Основни видове термична обработка на алуминиеви сплави

Отгряването, закаляването и стареенето са основните видове термична обработка на алуминиевите сплави. Отгряването е омекотяваща обработка, чиято цел е да направи сплавта еднородна и стабилна по състав и структура, да елиминира втвърдяването и да възстанови пластичността на сплавта. Закаляването и стареенето е укрепваща термична обработка, чиято цел е да подобри якостта на сплавта и се използва главно за алуминиеви сплави, които могат да бъдат укрепени чрез термична обработка.

1 Отгряване

Според различните производствени изисквания, отгряването на алуминиеви сплави се разделя на няколко форми: хомогенизиращо отгряване на блокове, отгряване на заготовки, междинно отгряване и отгряване на готов продукт.

1.1 Отгряване за хомогенизиране на слитъци

При условия на бърза кондензация и неравновесна кристализация, слитъкът трябва да има неравномерен състав и структура, както и голямо вътрешно напрежение. За да се промени тази ситуация и да се подобри обработваемостта на слитъка при гореща обработка, обикновено се изисква хомогенизиращо отгряване.

За да се насърчи атомната дифузия, за хомогенизационно отгряване трябва да се избере по-висока температура, но тя не трябва да надвишава ниската евтектична точка на топене на сплавта. Обикновено температурата на хомогенизационно отгряване е с 5~40℃ по-ниска от точката на топене, а времето за отгряване е най-често между 12~24 часа.

1.2 Отгряване на заготовки

Отгряването на заготовки се отнася до отгряването преди първата студена деформация по време на обработката под налягане. Целта е заготовката да придобие балансирана структура и максимален капацитет на пластична деформация. Например, температурата на валцоване на горещовалцувана плоча от алуминиева сплав е 280~330℃. След бързо охлаждане при стайна температура, феноменът на втвърдяване не може да бъде напълно елиминиран. По-специално, при термично обработени укрепени алуминиеви сплави, след бързо охлаждане, процесът на рекристализация не е приключил и пренаситеният твърд разтвор не е напълно разложен, като част от ефекта на втвърдяване и закаляване все още се запазва. Трудно е да се извърши директно студено валцоване без отгряване, така че е необходимо отгряване на заготовки. За нетермично обработени укрепени алуминиеви сплави, като LF3, температурата на отгряване е 370~470℃, а охлаждането на въздух се извършва след 1,5~2,5 часа затопляне. Температурата на отгряване на заготовката и температурата на студено изтеглените тръби трябва да бъде подходящо по-висока, като може да се избере горна граница на температурата. За алуминиеви сплави, които могат да бъдат укрепени чрез термична обработка, като LY11 и LY12, температурата на отгряване на заготовката е 390~450℃, като се поддържа при тази температура в продължение на 1~3 часа, след което се охлажда в пещта до под 270℃ със скорост не повече от 30℃/ч и след това се охлажда на въздух извън пещта.

1.3 Междинно отгряване

Междинното отгряване се отнася до отгряване между процесите на студена деформация, чиято цел е да се елиминира втвърдяването, за да се улесни продължаващата студена деформация. Най-общо казано, след като материалът е отгрят, ще бъде трудно да се продължи студената обработка без междинно отгряване след претърпяване на 45~85% студена деформация.

Процесната система на междинното отгряване е по същество същата като тази на отгряването на заготовки. Според изискванията за степен на студена деформация, междинното отгряване може да се раздели на три вида: пълно отгряване (обща деформация ε≈60~70%), просто отгряване (ε≈50%) и леко отгряване (ε≈30~40%). Първите две системи за отгряване са същите като отгряването на заготовки, като последната се нагрява при 320~350℃ за 1,5~2 часа и след това се охлажда на въздух.

1.4. Отгряване на готовия продукт

Отгряването на готовия продукт е окончателната термична обработка, която придава на материала определени организационни и механични свойства, съгласно изискванията на техническите условия на продукта.

