Podstawowe rodzaje obróbki cieplnej stopów aluminium

Wyżarzanie, hartowanie i starzenie to podstawowe rodzaje obróbki cieplnej stopów aluminium. Wyżarzanie to obróbka zmiękczająca, której celem jest ujednolicenie i ustabilizowanie składu i struktury stopu, wyeliminowanie utwardzania i przywrócenie plastyczności stopu. Hartowanie i starzenie to wzmacniająca obróbka cieplna, której celem jest poprawa wytrzymałości stopu i jest stosowana 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 produktu gotowego.

1.1 Wyżarzanie homogenizujące wlewków

W warunkach szybkiej kondensacji i krystalizacji nierównowagowej wlewek musi mieć nierównomierny skład i strukturę, a także duże naprężenia wewnętrzne. Aby zmienić tę sytuację i poprawić przetwarzalność wlewka na gorąco, zazwyczaj wymagane jest wyżarzanie homogenizujące.

Aby promować dyfuzję atomową, należy wybrać wyższą temperaturę do wyżarzania homogenizacyjnego, ale nie może ona przekraczać niskiej temperatury topnienia eutektycznego stopu. Ogólnie rzecz biorąc, temperatura wyżarzania homogenizacyjnego jest o 5~40℃ niższa od temperatury topnienia, a czas wyżarzania wynosi przeważnie od 12 do 24 godzin.

1.2 Wyżarzanie wlewków

Wyżarzanie kęsów odnosi się do wyżarzania przed pierwszym odkształceniem na zimno podczas obróbki ciśnieniowej. Celem jest uzyskanie przez kęs zrównoważonej struktury i maksymalnej zdolności do odkształcenia plastycznego. Na przykład, końcowa temperatura walcowania gorącowalcowanego stopu aluminium wynosi 280~330℃. Po szybkim schłodzeniu w temperaturze pokojowej, zjawisko utwardzania przez zgniot nie może zostać całkowicie wyeliminowane. W szczególności, w przypadku wzmocnionych stopów aluminium poddanych obróbce cieplnej, po szybkim schłodzeniu, proces rekrystalizacji nie został zakończony, a przesycony roztwór stały nie został całkowicie rozłożony, a część efektu utwardzania przez zgniot jest nadal zachowana. Trudno jest bezpośrednio walcować na zimno bez wyżarzania, więc wymagane jest wyżarzanie kęsów. W przypadku nieobrobionych cieplnie wzmocnionych stopów aluminium, takich jak LF3, temperatura wyżarzania wynosi 370~470℃, a chłodzenie powietrzem jest wykonywane po utrzymaniu ciepła przez 1,5~2,5h. Temperatura kęsa i wyżarzania stosowana do obróbki rur ciągnionych na zimno powinna być odpowiednio wyższa, a górna granica temperatury może być wybrana. W przypadku stopów aluminium, które można wzmocnić przez obróbkę cieplną, takich jak LY11 i LY12, temperatura wyżarzania kęsa wynosi 390~450℃, utrzymywana w tej temperaturze przez 1~3h, a następnie chłodzona w piecu do temperatury poniżej 270℃ z szybkością nie większą niż 30℃/h, a następnie chłodzona powietrzem poza piecem.

1.3 Wyżarzanie pośrednie

Wyżarzanie pośrednie odnosi się do wyżarzania pomiędzy procesami odkształcania na zimno, którego celem jest wyeliminowanie utwardzania zgniotowego w celu ułatwienia dalszego odkształcania na zimno. Mówiąc ogólnie, po wyżarzaniu materiału trudno będzie kontynuować obróbkę na zimno bez wyżarzania pośredniego po przejściu 45~85% odkształcenia na zimno.

System procesowy wyżarzania pośredniego jest zasadniczo taki sam jak wyżarzania wlewków. Zgodnie z wymaganiami stopnia odkształcenia na zimno, wyżarzanie pośrednie można podzielić na trzy typy: wyżarzanie całkowite (całkowite odkształcenie ε≈60~70%), wyżarzanie proste (ε≤50%) i wyżarzanie lekkie (ε≈30~40%). Pierwsze dwa systemy wyżarzania są takie same jak wyżarzanie wlewków, a ten ostatni jest podgrzewany do 320~350℃ 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 produktu można podzielić na wyżarzanie w wysokiej temperaturze (produkcja miękkich produktów) i wyżarzanie w niskiej temperaturze (produkcja półtwardych produktów w różnych stanach). Wyżarzanie w wysokiej temperaturze powinno zapewnić uzyskanie całkowitej struktury rekrystalizacji i dobrej plastyczności. Pod warunkiem zapewnienia, że ​​materiał uzyska dobrą strukturę i wydajność, czas utrzymywania nie powinien być zbyt długi. W przypadku stopów aluminium, które można wzmocnić przez obróbkę cieplną, aby zapobiec efektowi hartowania przez chłodzenie powietrzem, szybkość chłodzenia powinna być ściśle kontrolowana.

