Отжиг и закалка со старением являются основными видами термической обработки алюминиевых сплавов. Отжиг — это смягчающая обработка, цель которой — сделать сплав однородным и стабильным по составу и структуре, устранить наклеп и восстановить пластичность сплава. Закалка со старением — это упрочняющая термическая обработка, цель которой — повысить прочность сплава, и применяется в основном для алюминиевых сплавов, которые можно упрочнить термической обработкой.
1 Отжиг
В зависимости от различных требований производства отжиг алюминиевых сплавов подразделяется на несколько видов: гомогенизационный отжиг слитков, отжиг заготовок, промежуточный отжиг и отжиг готовой продукции.
1.1 Гомогенизационный отжиг слитков
В условиях быстрой конденсации и неравновесной кристаллизации слиток должен иметь неравномерный состав и структуру, а также иметь большие внутренние напряжения. Для изменения этой ситуации и улучшения технологичности слитка при горячей обработке обычно требуется гомогенизационный отжиг.
Для того, чтобы способствовать атомной диффузии, следует выбрать более высокую температуру для гомогенизационного отжига, но она не должна превышать температуру плавления эвтектики сплава с низкой температурой плавления. Обычно температура гомогенизационного отжига на 5~40℃ ниже температуры плавления, а время отжига в основном составляет от 12 до 24 часов.
1.2 Отжиг заготовок
Отжиг заготовки относится к отжигу перед первой холодной деформацией во время обработки давлением. Цель состоит в том, чтобы заставить заготовку получить сбалансированную структуру и иметь максимальную способность к пластической деформации. Например, температура конца прокатки горячекатаного сляба из алюминиевого сплава составляет 280~330 ℃. После быстрого охлаждения при комнатной температуре явление упрочнения не может быть полностью устранено. В частности, для термообработанных упрочненных алюминиевых сплавов после быстрого охлаждения процесс рекристаллизации не заканчивается, и пересыщенный твердый раствор не полностью разлагается, и часть эффекта упрочнения и закалки все еще сохраняется. Трудно напрямую выполнять холодную прокатку без отжига, поэтому требуется отжиг заготовки. Для нетермообработанных упрочненных алюминиевых сплавов, таких как LF3, температура отжига составляет 370~470 ℃, а воздушное охлаждение выполняется после выдерживания в тепле в течение 1,5~2,5 часов. Температура заготовки и отжига, используемая для обработки холоднотянутых труб, должна быть соответственно выше, и можно выбрать верхний предел температуры. Для алюминиевых сплавов, которые могут быть упрочнены термической обработкой, таких как LY11 и LY12, температура отжига заготовки составляет 390~450℃, выдерживается при этой температуре в течение 1~3 часов, затем охлаждается в печи до температуры ниже 270℃ со скоростью не более 30℃/час, а затем охлаждается на воздухе вне печи.
1.3 Промежуточный отжиг
Промежуточный отжиг относится к отжигу между процессами холодной деформации, целью которого является устранение наклепа для облегчения дальнейшей холодной деформации. В общем, после отжига материала будет трудно продолжать холодную обработку без промежуточного отжига после прохождения 45~85% холодной деформации.
Система процесса промежуточного отжига в основном такая же, как и отжига заготовки. В зависимости от требований к степени холодной деформации промежуточный отжиг можно разделить на три типа: полный отжиг (общая деформация ε≈60~70%), простой отжиг (ε≤50%) и незначительный отжиг (ε≈30~40%). Первые две системы отжига такие же, как отжиг заготовки, а последняя нагревается при 320~350℃ в течение 1,5~2 часов, а затем охлаждается на воздухе.
1.4.Отжиг готового изделия
Отжиг готового изделия — окончательная термическая обработка, придающая материалу определенные организационные и механические свойства в соответствии с требованиями технических условий на изделие.
Отжиг готовой продукции можно разделить на высокотемпературный отжиг (производство мягкой продукции) и низкотемпературный отжиг (производство полутвердой продукции в различных состояниях). Высокотемпературный отжиг должен гарантировать получение полной рекристаллизационной структуры и хорошей пластичности. При условии обеспечения получения материалом хорошей структуры и эксплуатационных характеристик время выдержки не должно быть слишком длительным. Для алюминиевых сплавов, которые могут быть упрочнены термической обработкой, для предотвращения эффекта закалки при охлаждении на воздухе скорость охлаждения должна строго контролироваться.