Отгряването на готови продукти може да се раздели на високотемпературно отгряване (производство на меки продукти) и нискотемпературно отгряване (производство на полутвърди продукти в различни състояния). Високотемпературното отгряване трябва да осигури получаването на пълна рекристализираща структура и добра пластичност. При условие че материалът получи добра структура и характеристики, времето на задържане не трябва да бъде твърде дълго. За алуминиеви сплави, които могат да бъдат укрепени чрез термична обработка, скоростта на охлаждане трябва да бъде стриктно контролирана, за да се предотврати ефектът на закаляване от охлаждане на въздуха.

Нискотемпературното отгряване включва отгряване за облекчаване на напрежението и частично омекващо отгряване, които се използват главно за чист алуминий и алуминиеви сплави, укрепени без термична обработка. Формулирането на система за нискотемпературно отгряване е много сложна задача, която трябва да вземе предвид не само температурата на отгряване и времето на задържане, но и влиянието на примесите, степента на легиране, студената деформация, междинната температура на отгряване и температурата на гореща деформация. За да се формулира система за нискотемпературно отгряване, е необходимо да се измери кривата на промяна между температурата на отгряване и механичните свойства и след това да се определи диапазонът на температурата на отгряване съгласно показателите за производителност, посочени в техническите условия.

2 Закаляване

Закаляването на алуминиева сплав, наричано още обработка с разтвор, е процес, при който се разтварят възможно най-много легиращи елементи в метала като втора фаза в твърдия разтвор чрез високотемпературно нагряване, последвано от бързо охлаждане, за да се предотврати утаяването на втората фаза, като по този начин се получава пренаситен α твърд разтвор на базата на алуминий, който е добре подготвен за следващата обработка чрез стареене.

Предпоставката за получаване на пренаситен α твърд разтвор е, че разтворимостта на втората фаза в сплавта в алуминия трябва да се увеличи значително с повишаване на температурата, в противен случай целта на обработката с твърд разтвор не може да бъде постигната. Повечето легиращи елементи в алуминия могат да образуват евтектична фазова диаграма с тази характеристика. Вземайки за пример Al-Cu сплавта, евтектичната температура е 548℃, а разтворимостта на медта в алуминия при стайна температура е по-малка от 0,1%. При нагряване до 548℃, разтворимостта ѝ се увеличава до 5,6%. Следователно, Al-Cu сплавите, съдържащи по-малко от 5,6% мед, навлизат в α еднофазната област, след като температурата на нагряване надвиши линията на разтворимост, т.е. втората фаза CuAl2 е напълно разтворена в матрицата и след закаляване може да се получи единичен пренаситен α твърд разтвор.

Закаляването е най-важната и най-взискателната операция за термична обработка на алуминиеви сплави. Ключът е да се избере подходящата температура на закаляване и да се осигури достатъчна скорост на охлаждане, както и стриктно да се контролира температурата на пещта и да се намали деформацията при закаляване.

Принципът на избор на температура на закаляване е да се увеличи максимално температурата на закаляване, като същевременно се гарантира, че алуминиевата сплав не прегаря или зърната не нарастват прекомерно, за да се увеличи пренасищането на α твърдия разтвор и якостта след стареене. Обикновено, пещта за нагряване на алуминиева сплав изисква точност на регулиране на температурата на пещта да бъде в рамките на ±3 ℃, а въздухът в пещта е принуден да циркулира, за да се осигури равномерност на температурата на пещта.

