Основные виды термической обработки алюминиевых сплавов

Отжиг, закалка и старение являются основными видами термической обработки алюминиевых сплавов. Отжиг – это разупрочняющая термическая обработка, целью которой является обеспечение однородности и стабильности состава и структуры сплава, устранение наклепа и восстановление его пластичности. Закалка и старение – это упрочняющая термическая обработка, целью которой является повышение прочности сплава и применяется преимущественно для алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой.

1 Отжиг

В зависимости от различных требований к производству 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 неоднородный состав и структуру, а также значительные внутренние напряжения. Для изменения этой ситуации и повышения технологичности слитка при горячей обработке обычно применяют гомогенизационный отжиг.

Для ускорения диффузии атомов следует выбирать более высокую температуру гомогенизационного отжига, не превышающую температуру плавления эвтектики сплава. Обычно температура гомогенизационного отжига на 5–40 °C ниже температуры плавления, а время отжига обычно 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 термически обработанных упрочненных алюминиевых сплавов после быстрого охлаждения процесс рекристаллизации не заканчивается, и пересыщенный твердый раствор не распался полностью, и часть эффекта упрочнения и закалки все еще сохраняется. Холодная прокатка напрямую без отжига затруднена, поэтому требуется отжиг заготовки. Для нетермообработанных упрочненных алюминиевых сплавов, таких как LF3, температура отжига составляет 370 ~ 470 ℃, а охлаждение на воздухе осуществляется после выдержки в тепле в течение 1,5 ~ 2,5 часов. Температура заготовки и отжига, используемая для обработки холоднотянутых труб, должна быть соответственно выше, а верхний предел температуры может быть выбран. Для алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, таких как LY11 и LY12, температура отжига заготовки составляет 390–450 °C, выдерживается при этой температуре в течение 1–3 часов, затем охлаждается в печи до температуры ниже 270 °C со скоростью не более 30 °C/ч, а затем охлаждается на воздухе вне печи.

1.3 Промежуточный отжиг

Промежуточный отжиг – это отжиг между процессами холодной деформации, целью которого является устранение наклепа для облегчения дальнейшей холодной деформации. Как правило, после отжига материала продолжение холодной деформации без промежуточного отжига после достижения 45–85% холодной деформации будет затруднено.

Технологическая схема промежуточного отжига в основном аналогична отжигу заготовок. В зависимости от требований к степени холодной деформации промежуточный отжиг можно разделить на три типа: полный отжиг (степень деформации ε≈60~70%), простой отжиг (ε≤50%) и частичный отжиг (ε≈30~40%). Первые две системы отжига аналогичны отжигу заготовок, а последняя включает нагрев при температуре 320~350°C в течение 1,5~2 часов с последующим охлаждением на воздухе.

1.4. Отжиг готового изделия

Отжиг готового изделия — окончательная термическая обработка, придающая материалу определенные организационно-механические свойства в соответствии с требованиями технических условий на изделие.

Отжиг готовой продукции можно разделить на высокотемпературный отжиг (получение мягких изделий) и низкотемпературный отжиг (получение полутвердых изделий в различных состояниях). Высокотемпературный отжиг должен обеспечивать получение полной рекристаллизационной структуры и хорошей пластичности. Для обеспечения хорошей структуры и эксплуатационных характеристик материала время выдержки не должно быть слишком длительным. Для алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, скорость охлаждения должна строго контролироваться для предотвращения эффекта закалки при охлаждении на воздухе.

Низкотемпературный отжиг включает в себя отжиг для снятия напряжений и частичный смягчающий отжиг, которые применяются в основном для чистого алюминия и алюминиевых сплавов, упрочненных без термической обработки. Разработка системы низкотемпературного отжига представляет собой весьма сложную задачу, требующую не только учета температуры отжига и времени выдержки, но и влияния примесей, степени легирования, холодной деформации, температуры промежуточного отжига и температуры горячей деформации. Для разработки системы низкотемпературного отжига необходимо измерить кривую изменения температуры отжига в зависимости от механических свойств, а затем определить диапазон температур отжига в соответствии с показателями, указанными в технических условиях.

2. Закалка

Закалка алюминиевого сплава также называется обработкой на твердый раствор, которая заключается в растворении в металле как можно большего количества легирующих элементов 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 повышением 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, 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%. Следовательно, сплавы Al-Cu, содержащие менее 5,6% меди, переходят в область однофазной α-фазы 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 — важнейшая и наиболее требовательная операция термической обработки алюминиевых сплавов. Ключевым моментом является выбор правильной температуры нагрева при закалке, обеспечение достаточной скорости охлаждения, а также строгий контроль температуры печи и снижение закалочных деформаций.

Принцип выбора температуры закалки заключается в максимальном повышении температуры нагрева при закалке, не допуская при этом пережога алюминиевого сплава и чрезмерного роста зерен, что способствует повышению пересыщения α-твердого раствора и прочности после старения. Как правило, для нагрева алюминиевых сплавов требуется точность регулирования температуры в пределах ±3°C, а также принудительная циркуляция воздуха в печи для обеспечения равномерности температуры.

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, как только алюминиевый сплав перегорел, его невозможно устранить, и изделие из сплава должно быть отправлено на лом. 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 деформации, 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 его способность к старению и коррозионную стойкость. При закалке сплавов LY12 и LC4 необходимо обеспечить отсутствие распада α-твердого раствора, особенно в термочувствительной области 290–420 °C, и для этого требуется достаточно высокая скорость охлаждения. Обычно предусматривается, что скорость охлаждения должна быть выше 50 °C/с, а для сплава LC4 она должна достигать или превышать 170 °C/с.

