнки от основания.
В общем случае для защиты от коррозии и подготовки к последующей окраске поверхность профилей подвергают электролитической очистке — анодированию. Для предотвращения нитевидной коррозии рекомендуется проводить специальную дополнительную операцию — предварительное тонкослойное анодирование (пред-анодирование) с последующим покрытием лакокрасочным материалом. Полости, в которых обработка поверхности невозможна, должны быть тщательно загерметизированы.
После пред-анодирования может использоваться любая другая декоративная обработка поверхности, жидкая или порошковая покраска, создающее желаемое цветовое решение и оттенок. По технологическим требованиям, покраска должна производиться сразу через 12–16 часов после этапа пред-анодирования. Поэтому такая технология обработки профилей возможна лишь на предприятиях, имеющие оборудование для выполнения обеих операций.
Необходимо отметить, что покрасочный слой в данном случае оказывает влияние только на эстетические свойства изделия, при этом никак не улучшая антикоррозионную устойчивость профиля. Устойчивость к появлению и развитию нитевидной коррозии создаётся исключительно за счёт пред-анодирования поверхности.
Описанные выше процессы нитевидной коррозия негативно влияют на внешний облик профильных элементов, однако не представляют реальной угрозы для прочностных свойств светопрозрачной оболочки. Основной причиной разрушения металлоконструкций (в том числе и из алюминиевых сплавов) является электрохи-химическая коррозия, происходящая в различных водных растворах и возможная в атмосферных условиях при воздействии влажного воздуха (электролитная среда).
В таких условиях при контакте двух металлов с определённой разницей потенциалов образуется гальваническая пара. В этом случае в рассматриваемой системе самопроизвольно развивается процесс растворения металла, обладающего большим отрицательным электродным потенциалом. Этот металл станет анодом и будет посылать свои ионы в раствор электролита, а другой металл — катодом, и в присутствии первого металла в электролите растворяться не будет.
В табл. 2.1.4. приведены нормальные электродные потенциалы для ряда металлов. Из указанной таблицы можно увидеть, что алюминий обладает очень большим отрицательным потенциалом, и в среде электролита будет образовывать гальваническую пару с большинством металлов, при этом являясь анодом и разрушаясь. С точки зрения проектирования строительных конструкций, наиболее важна опасность разрушения алюминия и его сплавов за счёт образования гальванической пары со сталью.
Таким образом, наиболее слабым местом светопрозрачных оболочек, выполняемых на основе алюминиевых профильных систем, являются места сопряжения алюминиевых профилей со стальными крепёжными элементами (кронштейнами и болтами), где в обычных атмосферных условиях при воздействии влажного воздуха или дождевой воды, будут возможными локальные процессы электрохимической коррозии.
Учитывая указанный фактор, при проектировании навесных фасадов, к кронштейнам, за счёт которых осуществляется закрепление оболочки на несущих конструкциях здания, должны предъявляться строжайшие требования. Так, крепление фасадных конструкций, изготовленных из алюминиевых профильных систем SCH CO, к несущему каркасу здания допускается только при помощи кронштейнов, опорных пластин, опор (башмаков), анкеров, анкерных пластин, произведённых компанией «SchcoInternational KG» и изготовленных из алюминиевых сплавов, нержавеющей стали или стали с антикоррозионным покрытием.
Крепежные метизы — саморезы, винты и др., которые при эксплуатации конструкции находится снаружи помещения, должны быть изготовлены из нержавеющей стали класса А4 согласно рекомендациям DIN EN ISO 3506. Крепежные метизы, находящиеся в процессе эксплуатации внутри помещения должны быть изготовлены из нержавеющей стали класса А2 согласно рекомендациям DIN EN ISO 3506.
Технология изготовления алюминиевого профиля.
В настоящее время прессованные профили широко применяются в строительстве зданий, особенно, в ограждающих конструкциях: окнах, дверях, перегородках, светопрозрачных фасадах. Особое внимание уделяется тому, как технология производства алюминиевых профилей влияет на точность их размеров и формы, а также механические свойства. Качество производства алюминиевых профилей для светопрозрачных конструкций в России должно соответствовать требованиям ГОС 22233-2001.
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.
Процесс экструзии дает возможность изготавливать алюминиевые профили шириной от 10 до 800 мм при практически неограниченном диапазоне возможных форм поперечного сечения. Экструзионный инструмент представляет собой матрицу – часто просто диск из специальной инструментальной стали с прорезями.
Важной особенностью процесса экструзии алюминиевых профилей является то, что они могут иметь очень тонкие элементы – стенки и полки, по сравнению с общими габаритными размерами.
Метод прямого прессования (экструзии).
Алюминиевые профили обычно изготавливают методом прямой экструзии (прямого прессования).
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.
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.
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.
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).
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) 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.
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.
Состояния алюминиевых 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):
- для сплава АД31: Т, Т1, Т5, Т1(22) и Т1(25); числа в скобках – минимальная прочность в килограммах на квадратный миллиметр.
- для сплавов 6060 и 6063: Т4, Т5, Т6, Т64 и Т66.
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:
- общий прогиб и скручивание профиля по всей длине;
- искажение поперечного сечения.
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.
Экструзия алюминиевых профилей.
Один экструзионный пресс может иметь более тысячи экструзионных матриц. Их изготавливают из специальных теплостойких инструментальных сталей.
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.
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.
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.
«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:
- а = d/c для простой прорези (рисунок 3а) или
- а = А/с2 для более сложной формы «языка» (рисунок 3б); здесь А – площадь участка Х.
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:
- более прочных сплавов серии 6ххх, например, 6061 (АД33) и 6082 (АД35);
- «мягких» сплавов серии 7ххх (например, 7020);
- сплавов серий 2ххх, 5ххх и высокопрочных сплавов серии 7ххх, например, 7075.
Если коэффициент «а» превышает критическую величину для данного сплава, то профиль прессуют как полузамкнутый на мостиковой матрице или матрице «портхол» (см. ниже).
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. Обычно применяют мостиковые матрицы и матрицы «портхол», которые отличаются конструкцией рассекателя.
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.
Полузамкнутые профили.
Мостиковые матрицы или матрицы «портхол» применяют для прессования полузамкнутых профилей, которые нельзя получить на сплошных матрицах. В этом случае оправка комбинированной матрицы формирует заштрихованную область на рисунке 5.
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.
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.
Шовные и бесшовные трубы.
Для изготовления полых профилей без сварных швов применяют прессование с внутренней оправкой.
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.