Прегарянето на алуминиевата сплав се причинява от частичното топене на нискотопими компоненти вътре в метала, като например бинарни или многоелементни евтектики. Прегарянето не само води до намаляване на механичните свойства, но и оказва сериозно влияние върху корозионната устойчивост на сплавта. Следователно, след като алуминиевата сплав е прегорела, тя не може да бъде елиминирана и продуктът от сплавта трябва да бъде бракуван. Действителната температура на прегаряне на алуминиевата сплав се определя главно от състава на сплавта и съдържанието на примеси, а също така е свързана със състоянието на обработка на сплавта. Температурата на прегаряне на продуктите, претърпели пластична деформация, е по-висока от тази на отливките. Колкото по-голяма е деформационната обработка, толкова по-лесно е неравновесните нискотопими компоненти да се разтворят в матрицата при нагряване, така че действителната температура на прегаряне се увеличава.

Скоростта на охлаждане по време на закаляване на алуминиева сплав има значително влияние върху способността за укрепване при стареене и корозионната устойчивост на сплавта. По време на процеса на закаляване на LY12 и LC4 е необходимо да се гарантира, че α твърдият разтвор не се разлага, особено в температурно чувствителната област от 290~420℃, и е необходима достатъчно голяма скорост на охлаждане. Обикновено се определя скоростта на охлаждане да бъде над 50℃/s, а за сплав LC4 тя трябва да достигне или надвиши 170℃/s.

Най-често използваната закаляща среда за алуминиеви сплави е водата. Производствената практика показва, че колкото по-висока е скоростта на охлаждане по време на закаляване, толкова по-големи са остатъчният напрежения и остатъчната деформация на закаления материал или детайл. Следователно, за малки детайли с прости форми, температурата на водата може да бъде малко по-ниска, обикновено 10~30℃, и не трябва да надвишава 40℃. За детайли със сложни форми и големи разлики в дебелината на стените, за да се намали деформацията и напукването при закаляване, температурата на водата понякога може да се увеличи до 80℃. Трябва обаче да се отбележи, че с повишаване на температурата на водата в резервоара за закаляване, якостта и корозионната устойчивост на материала също намаляват съответно.

3. Стареене

3.1 Организационна трансформация и промени в производителността по време на стареене

Пренаситеният α твърд разтвор, получен чрез закаляване, е нестабилна структура. При нагряване той се разлага и се трансформира в равновесна структура. Вземайки за пример сплавта Al-4Cu, нейната равновесна структура трябва да бъде α+CuAl2 (θ фаза). Когато еднофазният пренаситен α твърд разтвор се нагрява след закаляване за стареене, ако температурата е достатъчно висока, θ фазата ще се утаи директно. В противен случай, процесът ще се извършва на етапи, т.е. след някои междинни преходни етапи може да се достигне крайната равновесна фаза CuAl2. Фигурата по-долу илюстрира характеристиките на кристалната структура на всеки етап на утаяване по време на процеса на стареене на сплавта Al-Cu. Фигура a. показва структурата на кристалната решетка в закалено състояние. В този момент това е еднофазен α пренаситен твърд разтвор, а атомите на мед (черни точки) са равномерно и произволно разпределени в алуминиевата (бели точки) матрична решетка. Фигура b. показва структурата на решетката в ранния етап на утаяване. Медните атоми започват да се концентрират в определени области на матричната решетка, образувайки област на Гиние-Престън, наречена GP област. GP зоната е изключително малка и с дисковидна форма, с диаметър около 5~10μm и дебелина 0.4~0.6nm. Броят на GP зоните в матрицата е изключително голям, а плътността на разпределение може да достигне 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Кристалната структура на GP зоната е същата като тази на матрицата, като и двете са гранецентрирани кубични и поддържат кохерентен интерфейс с матрицата. Тъй като обаче размерът на медните атоми е по-малък от този на алуминиевите атоми, обогатяването с медни атоми ще доведе до свиване на кристалната решетка в близост до областта, което ще доведе до изкривяване на решетката.