Wyżarzanie w niskiej temperaturze obejmuje wyżarzanie odprężające i częściowe wyżarzanie zmiękczające, które są stosowane głównie do czystego aluminium i wzmocnionych stopów aluminium bez obróbki cieplnej. Sformułowanie układu wyżarzania w niskiej temperaturze jest bardzo skomplikowanym zadaniem, które nie tylko wymaga uwzględnienia temperatury wyżarzania i czasu utrzymywania, ale także wpływu zanieczyszczeń, stopnia stopowania, odkształcenia na zimno, temperatury wyżarzania pośredniego i temperatury odkształcenia na gorąco. Aby sformułować układ wyżarzania w niskiej temperaturze, konieczne jest zmierzenie krzywej zmian między temperaturą wyżarzania a właściwościami mechanicznymi, a następnie określenie zakresu temperatur wyżarzania zgodnie ze wskaźnikami wydajności określonymi w warunkach technicznych.

2. Hartowanie

Hartowanie stopu aluminium nazywane jest również obróbką rozpuszczającą. Polega ona na rozpuszczeniu jak największej ilości pierwiastków stopowych w metalu w postaci drugiej fazy w stałym roztworze poprzez ogrzewanie 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 znacznie wzrastać 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℃, a rozpuszczalność miedzi w aluminium w temperaturze pokojowej jest mniejsza niż 0,1%. Po podgrzaniu do 548℃ jej rozpuszczalność wzrasta do 5,6%. Dlatego stopy Al-Cu zawierające mniej niż 5,6% miedzi wchodzą w obszar pojedynczej fazy α po przekroczeniu przez temperaturę ogrzewania linii solwusu, to znaczy, że druga faza CuAl2 jest całkowicie rozpuszczona w matrycy, a po hartowaniu można uzyskać pojedynczy przesycony roztwór stały α.

Hartowanie jest najważniejszą i najbardziej wymagającą operacją obróbki cieplnej stopów aluminium. Kluczem jest wybór odpowiedniej temperatury nagrzewania hartowania i zapewnienie wystarczającej szybkości chłodzenia hartowania, a także ścisła kontrola temperatury pieca i redukcja odkształceń hartowania.

Zasada doboru temperatury hartowania polega na maksymalnym zwiększeniu temperatury hartowania, zapewniając jednocześnie, że stop aluminium nie przepali się lub ziarna nie urosną nadmiernie, aby zwiększyć przesycenie roztworu stałego α i wytrzymałość po obróbce starzeniowej. Ogólnie rzecz biorąc, piec do podgrzewania stopu aluminium wymaga, aby dokładność kontroli temperatury pieca mieściła się w granicach ±3℃, a powietrze w piecu jest zmuszane do cyrkulacji, aby zapewnić jednorodność temperatury pieca.

Nadpalenie stopu aluminium jest spowodowane częściowym stopieniem składników o niskiej temperaturze topnienia wewnątrz metalu, takich jak eutektyki binarne lub wieloelementowe. Nadpalenie nie tylko powoduje obniżenie właściwości mechanicznych, ale ma również poważny wpływ na odporność stopu na korozję. Dlatego też, gdy stop aluminium zostanie nadpalony, nie można go wyeliminować, a produkt stopowy należy zezłomować. Rzeczywista temperatura nadpalenia stopu aluminium jest głównie określana przez skład stopu i zawartość zanieczyszczeń, a także jest związana ze stanem obróbki stopu. Temperatura nadpalenia produktów, które zostały poddane obróbce odkształcenia plastycznego, jest wyższa niż odlewów. Im większa obróbka odkształceniowa, tym łatwiej jest nierównowagowym składnikom o niskiej temperaturze topnienia rozpuścić się w matrycy po podgrzaniu, więc rzeczywista temperatura nadpalenia wzrasta.