Низкотемпературный отжиг включает отжиг для снятия напряжений и частичный смягчающий отжиг, которые в основном используются для чистого алюминия и упрочненных алюминиевых сплавов без термической обработки. Разработка системы низкотемпературного отжига является очень сложной задачей, которая требует не только учета температуры отжига и времени выдержки, но и учета влияния примесей, степени легирования, холодной деформации, промежуточной температуры отжига и температуры горячей деформации. Для разработки системы низкотемпературного отжига необходимо измерить кривую изменения между температурой отжига и механическими свойствами, а затем определить диапазон температур отжига в соответствии с показателями производительности, указанными в технических условиях.
2 Закалка
Закалка алюминиевого сплава также называется обработкой на твердый раствор, которая заключается в растворении как можно большего количества легирующих элементов в металле в виде второй фазы в твердом растворе путем высокотемпературного нагрева с последующим быстрым охлаждением для подавления выделения второй фазы, в результате чего получается пересыщенный α-твердый раствор на основе алюминия, который хорошо подготовлен к последующей обработке старением.
Предпосылка получения пересыщенного α-твердого раствора заключается в том, что растворимость второй фазы в сплаве в алюминии должна значительно увеличиваться с ростом температуры, в противном случае цель обработки твердого раствора не может быть достигнута. Большинство легирующих элементов в алюминии могут образовывать эвтектическую фазовую диаграмму с этой характеристикой. Если взять в качестве примера сплав Al-Cu, то температура эвтектики составляет 548 ℃, а растворимость меди в алюминии при комнатной температуре составляет менее 0,1%. При нагревании до 548 ℃ ее растворимость увеличивается до 5,6%. Поэтому сплавы Al-Cu, содержащие менее 5,6% меди, попадают в область одной фазы α после того, как температура нагрева превышает ее линию сольвуса, то есть вторая фаза CuAl2 полностью растворяется в матрице, и после закалки можно получить один пересыщенный α-твердый раствор.
Закалка является наиболее важной и самой требовательной операцией термической обработки алюминиевых сплавов. Ключевым моментом является выбор соответствующей температуры нагрева при закалке и обеспечение достаточной скорости охлаждения при закалке, а также строгий контроль температуры печи и снижение деформации при закалке.
Принцип выбора температуры закалки заключается в максимальном повышении температуры нагрева закалки, при этом гарантируя, что алюминиевый сплав не перегорит или зерна не вырастут чрезмерно, чтобы увеличить пересыщение α-твердого раствора и прочность после старения. Как правило, для нагревательной печи для алюминиевого сплава требуется точность регулирования температуры печи в пределах ±3℃, а воздух в печи принудительно циркулирует, чтобы обеспечить равномерность температуры печи.
Пережог алюминиевого сплава вызван частичным плавлением легкоплавких компонентов внутри металла, таких как бинарные или многоэлементные эвтектики. Пережог не только вызывает снижение механических свойств, но и оказывает серьезное влияние на коррозионную стойкость сплава. Поэтому после пережога алюминиевого сплава его невозможно устранить, и изделие из сплава следует утилизировать. Фактическая температура пережога алюминиевого сплава в основном определяется составом сплава и содержанием примесей, а также связана с состоянием обработки сплава. Температура пережога изделий, прошедших обработку пластической деформацией, выше, чем у отливок. Чем больше обработка деформацией, тем легче неравновесным легкоплавким компонентам растворяться в матрице при нагревании, поэтому фактическая температура пережога увеличивается.
Скорость охлаждения при закалке алюминиевого сплава оказывает существенное влияние на способность сплава к старению и коррозионную стойкость. В процессе закалки LY12 и LC4 необходимо обеспечить, чтобы твердый раствор α не распался, особенно в чувствительной к температуре области 290~420℃, и требуется достаточно большая скорость охлаждения. Обычно оговаривается, что скорость охлаждения должна быть выше 50℃/с, а для сплава LC4 она должна достигать или превышать 170℃/с.
Наиболее часто используемой закалочной средой для алюминиевых сплавов является вода. Производственная практика показывает, что чем больше скорость охлаждения при закалке, тем больше остаточное напряжение и остаточная деформация закаленного материала или заготовки. Поэтому для небольших заготовок простой формы температура воды может быть немного ниже, как правило, 10~30℃, и не должна превышать 40℃. Для заготовок сложной формы и с большой разницей в толщине стенок, чтобы уменьшить закалочную деформацию и растрескивание, температуру воды иногда можно повысить до 80℃. Однако следует отметить, что по мере повышения температуры воды в закалочной ванне прочность и коррозионная стойкость материала соответственно снижаются.