Схематична диаграма на промените в кристалната структура на Al-Cu сплав по време на стареене

Фигура а. Закалено състояние, еднофазен α твърд разтвор, медните атоми (черни точки) са равномерно разпределени;

Фигура b. В ранния етап на стареене се формира GP зоната;

Фигура c. В късния етап на стареене се образува полукохерентна преходна фаза;

Фигура d. Стареене при висока температура, утаяване на некохерентна равновесна фаза

GP зоната е първият продукт преди утаяването, който се появява по време на процеса на стареене на алуминиевите сплави. Удължаването на времето за стареене, особено повишаването на температурата на стареене, ще образува и други междинни преходни фази. В сплавта Al-4Cu след GP зоната има фази θ” и θ', като накрая се достига равновесната фаза CuAl2. θ” и θ' са и двете преходни фази на θ фазата, а кристалната структура е квадратна решетка, но константата на решетката е различна. Размерът на θ е по-голям от този на GP зоната, все още с форма на диск, с диаметър около 15~40nm и дебелина 0.8~2.0nm. Тя продължава да поддържа кохерентен интерфейс с матрицата, но степента на изкривяване на решетката е по-интензивна. При преход от θ” към θ' фаза, размерът е нараснал до 20~600nm, дебелината е 10~15nm, а кохерентният интерфейс също е частично разрушен, превръщайки се в полукохерентен интерфейс, както е показано на Фигура c. Крайният продукт на стареещото утаяване е равновесната фаза θ (CuAl2), при което кохерентният интерфейс е напълно разрушен и се превръща в некохерентен интерфейс, както е показано на Фигура d.

Съгласно горната ситуация, редът на стареене на Al-Cu сплавта е αs→α+GP зона→α+θ”→α+θ'→α+θ. Степента на стареене на структурата зависи от състава на сплавта и спецификацията на стареене. Често има повече от един продукт на стареене в едно и също състояние. Колкото по-висока е температурата на стареене, толкова по-близо е до равновесната структура.

По време на процеса на стареене, GP зоната и преходната фаза, утаени от матрицата, са малки по размер, силно диспергирани и не се деформират лесно. В същото време те причиняват изкривяване на решетката в матрицата и образуват поле на напрежение, което има значително възпрепятстващо действие върху движението на дислокациите, като по този начин увеличават устойчивостта на пластична деформация на сплавта и подобряват нейната якост и твърдост. Това явление на втвърдяване чрез стареене се нарича валежно втвърдяване. Фигурата по-долу илюстрира промяната на твърдостта на сплавта Al-4Cu по време на закаляване и обработка чрез стареене под формата на крива. Етап I на фигурата представлява твърдостта на сплавта в първоначалното ѝ състояние. Поради различната история на гореща обработка, твърдостта в първоначалното състояние ще варира, обикновено HV=30~80. След нагряване при 500℃ и закаляване (етап II), всички медни атоми се разтварят в матрицата, за да образуват еднофазен свръхнаситен α твърд разтвор с HV=60, което е два пъти по-твърдо от твърдостта в отгрято състояние (HV=30). Това е резултат от укрепването на твърдия разтвор. След закаляване, сплавта се поставя при стайна температура и твърдостта ѝ непрекъснато се увеличава поради образуването на GP зони (етап III). Този процес на втвърдяване чрез стареене при стайна температура се нарича естествено стареене.

I – първоначално състояние;

II - твърдо разтворено състояние;

III - естествено стареене (GP зона);

IVa - регресионна обработка при 150~200℃ (повторно разтваряне в GP зона);

IVb - изкуствено стареене (фаза θ”+θ');

V—престаряване (фаза θ”+θ')