Szybkość chłodzenia podczas hartowania stopu aluminium ma znaczący wpływ na zdolność do wzmacniania starzeniowego i odporność stopu na korozję. Podczas procesu hartowania LY12 i LC4 należy upewnić się, że stały roztwór α nie ulegnie rozkładowi, szczególnie w obszarze wrażliwym na temperaturę 290~420℃, i wymagana jest wystarczająco duża szybkość chłodzenia. Zwykle określa się, że szybkość chłodzenia powinna być wyższa niż 50℃/s, a w przypadku stopu LC4 powinna osiągnąć lub przekroczyć 170℃/s.

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

3. Starzenie się

3.1 Transformacja organizacyjna i zmiany wydajności w okresie starzenia się

Przesycony roztwór stały α uzyskany przez hartowanie jest niestabilną strukturą. Po podgrzaniu ulega rozkładowi i przekształca się w strukturę równowagową. Biorąc za przykład stop Al-4Cu, jego struktura równowagowa powinna być α+CuAl2 (faza θ). Gdy jednofazowy przesycony roztwór stały α po hartowaniu jest podgrzewany w celu starzenia, jeśli temperatura jest wystarczająco wysoka, faza θ zostanie wytrącona bezpośrednio. W przeciwnym razie będzie to przeprowadzane etapami, to znaczy, po kilku pośrednich etapach przejściowych można osiągnąć końcową fazę równowagową 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 roztwór stały, a atomy miedzi (czarne kropki) są równomiernie i losowo rozmieszczone w siatce macierzy aluminium (białe kropki). Rysunek b. przedstawia strukturę sieci we wczesnym etapie wytrącania. Atomy miedzi zaczynają się koncentrować w pewnych obszarach sieci macierzy, tworząc obszar Guiniera-Prestona, zwany obszarem GP. Strefa GP jest niezwykle mała i ma kształt dysku, o średnicy około 5~10μm i grubości 0,4~0,6nm. Liczba stref GP w macierzy jest niezwykle duża, a gęstość dystrybucji 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 macierzą. Jednak ze względu na to, że 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 rozmieszczone;

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

Rysunek c. W późnym etapie starzenia tworzy się półkoherentna faza przejściowa;

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

Strefa GP jest pierwszym produktem preprecypitacji, który pojawia się podczas procesu starzenia stopów aluminium. Wydłużenie czasu starzenia, a zwłaszcza zwiększenie temperatury starzenia, spowoduje również utworzenie innych pośrednich faz przejściowych. W stopie Al-4Cu po strefie GP występują fazy θ” i θ', a na końcu 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 θ jest większy niż rozmiar strefy GP, nadal ma kształt dysku, o średnicy około 15~40 nm i grubości 0,8~2,0 nm. Nadal utrzymuje spójny interfejs z matrycą, ale stopień zniekształcenia sieci jest bardziej intensywny. Podczas przejścia z fazy θ” do θ' rozmiar wzrósł do 20~600nm, grubość wynosi 10~15nm, a spójny interfejs jest również częściowo zniszczony, stając się interfejsem półspójnym, jak pokazano na rysunku c. Końcowym produktem starzenia się wytrącania jest faza równowagowa θ (CuAl2), w którym to momencie spójny interfejs jest całkowicie zniszczony i staje się interfejsem niespójnym, jak pokazano na rysunku d.

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

Podczas procesu starzenia strefa GP i faza przejściowa wytrącone z matrycy są małe, silnie rozproszone i niełatwo ulegają odkształceniu. Jednocześnie powodują one zniekształcenie sieci w matrycy i tworzą pole naprężeń, które ma znaczący wpływ utrudniający ruch dyslokacji, zwiększając w ten sposób odporność na odkształcenia plastyczne stopu i poprawiając jego wytrzymałość i twardość. To zjawisko utwardzania starzeniowego nazywa się utwardzaniem wydzieleniowym. Poniższy rysunek ilustruje zmianę twardości stopu Al-4Cu podczas hartowania i obróbki starzeniowej w formie krzywej. Etap I na rysunku przedstawia twardość stopu w jego pierwotnym stanie. Ze względu na różne historie obróbki cieplnej twardość pierwotnego stanu będzie się różnić, ogólnie HV=30~80. Po podgrzaniu do 500℃ i hartowaniu (etap II), wszystkie atomy miedzi rozpuszczają się w matrycy, tworząc jednofazowy przesycony roztwór stały α o HV=60, który jest dwa razy twardszy niż twardość w stanie wyżarzonym (HV=30). Jest to wynik wzmocnienia roztworu stałego. Po hartowaniu umieszcza się go w temperaturze pokojowej, a twardość stopu jest stale zwiększana ze względu na ciągłe tworzenie się stref GP (etap III). Ten proces utwardzania starzeniowego w temperaturze pokojowej nazywa się naturalnym starzeniem.