3. Старение
3.1 Организационная трансформация и изменения в производительности в процессе старения
Пересыщенный α-твердый раствор, полученный закалкой, является нестабильной структурой. При нагревании он распадется и перейдет в равновесную структуру. Если взять в качестве примера сплав Al-4Cu, то его равновесная структура должна быть α+CuAl2 (θ-фаза). Когда однофазный пересыщенный α-твердый раствор после закалки нагревается для старения, если температура достаточно высока, θ-фаза будет выделяться напрямую. В противном случае это будет осуществляться поэтапно, то есть после некоторых промежуточных стадий перехода может быть достигнута конечная равновесная фаза CuAl2. На рисунке ниже показаны характеристики кристаллической структуры каждой стадии выделения в процессе старения сплава Al-Cu. Рисунок а. представляет собой структуру кристаллической решетки в закаленном состоянии. В это время это однофазный α-пересыщенный твердый раствор, и атомы меди (черные точки) равномерно и хаотично распределены в решетке матрицы алюминия (белые точки). Рисунок б. показывает структуру решетки на ранней стадии выделения. Атомы меди начинают концентрироваться в определенных областях решетки матрицы, образуя область Гинье-Престона, называемую областью ГП. Зона ГП чрезвычайно мала и имеет форму диска, диаметром около 5~10 мкм и толщиной 0,4~0,6 нм. Количество зон ГП в матрице чрезвычайно велико, а плотность распределения может достигать 10¹⁷~10¹⁸см-³. Кристаллическая структура зоны ГП по-прежнему такая же, как и у матрицы, обе являются гранецентрированными кубическими, и она сохраняет когерентный интерфейс с матрицей. Однако, поскольку размер атомов меди меньше, чем у атомов алюминия, обогащение атомами меди приведет к сжатию кристаллической решетки вблизи области, что вызовет искажение решетки.
Схематическая диаграмма изменения кристаллической структуры сплава Al-Cu при старении
Рисунок а. Закаленное состояние, однофазный α-твердый раствор, атомы меди (черные точки) распределены равномерно;
Рисунок б. На ранней стадии старения формируется зона ГП;
Рисунок c. На поздней стадии старения формируется полукогерентная переходная фаза;
Рисунок г. Высокотемпературное старение, выделение некогерентной равновесной фазы
Зона GP является первым продуктом предварительного осаждения, который появляется в процессе старения алюминиевых сплавов. Увеличение времени старения, особенно повышение температуры старения, также приведет к образованию других промежуточных фаз перехода. В сплаве Al-4Cu после зоны GP имеются фазы θ” и θ', и, наконец, достигается равновесная фаза CuAl2. θ” и θ' являются обеими фазами перехода фазы θ, а кристаллическая структура представляет собой квадратную решетку, но постоянная решетки отличается. Размер θ больше, чем у зоны GP, все еще имеет форму диска, с диаметром около 15~40 нм и толщиной 0,8~2,0 нм. Он продолжает поддерживать когерентный интерфейс с матрицей, но степень искажения решетки более интенсивна. При переходе из фазы θ” в фазу θ' размер увеличивается до 20~600 нм, толщина составляет 10~15 нм, а когерентный интерфейс также частично разрушается, превращаясь в полукогерентный интерфейс, как показано на рисунке c. Конечным продуктом старения является равновесная фаза θ (CuAl2), в этот момент когерентный интерфейс полностью разрушается и становится некогерентным интерфейсом, как показано на рисунке d.
Согласно вышеизложенной ситуации, порядок старения сплава Al-Cu имеет вид αs→α+GP зона→α+θ”→α+θ'→α+θ. Стадия стареющей структуры зависит от состава сплава и спецификации старения. Часто в одном и том же состоянии находится более одного продукта старения. Чем выше температура старения, тем ближе к равновесной структуре.
В процессе старения зона GP и переходная фаза, выделившиеся из матрицы, имеют небольшие размеры, сильно диспергированы и нелегко деформируются. В то же время они вызывают искажение решетки в матрице и формируют поле напряжений, которое оказывает значительное тормозящее воздействие на движение дислокаций, тем самым увеличивая сопротивление пластической деформации сплава и улучшая его прочность и твердость. Это явление упрочнения при старении называется дисперсионным упрочнением. На рисунке ниже показано изменение твердости сплава Al-4Cu во время закалки и старения в виде кривой. Стадия I на рисунке представляет твердость сплава в исходном состоянии. Из-за различных историй горячей обработки твердость исходного состояния будет различаться, как правило, HV=30~80. После нагрева при 500℃ и закалки (стадия II) все атомы меди растворяются в матрице с образованием однофазного пересыщенного α-твердого раствора с HV=60, который в два раза тверже твердости в отожженном состоянии (HV=30). Это результат упрочнения твердого раствора. После закалки его помещают при комнатной температуре, и твердость сплава непрерывно увеличивается за счет непрерывного образования зон GP (стадия III). Этот процесс упрочнения старением при комнатной температуре называется естественным старением.