В етап IV сплавта се нагрява до 150°C за стареене, като ефектът на втвърдяване е по-очевиден от този на естественото стареене. В този момент продуктът на утаяване е главно θ” фазата, която има най-голям укрепващ ефект в Al-Cu сплавите. Ако температурата на стареене се повиши допълнително, фазата на утаяване преминава от θ” фазата към θ' фазата, ефектът на втвърдяване отслабва и твърдостта намалява, навлизайки в етап V. Всяко стареене, което изисква изкуствено нагряване, се нарича изкуствено стареене, а етапи IV и V принадлежат към тази категория. Ако твърдостта достигне максималната стойност на твърдост, която сплавта може да достигне след стареене (т.е. етап IVb), това стареене се нарича пиково стареене. Ако пиковата стойност на твърдостта не е достигната, това се нарича недостареене или непълно изкуствено стареене. Ако пиковата стойност е премината и твърдостта намалява, това се нарича прекомерно стареене. Стабилизиращото стареене също принадлежи към прекомерно стареене. GP зоната, образувана по време на естественото стареене, е много нестабилна. Когато се нагрее бързо до по-висока температура, например около 200°C, и се държи топла за кратко време, GP зоната ще се разтвори обратно в α твърдия разтвор. Ако се охлади бързо (закали) преди други преходни фази, като например θ” или θ', сплавта може да се възстанови до първоначалното си закалено състояние. Това явление се нарича „регресия“, което представлява спад на твърдостта, обозначен с пунктираната линия в етап IVa на фигурата. Алуминиевата сплав, която е претърпяла регресия, все още има същата способност за втвърдяване при стареене.

Втвърдяването чрез стареене е основата за разработване на термообработваеми алуминиеви сплави, а способността му за втвърдяване чрез стареене е пряко свързана със състава на сплавта и системата за термична обработка. Бинарните сплави Al-Si и Al-Mn нямат ефект на валежно втвърдяване, тъй като равновесната фаза се утаява директно по време на процеса на стареене и са алуминиеви сплави, които не се поддават на термична обработка. Въпреки че сплавите Al-Mg могат да образуват GP зони и преходни фази β', те имат известна способност за валежно втвърдяване само във високомагнезиеви сплави. Сплавите Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si и Al-Zn-Mg-Cu имат силна способност за валежно втвърдяване в своите GP зони и преходни фази и понастоящем са основните сплавни системи, които могат да бъдат термообработваеми и укрепвани.

3.2 Естествено стареене

Обикновено алуминиевите сплави, които могат да бъдат укрепени чрез термична обработка, имат естествен ефект на стареене след закаляване. Укрепването чрез естествено стареене се причинява от GP зоната. Естественото стареене се използва широко при Al-Cu и Al-Cu-Mg сплави. Естественото стареене на Al-Zn-Mg-Cu сплавите е твърде дълго и често отнема няколко месеца, за да се достигне стабилен етап, така че системата за естествено стареене не се използва.

В сравнение с изкуственото стареене, след естествено стареене границата на провлачване на сплавта е по-ниска, но пластичността и жилавостта са по-добри, а устойчивостта на корозия е по-висока. Ситуацията със свръхтвърдия алуминий от системата Al-Zn-Mg-Cu е малко по-различна. Устойчивостта на корозия след изкуствено стареене често е по-добра от тази след естествено стареене.

3.3 Изкуствено стареене

След обработка чрез изкуствено стареене, алуминиевите сплави често могат да постигнат най-висока граница на провлачване (главно укрепване в преходна фаза) и по-добра организационна стабилност. Свръхтвърдият алуминий, кованият алуминий и лятият алуминий се подлагат предимно на изкуствено стареене. Температурата и времето на стареене имат важно влияние върху свойствата на сплавите. Температурата на стареене е най-често между 120~190℃, а времето на стареене не надвишава 24 часа.

В допълнение към едноетапното изкуствено стареене, алуминиевите сплави могат да използват и степенувана система за изкуствено стареене. Това означава, че нагряването се извършва два или повече пъти при различни температури. Например, сплав LC4 може да се подлага на стареене при 115~125℃ за 2~4 часа и след това при 160~170℃ за 3~5 часа. Постепенното стареене може не само значително да съкрати времето, но и да подобри микроструктурата на сплавите Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, и значително да подобри устойчивостта на корозия под напрежение, якостта на умора и жилавостта на счупване, без съществено да намали механичните свойства.