Асноўныя віды тэрмічнай апрацоўкі алюмініевых сплаваў

Адпал, загартоўка і старэнне — асноўныя віды тэрмічнай апрацоўкі алюмініевых сплаваў. Адпал — гэта размякчэнне, мэтай якога з'яўляецца надаць сплаўу аднастайнасць і стабільнасць па складзе і структуры, ліквідацыя ўмацавання і аднаўленне пластычнасці сплаву. Загартоўка і старэнне — гэта ўмацоўвальная тэрмічная апрацоўка, мэтай якой з'яўляецца павышэнне трываласці сплаву, і ў асноўным выкарыстоўваецца для алюмініевых сплаваў, якія можна ўмацаваць шляхам тэрмічнай апрацоўкі.

1 Адпал

У залежнасці ад розных патрабаванняў да вытворчасці, адпал алюмініевых сплаваў падзяляецца на некалькі відаў: гамагенізацыйны адпал зліткаў, адпал загатоўкі, прамежкавы адпал і адпал гатовай прадукцыі.

1.1 Адпал гамагенізацыйных зліткаў

Ва ўмовах хуткай кандэнсацыі і нераўнаважнай крышталізацыі злітак павінен мець неаднародны склад і структуру, а таксама вялікія ўнутраныя напружанні. Каб змяніць гэтую сітуацыю і палепшыць апрацоўку злітка ў гарачым стане, звычайна патрабуецца гамагенізацыйны адпал.

Для стымулявання атамнай дыфузіі для гамагенізацыйнага адпалу варта выбраць больш высокую тэмпературу, але яна не павінна перавышаць нізкую эўтэктычную тэмпературу плаўлення сплаву. Звычайна тэмпература гамагенізацыйнага адпалу на 5~40℃ ніжэйшая за тэмпературу плаўлення, а час адпалу ў асноўным складае ад 12 да 24 гадзін.

1.2 Адпал загатоўкі

Адпал нарыхтоўкі — гэта адпал перад першай халоднай дэфармацыяй падчас апрацоўкі пад ціскам. Мэта складаецца ў тым, каб нарыхтоўка атрымала збалансаваную структуру і максімальную здольнасць да пластычнай дэфармацыі. Напрыклад, тэмпература канца пракаткі гарачакатанай алюмініевай пліты складае 280~330℃. Пасля хуткага астуджэння пры пакаёвай тэмпературы з'ява ўмацавання пад ціскам не можа быць цалкам ліквідавана. У прыватнасці, для тэрмічна апрацаваных умацаваных алюмініевых сплаваў пасля хуткага астуджэння працэс рэкрышталізацыі не заканчваецца, і перасычаны цвёрды раствор не цалкам раскладаецца, і частка эфекту ўмацавання пад ціскам і загартоўкі ўсё яшчэ захоўваецца. Халодную пракатку непасрэдна без адпалу цяжка праводзіць непасрэдна, таму патрабуецца адпал нарыхтоўкі. Для нетэрмічна апрацаваных умацаваных алюмініевых сплаваў, такіх як LF3, тэмпература адпалу складае 370~470℃, а астуджэнне на паветры праводзіцца пасля вытрымкі ў цяпле на працягу 1,5~2,5 гадзін. Тэмпература загатоўкі і адпалу, якая выкарыстоўваецца для апрацоўкі халоднацягнутых труб, павінна быць адпаведна вышэйшай, і верхняя мяжа тэмпературы можа быць выбрана. Для алюмініевых сплаваў, якія можна ўмацаваць шляхам тэрмічнай апрацоўкі, такіх як LY11 і LY12, тэмпература адпалу загатоўкі складае 390~450℃, вытрымліваецца пры гэтай тэмпературы на працягу 1~3 гадзін, затым астуджаецца ў печы да тэмпературы ніжэй за 270℃ са хуткасцю не больш за 30℃/г, а затым астуджаецца на паветры па-за печчу.

1.3 Прамежкавы адпал

Прамежкавы адпал — гэта адпал паміж працэсамі халоднай дэфармацыі, мэтай якога з'яўляецца ліквідацыя ўмацавання для палягчэння працягу халоднай дэфармацыі. Як правіла, пасля адпалу матэрыялу будзе цяжка працягваць халодную апрацоўку без прамежкавага адпалу пасля халоднай дэфармацыі 45~85%.