I — исходное состояние;
II — состояние твердого раствора;
III — естественное старение (зона ГП);
IVa — регрессионная обработка при 150~200℃ (повторное растворение в зоне ГП);
IVb — искусственное старение (фаза θ”+θ');
V — перестаривание (фаза θ”+θ')
На стадии IV сплав нагревается до 150°C для старения, и эффект упрочнения более очевиден, чем при естественном старении. В это время продуктом осаждения является в основном фаза θ”, которая имеет наибольший эффект упрочнения в сплавах Al-Cu. Если температура старения еще больше повышается, фаза осаждения переходит из фазы θ” в фазу θ', эффект упрочнения ослабевает, и твердость уменьшается, переходя на стадию V. Любая обработка старением, требующая искусственного нагрева, называется искусственным старением, и стадии IV и V относятся к этой категории. Если твердость достигает максимального значения твердости, которого сплав может достичь после старения (т. е. стадия IVb), такое старение называется пиковым старением. Если пиковое значение твердости не достигается, это называется недостариванием или неполным искусственным старением. Если пиковое значение пересекается и твердость уменьшается, это называется перестариванием. Обработка стабилизирующим старением также относится к перестариванию. Зона GP, образованная при естественном старении, очень нестабильна. При быстром нагревании до более высокой температуры, например, около 200°C, и поддержании в тепле в течение короткого времени зона GP растворится обратно в α-твердый раствор. Если ее быстро охладить (закалить) до того, как пройдут другие переходные фазы, такие как θ” или θ', сплав может быть восстановлен до своего первоначального закаленного состояния. Это явление называется «регрессией», что представляет собой падение твердости, обозначенное пунктирной линией на стадии IVa на рисунке. Алюминиевый сплав, который был регрессирован, все еще имеет ту же способность к упрочнению старением.
Старение является основой для разработки термообрабатываемых алюминиевых сплавов, и его способность к старению напрямую связана с составом сплава и системой термообработки. Двойные сплавы Al-Si и Al-Mn не обладают эффектом дисперсионного твердения, поскольку равновесная фаза непосредственно выделяется в процессе старения, и являются нетермообрабатываемыми алюминиевыми сплавами. Хотя сплавы Al-Mg могут образовывать зоны GP и переходные фазы β', они обладают определенной способностью к дисперсионному твердению только в сплавах с высоким содержанием магния. Сплавы Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si и Al-Zn-Mg-Cu обладают сильной способностью к дисперсионному твердению в своих зонах GP и переходных фазах и в настоящее время являются основными системами сплавов, которые можно термообрабатывать и упрочнять.
3.2 Естественное старение
Как правило, алюминиевые сплавы, которые могут быть упрочнены термической обработкой, имеют эффект естественного старения после закалки. Упрочнение естественным старением вызвано зоной GP. Естественное старение широко используется в сплавах Al-Cu и Al-Cu-Mg. Естественное старение сплавов Al-Zn-Mg-Cu длится слишком долго, и часто требуется несколько месяцев, чтобы достичь стабильной стадии, поэтому система естественного старения не используется.
По сравнению с искусственным старением, после естественного старения предел текучести сплава ниже, но пластичность и вязкость лучше, а коррозионная стойкость выше. Ситуация со сверхтвердым алюминием системы Al-Zn-Mg-Cu несколько иная. Коррозионная стойкость после искусственного старения часто лучше, чем после естественного старения.
3.3 Искусственное старение
После обработки искусственным старением алюминиевые сплавы часто могут получить самый высокий предел текучести (в основном упрочнение переходной фазы) и лучшую организационную стабильность. Сверхтвердый алюминий, кованый алюминий и литой алюминий в основном подвергаются искусственному старению. Температура старения и время старения оказывают важное влияние на свойства сплава. Температура старения в основном находится в диапазоне от 120 до 190℃, а время старения не превышает 24 часов.
В дополнение к одноступенчатому искусственному старению, алюминиевые сплавы также могут использовать ступенчатую систему искусственного старения. То есть нагрев выполняется дважды или более при разных температурах. Например, сплав LC4 может быть состарен при 115~125℃ в течение 2~4 часов, а затем при 160~170℃ в течение 3~5 часов. Постепенное старение может не только значительно сократить время, но и улучшить микроструктуру сплавов Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, а также значительно улучшить стойкость к коррозии под напряжением, усталостную прочность и вязкость разрушения без существенного снижения механических свойств.
Время публикации: 06-03-2025
