Podstawowe rodzaje obróbki cieplnej stopów aluminium

Wyżarzanie, hartowanie i starzenie to podstawowe rodzaje obróbki cieplnej stopów aluminium. Wyżarzanie to proces zmiękczający, którego celem jest ujednolicenie i ustabilizowanie składu i struktury stopu, wyeliminowanie umocnienia zgniotowego oraz przywrócenie plastyczności stopu. Hartowanie i starzenie to proces wzmacniający, którego celem jest poprawa wytrzymałości stopu i jest stosowany głównie w przypadku stopów aluminium, które można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną.

1 Wyżarzanie

Ze względu na różne wymagania produkcyjne wyżarzanie stopów aluminium dzieli się na kilka form: wyżarzanie homogenizujące wlewków, wyżarzanie kęsów, wyżarzanie pośrednie i wyżarzanie gotowego produktu.

1.1 Wyżarzanie homogenizujące wlewków

W warunkach szybkiej kondensacji i krystalizacji nierównowagowej, wlewek musi mieć nierównomierny skład i strukturę, a także charakteryzować się dużymi naprężeniami wewnętrznymi. Aby zmienić tę sytuację i poprawić podatność wlewka na obróbkę plastyczną na gorąco, zazwyczaj wymagane jest wyżarzanie homogenizujące.

Aby wspomóc dyfuzję atomową, należy wybrać wyższą temperaturę wyżarzania homogenizującego, jednak nie może ona przekraczać dolnej temperatury topnienia (eutektycznej temperatury topnienia) stopu. Zazwyczaj temperatura wyżarzania homogenizującego jest o 5–40°C niższa od temperatury topnienia, a czas wyżarzania wynosi zazwyczaj od 12 do 24 godzin.

1.2 Wyżarzanie wlewków

Wyżarzanie wlewków odnosi się do wyżarzania przed pierwszym odkształceniem na zimno podczas obróbki ciśnieniowej. Celem jest uzyskanie przez wlewek zrównoważonej struktury i maksymalnej zdolności do odkształcenia plastycznego. Przykładowo, temperatura końcowa walcowanego na gorąco stopu aluminium wynosi 280–330°C. Po szybkim schłodzeniu do temperatury pokojowej, zjawiska umocnienia zgniotowego nie można całkowicie wyeliminować. W szczególności, w przypadku wzmocnionych stopów aluminium poddanych obróbce cieplnej, po szybkim schłodzeniu proces rekrystalizacji nie jest zakończony, a przesycony roztwór stały nie ulega całkowitemu rozkładowi, a część efektu umocnienia zgniotowego i hartowania jest nadal zachowana. Bezpośrednie walcowanie na zimno bez wyżarzania jest trudne, dlatego wymagane jest wyżarzanie wlewków. W przypadku nieobrobionych cieplnie wzmocnionych stopów aluminium, takich jak LF3, temperatura wyżarzania wynosi 370–470°C, a chłodzenie powietrzem przeprowadza się po wygrzaniu przez 1,5–2,5 godziny. Temperatura wlewka i wyżarzania stosowana do obróbki rur ciągnionych na zimno powinna być odpowiednio wyższa, a górna granica temperatury może być dobrana. W przypadku stopów aluminium, które można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną, takich jak LY11 i LY12, temperatura wyżarzania wlewka wynosi 390–450°C. Wlewek jest utrzymywany w tej temperaturze przez 1–3 godziny, a następnie schładzany w piecu do temperatury poniżej 270°C z szybkością nie większą niż 30°C/h, a następnie schładzany na powietrzu poza piecem.

1.3 Wyżarzanie pośrednie

Wyżarzanie pośrednie odnosi się do wyżarzania pomiędzy procesami odkształcania na zimno, którego celem jest wyeliminowanie umocnienia zgniotowego, aby umożliwić dalsze odkształcanie na zimno. Ogólnie rzecz biorąc, po wyżarzaniu materiału trudno będzie kontynuować obróbkę na zimno bez wyżarzania pośredniego po osiągnięciu 45–85% odkształcenia na zimno.

Proces wyżarzania pośredniego jest zasadniczo taki sam jak w przypadku wyżarzania wlewków. W zależności od stopnia odkształcenia na zimno, wyżarzanie pośrednie można podzielić na trzy rodzaje: wyżarzanie całkowite (odkształcenie całkowite ε≈60~70%), wyżarzanie proste (ε≤50%) i wyżarzanie lekkie (ε≈30~40%). Pierwsze dwa systemy wyżarzania są takie same jak w przypadku wyżarzania wlewków, a ten drugi jest nagrzewany do temperatury 320~350°C przez 1,5~2 godziny, a następnie chłodzony powietrzem.