Працэс прамежкавага адпалу ў асноўным такі ж, як і адпалу загатоўкі. У залежнасці ад патрабаванняў да ступені халоднай дэфармацыі, прамежкавы адпал можна падзяліць на тры тыпы: поўны адпал (поўная дэфармацыя ε≈60~70%), просты адпал (ε≈50%) і лёгкі адпал (ε≈30~40%). Першыя дзве сістэмы адпалу ідэнтычныя адпалу загатоўкі, а апошняя награваецца пры тэмпературы 320~350℃ на працягу 1,5~2 гадзін, а затым астуджаецца на паветры.

1.4. Адпал гатовай прадукцыі

Адпал гатовай прадукцыі — гэта канчатковая тэрмічная апрацоўка, якая надае матэрыялу пэўныя арганізацыйныя і механічныя ўласцівасці ў адпаведнасці з патрабаваннямі тэхнічных умоў вырабу.

Адпал гатовай прадукцыі можна падзяліць на высокатэмпературны адпал (вытворчасць мяккіх вырабаў) і нізкатэмпературны адпал (вытворчасць паўцвёрдых вырабаў у розных станах). Высокатэмпературны адпал павінен забяспечыць поўную перакрышталізацыю структуры і добрую пластычнасць. Пры ўмове забеспячэння добрай структуры і характарыстык матэрыялу час вытрымкі не павінен быць занадта доўгім. Для алюмініевых сплаваў, якія можна ўмацаваць тэрмічнай апрацоўкай, каб прадухіліць эфект загартоўкі пры астуджэнні на паветры, хуткасць астуджэння павінна строга кантралявацца.

Нізкатэмпературны адпал уключае адпал для зняцця напружання і частковы размякчальны адпал, якія ў асноўным выкарыстоўваюцца для чыстага алюмінію і нетэрмічна апрацаваных умацаваных алюмініевых сплаваў. Распрацоўка сістэмы нізкатэмпературнага адпалу - вельмі складаная задача, якая патрабуе ўлічваць не толькі тэмпературу адпалу і час вытрымкі, але і ўплыў прымешак, ступені легіравання, халоднай дэфармацыі, прамежкавай тэмпературы адпалу і тэмпературы гарачай дэфармацыі. Для распрацоўкі сістэмы нізкатэмпературнага адпалу неабходна вымераць крывую змены паміж тэмпературай адпалу і механічнымі ўласцівасцямі, а затым вызначыць дыяпазон тэмператур адпалу ў адпаведнасці з паказчыкамі прадукцыйнасці, указанымі ў тэхнічных умовах.

2 Загартоўка

Загартоўка алюмініевага сплаву таксама называецца апрацоўкай на раствор, якая заключаецца ў растварэнні як мага большай колькасці легіруючых элементаў у метале ў якасці другой фазы ў цвёрды раствор шляхам высокатэмпературнага награвання, а затым хуткага астуджэння для прадухілення выпадзення другой фазы, тым самым атрымліваючы перасычаны α-цвёрды раствор на аснове алюмінію, які добра падрыхтаваны да наступнай апрацоўкі старэннем.

Перадумовай атрымання перасычанага α цвёрдага раствора з'яўляецца тое, што растваральнасць другой фазы ў сплаве алюмінія павінна значна павялічвацца з павышэннем тэмпературы, інакш мэта апрацоўкі цвёрдым растворам не можа быць дасягнута. Большасць легіруючых элементаў у алюмініі могуць утвараць эўтэктычную фазавую дыяграму з гэтай характарыстыкай. У якасці прыкладу сплаў Al-Cu эўтэктычная тэмпература складае 548℃, а растваральнасць медзі ў алюмініі пры пакаёвай тэмпературы менш за 0,1%. Пры награванні да 548℃ яе растваральнасць павялічваецца да 5,6%. Такім чынам, сплавы Al-Cu, якія змяшчаюць менш за 5,6% медзі, пасля таго, як тэмпература награвання перавышае лінію растваральнасці, трапляюць у α аднафазную вобласць, гэта значыць другая фаза CuAl2 цалкам раствараецца ў матрыцы, і пасля загартоўкі можна атрымаць адзін перасычаны α цвёрды раствор.