Наиболее часто используемой закалочной средой для алюминиевых сплавов является вода. Производственная практика показывает, что чем выше скорость охлаждения при закалке, тем больше остаточные напряжения и остаточная деформация закаленного материала или заготовки. Поэтому для небольших заготовок простой формы температура воды может быть несколько ниже, обычно 10–30 °C, и не должна превышать 40 °C. Для заготовок сложной формы с большой разницей в толщине стенок, чтобы уменьшить закалочные деформации и трещины, температуру воды иногда можно повысить до 80 °C. Однако следует отметить, что с повышением температуры воды в закалочной ванне соответственно снижаются прочность и коррозионная стойкость материала.

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 распадается и переходит 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 нагревают для старения, то, 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 предвыделения, который появляется в процессе старения алюминиевых сплавов. Увеличение времени старения, особенно повышение температуры старения, также приведет к образованию других промежуточных переходных фаз. В сплаве Al-4Cu после зоны GP имеются фазы θ” и θ', и, наконец, достигается равновесная фаза CuAl2. θ” и θ' являются переходными фазами θ-фазы, а кристаллическая структура представляет собой квадратную решетку, но постоянная решетки отличается. Размер θ больше, чем у зоны GP, все еще имеет форму диска, диаметром около 15 ~ 40 нм и толщиной 0,8 ~ 2,0 нм. Она 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, как показано на рисунке c. Конечным продуктом старения является преципитация равновесной фазы θ (CuAl2), при этом когерентный интерфейс полностью разрушается и становится некогерентным, как показано на рисунке d.

Согласно вышеизложенному, порядок формирования кристаллов при старении сплава Al-Cu выглядит следующим образом: αs→α+GP зона→α+θ”→α+θ'→α+θ. Стадия старения структуры зависит от состава сплава и условий старения. Часто в одном и том же состоянии присутствует несколько продуктов старения. Чем выше температура старения, тем ближе структура к равновесной.

В процессе старения зона GP и переходная фаза, выделяющиеся из матрицы, имеют небольшой размер, высокодисперсны и нелегко деформируются. В то же время они вызывают искажение решетки в матрице и формируют поле напряжений, которое оказывает существенное 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 твердением. 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 различной истории горячей обработки твердость исходного состояния будет варьироваться, как правило, HV = 30 ~ 80. После нагрева при 500 °C и закалки (стадия II) все атомы меди растворяются в матрице с образованием однофазного пересыщенного α-твердого раствора с твердостью HV = 60, которая вдвое превышает твердость в отожженном состоянии (HV = 30). Это является результатом твердорастворного упрочнения. После закалки сплав выдерживают при комнатной температуре, и твердость сплава непрерывно повышается за счет непрерывного формирования зон ГП (стадия III). Этот процесс старения 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 нагревают до 150 °C для старения, и эффект упрочнения более очевиден, чем при естественном старении. В это время продуктом выделения является в основном θ”-фаза, которая имеет наибольший упрочняющий эффект в сплавах Al-Cu. При дальнейшем повышении температуры старения фаза выделения переходит из θ”-фазы в θ'-фазу, эффект упрочнения ослабевает, и твердость снижается, переходя к стадии 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 недостарением или неполным искусственным старением. Если пиковое значение пересекается и твердость снижается, это называется перестарением. Стабилизирующая обработка старением также относится к перестарению. Зона GP, образующаяся при естественном старении, очень нестабильна. При быстром нагреве до более высокой температуры, например, около 200 °C, и кратковременной выдержке в тепле зона GP снова растворяется в α-твердом растворе. Если же ее быстро охладить (закалить) до того, как пройдут другие переходные фазы, такие как θ” или θ', сплав может вернуться в исходное закаленное состояние. Это явление называется «регрессией» и представляет собой падение твердости, обозначенное пунктирной линией на стадии IVa на рисунке. Алюминиевый сплав, подвергшийся регрессии, сохраняет 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, упрочняемые термической обработкой, после закалки проявляют эффект естественного старения. Упрочнение естественным старением обусловлено наличием зоны GP. Естественное старение широко применяется для сплавов Al-Cu и Al-Cu-Mg. Естественное старение сплавов Al-Zn-Mg-Cu длится слишком долго, и достижение стабильного состояния часто занимает несколько месяцев, поэтому система естественного старения не применяется.

По сравнению с искусственным старением, после естественного старения предел текучести сплава ниже, но пластичность и вязкость выше, а коррозионная стойкость выше. Ситуация со сверхтвёрдым алюминием системы Al-Zn-Mg-Cu несколько иная. Коррозионная стойкость после искусственного старения часто выше, чем после естественного.

3.3 Искусственное старение

После искусственного старения алюминиевые сплавы часто достигают наивысшего предела текучести (в основном за счёт упрочнения переходной фазы) и лучшей структурной стабильности. Искусственному старению подвергаются преимущественно сверхтвёрдый, кованый и литой алюминий. Температура и время старения оказывают существенное влияние на свойства сплавов. Температура старения обычно находится в диапазоне 120–190 °C, а время старения не превышает 24 часов.

Помимо одноступенчатого искусственного старения, алюминиевые сплавы могут подвергаться ступенчатому старению. Это означает, что нагрев производится дважды или более при разных температурах. Например, сплав LC4 можно старить при температуре 115–125 °C в течение 2–4 часов, а затем при температуре 160–170 °C в течение 3–5 часов. Постепенное старение позволяет не только значительно сократить время старения, но и улучшить микроструктуру сплавов Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, а также значительно повысить стойкость к коррозии под напряжением, усталостную прочность и вязкость разрушения без существенного снижения механических свойств.