1.4. Wyżarzanie gotowego produktu

Wyżarzanie wyrobu gotowego to końcowa obróbka cieplna, która nadaje materiałowi określone właściwości organizacyjne i mechaniczne, zgodnie z wymaganiami warunków technicznych wyrobu.

Wyżarzanie gotowego wyrobu można podzielić na wyżarzanie wysokotemperaturowe (produkcja wyrobów miękkich) i wyżarzanie niskotemperaturowe (produkcja wyrobów półtwardych w różnych stanach). Wyżarzanie wysokotemperaturowe powinno zapewnić uzyskanie pełnej struktury rekrystalizacyjnej i dobrej plastyczności. Aby zapewnić materiałowi dobrą strukturę i właściwości użytkowe, czas wygrzewania nie powinien być zbyt długi. W przypadku stopów aluminium, które można wzmacniać poprzez obróbkę cieplną, aby zapobiec efektowi chłodzenia powietrzem, szybkość chłodzenia powinna być ściśle kontrolowana.

Wyżarzanie niskotemperaturowe obejmuje wyżarzanie odprężające i wyżarzanie z częściowym zmiękczeniem, które są stosowane głównie w przypadku czystego aluminium i stopów aluminium wzmocnionych bez obróbki cieplnej. Opracowanie systemu wyżarzania niskotemperaturowego jest bardzo skomplikowanym zadaniem, które wymaga uwzględnienia nie tylko temperatury wyżarzania i czasu wygrzewania, ale także wpływu zanieczyszczeń, stopnia stopowania, odkształcenia na zimno, temperatury wyżarzania pośredniego i temperatury odkształcenia na gorąco. Aby opracować system wyżarzania niskotemperaturowego, konieczne jest zmierzenie krzywej zmian temperatury wyżarzania i właściwości mechanicznych, a następnie określenie zakresu temperatur wyżarzania zgodnie ze wskaźnikami określonymi w warunkach technicznych.

2 Hartowanie

Hartowanie stopu aluminium nazywane jest również obróbką roztworową. Polega ona na rozpuszczeniu jak największej ilości pierwiastków stopowych w metalu w postaci drugiej fazy w stałym roztworze poprzez nagrzewanie w wysokiej temperaturze, a następnie szybkim schłodzeniu w celu zahamowania wytrącania się drugiej fazy. W ten sposób uzyskuje się przesycony stały roztwór α na bazie aluminium, który jest dobrze przygotowany do kolejnego procesu starzenia.

Założeniem uzyskania przesyconego roztworu stałego α jest to, że rozpuszczalność drugiej fazy w stopie w aluminium powinna znacząco wzrosnąć wraz ze wzrostem temperatury, w przeciwnym razie cel obróbki roztworem stałym nie może zostać osiągnięty. Większość pierwiastków stopowych w aluminium może tworzyć eutektyczny diagram fazowy o tej charakterystyce. Biorąc za przykład stop Al-Cu, temperatura eutektyczna wynosi 548°C, a rozpuszczalność miedzi w aluminium w temperaturze pokojowej jest mniejsza niż 0,1%. Po podgrzaniu do 548°C jej rozpuszczalność wzrasta do 5,6%. Zatem stopy Al-Cu zawierające mniej niż 5,6% miedzi wchodzą w obszar pojedynczej fazy α po przekroczeniu przez temperaturę nagrzewania linii solwusu, co oznacza, że ​​druga faza CuAl2 jest całkowicie rozpuszczona w osnowie, a po hartowaniu można uzyskać pojedynczy przesycony roztwór stały α.

Hartowanie to najważniejsza i najbardziej wymagająca operacja obróbki cieplnej stopów aluminium. Kluczem jest dobór odpowiedniej temperatury nagrzewania i zapewnienie odpowiedniej szybkości chłodzenia, a także ścisła kontrola temperatury pieca i ograniczenie odkształceń podczas hartowania.

Zasada doboru temperatury hartowania polega na maksymalnym jej zwiększeniu, jednocześnie zapobiegając przepaleniu stopu aluminium i nadmiernemu wzrostowi ziaren, co pozwala na zwiększenie przesycenia roztworu stałego α i wytrzymałości po procesie starzenia. Zasadniczo, piec do wygrzewania stopów aluminium wymaga dokładności regulacji temperatury w zakresie ±3°C, a cyrkulacja powietrza w piecu jest wymuszana w celu zapewnienia równomiernej temperatury.