Загартоўка — найважнейшая і найбольш складаная аперацыя тэрмічнай апрацоўкі алюмініевых сплаваў. Галоўнае — выбраць адпаведную тэмпературу нагрэву пры загартоўцы і забяспечыць дастатковую хуткасць астуджэння, а таксама строга кантраляваць тэмпературу печы і паменшыць дэфармацыю пры загартоўцы.

Прынцып выбару тэмпературы загартоўкі заключаецца ў тым, каб максімальна павялічыць тэмпературу нагрэву пры загартоўцы, не дапускаючы перагарання алюмініевага сплаву і празмернага росту зерняў, каб павялічыць перасычэнне цвёрдага раствора α і трываласць пасля старэння. Як правіла, для награвальнай печы з алюмініевых сплаваў дакладнасць кантролю тэмпературы печы павінна быць у межах ±3 ℃, а паветра ў печы павінна цыркуляваць, каб забяспечыць раўнамернасць тэмпературы печы.

Перагаранне алюмініевага сплаву выклікана частковым плаўленнем нізкаплавкіх кампанентаў унутры металу, такіх як бінарныя або шматэлементныя эўтэктыкі. Перагаранне не толькі прыводзіць да зніжэння механічных уласцівасцей, але і сур'ёзна ўплывае на каразійную стойкасць сплаву. Такім чынам, пасля перагарання алюмініевага сплаву яго нельга выдаліць, і выраб са сплаву неабходна ўтылізаваць. Фактычная тэмпература перагарання алюмініевага сплаву ў асноўным вызначаецца складам сплаву і ўтрыманнем прымешак, а таксама звязана са станам апрацоўкі сплаву. Тэмпература перагарання вырабаў, якія прайшлі апрацоўку пластычнай дэфармацыяй, вышэйшая, чым у адлівак. Чым большая дэфармацыйная апрацоўка, тым лягчэй нераўнаважным нізкаплавкім кампанентам растварацца ў матрыцы пры награванні, таму фактычная тэмпература перагарання павялічваецца.

Хуткасць астуджэння падчас загартоўкі алюмініевага сплаву аказвае значны ўплыў на здольнасць сплаву да ўмацавання пры старэнні і каразійную ўстойлівасць. Падчас працэсу загартоўкі LY12 і LC4 неабходна сачыць за тым, каб цвёрды раствор α не раскладаўся, асабліва ў тэмпературна-адчувальнай вобласці 290~420℃, і патрабуецца дастаткова вялікая хуткасць астуджэння. Звычайна прадугледжваецца, што хуткасць астуджэння павінна быць вышэй за 50℃/с, а для сплаву LC4 яна павінна дасягаць або перавышаць 170℃/с.

Найбольш распаўсюджаным асяроддзем для загартоўкі алюмініевых сплаваў з'яўляецца вада. Вытворчая практыка паказвае, што чым большая хуткасць астуджэння падчас загартоўкі, тым большыя рэшткавыя напружанні і рэшткавая дэфармацыя загартаванага матэрыялу або дэталі. Таму для невялікіх дэталяў простай формы тэмпература вады можа быць крыху ніжэйшай, звычайна на 10~30℃, і не павінна перавышаць 40℃. Для дэталяў складанай формы і вялікіх адрозненняў у таўшчыні сценак, каб паменшыць дэфармацыю і расколіны пры загартоўцы, тэмпературу вады часам можна павялічыць да 80℃. Аднак неабходна адзначыць, што з павышэннем тэмпературы вады ў загартоўчай ванне трываласць і каразійная ўстойлівасць матэрыялу таксама адпаведна зніжаюцца.