Ja — stan pierwotny;

II—stan stały roztworu;

III—starzenie naturalne (strefa GP);

IVa — obróbka regresyjna 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 naturalnego starzenia. W tym momencie produktem wytrącania jest głównie faza θ”, która ma największy efekt wzmacniający w stopach Al-Cu. Jeśli temperatura starzenia zostanie dodatkowo zwiększona, faza wytrącania przechodzi z fazy θ” do fazy θ', efekt utwardzania słabnie, a twardość maleje, wchodząc w etap V. Każde starzenie wymagające sztucznego ogrzewania nazywane jest sztucznym starzeniem, 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 zmniejszy się, nazywa się to przestarzeniem. Starzenie stabilizacyjne również należy do przestarzenia. Strefa GP utworzona podczas naturalnego starzenia jest bardzo niestabilna. Po szybkim podgrzaniu do wyższej temperatury, np. około 200°C i utrzymaniu ciepła przez krótki czas, strefa GP rozpuści się z powrotem do stałego roztworu α. Jeśli zostanie szybko schłodzona (zahartowana) przed innymi fazami przejściowymi, takimi jak osad θ” lub θ', stop może zostać przywrócony do pierwotnego stanu hartowania. Zjawisko to nazywa się „regresją”, co jest spadkiem twardości oznaczonym linią przerywaną w etapie IVa na rysunku. Stop aluminium, który został poddany regresji, nadal ma taką samą zdolność do utwardzania starzeniowego.

Utwardzanie starzeniowe jest podstawą opracowywania obrabialnych cieplnie stopów aluminium, a jego zdolność do utwardzania starzeniowego jest bezpośrednio związana ze składem stopu i systemem obróbki cieplnej. Stopy binarne Al-Si i Al-Mn nie mają efektu utwardzania wydzieleniowego, ponieważ faza równowagowa jest bezpośrednio wytrącana podczas procesu starzenia i są stopami aluminium niepodlegającymi obróbce cieplnej. Chociaż stopy Al-Mg mogą tworzyć strefy GP i fazy przejściowe β', mają one tylko pewną zdolność do utwardzania wydzieleniowego w stopach o wysokiej zawartości magnezu. Stopy Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si i Al-Zn-Mg-Cu mają silną zdolność do utwardzania wydzieleniowego w swoich strefach GP i fazach przejściowych i są obecnie głównymi systemami stopowymi, które można obrabiać cieplnie i wzmacniać.

3.2 Naturalne starzenie się

Ogólnie rzecz biorąc, stopy aluminium, które można wzmocnić przez obróbkę cieplną, mają naturalny efekt starzenia po hartowaniu. Naturalne starzenie się wzmacniające jest spowodowane przez strefę GP. Naturalne starzenie jest szeroko stosowane w stopach Al-Cu i Al-Cu-Mg. Naturalne starzenie stopów Al-Zn-Mg-Cu trwa zbyt długo i często zajmuje kilka miesięcy, aby osiągnąć stabilny etap, więc naturalny system starzenia nie jest stosowany.

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

3.3 Sztuczne starzenie

Po sztucznym starzeniu stopy aluminium mogą często uzyskać najwyższą granicę plastyczności (głównie wzmocnienie fazy przejściowej) i lepszą stabilność organizacyjną. Supertwarde aluminium, kute aluminium i odlewane aluminium są głównie sztucznie starzone. Temperatura starzenia i czas starzenia mają istotny wpływ na właściwości stopu. Temperatura starzenia wynosi przeważnie od 120 do 190℃, a czas starzenia nie przekracza 24 godzin.

Oprócz jednoetapowego sztucznego starzenia, stopy aluminium mogą również przyjąć stopniowy system sztucznego starzenia. Oznacza to, że ogrzewanie jest wykonywane dwa lub więcej razy w różnych temperaturach. Na przykład stop LC4 może być starzony w temperaturze 115~125℃ przez 2~4h, a następnie w temperaturze 160~170℃ przez 3~5h. Stopniowe starzenie może nie tylko znacznie skrócić czas, ale także poprawić mikrostrukturę stopów Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cu oraz znacznie poprawić odporność na korozję naprężeniową, wytrzymałość zmęczeniową i odporność na pękanie bez zasadniczego obniżania właściwości mechanicznych.