Przepalenie stopu aluminium jest spowodowane częściowym stopieniem składników o niskiej temperaturze topnienia wewnątrz metalu, takich jak eutektyki dwuskładnikowe lub wieloelementowe. Przepalenie nie tylko powoduje obniżenie właściwości mechanicznych, ale ma również poważny wpływ na odporność stopu na korozję. Dlatego też, raz przepalonego stopu aluminium nie można wyeliminować, a produkt stopowy należy zezłomować. Rzeczywista temperatura przepalenia stopu aluminium zależy głównie od składu stopu i zawartości zanieczyszczeń, a także od stanu obróbki stopu. Temperatura przepalenia produktów poddanych obróbce plastycznej jest wyższa niż odlewów. Im większa obróbka odkształceniowa, tym łatwiej składniki o niskiej temperaturze topnienia, znajdujące się w stanie nierównowagi, rozpuszczają się w osnowie podczas nagrzewania, co powoduje wzrost rzeczywistej temperatury przepalenia.

Szybkość chłodzenia podczas hartowania stopu aluminium ma istotny wpływ na jego zdolność do umacniania się pod wpływem starzenia i odporność na korozję. Podczas hartowania stopów LY12 i LC4 należy upewnić się, że roztwór stały α nie ulegnie rozkładowi, szczególnie w zakresie temperatur 290–420°C, i wymagana jest odpowiednio duża szybkość chłodzenia. Zazwyczaj przyjmuje się, że szybkość chłodzenia powinna przekraczać 50°C/s, a w przypadku stopu LC4 powinna ona osiągać lub przekraczać 170°C/s.

Najczęściej stosowanym medium hartowniczym w przypadku stopów aluminium jest woda. Praktyka produkcyjna pokazuje, że im większa szybkość chłodzenia podczas hartowania, tym większe naprężenia szczątkowe i odkształcenia szczątkowe hartowanego materiału lub przedmiotu obrabianego. Dlatego w przypadku małych przedmiotów o prostych kształtach temperatura wody może być nieco niższa, zazwyczaj 10–30°C, i nie powinna przekraczać 40°C. W przypadku przedmiotów o złożonych kształtach i dużych różnicach grubości ścianek, w celu zmniejszenia odkształceń i pęknięć podczas hartowania, temperaturę wody można czasami zwiększyć do 80°C. Należy jednak zauważyć, że wraz ze wzrostem temperatury wody w wannie hartowniczej, wytrzymałość i odporność na korozję materiału również odpowiednio maleją.

3. Starzenie się

3.1 Transformacja organizacyjna i zmiany w wydajności w okresie starzenia się

Przesycony roztwór stały α otrzymany w wyniku hartowania jest strukturą niestabilną. Po ogrzaniu ulega rozkładowi i przekształca się w strukturę równowagową. Biorąc za przykład stop Al-4Cu, jego struktura równowagowa powinna wyglądać następująco: α+CuAl2 (faza θ). Gdy jednofazowy przesycony roztwór stały α po hartowaniu jest podgrzewany w celu starzenia, przy wystarczająco wysokiej temperaturze, faza θ zostanie bezpośrednio wytrącona. W przeciwnym razie proces będzie przebiegał etapami, tj. po kilku przejściowych etapach przejściowych może zostać osiągnięta końcowa faza równowagowa CuAl2. Poniższy rysunek ilustruje charakterystykę struktury krystalicznej każdego etapu wytrącania podczas procesu starzenia stopu Al-Cu. Rysunek a przedstawia strukturę sieci krystalicznej w stanie hartowanym. W tym momencie jest to jednofazowy α przesycony stały roztwór, a atomy miedzi (czarne kropki) są równomiernie i losowo rozłożone w sieci macierzystej aluminium (białe kropki). Rysunek b. przedstawia strukturę sieci we wczesnym etapie wytrącania. Atomy miedzi zaczynają koncentrować się w pewnych obszarach sieci macierzystej, tworząc obszar Guiniera-Prestona, zwany obszarem GP. Strefa GP jest niezwykle mała i ma kształt dysku, o średnicy około 5~10 μm i grubości 0,4~0,6 nm. Liczba stref GP w matrycy jest niezwykle duża, a gęstość rozmieszczenia może osiągnąć 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Struktura krystaliczna strefy GP jest nadal taka sama jak struktury macierzy, obie są sześcienne ściennie centrowane i utrzymują spójny interfejs z matrycą. Ponieważ jednak rozmiar atomów miedzi jest mniejszy od rozmiaru atomów glinu, wzbogacenie atomami miedzi spowoduje skurczenie się sieci krystalicznej w pobliżu tego obszaru, co z kolei doprowadzi do jej zniekształcenia.