3. Старэнне

3.1 Арганізацыйная трансфармацыя і змены ў прадукцыйнасці падчас старэння

Перасычаны α-цвёрды раствор, атрыманы шляхам загартоўкі, мае няўстойлівую структуру. Пры награванні ён раскладаецца і пераходзіць у раўнаважную структуру. У якасці прыкладу, сплаў Al-4Cu можа мець раўнаважную структуру α+CuAl2 (θ-фаза). Калі аднафазны перасычаны α-цвёрды раствор пасля загартоўкі награваецца для старэння, пры дастаткова высокай тэмпературы θ-фаза будзе выпадаць непасрэдна. У адваротным выпадку працэс будзе праводзіцца паэтапна, гэта значыць, пасля некаторых прамежкавых пераходных стадый можа быць дасягнута канчатковая раўнаважная фаза CuAl2. На малюнку ніжэй паказаны характарыстыкі крышталічнай структуры кожнай стадыі выпадзення падчас працэсу старэння сплаву Al-Cu. На малюнку а. паказана структура крышталічнай рашоткі ў загартаваны стане. У гэты час гэта аднафазны α-перасычаны цвёрды раствор, і атамы медзі (чорныя кропкі) раўнамерна і выпадкова размеркаваны ў матрычнай рашотцы алюмінію (белыя кропкі). На малюнку b паказана структура рашоткі на ранняй стадыі выпадзення. Атамы медзі пачынаюць канцэнтравацца ў пэўных абласцях матрычнай рашоткі, утвараючы вобласць Гінье-Прэстана, якая называецца зонай GP. Зона GP надзвычай малая і мае форму дыска, дыяметрам каля 5~10 мкм і таўшчынёй 0,4~0,6 нм. Колькасць зон GP у матрыцы надзвычай вялікая, а шчыльнасць размеркавання можа дасягаць 10¹⁷~10¹⁸см-³. Крышталічная структура зоны GP такая ж, як і ў матрыцы, абедзве з'яўляюцца гранецэнтраванымі кубічнымі, і яна падтрымлівае кагерэнтную мяжу паміж сабой. Аднак, паколькі памер атамаў медзі меншы, чым у атамаў алюмінію, узбагачэнне атамамі медзі прывядзе да сціскання крышталічнай рашоткі паблізу гэтай вобласці, што прывядзе да яе скажэння.

Схематычная дыяграма змяненняў крышталічнай структуры сплаву Al-Cu падчас старэння

Малюнак а. Загартаваны стан, аднафазны α-цвёрды раствор, атамы медзі (чорныя кропкі) размеркаваны раўнамерна;

Малюнак b. На ранняй стадыі старэння фарміруецца GP-зона;

Малюнак c. На позняй стадыі старэння ўтвараецца паўкагерэнтная пераходная фаза;

Малюнак d. Высокатэмпературнае старэнне, выпадзенне некагерэнтнай раўнаважнай фазы

Зона GP — гэта першы прадукт перадасаджэння, які з'яўляецца ў працэсе старэння алюмініевых сплаваў. Павелічэнне часу старэння, асабліва павышэнне тэмпературы старэння, таксама прывядзе да ўтварэння іншых прамежкавых пераходных фаз. У сплаве Al-4Cu пасля зоны GP ідуць фазы θ” і θ', і, нарэшце, дасягаецца раўнаважная фаза CuAl2. θ” і θ' з'яўляюцца пераходнымі фазамі фазы θ, а крышталічная структура ўяўляе сабой квадратную рашотку, але пастаянная рашоткі адрозніваецца. Памер θ большы, чым у зоны GP, яна ўсё яшчэ мае форму дыска, дыяметрам каля 15~40 нм і таўшчынёй 0,8~2,0 нм. Яна працягвае падтрымліваць кагерэнтную міжфазную сувязь з матрыцай, але ступень скажэння рашоткі больш інтэнсіўная. Пры пераходзе ад фазы θ” да θ' памер павялічваецца да 20~600 нм, таўшчыня складае 10~15 нм, а кагерэнтная мяжа мяжы таксама часткова разбураецца, ператвараючыся ў паўкагерэнтную мяжу мяжы, як паказана на малюнку c. Канчатковым прадуктам старэння з'яўляецца раўнаважная фаза θ (CuAl2), пры якой кагерэнтная мяжа мяжы цалкам разбураецца і становіцца некагерэнтнай, як паказана на малюнку d.