Schematyczny diagram zmian struktury krystalicznej stopu Al-Cu podczas starzenia

Rysunek a. Stan wygaszony, jednofazowy roztwór stały α, atomy miedzi (czarne kropki) są równomiernie rozłożone;

Ryc. b. Na wczesnym etapie starzenia tworzy się strefa GP;

Rysunek c. W późnej fazie starzenia tworzy się półkoherentna faza przejściowa;

Rysunek d. Starzenie w wysokiej temperaturze, wytrącanie się niespójnej fazy równowagowej

Strefa GP jest pierwszym produktem precypitacji, który pojawia się podczas procesu starzenia stopów aluminium. Wydłużenie czasu starzenia, a zwłaszcza podwyższenie temperatury starzenia, powoduje również powstawanie innych pośrednich faz przejściowych. W stopie Al-4Cu, po strefie GP występują fazy θ” i θ', a ostatecznie osiągana jest faza równowagowa CuAl2. θ” i θ' są fazami przejściowymi fazy θ, a struktura krystaliczna jest siecią kwadratową, ale stała sieci jest inna. Rozmiar strefy θ jest większy niż strefy GP, nadal ma kształt dysku, o średnicy około 15–40 nm i grubości 0,8–2,0 nm. Nadal utrzymuje ona spójny interfejs z matrycą, ale stopień zniekształcenia sieci jest bardziej intensywny. Podczas przejścia z fazy θ” do θ' rozmiar wzrasta do 20–600 nm, grubość wynosi 10–15 nm, a spójny interfejs ulega częściowemu zniszczeniu, stając się interfejsem półspójnym, jak pokazano na rysunku c. Końcowym produktem starzenia się wytrącania jest faza równowagowa θ (CuAl2), w której spójny interfejs ulega całkowitemu zniszczeniu i staje się interfejsem niespójnym, jak pokazano na rysunku d.

Zgodnie z powyższą sytuacją, kolejność wydzieleń w procesie starzenia stopu Al-Cu jest następująca: αs→α+strefa GP→α+θ”→α+θ'→α+θ. Stopień starzenia struktury zależy od składu stopu i specyfikacji starzenia. Często w tym samym stanie znajduje się więcej niż jeden produkt starzenia. Im wyższa temperatura starzenia, tym bliżej struktury równowagowej.

W procesie starzenia, strefa GP i faza przejściowa wytrącane z osnowy są niewielkie, silnie rozproszone i niełatwo ulegają odkształceniu. Jednocześnie powodują one odkształcenie sieci krystalicznej w osnowie i tworzą pole naprężeń, które znacząco hamuje ruch dyslokacji, zwiększając w ten sposób odporność stopu na odkształcenia plastyczne oraz poprawiając jego wytrzymałość i twardość. To zjawisko utwardzania wydzieleniowego nazywane jest utwardzaniem wydzieleniowym. Poniższy rysunek ilustruje zmianę twardości stopu Al-4Cu podczas hartowania i starzenia w formie krzywej. Etap I na rysunku przedstawia twardość stopu w stanie wyjściowym. Ze względu na różną historię obróbki plastycznej na gorąco, twardość w stanie wyjściowym będzie się różnić, zazwyczaj HV = 30–80. Po ogrzaniu do 500°C i hartowaniu (etap II), wszystkie atomy miedzi rozpuszczają się w matrycy, tworząc jednofazowy przesycony roztwór stały α o HV = 60, który jest dwukrotnie twardszy niż twardość w stanie wyżarzonym (HV = 30). Jest to wynik umocnienia w roztworze stałym. Po hartowaniu, stop umieszcza się w temperaturze pokojowej, a twardość stopu stale wzrasta dzięki ciągłemu tworzeniu się stref GP (etap III). Ten proces utwardzania starzeniowego w temperaturze pokojowej nazywa się starzeniem naturalnym.

I—stan pierwotny;

II—stan stały roztworu;

III—starzenie naturalne (strefa GP);

IVa — leczenie regresyjne w temperaturze 150~200℃ (ponowne rozpuszczenie w strefie GP);

IVb—sztuczne starzenie (faza θ”+θ');

V—przestarzanie (faza θ”+θ')

W etapie IV stop jest podgrzewany do 150°C w celu starzenia, a efekt utwardzania jest bardziej widoczny niż w przypadku starzenia naturalnego. W tym momencie produktem wydzielenia jest głównie faza θ”, która ma największy wpływ na wzmocnienie stopów Al-Cu. Wraz z dalszym wzrostem temperatury starzenia, faza wydzielenia przechodzi z fazy θ” do fazy θ', efekt utwardzania słabnie, a twardość maleje, wchodząc w etap V. Każdy proces starzenia wymagający sztucznego nagrzewania nazywa się starzeniem sztucznym, a etapy IV i V należą do tej kategorii. Jeśli twardość osiągnie maksymalną wartość twardości, jaką stop może osiągnąć po starzeniu (tj. etap IVb), to starzenie nazywa się starzeniem szczytowym. Jeśli szczytowa wartość twardości nie zostanie osiągnięta, nazywa się to niedostarzeniem lub niepełnym sztucznym starzeniem. Jeśli wartość szczytowa zostanie przekroczona, a twardość spadnie, nazywa się to przestarzeniem. Starzenie stabilizacyjne również należy do przestarzania. Strefa GP utworzona podczas starzenia naturalnego jest bardzo niestabilna. Po szybkim podgrzaniu do wyższej temperatury, np. około 200°C, i krótkim czasie utrzymywania w cieple, strefa GP rozpuści się z powrotem do stałego roztworu α. Jeśli zostanie szybko schłodzona (zahartowana) przed wytrąceniem się innych faz przejściowych, takich jak θ” lub θ', stop można przywrócić do pierwotnego stanu zahartowanego. Zjawisko to nazywa się „regresją” i oznacza spadek twardości oznaczony linią przerywaną w etapie IVa na rysunku. Stop aluminium, który został poddany regresji, nadal ma taką samą zdolność do utwardzania starzeniowego.

Utwardzanie wydzieleniowe stanowi podstawę rozwoju obrabialnych cieplnie stopów aluminium, a jego zdolność do utwardzania wydzieleniowego jest bezpośrednio związana ze składem stopu i procesem obróbki cieplnej. Stopy binarne Al-Si i Al-Mn nie wykazują efektu utwardzania wydzieleniowego, ponieważ faza równowagowa jest bezpośrednio wytrącana podczas procesu starzenia, i są stopami aluminium nieulegającymi obróbce cieplnej. Chociaż stopy Al-Mg mogą tworzyć strefy GP i fazy przejściowe β', wykazują one pewną zdolność do utwardzania wydzieleniowego tylko w stopach wysokomagnezowych. Stopy Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si i Al-Zn-Mg-Cu charakteryzują się silną zdolnością do utwardzania wydzieleniowego w strefach GP i fazach przejściowych i są obecnie głównymi systemami stopowymi, które można obrabiać cieplnie i wzmacniać.

3.2 Naturalne starzenie się

Stopy aluminium, które można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną, wykazują zazwyczaj naturalny efekt starzenia po hartowaniu. Naturalne wzmocnienie starzeniowe jest spowodowane strefą GP. Starzenie naturalne jest szeroko stosowane w stopach Al-Cu i Al-Cu-Mg. Naturalne starzenie stopów Al-Zn-Mg-Cu trwa zbyt długo i często osiągnięcie stabilnego stanu zajmuje kilka miesięcy, dlatego metoda naturalnego starzenia nie jest stosowana.

W porównaniu ze starzeniem sztucznym, po starzeniu naturalnym granica plastyczności stopu jest niższa, ale plastyczność i wytrzymałość są lepsze, a odporność na korozję wyższa. Sytuacja z supertwardym aluminium w układzie Al-Zn-Mg-Cu jest nieco inna. Odporność na korozję po starzeniu sztucznym jest często lepsza niż po starzeniu naturalnym.

3.3 Sztuczne starzenie

Po sztucznym starzeniu stopy aluminium często uzyskują najwyższą granicę plastyczności (głównie dzięki wzmocnieniu w fazie przejściowej) i lepszą stabilność organizacyjną. Starzeniu sztucznemu poddawane są głównie stopy supertwarde, kute i odlewane. Temperatura i czas starzenia mają istotny wpływ na właściwości stopu. Temperatura starzenia wynosi zazwyczaj od 120 do 190°C, a czas starzenia nie przekracza 24 godzin.

Oprócz jednoetapowego starzenia sztucznego, stopy aluminium można również poddać stopniowemu starzeniu sztucznemu. Oznacza to, że nagrzewanie jest przeprowadzane dwukrotnie lub więcej razy w różnych temperaturach. Na przykład, stop LC4 można starzeć w temperaturze 115-125°C przez 2-4 godziny, a następnie w temperaturze 160-170°C przez 3-5 godzin. Stopniowe starzenie może nie tylko znacznie skrócić czas, ale także poprawić mikrostrukturę stopów Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cu, a także znacząco poprawić odporność na korozję naprężeniową, wytrzymałość zmęczeniową i odporność na pękanie bez zasadniczego pogorszenia właściwości mechanicznych.