Згодна з вышэйапісанай сітуацыяй, парадак старэння сплаву Al-Cu наступны: αs → α + зона GP → α + θ” → α + θ' → α + θ. Стадыя старэння структуры залежыць ад складу сплаву і спецыфікацыі старэння. Часта ў адным стане знаходзіцца больш за адзін прадукт старэння. Чым вышэй тэмпература старэння, тым бліжэй да раўнаважнай структуры.

Падчас працэсу старэння зона GP і пераходная фаза, якія вылучаюцца з матрыцы, маюць малы памер, высока дысперсныя і не лёгка дэфармуюцца. Адначасова яны выклікаюць скажэнне рашоткі ў матрыцы і ўтвараюць поле напружанняў, што аказвае значны ўплыў на рух дыслакацый, тым самым павялічваючы супраціў пластычнай дэфармацыі сплаву і паляпшаючы яго трываласць і цвёрдасць. Гэта з'ява ўмацавання пры старэнні называецца дысперсійным умацаваннем. На малюнку ніжэй паказана змяненне цвёрдасці сплаву Al-4Cu падчас загартоўкі і апрацоўкі старэннем у выглядзе крывой. Этап I на малюнку прадстаўляе цвёрдасць сплаву ў яго зыходным стане. З-за рознай гісторыі гарачай апрацоўкі цвёрдасць зыходнага стану будзе адрознівацца, звычайна HV=30~80. Пасля награвання пры 500℃ і загартоўкі (этап II) усе атамы медзі раствараюцца ў матрыцы, утвараючы аднафазны перасычаны α-цвёрды раствор з HV=60, які ўдвая цвёрды, чым цвёрдасць у адпаленым стане (HV=30). Гэта вынік умацавання цвёрдага раствора. Пасля загартоўкі яго размяшчаюць пры пакаёвай тэмпературы, і цвёрдасць сплаву пастаянна павялічваецца з-за бесперапыннага ўтварэння зон GP (стадыя III). Гэты працэс старэння пры пакаёвай тэмпературы называецца натуральным старэннем.

I — першапачатковы стан;

II — цвёрды раствор;

III — натуральнае старэнне (зона GP);

IVa — рэгрэсійная апрацоўка пры тэмпературы 150~200℃ (паўторна раствараецца ў зоне GP);

IVb — штучнае старэнне (фаза θ”+θ');

V — перастарэнне (фаза θ”+θ')

На стадыі IV сплаў награваецца да 150°C для старэння, і эфект умацавання больш відавочны, чым пры натуральным старэнні. У гэты час прадуктам асаджэння ў асноўным з'яўляецца фаза θ”, якая мае найбольшы эфект умацавання ў сплавах Al-Cu. Пры далейшым павышэнні тэмпературы старэння фаза асаджэння пераходзіць з фазы θ” у фазу θ', эфект умацавання слабее, а цвёрдасць памяншаецца, пераходзячы ў стадыю V. Любая апрацоўка старэння, якая патрабуе штучнага нагрэву, называецца штучным старэннем, і стадыі IV і V адносяцца да гэтай катэгорыі. Калі цвёрдасць дасягае максімальнага значэння цвёрдасці, якога сплаў можа дасягнуць пасля старэння (г.зн. стадыя IVb), гэта старэнне называецца пікавым старэннем. Калі пікавае значэнне цвёрдасці не дасягаецца, гэта называецца недастатковым або няпоўным штучным старэннем. Калі пікавае значэнне перасякаецца і цвёрдасць памяншаецца, гэта называецца празмерным старэннем. Стабілізацыйнае старэнне таксама адносіцца да празмернага старэння. Зона GP, якая ўтвараецца падчас натуральнага старэння, вельмі няўстойлівая. Пры хуткім награванні да больш высокай тэмпературы, напрыклад, каля 200°C, і кароткім награванні зона GP зноў раствараецца ў цвёрдым растворы α. Калі яе хутка астудзіць (загартаваць) перад тым, як выпадзе асадак іншых пераходных фаз, такіх як θ” або θ', сплаў можна аднавіць да першапачатковага стану пасля загартоўкі. Гэта з'ява называецца «рэгрэсіяй», якая ўяўляе сабой падзенне цвёрдасці, пазначанае пункцірнай лініяй на стадыі IVa на малюнку. Алюмініевы сплаў, які падвергнуўся рэгрэсіі, усё яшчэ мае такую ​​ж здольнасць да ўмацавання пры старэнні.

Умацаванне пад уздзеяннем старэння з'яўляецца асновай для распрацоўкі алюмініевых сплаваў, якія паддаюцца тэрмічнай апрацоўцы, і яго здольнасць да ўмацавання пад уздзеяннем старэння непасрэдна звязана са складам сплаву і сістэмай тэрмічнай апрацоўкі. Бінарныя сплавы Al-Si і Al-Mn не маюць эфекту дысперсійнага ўмацавання, паколькі раўнаважная фаза непасрэдна вылучаецца ў працэсе старэння, і з'яўляюцца алюмініевымі сплавамі, якія не паддаюцца тэрмічнай апрацоўцы. Нягледзячы на ​​тое, што сплавы Al-Mg могуць утвараць зоны GP і пераходныя фазы β', яны маюць пэўную здольнасць да дысперсійнага ўмацавання толькі ў сплавах з высокім утрыманнем магнію. Сплавы Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si і Al-Zn-Mg-Cu маюць моцную здольнасць да дысперсійнага ўмацавання ў сваіх зонах GP і пераходных фазах і ў цяперашні час з'яўляюцца асноўнымі сістэмамі сплаваў, якія можна падвяргаць тэрмічнай апрацоўцы і ўмацаванню.

3.2 Натуральнае старэнне

Як правіла, алюмініевыя сплавы, якія можна ўмацаваць тэрмічнай апрацоўкай, маюць натуральны эфект старэння пасля загартоўкі. Умацаванне пры натуральным старэнні выклікана зонай GP. Натуральнае старэнне шырока выкарыстоўваецца ў сплавах Al-Cu і Al-Cu-Mg. Натуральнае старэнне сплаваў Al-Zn-Mg-Cu доўжыцца занадта доўга, і часта патрабуецца некалькі месяцаў, каб дасягнуць стабільнай стадыі, таму сістэма натуральнага старэння не выкарыстоўваецца.

У параўнанні са штучным старэннем, пасля натуральнага старэння мяжа цякучасці сплаву ніжэйшая, але пластычнасць і глейкасць лепшыя, а каразійная ўстойлівасць вышэйшая. Сітуацыя са звышцвёрдым алюмініем сістэмы Al-Zn-Mg-Cu крыху адрозніваецца. Каразійная ўстойлівасць пасля штучнага старэння часта лепшая, чым пасля натуральнага старэння.

3.3 Штучнае старэнне

Пасля штучнага старэння алюмініевыя сплавы часта могуць дасягнуць найвышэйшай мяжы цякучасці (у асноўным умацаванне ў пераходнай фазе) і лепшай арганізацыйнай стабільнасці. Звышцвёрды алюміній, каваны алюміній і літы алюміній у асноўным падвяргаюцца штучнаму старэнню. Тэмпература і час старэння аказваюць істотны ўплыў на ўласцівасці сплаваў. Тэмпература старэння ў асноўным складае ад 120 да 190 ℃, а час старэння не перавышае 24 гадзін.

Акрамя аднаэтапнага штучнага старэння, алюмініевыя сплавы могуць таксама выкарыстоўваць сістэму паступовага штучнага старэння. Гэта значыць, награванне выконваецца двойчы ці больш пры розных тэмпературах. Напрыклад, сплаў LC4 можна старэць пры тэмпературы 115~125℃ на працягу 2~4 гадзін, а затым пры тэмпературы 160~170℃ на працягу 3~5 гадзін. Паступовае старэнне можа не толькі значна скараціць час, але і палепшыць мікраструктуру сплаваў Al-Zn-Mg і Al-Zn-Mg-Cu, а таксама значна палепшыць каразійную стойкасць пад напружаннем, трываласць на стомленасць і глейкасць разрушэння без істотнага зніжэння механічных уласцівасцей.